（通信与信息系统专业论文）基于ldpc的自适应调制编码技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 自适应调制编码技术是克服无线信道时变性的一种重要链路自适应技 术，能够有效提高系统频谱效率作为3 g 至下一代移动通信中的一个关 键技术，自适应调翻编码越来越受到众多研究者的关注。 文章系统介绍了自适应调制编码的基本思想和分类，突出系统采用自 适应方式的优势，详细分析了基于信道状态信息的自适应调制编码系统。 阐述了低密度奇偶校验码( l d p c ) 的基本原理，详细介绍了l d p c 的b p 译码算法及简化算法。 论文的主要工作在于： 仿真分析l d p c 码中对自适应系统有重要影响的因素，包括帧长、 迭代次数和已知未知信道信息三种因素，得出自适应调制编码系统采用 l d p c 码时的参数选择权衡； 分析l d p c 用于自适应调制编码系统的优势，包括无交织影响和与 t u r b o 码相比较的误码性能、译码复杂度优势；详细介绍分析反馈延时和 信道估计误差对自适应调制编码系统的影响。得出采用l d p c 码可减小反 馈信息对信道时变的滞后影响； 设计出同时改变l d p c 编码调制方式的自适应调制编码系统，建立 平坦衰落信道模型，阐明两种门限确定方法，仿真得出基于l d p c 的自适 应调制编码系统在保证一定误码率的条件下获得频谱效率提高，l d p c 高 的编码增益和强大纠错译码性能，再结合自适应，使得系统在较低信噪比 时，也能达到较低误码率； 将网格编码调制( t c m ) 引入基于信道状态信息的自适应调制编码 系统设计出l d p c 与t c m 在发送和接收端的结合方式，并建立仿真系 统，分析系统性能改善，得出这种方案在提高频谱效率的同时还可得到更 低误码率 论文提出并论证了l d p c 码是一种非常适合自适应系统的好码。论文 提出的基于l d p c 的自适应调制编码系统，很好克服了衰落信道的时变自 然特性，也使得系统在较低信噪比时还可得到较好性能。 关键词：自适应调制编码( a m c ) ，低密度奇偶校验码( l d p c ) 置信传播译码算法( b p ) ，网格编码调制( t c m ) 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞整虫盔堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名：席- l 蜗 签字日期： 聊7 年岁月；。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖整且太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重废邮电太堂 可以将学位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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：鸯小娲 签字日期： 如0 7 年岁月；。日 彭月7 日 ， 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 数字通信系统 通信的目的在于将信息及时可靠地传送给对方，因此，要求一个通信 系统传输信息必须可靠、且有尽可能高的传输速率。在数字通信系统中可 靠性与有效性往往是一对矛盾，若要求很高的传输速率，则必然使得每个 数据码元所占的时间缩短、波形变窄、能量减少，从而在受到干扰后产生 错误的可能性增加，传送信息的可靠性降低；若要求高可靠性，则传送信 息的速率变慢。因此，通信系统设计的核心问题就是在存在随机噪声的信 道中如何克服干扰，减小信息传输的差错，同时又不降低信息传输的效率， 即如何解决系统的有效性与可靠性之间的矛盾。通信系统的可靠性一般用 误比特率( b e r ) 来衡量，其有效性则用信息传输速率r 比特信道符号来衡 量。通信理论本身也是在解决有效性和可靠性的矛盾中不断发展起来【2 】。 数字通信系统的基本组成如图1 1 所示 图1 1 数字通信系统模型 1 2 自适应调制编码技术的发展及特点分类 1 2 i 自适应调制编码技术发展背景 在移动通信技术的发展早期，人们对抗无线衰落信道的时变特性，只 能采用加大发射机发射功率、使用低阶大冗余的调制编码方法来保障系统 在信道深衰落时的通信质量，还无暇考虑如何提高系统的吞吐量。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 为了适应未来高速无线数据传输的需要，通信系统应该能够在有限的 频谱资源上支持高速率数据和多媒体业务传输，因此，必须提高系统在衰 落信道中的频谱利用率【3 】。频谱利用率已成为第三代移动通信以及未来通 信系统的关键环节之一以往的非自适应系统中，由于移动通信系统无线 衰落信道时变的特点，通信过程存在大量的不确定性，为了保障通信的可 靠性，系统通常针对信道的最差的状态设计：一方面，为了提高系统吞吐 量，采用传输速率较高的高阶调制和少冗余纠错码进行通信，这样在无线 衰落信道信噪比较理想时系统吞吐量确实得到了很大的提高，但当信道处 于深衰落时则无法保障通信可靠稳定地进行；另一方面，为了保障通信的 可靠性，采用传输速率较低的低阶调制和大冗余纠错码进行通信，即便在 无线信道处于深衰落时能够保障通信可靠稳定地进行，然而当信道信噪比 较高时，由于传输速率较低，制约了系统的吞吐量提高，从而造成了资源 浪费。这导致传输效率远未达到无线信道的传输极限。为提高系统在衰落 信道中频谱利用率，需要一种健壮且极其有效的通信技术。实践证明，在 无线通信系统中，根据无线信道状况自适应的改变传输参数，可以带来系 统性能方面的较大改善。于是人们提出了链路自适应技术，该技术克服了 传统非自适应系统传输效率较低的缺点，提高了传输速率和系统容量【4 】【鲥。 事实上，链路自适应技术方面的研究早在2 0 世纪6 0 年代末就进行过， 它要求接收端准确的信道估计以及收发端之间可靠的反馈路径1 6 j 。但是 许多年来，由于硬件限制以及其他技术条件的不足，对于无线信道的自适 应调整被认为是不现实的，因此没有得到广泛关注。直到2 0 世纪9 0 年代 初，信道自适应技术成功应用于有线通信领域，现代社会对高效率通信的 需求又重新唤起了研究者们对无线信道自适应技术的兴趣。出现了根据信 道状态自适应地调节其发射功率、调制编码方式以及数据的帧长来克服信 道时变特性的信道自适应技术，以此获得最佳通信效果这种技术被称为 链路白适应技术 链路自适应技术的基本思想是通过改变发射功率值、符号传输速率、 星座大小、编码率或这些参数的任意组合，来保持e b n o 恒定。因此，这 些系统能够在有利的信道条件下高速传输，在信道变差时减小吞吐量，从 而可以在不牺牲系统功率和误比特率的前提下，根据信道的时变性，提供 较高的平均信道频谱效率。 常见的链路自适应技术有： 0 自适应功率控制 自适应功率控制【7 】根据反馈信息，通过改变信号的发射功率实现对通信 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 质量的自适应调整。比较典型的是信道补偿技术，即当信道质量好时采用 较小的发射功率，而信道恶化时增加发射功率以确保接收端信噪比( s n r 、 保持较高的值。但在信道深度衰落时，采用这种技术的系统功率消耗巨大。 因此，研究者们又提出了截短信道补偿的方法。这种方法的原理是在信道 的接收信噪比低于某一截止信噪比值时中断信号传输。截止信噪比引起的 信道中断概率是截短信道补偿方法的一个重要性能指标。当衰落较深时， 中断概率较大，往往令人难以接受另外，自适应功率控制技术对功率控 制器的要求较高，需要较大的功率控制范围和较陡的功率变化率 自适应调制 m q a m 是一种获得高比特率传输的有效方法，但是由于深度衰落的影 响，即使在信道信噪比很高的情况下，系统也会受到突发错误的影响。要 减轻这种不良影响，可以采用功率控制的方法。但如前所述，功率控制对 发射机功率有较高要求，同时会增加同信道干扰，从而降低了系统容量。 为了更有效解决这个问题，人们提出采用保持功率恒定而变化调制电平数 的方法，这就是自适应调制【引。自适应调制的原理是在接收机所处环境没 有衰落或衰落很轻时，增加传输星座大小，而当接收机受到严重衰落影响 时减少星座点数耳，以此来保证可接受的错误比特率和稳定的输出功率。 0 可变功率自适应调制 可变功率自适应调制【9 1 在自适应调制结构中引入了自适应功率控制。具 体的做法是将整个接收信噪比范围分为若干个区域，以平均频谱利用率最 大为原则为每个区域设计一种传输模式，根据当前信道质量进行传输模式 之间的切换。同时，对每种传输模式，采用功率自适应来保证接收信噪比 为定值。仿真结果表明，该结构与可变功率固定速率自适应结构相比可获 得4 - 1 0 d b 的功率增益，与非自适应传输结构相比可得到高达2 0 d b 的增益。 自适应调制编码 自适应调制编码技术首先由s m a l a m o u t i 等学者提出，a j g o l d s m i t h 等研究了其一般设计方法 t o l 。该技术在自适应调制系统加入了编码体制， 以提高系统传输性能和频谱利用率。 o 固定门限切换自适应调制技术 自适应调制技术一般根据当前信道信噪比情况，选择合适的信号格式 发射信号固定门限切换技术根据惩罚函数确定系统的信号星座调整切换 点，在简化系统发射，接收结构和满足系统误码率性能的同时，尽可能大的 增大了频谱利用率【l “。 由于调节发射机发射功率实现较为简单，第二代和第三代移动通信技 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 术采用传输功率控制( t p c ) 技术来适应信道的时变性。传输功率控制技 术虽然可以保证链路的通信质量，但是他存在2 个无法克服的缺点：一是 存在所谓的“远近效应”，限制了整个系统的容量；二是存在所谓的“噪声 提升效应”，导致每个接收机收到一个额外的噪声提升。因此，人们努力 研究新的链路自适应技术来提高系统的性能。 采用调节通信的调制编码方式来适应信道变化的技术是目前研究最热 门的链路自适应技术之一 在最初的第三代移动通信系统设计时，最大传输速率仅仅为2 m b p s ， 这远不能满足需要，为了进一步提高传输速率和容量，3 g p p 引入了自适 应调制编码( a m c ) 技术，并与混合自动重传请求( h a r q ) 技术和快速 小区选择( f c s ) 技术构成3 g 增强技术标准h s d p a ( 高速下行分组接入) 。 另外，在无线城域网( w m a n ) 标准i e e e 8 0 2 1 6 ( 也称w i m a x ) 标准中， 也采用了自适应调制编码( a m c ) 技术【i 。 在现代移动通信中，系统拥有多种物理层( p h y ) 传输模式可供选择， 自适应调制编码实际上就是根据信道条件合理选择p h y 传输模式。选择 什么传输模式由系统所采用的自适应调制编码算法决定。 1 2 2 自适应调制编码特点及分类 自适应调制编码技术可以同时克服平均路径损耗、慢衰落和快衰落变 化的影响，具有以下的特点d 3 1 1 4 1 ： 自适应调制编码技术随信道状态的变化而改变数据传输的速率，不 能保证数据固定的速率和延时，因此不适用于需要固定数据率和延时的电 路交换业务，比如语音电话、可视电话业务，仅适用于对数据率和延时没 有要求的分组交换业务，例如w w w 网页浏览，数据下载等业务。 o 自适应调制编码技术发射功率保持恒定，信道条件好的用户使用较 高的数据率，信道条件差的用户使用较低的数据率，从而避免了功率控制 技术中存在的“远近效应”，提高了系统平均吞吐量。 o 自适应调制编码技术发射功率保持恒定，仅随快衰落变化改变调制 编码方案，从而避免了快速功率控制技术存在的“噪声提升”效应，克服 了一个用户对其它用户的干扰变化问题，可以降低网络中的干扰量，从而 提高了系统的吞吐量。 自适应调制编码技术和数据包调度算法结合使用时，选择小区内当 前载干比最大的用户传输数据，从而利用了不同链路问快衰落的不相关 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 性，可以减小用户在快衰落处于波谷时传输数据的概率，增加在快衰落的 波峰传输数据的概率，不仅不受快衰落的影响，还可以得到一定的快衰落 波峰增益。 自适应调制编码的分类： a m c 自适应算法可分为探索( h e u r i s t i c ) 类和基于信道估计类。 1 探索类 比较成熟并已经应用到商业产品中的探索类自适应调制编码技术是自 动传输率后退协议( a u t or a t ef a l l b a c k ，a r f ) ( 卯。a r f 算法已成功应用在 朗讯科技的w a v e la n i i 的无线网络设备中。该算法根据其对时间函数以 及失败的a c k 帧的跟踪结果来变换其数据传输率，如果连续2 个a c k 帧未 能被发端成功接收，则当前数据包的第2 次重传以及随后的数据传输用低 一级的物理层( p h y ) 传输模式进行，并同时启动一个计时器。当计时器超 期或成功接收到的a e k 帧累计达到1 0 个，数据传输模式升一级并取消计 时器；但当启动计时器后紧接着的1 个帧又失败，则传输模式再降一级并 重启计时器。这种算法的优点是由于不需要进行信道估计，实现比较简单， 也不存在由于信道估计误差带来的性能损失。但是由于它是属于纯探索类 的a m c 技术，不能够对信道的时变性作出快速反应，转换调制编码方式 往往滞后于信道的变化，因此采用a r f 很难使系统吞吐量有较大的提高。 另外，在实现的过程中也存在如何决定计时器的时限( t i m e o u t ) 问题。 探索类的a m c 算法虽然实现起来较为简单，但并不能完全适应信道的 变化，因为他没有进行信道估计，就不能充分利用信道的信息。 2 基于信道估计类 基于信道估计，也就是基于信道状态信息估计。在数字通信中，接收 端获取的信道信息称为信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) ，也称为信 道边信息( c s i ：c h a n n e ls i d ei n f o r m a t i o n ) ，它可以通过辅助信道或对信噪比 s n r 的直接检测来得到。实际中，有很多方法表示信道状态信息。典型的 有信噪比( s n r ) 或信干噪比( s i n r ) ，这些都可以从物理层得到。在链路层， 则可利用循环冗余码c r c 得到误包率或误比特率来得到信道状态信息【l 5 1 。 基于信道估计的a m c 算法的基本原理是：接收端在接收数据的同时， 根据所接收数据信号的幅值变化以及错误率等因素来估计和预测下一数 据帧传输时的信道状况并将其反馈回发射端，发射端再根据反馈值决定下 一帧所应该采用的调制编码方式，从而更好地适应信道变化 总体来说，由于充分利用了信道的信息，基于信道估计的自适应调制 编码技术要比纯探索类的性能要好，当然实现起来也相对复杂些。对于基 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 于信道估计的自适应调制编码技术影响其性能的因素有：信道估计误差、 反馈信道中的噪声和时延等，这也是目前研究中要努力解决的问题。 这里研究基于信道估计的自适应编码调制技术。以下所提自适应调制 编码系统，均是基于信道估计算法的系统 1 3 自适应调制编码研究现状 目前，国内外就自适应调制编码的研究面临两方面挑战： 一是反馈延时和信道估计误差的减小。a m c 对延迟和测量误差比较敏 感，为了选择适合的调制编码方式，必须首先知道信道的质量，对信道估 测的错误可能会使系统选择错误的传输数据率，使传输功率过高，浪费系 统容量或者因功率太低而出现误码率升高；其次，由于移动信道的时变特 性，信道测量报告的延迟降低了信道质量估计的可靠性；另外，干扰的变 化也增加测量的误差。现在对自适应调制编码的性能研究几乎都是基于理 想信道估计的。 二就是编码和调制的结合问题。得到信道条件后，怎样的编码方式和 调制方式能达到更好的性能，也在不断的探索研究中本文采用l d p c 编 码方式，对自适应调制编码系统带来很好的性能，更好克服信道时变特性。 1 4l d p c 码的发展 在通信中，为了抵抗信息传输过程中信道的干扰，纠正因干扰而产生 的接收错误，保证通信的可靠性，人们提出了纠错编码的方法。但是这种 方法抗干扰的能力怎样，有没有性能上的极限? 1 9 4 8 年s h a n n o n 建立了信 息论，回答了这个问题，并为纠错码的研究指明了方向由s h a n n o n 理论 知纠错编码能够进行有效纠错的最小比特信噪比为s h a n n o n 极限 自从s h a n n o n 的论文发表以来，出现了许多纠错编码的方法，这些方法 大致可以分为两大类：分组码( b l o c k c o d e s ) 和格状码( t r e l l i sc o d e s ) 。但是 格状码受状态数的限制自由距离有限，而传统的分组码比较适用于短码， 因为它们的译码复杂度与码长成指数关系。短码的性能是有限的，难以达 到逼近s h a n n o n 限的目标，因此s h a n n o n 限的逼近需要长码。g a l l a g e r 0 6 1 在 1 9 6 2 年找到了一种编码，现在通常称为g a l l a g e r 码这种编码由于校验矩 阵的稀疏性，使得译码复杂度只与码长成线性关系，在长码时，仍然可以 有效地进行译码。然而当时由于技术条件的限制，导致人们忽视了这种编 码的存在，几十年来这方面的进展甚微。 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 法国的c b e r r o u 等人于1 9 9 3 年提出了一种全新的编码方案：t u r b o 码， 在信道编码的理论和应用中取得了突破性进展。这种编码能够在长码时逼 近s h a n n o n 限，同时译码复杂度也可以接受，在当时的硬件水平下可以实 际应用。t u r b o 码采用并行级联递归的编码器结构，其分量码采用系统的卷 积码。其译码算法主要有m a p 算法、l o g m a p 算法、s o v a 算法等。t u r b o 码之所以具有逼近s h a n n o n 限的性能，是因为其独特的编码结构和新的译 码思想：在子编码器中采用反馈型的系统卷积码，且在子编码器间引入交 织器，减少了子编码器间信息的相关性，模仿了随机编码的形式。同时在 译码中采用了软输入软输出的译码算法和信息反馈的译码器形式，引入迭 代译码的思想。由于t u r b o 码的优秀性能使其一度成为编码界研究的热点， 其理论和技术也逐渐成熟起来，在通信中有若广阔的应用前景。但是t u r b o 码也有其缺点，它的译码复杂性仍然较大，且在码长较长时，由于交织器 的存在具有较大的时延。 在获得巨大成功的t u r b o 码的启发下，另一类具有相似特征和性能的编 码复活了。这就是l d p c ( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e ) 码。l d p c 码是g a l l - a g e r 码的推广。d j c m a c k a y 。m n e a l 和n w i b e r g 等人对g a l l a g e r 码重新进 行了研究【 】。根据s h a n n o n 著名的有噪信道编码定理，证明在信道传输速 率不超过信道容量的前提下，只有在码组长度无限的码集合中随机地选择 编码码字并且在接收端采用最大似然译码算法时，才能使误码率接近零， 这样的码被称为“最佳码”。然而，香农的证明是利用随机编码理论，是 非构造性的，所以并不能以此得到实用的最佳编码。而l d p c 码具有优越 性能及其巨大的实用价值，并且利用迭代译码具有逼近香农极限的性能 【1 8 】，这种l d p c 码不仅是最佳码，而且在现在的技术条件下也是能够实际 应用。 通信系统的目标除了可靠性之外，还有对传输有效性的要求，因此如 何在保持其高编码增益的同时尽量提高频带利用率成为一个重要的研究 方向。f u t a k i 等人将目标放在将多元数字调制方式与l d p c 码相结合方面 d g ，取得了较佳的误码性能和频带利用率为了迸一步提高码与多元数字 调制方式结合后的通信系统模型的性能，l i m p a p h a y o m 和w i n i c k 提出将 多电平编码( m u l t i l e v e lc o d i n gm l c ) 、多状态译码( m u l t i s t a g ed e c o d i n g ) - 与 l d p c 码相结合，取得了较好的系统性能【8 】，然而这种方案的设备复杂度 也相应地较高，实现起来也较为困难。 本文将网格编码调制( t r e l l i s c o d e dm o d u l a t i o nt c m ) 应用于l d p c 编 码调制系统中的方法，根据t c m 可以在不扩展带宽的情况下提高差错性 7 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 能的特性，建立了一个利用t c m 方法结合编码调制方式的通信系统。本 文采用递归系统卷积码构造了基于软输入软输出算法的l d p c 联合编码调 制方式的设计方案，并进行了系统仿真，结果表明该方案在功率和频谱利 用方面都有较佳的性能 1 5 本文主要研究工作和内容安排 本文采用理论分析和仿真结合的方法，利用l d p c 这一好码的优良特 性，充分显示自适应调制编码的优越特性，再结合t c m ，获得更好效果。 本文其余各章安排如下： 第一章简要介绍数字通信系统，阐明白适应调制编码( a m c ) 技术提出 的背景，再介绍自适应调制编码技术的发展和研究现状。之后介绍l d p c 码的发展。最后给出了全文内容安排。 第二章首先说明自适应调制编码的基本原理，以图说明其优点，其次 阐述了l d p c 码基本原理，介绍l d p c 的基本编码构造方式，详细分析了 l d p c 快速译码方法。 第三章仿真分析了l d p c 码对自适应系统影响重要的三个个因素：帧 长，迭代次数，信道信息。得出在自适应调制编码系统中，应怎样合理选 择l d p c 参数。 第四章首先分析了l d p c 码适用于自适应调制编码系统的优势，比较 了l d p c 与现有好码t u r b o 码的性能优劣。再分析时间延时和信道估计误 差对移动通信系统的影响。接着介绍分析了一种信道信噪比估计技术。之 后设计出基于l d p c 的自适应调制编码系统，介绍两种门限确定方法，最 后给出仿真结果 第五章首先分析了采用t c m 的自适应调制编码系统性能，之后设计出 l d p c 联合t c m 的自适应调制编码系统，实现l d p c 码与高效数字调制方 式结合，分析其保证较好误码率的同时带来系统频谱利用率的提高 最后对全文的主要内容和成果进行了总结，并指出进一步研究问题和 需要傲的工作 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章自适应调制编码及l d p c 编译码基本原理 第二章自适应调制编码及l d p c 编译码基本原理 2 1 自适应调制编码基本原理 在传统的移动通信系统中，一般采用相对固定的调制和信道编码方式， 并且系统设计往往按最坏的情况选择调制编码方案。但移动无线传输信 道，当信道条件较好的时候，仍然按最坏的情况选择调制编码方案会限制 系统的传输速率和容量。 图2 1 为a m c 系统基本模型 ( a ) 图2 1a m c 系统基本模型 ( a ) 发送端( b ) 接收端 a m c 技术的本质是根据信道的情况( 信道状态信息c s i ) 确定当前信 道的容量，根据容量确定合适的编码调制方式等，以便最大限度地发送信 息，实现较高的速率；而且，针对每一个用户的信道质量变化，a m c 都 能提供可相应变化的调制编码方案以适应。信道状态信息( c s i ) 可以根 据系统的信噪比( c s n r ) 测量或其它相似的报告确定。当信道条件好时， 可以采用效率较高的高阶调制方案，并结合较弱的信道编码或不编码，以 提高传输速率和频谱利用率，由此蜂窝平均吞吐量得到提高；当信道质量 较差时，可以采用性能较好的低阶调制方案，并结合较强的信道编码，以 对付信道变差带来的性能恶化。 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章自适应调制编码及l d p c 编译码基本原理 另外，在具体移动通信系统设计时，信道状态信息还可以进一步综合 考虑用户移动情况、用户距离基站远近情况；在改变调制和信道编码的同 时，还可以联合改变用户的发送功率和c d m a 系统的扩频因子、考虑多载 波调制系统是采用单载波还是多载波传输等。： 2 1 1自适应调制编码系统区间划分 为了_ 根据信道状态信思确定最佳的调制阶数与信道编码组合，a m c 必 须预先对c s n r 的取值变化范围进行量化，用y 表示c s n r 的取值，对t 进 行n 级量化，取y l 扎 h ，t e 0 , y l ，扎，y r ) ，若7 e 【h ，7 一i ) ，则7 属 于第n 级。相应的由于发送机和接收机成对使用，故分成n 对。收发机当 y e y n ，y t + t ) 时，第n 对有效，特别地，当7 【o ，7 ) 时，a m c 系统停止发送， 因为此时信道质量已经非常恶劣以至于无法有效地传送任何信息【2 们。划分 区域如图2 2 所示，每个区域对应不同的传输速率r ，且r i r 2 t h r o 蝴嘲，j 1 ，2 ，n ；j f ( 2 7 ) 此时整个系统的吞吐量要比弼毽总为定值时的吞吐量大【2 1 1 。 自适应调制编码系统处理过程： a m c 算法中先自适应调整原始的信息比特块大小，而由于传输时的 物理信道容量的大小( 如载频、时隙、码道等) 是固定的，从而使得编码 速率发生改变；接着与传输块大小对应着调整的是调制方式。一次完整的 调整过程有以下三个步骤：c s n r 的测量、映射和反馈；发送端自适应调 整；接收端自适应调整。事实上第二步和第三步的调整是接收到反馈信息 后同时进行的，且调整方式类似，但是从信号的传输来讲有个先发送后接 收的顺序，所以这里就将其分了先后顺序。 第一步：c s n r 的测量、映射和反馈 当u e 接收到下行信号后，在通过接收滤波器之后对信号进行测量得到 c s n r 。所得到的测量结果经过一个映射模块映射为相应的c q i ( 信道质 量指示) 。c q i 包括两部分内容：一是建议采用调制方式( 如q p s k 和 1 6 q a m ) ，二是建议采用的t b s ( 传输块大小) 。其中c q i 所对应的传输块 大小和调制方式则需要通过仿真确定，也就是分别找出在a c s n r 取值为 表中c s n r 的各门限的时候，使得此时系统吞吐量最大的传输格式。 在实际仿真中确定映射关系时应该需要某种条件作为限制，从而选择 出最适当的映射关系。目前这样的限制条件有两种：一种是使得系统吞吐 量最大，另一种是在保证b l e r ( 误块率) 小于1 0 的情况下使得系统吞吐 量最大 第二、三步：发送端和接收端的自适应调整 由于发送端和接收端的自适应调整传输格式组合的过程类似，所以这 里仅以发送端为例进行描述。发送端根据反馈来的c q i ，选通该c q i 所对 应的传输格式组合，则原始数据就按照相应的传输格式组合确定t b s 和调 制方式进行编码和调制。发送端的自适应调整过程也就结束了要注意的 是发送端要在接下来的三个h a r q 过程中继续使用这种传输格式组合，直 重庆邮电大学硕士论文第二章自适应调制编码及l d p c 编译码基本原理 到下一次新的c q i 反馈信息到来。 2 1 2自适应调制编码的突出优点 自适应调制墉码技术厢c 理 f ， f f r f ，ri f；fj ； f 强j ( a ) 自适应调制镰码技术的突出优点 m o d e 8 m o d e 7 m a d e 5 m o d e l m a d e 3 m o d e 2 m o d e l ( b ) 图2 2 自适应调制编码的突出优点 ( a ) 各单个模式下系统吞吐量 ( b ) 自适应调制编码系统吞吐量 重庆邮电大学硕士论文第二章自适应调制编码及l d p c 编译码基本原理 图2 2 绘制了自适应调制编码技术的突出优点，以i e e e s 0 2 1 l 中的物 理层模式( p h y ) 为例【2 2 】。图中是分别采用p h y 模式1 至p h y 模式8 以 及自适应调制编码技术得出的吞吐量性能曲线。在低信噪比阶段，采用 p h y 模式l ，吞吐量性能优于p h y 模式8 ；而在高信噪比阶段，采用p h y 模式8 所得出的吞吐量性能要远远高于p h y 模式l 。但是当采用自适应调 制编码技术，有效的解决了误帧率与数据传输速率的矛盾，使得吞吐量达 到最优。 从图2 2 可明显看出，白适应调制编码方式下的吞吐量曲线是各单个模 式下曲线的包络。 2 2l d p c 码编译码基本原理 2 2 1l d p c 码的定义及其t a n n e r 图表示 l d p c 码是一种线性分组码，它的名字来源于其校验矩阵的稀疏性，即 校验矩阵中只有数量很少的元素为“1 ”，大部分都是“0 ”。g a l l a g e r 最早 给出了规则l d p c 码的定义【1 6 l ，具体来讲规则l d p c 码的校验矩阵h 满足 下面三个条件： ( 1 ) h 的每行有p 个“l ”； ( 2 ) 日的每列有力个“l ”，五3 ： ( 3 ) 与码长和h 矩阵的行数相比，p 和五都很小 11llo 0 o 000 0 0 00 00llllo o 0 o oo 000 000ll11 0l0ool1o 0l0 o h = l0 lo00ol 0ol 0 ooollo0o1oo1 1ooll0l0o0 00 o o0o0lolooll 011000 001l0 0 图2 3 ( 1 2 ，3 ，4 ) l d p c 码的校验矩阵 矩阵h 的每列各自包含名个“1 ”，表示每个码元变量受到相同数目的校 验约束；每行也各自包含p 个“l ”，表示每个校验方程对相同数目的码元 变量进行校验约束；由于p 和a 都很小，校验矩阵h 具有很低的“密度”， 1 4 重庆邮电大学硕士论文第二章自适应调制编码及l d p c 编译码基本原理 因此由校验矩阵h 所确定的码称为l d p c 码( l o w d e n s i t yp a r i t y c h e c k ) 。 o a l t a g e r 证明了当旯3 时，这类码具有很好的汉明距离特性。 非规贝j j l d p c 码通常用( ，旯，p ) 来表示，其中以为码长，a 和p 的含义不 变，图2 3 给出了一个( 1 2 ，3 ，4 ) 非规贝j j l d p c 码的校验矩阵。当校验矩阵h 各列( 行) 中“1 ”的个数完全相同时，就得到了规则l d p c 码 2 3 1 。 因子图模型是当前较为常用的表示l d p c 码的图模型，它归纳了目前所 有的图模型定义，提供了一个关于迭代译码的一般性框架。因子图模型实 质上是表达一个全局函数到一组局部函数乘积的有效分解。 定义：因子图是表达一个形式如图( 2 4 ) 的函数因式分解结构的二部图 g ( x l “) = 埘乃( ) ( 2 8 ) j 是离散下标集，是 五，x 2 ，) 的一个子集，厂( 一) 是以子集中 元素为变量的函数因子图中，有对应于而的变量节点和对应于乃的因子 节点，当且仅当一是乃的自变量时，变量节点一和因子节点乃之间有边相 连。 z工正 图2 4 二鄱圈 l d p c 码可以用因子图( 又称t a n n e r 图) 来表示设一个( 胛，兄，p ) 规则 l d p c 码具有校验矩阵日= ( 红j ) 。，则其相应的t a n n e r 图模型可以表示为 一个二部图其中码字向量x = ( ，而，以) 表示为一组变量节点 _ ，= l ，2 ，珂) ，分别对应于校验矩阵的各列，而校验约束则表示为一组 校验节点 彳，i = l ，2 ，刀 ，对应于校验矩阵的各行仅当啊。= 1 时，变量节 点与校验节点z 之间有一条边相连，节点与z 之间互称邻接节点，其 重庆邮电大学硕士论文 第二章自适应调制编码及l d p c 编译码基本原理 间的连接边称为两个节点的邻接边。对于( ，五，p ) 规则l d p c 码，每个变量 节点与z 个校验节点相连，称该变量节点的度为旯；每个校验节点与p 个 变量节点相连，称该校验节点的度为p ，度表示与节点相连的边的数目。 图2 5 给出了对应于图2 3 所示的校验矩阵对应的t a n n e r 图结构。 图2 5f1 2 3 4 ) l d p c 码的t a n n e r 图 根据c h 7 = o 这一约束关系，与同一校验接点相连的变量值之和必为 o 。 对于非规则l d p c 码，相应的t a n n e r 中各变量节点或校验节点的度并 不相同，通常用序列 ，如，气) 和 一，岛，以) 来表示其中边的度分布， 其中名，表示与度为j 的变量节点相连的边占总边数的比率，岛表示与度为 i 的校验节点相连的边占总边数的比率，4 和t 分别表示变量节点和校验 节点的最大度数。显然应有羔l 乃= 1 及：i 岛= 1 ，即部分之和等于全 部。这里之所以用边的度分布，而不用节点的度分布来描述l d p c 码是因 为l d p c 码的译码采用的是基于置信传播( b e l i e fp r o p a g a t i o n ) 的软输出迭代 译码算法( s o f to u t p u ti t e r a t i v ed e c o d i n ga l g o r i t h m s ) ，如和积译码算法 ( s u m - p r o d u c ta l g o r i t h m ) ，在译码过程中，信息的传递是在边上进行的，采 用边的分布来描述l d p c 码有助于分析其在给定译码算法下的实际性能和 理论性能的上下界【2 9 1 边的度分布序列可以用多项式来表示，即： 五( d = 羔l 乃 ( 2 9 ) p ( x ) = ：p , x h ( 2 1 0 ) 满足名( 1 ) = ：。乃= 1 及p ( 1 ) = ：1 日= 1 1 6 重庆邮电大学硕士论文第二章自适应调制编码及l d p c 编译码基本原理 规则l d p c 码司以看作是非规则l d p c 码的特例，例如对于( 玎，3 ，4 ) 规则 l d p c 码，相应边的度分布多项式分别退化为五( 力= x 2 和p ( x ) = ，。 设个l d p c 码对应i 拘t a n n e r 中边的总数为e ，根据边的度分布多项 式可以得到度为，的变量节点个数为屹= e , t j j ，度为i 的校验节点个数为 a = e p , j ，则变量节点和校验节点的总数分别为： 胛= 蜀哆= 墨j = e f ( 2 1 1 ) 所= 巴= 巴翰肚e f 翮 ( 2 1 2 ) 当校验矩阵满秩时，通过度分布多项式兄( x ) 和p ( x ) 构造的非规则 l d p c 碉j 的码率为： 跗川2 等小甓 亿 对于校验矩阵非满秩的情况，实际的码率要比r ( a ，p ) 略高一些。 2 2 2l d p c 码的常见构造方法 l d p c 码的一个吸引人之处，就是它简单的构造方式构造l d p c 码， 其实就是构造其稀疏校验矩阵使用随机的稀疏矩阵形式，可以构造出任 意速率的l d p c 码。只要固定各行各列的重量，让各列之间的排列随机化， 就可以构造出性能不错的“好码”。然而性能更好的l d p c 码则需要进一 步的构造准则。先看一看最基本的几类。 1 g a l l a g e r 的构造方式 g a l l a g e r1 9 6 2 年最初的工作中，给出了( 五，p ) 规则码的构造方法：对码 长为n 的( 无p ) 规则码，他将校验矩阵按行水平地分割为a 个大小相同的 子矩阵，每个子矩阵的每一列都只含有一个“l ”。要构造校验矩阵日，他 预先构造了一个子矩阵，例如可以是这样一个子矩阵，矩阵的第f 行上， 所有的“1 ”都分布在矩阵的第( f 1 ) p + l 到护列上，如下所示： 重庆邮电大学硕士论文第二章自适应调制编码及l d p c 编译码基本原理 风为预先构造的矩阵，令万为矩阵h o 的列置换，即乃( u o x i = l ，2 ，a ) 为风的随机列置换阵。那么矩阵h 可以如下构造； 此即完成了l d p c 码的构造 2 m a c k a y 的构造方式 m a c k a y 基于二部图的思想提出了自己的构造方案【2 钉。它把兴趣主要集 中在消除二部图中的短环上，如图2 6 。这是由于这样的短环会给b p 译码 带来困难，增大误码率。 i l 0 0 o o o o l l o c h 图2 6 长度为四的环 l 、 00 oo 10 0 口 01 0 o io 0 0 do oo ii ol l0 o0 00 00 o o p 川 川 00 01 00 00 il 1o 00 o 0 0 口 10 0i l0 o o 0o lo 0o 图2 7 ( 3 ，6 ) l d p c 码h 矩阵中长为4 的环 考虑图中有一个长度为四的环，实际上就是有两个信息节点同时参与 了两个校验式，由于在稀疏校验矩阵中，每一个信息比特参与的校验式只 有2 3 个，若译码时这两个校验式同时出错，就无法判断到底是哪一个 学 学 u ， d 心 。一： 矾何 h 0 ( ；( 万 万 万 。l =日 重庆邮电大学硕士论文第二章自适应调制编码及l d p c 编译码基本原理 信息比特出了错。为了不在图中出现长度为四的环，m a c k a y 采取的办法 就是构造时要保证任意列之间的位置l 的个数不大于1 。 3 l u b y 的构造方式 前面讨论的g a l l a g c r 和m a c k a y 的构造方式用于构造规则( 准规 贝i ) l d p c 码，下面介绍两种非规则l d p c 码的构造方法，即l u b y 的构造 方式和d a v e y 的构造方式l u b y 运用线性编程工具( 1 i n e a rp r o g r a m m i n g t 0 0 1 ) ，在给定矢量条件下，找到好的矢量以，就得到了构造矩阵的大体 轮廓，对每一类列重，把所有的列进行随机重排。要保证任意列间的重叠 不大于l 2 6 1 。 4 d a v e y 的构造方式 d a v e y 在文献【2 5 】中给出了另一种非规则l d p c 码的构造方法，他把每 个节点按照他们的度数d 复制成d 个节点，然后构造二部图。 设校验矩阵中所有非零元素的个数为t 。则有 r = 疗儿= 朋橱 ( 2 1 4 ) ， 其中”是分组码长( 矩阵列数) ，m 是校验式个数( 矩阵列数) 。按如下方 法构造二部图： 二部图上半部有t 个节点似，坼j ，下半部也有t 个节点 织，幺，珥， 把列重为i 的列用i 下节点表示，用其列号为这些节点 命名。例如：若第j 列列重为3 ，则有三个下节点用j 命名，分别是，五，五 同样的把行重为i 的行用i 个上节点表示。之后，对上节点做随机排列来 构造校验式。为保证不出现双边，也就是一个上节点的两条边参与同一个 校验式，在排列时要保证同名的上节点分属于名字不同的下节点。 2 2 3l d p c 译码 在译码理论的研究中，根据对接收信号处理方式的不同，分为硬判决 译码和软判决译码。硬判决译码利用码的代数结构进行译码，比较简单， 易于工程实现。但是与软判决译码相比，它在性能上要损失2 3 d b 。软判 决译码算法充分利用了信道输出波形信息，比硬判决译码具有更大编码增 益，而在衰落信道中，软判决增益超过5 d b 。由于软判决译码有如此高的 软判决增益，自7 0 年代特别是9 0 年代t u r b o 码和l d p c 码出现以来【2 ， 软判决译码成为信道编码理论研究的热点之一 1 9 重庆邮电大学硕士论文第二章自适应调制编码及l d p c 编译码基本原理 软判决译码具有两个基本的译码准则，一个是使译码码字错误概率( 误 字率) 最小的逐字软判决译码，另一个是使每个符号( 码元) 错误概率( 误 比特率) 最小的逐字软判决译码。在这两个译码准则意义下的译码算法， 他们的性能实际上是一致的，这两个译码准则的重要意义在于允许人们可 以用不同的方法实现软判决译码或者从不同角度分析软判决译码。 信道编码的译码算法是决定其性能和应用前景的一个重要因素线性 分组码的译码复杂度与码长成指数关系，当码长增大到一定程度后，复杂 度的增加将是不可控制的。但l d p c 码由于其校验矩阵的稀疏性，使得译 码算法的复杂度与码长成线性关系，克服了分组码在码长较长时所面临的 计算复杂度问题【2 引。而且由于奇偶校验矩阵的稀疏特性，在长的编码分组 时，相距很远的信息比特参与同一校验，这使得连续的突发差错对译码的 影响不大，编码本生就具有抗突发差错的特性，不需要引入交织器，没有 因交织器的存在而带来的时延。 l d p c 码的译码算法通常称之为置信传播算法( b e l i e fp r o p a g a t i o n a l g o r i t h m ) ，这是一种迭代的概率译码方法，是l d p c 码特征之一，区别 于传统纠错码，也是其性能优越的原因之一l d p c 码除了用于基于置信 传播的软信息迭代概率译码方法外，g a l l a g e r 曾经提出了两种译码算法， 第一种是属于硬判决译码算法，它简单、易于实现，但却仅适用于b s c 信 道：第二种译码算法属于软判决译码算法，也