[论文解读] Joint LDPC and Physical-layer Network Coding for Asynchronous Bi-directional Relaying

Xiaofu Wu, Chunming Zhao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 12被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种用于异步双向中继的联合LDPC与物理层网络编码（PNC）方案，采用对数域广义和积算法（Log-G-SPA）在符号异步多址接入信道（MAC）上实现高效解码。此外，引入循环LDPC码与CRC以解决帧异步问题，在帧偏移情况下实现接近最优性能，信噪比（SNR）损失小于0.2 dB。

ABSTRACT

In practical asynchronous bi-directional relaying, symbols transmitted by two sources cannot arrive at the relay with perfect frame and symbol alignments and the asynchronous multiple-access channel (MAC) should be seriously considered. Recently, Lu et al. proposed a Tanner-graph representation of the symbol-asynchronous MAC with rectangular-pulse shaping and further developed the message-passing algorithm for optimal decoding of the symbol-asynchronous physical-layer network coding. In this paper, we present a general channel model for the asynchronous MAC with arbitrary pulse-shaping. Then, the Bahl, Cocke, Jelinek, and Raviv (BCJR) algorithm is developed for optimal decoding of the asynchronous MAC channel. For Low-Density Parity-Check (LDPC)-coded BPSK signalling over the symbol-asynchronous MAC, we present a formal log-domain generalized sum-product-algorithm (Log-G-SPA) for efficient decoding. Furthermore, we propose to use cyclic codes for combating the frame-asynchronism and the resolution of the relative delay inherent in this approach can be achieved by employing the simple cyclic-redundancy-check (CRC) coding technique. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed approach.

研究动机与目标

• 解决由于源端符号与帧异步导致的双向中继性能下降问题。
• 为具有任意脉冲整形的异步MAC建立通用信道模型，扩展先前仅限于矩形脉冲的局限性。
• 通过BCJR算法公式化实现异步MAC的最优解码，支持任意调制与编码方式。
• 设计一种对数域广义和积算法（Log-G-SPA），用于在联合概率利用下高效解码异步MAC上的LDPC码。
• 通过循环LDPC码与基于CRC的延迟解析方法解决帧异步问题，提升系统鲁棒性，无需帧同步。

提出的方法

• 建立具有任意脉冲整形的通用异步MAC模型，将其建模为向量符号间干扰（ISI）信道。
• 应用加权度量滤波（WMF）技术，将异步MAC转换为等效向量ISI信道，以适用于BCJR算法。
• 推导BCJR算法以计算异步MAC中的最优后验概率（APPs），实现最优解码。
• 提出一种正式的对数域广义和积算法（Log-G-SPA），用于在异步MAC上实现LDPC码的高效解码，利用源码字的联合概率。
• 引入循环LDPC码以应对帧异步问题，利用其代数结构处理未知相对延迟。
• 在源端集成CRC-16编码，通过在成功LDPC解码后检查校验条件，解析未知相对延迟（ι）。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何建立一个支持最优解码的通用异步MAC信道模型，适用于任意脉冲整形？
• RQ2 对于在符号异步MAC上编码的BPSK信号，最优解码算法是什么？如何在对数域高效实现？
• RQ3 如何在不依赖帧同步的前提下，有效缓解双向中继中的帧异步问题？
• RQ4 在符号异步条件下，所提出的Log-G-SPA解码相比传统联合信道解码（JCNC）的性能增益如何？
• RQ5 循环LDPC码与基于CRC的延迟解析方法是否能在大帧偏移下实现鲁棒性能？

主要发现

• 所提出的Log-G-SPA解码在符号异步条件下相比传统JCNC实现显著性能增益，且对相位偏移（Δθ）具有更强鲁棒性。
• 对于（1008,504）Mackay-Neal LDPC码，Log-G-SPA在四轮外迭代（B_MAC迭代次数）下实现接近最优性能，性能损失极小。
• 在帧偏移（ι ∈ [-8,8]）条件下，（1365,765）循环LDPC码的误比特率（BER）性能相比同步情况下降不足0.2 dB。
• 基于CRC-16的延迟解析机制在所有无误码解码情况下均成功恢复相对延迟ι，仿真中未观察到失败。
• Log-G-SPA的复杂度低于非二进制LDPC的Log-SPA，因其无需排列步骤，同时保持高性能。
• 系统对相位偏移（Δθ = π/4）具有鲁棒性，即使在异步条件下，Log-G-SPA仍优于JCNC。