模拟无速率编码调制优化与应用研究

A fundamental problem in wireless data communications is how to design coding and modulation efficiently in order to achieve a high transmission rate under time-varying channels. The tranditional rate adaptation technique of wireless networks has two defects. The one is that transmitter is diffcult to know accurately channel state information in time, especially in the time-varying wireless channel. The other one is that the transmission rate can be adjusted among limited modulation coding schemes, which results in a staircase of spectrum efficiency. In this proposal, we propose to investigate optimization and applications of analog rateless coding and modulation (ARCM) under the theory of network information and coding and modulation. Through this research, following two key issues will be tackled. First, how to achieve the optimization methods and convergence analysis of ARCM, and how to reduce its decoding complexity. Second, how to achieve efficient rate adaptation transmssion in unicast, multiple access and heterogeneous MIMO multicast channel by using ARCM. The research in this proposal builds a new technical frameworks of rate adapataion based on ARCM for new application, e.g., wireless image/video adaptively transmission and Nonorthogonal multiple access technology of 5G.

无线通信网络的一个基本问题就是：如何在时变的信道中设计有效的编码和调制策略，以达到尽可能高的传输效率。本项目针对当前无线网络的链路自适应方法存在的两个问题，即发送端很难准确及时地获取信道状态信息，以及发送端发送速率只能以阶梯式来调整，在编码调制理论和网络信息论的指导下，开展模拟无速率编码调制优化与应用研究。通过本课题的研究，将解决以下两个问题：第一，实现模拟无速率编码调制的收敛性分析和优化方法，以及如何有效降低其译码复杂度；第二，如何利用模拟无速率编码调制实现单播信道、非正交多址接入信道和异构MIMO组播信道的高效自适应传输。从而构建基于模拟无速率编码调制的链路自适应技术框架，为5G非正交多址接入技术、无线图像视频自适应传输等新型应用奠定理论和技术基础。

该项目围绕模拟无速率编码优化与应用展开相关研究。在无速率编码优化方面，本项目提出了降低模拟无速率编码调制峰均比的星座成形方法，实验结果表明当BER等于10^(−5)时，星座成形变换方法有0.8dB的性能损失，但峰均比降低了1.8dB，所以通过提高发射功率可以获得1.0dB的增益。设计非等概率信源下的最佳Spinal编码仍然是一个开放的问题。针对这个问题，本项目提出了一种新颖的稀疏Spinal（Sparse Spinal，S-Spial）码，S-Spial在非等概可压缩信源下实现了无缝速率自适应的同时，又逼近信道容量。.无速率编码应用主要体现在无线图像自适应传输领域。本项目提出了基于块大小可变DCT变换和去噪的无线图像自适应传输系统DVCast。实验结果表明随着DCT变换块大小（8×8,16×16,32×32）增加，图像PSNR和SSIM性能随之增加，而且GPU运行时间降低。在0dB至25dB的SNR区间内，DVCast性能好于Cactus、SoftCast以及传统数字传输Omni-JPEG。在SNR=25dB时DVCast相对于Cactus获得0.66dB增益，在SNR=0dB时DVCast相对于Softcast获得3.02dB增益。本项目提出了基于压缩感知和小波变换的模拟无线图像传输系统CSCast。实验结果表明，CSCast性能在整个SNR范围优于SoftCast，获得平均性能1.72dB的增益；在高SNR下CSCast性能优于Cactus，在SNR=25dB时CSCast相对于Cactus获得1.72dB的最大增益。项目研究了将可伸缩软视频传输系统集成到NOMA的视频组播方法，实验结果表明，与SoftCast、SupCast和传统的数字系统相比，所提出的设计具有明显的性能提升。