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比特交织编码调制迭代译码系统的调制解调技术研究

作　者: 宫丰奎
导　师: 葛建华
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 比特交织编码调制迭代译码软输入软输出外部信息交换图多输入多输出标识映射空时解映射正交频分复用
分类号: TN761
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 633次
引　用: 8次
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内容摘要

比特交织编码调制迭代译码系统(BICM-ID)由于复杂度低、灵活性强、频谱利用率高、性能优异等特点，作为下一代无线移动通信链路中的一种关键技术受到广泛关注，如4G、IEEE802.11n等。目前，针对BICM-ID系统以及结合多天线、空时编码技术的比特交织空时编码调制迭代译码(BI-STCM-ID)等系统调制技术的研究主要集中在纠错码、交织器、标识映射的优化设计等方面，相应的解调器设计主要针对联合均衡的迭代译码、解映射设计等方面。虽然这些方面已经取得了相当多的成果，但仍存在许多问题需要解决，如最优标识映射、低复杂度解映射算法等。本论文正是基于这方面的考虑，针对BICM-ID系统的各种调制解调技术进行优化设计。论文首先研究BICM-ID系统的分析方法。一方面分析了BICM-ID系统以及BI-STCM-ID系统的性能限问题，并讨论了性能限的进一步逼近。另一方面，提出了两种不同于外部信息交换图(EXIT)的信息图构造方法，称为DID图和NOMI图。新信息图形状类似BER图，可以表征整个信噪比区间上的陡降、错误平层等，而且实现复杂度要远低于BER曲线。作为一种有效的分析方法，DID图和NOMI图贯穿论文其它章节。另一个重点就是关于EXIT图、DID图以及NOMI图的扩展应用研究。论文提出了一种复杂度较低的迭代控制方法，利用设计的迭代度矢量，达到控制迭代次数，减小系统延迟的目的。论文紧接研究BICM-ID系统的调制端的优化问题，首先分析影响BICM-ID系统性能的各种因素，如纠错码、交织器、标识映射方法等，并给出系统设计时各个模块的实用参考准则。例如：错误平层低的标识映射方法和纠错能力差、结构简单的纠错码结合，可能会取得好地迭代性能。调制端优化的重点为映射标识方法，包括通常二维星座标识、多维标识、多天线系统下的标识等优化问题。一方面通过对特征参数以及性能限的研究，从理论上说明各种映射的优势以及不足；另一方面利用计算机仿真结果以及外部信息交换图(或DID／NOMI图)，进一步验证结论。论文指出最佳映射和系统设计指标，如信噪比区间、实现复杂度、性能等密切相关，并基于优化的成对错误概率的代价函数，利用不确定先验信息，提出了一种定义区间最佳(DRO)映射方法。考虑到整个信噪比区间的性能，基于信息交换图，论文提出了一种自适应标识映射方法以获得近全局最佳性能。利用设计的DID图和NOMI图，有效解决了其中的两个难点问题：自适应标识映射集合的确定和切换信噪比点的确定。除了针对通常二维映射的优化，论文另一个重点就是关于多维标识映射的研究。采用多维标识，迭代性能有很大提高，代价就是增加接收检测算法复杂度。论文给出了QPSK以及8-PSK星座的最优或近最优多维映射构造方法，在此基础上，通过修正的分段BSA搜索算法，将多维映射首次扩展到更高阶的16QAM调制并给出不同信道下的计算机仿真性能。论文还重点研究迭代接收的算法优化问题。采用MIMO技术可以大大提高系统的吞吐量或者性能，但也加大了系统接收机的实现复杂度。特别是相关的检测或解映射技术，其性能对系统整体性能影响很大，而其实现复杂度也是决定接收机整体复杂度的关键。论文针对接收机中关键的软输入软输出(SISO)解映射器进行优化设计，针对多天线系统下近MAP性能的列表球形译码(LSD)算法，提出了一种改进的自适应半径ILSD算法。研究表明，ILSD算法的计算复杂度有了大幅度降低，和半径参数几乎无关，且随着天线数的增加，复杂度低的优势越明显。因为半径可以设置很大，其性能也得到相对提高。论文研究了多维映射BICM-ID系统下的软输入软输出解映射算法。在通常SISO最大后验概率检测算法的基础上，推导了采用多维映射时基本的MD-MAX-LOG-MAP算法公式，并首次结合多天线系统下的经典检测方法提出两种简化算法：一种利用树搜索算法选择发送符号矢量空间，称为MD-TS算法；另一种利用列表球形译码算法选择可能发送符号矢量空间，称为MD-LSD算法。简化算法降低复杂度和选择的列表长度成比例，仿真结果表明，列表长度满足一定范围时，性能损失可以忽略。BI-STCM-ID系统不适合频选信道，可以通过结合正交频分复用技术(OFDM)克服。针对高数据率比特交织空频编码调制系统(BI-SFCM，本文也称为BICM MIMO-OFDM)，论文最后提出了一种简化的联合信道估计、迭代检测和译码实现方案。该方案中信道估计利用信道频域相关性降低FFT阶数并提供给解映射算法信道状态信息。解映射算法采用ILSD算法，其计算复杂度可以利用信道估计特性进一步得到大幅度降低。通过对不同时变多径信道模型进行性能仿真，说明本文BICM MIMO-OFDM系统适合频率选择性衰落信道，且采用简化算法带来的性能损失可以通过增加迭代次数补偿。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-8
目录  8-11
第一章绪论  11-19
  1.1 通信现状以及研究背景  11-12
  1.2 编码调制技术的进展  12-14
  1.3 论文主要研究内容及创新点  14-16
  1.4 本文的篇章结构  16-19
第二章比特交织编码调制迭代译码系统概述及性能界分析  19-33
  2.1 符号定义以及信道模型  19-21
  2.2 单天线BICM-ID系统描述  21-22
  2.3 BICM-ID系统的EF界  22-28
    2.3.1 AWGN信道下的BICM-ID EF界  24
    2.3.2 瑞利信道下的EF界  24-26
    2.3.3 性能限的进一步逼近  26-28
  2.4 多天线BI-STCM-ID系统描述  28-30
  2.5 BI-STCM-ID系统的EF界  30-31
  2.6 BI-SFCM-ID系统及BI-TFCM-ID系统描述  31-32
  2.7 本章小结  32-33
第三章 BICM-ID系统的外部信息交换图分析方法及应用  33-47
  3.1 外部信息交换图  33-39
    3.1.1 互信息量一般模型  33-34
    3.1.2 EXIT图的实现方法  34-38
    3.1.3 EXIT图的相关结论  38-39
  3.2 一种改进DID图及NOMI图  39-41
    3.2.1 DID图和NOMI图设计方法  39-40
    3.2.2 改进图和BER仿真图的比较  40-41
  3.3 EXIT图及改进图的相关应用  41-46
    3.3.1 简化的迭代控制算法  41-45
    3.3.2 利用DID、NOMI图的自适应标识映射设计  45
    3.3.3 利用信息图进行系统设计  45-46
  3.4 本章小结  46-47
第四章 BICM-ID系统调制技术分析及优化  47-83
  4.1 影响系统性能的因素分析  47-61
    4.1.1 纠错码对系统性能的影响  47-48
    4.1.2 交织器对系统性能的影响  48-51
    4.1.3 不同调制方法对系统性能的影响  51-54
    4.1.4 标识映射方法对系统性能的影响  54-61
  4.2 通常星座下的标识映射方法优化  61-70
    4.2.1 定义区间下的最优标识映射方法  61-67
    4.2.2 自适应标识映射方法  67-70
  4.3 多维标识映射设计方法  70-81
    4.3.1 多维映射BICM-ID的原理和系统模型  70-72
    4.3.2 多维映射BICM-ID性能分析  72-75
    4.3.3 QPSK星座下的多维标识  75-78
    4.3.4 M进制调制星座下的多维标识  78-81
  4.4 本章小结  81-83
第五章接收端软输入软输出解映射算法的优化及系统简化  83-115
  5.1 典型检测算法比较  83-86
  5.2 SISO解映射算法描述  86-89
    5.2.1 近ML性能的RC-SD算法  86-88
    5.2.2 MAP算法  88-89
    5.2.3 LSD算法  89
  5.3 改进的列表球形译码算法  89-95
    5.3.1 ILSD算法流程  90-92
    5.3.2 ILSD算法举例说明  92-93
    5.3.3 ILSD算法复杂度及性能分析  93-95
  5.4 针对多维映射的SISO解映射算法  95-102
    5.4.1 多维映射下的MD-MAX-LOG-MAP解映射公式  95-96
    5.4.2 多维映射下的树搜索解映射算法(MD-TS)  96-97
    5.4.3 多维映射下的列表球形译码解映射算法(MD-LSD)  97-99
    5.4.4 多维解映射算法性能仿真  99-102
  5.5 BICM MIMO-OFDM系统的联合迭代信道估计、检测和译码  102-112
    5.5.1 基于PSAM的联合迭代信道估计及检测的BICM系统简介  102-104
    5.5.2 MIMO-OFDM系统模型  104
    5.5.3 简化的信道估计算法  104-108
    5.5.4 信道估计辅助的简化联合迭代检测和译码算法  108-109
    5.5.5 BICM MIMO-OFDM系统性能仿真  109-112
  5.6 本章小结  112-115
第六章结论  115-117
  6.1 论文总结  115-116
  6.2 工作展望  116-117
致谢  117-119
参考文献  119-131
作者在读期间的研究成果  131-133
附录 A 8-PSK及16QAM四维标识映射  133-134

比特交织编码调制迭代译码系统的调制解调技术研究

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