[论文解读] Low Complexity Decoding for Punctured Trellis-Coded Modulation Over Intersymbol Interference Channels

Fabian Schuh, Johannes B. Huber|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2013

Error Correcting Code Techniques参考文献 9被引用 3

一句话总结

本文通过将简化状态序列估计（RSSE）集成到卷积码打孔形成的时变网格图中，提出了一种在符号间干扰（ISI）信道上对打孔级连编码调制（TCM）进行低复杂度解码的技术。该方法通过状态分割和延迟判决反馈，显著降低了计算复杂度，同时实现了接近最优的性能，使TCM系统能够灵活实现非整数传输速率。

ABSTRACT

Classical trellis-coded modulation (TCM) as introduced by Ungerboeck in 1976/1983 uses a signal constellation of twice the cardinality compared to an uncoded transmission with one bit of redundancy per PAM symbol, i.e., application of codes with rates $\frac{n-1}{n}$ when $2^{n}$ denotes the cardinality of the signal constellation. The original approach therefore only comprises integer transmission rates, i.e., $R=\left\{ 2,\,3,\,4\,\ldots ight\}$, additionally, when transmitting over an intersymbol interference (ISI) channel an optimum decoding scheme would perform equalization and decoding of the channel code jointly. In this paper, we allow rate adjustment for TCM by means of puncturing the convolutional code (CC) on which a TCM scheme is based on. In this case a nontrivial mapping of the output symbols of the CC to signal points results in a time-variant trellis. We propose an efficient technique to integrate an ISI-channel into this trellis and show that the computational complexity can be significantly reduced by means of a reduced state sequence estimation (RSSE) algorithm for time-variant trellises.

研究动机与目标

• 通过使用打孔卷积码，在网格编码调制（TCM）中实现非整数传输速率。
• 解决在ISI信道中联合均衡与解码的计算复杂度问题。
• 设计一种高效的解码算法，将简化状态序列估计（RSSE）集成到由打孔TCM产生的时变网格图中。
• 在保持低复杂度以利于实际实现的同时，实现接近联合均衡与解码的性能。

提出的方法

• 采用卷积码（CC）打孔技术以调整频谱效率，并在TCM中实现非整数速率。
• 由于编码输出到信号点的映射非均匀，打孔CC会产生时变网格图。
• 在时变网格图上应用简化状态序列估计（RSSE），以减少状态空间和计算负载。
• 引入延迟判决反馈序列估计（DDFSE）结构，以提升ISI环境下的误码性能。
• 优化状态设计与状态分割，以在保持低复杂度的同时最小化误码率。
• 该算法将信道均衡与解码整合于单一基于网格图的框架中，避免了独立的均衡与解码阶段。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效将打孔卷积码集成到ISI信道上的TCM中，以实现非整数传输速率？
• RQ2 时变网格图结构对TCM在ISI信道上的解码复杂度与性能有何影响？
• RQ3 简化状态序列估计（RSSE）能否适配时变网格图，以实现低复杂度解码并接近最优性能？
• RQ4 与联合均衡与解码相比，该方法在复杂度与比特误码率（BER）性能方面表现如何？
• RQ5 在ISI信道上的打孔TCM中，何种状态设计与分割策略可最小化复杂度，同时保持良好的误码率性能？

主要发现

• 所提出的基于RSSE的解码方法相比完整维特比解码，显著降低了计算复杂度，同时实现了接近最优的性能。
• 由打孔产生的时变网格图结构使传输速率可灵活设置，超越整数速率，例如2.5或3.5比特/符号。
• 在RSSE框架中引入延迟判决反馈可提升误码性能，尤其在高ISI环境中效果更显著。
• 通过状态分割与优化的状态设计，减少了网格图中所需的状态数，从而大幅降低了解码复杂度。
• 数值结果表明，该方法在中高信噪比下，误码率性能与联合均衡与解码相比仅相差1 dB以内。
• 该方法适用于带宽受限、要求高谱效率与低延迟的实际系统。