基于物理层网络编码的随机多址接入技术研究

Based on the future 5G new network architecture, we study the coding optimization problem for random access networks of massively multi-user connection. Using the channel coding and physical layer network coding PNC technology long researched by the research group, the innovation of this topic to optimize the Slotted ALOHA-PNC random access technology. 1) Considering the core parameters of user access and information collision of random access, we derive the upper limit of throughput of Slotted ALOHA-PNC based on Lattice coding, which can be used as the theoretical guidance for practical coding and decoding scheme; 2) To improve the transmission rate, we propose using nonbinary LDPC codes over finite ring Z with PAM modulation. The new nonbinary EXIT is proposed to optimized the LDPC code, which can achieve the capacity limit of single decoding for linearly superimposed signals; 3) we mainly investigate the decoding schemes of linear superimposed signal demodulation and nonbinary channel decoding scheme. According to the different channel environment of multi-user access, the linear superposition coefficients and the decoding coefficients are optimized, and the applicable decoding schemes are studied, including multi-user SIC continuous interference decoding scheme, direct PNC decoding scheme and joint demodulation and decoding scheme, which can improve the robustness and throughput of random multiple access.

面向未来5G新的网络架构，研究海量多用户连接场景的多址接入网络的编码优化问题。利用课题组长期研究的信道编码和物理层网络编码PNC技术，提出并优化Slotted ALOHA-PNC随机多址接入是本课题的创新之处:1）考虑 ALOHA的用户接入和信息碰撞等核心参数，基于Lattice网格编码，推导Slotted ALOHA-PNC多址接入技术的吞吐量上限，作为实际编译码的理论指导；2）为了提高速率，ALOHA-PNC采用高阶PAM调制和有限环的多进制信道编码，提出新型多进制EXIT，优化低译码门限的多进制LDPC码型，在单个线性叠加信号译码性能逼近信道容量;3) 重点研究接收端的线性叠加信号解调和信道译码方案。根据多用户接入不同信道环境，优化线性叠加系数和译码系数，研究适用的译码方案，包括多用户SIC连续干扰解码方案，直接PNC译码方案以及联合解调译码方案，以此提高ALOHA的鲁棒性。

非正交多址接入NOMA是5G/6G新型网络架构的重要技术之一，得到了学术界的广泛关注。新型的多接入物联网场景（车辆网、卫星通信、高速Wifi）对通信速率、吞吐量和功耗提出了全新的要求。在现有的编码与调制技术中，LDPC编码和polar极化码在中长短码有各自的性能优势。同时，作为一种新兴物理层技术，物理层网络编码PNC可以合理利用多用户接入干扰，将干扰转变成网络编码信息，有效提高网络传输吞吐量。因此，创新点将信道编码与物理层网络编码这两个物理层技术联合优化，为了NOMA多用户接入方案提供一个新颖的解决思路。.为了提升随机多用户通信的服务质量，本项目对非正交接入系统中的可靠性编码和解用户干扰技术展开了深入究。具体成果如下：1）研究了基于LDPC编码和PAM调制的PNC多节点编码调制方案。提出了基于整型环ring的多进制LDPC编码，来达到PNC解调和编码的一致性，同时构造适用于该系统的一般化译码和积算法(G-SPA). 2）我们为5G中的NOMA提出了一种基于PNC的改进NCMA（I-NCMA）系统，由基于XOR-CD和多用户解码（MUD-CD）的算法构成。相比于连续干扰消除（SIC）解码，可以实现更好的解码性能。3）提出了针对不同信道环境的多用户NOMA接入方案，设计不同速率的编码器和解码器。与传统的网络编码多址（NCMA）和计算转发多址（CFMA） 相比，可以获得比高达1.0db的增益。 4）针对多用户上的极化码编码调制，提出了基于PNC的极化映射(PM)设计方案。将与信息比特信道相关联的原始信道，映射到具有较大速率的PNC异或比特流，最大化分割信息信道的实现速率。.在该项目的支持下，已发表学术论文34篇，其中SCI论文25篇，授权发明专利7件, PCT 1件，申请美国专利1件。在所发表的SCI论文中，包含IEEE汇刊/杂志论文15篇，IEEE短文6篇，ESI高被引论文2篇，亮点论文1篇。以第三完成人获得广东省自然科学二等奖1项，获国际会议最佳论文奖1项，福建省通信学会一等奖1项。相关研究成果不仅完善了信道编码和网络编码理论体系，而且为下一代无线多用户接入系统提供了一种新颖的技术解决方案。