Turbo产品代码辅助的用于URLLC的时空二维编码MIMO技术

《IEEE Communications Magazine》：Turbo Product Code-Aided Spatiotemporal 2-D Coded MIMO for URLLC

　　

摘要：

第五代移动网络之后的超可靠低延迟通信场景要求将延迟从毫秒级进一步降低，同时保持较低的包错误率。短块长度编码虽然能降低延迟，但会导致性能下降。渐近分析表明，在多输入多输出系统中增加空间自由度有助于在固定块长度和信噪比的情况下实现目标错误率。为接近大规模MIMO系统平均最大可实现信息率的上限，人们提出了时空二维信道编码技术。然而，现有编码方案的性能与理论容量上限之间仍存在较大差距。为弥补这一差距，本文介绍了基于涡轮积码的时空二维编码MIMO系统。文章探讨了基带MIMO收发器的多级设计，包括编码、交织、调制、检测和解码方案，旨在提升TPCAS-MIMO在超可靠低延迟通信中的性能并实现低延迟。与现有技术相比，该方案在64×128 MIMO系统中使用(64, 42)2极化涡轮积码时，可在10??的帧错误率下获得5.5 dB的信噪比提升，使得实际性能与理论容量上限的差距缩小到仅2.5 dB。

引言

超可靠低延迟通信的物理层设计面临着两大相互矛盾的需求：极高的可靠性（10??至10??）以及低于0.1毫秒的超低端到端延迟[1]。第五代移动网络难以满足某些工业和医疗应用对低于0.1毫秒延迟的要求[2]。虽然可以使用短数据包来降低延迟，但这会带来编码增益的显著损失。5G的增强型移动宽带应用中所采用的低密度奇偶校验码就是这种权衡的体现。当将增强型移动宽带应用的信道编码技术扩展到超可靠低延迟通信场景时，有研究指出，在短块长度情况下，低密度奇偶校验码会出现误差阈值问题[3]。对于即将到来的6G技术，其目标之一是实现微秒级延迟的超可靠低延迟通信，这就需要开发出即便在短块长度条件下也能保证高可靠性的信道编码方案。有研究表明，针对短信息块的超可靠低延迟通信信道编码技术还需要进一步研究[3]。经典的香农信息论表明，信息率、延迟和可靠性之间存在性能权衡，而这恰恰不利于短块长度的应用场景[4]。在有限块长度的多输入多输出系统中，也有类似的速度-延迟-可靠性权衡现象，被称为容量崩溃现象，相关研究见[5]。幸运的是，有研究指出，通过增加MIMO系统中的空间自由度，可以在固定块长度和信噪比的情况下实现目标错误率。因此，拥有大量天线以提升空间自由度的大规模MIMO系统有望突破速度-延迟-可靠性权衡的限制，从而实现超可靠低延迟通信。为充分利用空间自由度，人们提出了时空二维信道编码技术[6]，该技术有望帮助接近大规模MIMO系统平均最大可实现信息率的上限。在时空编码中，时间编码对应于一维信道编码，而空间编码则涉及多个比特流。接收端通过在时间和空间域进行联合解码来提升系统性能，同时对每个码字进行并行解码可确保低延迟。尽管具有低延迟的优势，但现有文献中的传统时空二维编码MIMO系统仍无法缩小与理论容量上限的差距。因此，亟需一种新的框架来提升这类系统的纠错性能。