MIMO极化编码协作系统的研究及半平行CA-SCL译码器FPGA实现

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:gcsjsb
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经过多年研究发展,信道编码中的传统低密度校验(Low-Density Parity Check,LDPC)码及Turbo码编码方式已日趋成熟,但误码性能并未能达到香农极限,而由C.E Shannon所提出的极化码,是唯一通过数学计算被证明能够获得香农极限的编码技术。因极化码的优异性能,近年来已备受学者关注及研究,并被选用5G标准编码方案,使极化码的应用价值更高,发展更为深远。论文主要对极化码的编译码性能及在编码协作多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系统中的性能进行研究分析,并设计出半平行循环冗余校验辅助(Cyclic Redundancy Check Aided,CA)的连续删除列表(Successive Cancellation List,SCL)译码器。具体研究内容及创新点如下:1)研究传统LDPC码和Turbo码的编译码技术,并在编译码运算复杂度及译码性能上与极化码作宏观比较,分析各自优缺点。通过二进制删除信道(Binary Eliminated Channel,BEC)信道及二进制对称信道(Binary Symmetric Channel,BSC)信道下的信道合并与拆分,研究产生极化码的信道极化现象及性质,并在加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道下进行运用转换。2)研究极化码的编码构造方式及生成矩阵迭代方法。而不同的信道挑选方法使极化码的码字构造方式不同,因此本文在讨论几种经典挑选方式的基础上,提出了将AWGN信道转为BSC信道,再对巴氏参数进行信道挑选的新方式。同时研究极化码SC类(SC,SCL,CA-SCL)译码算法,并由不同条件下的极化码译码性能MATLAB仿真分析可得,CA-SCL译码算法的性能最好。3)研究基于Plotkin结构的极化码编码构造方式,并提出该结构下极化码在编码协作系统和编码协作MIMO系统中的实现模型。介绍联合SC算法和联合CA-SCL译码算法,并推导计算两个系统的中断概率。研究三种经典的MIMO系统分集合并技术,并通过仿真分析各合并技术的分集增益。最后对极化码在瑞利块衰落信道下的传统点对点编码系统、编码协作系统和编码协作MIMO系统进行不同条件的译码仿真分析并比较,说明Plotkin结构极化码在编码协作MIMO系统的优秀性能。4)研究几种经典译码结构,并针对半平行SC译码结构提出了两种优化方案,使所设计的基于半平行译码结构的极化码CA-SCL译码器的系统时延及硬件资源占用率均较低,并在FPGA中实现。为了均衡硬件实现复杂度及译码器性能,采用最小和算法简化处理单元,对数似然比数据进行8比特量化,路径度量值进行12比特量化。并提出译码器整体顶层框架,分析各模块实现功能及特点。最后使用ModelSim进行功能仿真,验证译码器正确性。本次设计采用200MHz的系统时钟频率,使译码器吞吐率达到22.76Mbps,硬件资源占用率仅为6%。
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