无线中继网络下基于联合信源-信道编码的压缩-转发中继协作传输理论与设计研究

In this research project,the transmission theory and designing method of compress-and-forward (CF) relaying based on joint source-channel coding (JSCC) for approaching the capacity of the relay channel are studied.Fisrt, the capacity bound of JSCC-based CF strategy for the relay channel is studied. Second,on the basis of the above theoretical research, the study of CF scheme based on joint source-LDPC convolutional coding is made,including the design of compression strategies of the relay, the design of joint source-LDPC convolutional coding scheme, and the joint decoding algorithms of the destination.Finally, the optimal design of joint source-LDPC convolutional codes and the CF scheme for approaching the capacity of the relay channel is given.Through this research project, we want to perfect the information theory system of relay networks, and provide the transmission theory and designing method of CF relaying based on joint source-LDPC convolutional coding. These results will play a very important role in the design and application of the future wireless communication systems.

本项目拟针对中继信道模型，基于联合信源-信道编码，研究逼近中继信道容量限的压缩-转发中继协作传输理论及设计方法。首先,利用信息理论工具，研究基于联合信源-信道编码压缩-转发中继传输策略的中继信道容量限。然后，在此信息理论研究基础上，系统研究基于联合信源-LDPC卷积编码的压缩-转发中继协作传输方案设计，包括中继节点压缩策略的设计，联合信源-LDPC卷积编码方案的设计以及目的节点的联合译码算法设计等。最后，对联合信源-LDPC卷积码，以及压缩-转发传输方案进行优化设计，以求逼近中继信道的容量限。希望通过本项目的研究，完善中继信道的信息理论体系，给出实际可行的基于联合信源-LDPC卷积编码的压缩-转发中继协作传输通信理论与设计方法，为未来宽带无线通信系统的设计和应用提供重要的理论依据和技术支持。

本项目针对中继信道模型，研究逼近中继信道容量限的中继协作传输理论及编码设计方法。我们在相关中继信道的理论分析、逼近信道容量限的信道编码设计、中继信道联合编码设计、协作传输方案的优化设计等方面进行了深入研究。主要研究成果如下：. 中继信道理论分析方面，研究了含有直传链路的多向中继信道（MWRC-DL）的可达速率区域，给出了容量区域的外界，推导了DF和CF策略的可达速率区域；针对干扰受限AF两跳多址接入信道，给出了同信道干扰下的中断概率表达式；针对MIMO多向中继系统，分析了系统的分集-复用折衷（DMT）性能，证明了CF中继策略可达到系统最优DMT。. 逼近信道容量限的信道码方面，构造了一类并行连接空间耦合低密度校验码（SC-LDPC）码，密度进化分析表明其译码门限非常接近Shannon限；提出了不等保护（UEP）无速率Spinal码，分析了其有限长性能，给出了ML译码下平均错误概率的上界，渐近性能分析表明所提UEP Spinal码可获得BSC和AWGN信道的容量；研究了有限长极化码的构造和译码算法。. 中继信道联合编码设计方面，针对多用户多址接入信道，提出了一种重复SC-LDPC码， BP译码门限分析表明，L=100时，译码门限与Shannon限只有1~1.2dB；针对三节点DF中继网络，提出了一种基于高斯近似的双层延长LDPC码优化算法，以更低的复杂度搜索出逼近容量限的LDPC码；针对半双工中继信道设计了一种无速率叠加Spinal 编码方案，理论证明其可以达到半双工DF 中继信道的理论限。. 中继协作传输协议的优化设计方面，针对半双工交织多址接入中继信道（ID-MARC），提出了一种QF策略和一种降噪互信息保留量化（DMIPQ）器，分析表明近似DMIPQ等价于MMSE Lloyd最大量化器，性能较优，且DMIPQ接近CF界；提出了一种分布式联合信源-信道叠加编码及联合译码方法，可提高编码增益，有效抑制不匹配信道对分布式信源通信网络的影响。. 通过本项目的研究，进一步补充和完善了中继协作通信的信息理论体系，给出了一些可行的中继协作传输理论与编码设计方法，希望为宽带无线通信系统的设计和应用提供一定的理论依据和技术支持。