通信工程毕业设计(论文)基于LDPC码的编码协作通信研究.doc
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1、信息工程学院本科毕业论文(2012届)题 目基于LDPC码的编码协作通信研究系通信工程专 业通信工程班 级学 号学生姓名指导教师完成日期2012年1月摘 要 采用空间分集的方法可以有效地对抗无线信道中的衰落。由于受到体积、重量、成本等因素的限制,在无线通信系统的用户终端上实现多天线技术较为困难。 而在单天线的无线用户间通过协作,共享天线,可以实现虚拟的多天线。协作通信方式是解决通信系统容量不断增加的重要方法,协作通信系统中采用LDPC码,可以有效改善中继节点处的差错传播带来的系统性能下降。 低密度奇偶校验(LDPC) 编码是一种性能优良的线性分组码,利用其码字内码元间固有的相关性,通过不同的用
2、户发送码字的不同部分,可以实现虚拟的多发送天线,获得发送分集增益,在不增加系统带宽和发射功率、系统复杂度也不会明显增加的情况下能显著地提高系统性能。本文给出了LDPC码的基本编解码原理,阐述了基于LDPC码的协作通信系统的分析模型,给出相应的仿真结果和分析。关键词:衰落;协作通信;分集;多天线; LDPC 编码;编码协作ABSTRACTSpatial diversity is an effective method to resist fading effect in wireless channel. Due to the limitation of size weight and cost
3、, it is difficult to use the multi antenna technique on the terminal of wireless communication. Cooperative communication allows the mobile terminals with a single antenna to share their antennas. Thus virtual multi antenna can be created to realize transmitting diversity. Cooperative communication
4、is an important scheme to meet the increasing requirement of capacity of communication system .Performance degradation due to the error propagation on the relay node can be improved effectively by using LDPC codes in the cooperative communication system. LDPC code is a good linear block code. Becaus
5、e of the intrinsic coherence among the bits of the code word, we can create virtual multi antenna and obtain diversity gain by making different users transmit different parts of the code word. Once diversity gain is obtained, the system performance can be improved effectively, without much rise in t
6、he system bandwidth and transmitting power, nor would the cost and complexity of the system increase evidently.The fundamental theory of encoding and decoding of LDPC codes are given firstly, then the analysis model of cooperative communication system based on LDPC codes is described. The simulation
7、 results and analysis are presentedKey words: cooperative communication; diversity; multi antenna; low density parity check code( LDPCC) ; coded cooperation 目 录1 引言12 LDPC码的概论32.1 LDPC码的介绍32.2 LDPC码的表示32.3 LDPC码的性能特点42.4LDPC码的应用举例63 编码协作通信的研究83.1基于LDPC码的协作通信的研究83.2 编码协作的原理93.3 协作通信的几种方法114 LDPC码的编码协
8、作通信124.1基于LDPC码的编码协作通信的模型124.2 协作通信过程中的编、解编流程124.3 基于LDPC码的编码协作的实现155.结论17致谢19参考文献20附录211 引言近年来,基于中继的协作通信技术通过有效利用空间分集,显著改善通信系统的性能。协作通信技术还可以利用纠错码以进一步提高系统性能。作为一种能够逼近香农限的优异差错编码技术,基于低密度奇偶校验 (LDPC)码及其在协作编码中的应用成为了近年来的一个研究热点。协作通信的缘由主要有两方面的因素:网络中空余资源的存在和协作通信所能提供的协作通信增益。 网络中空余资源的存在:在这里将以蜂窝移动通信系统来说明无线网络中空余资源的
9、存在。某一时间段内蜂窝移动通信系统中可能仅有部分移动终端有通信需求,因而网络中会有较多的移动终端处于空闲状态,但是传统的蜂窝移动通信系统将所有移动终端看成是互不通信的个体,从而使这部分空闲硬件资源得不到利用而被浪费掉;另一方面,蜂窝移动通信系统中的移动终端具有差异性,如硬件技术的快速发展使得部分移动终端具有较强的计算处理能力,而另一些移动终端的计算处理能力则相对较差。距离基站较近的移动终端具有较好的通信能力,而距离基站较远的移动终端的通信能力则相对较差。如果将这些移动终端看成是一个可以相互(或部分相互)通信的整体,则这些差异性的存在可使不同的移动终端在网络中承担不同的角色,从而有利于整个通信系
10、统性能的提高。然而,在传统的蜂窝移动通信网络中,某一时刻部分有通信需求的移动终端可能由于受自身资源条件等因素所限制,不能进行较为有效的通信;另一方面网络中却存在着大量的空闲资源,以及部分资源的潜力未能得到充分利用,两者间存在着矛盾,如何利用这些空余资源来帮助有通信需求的移动终端进行有效通信便成为一个值得深入研究的课题 。协作通信增益:可以通过分集增益技术来抑制无线信道受多径衰落的影响。分集增益技术主要包括空间分集增益、时分分集增益、频分分集增益3种。MIMO技术通过在发射端和接收端放置多根天线,形成多个独立的发/收信道,从而达到利用空间分集增益技术来提高无线信道传输性能的目的,被认为是下一代无
11、线通信系统中的关键技术之一。但由于受设备尺寸、造价和硬件性能等条件限制,无线设备不一定能够支持安装多根天线。而协作通信技术能够利用无线信道的广播特性,允许单天线终端设备在多用户环境中共享它们的物理资源来进行通信,形成虚拟天线阵列。即参与协作通信的设备间可相互转发信息,使得同一信息能够通过不同的独立的无线信道到达接收端。协作通信的核心思想是在只具有单天线的用户间进行协作,共享它们的天线, 实现虚拟的多发送天线。参与协作通信的用户间相互称对方为自己的协作伙伴。每个用户的发送过程分为两个阶段。 第一阶段用户各自向基站发送自己的信号,同时接收协作伙伴发送的信号。 第二阶段用户将接收到的协作伙伴的信号经
12、过处理后,向基站发送。这个阶段也并可以合并本用户的信号进行发送。如果参与协作的两个用户相距足够远。则可以认为它们到基站的上行信道是相互独立的,因而基站收到每个用户信号两个独立的副本,实现了发送分集。现有的移动通信网络面临着不断增长的用户需求,MIMO技术是解决通信容量问题的重要手段,但是由于移动终端的大小、功耗以及硬件设计等方面的限制,不适合支持多天线,协作通信技术通过将各个终端的天线作为虚拟的天线阵列,接收端可收到发送节点以及中继节点的转发信号,从而获得发送分集增益,有效提高系统的容量。协作通信系统中,中继节点的转发信号质量对于系统的最终性能有着重要影响,由于“差错传播(error prop
13、agation)”,中继节点处如果不进行信道编码,则中继节点处的错误比特到达接收端后,会使得协作通信带来的发送分集增益下降很多。LDPC码作为一种逼近Shannon限的高效信道编码方法,应用到协作通信系统中,可以有效改善差错传播带来的不利影响,提高系统的性能。基于LDPC码的协作通信系统可以有效提高系统容量,并能够有效降低功耗,满足了未来绿色无线通信的要求1。2 LDPC码的概论2.1 LDPC码的介绍对通信系统的需求是永无止境的,譬如希望通信系统更加廉价、更快速、更可靠、小型化、不但需要传输话音,还需要传输数据、图像等,它迫使许多研究者寻找某种方式来取得接近香农容量极限的可靠通信。在1948
14、年香农发表他的开创性论文之后,汉明、斯列宾和普兰奇等人在20世纪50年代初,根据香农的思想,给出了一系列“好”码和有效译码方法。20世纪60年代到70年代初是纠错码发展过程中非常活跃的时期。不仅提出了许多有效的编译码方法,如门限译码、迭代译码、软判决译码和卷积吗的维特比译码等,而且还注意到了纠错码的实用化问题,讨论了与实用有关的各种问题,如码的重量分布、译码错误概率和不可检错误概率的计算、信道的模型化等,所有这些问题的研究为纠错码的实用打下了坚实基础。此时以代数方法、特别是以有限域理论为基础的线性分组码理论已趋成熟。1962年,罗伯特哥拉格在他的博士论文中论述了基于低密度校验矩阵的纠错码,即L
15、DPC码。然而,他所作的工作由于客观条件的限制在很长的时间里被人遗忘。在1993年法国学者C. Berrou等人提出Turbo码的信道码方案,并展示了Turbo码作为并行级联的卷积码的优良性能。哥拉格在1962年提出的低密度奇偶校验码-LDPC码又重新被人们所重视。在这些码中,最受人们关注、理论比较成熟的无疑是Turbo码和LDPC码。事实上,现在广泛使用的Turbo码的编译码思想也正是利用了哥拉格构造的LDPC码的最初的构造设想,从某种角度看,Turbo码也是一种LDPC码。1996年,Mackay和Neal的研究使LDPC码的研究跨入了一个新的阶段。最近几年的研究表明,在非规则图上构造的基
16、于GF(2)域上的LDPC码性能要好于Turbo码。这种码是最佳码,并且在现有的技术条件下也是能够实际应用的。LDPC码正逐渐显现出它的优势。这在许多需要高可靠性的通信和数字存储系统中都有较为充分的体现2。现在,LDPC码是最有希望在广泛的信道范围取得香农容量的误差纠错技术。自从LDPC码重新被发现是接近香农容量的“好”码,关于LDPC码的设计、构造、译码、有效编码、性能分析和这些码在数字通信与存储系统中的应用就变成了研究焦点。2.2 LDPC码的表示 GF(2)域上的LDPC码C是一种(n,k)线性分组码,码长为n,信息序列长度为k,可以由其校验矩阵H唯一定义。H的维数是,每一行对应一个校验
17、方程,每一列对应码字的一位。每一行中非零元素的个数称为行重,每一列中非零元素的个数称为列重。方程(1.1)是一个的校验矩阵及其对应的校验方程,其中码字,满足3。 (1.1)LDPC码的名称来源于其校验矩阵是一个稀疏矩阵,即矩阵中非零元素的个数远远小于零元素的个数,或者矩阵的行重和列重与码长相比是很小的数。正是由于校验矩阵是低密度矩阵,才能够构造出具有低复杂度、高性能的LDPC码。如果校验矩阵H是满秩的,则,码率为。有时矩阵H的行不是线性无关的,此时H的秩小于m,即,码率。LDPCD码的线性时间编码:编码步骤分为两个部分,先得到线性时间编码所需要的参数(预编码),然后利用预编码得到的参数进行线性
18、时间编码。预编码的具体算法步骤为:(1)得到一个准下三角矩阵。(2)行变换(左乘一个矩阵)消去E后将H变换成矩阵;其中,。(3)对矩阵进行行变换变成一个行阶梯矩阵,确定该矩阵中线性无关的g个列向量,并记录这些列下标于IndV中;(4)将IndV指定的校验矩阵H的列和n - m + 1 到 n - m + g 列进行位置交换,得到新的校验矩阵;(5)由重新计算,可以验证一定可逆,然后求出;将参数、g(矩阵间隙)、送给LDPC码线性时间编码器。LDPC码的BP译码算法:BP 译码的基本思想是,在接收端比特节点首先得到传输序列每个比特的译码软信息,据此进行比特节点的译码,比特节点译码后的外信息,通过
19、节点间相连的边送到各自相应的校验节点,校验节点译码后,译码输出软信息再反馈给相应的比特节点,完成一次迭代;接下来,每个比特节点将自己的输入累加,根据这个累加值进行硬判决,N个比特节点的硬判决就得到了估计的码字信息序列V,如果校验矩阵满足,则译码器停止迭代输出该估计序列作为译码结果;否则进行下一次2.3 LDPC码的性能特点LDPC码之所以成为编码领域一个新的研究热点,是因为有它自身的特点存在。当初哥拉格在他的博士论文中提出两个创造性的观点。用简单的稀疏校验矩阵的随机置换和级联模拟随机码。在信息的先验概率和信道特性已知情况下的迭代译码算法。LDPC码正是应用了上述两种观点。奠定了噪声信道编码理论
20、基础的香农定理在理论上的证明是非构造的,他采用的信道编码是随机码,没有提出具体的编译码算法。曾经有人保守地认为,可构造的性能优良的好码是不存在的。他们还认为,虽然几乎所有的随机线性码都是好码,但可以构造出来的码有可能是坏码。然而,现代学术观点认为可译码的好码是可以构造出来的。LDPC码就是可以构造出来的。LDPC码几乎适用于所有的信道,它具有较大的灵活性,较强的纠错能力。LDPC码是一种线性分组码,描述简单,利用他们的基础简单性,可以生产出性能与Turbo码相差不大或者超过Turbo码的系统,而且,LDPC码较之Turbo码更易实现。LDPC码译码的复杂度很低,运算量不会因为码长增加而急剧增加
21、,对严格的理论分析具有可验证性。对于Turbo码,可以说是卷积码级联而成,分组变长时,复杂度不会是简单的线性增加。而LDPC码采用迭代译码算法,可以实现并操作,具有高速的译码能力。它的吞吐量大,从而改善系统的传输效率,并且便于硬件实现。由于其奇偶校验矩阵的稀疏性,译码复杂度与码长成线性关系,克服了分组码在长码长时所面临的巨大译码计算复杂度的问题,使长编码分组的应用成为可能,这种特性是Turbo码所不能比拟的。而且,由于校验矩阵的稀疏特性,在长的编码分组时,相距很远的信息比特参与统一校验,这使得连续的突变差错对译码的影响不大,编码本身就具有抗突发差错的特性,它的随机性不像Turbo码那样需要交织
22、器的引入,因此没有因交织器的存在而可能带来的时延。香农定理的证明基于以下三个基本条件:采用随机编译码方式分组码长度趋于无限采用最佳的最大似然译码法LDPC码与Turbo码一道成为性能接近香农极限的“好”码,正是全部利用了这三个条件。上面提到,Turbo码的随机性是通过编译码中的交织器来实现的,然而,Turbo码因采用交织器,就不可避免地需要较长的处理时间,从而限制了它在某些宽带传输领域的应用。而LDPC码的随机性则由LDPC码稀疏矩阵中非零的随机排列直接保证,因而,LDPC码比Turbo码更加灵活。2.4 LDPC码的应用举例LDPC码是一种具有很强纠错能力的信道编码,对它的研究将有很大的社会
23、价值。如今,它在2004年1月颁布的数字卫星电视新标准DVB-S2中得到很好的应用。DVB-S2标准具有其独立灵活的特点。覆盖了更重卫星应用,彻底打破了DVB-S标准中系统吞吐量的限制。在编码过程中,将LDPC码和BCH码级联,即将原始信息先转化成系统BCH码,再编为系统LDPC码,结合QPSK、8PSK、16APSK和32APSK四种调制方案,可以适应非常宽的卫星链路功率的要求,从信道容量来看,它和理论上的香农极限相差只有0.07dB,比DVB-S标准提高了3dB。有资料显示,与其他的几种编码方案,比如串行和并行Turbo码、乘积码相比,尽管它们之间性能差别很小,但是LDPC码的复杂度最低,
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- 通信工程 毕业设计 论文 基于 LDPC 编码 协作 通信 研究

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