面向5G 的Polar码增强技术研究

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多样化的移动业务深刻影响了现代人的生活和工作方式。不断增加的业务需求,对移动网络提出了更高的有效性和可靠性要求。第五代移动通信(TheFifthGenerationMobileCommunication,5G)系统针对不同的应用场景,在峰值速率、用户体验速率、设备连接数及连接密度、可靠性、时延等指标方面进行了规划和要求。5G增强(5G-Advanced,5G )网络是5G向第六代移动通信(TheSixthGenerationMobileCommunication,6G)演进的必经之路。5G 将进一步完善应用场景和技术,在提升传输速率的基础上拓展适用空间。信道编码作为无线通信物理层核心技术之一,其性能的改进将直接影响传输速率和网络覆盖等方面。极化码(PolarCode)在理论上是容量可达的,在短数据包传输方面表现突出,已经纳入5G标准。在5G 的研究中,需要继承5G-Polar码的研究成果进一步探索性能提升的途径。系统码更容易与其他技术组合,达到提升系统性能的目的。甚至,诸如概率成形和信息耦合等技术只能和系统码组合运用。5G-Polar码是非系统码,包含三种不同的编码结构,根据信道和码长条件选择具体的编码结构。每种结构的码字在可靠性和复杂度方面各具优势。传统的系统Polar编码方法不适用于5G-Polar码,限制了5G-Polar码的研究成果在这一方面的运用。非正交多址接入(Non-OrthogonalMultipleAccess,NOMA)可以有效提升系统的接入能力,可以满足5G 系统在高频谱效率、大连接等方面的需求。在NOMA系统中引入Polar码可以提升系统的可靠性,有助于实现预期的系统性能目标。Polar码与NOMA技术的组合优化是一个重要的研究方向,如何设计低复杂度的接收算法是其中一个关键问题。信息耦合技术通过优化编码结构达到增强码字性能的目的,应用于Polar码可以满足系统对更高可靠性的需求。部分信息耦合(PartiallyInformation-Coupled,PIC)Polar码的研究还处于探索阶段,现有的PIC-Polar码在可靠性和复杂度方面都有待进一步改善。针对以上问题,本文面向5G 系统对高可靠和大连接的需求研究了Polar码的增强技术。主要研究工作和创新点如下:第一,针对传统系统Polar编码方法不适用于5G-Polar码的问题,本文提出了系统5G-Polar码的设计原则和实现方法。基于5G-Polar码的结构特征,提出并证明了Polar码由非系统形式向系统形式转换的设计原则。根据不同结构的Polar码在辅助比特的类型、位置和功能等方面的差异性,设计了具体的系统Polar编码方法和辅助比特的位置选择方案。仿真表明,相比于5G标准中的非系统结构,提出的系统5G-Polar码在误块率方面没有性能损失且取得了更低的误码率,满足系统Polar码的基本性能特征,设计方案是有效的。所提系统Polar编码方案更充分的利用了5G标准在Polar码优化方面取得的成果,把不同结构的非系统Polar码在可靠性和复杂度方面的优势运用到系统Polar码中,有利于Polar码与其他先进技术组合,进而达到系统的预期性能目标。第二,针对Polar编码的NOMA系统接收算法复杂度较高的问题,本文基于稀疏码多址(SparseCodeMultipleAccess,SCMA)系统,提出了低复杂度的CRC辅助的联合迭代检测与SCL译码(CRCAidedJointIterativeDetectionandSCLDecoding,CAJIDS)接收机。研究了硬输出的串行抵消列表(SuccessiveCancellationList,SCL)译码算法的外信息重构方法,解决了SCL算法在迭代接收机中的应用问题。基于SCMA与Polar码的联合因子图,将消息传递算法检测器与SCL译码器相组合,设计了基础的联合迭代检测与SCL译码(BasicJointIterativeDetectionandSCLDecoding,BJIDS)接收机。相比于传统的迭代检测与译码接收机,BJIDS接收机在复杂度相同的条件下取得了0.82dB(误块率为10-3)的性能增益。为了降低BJIDS接收机的复杂度,基于分布式CRC校验和可变列表宽度的思想,设计了CAJIDS接收机。CAJIDS接收机将译码可靠性和复杂度相关联,根据CRC校验结果动态调整SCL译码器在下一轮迭代的列表宽度,使得复杂度随信噪比的增高而降低。推导了接收机的译码复杂度和时延的近似公式。在加性高斯白噪声(AdditiveWhiteGaussianNoise,AWGN)和瑞利信道下,通过仿真分析优化了低复杂度接收机的译码列表宽度。相比于BJIDS接收机,CAJIDS接收机降低了约60%(瑞利信道,误块率为10-3)的复杂度,但没有性能损失。相比于文献中的联合迭代检测与译码接收机(JointIterativeDetectionandDecoding,JIDD)接收机,CAJIDS接收机在瑞利信道下取得了大于0.8dB(误块率为10-3)的性能增益。解决了基于JIDD接收机的SCMA系统在低码率条件下性能比基于LDPC码的SCMA系统差的问题。第三,针对PIC-Polar码在可靠性和复杂度方面的优化问题,结合奇偶校验和分布式CRC校验设计了一种新的PIC-Polar码。基于系统Polar码的设计原则和5G-Polar码的特征,提出了系统形式的奇偶校验与分布式CRC校验联合辅助的Polar(JointParityCheckandDistributedCRCAidedPolarCodes,PCDCA-Polar)码,优化了PIC-Polar码的基础结构。该方法通过奇偶校验和分布式CRC校验分别达到增强码字的可靠性和降低错误码字译码复杂度的目的。设计了信息耦合规则,结合辅助比特的差异性设计了耦合位置的选择方案。然后,基于前馈-反馈机制和基础码特征,设计了PIC-PCDCA-Polar码的译码方法,并进行了错误概率的理论分析。相比于原始的PIC-Polar码,提出的方案在短码长条件下取得了约0.3dB的增益。在各码率条件下,所提方案也不同程度地降低了复杂度,当码长为200且码率为1/2时计算复杂度节约率最高可达16%。以SCMA系统为应用环境,基于可变列表宽度和提前终止迭代的思想设计了针对PIC-PCDCA-Polar码的接收机。基于外信息的传输特性优化了PIC-PCDCA-Polar码的可靠性序列和耦合参数。相比于不耦合的Polar码,PIC-PCDCA-Polar码提升了SCMA系统的可靠性,在瑞利信道下取得了大于0.4dB的增益。
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