面向5G的Polar码编解码技术研究.pdf

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5G的业务特性及能力要求为新空口(new radio,NR)设计更加高效的新型信道编码方案,极化码(Polar码)因具备优异的性能已被确定为5G增强移动宽带(ellllanced mobile broa曲and,eMBB)场景控制信道的编码方案。在对5G及Polar码进行概述的基础上,详细阐述面向5G NR的Polar码标准化工作主要研究内容,包括码构建、序列设计、速率匹配及信道交织等。继而针对第三代合作伙伴计划(3rd GenerationPanIlership Pr01ject,3GPP)各成员机构在无线接入网层一(Radio Access Net、vork Layerl,RANl)标准化工作组提出的Polar码编码方案进行分析和对比,并在此基础上对Polar码标准化相关研究进展进行总结。
Classified Index: tN91122 U.DC:621.3 a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the academic degree of Master of Engineering ENCODING AND DECODING TECHNOLOGY OF POLAR CODES TOWARDS SG APPLICATIONS Candidate Gao Xiang Supervisor: Associate prof wu shaohua Academic Degree Applied for: Master of Engineering speciality Information and communication Engineering Affiliation Shenzhen graduate School Date of Defense December. 2017 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 摘要 互联网技术于近年有了长足发展,涌现出的海量信息数据向现有通讯系统提 出了更高要求。第五代移动通信体系(The5 th Generation mobile Communication, 5G)作为当前硏究热点,着力解决数捃的超高速、超可靠、低时延传输问趣。这 些问颕对无线通信物理层的核心模块——信道编码,提出了更难淸足的需求。近 年提岀的 Polar码源起于信道极化现象,是当下唯一可达香农极限传输的信道编码 方式。经过学术界、产业界的共同全力推动,近几年 Polar码的研究取得了丰富的 成果累积。2016年11月,3GPP决定将eMBB场景下控制信道的短码标准定为 Polar 码。尽管如此, Polar码在匹配5G实际应用场景的传输需求吋仍有诸多不足:点 对点传输方面, Polar码虽然无需随机编码或迭代译码,但唯有码长足够长时才能 使信道充分极化,故单纯的 Polar短码纠错能力和抗衰落能力较差;终通信的中 继传输方面,编码协作结合 Polar码能够为多用户信息传输带来分集増益和编码纠 错增益,但针对可变协作程度,当前研究缺乏髙性能的分码字构造方案;网络通 信的多址接入传输方面,出于MAC( Multi- Access Channel)在传输时是多个用户 分享同一时段或频段进行信息传送,面向多址接入信道的 Polar低复杂度传输方案 亟待设计。 针对以上问题,本文从三个方面对面向5G应用的 Polar码进行了深入研究: 单链路方面,研究了如何改善 Polar短码性能。为了改善 Polar短码误码率高, 抗哀落能力差的劣势,首先选取纠突发错误能力强的Red- Solomon(RS)码设计 了多段RS码保扩下的级联 Polar码方案。其次针对每个子信道错误概率不服从均 匀分布的特点,引入了基于蒙特卡罗仿真佔计的码率分配举措,再配合RS码和 Polar码各自的编码特点引入」帧内、外交织,最终结合接续消除列表( Successive Cancellation list,SCL)算法与RS译码算法设计了联合译码器。仿真结果表明,该 级联方案改善了纯 Polar短码在瑞利快衰落信道下的性能表现 中继通讯场景方面,针对怎样改善Polαr码编码协作性能开展硏究。在中继信 道下,目前有关 Polar码编码协作的研究较为缺乏,且仅在协作程度为50%时有较 好的性能增益。为了设计在仼意编码协作程度均有较好性能的分码字构造方案, 本文首先针对极化子信道容量与 Polar码自身码重的特征,提出了高效的凿孔算法 设计原则。在低复杂度的前提下,还配合回溯算法对凿孔后的编码信息位联合优 化,降低了凿孔带来的性能损失。随后,利用该分码字构造方案产生分码字,并 在译码端部署迭代次数可灵活调节的软消除( Soft cancellation,SCAN)译码器, 配合周期冗余校验( Cyclical Redundancy Check,CRC)实现了诚少多余译码延迟的 且性能更佳的 Polar编码协作方案 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 最后,对多址接入信道的极化与 Polar编解码方案展开研究。多址接入信道方 面,直接应用码率分割译码或采用传统的信道极化方式所设计出的编译码方案无 法达到容量域优势面上的仼意点。为实现可达优势面上任意点的低复杂度 Polar编 译码方案,木文以两用户多址接入信道为例,首先使用互信息单调链式展开法贝 证明了信道容量域优势面上任意码率对的可达性,接着延续该思路证实了该信道 冋样存在极化现象,类比单用户 Polar详码时的似然概率递归计算方式,给出多址 接入信道下的递归求解公式,凭借递归形式实现了适用于多址接入信道的接续消 除( Successive cancellation,SC)译码算法。最后,将 MAC-SC向SCL算法拓展, 实现了适用MAC的SCL算法。上述编译码方案不仅继承了单用户情景下的复杂 度,仿真证明采用该方案可达到优势面上的任意码率对 关键词:5G; Polar码;级联;凿孔;多址接入信道 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 Abstract With the rapid development of the internet, existing communication technical framework is challenged by the massive data stream. As a popular research topic, the 5th generation mobile communication system (5G) is mainly focusing on solving the ultra-high speed, ultra-reliable and low-lantency transmission problems. These problems put forward more requirements for channel coding, which is the core component of the physical layer of wireless communication. Derived from channel polarization phenomenon, Polar codes are the only family of codes which can theoretically achieve Shannon limits. Due to the fruitful results created by academia and industry 3GPP standardize polar codes for control channel in 5g eMBB scenario. However. there are still some noticeable bottlenecks for the practical applications of Polar codes. Although ong Polar codes can reach the Shannon limit without random encoding, short Polar codes have poor error correction capacity because of insufficient polarization. As to the relay network communication scenario, Polar coded cooperation can bring diversity gains and error correction gains simoutaineously. But until now, there are few studies on sub-codewords design for variable cooperation level. For the multiple access transmission of nctwork communication, MaC ( Multiple access channel)shares samc time interval or frequency interval to send multiple users'information. Spccific plans of Polar coding decoding under mac should be studicd urgently Aiming to the above questions whole rescarch is composed of three aspects For the single link transmission, methods to improve the performance of short Polar codes are studied. To compensate the poor error performance of short Polar codes RS codes are chosen to develop a multi-RS codes concatenation scheme of polar codes Specifically, the code rate of every rs frame is adaptively allocated based on the error pattern estimated by Monte-Carlo algorithm. After using the frame intra-frame interleaver, the performance of short Polar codes under fading channels is well improved with the help of SCL-based (Successive Cancellation List decoder ) joint decoder. Simulation results show that the concatenation scheme enhances the short Polar codes performance under fast fading channels On the aspect of relay channel, the research of improving the performance of polar coded cooperation is conducted Under the relay channel communication scenario, few esearches about Polar coded cooperation have been studied, high performance can be obtained only at 50%o cooperation level. Based on the polarization channel capacity and the feature of Polar codes' minimum hamming weight, a low-complexity puncture algorithm is proposed. With the help of information refreezing algorithm, nice performance can be reached under any cooperation level(puncture number). In addition a soft cancellation decoder (sCan) based scheme can reduce the redundant decoding 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 delay by cyclical redundancy check(CRC) results generated by the cooperative user At last, the polarization phenomenon of multiple access channel and the corresponding coding decoding techniques are well studied. On the aspect of multiple access channel (MAC), few points on the dominant face of MAC rate region can be reached using the rate splitting decoding or original channel polarization. Taking two-user MAC as an example, the monotone chain rules expansion is deployed to realize practical Polar transmission schemes of maC that can achieve all points on the dominant face. After the polarization phenomenon of MAc is proved, recursive calculation formulas of single user can be extended to MAC. So, sc scl can be extended to MAC as well. The above Polar coding scheme of MAc inherits the complexity of single user coding scheme, simulation results show that Mac-SC and MAC-SCL can achieve any points on the dominant face of rate region Keywords: 5G, Polar codes, concatenation, puncture, multiple access channel 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 目录 摘要 ·。音·看番看·看看垂 Abstract 第1章绪论…….……………1 1.1课题研究背景与意义… 12国内外研究现状及分析 1.2.1 Polar码的编详码研究现状 122 Polar码级联的研究现状 12.3 Polar码应用于网络通信场景的研究现状. 1.3现阶段研究存在的问题与不足 番垂音 14本文研究内容…… 垂看垂垂。音 第2章信道极化理论与 Polar码的编译码技术 8 2.1引言 8 22 Polar码背景知识体系 2.2.1信道极化原理 222Pola码的编码及信息位选取算法. 12 2.2.3 Polar码的译码算法. 23仿真与结果分析 2.3.1不同译码算法的性能分析.… ·.···········: 21 2.3.2非系统 Polar码与系统 Polar码之间的性能对比 24 24本章小结 25 第3章单链路高性能 Polar码级联方案设计. 27 3.1引言 27 32RS码的背景知识 27 32.1RS码的编码 27 322RS码的译码 D音垂垂音音垂·看看 ………,………………28 33多段RS码保护下的 Polar码级联方案设计 3.3.1帧间交织器设计与码率分配 29 3.32帧内交织器设计 32 3.3.3基于SCL的联合译码算法设计 34仿真与结果分析 1D垂音音看面看看垂 35 34.1译码开销与复杂度分析 35 3.4.2仿真结果分析 ,36 35本章小结 .38 第4章中继信道 Polar码编码协作方案改进. 鲁DD·看看垂 D番番音垂 39 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 41引 ,39 42 Polar编码协作基本流程 39 4.3适用于 Polar编码协作的高性能分码字构造方案设计 41 4.3.1凿孔模式设计原则 41 4.3.2低复杂度的凿孔后信息位优化算法 4.4仿真与结果分析 45 4.5本章小结 第5章多址接入信道 Polar码编译码方案设计 看看看垂音D垂非,·看看垂·垂垂 50 5.1引言 50 52多址接入信道的极化现象… …50 5.,2.1互信息单调链式展开法则 522MAC的极化现象…54 3 Polar码在MAC下的编译码方案. 53.1多址接入信道下的SC译码算法 ···············*······ 5 5.3.2多址接入信道下的SCL译码算法 568 54仿真与结果分析.. 59 55本章小结… 垂。垂垂·垂垂垂 61 结论 62 参考文献… 64 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 70 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 71 致谢 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章绪论 1.1课题研究背景与意义 随着通信技术的高速迭代更新,人们口益迫切的信息传输需求以及便携移动 终端数量的爆炸级增长,对现有通信模式提出了全新的挑战。在多家研究机构的 大力投入下,第五代移动通信技术(The5 th generation of mobile communication, 5G)呼之欲出,预计2020年起始,5G技术将投入大规模商用。5G崭新的技术体 系架构并不是4G技术的简单附属甚至补充,而是一种全新的模式升级。这是因 为5G的新无线接入技术( New Radio Access Technology, NRAT)按照全新的应用 场景和相应的技术需求“量体裁衣”12。在2015年9月,国际电信联盟无线电通 LE R (International Telecommunication Union Radiocommunication Sector. ITU-R) I 举出5G技术应用的三大主要场景:增强型移动宽带( Enhanced mobile broadband, cMBB)、超可靠低时延通信( Ultra Reliable and Low latency Communication, URLLO)以及海量物联网通信( Massive Machine Type Communication,mMTC)2 eMBB场景主要聚焦于使用者接入超髙速网络服务,享受海量数据与多媒休内容的 诉求,要求下可在人口与建筑密集的市区提供100Mbps的传输速率,上可在较为 空旷的郊区提供1(bps的传输速率。 URLLC场景对延迟和可靠度提出了极为严 岢的要求,文献4对该场景下信道编码应该达到的技术要求做出了规定:码字在 小码块(数百比特)低码率(小于1/3)条件下的译码复杂度与开销必须足够低, 且误块率在达到1035前不能有错误平层现象出现,码字还应具备良好的抗衰落与抗 突发错淏性能υπMTC场景则主要解决物联网通信问题。如文献[4]和文献[5]中提 到的,该场景要求码字传输速度高,且主要在低阶调制与短码长条件下进行传输, 最为重要的就是传输能耗要足够低,以保证设备的电池寿命足够长。应用层提供 髙质量服务离不开物理层的有力支持,5G所面临的挑战同样也是信道编码需要面 对的问题,可以预见在5G的NRA中信道编码将会扮演关键角色。 着眼于上述三大场景,5G下的信道编码力争满足的新需求包括高吞吐率、低 传输延迟、低译码复杂度以及低功耗,且码长码率必须灵活可变。旧系统中选用 的信道编码方案,诸如LTE系统采用的Tubo码与衔尾卷积码不再满足上述需求。 Turbo码在大码长下的吞吐量不尽如人意,同吋其迭代译码即便在码长较短吋复杂 度也过高。此外,译码时的错误平层现象并不能提供超可靠性。文献[5还指出 在LTE中发展成熟的 Turbo卷积码未能在5G标准下有更多改进。至于LDPC码 由于其在一些无线通讯场景下有着成功的应用,并在高码率大码长条件下性能优

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