空间耦合LDPC码关键技术研究和应用

作     者：张娅妹 

作者单位：华侨大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周林;张少湧

授予年度：2021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] 0804[工学-仪器科学与技术] 070104[理学-应用数学] 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：空间耦合低密度奇偶校验码 加性高斯白噪声信道 瑞利衰落信道 置信传播译码 滑窗译码 

摘      要：在未来的第6代(6G)通信场景中,需要更高的可靠性、更低的延迟和更高的吞吐率来满足实时的高速率数据传输。空间耦合低密度奇偶校验(Spatially Coupled Low-Density Parity-Check,SC-LDPC)码在低误码率、低译码延迟和低译码复杂度方面具有巨大的潜力。在置信传播(Belief Propagation,BP)译码下,其性能可以逼近香农限。但BP译码只有在接收到整个码字后才能开始译码。因此,当SC-LDPC码的码长较长时,BP译码时延较大。为了解决这个问题,学者们提出了滑窗译码(Sliding Window Decoding,SWD)。SC-LDPC码的SWD具有译码延迟低、复杂度低、所需存储空间小等优点,成为近期研究热点。SWD是在接收到整个码字的一部分后,利用码字的部分Tanner图在一个窗口内进行BP译码。该方法部分保持了BP算法在性能方面的优势,同时有效降低了译码延迟、译码复杂度以及对存储器的要求,付出的代价是译码性能的损失。本文以提高SWD译码性能为出发点,对SC-LDPC码SWD进行优化,主要完成的工作如下:(1)通过引入监督对SC-LDPC码SWD进行改进。发现目标符号的错误比特数并不会随着迭代的进行而单调减少。这意味着当窗口译码终止时生成的对数似然比(Log-Likelihood Ratios,LLR)不是做出决策的最佳选择。因此,本文提出了一种改进的滑窗译码(Improved Sliding Window Decoding,ISWD)。与传统SWD相比,它可以监视相关目标符号错误比特数的最小值并存储相关LLR。然后,在窗口译码结束时,根据存储的LLR估计目标符号。最后,在加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道下,对SWD和ISWD的性能进行了仿真和分析。仿真结果表明,在不同窗口大小下,ISWD译码性能均优于传统的SWD译码性能。(2)通过调节窗口大小对SC-LDPC码SWD进行改进。传统的SWD中窗口大小固定不变。为提高SC-LDPC码的SWD译码性能,分别在AWGN信道和瑞利衰落信道中引入窗口大小可变的思想。在AWGN信道下,设计了一种可以根据目标符号的平均LLR扩展译码窗口大小的改进方案。在当前窗口的迭代译码过程中,若目标符号的平均LLR小于预设阈值,则译码窗口大小加一后重新进行迭代,重复此过程直至目标符号满足阈值条件或达到窗口大小的最大值,然后在新的窗口大小下译码目标符号;在瑞利衰落信道下,提出了一种根据信道状态信息来扩展译码窗口大小的改进方案,其中采用信噪比估计来获取信道状态信息。在译码过程中,若当前窗口的平均接收信噪比小于预设阈值,则扩展译码窗口的大小后重新迭代。重复上述过程直至当前窗口的平均接收信噪比大于预设阈值或窗口大小扩展到其最大值,然后基于扩展后的窗口进行译码。对AWGN信道和瑞利衰落信道中的SWD和ISWD的性能进行了仿真,结果表明:ISWD可以通过不同程度的扩展每个译码窗口的大小来在译码性能、复杂度和延迟之间折中权衡。