分组反馈马尔科夫叠加码的构造、性能分析与应用研究

The channel coding schemes in current communication systems, including wireless communications, long-reach and high-capacity optical communications, and deep space communications, are facing severe challenges due to the growing communications demands, the complicated communications environment, and the scarce frequency spectrum. To handle these challenges, this project proposes the recursive block Markov superposition transmission(rBMST) framework for the construction of channel codes. The advantages of rBMST include simple structure, flexibility, and superior performance. Following are the main problems concerned in this project: 1) Analysis of the decoding threshold and the proving of coding theorem of rBMST based on techniques from information theory and stochastic process; 2) Construction of rBMST codes based on the analytical results, including the construction of rate-compatible rBMST codes and multi-rate rBMST codes; 3) Construction of adaptive joint source channel coding scheme based on rBMST and multi-level nested lattices; 4) Design of joint detection-decoding algorithm for rBMST coded continuous phase modulation and the analysis of the impact of hardware errors on the performance of the algorithm. The problems considered are rooted from actual systems. Through further research, it is expected to obtain results with theoretical and practical importance. The channel coding schemes from the project will provide theoretical and technological support for the development of the communication industry of China.

持续增长的通信需求、日渐复杂的通信环境以及稀缺的频谱资源给无线通信、大容量长距离光通信和深空通信等系统的编码技术带来严峻挑战。为此，本项目提出构造纠错码的分组反馈马尔科夫叠加技术，该技术具有构造灵活、结构简单、性能良好等突出优点。围绕分组反馈马尔科夫叠加技术，本项目主要研究以下四个方面的内容：1）以信息论和随机过程的工具分析分组反馈马尔科夫叠加码的译码门限和编码定理；2）利用分析结果构造好码，包括速率兼容和多码率分组反馈马尔科夫叠加码；3）基于分组反馈马尔科夫叠加技术和多层嵌套格构造自适应联合信源信道编码方案；4）设计分组反馈马尔科夫叠加码编码的连续相位调制系统的联合检测-译码接收机并分析硬件错误对该接收机的影响。项目选题源于实际需求并已取得部分进展，通过深入研究，本项目有望实现理论突破和技术创新，产出具有自主知识产权的编码技术，为我国通信产业的发展提供坚实的理论基础和技术支撑。

空间耦合是一种构造高性能纠错编码的新兴技术。本项目基于重复和反馈叠加两个基本原理，提出了分组反馈马尔科夫叠加码。该码具有编码结构简单、易于分析等突出优点。本项目研究了分组反馈马尔科夫叠加码的构造、分析和应用，在以下方面取得重要进展。1）项目组提出了双递归分组马尔科夫叠加码，该码仅包含度为3的结点，可在复杂度受限的情况下获得高性能纠错码。我们同时证明双递归分组马尔科夫叠加码在窗口最大似然译码下可以达到信道容量。2）项目组提出基于部分叠加的编码增强技术，可用于进一步提升采用LDPC码的通信系统的性能。3）项目组提出基于编码块的速率兼容码，可用于快变系统中的大型文件分享等典型场景。4）项目组提出了基于信息序列和校验序列同时重编码的空间耦合串行级联码，该码具有编码简单、可迭代译码等优点。项目组同时给出了分析该码的错误平层的方法。5）项目组提出了基于多维耦合的空间耦合乘积码，给出了分析该码的最小停止集的图论和组合方法。分析结果表明，该码具有更大的最小停止集和更低的错误平层。.. 以上结果丰富和完善了基于重复和反馈叠加的编码构造框架，相关成果有望用于无线通信和光通信等重要系统。依托本项目，项目组在国内外知名期刊和会议发表论文29篇，其中SCI论文22篇；申请国家发明专利10件，其中授权国家发明专利7件，为相关技术的实用奠定了坚实的基础。