[论文解读] An interleaver design for polar codes over slow fading channels

Saurabha Tavildar|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2016

Error Correcting Code Techniques参考文献 8被引用 3

一句话总结

本文提出了一种多样性交织器与多样性极化码设计，以提升在慢衰落信道中的性能，利用可靠极化比特信道的位反转映射。该方法在接近中断容量性能（约2 dB内）方面表现优异，并在块瑞利衰落和跳频OFDM场景中显著优于随机交织器。

ABSTRACT

We consider the problem of using polar codes over slow fading wireless channels. For design, we focus on a parallel slow fading channel with 2 blocks, and polar codes with rate <= 1/2. Motivated by Arikan's systematic polar code construction, we propose an interleaver design for a general polar code. The interleaver comprises of using the bit reversal of the order of polarized bit channels. This interleaver is called a diversity interleaver. In addition to the diversity interleaver, a diversity polar code is proposed to further increase the diversity gain. The proposed designs are evaluated via link simulations for AWGN and fading channels. The simulation results show a performance close to the outage probability (within 2 dB) and significant gains over using a random interleaver.

研究动机与目标

• 解决在衰落分布随部署和移动性变化的慢衰落无线信道中设计极化码的挑战。
• 克服现有交织器（如随机、均匀交织器）在块衰落环境中无法最大化分集增益的局限性。
• 开发一种与特定衰落分布无关的通用码设计，聚焦于在最坏情况（深度衰落）下最大化分集增益。
• 确保在任一码块发生深度衰落时，两个码子集仍能通过连续取消译码实现自译码。
• 通过单一稳健的极化码设计，在多种无线场景（AWGN、瑞利衰落、OFDM）中实现性能提升。

提出的方法

• 提出一种多样性交织器，将N/2个最可靠的极化比特信道（集合A）及其补集（Aᶜ）通过位反转映射，将B(A)发送至块1，B(Aᶜ)发送至块2。
• 通过约束信息比特集合A，提出一种多样性极化码，使得对每个索引i，i与N+1−i中至多一个为信息比特，满足|Aᶜ| = N+1−|A|。
• 使用位反转映射B，确保B(A)与B(Aᶜ)之间具有对称性，推测在连续取消译码下，两个子集均能自译码。
• 通过密度演化设计极化码，适用于BI-AWGN，引入分集约束（公式1），以在衰落条件下保持性能。
• 在三种信道模型下评估性能：AWGN、块瑞利衰落（2个块）以及具有LTE参数的跳频OFDM。
• 对比三种交织器：均匀、随机和所提出的多样性交织器，采用BPSK调制，并假设接收端具备完美CSI。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于可靠极化比特信道的位反转映射的系统性交织器设计，是否能提升慢衰落信道中的分集增益？
• RQ2 所提出的多样性交织器是否能确保在连续取消译码下，两个子集（B(A)与B(Aᶜ)）均保持自译码能力？
• RQ3 受公式（1）约束的多样性极化码设计，在衰落环境中相较于标准极化码，性能保持程度如何？
• RQ4 在块瑞利衰落与OFDM衰落信道中，所提出的方案相较于随机与均匀交织器，在BLER性能方面表现如何？
• RQ5 所提出的方案是否能在多种无线部署场景中实现接近中断概率极限的性能？

主要发现

• 在块瑞利衰落信道中，采用多样性交织器的多样性极化码性能接近中断容量极限，差距约2 dB。
• 对于N=1024和N=256，采用多样性交织器的多样性码在瑞利衰落信道中优于使用随机与均匀交织器的AWGN码。
• 在AWGN信道中，多样性码的性能几乎与标准AWGN设计的极化码相同，表明分集约束带来的性能损失可忽略。
• 在块瑞利衰落信道中，多样性交织器相较于随机交织器带来显著增益，且增益随信噪比升高而增大。
• 在跳频OFDM系统（EPA-5，1x2 MIMO）中，多样性交织器保持了优异性能，尽管增益小于块瑞利衰落场景。
• 均匀交织器在所有信道模型中表现最差，证实了在衰落环境中采用结构化交织的必要性。