[论文解读] Matched Decoding for Punctured Convolutional Encoded Transmission Over ISI-Channels

Fabian Schuh, Andreas Schenk+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2012

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 4被引用 4

一句话总结

该论文通过引入一种时变非线性网格图描述，将匹配译码扩展至符号间干扰（ISI）信道上的打孔卷积码，从而降低了超网格图的状态复杂度。该方法实现了高效的最大似然序列估计，其状态数显著少于传统超网格图译码，使打孔码在ISI环境下的计算复杂度大幅降低，同时实现近乎最优的性能。

ABSTRACT

Matched decoding is a technique that enables the efficient maximum-likelihood sequence estimation of convolutionally encoded PAM-transmission over ISI-channels. Recently, we have shown that the super-trellis of encoder and channel can be described with significantly fewer states without loss in Euclidean distance, by introducing a non-linear representation of the trellis. This paper extends the matched decoding concept to punctured convolutional codes and introduces a time-variant, non-linear trellis description.

研究动机与目标

• 解决打孔卷积码在ISI信道上超网格图译码时的高状态复杂度问题。
• 通过统一的超网格图框架实现均衡与译码的联合处理，无需交织。
• 在保持欧几里得距离和最大似然性能的前提下，减少超网格图中的状态数。
• 将此前仅用于非打孔码的匹配译码概念，扩展至使用时变非线性网格图表示的打孔卷积码。
• 证明基于DFSE类划分的简化状态序列估计（RSSE）可在打孔系统中实现复杂度与性能之间的合理权衡。

提出的方法

• 提出一种时变非线性有限状态机（FSM），用于描述打孔卷积编码，替代标准的线性网格图模型。
• 引入一种改进的维特比算法（VA），在时变非线性网格图上运行，以实现均衡与译码的联合处理。
• 采用基于ISI信道冲击响应最小相位特性的状态缩减技术，类似于判决反馈序列估计（DFSE）。
• 应用基于状态划分的简化状态序列估计（RSSE），以平衡复杂度与性能，实现实际系统中的可行实现。
• 采用结合编码器与ISI信道状态的超网格图结构，但使用非线性等效表示，从而减少有效状态数。
• 通过要求M = 2^n（其中n为编码器输出分支数）确保与M进制PAM调制的兼容性，并采用自然映射进行符号映射。

实验结果

研究问题

• RQ1 匹配译码能否有效扩展至ISI信道上的打孔卷积码？
• RQ2 如何在不损失性能的前提下，降低打孔码的超网格图状态复杂度？
• RQ3 时变非线性网格图表示对译码复杂度和误比特率（BER）性能有何影响？
• RQ4 基于DFSE类划分的RSSE能否在打孔系统中提供复杂度与误码性能之间的可行权衡？
• RQ5 联合超网格图译码与分离均衡与译码在BER和计算成本方面相比如何？

主要发现

• 对于4-ary ASK系统、4-tap ISI信道及打孔码率4/3的卷积码，所提出的匹配译码方法将超网格图状态数从1024降低至256个状态。
• 对于4状态编码器和5-tap ISI信道，匹配译码在时变网格图中将状态数从2048减少至512，优于标准超网格图译码。
• 采用16个状态的MD-RSSE方法在BER性能上优于分离的DFSE/BCJR和VA译码，甚至超过使用512个状态的全状态匹配译码。
• 该方法在显著降低复杂度的同时实现近乎最优性能，BER曲线显示MD-RSSE优于硬判决与软判决分离方法。
• 仿真结果证实，时变非线性网格图表示保持了欧几里得距离，并实现了比传统方法更少状态数的最大似然序列估计。
• 该方法具有良好的可扩展性，仿真显示在ISI信道达256个状态、匹配译码达128个状态时，性能增益依然保持。