A Bit-Level-Based Approach to Coded Multicarrier Transmission

Eine Bit-Level-basierte Untersuchung codierter Mehrträgerübertragung

  • In this thesis bit-interleaved coded multicarrier transmission at high spectral efficiency is studied from a bit-level perspective. The analysis is based on an equivalent representation of the cascade of bit mapping and channel by a set of parallel binary-input channels, the so-called bit levels. This alternative representation was introduced in the context of bit-interleaved coded modulation and multilevel codes. By use of the chain rule of information theory, this model also allows for an intuitive and plausible approach to bit-interleaved coded multicarrier transmission. For the sake of low complexity and low latency, the system implementations considered in this thesis are restricted to In this thesis bit-interleaved coded multicarrier transmission at high spectral efficiency is studied from a bit-level perspective. The analysis is based on an equivalent representation of the cascade of bit mapping and channel by a set of parallel binary-input channels, the so-called bit levels. This alternative representation was introduced in the context of bit-interleaved coded modulation and multilevel codes. By use of the chain rule of information theory, this model also allows for an intuitive and plausible approach to bit-interleaved coded multicarrier transmission. For the sake of low complexity and low latency, the system implementations considered in this thesis are restricted to non-iterative variants of BICM. Terminated convolutional codes in combination with a simple Viterbi decoder are employed for the coding scheme. Furthermore, the use of square QAM signal constellations is assumed to achieve the required high spectral efficiencies. Our considerations are mainly founded on variables initially defined for the description of the equivalent channel model. In particular, we utilize the bit-level capacity and the parallel-decoding capacity in order to evaluate the multicarrier system and its individual building blocks. The investigations are first limited to a single carrier of the multicarrier system and start with the introduction and a thorough analysis of the equivalent channel model. The latter's characteristics, especially the parallel-decoding capacity, strongly depend on the employed bit mapping. We assess several binary labeling rules with regard to this quantity and provide optimal solutions. The presented results disprove (respectively specify) a conjecture alleged by Caire et al. which has gone unchallenged since its publication in 1998. Subsequently, the study of the equivalent channel model is extended to the bit error ratio of uncoded transmission. The bit error ratio is traced back and related to the individual level-dependent bit error ratios. Exploiting a numerically established relation between bit-level capacity and level-dependent bit error ratio, the findings on bit mappings optimal in terms of the parallel-decoding capacity can be transferred to the bit error ratio and vice versa. These results show a significant relation between maximum parallel-decoding capacity and minimum bit error ratio which in the following is exploited for the optimization of (uncoded) multicarrier transmission. The connection between these two quantities allows for a novel, slightly different approach to the issue of rate allocation over parallel subchannels. Motivated by the equivalent channel model, we provide new, very efficient rate allocation algorithms applicable for both, coded and uncoded transmission. The related problem of distributing the transmit power over the individual carriers is also analyzed with regard to the quantities bit-level capacity and parallel-decoding capacity. Several strategies known in the literature are classified in these terms. The remainder of the thesis focuses on aspects of coded transmission. First, the bit-metric computation performed at the receiver is looked at from the bit-level perspective. The impact of a commonly employed simplified metric computation on the results of transmission with large signal constellations and the level-dependent average reliability of the bit metrics are of particular interest in this context. The insights obtained on the bit-metric reliability represent the foundation of the studies performed in the last part of this thesis, where the design of the bit interleavers is analyzed. Using the bit-level capacity as a figure of merit for the average reliability of the bit metrics, the Viterbi decoder used at the receiver and its sliding processing-window characteristics are studied. The latter immediately entails an optimization objective for the bit-interleaver design. The two general solutions to this problem presented in this thesis mainly differ in the availability of channel state information at the transmitter side. Adaptive bit interleaving utilizing channel knowledge for the arrangement of the bit metrics yields significant gains over global random bit interleaving. Intralevel bit interleaving just exploiting the knowledge of the bit level indices also outperforms conventional interleaver designs. Finally, the combination of bit-interleaved coded multicarrier modulation and rate and power loading is discussed. For larger signal constellations in particular the rate adaptation is shown to be not rewarding if not even counterproductive. Power loading may lead to small gains, though.show moreshow less
  • In der vorliegenden Arbeit wird codierte Mehrträgerübertragung bei hoher spektraler Effizienz anhand der sog. Bitlevels untersucht. Die Analyse basiert auf einer alternativen Darstellung der Zuordnung von Bits zu Kanalsymbolen und Kanal, durch eine Menge von parallelen Teilkanälen mit binärem Eingang, den Bitlevels. Dieses äquivalente Kanalmodell wurde in Zusammenhang mit Multilevelcodierung bzw. Bit-Interleaved Coded Modulation (BICM) eingeführt. Das Modell baut einer einfachen Anwendung der Kettenregel der Informationstheorie auf und ermöglicht einen intuitiven und eingängigen Zugang zu codierter Mehrträgerübertragung. Um die Komplexität und Latenzzeit der untersuchten Verfahren gering zu In der vorliegenden Arbeit wird codierte Mehrträgerübertragung bei hoher spektraler Effizienz anhand der sog. Bitlevels untersucht. Die Analyse basiert auf einer alternativen Darstellung der Zuordnung von Bits zu Kanalsymbolen und Kanal, durch eine Menge von parallelen Teilkanälen mit binärem Eingang, den Bitlevels. Dieses äquivalente Kanalmodell wurde in Zusammenhang mit Multilevelcodierung bzw. Bit-Interleaved Coded Modulation (BICM) eingeführt. Das Modell baut einer einfachen Anwendung der Kettenregel der Informationstheorie auf und ermöglicht einen intuitiven und eingängigen Zugang zu codierter Mehrträgerübertragung. Um die Komplexität und Latenzzeit der untersuchten Verfahren gering zu halten, beschränken sich die betrachteten Realisierungen auf nicht-iterative Varianten von BICM. Für die Codierung werden Faltungscodes in Kombination mit einem einfachen Viterbidecoder verwendet. Um die geforderte hohe spektrale Effizienz zu erreichen, wird die Verwendung quadratischer QAM-Signalkonstellationen angenommen. Die Überlegungen in dieser Arbeit basieren hauptsächlich auf Größen, die ursprünglich für die Beschreibung des äquivalenten Kanalmodells definiert wurden. Insbesondere werden die Bitlevelkapazität und die sog. Kapazität bei parallelem Decodieren für die Bewertung des Mehrträgersystems und seiner einzelnen Bestandteile genutzt. Die Untersuchungen beschränken sich zunächst auf einen einzelnen Träger des Mehrträgersystems und beginnen mit der Einführung und einer eingehenden Analyse des äquivalenten Kanalmodells. Die Eigenschaften des letzteren, insbesondere die Kapazität bei parallelem Decodieren, sind stark von der verwendeten Zuordnung der Bits zu Kanalsymbolen abhängig. Es werden mehrere Zuordungsvorschriften (Mappings) bezüglich dieser Größe untersucht und optimale Lösungen ermittelt. Die vorgestellten Resultate widerlegen bzw. präzisieren eine Vermutung, die von Caire et al. im Jahr 1998 aufgestellt und seitdem nicht näher untersucht wurde. Anschließend wird die Untersuchung des äquivalenten Kanalmodells auf die Bitfehlerrate uncodierter Übertragung erweitert. Dabei wird die Gesamtfehlerrate des Systems auf die individuellen Fehlerraten der Teilkanäle zurückgeführt. Durch Ausnutzung einer numerisch begründeten Beziehung zwischen Bitlevelkapazität und der Bitfehlerrate eines Levels, können die Ergebnisse der Bitzuordnung in Bezug auf die Kapazität bei parallelem Decodieren auf die Optimierung der Gesamtbitfehlerrate übertragen werden. Die Resultate zeigen eine gute Übereinstimmung der Optimierungskriterien maximale Kapazität bei parallelem Decodieren und minimale Gesamtbitfehlerrate, welche im Folgenden für die Optimierung (uncodierter) Mehrträgerübertragung genutzt wird. Die Beziehung zwischen diesen beiden Größen ermöglicht eine neuartige Herangehensweise an die Problematik der Ratenzuteilung bei Übertragung über parallele Teilkanäle. Motiviert durch das äquivalente Kanalmodell werden neue, sehr effiziente Ratenzuteilungsalgorithmen, sowohl für uncodierte, als auch codierte Übertragung eingeführt. Die verwandte Fragestellung einer optimalen Verteilung der Sendeleistung über die Träger wird ebenso anhand der Größen Bitlevelkapazität bzw. Kapazität bei parallelem Decodieren analysiert. Entsprechende, aus der Literatur bekannte, Strategien werden in dieser Hinsicht bewertet. Im verbleibenden Teil der Arbeit wird auf Aspekte codierter Übertragung eingegangen. Zuerst wird die Metrikberechnung am Empfänger aus Sicht der Bitlevel betrachtet. Dabei sind der Einfluss der gewöhnlich benutzten vereinfachten Metrikberechnung auf die Resultate bei Übertragung mit großen Signalkonstellationen und die Level-abhängige Zuverlässigkeit der Bitmetrik von besonderem Interesse. Die erhaltenen Einblicke stellen die Grundlage für die weiteren Untersuchungen dar, die dem Design der Bitinterleaver gewidmet sind. Der im Übertragungsszenario angenommene Viterbidecoder wird unter Zuhilfenahme der Bitlevelkapazität bzw. der Kapazität bei parallelem Decodieren analysiert und die begrenzte Einflusslänge der zu decodierenden Sequenz auf das Decodierergebnis wird herausgestellt. Letztere erlaubt die Formulierung eines Optimierungskriteriums für das Design von Interleavern. In der Arbeit werden zwei grundsätzliche Lösungen für dieses Problem vorgestellt, die sich hauptsächlich durch das Vorhandensein von Kanalzustandsinformation am Sender unterscheiden. Adaptives Bitinterleaving nutzt die Kanalzustandsinformation für eine vorteilhafte Anordnung der Bitmetriken und führt zu deutlichen Verbesserungen im Vergleich zum üblicherweise praktizierten globalen Zufallsinterleaving. Sogar die einfache Ausnutzung der Bitlevelindizes für das Design des Interleavers zeigt immer noch eindrucksvolle Gewinne. wird die Kombination von codierter Mehrträgerübertragung mit Raten- und Leistungsladen untersucht. Für größere Signalkonstellationen kann gezeigt werden, dass insbesondere Ratenladen nicht notwendigerweise vorteilhaft, möglicherweise sogar nachteilig ist. Durch Leistungsladen können jedoch auch hier kleine Gewinne erzielt werden.show moreshow less

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Metadaten
Author:Clemens Stierstorfer
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-13955
Advisor:Robert Fischer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2009
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2009/07/09
Release Date:2009/08/03
Tag:BICM; Bitmapping; Faltungscode
BICM; OFDM; bit interleaver; bit mapping; covolutional code
SWD-Keyword:Interleaving; OFDM; Quadraturmodulation; Trelliscodierte Modulation; Viterbi-Algorithmus
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access

$Rev: 13581 $