【摘 要】
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为了突破当前通信系统的速率瓶颈,达到超高速数据传输的要求,毫米波频段的应用受到了国内外学者的广泛关注。毫米波因为其超高频特性,有利于提高传输速率;但同时也因为其超短波长,使信号在传输过程中易受突发干扰,导致信息传送失败。针对毫米波通信易受突发干扰的问题,第五代移动通信(5th-Generation,5G)系统采用两类解决方案:一是设计合适的大规模多输入多输出(Massive Multiple In
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为了突破当前通信系统的速率瓶颈,达到超高速数据传输的要求,毫米波频段的应用受到了国内外学者的广泛关注。毫米波因为其超高频特性,有利于提高传输速率;但同时也因为其超短波长,使信号在传输过程中易受突发干扰,导致信息传送失败。针对毫米波通信易受突发干扰的问题,第五代移动通信(5th-Generation,5G)系统采用两类解决方案:一是设计合适的大规模多输入多输出(Massive Multiple Input Multiple Output,Massive MIMO)技术,包括预编码技术和波束赋形技术;二是信道编码技术,5G标准规定,数据传输采用在物理层进行低密度奇偶校验(Low Density Parity Check,LDPC)码配合错误包重传的方案。但数据重传不仅导致时延极大增加,并且相关的控制信令信息极大增加了系统开销。因此,设计对抗突发干扰的信道编码是未来移动通信系统中亟待解决的关键性技术问题。本文针对存在突发干扰的场景进行了信道建模,给出了非规则重复累积(Irregular Repeat Accumulate,IRA)码的理论分析工具及算法,并基于这些算法设计了最佳度分布下的随机交织IRA码。此外,对突发干扰场景下的置信传播(Belief Propagation,BP)译码算法进行了优化,在译码过程中尽可能的发挥信道状态信息(Channel State Information,CSI)的作用,从而获得了更接近信道容量的优异性能。论文主要研究工作如下:首先,将突发干扰场景建模为两状态马尔可夫信道,提出一种GE-AWGN(Gilbert Elliott-Additive White Gaussian Noise)信道模型,通过调整相关的参数可以模拟发生不同程度突发干扰的实际场景。接着,推导了在GE-AWGN信道下的迭代码设计辅助工具——外信息转移(Extrinsic Information Transfer,EXIT)图及相关理论。具体地,包括推导GE-AWGN信道下的EXIT函数,并利用推出的EXIT相关理论给出求IRA码译码门限的算法。然后,利用差分进化算法(Differential Evolution,DE)对IRA码的度分布进行全局优化,得到给定码率下IRA码的最佳度分布。仿真结果表明,选择性的降低优化矢量维度可以有效提升DE算法的收敛速度。至此,GE-AWGN信道下设计IRA码所需的工具和理论已推导完成。基于此,在给定码率和最佳度分布的条件下,结合IRA码的码结构,通过随机交织方法构造出了满足最佳度分布要求的校验矩阵。然后,设计了GE-AWGN信道下IRA码的BP译码算法。接着,使用GE-AWGN信道下的EXIT算法计算IRA码的BP译码门限。计算结果表明,构造的IRA码的译码门限接近该信道的信道容量,具有较好的性能。误比特率(Bit Error Rate,BER)仿真结果表明,在不同的信道参数和码率下,构造的IRA码具有接近信道译码门限的性能。此外,在相同的编码参数和GE-AWGN信道参数下,对5G标准化提出的LDPC码和本文设计的IRA码进行横向比较,发现本文设计的IRA码在不同码长下的BER性能均优于5G LDPC码。最后,为了进一步提升译码性能,在译码过程中引入了CSI,使用信道和编码的组合因子图来指导迭代译码的消息更新过程,从而对GE-AWGN信道下的BP译码算法进行了有效改进。仿真结果表明,优化后的BP译码算法具有更优的译码性能。
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