[论文解读] BER Performance of Polar Coded OFDM in Multipath Fading

David Wasserman, Ahsen U. Ahmed+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2016

Error Correcting Code Techniques参考文献 14被引用 9

一句话总结

本文评估了在准静态多径衰落信道中，极化编码正交频 division multiplexing（OFDM）的误比特率（BER）性能，对比了极化码与卷积码的性能，并分析了交织技术的影响。结果表明，在此类衰落环境中，极化码相对于卷积码并无显著编码增益，提示通过优化码构造和交织方案仍有改进空间。

ABSTRACT

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has gained a lot of popularity over the years. Due to its popularity, OFDM has been adopted as a standard in cellular technology and Wireless Local Area Network (WLAN) communication systems. To improve the bit error rate (BER) performance, forward error correction (FEC) codes are often utilized to protect signals against unknown interference and channel degradations. In this paper, we apply soft-decision FEC, more specifically polar codes and a convolutional code, to an OFDM system in a quasi-static multipath fading channel, and compare BER performance in various channels. We investigate the effect of interleaving bits within a polar codeword. Finally, the simulation results for each case are presented in the paper.

研究动机与目标

• 评估在准静态多径衰落信道中，极化编码OFDM的误比特率（BER）性能。
• 在衰落条件下，比较极化码与卷积码在纠错能力方面的表现。
• 研究不同交织方案（块交织、反向洗牌）对OFDM系统中极化码性能的影响。
• 确定在瑞利衰落和类似AWGN的信道条件下，极化码是否相对于卷积码具有编码增益。

提出的方法

• 系统采用QPSK调制的OFDM，极化码的子载波数N=1024，码率为0.5。
• 前向纠错（FEC）编码采用极化码（使用逐次消除列表译码）或卷积码。
• 应用交织技术——块交织与反向洗牌——以将比特错误分布在各个子载波上。
• 信道模型包括具有指数和均匀延迟分布的瑞利衰落，以及两径衰落且路径损耗为10 dB的情况。
• 通过在五次蒙特卡罗仿真运行中对瀑布曲线进行线性插值，估计BER为10⁻⁵。
• 仿真对比了未编码、卷积码编码和极化码编码的OFDM系统在四种不同多径衰落场景下的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在准静态多径衰落信道中，极化编码是否在OFDM系统中相对于卷积码提供BER性能增益？
• RQ2 在频率选择性衰落环境中，交织如何影响极化编码OFDM的BER性能？
• RQ3 在相同码构造下，极化码在瑞利衰落信道中的性能是否与在AWGN类条件下的性能相当？
• RQ4 交织方案的选择是否能显著提升极化码在OFDM系统中的纠错能力？
• RQ5 在深衰落条件下，极化码与卷积码之间的性能差距是否会扩大，以及可采用何种策略缓解此问题？

主要发现

• 在瑞利衰落信道A和B中，最佳卷积码性能需要E_b/N_0为11.9 dB（信道B，反向洗牌），而最佳极化码需要12.2 dB，表明无编码增益。
• 在C和D信道中，这些信道表现出深衰落特性，极化码与卷积码均需E_b/N_0超过25 dB才能达到BER 10⁻⁵，表明在深衰落条件下可靠性有限。
• 在信道A和B中，块交织优于反向洗牌，对卷积码而言，通过将编码比特分布在子载波上，有效减少了错误突发。
• 极化码并未始终优于卷积码；在某些情况下，卷积码在更低的E_b/N_0下即可达到BER 10⁻⁵。
• 在深衰落信道（如信道C和D）中，两种码的性能均显著下降，平均子载波能量低于阈值，导致可靠译码困难。
• 在遍历性瑞利衰落IT信道中，极化码在E_b/N_0 = 5.1 dB时达到BER 10⁻⁵，而卷积码需要9.1 dB，表明在理想化、非衰落条件下存在潜在增益。