多向中继通信中的网络编码算法设计以及性能研究

Network coding, which was invented at the beginning of this century, has become a popular research topic in multiple areas. So far the research on network coding in two-way relaying and multi-way relaying has focused on symmetric transmissions. However, there usually exist multiple users transmitting simultaneously in an asymmetric manner in practical communication systems. In this case, the network coding design is not clear. In this project, the network coding design will be investigated in a general multi-way relaying model consisting of both symmetric and asymmetric transmissions. We aim to establish a general multi-way relaying model, which realizes both manners of transmission. Based on the proposed model, the capacity of this channel will be analyzed and the results will be used to inspire the network coding design and evaluate the proposed transmission schemes. Then we use the transmission efficiency and the fairness as the objectives, and consider practical constraints, such as the transmit power. A multi-objective optimization problem will be formulated by joint design of network coding, relaying schemes, MIMO schemes, power allocation, and multi-user scheduling, etc. The methodology of joint design of multiple techniques will be proposed to seek the global optima of the optimization problem. The network coding design and efficient transmission schemes will be proposed in the general multi-way relaying model. This project aims to enrich network coding theory and promote the standardization of network coding and its application in modern communication systems.

网络编码作为本世纪新兴技术，已成为多个学科领域的研究热点。目前对双向和多向中继网络编码的研究主要针对用户对称传输的问题，而实际通信系统普遍存在多用户同时进行非对称传输的情况，该情况下网络编码设计尚不明确。本课题拟研究兼容对称和非对称传输的通用多向中继通信中的网络编码算法设计。首先建立兼容两种传输的通用多向中继通信模型，在该模型基础上进一步分析多向中继信道容量，作为后续设计基于网络编码传输方案的指导思想和有效性评估手段。然后以传输有效性和公平性等为优化目标，以实际系统中发射功率上限等为约束，建立网络编码、中继技术、多天线技术，功率分配以及多用户调度等关键技术的联合优化模型，从全局最优化的角度提出多技术联合设计机制，探索兼容对称和非对称传输的通用多向中继通信中的网络编码算法以及有效的传输方案设计。本课题将为丰富网络编码理论提供思路，为网络编码技术的标准化进程与实际应用提供理论支持。

网络编码作为本世纪新兴技术，已成为多个学科领域的研究热点。双向和多向中继通信作为物理层网络编码的典型应用场景，受到广泛关注。本项目针对目前多向中继通信的通用性及实用性问题，研究了兼容对称和非对称传输的通用多向中继通信中的网络编码算法设计及其在蜂窝通信系统中的应用：建立了兼容两种传输的通用多向中继通信模型，有效实现了任意业务需求的数学表述；在该模型基础上进一步分析多向中继信道容量，提出了单数据轨道和双数据轨道的严格容量自由度；提出了最小均方误差和最大传输速率两个准则的等效机制，利用中继预编码和用户接收滤波的联合优化，采用迭代算法，设计了有效的多向中继方案；提出了迫零准则下最大传输速率的闭合表达式，降低了上述迭代算法的复杂度；提出了基于最小均方误差和最大总体速率的分布式中继方案，并能够应用于蜂窝中继系统，提升现有网络的吞吐量；提出了一种蜂窝网络中通用的多双向中继结构，设计了多天线中继及多基站、多用户的收发信机结构，通过有效的功率分配获得近似最优的吞吐量性能；分析了不同场景下单向、双向中继的吞吐量性能，表明双向中继在某些特殊场景下性能不及单向中继通信，基于该结论，提出一种单向、双向中继混合设计方案，该混合方案可以有效根据所需传输场景设计合理方案。本项目建立了网络编码、中继技术、多天线技术，功率分配以及多用户调度等关键技术的联合优化模型，从全局最优化的角度提出多技术联合设计机制，提出了兼容对称和非对称传输的通用多向中继通信中的网络编码算法以及有效的传输方案设计。本课题为丰富网络编码理论提供思路，为网络编码技术的标准化进程与实际应用提供理论支持。