無速率編碼及其在中繼系統(tǒng)中的應(yīng)用.pdf

1、無速率編碼與協(xié)作中繼技術(shù)是近年來無線通信技術(shù)研究的熱點，它們對無線通信系統(tǒng)的傳輸可靠性、高效性以及系統(tǒng)魯棒性等性能都有明顯的提升。一方面，無速率碼的前向遞增冗余、自適應(yīng)信道傳輸以及極少反饋等特性使其能自適應(yīng)逼近信道容量傳輸，而無需引入重傳機制，既簡化了系統(tǒng)信令設(shè)計，又在保證可靠性的同時提高了系統(tǒng)吞吐量。設(shè)計一類性能良好的無速率碼，是無速率編碼研究的重點。另一方面，協(xié)作中繼在提高數(shù)據(jù)速率、頻譜效率、能量效率等方面都表現(xiàn)出其顯著的優(yōu)勢。將無

2、速率碼與協(xié)作中繼結(jié)合，聯(lián)合發(fā)揮其各自的優(yōu)勢，可以帶來系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升。本學(xué)位論文主要從無速率碼的編碼設(shè)計及其在雙向中繼系統(tǒng)、緩存中繼系統(tǒng)中的應(yīng)用等方面展開研究，并提出了一些新的編碼設(shè)計方法與傳輸協(xié)議，主要研究內(nèi)容可概述如下:
　　我們研究了一種典型的無速率碼——Raptor碼在二元輸入加性高斯白噪聲信道下最小化譯碼復(fù)雜度的度數(shù)優(yōu)化設(shè)計。由于Raptor碼的度數(shù)分布對其碼率與譯碼復(fù)雜度等性能起著決定性影響，我們期望設(shè)計一個最優(yōu)的

3、度數(shù)分布在不損失太多碼率性能的條件下最小化譯碼復(fù)雜度。基于聯(lián)合置信度傳播譯碼框架，我們將譯碼復(fù)雜度定義為每恢復(fù)一個信息比特所需的運算量。在該定義下，譯碼復(fù)雜度與譯碼迭代次數(shù)成線性關(guān)系，因此，我們進(jìn)一步通過對Raptor碼的外信息傳遞漸近分析推導(dǎo)得到譯碼迭代次數(shù)的近似表達(dá)式，得到譯碼復(fù)雜度的閉式數(shù)學(xué)方程。從而，我們以度數(shù)分布為優(yōu)化變量，以最小化譯碼復(fù)雜度為目標(biāo)，以譯碼收斂條件、啟動條件和穩(wěn)定條件為約束條件，加上考慮碼率-復(fù)雜度折中的碼率約

4、束條件，建立了最小化譯碼復(fù)雜度的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，并提出了求解方法。數(shù)值仿真結(jié)果表明，優(yōu)化得到的度數(shù)分布確實顯著降低了Raptor碼的譯碼復(fù)雜度而不損失太多誤碼率性能。
　　在本論文的第二部分，我們研究了無速率碼在雙向中繼系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出了一種基于端到端聯(lián)合編碼的物理層無速率網(wǎng)絡(luò)編碼方案。我們考慮兩時隙的中繼傳輸方式，即兩個源端節(jié)點在第一時隙進(jìn)行無速率編碼發(fā)送，中繼節(jié)點進(jìn)行逐符號的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼后在第二時隙進(jìn)行廣播轉(zhuǎn)發(fā)。對此雙向中繼

5、系統(tǒng)，我們從端到端的角度將雙向中繼信道等效為帶理想信道邊信息的端到端等效信道，并基于此端到端等效信道提出了一種新的端到端解調(diào)器。不同于傳統(tǒng)的點對點解調(diào)器，該解調(diào)器同時考慮了鏈路噪聲與中繼節(jié)點作物理層網(wǎng)絡(luò)編碼時可能的映射錯誤，從而增強了系統(tǒng)可靠性與吞吐量。從信息論的角度出發(fā)，我們進(jìn)一步從端到端等效與級聯(lián)等效兩種方式分別推導(dǎo)了物理層網(wǎng)絡(luò)編碼雙向中繼系統(tǒng)的理論吞吐量，并作為我們提出的端到端解調(diào)器的可達(dá)速率上界。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的點對點解調(diào)

6、器相比，端到端解調(diào)器在誤碼率與吞吐量性能都取得了顯著的提高。
　　最后，我們進(jìn)一步將無速率碼引入半雙工緩存中繼系統(tǒng)，提出了一種新的無速率編碼機會式中繼傳輸協(xié)議。一方面，無速率碼的采用使得各發(fā)送端可以自動調(diào)整編碼碼率以自適應(yīng)鏈路信道狀態(tài)傳輸;另一方面，通過在中繼節(jié)點處引入緩存隊列用于消息包的存儲，增加了系統(tǒng)的自由度，為緩存中繼系統(tǒng)在直通鏈路不可用時仍然獲得系統(tǒng)吞吐量增益提供了可能性。在無速率編碼機會式中繼傳輸協(xié)議下，中繼節(jié)點在每次傳

7、輸前首先根據(jù)兩個通信鏈路的瞬時信道狀態(tài)信息以及緩存隊列狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)鏈路選擇，然后被選擇的發(fā)送端完成消息包的無速率編碼發(fā)送。采用先入先出排隊模型，我們分別設(shè)計了無限緩存與有限緩存中繼系統(tǒng)的最優(yōu)無速率編碼機會式中繼傳輸協(xié)議，并分析推導(dǎo)了系統(tǒng)的吞吐量與端到端平均時延性能。特別是在有限緩存中繼系統(tǒng)下，我們基于無速率編碼的包衰落模型對緩存隊列進(jìn)行馬爾可夫鏈建模與分析，得到排隊系統(tǒng)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)分析，并以端到端平均時延限制作為實際業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量約束，進(jìn)