现代通信系统的联合编码调制理论

04/1/2005现代通信系统的联合编码调制理论及其最新进展芮华[e-mail]南京航空航天大学信息科学与技术学院04/1/2005Outline联合编码调制的基本理论及进展星座的设计基于并行独立信道的联合编码调制方案04/1/2005联合编码调制的理论背景“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。联合编码调制的基本出发点编码器和调制器当作一个整体进行综合设计；编码序列的欧氏距离作为调制设计的量度；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TCM(Trelliscodedmodulation)(Ungerboeck,1982)BCM(Blockcodedmodulation)(Kasami,1990)具有旋转不变性的TCM(Wei,1984）多维TCM(Wei,1987)MLC(Mutilevelcode)(Wachsmann,1999)BICM(Bit-Interleavedcodedmodulation)(Caire，1998）TTCM(TurboTCM)（Robertson,1998）BICM-ID(Chindapol,2001)MTCM+SSTC(球面空时码）(Terry,2001)非对称TCM(Simon,1987)04/1/2005TCMUngerbeck的主要贡献[1]：AWGN信道，不增加带宽和功率，相同的信息速率下可获得3－6dB的编码增益；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（Mappingbysetpartitioning）。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。04/1/2005衰落信道下TCMD.Divsalar的主要贡献[2]: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”；提出了衰落信道下TCM好码的最佳判据，即非欧空间度量；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。04/1/2005TCM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04/1/2005BCM分组编码调制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Imai[3]等人于1977年提出的，然而直到90年代才得到广泛关注。随后Rajapz[4]的研究表明: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；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。04/1/2005BCM的优、缺点优点：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；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；多层分组调制码的译码复杂度较小。缺点：缺乏性能优异的分组码受TCM自身结构缺陷的影响04/1/2005BICM1992年，Zehavi[5]对TCM的结构进行了一个开创性的变革比特交织器的引入改善了码字间的最小欧式距离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BICM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。04/1/2005BICMCaire[6]主要贡献：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；BICM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；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。04/1/2005MLC1999年，Wachsmann[7]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。同时Wachsmann分析和比较了五种寻找MLC好码的设计准则。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m1q0q1mq0x1x1mxx04/1/20052000年后联合编码调制问题Turbo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?Graylabeling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？04/1/2005基于BICM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04/1/2005高阶星座的设计方法和设计准则信道容量准则EXIT(互信息转移状态图)方法欧氏度量准则04/1/2005高阶星座的设计方法和设计准则－－信道容量准则BICM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),(),()/(xypENC二进制输入信道1二进制输入信道2二进制输入信道mλi(y,c)..........ibzzybzypzypEisybI)|()|(log1),|;(2,,m个独立平行信道的信道容量mizzybibzypzypEmC12,,)|()|(log04/1/2005高阶星座的设计方法和设计准则－－信道容量准则mizzybibzypzypEmC12,,)|()|(logBICM8PSK不同labelingAWGN信道容量0000010110101101111011001111111Gray000001010011100101110111312112Natural0000111011101110010101002122222D21000011101110001010100111322222D23000111001110011100010101232332AntiGray123GraylabelingNaturallabelingGray=[1410261511371391512804]；MSP=[9101381411101550142763]；SP=[1931113515721008146124]；Mix=[0312121513144756811910]；BICM均匀16QAM不同labelingAWGN信道容量ETSIES201980v1.2.1DRM标准中采用的MLC方案04/1/2005基于信道容量准则的非均匀16QAM星座设计DVB标准K=d1/d2提问：为什么要用非均匀16QAM?K＝2非均匀16QAMBICM非均匀16QAMGray映射不同K值时的信道容量BICMSNR=15dB时非均匀16QAM信道容量BICMSNR=0dB时非均匀16QAM信道容量04/1/2005BICM系统方案设计结论AWGN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。AWGN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，k＝1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。04/1/2005BICM-ID方案中高阶星座的设计方法－－EXIT分析方法问题：当接收机进行联合检测译码时迭代是否收敛？如何用迭代的思想指导发射机的设计？传统的编码调制的准则是否仍适用？EXIT(extrinsicinformationtransferchart)最早是由Brink[8]于2000年提出用于分析迭代的收敛性。.EXIT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。04/1/2005解码器解调器解交织交织kuˆ1A2A1E2Ekz01,11NEITIbAE)(222AEITIBICM-ID方案中高阶星座的设计方法－－EXIT分析方法典型的BICM-ID迭代译码结构图EXIT转移函数04/1/2005BICM-ID方案中高阶星座的设计方法－－EXIT分析方法(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AWGN信道，信噪比为7dB时，MSP映射04/1/2005BICM-ID方案中高阶星座的设计方法－－EXIT分析方法结论：SNR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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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04/1/2005BICM-ID方案中高阶星座的设计方法－－EXIT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？04/1/2005BICM-ID方案中高阶星座的设计方法－－EXIT分析方法结论：MSP在迭代译码条件下性能较好问题：MSP是不是最优的？如何搜索和判决最优的映射方案？(EXIT仿真方法不现实)04/1/2005BICM-ID方案中高阶星座的设计方法－－欧氏度量判据G.Caire[6]forBICM：最小欧式距离调和均值11102))ˆ,(21(mibxmhibzxdmd)),((maxargˆzxdzibz21),(zxzxd其中1110101000100110111110110011011111011001000101011100100000000100bit1Graylabeling04/1/2005BICM-ID方案中高阶星座的设计方法－－欧氏度量判据Chindapol[9]forBICM-ID：最小无错反馈欧式距离调和均值11102)),(21(mibxmhibzxdmd其中)),((maxargzxdzibz1110101000100110111110110011011111011001000101011100100000000100Graylabeling21),(zxzxd04/1/2005BICM-ID方案中高阶星座的设计方法－－欧氏度量判据1110101000100110111110110011011111011001000101011100100000000100111010100010011011111011001101111101100100010101110010000000010