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资源说明：内容为pdf文字版介绍5G的编码与调制,主体为turbo吗,也介绍了BCH码和LDPC码
1 Historical Perspective, Motivation and Outline 1
1.1 AHistoricalPerspective onChannelCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 A Historical Perspective on Coded Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Motivation for thisBook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Organisationof theBook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 NovelContributions of theBook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Convolutional Channel Coding 13
2.1 BriefChannelCodingHistory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 ConvolutionalEncoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 State and Trellis Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 TheViterbiAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.1 Error-free Hard-decision Viterbi Decoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.2 ErroneousHard-decisionViterbiDecoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.3 Error-free Soft-decision Viterbi Decoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Summary andConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3 Soft Decoding and Performance of BCH Codes 25
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 BCHcodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.1 BCHEncoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.2 State and Trellis Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 Trellis Decoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.2 ViterbiAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.3 Hard-decisionViterbiDecoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.3.1 CorrectHard-decisionDecoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.3.2 IncorrectHard-decisionDecoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.4 Soft-decisionViterbiDecoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.5 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.5.1 TheBerlekamp–MasseyAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.5.2 Hard-decisionViterbiDecoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.5.3 Soft-decisionViterbiDecoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.6 Conclusion onBlockCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4 Soft-input Algebraic Decoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.2 ChaseAlgorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4.2.1 ChaseAlgorithm1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.2.2 ChaseAlgorithm2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.3 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.5 SummaryandConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Part I Turbo Convolutional and Turbo Block Coding 51
4 Turbo Convolutional Coding 53
J. P. Woodard and L. Hanzo
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 TurboEncoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3 TurboDecoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.2 Log-likelihood Ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3.3 TheMaximumAPosterioriAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.3.1 Introduction and Mathematical Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.3.2 Forward Recursive Calculation of the αk(s)Values . . . . . . . . . . . 62
4.3.3.3 Backward Recursive Calculation of the βk(s)Values . . . . . . . . . . 62
4.3.3.4 Calculation of the γk(`s, s)Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.3.5 Summary of theMAPAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3.4 IterativeTurboDecodingPrinciples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3.4.1 TurboDecodingMathematicalPreliminaries . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3.4.2 IterativeTurboDecoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.3.5 Modifications of theMAPAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3.5.2 MathematicalDescriptionof theMax-Log-MAPAlgorithm . . . . . . . 72
4.3.5.3 Correcting theApproximation –theLog-MAPAlgorithm . . . . . . . . 74
4.3.6 TheSoft-outputViterbiAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3.6.1 MathematicalDescriptionof theSoft-outputViterbiAlgorithm . . . . . 75
4.3.6.2 Implementation of theSOVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3.7 TurboDecodingExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3.8 Comparison of the Component Decoder Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.4 Turbo-codedBPSKPerformanceoverGaussianChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.4.1 Effectof theNumber of IterationsUsed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.4.2 Effects ofPuncturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4.3 Effect of the Component Decoder Used . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.4.4 Effectof theFrameLengthof theCode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4.5 The Component Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.4.6 Effectof the Interleaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.4.7 Effect of Estimating the Channel Reliability Value Lc . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.5 TurboCodingPerformanceoverRayleighChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.5.2 Performance overPerfectlyInterleavedNarrowbandRayleighChannels . . . . . . 105
4.5.3 Performance overCorrelatedNarrowbandRayleighChannels . . . . . . . . . . . 107
4.6 SummaryandConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Turbo BCH Coding 109
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2 TurboEncoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.3 TurboDecoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.3.1 Summary of theMAPAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.3.2 TheSoft-outputViterbiAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.3.2.1 SOVADecodingExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.4 TurboDecodingExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.5 MAPAlgorithmforExtendedBCHCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.5.2 ModifiedMAPAlgorithm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.5.2.1 TheForwardandBackwardRecursion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.5.2.2 Transition Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.5.2.3 A-posteriori Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.5.3 Max-Log-MAP andLog-MAPAlgorithms forExtendedBCHCodes . . . . . . . 128
5.6 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.6.1 Number of IterationsUsed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.6.2 TheDecodingAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.6.3 The Effect of Estimating the Channel Reliability Value Lc . . . . . . . . . . . . . 133
5.6.4 TheEffect ofPuncturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.6.5 TheEffect of the InterleaverLength of theTurboCode . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.6.6 TheEffect of the InterleaverDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.6.7 The Component Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.6.8 BCH(31, k, dmin)FamilyMembers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.6.9 Mixed Component Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.6.10 ExtendedBCHCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.6.11 BCH Product Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.7 Summary andConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Part II Space–time Block and Space–time Trellis Coding 147
6 Space–time Block Codes 149
6.1 ClassificationofSmartAntennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.2 Introduction to Space–time Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.3 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.3.1 MaximumRatioCombining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.4 Space–time Block Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.4.1 A Twin-transmitter-based Space–time Block Code . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.4.1.1 The Space–time Code G2 Using One Receiver . . . . . . . . . . . . . 154
6.4.1.2 The Space–time Code G2 Using Two Receivers . . . . . . . . . . . . . 156
6.4.2 Other Space–time Block Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.4.3 MAP Decoding of Space–time Block Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.5 Channel-coded Space–time Block Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.5.1 SystemOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.5.2 ChannelCodecParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.5.3 Complexity Issues andMemoryRequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.6 PerformanceResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.6.1 Performance Comparison of Various Space–time Block Codes Without Channel
Codecs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.6.1.1 Maximum Ratio Combining and the Space–time Code G2 . . . . . . . 168
6.6.1.2 Performanceof 1BPSSchemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.6.1.3 Performanceof 2BPSSchemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.6.1.4 Performance of 3BPSSchemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.6.1.5 Channel-coded Space–time Block Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.6.2 Mapping Binary Channel Codes to Multilevel Modulation . . . . . . . . . . . . . 174
6.6.2.1 TurboConvolutionalCodes:Data andParityBitMapping . . . . . . . . 175
6.6.2.2 TurboConvolutionalCodes: InterleaverEffects . . . . . . . . . . . . . 177
6.6.2.3 TurboBCHCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.6.2.4 ConvolutionalCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.6.3 Performance Comparison of Various Channel Codecs Using the G2 Space–time
Code and Multilevel Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.6.3.1 Comparison ofTurboConvolutionalCodes . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.6.3.2 Comparison of Different-rate TC(2, 1, 4)Codes . . . . . . . . . . . . . 183
6.6.3.3 ConvolutionalCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.6.3.4 G2-coded Channel Codec Comparison: Throughput of 2 BPS . . . . . . 185
6.6.3.5 G2-coded Channel Codec Comparison: Throughput of 3BPS . . . . . . 187
6.6.3.6 Comparison of G2-codedHigh-rateTCandTBCHCodes . . . . . . . 187
6.6.3.7 Comparison ofHigh-rateTCandConvolutionalCodes . . . . . . . . . 188
6.6.4 CodingGainversusComplexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.6.4.1 ComplexityComparison ofTurboConvolutionalCodes . . . . . . . . . 189
6.6.4.2 ComplexityComparison ofChannelCodes . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.7 SummaryandConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
7 Space–time Trellis Codes 195
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
7.2 Space–time Trellis Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7.2.1 The 4-state, 4PSK Space–time Trellis Encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7.2.1.1 The 4-state, 4PSK Space–time Trellis Decoder . . . . . . . . . . . . . . 198
7.2.2 Other Space–time Trellis Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.3 Space–time-coded Transmission over Wideband Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.3.1 SystemOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
7.3.2 Space–time and Channel Codec Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
7.3.3 Complexity Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.4 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
7.4.1 Space–time Coding Comparison: Throughput of 2 BPS . . . . . . . . . . . . . . 207
7.4.2 Space–time Coding Comparison: Throughput of 3 BPS . . . . . . . . . . . . . . 210
7.4.3 The Effect of Maximum Doppler Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.4.4 TheEffectofDelaySpreads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.4.5 DelayNon-sensitiveSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.4.6 The Wireless Asynchronous Transfer Mode System . . . . . . . . . . . . . . . . 220
7.4.6.1 Channel-coded Space–time Codes: Throughput of 1 BPS . . . . . . . . 221
7.4.6.2 Channel-coded Space–time Codes: Throughput of 2BPS . . . . . . . . 221
7.5 Space–time-coded Adaptive Modulation for OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.5.2 Turbo-coded and Space–time-coded AOFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.5.3 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.5.3.1 Space–time-coded AOFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.5.3.2 Turbo- and Space–time-coded AOFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
7.6 SummaryandConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
8 Turbo-coded Adaptive Modulation versus Space–time Trellis Codes for Transmission
over Dispersive Channels 233
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
8.2 SystemOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.2.1 SISOEqualiser andAQAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.2.2 MIMOEqualiser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
8.3 SimulationParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
8.4 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
8.4.1 Turbo-coded Fixed Modulation Mode Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
8.4.2 Space–time Trellis Code Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
8.4.3 Adaptive Quadrature Amplitude Modulation Performance . . . . . . . . . . . . . 245
8.5 Summary andConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
Part III Turbo Equalisation 253
9 Turbo-coded Partial-response Modulation 255
9.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
9.2 TheMobileRadioChannel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
9.3 Continuous Phase Modulation Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
9.4 Digital Frequency Modulation Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
9.5 StateRepresentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
9.5.1 MinimumShiftKeying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
9.5.2 GaussianMinimumShiftKeying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
9.6 SpectralPerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
9.6.1 PowerSpectralDensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
9.6.2 FractionalOut-of-bandPower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
9.7 Construction of Trellis-based Equaliser States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
9.8 Soft-outputGMSKEqualiser andTurboCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
9.8.1 Background and Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
9.8.2 Soft-outputGMSKEqualiser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
9.8.3 TheLog-MAPAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
9.8.4 Summary of theLog-MAPAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
9.8.5 Complexity ofTurboDecoding andConvolutionalDecoding . . . . . . . . . . . 282
9.8.6 SystemParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.8.7 TurboCodingPerformanceResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
9.9 Summary andConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
10 Turbo Equalisation for Partial-response Systems 289
10.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
10.2 Principle of Turbo Equalisation Using Single/Multiple Decoder(s) . . . . . . . . . . . . . 292
10.3 Soft-in/Soft-outEqualiser forTurboEqualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
10.4 Soft-in/Soft-outDecoder forTurboEqualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
10.5 TurboEqualisationExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
10.6 Summary ofTurboEqualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
10.7 Performance ofCodedGMSKSystemsUsingTurboEqualisation . . . . . . . . . . . . . 314
10.7.1 Convolutional-codedGMSKSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
10.7.2 Convolutional-coding-based Turbo-codedGMSKSystem . . . . . . . . . . . . . 315
10.7.3 BCH-coding-basedTurbo-codedGMSKSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
10.8 Discussion ofResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
10.9 Summary andConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
11 Comparative Study of Turbo Equalisers 325
11.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
11.2 SystemOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
11.3 SimulationParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
11.4 Results andDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
11.4.1 Five-pathGaussianChannel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
11.4.2 EquallyWeightedFive-pathRayleighFadingChannel . . . . . . . . . . . . . . . 332
11.5 Non-iterative JointChannelEqualisationandDecoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
11.5.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
11.5.2 Non-iterativeTurboEqualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
11.5.3 Non-iterative Joint Equalisation/Decoding Using a 2 × N Interleaver . . . . . . . 339
11.5.4 Non-iterativeTurboEqualiserPerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
11.5.4.1 Effect of InterleaverDepth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
11.5.4.2 TheM-algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
11.6 SummaryandConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
12 Reduced-complexity Turbo Equaliser 347
12.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
12.2 Complexity of the Multilevel Full-response Turbo Equaliser . . . . . . . . . . . . . . . . 348
12.3 SystemModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
12.4 In-phase/Quadrature-phase EqualiserPrinciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
12.5 Overviewof theReduced-complexityTurboEqualiser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
12.5.1 Conversion of theDFESymbolEstimates toLLRs . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
12.5.2 Conversion of theDecoderAPosterioriLLRs intoSymbols . . . . . . . . . . . . 354
12.5.3 DecouplingOperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
12.6 Complexityof the In-phase/Quadrature-phase TurboEqualiser . . . . . . . . . . . . . . . 358
12.7 SystemParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
12.8 SystemPerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
12.8.1 4-QAMSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
12.8.2 16-QAMSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
12.8.3 64-QAMSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
12.9 SummaryandConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
13 Turbo Equalisation for Space–time Trellis-coded Systems 369
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
13.2 SystemOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
13.3 Principleof In-phase/Quadrature-phase TurboEqualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
13.4 ComplexityAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
13.5 Results andDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
13.5.1 Performance versusComplexityTrade-off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
13.5.2 Performance ofSTTCSystems overChannelswithLongDelays . . . . . . . . . 381
13.6 SummaryandConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
Part IV Coded and Space–time-Coded Adaptive Modulation:
TCM, TTCM, BICM, BICM-ID and MLC 385
14 Coded Modulation Theory and Performance 387
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
14.2 Trellis-coded Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
14.2.1 TCMPrinciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
14.2.2 OptimumTCMCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
14.2.3 TCMCodeDesignforFadingChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
14.2.4 Set Partitioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
14.3 TheSymbol-basedMAPAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
14.3.1 ProblemDescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
14.3.2 DetailedDescriptionof theSymbol-basedMAPAlgorithm . . . . . . . . . . . . 398
14.3.3 Symbol-basedMAPAlgorithmSummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
14.4 Turbo Trellis-coded Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
14.4.1 TTCMEncoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
14.4.2 TTCMDecoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
14.5 Bit-interleaved Coded Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
14.5.1 BICMPrinciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
14.5.2 BICMCodingExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
14.6 Bit-interleaved Coded Modulation Using Iterative Decoding . . . . . . . . . . . . . . . . 411
14.6.1 Labelling Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
14.6.2 InterleaverDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
14.6.3 BICM-IDCodingExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
14.7 Coded Modulation Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
14.7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
14.7.2 Coded Modulation in Narrowband Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
14.7.2.1 SystemOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
14.7.2.2 SimulationResults andDiscussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
14.7.2.2.1 Coded Modulation Performance over AWGN Channels . . . . 420
14.7.2.2.2 Performance over Uncorrelated Narrowband Rayleigh Fading
Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
14.7.2.2.3 Coding Gain versus Complexity and Interleaver Block Length 423
14.7.2.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
14.7.3 Coded Modulation in Wideband Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
14.7.3.1 Inter-symbol Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
14.7.3.2 DecisionFeedbackEqualiser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
14.7.3.2.1 DecisionFeedbackEqualiserPrinciple . . . . . . . . . . . . . 429
14.7.3.2.2 EqualiserSignal-to-noiseRatioLoss . . . . . . . . . . . . . . 431
14.7.3.3 Decision Feedback Equaliser Aided Adaptive Coded Modulation . . . . 432
14.7.3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
14.7.3.3.2 SystemOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
14.7.3.3.3 Fixed-modePerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
14.7.3.3.4 SystemI andSystemIIPerformance . . . . . . . . . . . . . . 435
14.7.3.3.5 OverallPerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
14.7.3.3.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
14.7.3.4 Orthogonal Frequency Division Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . 442
14.7.3.4.1 Orthogonal Frequency Division Multiplexing Principle . . . . 442
14.7.3.5 Orthogonal Frequency Division Multiplexing Aided Coded Modulation . 444
14.7.3.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
14.7.3.5.2 SystemOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
14.7.3.5.3 SimulationParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
14.7.3.5.4 SimulationResults andDiscussions . . . . . . . . . . . . . . 445
14.7.3.5.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
14.8 Near-capacity Turbo Trellis-coded Modulation Design Based on EXIT Charts and Union
Bounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
14.8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
14.8.2 SystemModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
14.8.3 Symbol-based Union Bounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
14.8.3.1 TCMDistanceSpectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
14.8.3.2 TTCMDistanceSpectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
14.8.4 Symbol-basedEXITCharts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
14.8.5 Constituent Code Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
14.8.5.1 CodeSearchAlgorithm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
14.8.6 Results andDiscussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
14.8.7 Conclusions onNear-capacityTTCMDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
14.8.8 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
14.9 Summary andConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
15 Multilevel Coding Theory 465
15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
15.2 Multilevel Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
15.2.1 Signal Labelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
15.2.2 EquivalentChannel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
15.2.3 Decoding ofMLCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
15.2.3.1 Parallel IndependentDecoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
15.2.3.2 Multistage Decoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
15.2.4 MAPDecoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
15.2.5 Code-rateDesignRules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
15.2.5.1 CapacityBasedCode-rateDesignRule . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
15.2.5.2 BalancedDistanceBasedCode-rateRule . . . . . . . . . . . . . . . . 476
15.2.6 UnequalErrorProtection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
15.3 Bit-interleaved Coded Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
15.4 Bit-interleaved Coded Modulation Using Iterative Decoding . . . . . . . . . . . . . . . . 483
15.4.1 Mapping Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
15.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
16 MLC Design Using EXIT Analysis 489
16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
16.2 Comparative Study of Coded Modulation Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
16.2.1 SystemOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
16.2.2 SystemParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
16.2.3 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
16.3 EXIT-chartAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
16.3.1 Mutual Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
16.3.1.1 InnerDemapper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
16.3.1.2 OuterDecoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
16.3.2 Performance ofBICM-ID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
16.3.3 Performance ofMLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
16.4 Precoder-aidedMLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
16.4.1 SystemOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
16.4.2 EXITChart-basedConvergenceAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
16.4.3 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
16.5 ChapterConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
17 Sphere Packing-aided Space–time MLC/BICMDesign 515
17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
17.2 Space–time Block Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
17.3 Orthogonal G2DesignUsingSpherePacking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
17.3.1 SPConstellationPoints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
17.4 IterativeDemapping forSpherePacking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
17.4.1 Example of Iterative Decoding for M = 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
17.5 STBC-SP-MLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
17.5.1 SystemOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
17.5.2 EquivalentCapacityDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
17.5.3 Bit-to-SP-symbolMapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
17.5.3.1 TheBinarySwitchingAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530
17.5.4 UnequalErrorProtection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
17.5.5 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534
17.6 STBC-SP-BICM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539
17.6.1 SystemOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539
17.6.2 Mapping Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540
17.6.3 Complexity Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
17.6.4 EXITAnalysis-aidedSTBC-SP-BICMDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
17.6.5 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544
17.7 ChapterConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
18 MLC/BICMSchemes for theWireless Internet 549
18.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549
18.2 Multilevel Generalised Low-density Parity-check Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
18.2.1 GLDPCStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
18.2.2 GLDPCEncoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
18.2.3 GLDPCDecoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
18.2.4 GLDPCCodeRate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
18.2.5 Modulation and Demodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
18.2.6 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555
18.3 An Iterative Stopping Criterion for MLC-GLDPCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
18.3.1 GLDPC Syndrome Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
18.3.2 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
18.4 Coding for theWireless Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
18.4.1 Fountain Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
18.4.1.1 Random Linear Fountain Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
18.4.2 LTCode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
18.4.2.1 DegreeOfDistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
18.4.2.2 ImprovedRobustDistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566
18.4.3 LT-BICM-IDSystemOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567
18.4.4 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
18.5 LT-BICM-ID Using LLR Packet Reliability Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572
18.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572
18.5.2 SystemOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
18.5.3 EstimationScheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
18.5.4 Bit-by-bitLTDecoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577
18.5.5 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
18.6 ChapterConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
19 Near-capacity Irregular BICM-ID Design 583
19.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
19.2 Irregular Bit-interleaved Coded Modulation Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584
19.2.1 SystemOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584
19.3 EXIT-chartAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586
19.3.1 AreaProperty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
19.4 Irregular Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
19.4.1 Irregular Outer Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588
19.4.2 Irregular Inner Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589
19.4.3 EXIT-chartMatching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592
19.5 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594
19.6 ChapterConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600
20 Summary and Conclusions 603
20.1 Summary of theBook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603
20.2 FutureWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618
20.3 ConcludingRemarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619
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