物理层网络编码提高无线中继系统有效性方法的研究

Physical-Layer Network Coding (PNC) is one of most promising new technologies in wireless communication. But in practical applications, it has several limitations. This project focuses on four challenging problems for the usage of PNC in wireless relay systems. Firstly, given the general system model and analysis methods, the performance improvement provided by PNC has been verified and the influence of practical constraints has been thoroughly analyzed. Especially, the improved methods have been proposed to resolve the impacts of asymmetric channel conditions and synchronization offset. In PNC, using high-order modulation would cause detection fuzzy at the relay because of the increasing constellation points. So the modified high-order modulation has been designed to help the relay decoding of the right bits combination. Then we consider the compute-and-forward method for PNC. Based on nested lattice coding, the capacity of the compute-and-forward has been proven. And we have also given the practical code design that can approach the capacity. At last, the project has considered the buffer-aided relay networks with multiple sources. Taking the direct link into account and giving the ability of multiple-access to the relay, we have designed new protocols to achieve higher sum-rate of the system. In summary, the project would like to make contributions of the widely usage of PNC-based wireless relay techniques in cellular networks, satellite communications and military communications.

物理层网络编码作为一项潜力巨大的通信新技术，应用于实际通信系统时仍有诸多限制。本项目针对物理层网络编码在无线中继系统中的应用，着重解决四个关键技术问题。首先，在给出一般性系统模型和分析方法的基础上，验证物理层网络编码带来的性能提升并分析实际限制因素的影响，针对非对称信道条件和同步偏移问题给出改进方案。其次，针对高阶调制方式在中继处造成的检测模糊问题，提出改进型调制方式使中继能够可靠的恢复出原始信息组合。再次，针对为物理层网络编码而提出的计算转发方式，研究使用嵌套格码的理论容量及实际构造方案。最后，利用缓冲器的灵活处理优势，在考虑直达链路并赋予中继多址接入能力的前提下，为多源中继系统设计相应的中继通信协议，来进一步提高系统和速率。通过以上关键技术的研究，使物理层网络编码技术能够切实提高无线中继系统的传输有效性，推动无线中继技术在移动通信系统、卫星通信和军事通信中的广泛应用。

物理层网络编码（Physical-layer Network Coding，PNC）可以处理多个信号的叠加，节省通信时间，提高频谱效率和通信容量。本课题解决了PNC在无线中继通信系统中的四个关键问题，分别是PNC性能的验证，改进高阶调制PNC方案，基于嵌套格码的PNC方案和缓冲中继协议设计。拓展提出了PNC与串行干扰消除（Successive Interference Cancellation，SIC）技术结合的应用方案。.首先，验证了PNC对通信系统性能的提升，提出了非完美同步和非对称信道条件下的PNC方案。定量分析了非完美同步条件对系统性能产生的影响，提出了改进的有/无信道编码的异步物理层网络编码方案。定量分析了非对称信道条件对系统性能产生的影响，提出了改进型物理层网络编码方案。然后，提出了改进高阶调制PNC，解决了传统高阶调制PNC的检测模糊问题。针对高阶数字调制时会在中继节点接收机产生多路信号混叠的问题，提出了直接解决方案和改进的解决方案，改动传统M-QAM调制星座点的位置，使调制信号与数字信号对应。其次，提出了基于嵌套格码的PNC方案。解决了多进制正交幅度调制(M-QAM)下中继节点处的解码问题，使系统接近加性高斯白噪声（AWGN）信道容量。提出了双向中继系统中的嵌套格码的PNC方案，并给出了数学证明。基于嵌套格码理论改进M-QAM星座，在不增加信息冗余的前提下，改善了误码性能。再次，设计了无线中继通信系统缓冲中继协议，包括单用户缓冲辅助中继协议，有/无直达链路多用户单向缓冲辅助中继协议，和有直达链路多用户双向缓冲辅助中继协议。最后，扩展研究了PNC与SIC的结合应用。在物理层网络编码的双向中继通信系统中，应用SIC来克服两路信号功率差异较大所带来的性能恶化问题，结合SIC技术和PNC技术提高双向中继系统的频谱效率。.该项目的研究解决了PNC技术的高阶调制检测模糊的问题，基于嵌套格码理论对无线中继通信系统中的PNC进行了改进，为推进PNC在无线中继通信系统中的有效应用，提升频谱效率和系统容量起到了重要作用。