Staggered Trellis Coded Modulation - Konstruktion und Decodierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurde eine spezielle Klasse verketter Codes untersucht, wobei statt herkömmlicher binärer Komponentencodes Trellis-Codierte Modulation (TCM) zum Einsatz kommt. Bei den dadurch entstehenden Codes handelt es sich um die sogenannte Staggered Trellis Coded Modulation (Staggered TCM), welche sich durch besondere Bandbreiteneffizienz auszeichnet. Darüberhinaus erlaubt die spezielle Codekonstruktion ein sehr leistungseffizientes iteratives Decodierverfahren mit dessen Hilfe deutlich bessere Decodierergebnisse als mit herkömmlicher parallel verketteter TCM erzielt werden können. Insbesondere die Performanz im Bereich der sogenannten Waterfall-Region kann dadurch deutlich verbessert werden. Die untersuchte Staggered TCM weist in einem Kanal mit additivem weißen Gaußschen Rauschen (AWGR) eine deutliche Verbesserung der Bitfehlerrate verglichen mit herkömmlicher parallelverketteter TCM mit vergleichbarer Parametrisierung auf. Dabei wird der Abstand zur fundamentalen Shannon-Grenze, für die eine Datenübertragung über den AWGR-Kanal mit einer beliebig kleinen Bitfehlerrate möglich ist, schon für verhältnismäßig kurze Blocklängen deutlicht verringert. Als weitere vergleichbare Alternative wäre prinzipiell die serielle Verkettung eines äußeren Faltungscodes und innerer TCM denkbar, die aufgrund der Turbodecodierung ähnlich gute Decodierergebnisse aufweisen kann. Allerdings verringert sich die Rate des Gesamtcodes in diesem Fall, da die Bandbreiteneffizienz der verwendeten TCM um die Rate des äußeren Codes reduziert wird. Ein Ziel der vorgenommenen Untersuchungen war die Optimierung der Codekonstruktion um die Effizienz moderner Datenübertragungsverfahren durch Einsatz von Staggered TCM zu verbessern. Dabei waren insbesondere Systeme basierend auf der OFDM-Übertragungstechnik von Interesse, da sich gerade hierfür bandbreiteneffiziente Codes, die auf höherwertigen Modulationsalphabeten basieren, sehr gut eignen. Durch die bereits angesprochene Leistungseffizienz der in diesem Vorhaben untersuchten Codes können OFDM-Systeme hinsichtlich ihrer Ressourcenausnutzung profitieren. Die Grundidee bei der Konstruktion von Staggered TCM basiert darauf, dass ein blockweises Gedächtnis eingeführt und ausgenutzt wird. Das zugrundeliegende Konzept wurde innerhalb dieses Projekts modifiziert, so dass Gedächtnisordnungen größer als eins erzielt werden können. Der Einfluss dieser Gedächtnisordnung auf die Performanz des Gesamtcodes war Gegenstand eingehender Untersuchungen. Darüberhinaus wurde der Einfluss weiterer Designparameter auf das Decodierergebnis und die Restbitfehlerrate von Staggered TCM untersucht. Dabei waren insbesondere die Auswirkungen verschiedener Decodierstrategien von Interesse. Während des Förderungszeitraums wurden die bereits in einem früher von der DFG geförderten Projekt mit dem Thema „Woven Convolutional Codes - Konstruktionen, ungleicher Fehlerschutz und Decodierung" eingeführten aktiven Distanzmaße für TCM erweitert. Die Euklidsche Distanz zwischen den Codesymbolen von TCM als zugrundeliegende Metrik wurde ersetzt durch die Hamming-Distanz der Codesymbole. Damit ist es möglich, den Einfluss der im Staggered TCM Codierer implizit auf den Komponentcode angewendeten symbolweisen Punktierung in geeigneter Weise zu beschreiben und deren Auswirkung hinsichtlich der Performanz des Gesamtcodes abzuschätzen. Wie bereits erwähnt verringert die in diesem Projekt untersuchte Staggered TCM im AWGR-Kanal den Abstand zur Shannon-Grenze verglichen mit parallelverketteter TCM. Allerdings weisen die untersuchten Codes in Kanälen mit Schwund (sogenannte Fading-Kanäle) eine nicht ganz so gute Performanz auf. Dies liegt an dem bereits durch die Konstruktion bedingten inhärenten Schwund durch die implizite Punktierung im Codierer. Dadurch verschlechtert sich die Robustheit gegenüber zusätzlichem Fading durch den Kanal. Eine Optimierung der Staggered TCM für Fading-Kanäle war im Rahmen des Projekts nicht mehr möglich. Es sind jedoch speziell auf den Einsatz in Fadingkanälen zugeschnittene Varianten von TCM bekannt. Eine Verwendung dieser Codes als Komponentencodes in Staggered TCM ist sehr erfolgversprechend und könnte im Rahmen eines weiteren DFG-Forschungsvorhabens eingehender untersucht werden. Desweiteren könnte die Verwendung von ganz gezielt auf den Einsatz in Staggered TCM entworfener Interleaver untersucht werden. Dazu müssten geeignete Designregeln für den Interleaverentwurf erarbeitet werden, die auf die Besonderheiten der Staggered TCM abgestimmt sein müssen. Diese Interleaver könnten dann dazu beitragen, die Restbitfehlerrate nach der Decodierung noch weiter zu reduzieren ohne zusätzlichen Decodieraufwand spendieren zu müssen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Highly bandwidth-efficient concatenated multidimensional trellis coded modulation. In: 11th International OFDM Workshop, Hamburg, Germany, August 2006
A. Hof and G. Richter
- On a construction method of irregular LDPC codes wilhout small stopping sets. In: International Conference on Communications (ICC), Istanbul, Turkey, June 2006
G. Richter and A. Hof
- Optimized puncturing distributions for long LDPC codes and different channels. In: 3rd International Symposium on Wireless Communication Systems, Valencia, Spain, September 2006
G. Richter, A. Hof, and C. Huppert
- Resource allocation for ofdm broadcast channels allowing user-wise coding. In: 3rd International Symposium on Wireless Communication Systems, Valencia, Spain, September 2006
C. Huppert, B. Slender, and A. Hof
- Staggered trellis coded modulation with increased frame-wise memory. In: 3rd International Symposium on Wireless Communication Systems, Valencia, Spain, September 2006
A. Hof, G. Richter, and B. Slender
- Distance spectrum calculation of symbol punctured trellis coded modulation. In: 65th Vehicular Technology Conference, VTC2007-Spring, Dublin, Ireland, April 2007
A. Hof
- On active hamming distance measures for trellis coded modulation. In: IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT 2007), Nice, France, June 2007
A. Hof and M. Bossert
- On Concatenated Coding Schemes Employing Trellis Coded Modulation. PhD thesis, Ulm University, Germany, October 2007
A. Hof
- On the mapping of low-density parity-check codes for bit-interleaved coded modulation. In: IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT2007), Nice, France, June 2007
G. Richter, A. Hof, and M. Bessert
- Woven trellis coded modulation for OFDM-based systems. In: 12th International OFDM Workshop, Hamburg, Germany, August 2007
A. Hof
