Σχεδίαση και ανάπτυξη καινοτόμων τεχνικών κωδικοποίησης ψηφιακών τηλεπικοινωνιακών καναλιών με χρήση κωδικών ελέγχου ισοτιμίας χαμηλής πυκνότητας συμβατού ρυθμού

Abstract

Ratecompatibilityis a widely applicable technique used in communications systems operatingunder timevaryingSignaltoNoiseRatio (SNR) for mitigating the channel conditionchanges and achieving Unequal Error Protection (UEP). This thesis adds to thisfield, extending methods for the design of a special class of RateCompatibleLowDensityParityCheckcodes (RCLDPC),namely RateCompatibleIrregular RepeatAccumulate(RCIRA)codes. More specifically, the current thesis is concerned with the design of deterministicextending techniques for RCIRAcodes as well as their practical applicationsin existing digital wireless communications systems. The benefits of this approach areparameter flexibility, ease of implementation, low storage requirements, reduced encodingcomplexity and realtimeapplicability.In the first part of this thesis, three novel algorithms for deterministic extending areintroduced. The first algorithm is based on quadratic congruential extension sequencesand the second and third employ a modified and a truncated Vandermonde matrix,respectively. To maintain lowcomplexity,algebraic operations are used without any postconstructiongirth conditioning. The proposed extending algorithm is general and canbe applied to any irregular repeataccumulate(IRA) mother code of information blocklength, k0, producing different sequences of code rates, R. Furthermore, a hybrid classof Deterministically Designed RCIRA(D2RCIRA)codes is obtained by combining theproposed extending algorithm with puncturing. As verified by performance evaluationresults, the proposed techniques and codes offer significant performance improvements inboth error rate and throughput over equivalent coding schemes in the literature.In the second part, a novel family of RCIRAcodes is introduced as an alternativechannel coding scheme for two recently developed digital mobile multimedia servicesto handhelds standards, namely the European Telecommunications Standards Institute(ETSI) Satellite Digital Radio (SDR) and Digital Video Broadcasting Satelliteservicesto Handhelds (DVBSH)standards. A truncated Vandermonde is used to obtain lowerrate codes through extending, whereas higher rate codes are obtained through puncturing.Based on the performance evaluation results obtained for the proposed RCIRAcodes andthe 3rd Generation Partnership Project 2 3GPP2Turbo codes (TC) used in these systems,in Additive White Gaussian Noise (AWGN), Rayleigh and Rician fading channels, as wellas by a comparative study considering design parameters such as decoding complexity,flexibility to obtain different rates, etc., the proposed RCIRAcodes are a promisingalternative channel coding solution for such applications.

Η συμβατότητα ρυθμού στα επικοινωνιακά συστήματα που λειτουργούν υπό χρονικάμεταβαλλόμενο (timevarying)λόγο σήματος προς ϑόρυβο (SignaltoNoiseRatioSNR)είναι μια ευρέως διαδεδομένη τεχνική αποτελεσματικής αντιμετώπισης των αλ-λαγών του καναλιού μετάδοσης και επίτευξης άνισης προστασία έναντι σφαλμάτων(Unequal Error Protection UEP).Στην παρούσα διατριβή προτείνονται ντετερμι-νιστικές (deterministic) τεχνικές επέκτασης (extending) για τη σχεδίαση μιας ειδι-κής κατηγορίας κωδίκων ελέγχου ισοτιμίας χαμηλής πυκνότητας συμβατού ρυθμού(RateCompatibleLowDensityParityCheckRCLDPC),των κωδίκων ακανόνιστηςεπανάληψης-συσσώρευσης συμβατού ρυθμού (RateCompatibleIrregular RepeatAccumulateRCIRA).Συγκεκριμένα, στην παρούσα διατριβή μελετάται ο σχεδιασμόςντετερμινιστικών τεχνικών επέκτασης για κώδικες RCIRAκαθώς και η πρακτική ε-φαρμογή τους σε ασύρματα συστήματα ψηφιακών επικοινωνιών. Τα πιθανά οφέλη πουπροκύπτουν από τη χρήση ντετερμινιστικά εκτεταμένων κωδίκων RCIRAείναι η ευε-λιξία παραμετροποίησης, η ευκολία υλοποίησης, οι χαμηλές απαιτήσεις αποθήκευσηςκαι η χαμηλή πολυπλοκότητα κωδικοποίησης καθώς και η δυνατότητα υλοποίησης σεπραγματικό χρόνο.Αναφορικά με το πρώτο σκέλος, προτείνονται τρεις καινοτόμοι αλγόριθμοι ντετερμινι-στικής επέκτασης. Στον πρώτο αλγόριθμο χρησιμοποιούνται δευτεροβάθμιες ισοϋπόλοι-πες ακολουθίες επέκτασης και στον δεύτερο και τρίτο αλγόριθμο χρησιμοποιούνται έναςτροποποιημένος και ένας αποκομμένος (truncated) πίνακας Βαντερμόντ, αντίστοιχα.Για τη διατήρηση της χαμηλής πολυπλοκότητας σχεδιασμού, ο σχεδιασμός των κωδίκωνβασίζεται μόνο σε αλγεβρικές πράξεις και δεν εφαρμόζεται κάποια μετακατασκευα-στική (postconstruction)τεχνική βελτιστοποίησης του δακτυλίου του παραγόμενουγράφου. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι είναι γενικευμένοι και μπορούν να εφαρμοστούνσε οποιοδήποτε μητρικό κώδικα ακανόνιστης επανάληψης-συσσώρευσης (IrregularRepeatAccumulateIRA)με μήκος της συστάδας πληροφορίας k0 παράγοντας δια-φορετικές ακολουθίες ρυθμών κώδικα R. Επιπλέον, συνδυάζοντας τον πρώτο αλγόριθμοεπέκτασης με κατάλληλο αλγόριθμο διάτρησης, προτείνεται μια υβριδική κατηγορία κωδίκων με την ονομασία D2RCIRA.´Οπως επιβεβαιώνεται από τα αποτελέσματα προ-σομοίωσης, οι προτεινόμενες τεχνικές επέκτασης καθώς και οι προτεινόμενοι κώδικεςD2RCIRAυπερέχουν ,τόσο από πλευράς επίδοσης διόρθωσης σφαλμάτων όσο και απόπλευράς ρυθμαπόδοσης, αντίστοιχων σχημάτων κωδικοποίησης της βιβλιογραφίας.Αναφορικά με το δεύτερο σκέλος, προτείνεται μια οικογένεια κωδίκων RCIRAη οποία μπορεί να αποτελέσει εναλλακτικό σχήμα κωδικοποίησης καναλιού για δύοπρόσφατα δημοσιευμένα πρότυπα συστημάτων παροχής κινητών πολυμεσικών υπη-ρεσιών σε μικρές χειρόφερτες συσκευές, το πρότυπο δορυφορικών ψηφιακών ρα-διο(συστημάτων) (Satellite Digital Radio SDR)του Ευρωπαϊκού Ινστιτούτου Τη-λεπικοινωνιακών Προτύπων (European Telecommunications Standards InstituteETSI)και το πρότυπο ψηφιακής βιντεοεκπομπής για δορυφορικές υπηρεσίες σεχειρόφερτα τερματικά (Digital Video Broadcasting Satelliteservices to HandheldsDVBSH).Για την κατασκευή των κωδίκων χαμηλότερου ρυθμού χρησιμοποιείται ντε-τερμινιστική επέκταση η οποία βασίζεται έναν αποκομμένο πίνακα Βαντερμόντ και γιατην κατασκευή των κωδίκων υψηλότερου ρυθμού χρησιμοποιείται κατάλληλος αλγόριθ-μος διάτρησης. Βάσει των αποτελεσμάτων της μελέτης επίδοσης των προτεινόμενωνκωδίκων RCIRAεν συγκρίσει με τους στροβιλοκώδικες (Turbo Codes TC)2ου ε-ταιρισμικού έργου 3ης γενιάς (3rd Generation Partnership Project 2 3GPP2)πουπροδιαγράφονται στα εν λόγω πρότυπα για κανάλια μετάδοσης προσθετικού λευκούγκαουσιανού ϑορύβου (Additive White Gaussian Noise AWGN),Ρέιλεϊ (Rayleigh)και Ρίσιαν (Rician) και λαμβάνοντας υπόψιν επιπρόσθετους παράγοντες όπως ηπολυπλοκότητα αποκωδικοποίησης, η ευελιξία σχεδιασμού διαφορετικών ρυθμών κώ-δικα κ.α., οι κώδικες RCIRAαποδεικνύονται ιδιαίτερα ελπιδοφόρος επιλογή για τηνκωδικοποίηση καναλιού σε τέτοιες εφαρμογές.