无线中继网络的联合网络-信道编码理论与设计方法研究

本项目针对多址接入无线中继信道(MARC)模型，研究可逼近MARC的和容量的联合网络-信道编码理论及设计方法。首先利用随机编码思想和装箱理论，研究采用校验比特转发中继传输策略时MARC的容量区域及和容量限。然后，以逼近上述和容量限为目标，系统研究联合网络-信道编码理论及设计方法，包括基于多用户联合编码的网络LDPC码的编码原理、适用于网络LDPC码结构特点的广义双层高斯近似等简化密度进化算法、对称和非对称高斯信道下网络LDPC码的度序列优化设计理论，并将其推广至衰落信道。最后，针对中继节点译码出错的情况，研究适用于源节点-中继节点信道特性的目的节点联合软输出检测-迭代译码算法，以及非理想中继条件下网络LDPC码的修正设计理论，以改善目的节点的BER性能。通过本项目的研究，可为联合网络-信道编码设计提供一套系统的理论支撑，研究成果可应用于IMT-Advanced等多种未来移动通信系统中。

本项目从信息基础理论、码结构设计与优化以及接收端检测算法等角度出发，系统研究了适用于无线中继网络的联合网络-信道编码理论，取得了一系列的成果。首先，在信息基础理论方面，推导了基于校验比特转发的正交多址接入中继信道的和容量、基于互信息最大压缩转发方案的非正交多址接入中继信道的和容量上界，并指出这一上界介于“最大流-最小割”速率上界和MMSE-CF可达速率和容量上界之间。我们还推导了干扰受限多址接入中继信道的中断概率，并分析了多向MIMO中继信道的可达速率区域和分集-复用折中等。这些结果为具体方案的设计与优化提供了理论依据和目标。其次，以逼近和容量限为目标，系统研究了多址接入中继场景下的联合网络-信道编码传输方案。针对正交多址接入中继衰落信道，给出了一种广义双层EXIT Chart分析方法，基于此给出了适用于网络LDPC码的度序列优化算法；以最小化错误概率为目标，提出了一种速率兼容网络LDPC码的设计与度序列优化算法，仿真结果显示，随着删余比特的增加，所设计速率兼容网络LDPC码的性能增益也随之增加；利用空间耦合的思想，给出了准循环网络LDPC码的设计与构造方法，分析结果显示，在迭代译码过程中，所设计的码具有更快收敛速度和更好的译码性能；基于高斯近似算法原理，提出一种双层延长LDPC码的全局优化设计方法，即对上下层变量节点度分布进行整体优化，以达到信源到目的和信源到中继两条链路上的传输速率同时最大的目的，且实现复杂度较低。针对非正交多址接入中继的场景，提出了一种联合Turbo译码的网络编码算法，可以有效解决非正交多址接入传输时用户间的干扰问题。针对中继无法正确恢复源节点发送数据的情形，提出了一种基于互信息最大准则的量化转发策略，并给出一种次优实现算法，仿真结果显示，所提的中继转发策略比基于Lloyd-Max量化转发方案性能改善2dB左右。最后，在非理想信道下的信号检测方面，针对解噪转发策略中解噪映射实现复杂度高的问题，利用信号星座的对称特性，提出一种低复杂度的新型的降噪转发方法；利用频率选择性中继衰落信道的特性，提出一种频域过采样检测算法，可获得额外的频率分集增益。