喷泉码在5G通信中的研究和应用

The research on 5G communication techniques has been started in the communication area, aiming for the basic target of ultra-high data rate in green communication networks. Fountain codes have a remarkable rateless property and are able to provide coding redundancy for any channel conditions. Their powerful correction capability may become a strong support for the 5G communication target. In this project, we will apply fountain codes in 5G's physical layer, by combining them with the techniques of auto repeat request (ARQ) and relay networks. Based on this application, we expect a significantly improved data rate compared to the 4G's, as well as a reduced transmission power for green communications.. In our literature review, a high error floor is found when fountain codes are employed as channel codes. By analyzing the structure of Tanner graph, it is found that three structural flaws are responsible for this problem. In this project, we will propose a scheme which may proactively overcome these structural flaws and improve the performance of fountain codes. Then, we intend to combine the improved fountain codes with HARQ (Hybrid ARQ). The flow of the improved fountain codes aided HARQ will be carefully designed in order to achieve the channel capacity. Finally, we will consider the timing of triggering soft decoding in fountain codes aided relay networks. Depending on the open tunnel of EXIT charts, decoding will be activated based on the premise that a successful recovery is predicted. This can avoid the huge energy waste caused by attempting decoding in the current solution.

通信业界已经展开5G通信技术的研究，提出了超高数据传输率和绿色通信网的基本目标。喷泉码具有无限码率的特性，能够在任意信道条件下提供编码冗余，其强大的纠错能力成为实现5G通信目标的有力支撑。本项目将喷泉码应用于5G通信的物理层传输中，绑定自动重传请求技术和中继网技术，期望能大幅提高4G现有的数据速率，同时减少传输能耗，实现绿色通信。. 文献调研发现，当喷泉码用作信道编码时存在着误码平台过高的问题。 本项目通过Tanner图分析，找出了造成此问题的原因是Tanner图的三个结构缺陷，并提出了主动弥补结构缺陷而提升喷泉码性能的解决方案。本项目接着将改良喷泉码绑定自适应混合重传请求HARQ，设计出接近信道容量的HARQ流程。最后，本项目考虑了喷泉码中继网中启动解码时机的问题。依赖于EXIT表开通道，在预测到解码将会成功的前提下启动解码，避免了现有尝试解码方式带来的巨大能量浪费。

从模拟信号到数字通讯，通信产业现已发展到了5G阶段。5G的基本目标在于实现超高数据传输率，进一步降低通信过程的能源消耗，构造绿色通信网。为实现这样的目标，我们应从通信技术的各个层面进行研究和提升，而信道编码是其中重要的一环。基于上述背景，本项目着眼于研究新型的信道编码技术，聚焦具有无限码率的喷泉码，利用其在任意信道条件下，均能提供任意数量编码冗余的特性，结合自动重传请求技术和中继网技术，推动实现5G基本目标。. 本项目主要研究内容包括：1）喷泉码能提供无限码率，理论上具有达到信道容量的解码能力，但在实际应用中却出现高误码平台现象。本项目通过分析喷泉码的Tanner图结构，确定高误码平台出现的原因，从编码端主动弥补Tanner图的三个缺陷，设计出一种改进的喷泉码信道编码技术，并通过仿真进行验证。2）实际通信中，信道编码往往是与自动重传请求（ARQ）技术结合使用的，本项目探索在HARQ过程中，改进的喷泉码技术在每次传输过程中的最佳码率，并设计出喷泉码HARQ的优化流程。3）将改进的喷泉码与中继网结合，喷泉码解码时可接收任意编码端的编码数据，进行组合解码，因而中继节点无需解码、直接转发，降低了能耗。. 经过理论推导和仿真验证，得出改进的喷泉码方案确实具有更优化的性能。通过对104bit、1008bit、4992bit三种不同包长度的蒙特卡洛仿真计算丢包率，改进喷泉码在中、短长度的包传输中，可获得最低的丢包率，同时拥有极低的复杂度；而在4992bit的长包传输时，尽管丢包率略高于传统Raptor码，但复杂度却降低了6倍。本项目还对比了改进喷泉码HARQ和LTE自适应Turbo编码HARQ，两者在丢包率和传输吞吐率上具有相似的性能，但改进喷泉码HARQ在处理吞吐率和时延上具有更大的优势。此外，喷泉码辅助的中继网可达到更低的复杂度，反应出更低的解码能耗，支持绿色传输。. 本项目研究的改进喷泉码信道编码技术，经仿真验证能达到极低掉包率、更高吞吐量，同时具有低复杂度。可在5G通信的产业化应用中进一步验证、推广，助力5G通信目标的实现。