比特交织编码调制(BICM)系统的性能分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 研究目的及意义

1974年masseyg根据shannon信息论最早证明了若将编码与调制作为一个整体进行最佳设计可以大大地改善系统性能。1982年ungerboeck提出了著名的网格编码调制（tcm）技术。tcm技术的提出被公认为是自shannon提出信息论以来通信领域的一个里程碑。但tcm在衰落信道的性能并不理想。比特交织编码调制（bicm）技术通过在编码器和调制器之间插入比特交织器提高了系统在衰落信道下的分集度并增强了系统设计的灵活性。近年来，bicm由于频谱利用率高、在衰落信道中性能优异等优点逐渐作为当今通信系统中的主流技术，如etsi制定的dvb-t、dab和drm；3gpp制定的wcdma的增强版本hspa及其演进版本lte；ieee制定的802.11和802.16等系列标准。为了减小由于编码器和调制器级联后的性能损失，bicm的解调器通过软解调为译码器提供每个比特的度量值。虽然根据最大似然(ml)准则得出的比特度量值具有最优的系统性能，但在高阶调制中，ml比特度量值的计算非常复杂。因此max-log是最常用的比特度量值计算方法。为了适应自适应调制的需求并简化高阶调制时的计算复杂度，本论文的主要工作为对各种调制方式下的比特度量值的近似计算进行研究。在无限长交织器假设下，本文首先给出了bicm系统传统的独立并行子信道模型，并分析了信道容量、截止速率和误码率性能限。针对实际应用中有限长交织器的情况，引入了非匹配译码模型及其广义互信息(gmi)分析方法。在此基础上，本文证明了gmi的凸函数性质，系统地给出了bicm系统的gmi计算方法，得到了在非匹配译码模型中性能的上限，为比较现有的各种bicm系统性能提供了依据。本文针对格雷标号方式下的psk调制，提出一种低复杂度的比特度量计算方法。本文首先用三角函数给出格雷码各个比特的取值表达式，在此基础上推导出各个比特度量值之间的递推关系，利用递推可将所有比特统一转换为最高比特的度量值来计算，然后本文再给出最高比特度量值的计算方法。由于相邻比特间的递推关系与调制阶数无关，因此该方法不受调制阶数的影响，可用于自适应调制系统，且在高阶调制下具有很小的计算复杂度。本文以广义互信息和系统误码率为衡量指标，表明该简化方法在awgn信道和衰落信道中的性能损失很小。编码调制是近20年来编码界的一大热点,它的出现是以g.ungerboeck在1982年提出网格编码调制(tcm)理论为标志。它可以在带宽和功率受限的信道中,不降低有效传输速率的前提下进行有效编码。可以证明,tcm在加性高斯白噪声(awgn)信道下是最优的,但是在衰落信道中其性能会严重恶化。解决这一问题有效方法之一是利用交织技术与编码调制相结合,以此获得在衰落信道下性能的提高。本文研究的就是一种加入比特级交织的编码调制系统——比特交织编码调制(bicm),及引入反馈迭代译码的比特交织编码调制(bicm-id),并分析它们在不同信道条件下的性能。本文首先介绍bicm系统和bicm-id系统的基本原理,及与其相关的关键技术。重点介绍了一种结合编码调制技术引入的2-fsk/4-psk数字调制原理,其可将映射信号空间扩展到四维空间,并将此调制引入bicm系统,提出一种基于2-fsk/4-psk调制的bicm改进系统,并从awgn信道和衰落信道两方面分析影响bicm系统的主要因素,研究改进系统的优势。

1.2 国内外研究现状

2. 研究的基本内容与方案

BICM-ID是由编码器、比特交织器、调制器串行级联而成，接收端把译码器输出的软信息反馈回解调器作为先验信息进行迭代处理，BICM-ID是一种结构灵活、高效的数据传输系统，具有广泛的应用前景。比特交织器和迭代译码BICM-ID系统具有卓越性能的关键因素，并且由于比特交织器的存在，编码器调制器对系统性能的影响互相独立，因而可以分别进行优化设计而互不影响。本文围绕BICM-ID系统设计和性能优化，重点研究BICM-ID接收机性能与迭代译码算法的关系，研究交织器的设计和调制器星座图符号映射方式的设计对系统性能的影响，提出一些改进算法以进一步提高系统性能。迭代译码算法是本文的一个重要研究内容，用于迭代译码的软输入软输出算法主要有两类，APP类算法和改进Viterbi算法，论文重点研究APP译码算法，分析Log-APP算法及各种简化算法并比较它们在BICM-ID系统中的实现复杂度，利用EXIT图分析上述译码算法的迭代收敛性。要实现基于最大后验概率准则的迭代译码接收端需要知道信道状态信息，信道参数估计是实际接收机系统的一个重要研究课题，本文研究了信噪比(SNR)估计误差对译码算法性能影响，研究表明Max-log-APP算法对SNR估计误差最不敏感，其他算法的性能在SNR过估计时的鲁棒性比SNR欠估计时好，SNR过估计时随着估计误差的增加其性能收敛到Max-log-APP算法的性能。根据自适应系统原理结合本文对BICM-ID系统迭代译码算法的研究结论，提出BICM-ID动态算法迭代接收方案，该方案能保证系统获得较好的译码性能同时降低系统的复杂度。交织器的设计是影响BICM-ID系统性能的关键因素，与通常所采用的伪随机交织器不同，本文探讨了黄金分割交织器和混沌交织器在BICM-ID系统中的应用，仿真表明在加性高斯白噪声(AWGN)信道和Rayleigh衰落信道中当信噪比高于一定值时，黄金分割交织器的性能比伪随机交织器的性能要好，但在信噪比较低时其性能不如伪随机交织器的性能。本文以Logistic映射为基础研究混沌在交织器设计中的应用，提出了基于混沌的交织设计方案，其性能明显好于伪随机交织器的性能并且具有更低的处理时延；把混沌信号引入到黄金分割交织器的设计中得到改进的黄金分割交织算法，仿真表明改进的黄金分割交织器比黄金分割交织器有明显的性能改善，并克服了黄金分割交织器在低信噪比时性能不如伪随机交织器的缺点。本文的另一个研究重点是BICM-ID系统星座符号的映射图样设计。BICM-ID系统性能依赖星座符号映射的设计，由于BICM-ID系统的接收端采用了迭代译码，译码器的纠错能力和充分的交织能大大降低同一符号内出现连续错误的概率，BICM的最佳符号映射设计准则不再适合BICM-ID。根据最小平方欧氏距离的调和均值d2h(μ)最大准则提出了一种新的最佳映射搜寻算法，系统仿真和EXIT图分析表明新的映射方案比基于其他设计准则得到的映射方案的性能要好，是BICM-ID系统的最佳映射。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需理论基础。确定方案，完成开题报告。

第4－5周：熟悉掌握基本理论，完成英文资料的翻译，熟悉开发环境。

第6－9周：编程实现各算法，并进行仿真调试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]崔林.比特交织编码调制的研究.学位论文.2014(2)

[2]赵振华.比特交织编码调制迭代译码技术研究.学位论文.2012(6)

[3]杨薇.多输入多输出的比特交织编码调制技术.2011(5)