有限长区域中的空间耦合多元Rateless码研究

This project, which is mainly physical layer adaptive transmission oriented, studies the performance and optimization design of spatially coupled rateless codes in the finite length regime. By integrated applying non-binary coding, spatially coupled and rateless coding techniques, adopting the method of combining density evolution and maximum likelihood (ML) decoding performance analysis, we construct the universal-like channel codes which can achieve Shannon capacity in BEC, AWGN and fading channels, and have a low decoding complexity. It can provide technical support for the future high spectral- and energy-efficiency broadband wireless communication. The research topics include: the optimization design and maximum likelihood (ML) decoding performance analysis of the spatial-coupled binary rateless codes with finite information lengths; the fundamental performance limites of non-binary codes over the erasure channel in the finite regime; design, construction and performance analysis of the spatial-coupled non-binary rateless codes, and the low-complexity decoding algorithms; the research on the high spectral-efficiency application oriented coupled rateless coded modulation systems.

本项目主要面向物理层自适应传输，深入研究在有限码长、有限错误概率与译码时延受限的条件下，空间耦合Rateless码的性能与优化设计。通过综合应用非二元编码、空间耦合与Rateless技术，采用密度进化与最大似然（ML）译码性能分析相结合的方法，构造在符号删除/错误信道、AWGN信道与衰落信道上逼近有限长容量限且译码复杂度低的类普适（universal-like）信道码，为未来高谱效高能效的宽带无线通信提供技术支撑。主要研究内容包括：有限信息长度下二元空间耦合Rateless 码的优化设计与ML译码性能分析；有限长区域中多元符号删除/错误信道的基本性能限分析；空间耦合多元Rateless码的设计、构造与性能分析，以及低复杂度译码算法；面向高谱效应用的空间耦合 Rateless编码调制系统研究。

面向自适应传输，研究如何在有限码长、有限错误概率和译码时延受限的条件下根据信道条件选择最佳的编码方案或优化设计新的普适信道码具有重要的意义，而空间耦合Rateless码为此提供了一个新的研究途径。本项目将非二元编码、空间耦合和Rateless技术相结合，深入研究了空间耦合Rateless码的性能与优化设计。. 具体地说，本项目系统研究了噪声信道上空间耦合Rateless码的构造、优化以及低复杂度译码问题。采用叠加编码和同构理论等代数方法，提出了几种高性能多元LDPC码的构造方法；在此基础上，提出了预编码的Kite码（一种物理层Rateless码）以及一类新的多元速率兼容LDPC码--多元Kite码的构造方法，仿真结果表明多元Kite码比二元Kite码具有更好的性能；另外，多元Kite码在喷泉通信的场景下，在所有码率范围内和有限长机制下，其平均可达速率逼近容量限。在译码算法方面，针对多元LDPC短码，提出了基于列表译码的BP-LED两阶段译码算法，获得了接近最大似然译码的性能；还提出了基于可靠度的迭代联合检测译码算法，极大地降低了多元LDPC编码调制系统的译码复杂度。. 我们还深入研究了一类空间耦合卷积码及其滑窗译码算法。详细给出了滑窗译码机制和原理，并且研究了性能与译码复杂度之间的权衡策略。另外，我们通过打孔技术获得了速率兼容的空间耦合卷积码。仿真结果表明，在滑窗译码机制下，可以获得逼近容量限的性能，并且没有出现错误平层。我们还提出了基于多元LDPC码和乘性重复的多元分组马尔科夫叠加传输（BMST）编码方法，与滑窗译码算法相结合可以用于面向连续流的低时延通信。.在面向高谱效传输方面，基于前面构造的多元码，我们提出了多元LDPC编码空间调制系统，提出了两种基于Ungerboeck观测模型的检测简化算法来实现对超奈奎斯特信号进行低复杂度的检测。我们还将几何成形和概率成形相结合，提出了一种简单的新型星座成形技术，并将它推广到使用多天线的空间调制系统，从而允许使用任意发送天线数。