MIMO信道下基于LDPC码的自适应功率分配

作     者：胡智星 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖鸣

授予年度：2020年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 070104[理学-应用数学] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 081101[工学-控制理论与控制工程] 0701[理学-数学] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：LDPC码 高斯近似 MIMO信道 预编码 功率优化 

摘      要：如今,5G通信技术已经在2020年步入商用,除了人们对可靠通信有着越来越高的要求外,移动通信也面临着更多越来越复杂的应用场景,通信终端为了满足物联网的需求也更加多样化。第三代合作伙伴计划（3GPP）重新考虑编码增益、速率兼容的灵活性、硬件实现等方面的因素,最终决定5G新无线（New Radio,NR）信道编码采用低密度奇偶校验（Low Density Parity Check,LDPC）码,该编码被指定为5G增强型移动宽带场景下数据信道编码方案,这使得LDPC码相关的构造方法、编码译码算法及其优化方法又重新成为研究的热点。除了LDPC码外,多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）技术也是实现高速传输的关键技术,因为MIMO技术能够不使用额外带宽来增加信道容量。然而,多种技术相互结合的通信系统使得对系统的数学分析更加困难,很多时候只能孤立分析一部分而不能结合整体来考虑。比如,LDPC码与MIMO技术共同使用,衍生出了新信道场景下的优化问题,而多数研究都只是将LDPC码与MIMO系统分开考虑进行优化,鲜有将两者结合在一起考虑。故此,本文主要研究LDPC码在MIMO信道下的闭环预编码功率优化方案,创新性地将两者结合一起分析进行优化,利用高斯近似工具,分析了LDPC码在MIMO等效信道下的高斯近似模型,接着通过高斯近似模型推导出LDPC码的最优功率优化方案,通过仿真验证证明了推导的正确性与优化带来的性能增益。首先,本文绪论部分对研究的背景和发展进行了论述,对LDPC码的发展历史、研究要点和MIMO技术以及MIMO信道下的预编码进行简要论述,然后说明了功率优化和在该场景下的难点,引出本文所研究的LDPC码在MIMO等效信道下的功率优化问题。接着,在第二章对LDPC码的相关研究与MIMO预编码的相关理论进行介绍。首先详细介绍了LDPC码的结构,再描述LDPC码的编码算法和译码算法,最后详细说明了用于LDPC码性能估计的高斯近似方法,该方法能快速有效分析LDPC码性能,是后文推导的基础。然后,对于MIMO预编码,主要关注MIMO信道闭环预编码后的等效信道,着重介绍不同预编码方法获得的等效子信道,抽象出等效的子信道模型,供第三、四章使用。然后,在第三章中详述了本文的主要研究内容,规则LDPC码在MIMO等效子信道中的功率优化研究,将LDPC与MIMO信道整体进行结合分析。在本章中采用高斯近似推导出了规则LDPC码在MIMO等效子信道中的数学模型,接着基于该模型推导出最优功率分配方案。通过实验仿真验证该数学模型的正确性和方案效果。再来,在第四章中详述了非规则LDPC码在MIMO等效子信道中的功率优化研究。非规则LDPC码比规则LDPC码更加复杂,第三章推导的结果不能直接适用于非规则LDPC码,因此本章中重新对非规则LDPC码的高斯近似和功率优化进行推导。得到了最优化分配方法,最后仿真验证了其正确性以及优化所带来的增益。最后,在第五章对全文内容进行总结,并对研究成果的不足进行总结,并提出对下一步研究方向的展望。