面向物理层网络编码通信的多进制LDPC码的编码调制设计

With the rapid development of wireless communications for high rate and good-quality transmission, the two-way relaying (TWR) has become a research hotspot for the wireless/mobile communication system. Recently the physical layer network coding (PNC) for TWR is shown to be able to overcome half-duplex constraint and increase the spectral efficiency greatly. The use of Lattice codes in TWR has proved the optimality of PNC in high SNR in terms of theoretical rate. However, the practical scheme for PNC using the high-order modulation and nonbianry channel coding has not been studied. Therefore, we attempt to proposed a more practical joint nonbianry coded modulation for PNC systems: (1) we first optimize the high-order modulation for PNC using constellation shaping; (2) The compute and forward strategy will be used to compute the scale factor and select decoding coefficient, in order to maximize the achievable rate; (3) According to the coding scheme, we further explore the EXIT charts to optimize the distribution of coding ensemble. The resulting codes can approach the upper bound of the PNC systems.

随着无线通信技术的快速发展，以及对大数据高速高质传输的需求，作为新一代协同通信技术，双向中继已经成为当前无线/移动通信系统中的研究热点。物理层网络编码（Physical layer network coding, PNC）技术能够克服半双工限制进而显著地提高了系统的频谱效率。基于Lattice的理论研究已表明PNC技术在高SNR下可以逼近容量上界。但是目前对于高SNR区域上，可实现的高阶调制和高阶域上的多进制联合编码方案还没有相关的研究。本课题以PNC技术为基础，提出了高阶域的多进制LDPC编码调制方案：首先利用星座成形技术，针对PNC设计优化了高阶调制映射方案；然后根据采用的调制和编码方案，中继端使用计算转发策略推出最优放大因子和译码系数，最大化系统的可达速率；最后通过EXIT分析来优化所选LDPC编码方案的码型度分布，从而使得该多进制码型的译码门限逼近系统的可达速率。

由于通信网络中的无线带宽资源越来越有限, 并且随着大量的广播与多播的业务在未来无线通信的出现，物理层网络编码与无线网络相结合具有现实意义。下一代宽带蜂窝移动通信系统将多址接入中继技术作为一种备选方案来提供额外的分集增益和提高用户容量，增加传输覆盖范围和系统的频谱效率。而物理层网络编码正好可以与多址接入中继技术相结合，进一步提升系统性能，相关的提案也受到了国际标准组织的关注。在点对点通信中，LDPC在光纤通信、深空通信、磁存储以及卫星数字视频等无线通信等方面得到广泛应用，已应用于IEEE 802.11.n和DVB-S2。因此，基于物理层网络编码的高阶调制LDPC编码技术可以进一步支持更高的信息传输速率，作为在新一代无线通信中一种频谱效率更高和抗多径干扰能力更强的传输技术。本项目意在设计适用于物理层网络编码传输的联合高阶映射和信道编码系统方案。..本项目的主要研究成果主要包括如下：1）提出了一个联合二进制LDPC信道编码和高阶PSK调制的系统，中继端所采用的迭代接收机，极大地提高传统中继接收机的性能，而且编译码复杂度低，有效提高了多用户通信的系统吞吐量。2）针对多址接入系统，优化了一类多码率低复杂度的原模图LDPC码型，EXIT外信息传递分析和仿真结果都表明了，优化后的该类码型逼近多用户译码接收机的系统容量。3）针对其他无线干扰信道，我们也做了LDPC码型优化设计，并针对实际的中国数字广播标准的LDPC编译码做了硬件的FPGA设计和验证。在该项目的支持下，一共发表相关IEEE期刊论文8篇，IEEE会议论文6篇。..本申请项目设计联合高阶调制和有限域LDPC 码的编译码优化方案，以确保了整体系统速率接近多用户容量上界，提高系统的传输吞吐量，适用于下一代通信大数据量多用户传输场景，以此高效满足系统频谱效率需求，为更实际复杂的随机多用户接入访问系统提供了一定的理论基础。