现代通信系统的联合编码调制理论

现代通信系统的联合编码调制理论现代通信系统的联合编码调制理论及其最新进展及其最新进展 芮 华 R 南京航空航天大学 信息科学与技术学院Outlinel联合编码调制的基本理论及进展l星座的设计l基于并行独立信道的联合编码调制方案联合编码调制的理论背景联合编码调制的理论背景l“带宽效率编码”在带宽和功率受限的信道中，不降低有效传输速率的前提下进行有效的编码，从而提高通信传输链路的可靠性。l联合编码调制的基本出发点l编码器和调制器当作一个整体进行综合设计；l编码序列的欧氏距离作为调制设计的量度；l编码器和调制器级联后产生的编码信号序列之间具有最大的欧氏自由距离 Cbabadnnnnfree,min22 联合编码调制的理论的发展进程联合编码调制的理论的发展进程TCM(Trellis coded modulation)(Ungerboeck,1982)BCM(Block coded modulation)(Kasami,1990)具有旋转不变性的TCM(Wei,1984）多维TCM(Wei,1987)MLC(Mutilevel code)(Wachsmann,1999)BICM(Bit-Interleaved coded modulation)(Caire，1998）TTCM(Turbo TCM)（Robertson,1998）BICM-ID(Chindapol,2001)MTCM+SSTC(球面空时码）(Terry,2001)非对称TCM(Simon,1987)TCMUngerbeck的主要贡献1：lAWGN信道，不增加带宽和功率，相同的信息速率下可获得36dB 的编码增益；l提出一种可以获得最大自由欧氏距离(MFED)集合分块划分方法（Mapping by set partitioning）。l给出了AWGN信道下TCM好码的欧氏空间度量的定义，这与传统上的采用Hanming距离作为好码判据是不同的。衰落信道下衰落信道下TCMD.DivsalarD.Divsalar的主要贡献的主要贡献2:l提出了适用与移动卫星衰落信道的“非对称型TCM编码调制方案”；l提出了衰落信道下TCM好码的最佳判据，即非欧空间度量；l提出了适用于衰落信道的最优MTCM码以及一种新的集分割方法。TCM的主要问题的主要问题1.TCM好码的设计和搜索的复杂度过高 2.结构本身具有一些严重的缺陷，如TCM码结构中存在部分交叠的信息星座集，这种结构大大增加了码字的错误系数 3.系统码中存在未受编码保护的比特，从而导致了在衰落信道下系统性能较差 BCM分组编码调制分组编码调制l进入90年代,研究热点开始转向BCM(分组编码调制)。BCM最早是由Imai3等人于1977年提出的，然而直到90年代才得到广泛关注。l随后Rajapz4的研究表明:l对于AWGN信道,BCM码字的误码率取决于最小平方欧氏距离及路径复杂度,路径复杂度定义为与正确路径的平均最邻近路径数；l对于瑞利衰落信道,码字的误码率主要取决于它的最小汉明距、最小乘积距离以及路径复杂度。BCM的优、缺点的优、缺点优点：l最小平方欧氏距离的计算简单,可以由构成它的成份码的最小汉明距离直接得到,而TCM 码的最小平方欧氏距离只能由计算机搜索得到；l分组码的线性结构以及相位旋转不变性可以有效解决载波相位模糊度及保证载波相位重同步；l多层分组调制码的译码复杂度较小。缺点：l 缺乏性能优异的分组码l受TCM自身结构缺陷的影响BICMl1992年，Zehavi5对TCM的结构进行了一个开创性的变革l比特交织器的引入l改善了码字间的最小欧式距离l在理想交织时，编码器和调制器分离设计，高度的设计灵活性 lBICM追求汉明距的最大化，尽管牺牲了一些欧氏距离特性,但使得码分集数最大,在Rayleigh衰落信道下具有高度的鲁棒性。BICM Caire6主要贡献：l证明BICM的信道容量小于CM理论信道容量，是一种次优的设计方案；lBICM的误码率性能取决于纠错码的汉明距离,调制星座的最小欧氏空间调和均值和最小近邻数。由此，纠错码和调制星座可以分别独立设计；l证明了BICM方案在AWGN信道下采用Gray映射的星座设计是最优的，其信道容量与经典的CM理论信道容量的差别可以忽略。MLCl1999年，Wachsmann7对TCM、BCM和BICM的理论进行了分析和研究，给出了一个多级编码调制(MLC)的一般形式；在这个框架下，TCM、BCM和BICM可以看作为特例。l同时Wachsmann分析和比较了五种寻找MLC好码的设计准则。l利用互信息链式法则，证明了对于任意星座和映射法则，MLC的多阶段译码MSD，可以渐进逼近MLD算法所能达到的信道容量,而且译码的复杂度却大大降低。比特流串并变换调制映射编码器1编码器2编码器m1q0q1mq0 x1x1mxx2000年后联合编码调制问题年后联合编码调制问题lTurbo思想(迭代、交织和最大似然译码）和MIMO及其空时编码、LDPC码技术的出现Problem：1.传统的联合编码调制设计准则在引入迭代译码后依然是否有效?Gray labeling是否仍然是最优的？2.当MIMO调制和星座映射相结合时(矩阵调制)，即在扩展的欧氏空间上应该采用什么样的设计准则？用什么样的方法划分或搜索最优的映射图样(labeling)？3.LDPC码特性对联合编码调制方案有什么影响？基于基于BICM的联合编码调制的研究的联合编码调制的研究研究框架：BICM；BICM-ID；BI-STCM；BI-STCM-ID研究内容：高阶星座的设计方法和设计准则；高阶星座的信号集的分布和比特到符号的映射规则(labeling);基于非正则LDPC码的联合编码调制系统框架结构高阶星座的设计方法和设计准则 l信道容量准则 lEXIT(互信息转移状态图)方法l欧氏度量准则高阶星座的设计方法和设计准则 信道容量准则信道容量准则lBICM每个独立比特信道互信息：交织器编码器调制器解调器解交织解码器),(),()/(xypENC二进制输入信道1二进制输入信道2二进制输入信道mi(y,c).ibzzybzypzypEisybI)|()|(log1),|;(2,lm个独立平行信道的信道容量 mizzybibzypzypEmC12,)|()|(log高阶星座的设计方法和设计准则 信道容量准则信道容量准则mizzybibzypzypEmC12,)|()|(logBICM 8PSK 不同labeling AWGN信道容量000 001 011 010 110 111 101 1001111111Gray000 001 010 011 100 101 110 111312112Natural000 011 101 110 111 001 010 1002122222D21000 011 101 110 001 010 100 111322222D23000 111 001 110 011 100 010 101232332AntiGray123Gray labelingNatural labelingGray=14 10 2 6 15 11 3 7 13 9 1 5 12 8 0 4；MSP=9 10 13 8 14 11 10 15 5 0 1 4 2 7 6 3；SP =1 9 3 11 13 5 15 7 2 10 0 8 14 6 12 4；Mix=0 3 1 2 12 15 13 14 4 7 5 6 8 11 9 10；BICM 均匀16QAM 不同labeling AWGN信道容量 ETSI ES 201 980v1.2.1DRM标准中采用的MLC方案基于信道容量准则的非均匀基于信道容量准则的非均匀16QAM星座设计星座设计lDVB标准lK=d1/d2提问：为什么要用非均匀16QAM?K2 非均匀16QAMBICM 非均匀16QAM Gray映射不同K值时的信道容量BICM SNR=15dB时非均匀16QAM信道容量 BICM SNR=0dB时非均匀16QAM信道容量 BICM系统方案设计结论系统方案设计结论lAWGN信道下，8PSK和16QAM星座中，Gray映射是最优的，其信道容量接近CM容量。lAWGN信道下，对于非均匀16QAM，在高信噪比时(6.3dB)，随k值增加，信道容量单调降低，k1时容量最大；在低信噪比(6.3dB),Gray、SP映射的信道容量随k值的增大而增加。因此非均匀16QAM适合低信噪比时工作。BICM-ID方案中高阶星座的设计方法 EXIT分析方法分析方法问题：当接收机进行联合检测译码时l迭代是否收敛？l如何用迭代的思想指导发射机的设计？l传统的编码调制的准则是否仍适用？lEXIT(extrinsic information transfer chart)最早是由Brink 8于2000年提出用于分析迭代的收敛性。.lEXIT通过计算机仿真编码器和解调器的外信息输出的变化，可以非常有效的预测迭代的行为。解码器解调器解交织交织ku 1A2A1E2Ekz01,11NEITIbAE)(222AEITIBICM-ID方案中高阶星座的设计方法 EXIT分析方法分析方法 典型的BICM-ID迭代译码结构图 EXIT转移函数 BICM-ID方案中高阶星座的设计方法 EXIT分析方法分析方法l(3,6)正则LDPC码，码率为1/2，消环4，码长为3408，BP译MAX-LOG软判决比特输出 lAWGN信道，信噪比为7dB时，MSP映射BICM-ID方案中高阶星座的设计方法 EXIT分析方法分析方法结论：lSNR越高，则解调器和译码器之间的输出互信息之间的张角越大，迭代的收敛速度越快l当两曲线相交时，只能局部收敛，这表明迭代对于性能的改善非常低l解调器输出互信息曲线斜率越大，则迭代的收敛性越好，则从迭代获得的增益越大BICM-ID方案中高阶星座的设计方法 EXIT分析方法分析方法结论：解调器互信息曲线起点越高，则表明迭代初始时误码率性能最好，斜率越高，则由迭代获得的增益越大。Gray，具有最好的初始点，但斜率最低，表明由迭代获得增益最小SP，具有最好的初始点，但斜率最低，表明由迭代获得增益最小问题：到底哪个好？BICM-ID方案中高阶星座的设计方法 EXIT分析方法分析方法结论：MSP在迭代译码条件下性能较好问题：lMSP是不是最优的？l如何搜索和判决最优的映射方案？(EXIT仿真方法不现实)BICM-ID方案中高阶星座的设计方法 欧氏度量判据欧氏度量判据lG.Caire6for BICM：最小欧式距离调和均值 11102),(21(mibxmhibzxdmd),(maxargzxdzibz21),(zxzxd其中1110101000100110111110110011011111011001000101011100100000000100bit 1Gray labelingBICM-ID方案中高阶星座的设计方法 欧氏度量判据欧氏度量判据lChindapol9for BICM-ID：最小无错反馈欧式距离调和均值11102),(21(mibxmhibzxdmd其中),(maxargzxdzibz1110101000100110111110110011011111011001000101011100100000000100Gray labeling21),(zxzxdBICM-ID方案中高阶星座的设计方法 欧氏度量判据欧氏度量判据1110101000100110111110110011011111011001000101011100100000000100111010100010011011111011001101111101100100010101110010000000010011101010001001101111101100110111110110010001010111001000000001001110101000100110111110110011011111011001000101011100100000000100bit 1bit 2bit 3bit 41000101111001111000100100101011001000111000000111101111010011010100010111100111100010010010101100100011100000011110111101001101010001011110011110001001001010110010001110000001111011110100110101000101111001111000100100101011001000111000000111101111010011010bit 1bit 2bit 3bit 4GrayMSPBICM-ID方案中高阶星座的设计方法 欧氏度量判据欧氏度量判据表二 8PSK，BICM-ID，不同星座映射的最小欧式距离调和均值的比较 2hd2hd星座图样迭代增益Gray0.76640.80930.2365Natural0.66401.2209 2.6451D210.62251.7987 4.6082D230.58582.8766 6.9113AntriGray0.58582.3204 5.9781 BICM-ID方案中高阶星座的设计方法 欧氏度量判据欧氏度量判据非均匀16QAM2hd非均匀16QAM2hd)(10log1022hhiterddGBICM-ID方案中高阶星座的设计方法 欧氏度量判据欧氏度量判据结论：决定了BICM-ID的初始性能；其中Gray星座最好；决定了BICM-ID的迭代性能；其中M16a最大，意味着其迭代增益越大。非均匀16QAM迭代增益随k值的增加而增大，表明非均匀16QAM非常适合迭代方案。2hd2hdBICM-ID方案中高阶星座的设计方法 欧氏度量判据欧氏度量判据 关于迭代问题的思考：什么样的方案适合迭代？考虑无错反馈时，其比特子星座张成的欧氏距离尽可能大。在迭代译码条件下，均匀分布是否是最佳的？能 否 找 到 性 能 更 好 的labeling 1001110011011000111010111010111101010000000101000010011101100011bit 1BI-STCM/BI-STCM-ID方案 -最优化设计问题 挑战：l高阶星座和空时调制的融合，即矩阵调制的出现使得调制器的设计更为复杂。l对现有的空时编码已经有了一系列设计准则(行列式与秩准则TSC,迹准则)，这些准则是否与欧氏距离准则冲突or融合？l在BICM/BICM-ID得到的结论是否仍然一致?BI-STCM/BI-STCM-ID方案 -最优化设计问题我们的工作：给出了在MIMO信道和空时分组码条件下的等价最优欧式距离调和均值和最小无错反馈调和均值11102,),(21(mibXXMmhMibZXdmd11102,),(21(mibXXMmhMibZXdmdrNpiiMZXd1411),(其中BI-STCM/BI-STCM-ID方案 -最优化设计问题非均匀16QAM非均匀16QAMBI-STCM/BI-STCM-ID方案 -最优化设计问题非均匀16QAM，2T2RAlamouti空时分组码时BI-STBC-ID系统的迭代增益BP-STBC 2T2R 16QAM 2bitdimchannel 准静态MIMO衰落信道不同星 座映射、不同分组空时码的系统性能比较BP-STBC-ID 2T2R 16QAM 2bitdimchannel 准静态MIMO衰落信道不同星 座映射、不同分组空时码的系统性能比较BI-STCM/BI-STCM-ID方案 -最优化设计问题初步结论：由于采用了正交空时分组码，使得同一个空时矩阵中两个元素的错误不相关，这样BI-STCM-ID系统的性能主要取决于符号的欧氏自由距离。在上述条件下，得到的最优星座设计结果与BICM/BICM-ID得到的结论一致。在BI-STCM-ID系统中，新给出的最小欧氏距离调和均值和最小无错反馈调和均值仍然可以作为最优星座的设计准则。BI-STCM/BI-STCM-ID方案 -基于非正交空时分组编码最优化设计问题：当扩展到更多天线时，情况是否依然相同？(希望不是！;-）考虑经典的ABBA方案10研究表明在4天线满速率发生方案中，ABBA优于STTD-OTD,3+1,1+1+1+1,PSK-RANK等方案；旋转ABBA 11加权ABBA 多调制ABBA BI-STCM/BI-STCM-ID方案 -基于非正交空时分组编码最优化设计ABBAABBAXUVXUVXXUxX)(2IeVj2IU为什么要旋转？答：由于其非正交性，从而导致多符号错误事件。对于ABBA调制，当x1和x3同时发生同样错误时，则矩阵是奇异的，其秩只有2，即对错误事件的保护分集也只有2。在高信噪比情况下，这类错误事件是影响空时编码性能的主要因素。为了避免产生奇异矩阵，采用预编码矩阵对矩阵的符号进行旋转，从而使得星群转离奇异点。*1*2*3*42143*3*4*1*24321xxxxxxxxxxxxxxxxXABBABP-STBC 非迭代译码 4T1R 16QAM 2bitdimchannel 基于旋转、加权和预编码的ABBA分组空时码系统性能 BP-STBC 4T1R 1.5bitdimchannel 多调制 分组空时码系统性能比较 BI-STCM/BI-STCM-ID方案 -基于非正交空时分组编码最优化设计l旋转的引入使得星座的形状必须重新优化设计l均匀星座不再是最优的l最优的旋转角度是按照空时分组的码的设计准则设计的：MAX-MIN-DET 判据问题：l对于BI-STCM-ID而言，星座形状和Labeling如何设计？-24-42QPSK forABBAX191.0opt基于非正则基于非正则LDPC码的并行独立信道码的并行独立信道 BICM-ID方案方案 编码的设计编码的设计思想：l利用互信息的链式法则，BICM/MLC的信道容量大于等于独立的比特传输信道信道容量之和。它们之间的逼近程度取决于M-QAM映射图样。这样如果每个子信道可以采用不同速率的独立编码器，可以最优的逼近BICM/MLC信道容量。这意味每个子信道在速率相同时的误比特率是不同的。从另一个角度看，如果每个子信道采用相同速率，不同纠错能力的编码器，则一定存在这样一个码速率使得系统可以同样逼近信道容量。lLDPC迭代译码的收敛速度取决于信息节点的度；具有不同度的信息节点在迭代过程中纠错能力是不同的。l用一个单一编码速率的非正则LDPC编码器取代传统MLC多个子编码器，并设计信息节点的分布和采用特殊的映射方法，使得映射到不同子信道的编码后的信息节点具有不同的度。基于非正则基于非正则LDPC码的并行独立信道码的并行独立信道 BICM-ID方案方案 编码的设计编码的设计LDPC编码器联合解调B P解码器ku 1L2L2E1ETxRykcR调制器分组映射0 x1x1mx1mq1q0q BP-MLC-ID系统的原理性框图 基于并行独立信道的非正则基于并行独立信道的非正则LDPC码的设计码的设计 非正则LDPC码的构造准则I.II.III.IV.1max2vdii1max2cdiimaxmax22)1(ccdiidiiiRimax,.,3,2),(,25.0vrkjidrkji25.0maxmaxmaxmax2i42i32i22i1vvvvdidididi基于并行独立信道的非正则基于并行独立信道的非正则LDPC码的设计码的设计非正则LDPC码的搜索方法l离散概率密度演化算法(DDE)12l高斯均值近似法13l差分演化算法14：最优非正则LDPC码的搜索实际上是一个在若干个约束条件下求多维连续线性空间极值的问题基于并行独立信道的非正则基于并行独立信道的非正则LDPC码的设计码的设计l非正则LDPC码码长1024非正则LDPC码中具有不同节点度的信息 位的误码率性能 25.0109430.758770.24123,65 BP-MLC-ID系统采用不同构造准则时的 1/2码率的最优非正则 LDPC码噪声门限比较 BP-MLC-ID系统性能仿真系统性能仿真非迭代译码时BP-MLC系统的性能比较 迭代译码时BP-MLC系统的性能比较 后续工作后续工作l我们提出的方案BP-MLC-ID方案还可以进一步推广到MIMO领域，即基于空间独立并行信道的非正则LDPC码设计l上述方案可以和星座的设计融合起来，即把欧氏距离准则作为最优LDPC的搜索的代价函数。l在MIMO空间上进一步研究星座的最优分布及映射方案参考文献1 Ungerboeck G.Trellis-coded modulation with redundant signal sets J.IEEE Communications Magazine,1987,25(2):5-21.2 D.Divsalar and M.K.Simon IEEE Trans on Com 1988,36(3).3 Imai H,H irakaw a S.A New Multiple Coding Method Using Error-Correcting Codes J.IEEE Trans Inform Theory,1977,IT223:371 376.4 Rajapl S,RheeD J,L in S.Multi-Dimensional Trellis-Coded Phase Modulation Using a Multilevel Concatenation Approach A.In Proc IEEE Int Symp Inform Theory,Budapest,HungaryC.1991.2328.5 Zehavi E.8-PSK trellis codes for a rayleigh channelJ.IEEE Transaction on Communications,1992,40(5):873-884.6 Caire G,Taricco G,Biglieri E.Bit-interleaved coded modulationJ.IEEE Transaction on Information Theory,1998,44(3):927-946.7 U Wachsmann,R F H Fischer,J Huber.Multilevel codes:Theoretical concepts and practical design rules J .IEEE Trans.Inform.Theory,July 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approximation.IEEE Trans.Inform.Theory,47(3),Feb,2001 14 Rainer Storn and Kenneth Price.“Differential Evolution-Asimple and efficient adaptive scheme for global optimization over continuous spaces”.March 1995.谢谢 谢谢谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH