喷泉码技术及其在无线通信系统中的应用研究

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随着互联网和通信技术的快速发展,各种基于网络传输的语音、图像及视频文件的对于通信速率的要求不断提高;数字信号在传输中往往受到各种干扰而产生误码,差错编码技术作为一种重要的抗干扰手段,在数字通信技术领域受到广泛关注;其核心思想就是在发送端对原始数据进行重复、交织、打孔、随机化等处理来添纠错信息;接收端根据发送端添加的纠错信息及相关纠错算法来校正接收数据中的错误信息,以尽量小的冗余度代价来增强通信过程中抗干扰的能力。喷泉码作为近十年间出现的新型低密度线性分组编码,其具有的无码率特性能够自适应地根据信道环境进行不同链路编码速率的匹配,特别适用于广播通信及大规模数据分发。喷泉码编译码计算复杂度与码长成线性函数关系,算法简单及性能优异的特点使其受到了国内外学者的广泛关注和深入研究。本论文在已有的喷泉码理论及应用的基础上,首先研究了一类基于中国剩余定理的新型喷泉码,提出采用扩展欧几里德定理提升其译码性能,接着将基于模运算喷泉码用于多载波无线通信系统中改善其峰均比性能,提升其系统误码率性能,最后研究了基于喷泉码的级联编码系统,将喷泉码应用于差分跳频无线通信系统,设计了一种软输出维特比的解码算法,改善其抗部分频带干扰性能。全文研究内容和主要贡献如下:(1)针对中国剩余定理在模运算喷泉码译码过程中的固有不足,本文提出一种基于扩展欧几里德定理的译码算法。该算法采用合并线性同余方程组,避免分解因子非互质情况下求解乘率因子失败的问题。模运算喷泉码将信息数据编码为自然数分解因子和相对应的模余数的数据包,接收方只要获取一定数目的编码数据包就能成功解码。基于扩展欧几里德定理的译码算法扩展了模运算喷泉码的分解因子范围,提高了编译码效率,本文通过理论分析和数值仿真验证了这种编译码算法的可行性。(2)针对非连续正交频分复用(NCOFDM)系统具有边带功率(Sidelobe power)大及峰均比(PeaktoAveragePowerRatio,PAPR)高等问题,提出一种基于喷泉码的改进算法,采用喷泉多选择序列算法,通过喷泉编码及序列映射的思想,降低边带功率及系统PAPR。仿真实验表明,喷泉编码改进算法能有效减少NCOFDM系统中感知用户对于授权用户(licensed user)的干扰,通过喷泉编码设定目标PAPR将NCOFDM系统PAPR控制在合理范围内,从而有效解决NCOFDM信号放大失真问题,提升系统整体性能。(3)将改进模运算喷泉码应用于多载波通信系统,在删除信道环境中研究和仿真验证其性能。由于改进模运算喷泉码每个接收数据包都直接参与译码,译码效率较高,所以为了正确传输一定数目的数据包,在相同译码冗余度情况下,对比鲁棒孤子喷泉码及Raptor喷泉码,改进模运算喷泉码重传数据包个数更少、吞吐量更高,说明模运算喷泉码译码效率高于传统喷泉码。(4)为了改善差分跳频(Differential Frequency Hopping,DFH)系统抗部分频带干扰性能,提出一种将喷泉码(Fountain code,FC)应用于DFH的喷泉码差分跳频(Fountain code-differential frequency hopping,Fountain-DFH)级联编码系统;在加性高斯白噪声信道(Additive White Gaussian Channel,AWGN)下研究其抗部分频带干扰的性能;对Fountain-DFH抗干扰性能在有精确干扰状态(jammer state information,JSI)和无精确干扰状态两种情况下进行了理论分析和数值仿真。仿真总频点数m为32,结果表明:当存在精确JSI信息时,干扰频点n为32点干扰,误码率为10-4情况下,Fountain-DFH系统相对普通DFH系统信干比有2~2.5dB的性能改善;在干扰频点数n为1时有10~12dB的改进。当无JSI信息时,提出一种跳频训练序列的JSI估计译码算法,使Fountain-DFH系统较准确获取JSI信息,具有较强抗干扰能力。
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