Channel coding for highly efficient transmission in wireless local area network
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Date
2012-03-30
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Abstract
Seit ihrer Wiederentdeckung haben die Low Density Parity Check (LDPC) Codes ein
hohes Interesse erfahren, da sie mit niedrigem Aufwand für die Dekodierung fast die
Kanalkapazität erreichen. Daher sind sie ein vielversprechendes Kanalcodierungsschema
für zukünftige drahtlose Anwendungen. Sie weisen allerdings noch den Nachteil eines
hohen Enkodierungsaufwandes auf. Die Einwicklung eines mit geringem Aufwand
implementierbaren LDPC Codes mit guten Leistungen stellt noch eine große
Herausforderung dar. Die Nutzbarkeit der potenziellen Eigenschaften von LDPC-Codes im
Bezug auf die technischen Randbedingungen gerade bei drahtlosen lokalen Netzwerken
(Wireess Local Area Network - WLAN) wirft dabei besonders interessante Fragestellungen
auf.
Die vorliegende Dissertation konzentriert sich auf drei große Themen bezüglich der
Erforschung von LDPC Codes, nämlich die Charakterisierung des Codes mittels
Umfangsmaßverteilung (Girth Degree Distribution), den niedrigen Enkodierungsaufwand
mittels strukturierter Codekonstruktion sowie die verbesserte Decodierungskonvergenz
mittels eines Zwei-Phasen Dekodierungsverfahrens.
Im ersten Teil der Dissertation wird ein neues Konzept zur Beurteilung von Codes
eingeführt. Es basiert auf der Umfangsmaßverteilung. Dieses Konzept kombiniert die
Ideen des klassischen Konzeptes - basierend auf dem Umfang (Girth) - mit denen des
Knotenmaßes (Node Degree) und wird zur Charakterisierung und zur Abschätzung der
Leistungsfähigkeit des Codes eingesetzt. Zur Erkennung und Berechnung des Umfangs
wird ein einfacher, baumbasierter Suchalgorithmus eingeführt. Dieses Konzept ermöglicht
eine effizientere Leistungsabschätzung als das der alleinigen Verwendung des Umfangs.
Es wird gezeigt, dass das Umfangsmaß bei der Ermittlung der Leistung des Codes eine
wesentlich größere Rolle spielt als der Umfang. Im Rahmen dieser Untersuchungen fällt
als weiteres Ergebnis an, dass die Existenz von kurzen Schleifen der Länge 4 die
Leistungsfähigkeit des Codes nicht beeinträchtigt.
Der zweite Teil der Dissertation beschäftigt sich mit einem einfachen Verfahren für
die Konstruktion einer Gruppe von LDPC Codes, die bei einem relativ niedrigen
Enkodierungsaufwand dennoch eine gute Leistung aufweist. Die Kombination einer
Treppestruktur in Verbindung mit Permutationsmatrizen führt zu einer sehr einfachen
Implementierung, ohne dass ein erheblicher Leistungsverlust auftritt. Der resultierende
Enkodierer kann ausschließlich mit einer sehr einfachen Schaltung aus Schieberegistern
implementiert werden. Die Leistungsfähigkeit des entstehenden Codes ist mit der des
unregelmäßigen MacKay-Codes vergleichbar. In kurzer Kodelänge übertreffen sie sogar
einige bekannte strukturierte Codes. Allerdings sind die vorgeschlagenen Codes
suboptimal im Vergleich mit den optionalen LDPC Codes für WLAN, sofern niedrige
Coderaten betrachtet werden. Sie erweisen sich aber als ebenbürtig bei höheren Coderaten.
Diese Leistungsfähigkeit wird von den hier vorgeschlagenen Codes mit relativ niedrigem
Enkodierungsaufwand erreicht.
Letztendlich wird im dritten Teil der Dissertation ist ein Verfahren zur Steigerung
der Decodierungskonvergenz beim Einsatz von LDPC Codes in Kombination mit
Modulationsverfahren hoher Wertigkeit vorgestellt. Das Zwei-Phasen Dekodierverfahren
wird zur Verbesserung der Bit-Zuverlässigkeit im Dekodierungsprozess eingeführt. Dieses
bewirkt eine Reduktion der benötigten Dekodierungsschritte ohne Leistungsverlust.
Erreicht wird dies durch die Verwendung der Ergebnisse einer ersten Dekodierungsphase
als erneute Eingabe für eine zweite Dekodierungsphase. Die optimale Kombination der
durchzuführenden Iterationen beider Dekodierungsphasen kann die Anzahl der insgesamt
benötigten Iteration im Durchschnitt reduzieren. Dieses Verfahren zeigt seine Wirksamkeit
im Wasserfallbereich des Signal-Rausch-Verhältnisses. -
Since their rediscovery, Low Density Parity Check (LDPC) codes sparked high interests due to their capacity-approaching performance achieved through their low decoding complexity. Therefore, they are considered as promising scheme for channel coding in future wireless application. However, they still constitute disadvantage in their high encoding complexity. The research on practical LDPC codes with good performance is quite challenging. In this direction their potential characteristics are explored with respect to the technical requirement of wireless local area network (WLAN). This thesis is focused on three topics, which correspond to three major issues in the research of LDPC codes: code characterization with girth degree distribution, low encoding complexity with structured construction, and higher decoding convergence with two-stage decoding scheme. In the first part of the thesis, a novel concept of girth degree is introduced. This concept combines the idea of the classical concept of girth with node degree. The proposed concept is used to characterize the codes and measure their performance. A simple treebased search algorithm is applied to detect and count the girth degree. The proposed concept is more effective than the classical concept of girth in measuring the performance. It shows that the girth degree plays more significant role than the girth it self, in determining the code performance. Furthermore, the existence of short-four-cycles to some extent is not harmful to degrade the code performances. The second part deals with a simple method for constructing a class of LDPC codes, which pose relative low encoding complexity but show good performance. The combination of the stair structure and the permutation matrices, which are constructed based on the proposed method, yields very simple implementation in encoding process within encoder. The resulting encoder can be implemented using relatively simple shiftregister circuits. Their performance is comparable with that of irregular MacKay codes. In short code length, they outperform some well-established structured codes. The performance of the proposed codes is comparable with the optional LDPC codes for WLAN at higher code rates. However, the proposed codes are relatively suboptimal at lower code rate. Such performance is achieved by the proposed codes in lower encoding complexity In the third part, a method for enhancing the decoding convergence for high coded modulation system is introduced. The two-stage decoding scheme is proposed to improve bit reliabilities in decoding process leading to reduced decoding iteration without performance losses. This is achieved by making use of the output from the first decoding stage as the additional input for the second decoding stage. The optimal combination of the maximal iteration of both decoding stages is capable of reducing the average iteration. This method shows its efficiency at the waterfall region of signal-to-noise-ratio.
Since their rediscovery, Low Density Parity Check (LDPC) codes sparked high interests due to their capacity-approaching performance achieved through their low decoding complexity. Therefore, they are considered as promising scheme for channel coding in future wireless application. However, they still constitute disadvantage in their high encoding complexity. The research on practical LDPC codes with good performance is quite challenging. In this direction their potential characteristics are explored with respect to the technical requirement of wireless local area network (WLAN). This thesis is focused on three topics, which correspond to three major issues in the research of LDPC codes: code characterization with girth degree distribution, low encoding complexity with structured construction, and higher decoding convergence with two-stage decoding scheme. In the first part of the thesis, a novel concept of girth degree is introduced. This concept combines the idea of the classical concept of girth with node degree. The proposed concept is used to characterize the codes and measure their performance. A simple treebased search algorithm is applied to detect and count the girth degree. The proposed concept is more effective than the classical concept of girth in measuring the performance. It shows that the girth degree plays more significant role than the girth it self, in determining the code performance. Furthermore, the existence of short-four-cycles to some extent is not harmful to degrade the code performances. The second part deals with a simple method for constructing a class of LDPC codes, which pose relative low encoding complexity but show good performance. The combination of the stair structure and the permutation matrices, which are constructed based on the proposed method, yields very simple implementation in encoding process within encoder. The resulting encoder can be implemented using relatively simple shiftregister circuits. Their performance is comparable with that of irregular MacKay codes. In short code length, they outperform some well-established structured codes. The performance of the proposed codes is comparable with the optional LDPC codes for WLAN at higher code rates. However, the proposed codes are relatively suboptimal at lower code rate. Such performance is achieved by the proposed codes in lower encoding complexity In the third part, a method for enhancing the decoding convergence for high coded modulation system is introduced. The two-stage decoding scheme is proposed to improve bit reliabilities in decoding process leading to reduced decoding iteration without performance losses. This is achieved by making use of the output from the first decoding stage as the additional input for the second decoding stage. The optimal combination of the maximal iteration of both decoding stages is capable of reducing the average iteration. This method shows its efficiency at the waterfall region of signal-to-noise-ratio.
Description
Table of contents
Keywords
LDPC, WLAN
Subjects based on RSWK
Codierung, Decodierung, Drahtloses lokales Netz, Low-Density-Parity-Check-Code