多信源协作网络编码与QC-LDPC码的联合设计和迭代译码研究

By combining low density parity check (LDPC) codes with cooperation techniques, LDPC-coded cooperation obtains both high coding gain and diversity gain. Considering the high complexity and high memory consumption of LDPC encoding, we will investigate a kind of quasi-cyclic LDPC (QC-LDPC) codes constructed on the basis of the base matrix and exponent matrix and propose the short-girth cycles cancellation algorithm to improve the coding gain. Furthermore, network coding will be employed in the multisource cooperation system to improve its average throughout. We will focus on the multisource cooperation system based on the network coding and QC-LDPC codes. The overall parity-check matrix, which corresponds to the network coding and QC-LDPC codes employed by the sources and relays, will be derived. Based on the overall parity-check matrix, we will jointly design the network coding and QC-LDPC codes. Based on the equivalent joint Tanner graph corresponding to the overall cooperation system, the efficient iterative decoding for the multisource cooperation system will be performed. Hence, the high diversity gain and coding gain, high average throughout, low implementation complexity and low memory consumption reliable communication system can be achieved.

低密度奇偶校验(Low Density Parity Check, LDPC)编码协作结合了LDPC码技术和协作技术，既能获得LDPC码带来的高编码增益，又能获得协作技术带来的分集增益等优势。针对LDPC码编码复杂度较高、存储空间资源消耗较大的问题，本项目研究一种基阵和指数阵构造的准循环低密度奇偶校验码 (Quasi-Cyclic LDPC, QC-LDPC)，提出短环消除算法进一步提升编码增益。针对多信源协作系统，引入网络编码技术提升系统平均吞吐量。深入研究基于网络编码与QC-LDPC码的多信源协作系统，推导网络编码、信源节点和协作中继采用的QC-LDPC码的联合校验矩阵，基于此校验矩阵，进一步联合设计网络编码与QC-LDPC码；依据整个协作系统的等效联合Tanner图概念，研究高效联合迭代译码算法。从而实现高编码增益与分集增益、高平均吞吐量、低复杂度、低存储资源消耗的可靠通信。

本项目为实现高编码增益与分集增益、高平均吞吐量、低复杂度、低存储资源消耗的可靠通信，围绕多信源协作网络编码与QC-LDPC码的联合设计与迭代译码展开研究，主要完成的研究内容包括以下四方面。（1）研究了基阵指数阵QC-LDPC码的构造。该类QC-LDPC码利用准循环结构，降低了编码复杂度、减少了存储空间资源消耗，同时与传统QC-LDPC 码相比具有更灵活的码长和码率并能实现满秩编码；并进一步对该类QC-LDPC 码进行了消环设计以提升编码增益。（2）研究了多信源协作系统中网络编码与QC-LDPC码的联合设计。针对系统采用基阵指数阵QC-LDPC码、基于生成矩阵QC-LDPC码、准循环重复累积码（QC-RA）码等三种特殊结构QC-LDPC码情形，推导出了对应于目的节点的联合校验矩阵；通过将联合校验矩阵中Type I和Type II两种girth-4环全部消除, 联合设计了网络编码、信源节点和协作中继采用的QC-LDPC码；并进一步将联合设计方法推广到了消除更大围长环 (如girth-6、girth-8、girth-10)的情形。（3）研究了高效联合迭代译码算法。首先，得出就目的节点而言系统的等效联合Tanner 图;其次，基于等效联合Tanner图，提出了联合最小和（MS）迭代译码算法。在双向中继协作情形下，提出了基于最大比合并（MRC）的联合迭代译码算法。每次迭代过程中来自信源和协作中继的多路信号外信息进行了充分互换，加速了译码收敛，降低了译码复杂度，能够获得更优异的译码性能。(4) 为进一步提高系统能效以实现绿色通信理念，延伸研究了基于能量收集的编码协作系统，该系统进一步克服了中继节点能量受限瓶颈，提高了能效，延长了生存时间。分析了基于功率分配协议和天线选择协议下系统的中断概率和误码率性能。项目组完成了预定的研究任务，相关研究成果有望为人们享受更优质的通信服务提供一种可能的候选技术方案。