信道编码的发展历程

3.2 分组空时码—译码算法
1 rt − α 1, j c t1 + α 2, j ct2 ∑ j =1
m
(
)
2
+r
1 t +1
+ α 1, j c
( )
m
2 * t
− α 2, j c
Байду номын сангаас( )
1 c t
1 * t
2

r j α * + r j * α − c 1 1 1, j 2, j t 2 j =1
2010-12-16 4
1. 1962年，Gallager的二元规则LDPC码: 1962年 Gallager的二元规则 的二元规则LDPC码 2. 1974年, BCJR算法 1974年 BCJR算法
逐符号最大后验概率(MAP)译码 逐符号最大后验概率(MAP)译码
3. 1981年，Tanner图码 1981年 Tanner图码
3
Introduction to LDPC codes
• Tanner Graph
1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1
Fig1. Descriptions of LDPC codes with Parity-check matrices and Tanner graphs
3.4 三种编码方式比较
STTC 速率 分集 复杂度 b bits nm 最大 STBC n=2, b bits n>2 <b bits nm 最小 LSTC nb bits <nm
4 空时码在3G中的应用
• 发展概况 STBC的应用 LSTC的应用
4 空时码在3G中的应用—STBC
b0 b1 b2 b3 b0 b1 b2 b3 − b2 b3 b0 − b1
Pearl置信传播 快速傅立叶变换 BCJR前向/后向算法 VA算法 LDPC码的大数判决算法 开尔曼(Kalman)滤波器
空时码在未来无线通信中的应用
主要内容
• 空时码提出的背景 • 空时码研究现状 • 三种基本的空时编码技术 • 空时码在3G中的应用 • 工作简介
1 空时码提出的背景-1
(− x
(x2N−1, x2N )
* 2N * , x2N−1
)
图8
3G中HSDPA的解决方式之二—STTD方式
4 空时码在3G中的应用—HSDPA
第 1 组子信息 扩频码 1 导频序列 1
扩频 数据 扩频 数据
扰码
数据流
多码
+
天线 1
扩频码 2 复用
扩频 数据
+
导频序列 n
天线 n
第 M 组子信息
图5 3G中STTD空时编码方式
Antenna 1 Antenna 2
4 空时码在3G中的应用—STBC
控制信息 控制信息 信道编码 速率匹配 随机交织 STTD STTD STTD 复 用 器
天线 1
X X
扰码
天线 2
图6
3G中STTD应用方式—语音业务
4 空时码在3G中的应用—HSDPA
扩频码 1
Tarokh(1998)
↓
Liang(2003)(m+1)/2m, 其中n=2m-1或2m 2 准正交STBC(2001)——以分集为代价换取速率 3 基于代数构造设计的非正交STBC (2002)
3.2 分组空时码—编码算法
x1 Ρ = * − x 2
2 C
x2 * x1
2. 空时码研究现状
信道特性已知
LST STBC STTC 1996，Bell 1998, AT&T 1998, AT&T
信道特性未知
USTM 2000 Bell
DSTM 2000 AT&T, 2001 Bell
目前，STBC和LST(MIMO) 已经被3Gpp协议采纳。
3 三种基本的空时编码技术
未来移动通信系统的目标 支持更高容量高质量的语音和数据传输 20Mbps 通信终端在更高的移动速度下实现可靠传输 未来移动通信系统中的信道特点 有更严重的码间干扰 有更大的多谱勒频移 香农信息理论的限制
1 空时码提出的背景-2
解决上述问题的常用方法—单天线系统 解决上述问题的常用方法 单天线系统 针对速率问题 多址方式的变化：TDMA、FDMA、CDMA 调制方式的变化：高阶调制方式、OFDM OFDM 针对抗衰落的问题 信道编码技术——主要利用时间分集 接收分集技术——主要利用空间分集
↓
Threaded STC(TSTC) (2001) IT No.6
↓
Wrapped STC(WSTC) (2003) IT No.6
3.1 分层空时码—编码算法
图3
LSTC编码器示意图
3.1 分层空时码—译码算法
• ZF算法——性能最差，复杂度最低 • MMSE算法 • 球包限算法 • ML算法——性能最好，复杂度最大
x3
x1 * − x2 3 ΡC = * x3 2 * x3 2
x2
* x1 * x3
−
2 * x3 2
2 x3 2 * * − x1 − x1 + x 2 − x 2 2 * * x1 − x1 + x 2 + x 2 2
LDPC codes: a class of linear block codes with lowdensity parity-check matrices.
Descriptions:
Generation matrices Parity-check matrices Tanner graphs
2010-12-16
30
图11. 平坦衰落信道下的性能，终端速度 3km/hr
5 工作简介
• STTC——码性能的优化和设计 ——级连系统下的STTC构造 ——解决方案 • LSTC——检测算法(MMSE、ML) • STBC——针对块衰落信道，提出一种多层 STBC设计方法
2
3.2 分组空时码—优缺点
• 优点 编译码简单 获得满分集 • 缺点 速率损失 无编码增益，可认为是一种分集技术
3.3 网格空时码—编码算法
• 发展概况 STTC Tarokh(1998)
↓
MTCM Lin(2002)
↓
SOSTTC Jafsrkhani (2003) • 优化 成对错误概率
↓
2 空时码研究现状-基本思想
图2、空时编码系统示意图
2 空时码研究现状-基本思想
拟解决的问题： 拟解决的问题：在带宽有限的信道中实现信息的高速传输 解决方法： 解决方法： a) 利用空间传递冗余信息； b) 利用多天线技术提供的并行信道传输信息 带来的问题 a) 信道容量； b) 发送信号设计； c) 接收端信号检测
LDPC 码简介
信道编码的发展历程
• • • • • • • Hamming 码 卷积码 循环码、BCH码 TCM(1982) Turbo码、Turbo-like 码(1974,1993) LDPC码(1962,1996) 空时码(70年代的传输分集、1996)
Introduction to LDPC codes
10.8 Mbps 10.8 Mbps 14.4 Mbps 21.6 Mbps
3.84 Mchips/sec 32chips/Symbol N=20 (3.84/32) *20 = 2.4Mbps
(1,1) 谱效率 (2,1) 谱效率 (4,4) 谱效率Q (4,4) 谱效率8
4.5information bit/symbol 4.5information bit/symbol 6 information bit/symbol 9 information bit/symbol
3.1 分层空时码—优缺点
• 优点 速率变化比较灵活 速率随发送天线数线性增加 • 缺点 分集较小，可认为是一种空间复用技术 • 结论 与接近信道容量的二进制编码方式联合使用将是 一种较好的应用方式。
3.2 分组空时码
• 发展概况 1 基于正交设计原理的正交STBC Almouti(1998)
↓
4 空时码在3G中的应用—比较1
10
0
STTD (2,1)
10
-1
Conv (1,1)
FER 10
-2
CR (4,4)
CR (2,2)
10
-3
0
5
10
15 Eb/N0 (dB)
20
25
30
图10. 平坦衰落信道下的性能，传输速率10.8Mbps 终端速度 3km/hr
4 空时码在3G中的应用—比较2
• 分层空时码(LSTC, Layered Space-Time Code) • 分组空时码(STBC, Space-Time Block Code) • 网格空时码(STTC, Space-Time Trellis Code )
3.1 分层空时码—编码算法
• 发展概况 VLST、DLSTC (1996)
距离谱特性
3.3 网格空时码—编码算法
b0
T0 T1
调制
b1
调制
图4、基于QPSK调制的4状态STTC编码器及对应状态转移图
3.3 网格空时码—译码算法
• Viterbi 译码算法——适用于非级连系统 • MAP 算法 ——适用于级连系统
3.3 网格空时码—优缺点
• 优点 能够获得编码增益，性能好 可获得满分集 • 缺点 实现复杂度较大 速率受限制
Ant
(1,1) (2,1) (4,4) (4,4)
码片速率 扩频因子 扩频码数 速率
Tx technique
Conventional STTD Code re-use Code re-use
Code rate
¾ ¾ ¾ ¾
Modulation
64QAM 64QAM QPSK 8PSK
Data rate
4. 1996年，Mackay和Neal在稀疏随机图上定 1996年 Mackay和Neal在稀疏随机图上定 义的LDPC码 义的LDPC码 5. 1996年，Sipser和Spielman的线性复杂度 1996年 Sipser和Spielman的线性复杂度 扩展图码
6. 1996年，Wiberg图包含隐含状态变量 1996年 Wiberg图包含隐含状态变量
扩频码 M
图9
3G中HSDPA的解决方式之三——LSTC解决方案
4 空时码在3G中的应用—比较1
Ant
(1,1) (2,1) (2,2) (4,4)
Tx technique
Conventional STTD Code re-use Code re-use
码片速率 扩频因子 谱效率 扩频码数 速率
Code rate
x1
多码 复用
扰码
Ant
+
xN
扩频码 N 图7 3G中HSDPA的解决方式之一——传统解决方式
4 空时码在3G中的应用—HSDPA
扩频码 1
(x1 , x2 )
(x1 , x2 )
STTD
(− x , x )
* 2 * 1
扰码
多码 复用
STTD
+
Ant 1
+
Ant 2
(x2N−1, x2N )
STTD 扩频码 N
4 空时码在3G中的应用—比较2
10
0
S T T D (2,1) 10.8 M bps
10
-1
C on v (1,1) 10.8 M bps C R (4,4) 21.6 M bps
FER 10
-2
C R (4,4) 14.4 M bp s
10
-3
0
5
10
15 E b/N 0 ( dB )
20
25
∑
m
( )
2
+ −1+
∑∑ α
j =1 i =1
2
2 i, j
2
j * j * r1 α 2, j − r2 α 1, j − ct2 ∑ j =1
m
(
( )
)
2
m 2 + − 1 + ∑∑ α i , j j =1 i =1
2
2 ct
1 空时码提出的背景-3
解决上述问题的一种新思路——多天线阵系统 多天线阵系统 解决上述问题的一种新思路 针对速率问题 方式： 方式：采用多天线阵系统 依据： 依据：多天线阵的信道容量理论 针对抗衰落的问题 空时编码技术——同时利用时间分集和空间分集
2 空时码研究现状-基本思想
图1 接收天线等于发送天线空时系统的遍历信道容量
¾ ¾ ¾ ½ + 8/9 punc
Modulation
64QAM 64QAM 8PSK QPSK
Data rate
10.8 Mbps 10.8 Mbps 10.8 Mbps 10.8 Mbps
3.84 Mchips/sec 32chips/Symbol 4.5information bits/Symbol N=20 (3.84/32) * 4.5 * 20 = 10.8Mbps