有限长高可靠模拟喷泉码研究

发布时间：2020-07-02 15:17

【摘要】：第五代(5G)移动通信将要支持超高可靠低时延通信(ultra-reliable low latency communication,URLLC)业务,以满足未来物联网新兴业务的超低时延、高可靠无线通信需求,例如自动驾驶、远程医疗、智能电网等。这些业务要求通信时延小于1毫秒的同时,满足通信误包率(Block Error Rate,BLER)低于10~(-5)。由于低时延等价于采用短码长的信道编码包,这必将导致编码增益的降低。因此,面向URLLC的物理层编码技术是5G技术中的一项关键难题,近年来引起了广泛的研究和关注。最新的短码长性能界为有限长高性能信道编码设计提供了理论指导。一方面,现有的URLLC编码方案虽然能够逼近短码长性能界,但大多具有码率固定、编译码复杂度高的特点;另一方面,无线信道的时变特性使得URLLC信道编码需要具有无速率特性,以自适应的根据信道状态“在线”编码,避免误码引起的重传时延开销。基于此,本文引入了具有线性编译码复杂度的高进制无速率码—模拟喷泉码(Analog Fountain Code,AFC),在短码长条件下面向URLLC需求进行优化设计。具体研究内容如下:虽然无限码长的AFC能够在广泛的信噪比取值下,逼近传统的信道香农限,但有限长的AFC性能仍有较大的改进空间。注意到对于无速率编码,增大输出码字的平均度是提升BLER性能的关键。因此,首先分析了有限码长条件下,AFC平均度与码长之间的BLER性能变化趋势。其次,级联码是提升短码长性能的经典技术,因此设计了两种低密度奇偶校验(Low Density Parity Check,LDPC)码与AFC的级联方案:准循环QC-LDPC-AFC方案和Raptor Like-LDPC-AFC方案。仿真验证了上述两种LDPC-AFC级联方案能够有效提升BLER性能,但离短码长性能界较远。考虑到短码长条件下,仅仅提升AFC的平均度会使得码字的编码二分图出现大量短环,导致出现误码平台。因此引入了渐近边生长(Progressive Edge-Growth,PEG)算法,对短码长AFC的编码二分图进行边的重构。提出的PEG-AFC编码算法能够尽量降低短环的出现概率,提高有限长AFC的BLER性能。进一步的,由于短码长AFC难以完全避免短环,我们结合AFC编码二分图的权重系数特性进行权重优化(Weight Optimization,WO),提出了WOPEG-AFC编码算法,对短环的不同边分配不同的权重系数,进一步提升有限长AFC的BLER性能。仿真验证了PEG-AFC和WOPEG-AFC都能在高信噪比下逼近短码长性能界。在上述工作的基础上,为进一步提升有限长AFC的性能,首先推导了有限长AFC在AWGN信道下的性能极限。理论和仿真结果证明,在高信噪比区间(≥10dB),有限长AFC的性能将随着权重集信息熵的提升而增大;而在低信噪比区间(10dB),有限长AFC的性能主要取决于码率。因此,针对不同信噪比区间,分别设计了服从高斯分布的最优权重集。然后,基于有限比特反馈机制,设计了权重自适应AFC(Weight Adaption-Analog Fountain Code,A-AFC)传输方案,使得有限长AFC能在0~30dB的信噪比区间内,能以最低的编译码复杂度达到性能极限。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN911.22;TN929.5

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本文编号：2738351