联合数据区分编码理论的有记忆物理层网络编码方法

Recently, Physical-layer Network Coding (PNC) is very attractive, since it is able to increase the throughput and improve the time-delay significantly. The basic thought of PNC is to coordinate transmissions among users, in contrast to "straightforward" network coding wich performs coding arithmetic on digital bit streams after they have been received, PNC makes use of the additive nature of simultaneously arriving electromagnetic (EM) waves for equivalent coding operation. Thereby, how to separate the hybrid multiple-sources information and then do coding is the core topic of PNC. The most popular methods to separate the hybrid multiple-sources information are code division multiple access (CDMA), space-time block coding (STBC), and multi-user multiple-input multiple-output (MIMO). However, the mentioned methods have some problems. For example, spreading signals always oppupy a wider frequency-domain bandwidth, while 4 or more antennas STBC will decrease the information rate. The channel state information (CSI) is necessary for multi-user MIMO especially the orthogonal or semi-orthogonal channel are necessary; otherwise, it is impossible to realize space division. However, it is known that it is difficult to find perfect orthogonal channels, and the multi-users channel estimation is also very complexity. In this research topic, a kind of uniquely-decodable codes is originally provided to separate the multi-access signals in the Additive White Gaussian Noise (AWGN) channel by the theory of combinatorics and Geometric algebra; meanwhile, the basic research of PNC system, i.e., different modulations in PNC, is considered. Then, we apply the uniquely-decodable codes to the given PNC system, and first provide memory modulation in physical-layer network coding. The proposed scheme is capable of increasing the throughput of the system, improving the spectrum efficiency, and decreasing the time-delay significantly. The proposed theory will bring useful and valuable applications for future wireless communications.

物理层网络编码由于对同时接入的用户进行信号处理，极大提高单位时间系统吞吐量并降低系统时延，因此得到了越来越广泛的关注。而物理层网络编码的核心思想，则是如何将同时接入的多用户数据加以区分并实现物理层数据映射。目前常用的数据区分编码，具有各自的局限性：比如基于扩频码的CDMA系统或采用空时编码的高维传输系统，其符号携带平均信息量较低；比如采用"预编码"的多用户MIMO技术，对用户的信道信息和信道特性要求较高、运算复杂度较大。据此，本课题根据代数几何、组合数学和近世代数的理论，在伽罗华域针对不同用户的数据流通过构造可分辨的欧氏距离，提出用户数据流区分的编码和译码原理，以期在较低的复杂度下得以有效提高多址接收端每符号携带的平均信息量；并将该编码理论应用在物理层载波调制的携带信息位，首次提出有记忆物理层网络编码，在频谱带宽等资源受限的情况下，有效提高系统容量、频谱利用效率。

物理层网络编码由于对同时接入的用户进行信号处理，极大提高单位时间系统吞吐量并降低系统时延，因此是无线通信中重要研究方向之一。而物理层网络编码的核心思想，则是如何将同时接入的多用户数据加以区分并实现物理层数据映射。本课题根据近世代数理论，在伽罗华域针对不同用户的数据流，提出唯一可译码的相关构码方法，并将该编码理论应用在物理层网络系统。.主要围绕三方面研究内容展开论述。研究内容一：伽罗华域的多信源矢量，推导唯一可译码的编码和译码方法，并给出该编码方法的理论误码率和信道容量上下确界。研究内容二： 不同的物理层调制方式，提出相应的多用户物理层网络编码系统，确立发送机和最佳接收机结构，并对模型的系统性能进行理论分析和系统仿真。研究内容三：将数据区分编码理论与物理层网络编码有机融合，给出相应的系统结构和性能分析。具体针对研究内容一，又分为(1) 唯一可译码的构造，和(2) 唯一可译码的和速率边界，两部分内容进行讨论。针对研究内容二，具体分为 (1) 多进制物理层网络编码的理论研究，(2) 基于MFSK的PNC理论研究， (3) 平坦频选衰落信道下的PNC的预编码技术， (4) 基于OFDM的PNC通信系统的最佳功率分配算法，(5) 物理层网络编码的异步分析及解决方案 ，和 (6) 删除信道下的物理层网络编码的理论研究，六部分内容进行分析。针对研究内容三，具体分为 (1) 联合唯一可译码的丢包恢复编码的理论分析，和 (2) 基于唯一可译码的PNC传输系统，两部分内容进行展开。这十个小方向之间既有相互联系，又彼此独立，协调统一的构成本课题的主体研究内容。.通过理论分析、实验论证，可以看到我们提出的系统，在频谱带宽等资源受限的情况下，可以有效提高系统容量、改善频谱利用效率、降低系统误码率，具有很好的理论意义和实际应用价值。除此之外，根据本课题相关研究内容，我们在国际顶级期刊发表文章共4篇（根据中科院SCI期刊分类，其中一区期刊1篇，二区期刊3篇；影响因子之和大于10），取得很好的研究成果，达到预期目标。