非对称物理层网络编码机制设计与理论分析

Physical-Layer Network Coding (PLNC) has been regarded as an effective approach to improve the time and bandwidth efficiency and the network throughput. However, few existing PLNC schemes take into consideration the asymmetric traffic, the high-order modulation and the imperfect receivers. This project focuses on resolving several practical issues and proposes the asymmetric PLNC schemes based on the multi-level coding cooperation, the side information cooperation and the cross-layer cooperation. In summary, the main works of this project can be categorized as follows: (1) to design the multi-level PLNC (MPLNC) strategy. The constellation constrained capacity is derived for MPLNC. The design criteria for the proposed MPLNC scheme is investigated, includeing the rules of the rate design, the decoding/encoding order and the labeling strategy design. Moreover, we analysis and compare the performance of the MPLNC scheme with that of the bit-interleaved coded modulation (BICM)-based PLNC scheme. (2) to propose the bit-cooperative coded modulation relaying strategy with the side information in the encoding/decoding and modulation/demodulation. The proposed constellation mapping is a many-to-one function and can be considered as a new form of network coding operation. The joint coding-modulation design with PLNC introduces the modulation gain and coding gain by jointly exploiting the side information in the demapping and decoding. (3) to develop a novel PLNC scheme by leveraging cooperation between rateless codes in the MAC layer and the PHY layer channel coding and network coding to solve the imperfectation problem. The achievements of our research will be of great benefits for practical applications of PLNC technology.

物理层网络编码技术是提高时频资源复用度、提升网络容量的有效途径。现有的物理层网络编码研究较少考虑高阶调制下非对称传输和非理想接收等实际问题，阻碍其实际应用。针对以上问题，本项目拟研究基于分量码协同、用户比特协同、跨层协同的非对称物理层网络编码机制。具体概括为：（1）提出多级物理层网络编码机制，从星座图容量分析、分量码设计、星座标识映射设计、编译码级别顺序优化等角度揭示制约多级物理层网络编码性能的规律，阐明最优设计准则，分析其与基于比特交织编码调制的物理层网络编码的优劣；（2）探索将边信息融合于编码调制的物理层网络编码机制，利用边信息协同从根本上改变调制方式和码字构造，可望同时获取调制增益与编码增益；（3）开展MAC层的无速率码与PHY层的信道编码和网络编码的跨层协同设计，优化码字结构和译码架构，挖掘物理层网络编码的信道自适应能力。相关成果将为物理层网络编码技术在实际网络环境的应用提供参考。

本课题项目研究内容按照任务书计划顺利开展并圆满地完成。具体工作可概括为三个方面：.（一） 主要研究内容.1）研究将多级编码应用到物理层网络编码，建立了多级物理层网络编码收发机架构，并对该整套系统展开深入研究，包括分析制约其性能的因素、最优设计准则以及与其他机制的性能对比分析；.2）研究与设计从调制方式、码字构造和网络编码处理方式等三方面改变收发机架构的基于用户比特协同的物理层网络编码机制，提出一种融合边信息的新型星座图映射以及阐述其优化标准，并优化设计了融合边信息于编码后规则LDPC码具有非规则性的码字构造。.3）研究基于网络编码的输入信道信号的最优分布，最大化信道可达速率。提出基于星座成型技术的物理层网络编码机制，逼近发送信号的最优分布。.（二）重要结果.1) 共发表24篇学术论文，其中期刊论文10篇，属于SCI 期刊源的IEEE国际期刊论文10篇，EI 刊源论文14 篇；.2) 获授权专利1项，申请发明专利8项目；.3) 推导高斯信道下基于多级物理层网络编码的可达速率，发现分量码制约着多级物理层网络编码的可达速率；.4) 揭示分量码设计定理：中继节点最优的译码顺序是首先译码级别数比较多的用户的私有级别，然后在译码两用户共同的级别；.5) 设计新型星座图，使得该星座图每个星座点具有多个标识映射。在接收端，利用边信息，在解调时去除每个星座点的冗余标识映射；.6）发现并推导出给定一个规则LDPC码，基于边信息等效于一个非规则LDPC的度分布定理；.7）发现在物理层网络编码下信道成形损失超过1.53dB。.（三）科学意义.1）研究成果发表均在IEEE无线领域主流期刊和主流会议上，完善了物理层网络编码的研究，受到了包括美国国家科学院、工程院院士、普林斯顿大学H.Vincent Poor教授，英国皇家工程院院士、英国南安普顿大学Lajos Hanzo教授等引用与关注；.2）研究成果同时也受到了受到包括华为技术有限公司在内的工业界高度关注，与华为技术有限公司联合申请了相关发明专利2项，将研究成果应用到实际系统。