极化编码理论与实用方案研究

发布时间：2018-03-07 03:13

本文选题：信息论　切入点：纠错码　出处：《北京邮电大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：极化码是一种新近提出的信道编码,是目前已知的唯一种能够通过严格的数学方法证明能够达到信道容量的编码方法。极化码基于一种被称为信道极化的数字信号处理技术。信道极化将一个二进制输入无记忆信道的一组独立的时隙看作一组相互独立的信道,通过信道分割、信道合并操作引入相关性,从而得到一组新的具有相互依赖关系的二进制输入极化信道。当参与信道极化的信道(时隙)数足够多时,所得到的极化信道的信道容量会出现极化现象,即一部分信道的容量将会趋于1、其余的则趋于0。除了容量可达以外,极化码还具有规则的编码结构,因此在构造时无需通过随机搜索进行码结构的优化。由于其出色的渐进性能以及结构化的构造方式,极化码具有非常重要的研究价值,在未来数字通信系统中具有非常好的应用前景。在极化码和信道极化被提出之后,迅速被应用到信源编码、多用户通信、保密通信等多个相关信息处理问题。尽管极化编码理论上在码长接近无穷大的情况下已经被证明是容量可达的,其在实用有限码长配置下的性能却不尽理想；并且,已有的极化编码要求参与极化的各信道必须具有相同的信道参数,或者为同一个时不变信道的若干个独立的时隙；同时,极化码的码长也受到严格的限制,必须为2的幂次。另一方面,在目前已有的研究中,信道极化的应用仅仅局限于二进制信道编码,并没有结合实际的通信系统,与其它和信道编码相关联的信号处理技术进行全面、综合的联合设计、优化。因此,本文的工作即是结合实际的应用场景,对极化编码理论进行推广,并对相应的极化编码、译码方案进行了具体的设计、研究,主要包括以下三个方面的创新工作：第一,对极化码的高性能译码方法进行了研究、设计。将串行抵消(SC)译码算法归纳作是一种在极化码码树上的一种路径搜索过程,通过允许在码树上对多条候选路径进行搜索,从而降低丢失正确路径的概率。根据不同的码树搜索策略,本文提出了三种增强SC译码(ISC)算法：一种是基于广度优先搜索的串行抵消列表(SCL)算法；一种是基于深度优先(或称作“最佳路径优先”)搜索算法的串行抵消堆栈(SCS)算法；此外,在计算资源受限的情况下,通过对以上两种搜索方式进行自适应调度,以折中译码算法的时间复杂度和空间复杂度,从而进一步提出了串行抵消混合(SCH)译码算法。仿真结果显示,本文所提出的三种ISC译码算法能够在有限的计算复杂度下,使得极化码获得非常接近ML译码的性能。此外,本文还提出了基于码树搜索的剪枝算法,大大降低了所提出的各ISC译码算法的计算复杂度。进一步地,通过利用实际数字通信系统中“送入信道编码器的源序列能够通过循环冗余校验(CRC)”这一先验信息,提出了CRC辅助(CA)的ISC译码算法使得极化码的性能得到了极大的提升,并在付出近似相等的计算复杂度下,获得优于Turbo码和LDPC码的性能。第二,对基于极化码的链路自适应技术进行了研究,提出了一种速率适配极化编码方案,并在此基础上.进一步提出了两种极化编码HARQ传输方案。首先,本文在将传统的单一信道的信道极化理论与极化编码方法扩展到了并行信道场景中,允许参与信道极化的信道具有不同的信道转移概率函数。然后,设计了一种速率适配的凿孔极化编码方案,将需要被凿孔的比特视作是经由一组容量为零的虚拟信道进行的传输,并基于并行信道极化理论进行极化码的构造。最后,以所提出的速率适配的凿孔极化码为基础,本文提出了基于蔡司合并(CC)和增量冗余(IR)的两种HARQ传输方法,填补了学术界此前在极化编码HARQ方案设计方面的空白。仿真结果显示,本文提出的极化码HARQ方案在简单的SC译码下就能够获得与采用LDPC或者Turbo码的方案几乎相当的吞吐率性能,其中,在中、高信噪比条件下甚至能获得更高的吞吐率。第三,将极化编码与调制及多天线技术进行联合优化。首先,针对极化码与调制的联合设计,本文提出了两种极化编码调制(PCM)方案：一种通过比特级交织器将调制符号信道等效成一组(近似)独立的并行信道,并基于并行信道极化理论对极化码进行构造；另一种则不使用比特交织器,而是将调制视作是一种特殊的信道极化过程,使其与二进制极化编码合而为一,从而实现调制与编码的联合极化,并基于此联合信道极化进行最优化构造。进一步地,本文将PCM与多天线传输技术结合起来。类似基于联合极化的PCM方案,本文将信号在MIMO信道上的传输与检测也视作一种信道变换,与调制以及传统的二进制信道极化通过多级编码的方式级联起来,通过三个阶段的信道极化,完成了MIMO调制信道的极化变换,从而实现了信道编码、调制、以及多天线传输三者的联合优化。同时,本文还就衰落信道下的极化编码进行了研究,提出了一种通过使用与原衰落信道具有相同输入符号集合、相同对称信道容量的AWGN信道进行等效的构造算法。仿真表明,本文所提的两种PCM方案以及空时极化编码调制(STPCM)方案,在CA-SCL译码下,相比在实际系统中已经被广泛使用的采用Turbo编码的传输方案,在所仿的各种天线数、调制阶数以及码长、码率配置下,均能够获得相当、甚至更优的性能。
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【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN911.22

【共引文献】