LDPC-coded modulation for transmission over AWGN and flat rayleigh fading channels

La modulation codée est une technique de transmission efficace en largeur de bande qui intègre le codage de canal et la modulation en une seule entité et ce, afin d'améliorer les performances tout en conservant la même efficacité spectrale comparé à la modulation non codée. Les codes de parité à faible densité (low-density parity-check codes, LDPC) sont les codes correcteurs d'erreurs les plus puissants et approchent la limite de Shannon, tout en ayant une complexité de décodage relativement faible. L'idée de combiner les codes LDPC et la modulation efficace en largeur de bande a donc été considérée par de nombreux chercheurs. Dans ce mémoire, nous étudions une méthode de modulation codée à la fois puissante et efficace en largeur de bande, ayant d'excellentes performances de taux d'erreur binaire et une complexité d'implantation faible. Ceci est réalisé en utilisant un encodeur rapide, un décoder de faible complexité et aucun entrelaceur. Les performances du système proposé pour des transmissions sur un canal additif gaussien blanc et un canal à évanouissements plats de Rayleigh sont évaluées au moyen de simulations. Les résultats numériques montrent que la méthode de modulation codée utilisant la modulation d'amplitude en quadrature à M niveaux (M-QAM) peut atteindre d'excellentes performances pour toute une gamme d'efficacité spectrale. Une autre contribution de ce mémoire est une méthode simple pour réaliser une modulation codée adaptative avec les codes LDPC pour la transmission sur des canaux à évanouissements plats et lents de Rayleigh. Dans cette méthode, six combinaisons de paires encodeur modulateur sont employées pour une adaptation trame par trame. L'efficacité spectrale moyenne varie entre 0.5 et 5 bits/s/Hz lors de la transmission. Les résultats de simulation montrent que la modulation codée adaptative avec les codes LDPC offre une meilleure efficacité spectrale tout en maintenant une performance d'erreur acceptable

LDPC code-based bandwidth efficient coding schemes for wireless communications

This dissertation deals with the design of bandwidth-efficient coding schemes with Low-Density Parity-Check (LDPC) for reliable wireless communications. Code design for wireless channels roughly falls into three categories: (1) when channel state information (CSI) is known only to the receiver (2) more practical case of partial CSI at the receiver when the channel has to be estimated (3) when CSI is known to the receiver as well as the transmitter. We consider coding schemes for all the above categories. For the first scenario, we describe a bandwidth efficient scheme which uses highorder constellations such as QAM over both AWGN as well as fading channels. We propose a simple design with LDPC codes which combines the good properties of Multi-level Coding (MLC) and bit-interleaved coded-modulation (BICM) schemes. Through simulations, we show that the proposed scheme performs better than MLC for short-medium lengths on AWGN and block-fading channels. For the first case, we also characterize the rate-diversity tradeoff of MIMO-OFDM and SISO-OFDM systems. We design optimal coding schemes which achieve this tradeoff when transmission is from a constrained constellation. Through simulations, we show that with a sub-optimal iterative decoder, the performance of this coding scheme is very close to the optimal limit for MIMO (flat quasi-static fading), MIMO-OFDM and SISO OFDM systems. For the second case, we design non-systematic Irregular Repeat Accumulate (IRA) codes, which are a special class of LDPC codes, for Inter-Symbol Interference (ISI) fading channels when CSI is estimated at the receiver. We use Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) to convert the ISI fading channel into parallel flat fading subchannels. We use a simple receiver structure that performs iterative channel estimation and decoding and use non-systematic IRA codes that are optimized for this receiver. This combination is shown to perform very close to a receiver with perfect CSI and is also shown to be robust to change in the number of channel taps and Doppler. For the third case, we look at bandwidth efficient schemes for fading channels that perform close to capacity when the channel state information is known at the transmitter as well as the receiver. Schemes that achieve capacity with a Gaussian codebook for the above system are already known but not for constrained constellations. We derive the near-optimum scheme to achieve capacity with constrained constellations and then propose coding schemes which perform close to capacity. Through linear transformations, a MIMO system can be converted into non-interfering parallel subchannels and we further extend the proposed coding schemes to the MIMO case too

LDPC code-based bandwidth efficient coding schemes for wireless communications

This dissertation deals with the design of bandwidth-efficient coding schemes with Low-Density Parity-Check (LDPC) for reliable wireless communications. Code design for wireless channels roughly falls into three categories: (1) when channel state information (CSI) is known only to the receiver (2) more practical case of partial CSI at the receiver when the channel has to be estimated (3) when CSI is known to the receiver as well as the transmitter. We consider coding schemes for all the above categories. For the first scenario, we describe a bandwidth efficient scheme which uses highorder constellations such as QAM over both AWGN as well as fading channels. We propose a simple design with LDPC codes which combines the good properties of Multi-level Coding (MLC) and bit-interleaved coded-modulation (BICM) schemes. Through simulations, we show that the proposed scheme performs better than MLC for short-medium lengths on AWGN and block-fading channels. For the first case, we also characterize the rate-diversity tradeoff of MIMO-OFDM and SISO-OFDM systems. We design optimal coding schemes which achieve this tradeoff when transmission is from a constrained constellation. Through simulations, we show that with a sub-optimal iterative decoder, the performance of this coding scheme is very close to the optimal limit for MIMO (flat quasi-static fading), MIMO-OFDM and SISO OFDM systems. For the second case, we design non-systematic Irregular Repeat Accumulate (IRA) codes, which are a special class of LDPC codes, for Inter-Symbol Interference (ISI) fading channels when CSI is estimated at the receiver. We use Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) to convert the ISI fading channel into parallel flat fading subchannels. We use a simple receiver structure that performs iterative channel estimation and decoding and use non-systematic IRA codes that are optimized for this receiver. This combination is shown to perform very close to a receiver with perfect CSI and is also shown to be robust to change in the number of channel taps and Doppler. For the third case, we look at bandwidth efficient schemes for fading channels that perform close to capacity when the channel state information is known at the transmitter as well as the receiver. Schemes that achieve capacity with a Gaussian codebook for the above system are already known but not for constrained constellations. We derive the near-optimum scheme to achieve capacity with constrained constellations and then propose coding schemes which perform close to capacity. Through linear transformations, a MIMO system can be converted into non-interfering parallel subchannels and we further extend the proposed coding schemes to the MIMO case too

Channel coding for highly efficient transmission in wireless local area network

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