空间耦合多元Turbo-like码的设计、优化、性能分析及应用研究

This project is oriented towards the application scenarios with high reliability, low latency, high spectral efficiency, and massive access, such as the streaming data, the memory system, fiber-optical communications, and so on. The construction, optimization, performance analysis, and the decoding with the limited decoding latency of spatially coupled nonbinary turbo-like codes (or termed as nonbinary braided convolutional codes) are studied. By means of the maximum likelihood (ML) decoding performance analysis and the density evolution analysis, we calculate the performance bound of the spatially coupled nonbinary turbo-like code with window decoding. With the idea of spatial coupling, we propose the high spectral-efficiency transmission scheme with the spatially coupled nonbinary turbo-like codes and the spatially coupled SCMA system. We analyze their asymptotic performance and optimize them using EXIT (Extrinsic Information Transfer) Chart. It can provide the technical support to the future mobile internet, high-speed fiber-optical communications, and so on. The research topics include: design，optimization, and performance analysis of spatially coupled nonbinary turbo-like codes; the low-latency and low-complexity decoding algorithms; design and performance analysis of the high spectral-efficiency transmission scheme with the spatially coupled nonbinary turbo-like code over noisy channels; research on the spatially coupled SCMA system.

本项目主要面向流媒体、存储系统或光纤通信等低时延高可靠、高谱效、以及海量接入的应用场景，深入研究空间耦合多元Turbo-like码（或称为多元编织卷积码）的构造、优化、性能分析和在译码延迟受限的条件下的译码性能，借助于最大似然性能分析与密度进化分析工具，探索空间耦合码在滑窗译码机制下的性能界。通过结合空间耦合思想，借助于EXIT Chart等性能分析工具对其渐进性能分析和优化设计，提出空间耦合码的高谱效传输方案和空间耦合稀疏码多址接入技术（SCMA）方案，为未来的移动互联网和高速光纤通信等应用提供技术支撑。主要研究内容包括：空间耦合多元Turbo-like码的设计、构造以及性能分析；空间耦合多元Turbo-like码的低延迟和低复杂度译码算法研究；噪声信道上空间耦合码的高谱效传输方案的设计和性能分析；以及空间耦合非正交多址接入技术研究。

面向流媒体、存储系统或光纤通信等低时延高可靠应用场景，研究如何在保证低时延、高可靠以及高吞吐率的条件下构造一类具有好的译码门限和低的错误平层，且具有普适性的好码具有重要的实用价值，空间耦合技术被认为是一种可以改进误码性能的有效手段。那么，在保证好的瀑布区和错误平层性能的前提下，如何设计一类低复杂、低时延、逼近容量限的空间耦合码就成为一个十分重要的研究课题。本项目将空间耦合、Turbo-like码、和SCMA技术相结合，深入研究空间耦合Turbo-like码的性能与优化设计。. 首先，我们研究了空间耦合Turbo-like码的设计、构造、性能分析以及低复杂度译码算法：提出了基于迭代BCJR 译码的低延迟滑窗译码算法，并基于此译码算法做了复杂度分析和密度进化分析。并且，提出了不同的译码策略和译码停止准则以更好的权衡译码复杂度和性能。再者，我们采用了周期打孔的方式获得了速率适配braided 卷积码。其次，我们研究了空间耦合Turbo-like码以及空间耦合LDPC码在滑窗译码机制下的错误传播问题。对于帧长很大或流媒体应用场景下，偶尔出现但是非常致命的译码器的错误传播问题大大影响了空间耦合码纠错性能。因为，一旦一个分量码出现译码错误，那么接下来的所有分量码都会出现译码错误。我们研究了错误传播问题出现的原因，并且针对空间耦合Turbo-like码提出扩展窗口算法，同步机制以及重传机制来抑制错误传播问题；针对空间耦合LDPC码，提出一种校验节点参杂的空间耦合LDPC码，通过将低度数的校验节点引入到空间耦合链上，从而帮助译码器从错误传播状态上恢复回来。并对译码器建模，通过理论分析预测译码器的BLER性能，从而可以指导如何抑制错误传播问题。再者，研究了SCMA系统的IR-HARQ传输机制技术，采用了递增冗余译码和多用户检测的联合迭代策略，提出了联合迭代检测递增冗余HARQ机制；为进一步提高staircase 码的译码性能，提出了一种基于Chase-Pyndiah 算法的软判决译码算法，并比较了软硬判决算法的复杂度及性能差异。最后基于基模图方法构造了全局耦合LDPC码，并在高斯删除信道上进行了性能分析。