[论文解读] Space-Time Polar Coded Modulation

Kai Chen, Kai Niu+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2013

Error Correcting Code Techniques参考文献 26被引用 3

一句话总结

本文提出空间-时间极化编码调制（STPCM），通过三阶段信道极化过程，实现极化编码、MIMO传输与QAM调制的联合优化。通过使用QR分解将信道极化扩展至MIMO系统，并将衰落信道近似为等效的AWGN信道，STPCM在4×4 MIMO系统中采用64-QAM时，相比比特交织深度Turbo编码调制（BITCM）实现高达4.7 dB的增益，在所有仿真场景中性能均优于BITCM，且译码复杂度更低。

ABSTRACT

The polar codes are proven to be capacity-achieving and are shown to have equivalent or even better finite-length performance than the turbo/LDPC codes under some improved decoding algorithms over the additive white Gaussian noise (AWGN) channels. Polar coding is based on the so-called channel polarization phenomenon induced by a transform over the underlying binary-input channel. The channel polarization is found to be universal in many signal processing problems and has been applied to the coded modulation schemes. In this paper, the channel polarization is further extended to the multiple antenna transmission following a multilevel coding principle. The multiple-input multile-output (MIMO) channel under quadrature amplitude modulation (QAM) are transformed into a series of synthesized binary-input channels under a three-stage channel transform. Based on this generalized channel polarization, the proposed space-time polar coded modulation (STPCM) scheme allows a joint optimization of the binary polar coding, modulation and MIMO transmission. In addition, a practical solution of polar code construction over the fading channels is also provided, where the fading channels are approximated by an AWGN channel which shares the same capacity with the original. The simulations over the MIMO channel with uncorrelated Rayleigh fast fading show that the proposed STPCM scheme can outperform the bit-interleaved turbo coded scheme in all the simulated cases, where the latter is adopted in many existing communication systems.

研究动机与目标

• 为解决有限长度极化码在衰落MIMO信道中的性能差距问题，通过联合优化编码、调制与MIMO传输来实现。
• 将单天线二进制输入信道的信道极化现象推广至具有QAM调制的MIMO系统。
• 通过将衰落信道近似为等效AWGN信道（容量相等），提出一种适用于衰落信道的实用极化码构造方法。
• 证明在真实MIMO瑞利衰落条件下，STPCM在频谱效率和误块率方面优于传统BITCM方案。
• 在保持或提升性能的同时，降低译码复杂度，优于现有Turbo编码方案。

提出的方法

• STPCM方案通过结合二进制信道极化、调制映射与MIMO传输的三阶段信道变换，构建合成的二进制输入信道。
• 采用QR分解将MIMO信道转换为一组并行、独立的子信道，从而在每个子信道上设计极化码。
• 利用广义信道极化框架进行极化码构造，通过遗传算法（GA）对非BEC信道进行可靠性估计。
• 系统采用逐次消除（SC）和改进的逐次消除列表（CASCL）译码，以在性能与复杂度之间取得平衡。
• 通过匹配遍历容量的等效AWGN信道对衰落信道进行近似，以支持实用码设计。
• 该方案遵循多级编码原理，将每个QAM符号视为多级二进制输入，通过极化编码进行处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 信道极化现象能否推广至具有QAM调制的MIMO系统，以实现编码、调制与空间复用的联合优化？
• RQ2 在精确可靠性估计不可行的衰落MIMO信道中，如何实现极化码的实用构造？
• RQ3 在不同MIMO配置下，STPCM相比传统BITCM在BLER与SNR效率方面实现了多大性能增益？
• RQ4 STPCM能否在保持优异误码性能的同时，将译码复杂度控制在较低水平，优于BITCM？
• RQ5 所提出的STPCM方案在高阶调制与更多天线配置下是否仍能保持性能增益？

主要发现

• 在所有仿真MIMO配置中，STPCM相比BITCM实现了0.3至2.0 dB的性能增益，包括4×4 MIMO系统中的64-QAM场景。
• 在4×4 MIMO系统中采用64-QAM时，STPCM相比BITCM实现了惊人的4.7 dB增益，克服了后者在BLER ≤ 10⁻⁴时的严重误码地板。
• 在SC译码下，STPCM所需的度量更新次数仅为BITCM的17至43倍，表明计算复杂度显著降低。
• 与SC译码相比，CASCL译码使STPCM的BLER性能提升约2 dB，且复杂度与BITCM的Log-MAP译码相当。
• STPCM的仿真BLER性能与GA估计的可靠性值高度吻合，验证了码构造方法的准确性。
• STPCM方案的遍历容量接近理论上限，证实了频谱利用效率的高效性。