基于LDPC码的协作通信系统及联合迭代译码性能的研究

摘要

随着无线通信的发展，协作通信技术的研究引起广泛关注。协作通信的概念是在中继信道模型的基础上，受多输入多输出(MIMO)技术的启发而提出的。这种新型物理层技术的基本思想是在多用户环境中，使具有单根天线的移动终端可以按照一定的方式来共享彼此的天线从而产生一个虚拟MIMO 系统。
　　 协作通信主要有三种模式：放大转发、检测转发、编码协作。其中，编码协作模式的突出特点是通过信道编码设计来实现协作，降低了协作中错误扩散的可能性，提高了接收端的纠错能力，具有比前两者更为优异的性能。可见，如何将日趋成熟的各种信道编码方式与协作通信的理念相结合，设计出有效的协作通信方案有很高的学术研究价值和现实意义。
　　 本文的研究工作主要包括以下几方面：
　　 1.在充分理解Shannon有噪信道编码定理的基础上，认识到Shannon限是衡量不同编码方案性能的标尺，从而明确编码学术界的研究目标。
　　 2.研究了LDPC码和Turbo码的编译码方式及其性能，并在图像传输的应用中比较和分析了这两种编码方式的性能差异。
　　 3.提出了两种加速迭代的改进BP译码算法，使LDPC码的每一次迭代更多地利用在该次迭代中已得到更新的外信息。理论分析和模拟结果都显示，在加性高斯白噪声信道下，这两种改进算法在译码复杂度不变或基本不变的情况下，有效加速了迭代的收敛，得到了优于传统BP算法的译码性能。
　　 4.提出了中继信道下基于正规LDPC码的协作通信方案。该方案采用联合译码。在译码初期，两个译码器分别计算并输出对各自输入序列的估计；再进行联合译码，将这两组软信息合并，即得到对信息序列的最终估计。利用正规LDPC码的编码增益和协作通信带来的分集增益，该系统获得了较好的性能。
　　 5.在中继信道下首次提出了新的基于非正规LDPC系统码的协作通信方案及联合迭代译码。首先，构造这种系统形式的非正规LDPC码，并将其与相同条件下的正规LDPC码进行性能比较。在该协作通信方案的编码阶段，源节点与中继节点选用相同参数的的不同LDPC码进行编码，降低了两组校验序列的相关性，其作用类似于Turbo码中的交织器。在相应的译码阶段采用联合迭代译码。将两个LDPC译码器并行级联，建立联合Tanner图，在每一次迭代译码内部将协作双方的外信息沿联合Tanner图的边双向传递。这种联合迭代译码的原理，类似于Turbo码译码器中的串行级联和反馈机制，在译码的每一次迭代中都完成了两个子译码器的信息传递，用更少的迭代次数实现了更显著的性能提高。虽然非正规LDPC码本身的性能劣于正规LDPC码，但通过协作通信及其联合迭代译码，编码增益和分集增益被充分利用，显著地提高了系统的性能，充分体现了协作通信的分集优势。相比前一种方案，本方案提高了总码率和联合译码的效率。