（通信与信息系统专业论文）ldgm码及其在协作编码中的应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着移动通信技术的发展，下一代移动通信系统需要支持高达1 g b s 的高速通信。 由于越来越紧张的频谱资源，要支持高速无线数据传输就必须要充分而高效地利用有 限的频带资源，这也是未来移动通信网络需要解决的主要问题。近年来的研究表明， 分布式无线通信技术将有望成为解决高速数据传输和大范围网络覆盖的关键技术。协 作编译码是适合于分布式无线通信技术要求的信道编译码技术实现方案，而分布式处 理和协作通信是协作编译码技术实现的本质特征，显然性能优异、实现复杂度低的协 作编译码技术是无线协作通信系统需要深入研究的个关键问题。作为一类特殊的 l d p c 码，l d g m 码有着编译码实现更为简单的优点，因此研究基于l d g m 码的高性 能协作编译码技术方案和自适应协作编译码技术方案具有重要的理论和实用价值。 论文在介绍l d p c 码编译码原理的基础上，详细介绍了l d g m 编译码技术与 l d p c 编译码技术的异同以及各自的特点，并通过仿真验证了概率域下置信传播( b p ) 译码算法性能。相关分析表明，l d g m 码的性能与编码构造相关。在一定的码长条件 下，不同参数设置的稀疏矩阵会表现出不同的性能。其次，当稀疏矩阵参数选取相似， 但选择不同码长时，码长越长性能越好。与l d p c 码类似，随着信噪比的增加，l d g m 码会出现错误平层，但由于l d g m 稀疏的校验矩阵存在单位阵，采用b p 译码时部分 信息传递更新不足，l d g m 码的错误平层性能要劣于l d p c 码。通过二进制对称信道 b s c 条件下的译码性能分析，论文分析了l d g m 编译码存在错误平层的原因在于 l d g m 码存在度为1 或2 的变量节点，这些变量节点与校验节点之间传递的消息不能 得到足够的更新或者几乎得不到更新。为了有效克服l d g m 码所存在的错误平层问 题，可以采用级联编码的方法。论文在阐释级联l d g m 码改进l d g m 码错误平层原 理的基础上，分析了基于双单位阵的级联编译码方法，并通过实际仿真验证了级联 l d g m 码的性能。相关分析表明，采用级联的方式可以有效地控制l d g m 码的错误 平层。通过合理选择编码参数，基于串行级联l d g m 编码方案的协作编码，在保持其 实现复杂度低的同时可以大幅度改善译码性能。 t u r b o 码和l d p c 码这两类具有优异纠错性能的信道编码方案均可应用于中继通 信模型，以获得逼近中继容量下的协作编译码技术方案。针对半双工中继通信模型， 论文研究了基于级联l d g m 码的协作编译码技术方案，研究结果表明，在信源中继一 信宿的三节点协作中继模型中，采用级联l d g m 码同样可以获得逼近中继容量限下的 协作编译码技术方案。由于l d g m 码具有更低的编译码复杂度，因此中继通信模型下 基于级联l d g m 码的协作编译码技术是实际可行的。最近的研究结果表明，网络节点 间的拓扑连接关系可以被转换成为一种编码约束关系。论文借鉴基于网络拓扑匹配的 自适应协作编码技术方案的研究成果，将网络拓扑结构映射为l d g m 编码中的编码约 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 束关系，实现了一类基于l d g m 码的自适应网络协作编码技术。论文的研究结果验证 了将网络拓扑结构映射为l d g m 编码中的编码约束关系，而无需额外引入编码冗余即 可以实现基于l d g m 码的自适应网络协作编码可以获得良好的协作编译码性能。 论文的研究验证了l d g m 码在协作编译码和自适应协作编译码技术中的应用价 值，对于类似相关研究有参考和借鉴价值。 关键词：l d g m 码；协作编码；中继通信；自适应协作编码。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h en e x tg e n e r a t i o no f m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mn e e d st os u p p o r tt h eh i g h s p e e do fd a t at r a n s m i s s i o nu pt o 1g b s i ti si m p o r t a n tt oe x p l o i tt h el i m i t e df r e q u e n c yr e s o u r c e ss u f f i c i e n t l ya n de f f i c i e n t l y i nt h eh i g h s p e e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hi st h em a i np r o b l e ma n dc h a n l l e n g et o r e s o l v ef o rt h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a i t o nn e t w o r k i nr e c e n ty e a r s ，s o m ei n v e s t i g a t i o n s h a v ei n d i c a t e dt h a td i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw i l lb eh o p e f u lt ot u r n i n t ot h ek e yt e c h n o l o g yf o rr e s o l v i n gt h eh i g h s p e e dd a t at r a n s m i t i o na n dl a r g e s c a l e n e t w o r kc o v e r i n g c o d e dc o o p e r a t i o ni sac h a n n e lc o d e ds c h e m es u i t a b l ef o r t h e r e q u i r e m e n to fd i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h ed i s t r i b u t e dd i s p o s i n g a n dc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o na r et h ee s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i c st or e a l i z et h ec o d e d c o o p e r a t i o n b va l la p p e a r a n c e ，t h ec o d e dc o o p e r a t i o nt e c h n o l o g yw i t hl o wc o m p l e x i t yi s h i 对l l yd e s i r a b l ef o rt h ew i r e l e s sc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nd e p l o y m e n t a sas p e c i a lf o r m o ft h el d p cc o d e s ，l d g mc o d e sh a v et h ea d v a n t a g eo fs i m p l i f i e de n c o d i n g s ot h e l d g m - b a s e dh i g hp e r f o r m e n c ec o d e dc o o p e r a t i o na n da d a p t i v ec o d e dc o o p e r a t i o ns c h e m e a r co fs i g n i f i c a n tt h e o r e t i ca n dp r a c t i c a lv a l u e i nt h i sp a r p e r , a f t e rab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h el d p cc o d i n gp r i n c i p l e ，w ep a r t i c u l a r l y a d d r e s st h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e sb e t t w e e nl d g mc o d ea n dt h el d p cc o d e i ti s s h o w nt h a t ，l i k et h el d p cc o d e ，t h ep e r f o r m e n c eo fl d g mc o d e si sc o m p l e t e l yd e p e n d e n t o ni t se n c o d i n gc o n s t r u c t i o n f o rag i v e nc o d e w o r dl e n g t h ，d i f f e r e n te n c o d i n gp a r a m e t e r s w i l lg i v er i s et od i f f e r e n tp e r f o r m e n c e n e x t ，w i t hs i m i l a rm a t r i xp a r a m e t e rb u td i f f e r e n t c o d e w o r dl e n g t h ，al o n g e rc o d e w o r dw i l lh a v eab e t t e rp e r f o r m a n c e f u r t h e r m o r e ，s i m i l a r w i t hl d p c ，w i t ht h es n ri n c r e a s i n g ，e r r o rf l o o rp e r f o r m a n c ew i l lp r e s e n tf o rl d g mc o d e s a sw e l l b e c a u s eo ft h es p a r s em a t r i xi n c l u d i n gi d e n t i t ym a t r i xf o rl d g mc o d e s ，s o m eb i t i n f o r m a t i o nw i l ln o tb eu p d a t e dd u r i n gi nt h eb pd e c o d i n g w h i c hm a k e sl d g mh a v e w o r s ee r r o r f l o o rt h a nt h el d p cc o d e s a c c o r d i n gt ot h ee r r o rr a t ea n a l y s i so v e rt h eb i n a r y s y m m e r t r i cc h a n n e l i ti ss h o w n t h a td e g r e e - lo rd e g r e e 一2b i tn o d e sa r et h er e a s o nf o rt h e h i g h e re r r o rf l o o rf o rl d g mc o d e s 。w h i c hc o u l db ei n t u i t i v e l ye x p l i c a t e ds i n c et h er e l a t e d m e s s a g e sw i l l n o tb eu p d a t e dd u r i n gt h eb pi t e r a t i v ed e c o d i n gf o rt h e s eb i tn o d e s c o n c a t e n a t e ds c h e m ec o u l db eu t i l i z e dt os u p p r e s st h ee r r o rf l o o rs i g n i f i c a n t l y a f t e rt h e e x p l a n a t i o no nt h er e a s o no ft h ei m p r o v e m e n to nt h ee r r o rf l o o rp e r f o r m a n c eb yu s i n g s e r i a l l yc o n c a t e n a t e dl d g mc o d e s ，t h es e r i a l l yc o n c a t e n a t e ds h e m e b a s e do nd u a ld i a g o n a l i d e n t i t ym a t r i xi su t i l i z e da n di t si m p r o v e m e n to nt h ee r r o rf l o o rp e r f o r m a n c ei sv a l i d a t e d t h r o u g hs i m u l a t i o n s b y s e t t i n gt h ea p p r o p r i a t ec o d i n gp a r a m e t e r s ，t h es e r i a l l yc o n c a t e n a t e d l d g mc o d e sc o u l dk e e pt h el o wc o m p l e x i t ya sw e l la sg r e a t l yi m p r o v et h el d g m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 p e r f o r m a n c e p a s ti n v e s t i g a t i o nr e s u l t sh a v es h o w nt h a t ，b o t ht u r b oc o d e sa n dl d p cc o d e sa r e e x c e l l e n tc h a n n e lc o d i n gs h e m e ，b o t ho fw h i c hc o u l db eu t i l i z e di nt h er e l a yc o m m u n i c a t i o n m o d e lt oa c h i e v et h ec a p a c i t y - a p p r o a c h i n gc o d e dc o o p e r a t i o ns c h e m e a i m i n ga tt h e h a l f - d u p l e xr e l a ym o d e l ，s e r i a l l yc o n c a t e n a t e dl d g mc o d e dc o o p e r a t i o ni sh i g h l i g h t e di n t h i st h e s i s i ti su n v e i l e dt h a t ，c o n c a t e n a t e dl d g mc o u l da c h i e v et h ec a p a c i t y - a p p r o a c h i n g p e r f o r m a n c ei nt h es o u r c e r e l a y - d e s t i n a t i o nr e l a ym o d e la sw e l l b e s i d e st h ep e r f o r m a n c e ， t h ec o m p a r a t i v es i m p l i c i t yf o ri m p l e m e n t a t i o nm a k e st h es e r i a l l yc o n c a t e n a t e dl d g m c o d e dc o o p e r a t i o ns c h e m ea na t t r a c t i v ea n dp r o m i s i n gc o d e ds c h e m ef o rt h ep r a c t i c a l i m p l e m e n t a t i o ni nt h er e l a yc o m m u n i c a t i o nm o d e l r e c e n ti n v e s t i g a t i o nh a ss u g g e s t e dt h a t ， t h en e t w o r kc o n n e c t i o nt o p o l o g yc o u l db ei m e r p r e t e da sc o d e dc o n s t r a i n t ，w i t ht h e w e l l - k n o w nc l a s so fc o d e o n - g r a p h a n dt h er e c e n t l yp r o p o s e da d a p t i v en e t w o r kc o d e d c o o p e r a t i o n ( a n c c ) w a sv a l i d a t e di n t h i sp a p e rt o t r a n s f o r mt h en e t w o r kc o n n e c t i o n t o p o l o g y i n t oac l a s so fa d a p t i v el d g mn e t w o r kc o d e s t h er e l a t i o no fm a p p i n g n e t w o r k - o n g r a p h i n t ol d g mc o d e o n - g r a p hi sa d d r e s s e da n dv a l i d a t e d t h r o u g h s i m u l a t i o n s i ti sd i s c l o s e dt h a ta d a p t i v el d g mc o d e dc o o p e r a t i o ns c h e m ec o u l db e r e a l i z e dw i t h o u ta d d i t i o n a l c o d i n gr e d u n d a n c ea te v e r yi n d i v i d u a ln o d ei nn e t w o r k c o m m u n i c a t i o ns c e n a r i o s ，t h u so f f e r i n gap r o m i s i n gn e t w o r k o n - c o d e - g r a p hs c h e m ef o ra d i s t r i b u t e dc o m m u n i c a t i o nw i t hm a n ys o u r c e sa n do n ed e s t i n a t i o n t h ew o r ki n t h i st h e s i sv a l i d a t e dt h a tt h el d g mc o d e dc o o p e r a t i o na n da d a p t i v e n e t w o r kc o d e dc o o p e r a t i o na r ee f f e c t i v ei nd i s t r i b u t e dc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t i ti so f v a l u a b l er e f e r e n c ef o rt h er e s e m b l ei n v e s t i g a t i o n k e y w o r d s ：l d g mc o d e s ；c o d e dc o o p e r a t i o n ；r e l a yc o m m u n i c a t i o n ；a n c c 西南交通大学凹南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密一使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者繇弓* ：欠指导老师繇彳嗍 日期：加i a 耳多日、日 日期：如口f 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 论文在分析和验证l d g m 码和级联l d g m 码性能的基础上，重点分析了基于 中继通信模型下基于级联l d g m 码的协作编译码方案，以及基于l d g m 码的逼 近中继系统容量限的协作l d g m 码编译码方案。论文的相关研究验证，在有效降 低编译码实现复杂度的前提下，基于l d g m 编码方案的协作编码是有效改善中继 通信模型下协作通信性能的协作编译码方案。 2 论文借鉴基于网络拓扑匹配的自适应协作编码技术方案的研究成果，将网络拓 扑结构映射为l d g m 编码中的编码约束关系，验证并分析了一类基于l d g m 码 的自适应网络协作编码技术。论文进一步验证了将网络拓扑结构映射为l d g m 编 码中的编码约束关系，而无需额外引入编码冗余即可以实现基于l d g m 码的自适 应网络协作编码，获得良好的协作编译码性能。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 弓 敞l 主 i h n ：弘瞬箩小2 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本章在简要阐述信道编码发展和研究现状的基础上，介绍了低密度生成矩阵 l d g m 码编译码的研究现状，以及协作编码技术的研究现状，然后简要概述本文的主 要工作内容和研究结论，最后为论文的章节安排。 1 1 信道编码理论及其发展演进 为了将信息由信源可靠地传送到信宿，通常需要采用信道编码技术。1 9 4 8 年， s h a n n o n 发表了信息和编码理论的奠基性论文“通信的数学理论”，首次说明了在数字 通信系统里可以实现在随机干扰噪声的条件下，仍然可有效可靠传输信息的方法 1 】。 一 图1 - 1 数字通信系统模型 一个典型的数字通信系统框图如图1 1 所示，发送端包括信源、信源编码器、信 道编码器和数字调制器，接收端包括与发送端相对应的逆处理模块，即解调、信道解 码和信源解码。在数字通信系统中，发送端的任务是将信源生成的信息转换为能够抵 抗信道噪声和失真以及有利于在传输媒质上进行传输的形式。信源中通常包含冗余信 息，这主要是因为在信源中相邻符号之间存在一定的相关性，为提高传输带宽利用率 和信息传输效率，在信息传输之前先利用信源编码器来消除这些冗余，可以利用最少 的码元来代表要传输的信息。信源输出经过信源编码器编码后得到的数字序列称为信 息序列。传输信道存在一定的噪声和衰落，必然会对其上传输的信息引入失真和信号 判决错误，因此需要采用差错控制编码来检测和纠正这些错误。信道编码器的作用就 是按一定规则在信息序列u 中嵌入冗余码元，使不具规律性的信息序列u 变成具有某 种规律的新序列“又称为码序列) 。与原始信息序列中的冗余码元不同，经过信道编码 添加的冗余码元的作用是减小传输中发生的信号和码元错误，提高系统的可靠性。在 接收端，信道译码器根据这种预知的编码规则来译码，检测接收的数字序列y 是否符 合预知的规则，从而发现或纠正接收序列y 中的错码。 信道编码是在发送端和接收端之间实现信号可靠传输的必要手段之一。信道编码 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 也称为纠错编码，它是为了降低信息码元的传输误码率，提高数字通信的可靠性而采 取的编码。采用纠错编码以后，对传输中可能或已经出现的差错进行控制，可以使误 码率降低到用户允许的程度。信道编码将不再规律性( 或规律性不强) 的数据变换为带 有规律性( 或加强规律性) 的数据，信道译码利用这种外加的规律来鉴别错误并纠正之。 通常信息序列m 是以k 个码元为一组来传输的，我们称这k 个码元组成的码组为信息 码组，信道编码器按一定规则对每个信息码组附加，z k 个冗余的码元( 称为该码组的 监督码元或监督元) ，构成了n 个码元的码组( 又称码字) ，这n 个码元之间是相关的。 确切地说，附加的n k 个冗余码元为何种符号序列与待编码的信息码组有关。从信息 传输的角度来说，监督元不载有任何信息，所以是多余的，但这种多余度使码字具有 一定的纠错和检错的能力，提高了传输的可靠性。 比特形式的信息是不适合在物理信道上直接传输的，因此需要利用数字调制器将 这些编码信息比特转换成适合于在信道上传输的连续波形信号。同时调制器还可以在 相同的物理信道上同时传输多个信息比特，从而提高信息传输速率。调制器的基本思 想是将编码的数字序列映射成适合在信道上传输的模拟信号。信号经过信道传输后到 达接收端。在接收端中，数字解调器的作用是将接收到的模拟连续调制信号还原为适 合信道译码器处理的符号序列。 信道译码器对接收码字序列进行估计和判决，估计准则是根据