高可靠低时延喷泉码的分阶统计译码器研究

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超高可靠低时延通信(Ultra-Reliable Low Latency Communication,URLLC)主要面向第五代(5G)移动通信网络中具有超高可靠性需求和极低处理时延的新型业务,如工厂自动化和自动驾驶等。URLLC要求低至 10-510-9的误块率(Block Error Rate,BLER),同时要求端到端延迟小于1ms。对应于物理层等价于需要高可靠、低复杂度的短码长信道编码。然而,现有的URLLC编码候选方案已能在最大似然(Maximum Likelihood,ML)译码下逼近短码长性能界,但大多具有码率固定、编译码复杂度高的特点,而且固定速率编码方案在无线时变信道下的译码失败将导致重传,无法满足URLLC的时延需求。因此,如何设计码率灵活的低复杂度编译码方案仍是巨大的挑战。由此可见,URLLC需要的灵活性高、可靠性高和译码复杂度低的“无速率”编译码方案,因为无速率码可以自适应信道状态传输,避免重传引起的时延开销。另一方面,无速率码包含的系统Raptor码和高进制系统Raptor Q码已是多媒体广播多播业务的标准,并且Raptor码可以在删除信道下实现接近香农极限的性能,而在无线信道中受限于没有高性能的译码器。本文面向URLLC需求,联合能够逼近删除信道容量的有限长高进制Raptor码(Non-binary Raptor Code,NBRC),以及能在短码长下逼近MLD译码性能的分阶统计译码器(Ordered Statistic Decoder,OSD)设计了一种能够避免重传的编译码传输方案,具体研究内容如下:研究NBRC的四种码字构造方法,分析了采用OSD译码的可行性。对比现有的几种URLLC候选编码方案在OSD下的性能,证明采用OSD的有限长NBRC能到达URLLC的可靠性需求。基于此,首先考虑基于OSD译码的有限长NBRC传输方案的接收端可以根据实时信道条件决定所需的接收译码包数量,以保证单次传输时可以达到特定BLER,提出了预测接收符号数量的快速反馈机制。推导了OSD译码的有限长NBRC在加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道的BLER上界并仿真验证。利用预期BLER的值计算所需接收译码包数量。同时面向NBRC的结构特性设计了改进OSD(Modified OSD,m OSD)的译码算法流程,仿真证明在信噪比为4 d B时BLER降到了10-5以下,有限长NBRC能逼近短码长性能界,并分析了低信噪比下所需的译码阶数l。在上述工作的基础上,为进一步降低OSD的译码复杂度,设计了一种自适应OSD(Self-Adaptive OSD,S-OSD)译码算法流程。结合BLER上界推导给出S-OSD算法中关键的步骤简化策略,包括最可靠基的分段策略和相应测试错误图样的生成方法,测试错误图样的丢弃准则和译码提前停止的判决准则等。仿真结果证明S-OSD算法的性能与设计的m OSD性能相近,而复杂度降低了接近50%。
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