基于重叠复用原理的高效无线传输技术研究

The overlapped multiplexing principle reveals that the overlapping between consecutive and adjacent data in any system is never interference but a beneficial coding constraint relation offering useful coding gain. A simple way to realize such principle is OVXDM (Overlapped X Domain Multiplexing). By the weighted data shifting and overlapping of any multiplexing transfer or impulse response function with limited duration in x domain, the output of OVXDM naturally presents an optimum complex Gaussian distribution with high coding gain and spectral efficiency. Furthermore, not as traditional constellation mapping method, the transmission power of OVXDM system only increases algebraically rather than exponentially with the system spectral efficiency. However the optimum decoding complexity of OVXDM increases exponentially with its system spectral efficiency. This proposal is devoted to research novel decoding algorithms with high computational efficiency (low complexity), in order to achieve a wireless transmission technology with high spectral efficiency, high energy efficiency and high computational efficiency.

重叠复用原理指出，系统内部数据符号间的相互重叠不是干扰，而是自然形成的编码约束关系。实现重叠复用原理的一种简单的方式是OVXDM(Overlapped X Domain Multiplexing)，通过对数据加权复用波形（频谱）在X域的移位重叠，人为引入符号间的重叠，使编码输出自然呈现与信道匹配的复高斯分布，以此形成无编码剩余，高频谱效率、高编码增益的新型传输方式。此外，OVXDM输出信号功率只随着频谱效率的增加呈代数率增长，并非传统星座图映射方式的指数率增长，具有高能效特性。代价是OVXDM方式由于指数增长的状态数，导致了最佳译码的复杂度随系统频谱效率指数增长。本项目致力于研究高计算效率（低复杂度）的OVXDM译码算法，为建立有高频谱效率、高能量效率和高计算效率的颠覆性创新无线传输方式提供理论基础。

低复杂度的译码算法是研究OVXDM的基本理论问题之一。我们在单时隙、单载波快速译码算法方面提出一种双向维特比译码算法（BVA）,该译码方法延伸了Viterbi译码算法的思想，将两个Viterbi译码器同时从网格图的两端进行译码，在保证与Viterbi译码算法相近性能的同时其译码复杂度降低为前者的一半。同时我们也将递归神经网络引入到OVXDM快速译码算法中，利用梯度下降算法来收敛译码方向，构建相应的RNN译码器结构来验证译码方案性能，仿真结果证明该方案性能相较于Viterbi译码算法相差不大，但是其译码复杂度远低于前者。其次，在多时隙、多载波快速译码算法方面我们推导出了衰落信道下的OVFDM信号收发模型的数学公式。同时提出了一种零填充辅助OVFDM（ZP-OVFDM）的频域信道均衡方案，通过数学分析证明所提方案可以白化载波间干扰，相比OFDM具有更好的性能。此外，我们优化了OVXDM的编码结构，增加了其抗干扰能力；构造了Turbo 重叠X域复用编码的最大似然过程，采用全新的译码迭代过程，相比于传统的迭代译码方法，具有实现复杂度低和收敛速度快的优点。同时针对多流OVXDM系统模型提出了一种OVFDM系统中基于比特反转的低复杂度滑动译码方法，可以获得接近最优的比特翻转矢量，同时具有较低复杂度。