（电力系统及其自动化专业论文）提高通信系统可靠性的实用低密度奇偶校验码研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：t m7 3 2 u d c ：6 2 1 3 d i s s e r t a t i o n r e s e a r c ho np r a i n c r e a s et h e c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： s c h o o l ： d a t eo fd e f e n c e ： p r o f y u a nj i n s h a d o c t o ro f e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g s c h o o lo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c e n g l n e e n n g j u n e ，2 0 1 0 d e g r e e - c o n f e r r i n g - i n s t i t u t i o n ： n o r t hc h i n ae l e c t r i cp o w e r u n i v e r s i t y 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文提高通信系统可靠性的实用低密度奇 偶校验码研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究 成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。 期：丝鱼! 墨二! 垒 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：煎鼙雏 e l 期：丝垒：丛 导师签名：茬馥蒸： 日期：趣垒! 笪! 丛 华北电力大学博十学能论文摘要 中文摘要 为了降低通信系统的差错率，提高系统的可靠性，先进的信道编码技术是宽带 无线通信和电力线通信系统中不可缺少的部分。l d p c 码是目前世界上距离香农限 最近的码字，在宽带无线通信和电力线通信系统中具有广阔的应用前景。本文对结 构化l d p c 码的帧同步、译码和构造等问题作了深入研究，主要内容及成果如下： 提出两种l d p c 码译码辅助的盲帧同步算法，分别为基于最大值法和基于门限 法的帧同步算法。推导了它们的帧同步错误概率。两种算法均无需一次完整的迭代 译码过程，可借助l d p c 码译码器硬件资源实现，节约了帧同步搜索的时间和功耗， 还可提高译码器的利用率。仿真结果表明，基于最大值法的帧同步算法性能明显优 于硬判决的同步算法，且接近已有的码字软信息辅助的帧同步算法。针对基于门限 法的同步算法，提出一种准最佳帧同步门限的确定方法，并进行了算法仿真和验证。 它的帧同步性能比基于最大值法的要差，但在帧同步搜索速率上有明显的优势。 译码方面，针对采用扰码来解决帧同步“斜坡现象 的系统，提出联合扰码校 验图案的b p 译码算法；提出了改进的双分层b p 译码算法，并行计算两个校验行分 组的信息，来提高分层译码算法的译码速率；解决了b p 译码算法在放大和译码前 传协作中继中应用的初始化问题。仿真验证了改进b p 译码算法的有效性和可靠性。 针对结构化l d p c 码译码器，归纳并证明了b a n y a n 交换结构在信息置换时的 选路交换规律，设计了一种基于可预置选路算法的新型循环移位置换单元及其出线 转换单元。相比b e n e s 和r e v e r s eb a n y a n 等交换结构，设计的新型循环移位置换单 元提高了信息循环移位交换的速率，且占用较少的硬件资源和面积。 提出一种基于快速高斯消元算法的结构化l d p c 码的构造方法。快速高斯消元 算法在基本分组运算的基础上，以单位置换阵为基本单元进行整体消元，降低消元 算法的复杂度。分析了小四环和小六坏的构成条件，提出小坏的快速检测方法。仿 真结果表明，当码率为1 2 和2 3 时，新构造的第一类s 1 l d p c 码都具有相对较好的译 码性能，尤其帧错误概率( f e r ) 译码性能都是最佳的。 提出一种基于多重置换阵的结构化l d p c 码的构造方法。研究并证明了多重置换阵 的一些重要性质；该结构化l d p c 码的生成矩阵具有结构化和稀疏的特点，适用基于网 络编码的协作中继策略。通过仿真对比，当码率为1 2 时，第二类s 2 l d p c 码的译码性 能要差一些；当码率为2 3 时s 2 一l d p c 码具有仅次第一类s 2 l d p c 码的次优译码性能。 关键词：低密度奇偶校验码，帧同步，循环移位置换，分层b p 译码，构造 i n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m s l d p cc o d e sh a v em o s te x c e l l e n tp e r f o r m a n c e c l o s et ot h es h a n n o nl i m i ti nt h ew o r l d t h e yc a r lb ew i d e l yu s e di nb r o a dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na n dp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m f r a m es y n c h r o n i z a t i o n ，d e c o d i n g a n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yf o rs t r u c t u r el d p cc o d e sa r ee x p l o r e da n di n v e s t i g a t e di n t h i sp a p e r m a i nc o n t e n ta n dr e s u l t sa r es h o w na sf o l l o w s t w ol d p cc o d e a i d e df r a m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sb a s e do nm a x i m u m m e t h o da n dt h r e s h o l dm e t h o da r ep r o p o s e d t h ef r a m es y n c h r o n i z a t i o ne r r o rr a t i o sf o r b o t ha l g o r i t h m sa r ed e r i v e d u s i n gp a r to fl d p cd e c o d e rh a r d w a r er e s o u r c e ，t h e a l g o r i t h m sd o n tn e e da d d i t i o n a lh a r d w a r er e s o u r c ea n daf u l li t e r a t i v ed e c o d i n gp r o c e s s c o m p a r e d t oo t h e rc o d e - a i d e df r a m e s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s ， f a v o r a b l e s y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c ea n dd e c o d i n gp e r f o r m a n c eu s i n gt h ea l g o r i t h mb a s e do n m a x i m u mm e t h o dt h a ta p p r o a c h e st h ep e r f o r m a n c eo fi d e a lf r a m es y n c h r o n i z a t i o na r e p r e s e n t e db ys i m u l a t i o n s af r a m es y n c h r o n i z a t i o nt h r e s h o l df o rt h es y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h mb a s e do nt h r e s h o l dm e t h o di sp r o p o s e da n di t sp e r f o r m a n c ei sc h e c k e db y s i m u l a t i o n s a l t h o u g ht h ef r a m es y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c eo f t h ea l g o r i t h mb a s e do n t h r e s h o l di sn o ta sg o o da st h ea l g o r i t h mb a s e do nm a x i m u mm e t h o d ，i th a so b v i o u s a d v a n t a g ei ns y n c h r o n i z a t i o ns e a r c hs p e e d ab pd e c o d i n ga l g o r i t h mj o i n tw i t hc h e c kp a t t e mu n d e rp nd i s t u r b a n c ei sp r o p o s e df o r t h es y s t e ma d a p t i n gp nc o d e st os o l v et h ef r a m es y n c h r o n i z a t i o nr a m p a ni m p r o v e dd o u b l e l a y e r e db pd e c o d i n gw h i c hc o m p u t e st w o c h e c kr o wg r o u p i n gs i m u l t a n e o u s l yt or e d u c et h e n u m b e ro fs u b i t e r a t i v ec o m p u t a t i o na n dt h u st oi n c r e a s ed e c o d i n gs p e e di sp r o p o s e d t h e i n i t i a l i z a t i o no fb pd e c o d i n gf o ra m p l i f y - a n d f o r w a r da n dd e c o d e - a n d - - f o r w a r dc o o p e r a t i v e r e l a y i n gi ss o l v e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o we f f i c i e n c ya n dv a l i d i t yo fa l lt h ei m p r o v e db p d e c o d i n ga l g o r i t h m s w h e nt h ei n f o r m a t i o ni s e x c h a n g e d ，ac o n n e c t i n gl a wo fb a s i cs w i t c hu n i t si n r e v e r s eb a n y a nn e t w o r kf o rs t r u c t r el d p cd e c o d e ri sd i s c o v e r e da n dp r o v e d t h e na n o n b l o c k i n gp e r m u t a t i o ns t r u c t u r eb a s e do np r e s e t t i n gr o u t i n ga l g o r i t h mi sd e s i g n e d ， w h i c ha r es u i t a b l ef o rs t r u c t u r el d p cc o d e sd e c o d e r s c o m p a r e dt ob e n e se x c h a n g e s t r u c t u r ea n dr e v e r s eb a n y a ne x c h a n g es t r u c t u r e ，t h en o v e ls t r u c t u r ei n c r e a s e st h e e x c h a n g es p e e df o ri n f o r m a t i o nc y c l i cs h i f ta n do c c u p i e sl e s sh a r d w a r er e s o u r c ea n d 华北电力大学博士学位论文摘要 a r e a f i n a l l y , a no u t p u tc o n v e r t i n gu n i ti sd e s i g n e d ，w h i c hi sa d a p t a b l ef o ra l lk i n d so f s w i t c hs t r u c t u r e s b a s e do nf a s tg a u s se l i m i n a t i o na l g o r i t h m ，ac o n s t r u c t i n gm e t h o df o rs t r u c t u r el d p c c o d e sw i t hm u l t i f o r ms t r u c t u r ea n dr a t i o n a lc o l u m nw e i g h td i s t r i b u t i n gi sp r o p o s e d t h ef a s t g a u s se l i m i n a t i o nb a s e d0 1 1b a s i cg r o u p i n go p e r a t i o ne l i m i n a t e st h ew h o l ep e r m u t a t i o nm a t r i x c o n s i d e r e d 嬲au n i t ，w h i c hr e d u c e st h ec o m p l e x i t yo ft h ea l g o r i t h m t h ec o n d i t i o nf o r m i n g l e n g t h f o u rl o o pa n dl e n g t h - s i xl o o pa r ea n a l y z e da n dc h e c km e t h o d sf o rl o o p sw i t hs m a l l i l e n g t ha r ep r o p o s e d c o m p a r e dt oo t h e rs t r u c t u r el d p cc o d e s ，s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wb e t t e r d e c o d i n gp e r f o r m a n c eo fs 1 l d p cc o d e sw i t h1 2a n d2 3c o d er a t eb yt h ef i r s tc o n s t r u c t i n g m e t h o d ，e s p e c i a l l yi nt h ep e r f o r m a n c eo ff r a m ee r r o r r a t i o b a s e do nm u l t i p e r m u t a t i o nm a t r i x ，a n o t h e rc o n s t r u c t i n gm e t h o df o rl d p cc o d e sw i t h s p a r s eg e n e r a t i o nm a r xi sp r o p o s e d 。t h ec o n c e p t i o no fm u l t i p e r m u t a t i o nm a r x i sg i v e n f i r s t l y , t h a ni m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c so f t h em a t r i xa r ee x p l o r e da n dp r o v e d i ti sa n a l y z e dt h a t t h eg e n e r a t i o nm a r xo ft h es t r u c t u r el d p cc o d e st a k eo ns t r u c t u r ea n ds p a r s ec h a r a c t e r i s t i c s a p p l i c a b l eo f j o i n te n c o d i n ga n dd e c o d i n gf o rc o o p e r a t i v er e l a y i n gb a s e dn e t w o r kc o d i n g b y s i m u l a t i o nc o m p a r i s o n , t h es e c o n dk i n do fl d p cc o d e sn a m e da ss 2 一l d p cc o d e ss h o w d i s s a t i s f i e dd e c o d i n gp e r f o r m a n c ew h e nt h ec o d er a t ei s1 2 w h e nc o d er a t ei s2 3 ，s 2 一l d p c c o d e ss h o wf a v o u r a b l ep e r f o r m a n c eo n l yi n f e r i o rt os1 一l d p cc o d e s k e yw o r d s ：l d p cc o d e s ，f r a m es y n c h r o n i z a t i o n ，c y c l i cs h i f tp e r m u t a t i o n ，l a y e r e db p d e c o d i n g ，c o n s t r u c t i o n 华北电力大学博十学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论l 1 1 研究背景及意义1 1 1 1 通信系统中的信道编码技术1 1 1 2 信道编码技术的发展2 1 2 国内外研究现状3 1 2 1l d p c 码译码辅助的同步算法4 1 2 2 基于l d p c 码的协作中继策略5 1 2 3 结构化l d p c 码的译码方法5 1 2 4 结构化l d p c 码的构造与编码7 1 3 论文的研究内容8 第二章结构化l d p c 码的理论基础9 2 1 准循环l d p c 码的基本原理9 2 2b p 译码算法及其改进算法1 3 2 3l d p c 码的优化方法l7 2 5 本章小结2 0 第三章l d p c 码辅助的盲帧同步算法2 l 3 1 通信系统中的帧同步算法2 l 3 1 1 基于导频符号的帧同步算法2 1 3 1 2 码辅助的帧同步算法2 2 3 2 基于最大值法的l d p c 码辅助的盲帧同步算法2 3 3 2 1 概率域的码辅助盲帧同步算法2 3 3 2 2 对数似然域的码辅助盲帧同步算法2 6 3 2 3 算法仿真与分析3 l 3 3 基于门限法的l d p c 码辅助的盲帧同步算法3 4 3 3 1 基于门限法的盲帧同步算法3 4 3 3 2 帧同步错误概率的计算3 5 华北电力大学博士学位论文目录 3 3 3 帧同步门限的选择3 7 3 3 4 算法仿真与分析3 8 3 4 本章小结4 5 第四章b p 译码方法的改进和应用4 6 4 1 联合扰码校验图案的b p 译码算法4 6 4 2 双分层b p 译码算法4 8 4 3 适用于分层b p 译码器的循环移位置换单元5 2 4 3 1 分层译码器中的交换单元5 2 4 3 2 新型循环移位置换单元5 3 4 4 协作中继策略中的b p 译码算法5 8 4 4 1 协作中继系统模型5 8 4 4 2 协作中继策略中的b p 译码算法5 9 4 5 本章小结6 3 第五章两种结构化l d p c 码的构造方法6 4 5 1 基于快速高斯消元算法的满秩结构化l d p c 码6 4 5 1 1 基于基本分组运算的快速高斯消元算法6 4 5 1 2 小环的快速检测原理6 8 5 1 3 基于快速高斯消元的满秩准循环l d p c 码构造方法7 1 5 2 基于多重置换阵的满秩结构化l d p c 码7 7 5 2 1 多重置换阵的定义及其性质7 7 5 2 2 基于多重置换阵的l d p c 码构造方法8 1 5 2 3 基于多重置换阵的l d p c 码的生成矩阵8 3 5 3 性能仿真与分析8 5 5 4 本章小结9 2 第六章结论9 3 参考文献9 5 致谢1 0 4 个人简历、在学期间参加的科研工作及学术论文发表1 0 5 按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，通信系统可分为模拟通信系统和 数字通信系统。数字通信具有抗干扰能力强、便于差错控制、易于加密、可以综合 传递各种消息等优点，因此数字通信系统更能满足现代通信的要求。一个典型的点 对点数字通信系统可用图1 1 的框图表示。实际系统中，是否采用调制与解调、加密 与解密、编码与解码等技术，取决于具体设计方案和要求。 图1 - 1 数字通信系统模犁 其中信源编码器和译码器的目的在于提高通信的有效性，即传输速率；加密器 和解密器用于加强通信的安全性；信道编码器和译码器的目的在于提高通信的可靠 性，即降低差错率。图1 1 中的信道部分只是信息传输媒介的一种抽象，实际的信道 是多种多样的，如光缆、电力线、实际城市空间及外太空等。无线通信信道和电力 线通信信道条件的恶劣性，要求系统采用信道编码来降低误码率，提高系统可靠性。 在无线通信环境中，移动信道的时变多径特性造成的信号衰落是影响通信质量 的主要因素，各类衰落都会导致接收端信号差错率显著上升，严重降低通信的可靠 性。为了降低通信系统的差错率，提高系统的可靠性，先进的信道编码技术是宽带 无线通信系统中不可缺少的部分。无线通信信道尤其移动信道的恶劣性对编译码的 设计提出了更高的要求，驱使译码要充分利用所有已知信号的特点，如信道状态信 息、级联和软判决信息等；为了节约频带资源，会占用带宽的信息“冗余”必须谨 慎使用；根据信道条件差异和对通信服务质量的不同要求，要求信道编码方案能兼 容不同码长和码率的信道编码码字；由于码字较长，要求编码器具有较低的编码时延 和复杂度，而译码器在提高译码速率的同时必须保持较低的复杂度。因此研究适合无线 通信系统的高性能和实用信道编码技术具有蕈要意义。 第一章绪论 电力线通信技术简称为p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，p l c ) 技术，是利用配 电网低压线路来传输高速数据、话音、图像等多媒体业务信息的一种通信方式。它 利用现有的电力网资源，为用户接入到高速骨干网提供了一种快速便捷的方式，具 有投资少、连接方便和使用范围广等优点，但同时也还存在着一些技术缺点，比如 信号不稳定、信号衰减大等。主要是因为电力线通信环境恶劣，与低压电网相连的 负载以及无线电广播干扰等产生的噪声影响比较明显；由于负载的开和关会引起电 力线电流的波动，使得电力线周围产生电磁辐射干扰；信号传输受电力线高频脉冲 噪声影响，传输质量极不稳定，在用电高峰期间更加明显。脉冲噪声具有瞬发、高 能和覆盖频率范围广等特点，对载波信号传输的影响相当大，会造成信号的误码率 偏高，接收装置无法对信号进行正确的纠错，严重影响整个通信系统的正常工作。 在恶劣的电力线通信环境下，必须采用先进的技术来保证数据传输质量。信道 编码是提高电力线通信可靠性的有效方法【1 ，2 1 。因为优异的译码性能，低密度奇偶 校验( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k ，l d p c ) 码在p l c 通信中的应用具有广阔的前景【3 - 5 】。 文献【3 】在电力线通信模型下对l d p c 码进行了仿真，结果显示l d p c 能有效降低误码 率，获得较t u r b o 码优异的译码性能。r a j uh o r m i s 等【4 】提出适用于电力线信道的基带 传输方案，采用中短码长的l d p c 码来提高系统的可靠性。文献 5 】提出采用准循环 l d p c 码作为电力线通信系统外码，来克服脉冲噪声带来的负面影响。这两个方案 的仿真结果表明l d p c 码具有较好的抗脉冲噪声的性能。l d p c 码对抵抗电力线信道 噪声，提高系统的可靠性具有重要的实际应用价值。未来智能配用电网中多介质( 光 纤、无线和电力线等) 复合通信技术的使用，也对电力系统通信的可靠性提出了更 大的挑战。因此l d p c 码关键技术的研究对它在未来智能电网复杂通信环境中的应 用具有重要的意义。 1 1 2 信道编码技术的发展 信道编码技术起源于1 9 4 8 年香农的通信的数学理论【6 】。该论文提出并证明 了著名的信道编码定理：对于一个信道容量为c 的有扰信道，消息源产生信息的速 率为尺，只要r c ，则总可以找到一种信道编码和译码方式使误码错误概率p 随着 码长以的增加，按指数下降到任意小的值；若r c ，则不存在有效的编译码方式来实 现无差错传输。虽然它仅是一个存在性定理，证明中引用的三个基本条件：随机编 码、码长渐进增长和最大似然译码，却具有重要指导意义。在信道编码定理的指导 下，上世纪5 0 年代以来信道编码技术大致经历了以下几个阶段： 2 0 世纪5 0 年代至6 0 年代初，主要研究各种有效的编译码方法，奠定了线性分组 码的理论基础；提出了著名的b c h 码、r s 码以及卷积码的序列泽码；给出了纠错码 的箍本性能限；还出版了纠错码的第一本专著。这是信道纠错码技术从无到有迅速 华北电力大学博士学位论文 发展的年代。 2 0 世纪6 0 年代至7 0 年代初是纠错码发展过程中最为活跃的时期。这个时期提出 了许多有效的译码方法，如门限译码、软判决译码、迭代译码和维特比译码等；还 注意到了纠错码的实用化问题，例如码的重量分布、译码错误概率和不可检错误概 率的计算、信道的模型化等，所有这些问题的研究为纠错码的使用打下了坚实基础。 2 0 世纪7 0 年代初至8 0 年代是纠错码发展史中具有极其重要意义的时期。在理论 上以戈帕( g o p p a ) 为首的一批学者，构造了一类g o p p a 码，其中一类子码能达到信道 编码定理中提出的香农码所能达到的性能，引起了一批学者对代数几何码的研究兴 趣。1 9 8 2 年，u n g e r b o e c k 将卷积码和调制技术相结合，提出了网格编码调制技术 ( t c m ) ，对带宽受限的编码调制技术的发展具有划时代意义，在现代通信系统中获 得了广泛的应用。 1 9 9 3 年，b e r r o u 等人提出的t u r b o 码【2 】被看作信道编码理论研究的重要里程碑。 b e r r o u 等将卷积码和随机交织器相结合，采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码， 取得了超乎寻常的优异性能和可以接受的编译码复杂度。在a w g n 信道中j 采用 b p s k 调制的1 2 码率t u r b o 码，用随机交织器进行交织并采用18 次迭代译码的情况 下，当信噪比b n = 0 7 d b 时，误码率可以达到l o _ 5 【7 】。t u r b o 码的出现标志着信 道编码理论研究进入到崭新的阶段，基于图模型的编译码原理和优化设计逐渐成为 热点。近现代的高效纠错码不只有t u r b o 码，也包括同样采用迭代译码方法的l d p c 码、乘积码、串行级联码和重复累积码等。 1 9 9 6 年m a c k e y 和n e a l 对g a l l a g e r 提出的l d p c 码重新研究发现【8 1 ，该码的性能接 近香农限，甚至超过t u r b o 码。二进制输入a w g n 信道下，码率为1 2 、码长为1 0 7 的 非正贝i j l d p c 码采用置信传播迭代译码，当误码率为l o 击时，距离香农限仅0 0 0 4 5 d b ， 这是目前距离香农限最近的码字【9 】。因此越来越多的研究者将注意力集中在l d p c 码上，并将其作为未来高速宽带移动通信系统中编码的主要备选方案之一。目前 l d p c 码已经被应用至i j i e e e8 0 2 1 l n 和i e e e8 0 2 1 6 e 等标准中。 1 2 国内外研究现状 自l d p c 码被重新提出以来，科研工作者进行了大量的研究工作，主要包括：l d p c 码的极限性能分析【5 7 】；低复杂度的编码算i ：去 8 ，2 9 ，8 0 1 ；高效迭代译码算法【9 ，1 0 】；结构分析 和构造方法【l l _ 1 3 】；l d p c 码在多个领域的应用【悼1 6 】；l d p c 码编译码器的硬件电路设计 和实现【1 7 , 1 8 等方面的内容。本文主要围绕l d p c 码的帧同步算法、置信传播( b e l i e f p r o p a g a t i o n ，b p ) 译码方法的改进和应用、结构化l d p c 码的构造等方面的问题进行研 究。 第一章绪论 1 2 1l d p c 码译码辅助的同步算法 如何在低信噪比条件下，利用迭代译码信息来辅助系统同步是l d p c 码编码系 统在实际应用中的重要研究课题。l d p c 编码系统的码辅助符号同步和载波同步等 问题，已有一些学者做了研究。薛英健等针对l d p c 编码系统中l d p c 码译码算法的 统计特性，提出了一种新的符号同步误差校正算法，通过4 倍过采样技术判断同步 误差的大小，并通过插值方式对精确同步采样点的信号进行估计【2 4 1 。d o n g ul e e 等 提出了一种联合l d p c 迭代译码的码辅助定时同步算法，根据迭代过程中码字满足 校验约束的比例这一反馈信息来调整定时偏移【2 5 1 ，由于反馈信息是在信息硬判决之 后获得的，影响了定时同步算法的灵敏度。潘小飞等在文献 2 6 1 中结合迭代译码输 出软信息的统计特性，提出了一种基于译码软信息的码辅助符号同步联合信噪比估 计算法，该算法通过两个紧密相关的环路，将符号同步、信噪比估计和迭代译码三 者整合在一起，使得译码性能接近信噪比确定且符号精确同步的编码系统。 w y m e e r s c h 等对比分析了几种码辅助的假设检验算法，用以指导码辅助的帧同步和 相位模糊估计等问题 2 7 】。h s t e e n d a m 等针对l d p c 码编码系统给出了一种基于e m 算 法的载波相位迭代估计方法，并给出了具体的实现方案【2 引。h w y m e e r s c h 等在文献 【2 8 】的基础上给出了相似的结论，推导中考虑了有导频信号的情况【2 9 1 。文献 3 0 】中， n e l en o e l s 给出了软信息辅助的迭代同步理论框架，给出了更一般化的方法来分析迭 代同步。 针对l d p c 编码系统的帧同步算法，已经有一些文献做了研究，文献f 3 l 】中 m a t s u m o t o 和i m a i 提出在一次迭代译码完成后，通过计算各个变量节点的对数似然比 ( l o g a r i t h ml i k e l i h o o dr a t i o ，l l r ) 绝对值的均值来确定帧边界。w y m e e r s c h 等提出了 一种基于最大期望( e m ) 的码辅助最大似然帧同步算法，通过计算信道初始软信息与 l d p c 码译码软信息的互相关值来估计帧偏移【3 2 ，3 3 1 。上述两种帧同步算法可借助译 码器来实现，但是需要一次完整的迭代译码过程，帧同步捕获时问较长，消耗过多 的功率。d o n g ul e e 等根据不同帧偏移下硬判决信息向量满足校验矩阵中校验约束 的比例末确定帧边界，提出了两种硬判决帧同步算法( 门限算法和最大值算法) f 3 4 ，3 5 1 ， 并且与其他的帧同步算法做了比较【3 l 3 2 , 3 6 , 3 7 1 。 目前为止，上述码辅助同步算法中的反馈信息主要是一次迭代译码之后比特节 点l l r 信息绝对值的均值和硬判决码字满足校验矩阵中的约束比例。前一种反馈信 息需要在一次迭代译码之后获得，同步捕获的时问较长；而硬判决后的约束比例， 是在硬判决之后获得的反馈信息，降低了同步算法的性能，实际应用中需要至少两 帧硬判决码字联合运算来提高同步精度。因此有必要研究新的基于译码软信息的 l d p c 码辅助帧同步算法，在硬件复杂度和同步捕获速率间获得更好的折中。 4 华北电力人学博士学位论文 1 2 2 基于l d p c 码的协作中继策略 由于具有优异的差错控制性能，基于t u r b o 码或l d p c 码的编码协作技术成为了协 作通信应用的研究热点。j h u 等给出可适用于全双工和时分半双工通信模式的逼近系 统容量限的协作l d p c 编译码方案【3 引。在全双工通信模式下，源节点和中继节点可以采 用相同的l d p c 编码，也可以采用不同的l d p c 编码方案。文献 3 9 】研究了中等长度 l d p c 码在两种协作中继策略中的应用，通过仿真对比了两种中继策略的译码性能，分 析了功率分配、码率和中继距离对系统性能的影响。雷维嘉等提出一种基于l d p c 编码 的双用户协作通信方式，利用l d p c 码码字内码元固有的相关性，通过不同用户发送码 字的不同部分，实现虚拟的多发送天线，获得发送分集增益【删。该方案在源节点和中继 节点分别采用不同码率的l d p c 编码方法，当信道条件较差时，中继译码成功的概率较 低，那么该方案只是简单的单节点时分复用。b d o n g 等提出了两种基于l d p c 编码的 空时编码方案，中继节点对接收到的信号进行放大前传，两种方案的不同之处在于目的 节点的信号合并方式不一样。两种方案都给出了l d p c 码在算法初始化时的计算公式， 但是仿真中采用的l d p c 码码长为4 0 4 ，并不能充分显示l d p c 码的在译码性能方面的 优势【4 l 】。a c h a k r a b a r t i 等讨论了采用l d p c 编码方案的协作中继策略r 译码前传和估计 前传1 中l d p c 码字设计和有效均衡等关键问题【4 2 1 。c h u x i a n gl i 等研究了半双工协作中 继系统中l d p c 码的优化设计问题，由于同一码字信噪比的变化，密度进化和e x i t 等 方法已经不适合分析码字的具体性能，因此他们提出了具有更好精度的基于密度进化的 改进算法来分析新的中继码字结构，将码字的设计问题转化成码率兼容的l d p c 设计问 趔4 引。文献 4 4 】研究了半双工协作中继信道下的l d p c 码优化设计及其系统性能分析等 问题。但是还没有文献研究l d p c 在放大前传协作中继策略中的应用等问题。 协作通信技术的提出使得联合网络编码和信道编码技术的协作传输方法成为 可能【4 5 1 ，可以更好地利用网络编码技术获得的有效性和信道编码技术带来的可靠 性。对于复杂网络环境下的编码协作问题，b a ox i n g k a i 等提出了一类基于l d g m 码和 l t - l d p c 码的自适应网络编码协作方梨矧，通过t a n n e r 图匹配网络拓扑结构的变化，进 而实现自适应的编码协作，同时由于依赖t a n n e r 图的约束关系，在编码协作过程之中不 需要协作节点之间的严格同步，但是目的节点在解码时需要知道各中继节点问的约束关 系。张宇宁等 4 7 】研究了半双工协同多用户接入协议中的用户节点协同工作方式以及基 站采用l d p c 码b p 迭代译码的多用户信号检测和处理方式，提出了基于网络编码的协同 多用户接入协议。目前只有很少的文献研究联合l d p c 码和网络编码的编码协作技术， 基于网络编码的多用户联合编码、信号同步和迭代译码等都是值得研究的课题。 1 2 3 结构化l d p c 码的译码方法 分层b p 译码算法 4 8 是一种适合部分并行译码的算法，被广泛地应用于结构化 5 第一章绪论 l d p c 码的译码器中。分层b p 译码工作时，每个校验节点分层上的信息计算完之后， 马上传递给符号节点来更新信息，然后再进行下一个校验分层的计算。刘晓健等从 译码速率、硬件实现复杂度和误码率3 个方面对比研究了两种典型的适合准循环 l d p c 码的快速译码算法：t u r b o 型和积算法和并行加权比特翻转算法【4 9 1 。文献 5 0 】 中提出一种适合准循环l d p c 码的改进分层b p 译码算法，采用动态调度和迭代终止 准则来降低译码算法的复杂度。文献 5 1 】中提出了一种具有较低硬件复杂度的改进 分层b p 译码算法。文献 5 2 1 和 5 3 1 提出基于新型动态调度策略的改进分层b p 译码算 法，在迭代收敛速率和译码性能等方面均有所提高。这些改进的分层b p 译码算法并 没有根本解决分层译码中子迭代译码消耗过多译码时间的问题，如果准循环l d p c 码校验矩阵的行分组比较多，那么分层b p 译码算法反而会降低迭代译码的速率。 针对不同的应用环境，准循环l d p c 码的译码器主要分为3 种不同的硬件结构： 全并行结构【5 3 1 、串行结构和部分并行结构【5 4 。6 2 】。目前大多数的准循环l d p c 码译码 器采用部分并行译码结构。译码结构主要由节点计算单元、存储控制单元和交换单 元等构成【5 9 ，捌。节点计算单元主要负责节点上信息的迭代计算；存储控制单元用于存 储初始化信息、节点处理信息和控制信息；交换单元负责信息在节点间的迭代交换。交 换单元的交换速率关系到译码器的译码速率，而交换单元消耗的硬件资源也直接关系到 译码器的实现复杂度。 已有的准循环l d p c 码的译码器主要采用b a r r e ls h i f t e r 交换结构【5 4 1 ，b a n y a n 交换 结构【5 5 1 和b e n e s 交换结构【5 6 5 7 】等来实现信息的循环移位。对于b e n e s 交换结构来说， 根据给定的循环移位值来实时寻找信息的交换路由，硬件实现起来有一定的难度。 一般都是针对特定的l d p c 码，将提前计算好的路由控制信息比特存放在译码器的 专门存储区域中，用于控制译码过程的信息选路交换，增加了硬件复杂度和占用面 积【5 6 ，57 1 。