论文部分内容阅读
物理层网络编码（Physical-layer network coding, PNC）因其能有效利用无线信道的自然线性叠加效应来提高多用户无线网络容量而受到广泛关注和深入研究。物理层网络编码技术被认为是未来无线网络、下一代宽带移动通信网和协作通信网中用来有效逼近网络信息容量的关键技术之一。研究具有兼容高斯、衰落信道模型，带宽高效和复杂度可控3大特点的信道编码保护的物理层网络编码技术成为物理层网络编码技术走向实用的关键。目前，信道编码保护的物理层网络编码技术以二进制编码与调制的物理层网络编码、基于二进制编码的高阶调制物理层网络编码和基于格码（Latticecode）的物理层网络编码为主，这些技术难以同时满足物理层网络编码技术实用化所需的上述3大特点。在此背景下，本文以有限域GF(q)上带宽高效非规则重复累积（irregular repeat-accumulate, IRA）编码的物理层网络编码技术为研究重点，所做创新性工作总结如下：1、针对二进制信道编码与调制的物理层网络编码在中高信噪比下带宽利用率低，基于二进制信道编码的高阶调制物理层网络编码无最优译码算法，基于格码的物理层网络编码译码复杂度高或接近信道容量的能力受限的问题，提出基于有限域GF (q), q>2上的带宽高效IRA-PNC方案，以接近加性高斯白噪声（additive whiteGaussian noise, AWGN）双向中继（two-way relay channel, TWRC）信道容量。该方案在两个用户节点采用相同的带宽高效非规则重复累积码，使中继节点可以利用非规则重复累积码的线性特性和无线信道的线性叠加效应直接从接收叠加信号中计算物理层网络编码信息。在该方案下，首先设计了含加权合并-累加器和随机陪集（random-coset）映射机制的带宽高效非规则重复累积码；然后提出了TWRC下中继节点直接从叠加信号中恢复物理层网络编码信息的算法。为了分析和优化带宽高效IRA-PNC方案，首先将全零码假设（all-zero codeword assumption）分析方法扩展到TWRC下，然后利用带宽高效非规则重复累积编码器结构给中继节点译码器消息分布带来的对称性（symmetry property）和置换不变性（permutation-invariant property），以及译码器消息分布的高斯近似，将外在信息传输图（extrinsic information transferchart, EXIT chart）分析优化方法扩展到TWRC带宽高效IRA-PNC方案中。仿真结果表明，带宽高效IRA-PNC方案能够实现距加性高斯白噪声TWRC信道容限1dB以内的性能。2、为解决加性高斯白噪声TWRC模型适用范围较窄和基于格码的计算-转发架构复杂度过高的问题，提出基于带宽高效非规则重复累积码的线性物理层网络编码（linear physical-layer network coding, LPNC）方案（带宽高效IRA-LPNC方案），以接近慢衰落TWRC的中断容量。首先推导了瑞利慢衰落TWRC下中继节点和用户节点的误包率下界；在给出线性物理层网络编码模型的基础上，着重分析了线性物理层网络编码方案中继节点基于集合分割的线性物理层网络编码信息计算算法及该算法下中继节点计算线性物理层网络编码信息的错误概率；以最小化中继节点计算线性物理层网络编码信息的错误概率为准则，提出了最大化最小分组距离的线性物理层网络编码渐进优化设计方法；最后提出了带宽高效IRA-LPNC方案的中继节点译码算法。仿真结果显示，采用GF(3)上码率3/4的带宽高效IRA-LPNC方案达到了距离中断容限1.2dB的性能；与传统物理层网络编码方案相比，本方案带来了大于4.5dB的增益。3、针对TWRC模型仅包含两个用户，适用范围有必要进一步扩大的问题，提出针对多用户访问中继网络的带宽高效IRA-LPNC方案，以提升多用户访问中继网络性能。在定义多用户访问中继网络模型的基础上，提出了中继节点计算线性物理层网络编码信息的联合最大后验概率和分量最大后验概率算法，提出了信宿节点包含“边带信息”的联合最大后验概率算法；然后证明了在中高信噪比条件下，最小化中继节点计算线性物理层网络编码信息的错误概率才能最小化信宿恢复用户信息的错误概率；通过定义线性物理层网络编码分组距离谱和最小分组距离，推导出中继节点计算线性物理层网络编码信息的错误概率；然后通过最大化最小分组距离提出了多用户访问中继网络中继节点计算多个优化线性物理层网络编码信息的算法；最后提出了带宽高效IRA-LPNC方案下中继节点和信宿节点的译码算法。仿真结果显示，在4个单天线用户、中继和信宿均为双天线的中继网络中，本文所提带宽高效IRA-LPNC方案相对中继节点采用译码-转发的方案具有2dB以上的优势。