面向低时延高可靠无线通信的信道编码方法研究

This project is concerned with the channel code design for ultra-reliable low-latency wireless communications, where both concatenated Polar codes for short bursty data packets and the block Markov superposition transmission (BMST) coding scheme for stream of data packets are investigated. By using multiplicative repetition-superposition approach and deep learning-aided decoding algorithms, the construction of Polar codes and streaming codes with low complexity is discussed. The optimized construction is considered based on the density evolution along with analysis of minimum distance distribution. Our research will provide the necessary technical support for the future mobile Internet and machine-type communication systems with high-performance physical-layer techniques. The research will focus on the following topics: The code design and its optimization of concatenated Polar codes based on analysis of combing distance spectrum and performance of maximum likelihood decoding; Deep learning-aided decoding algorithms of Polar codes; Optimized design of nonbinary Polar codes based on multiplicative repetition with low decoding complexity; and coding methods for and performance analysis of multiplicative repetition–based nonbinary BMST as well as high performance sliding-window decoding algorithms object to consecutive packet communications.

本项目主要面向低时延高可靠无线通信应用，深入研究突发短数据包的级联Polar编码性能与优化设计，以及连续数据包流的低时延多元分组Markov叠加（BMST）编码技术，探索完善“（乘）重复-叠加”基本编码结构的一般理论框架。通过综合应用重复-叠加编码结构、深度学习辅助的译码算法，并采用密度进化与最小距离谱分析相结合的优化方法，构造高性能的短Polar码和低时延流码，为未来移动互联网和机器型通信提供物理层技术支撑。主要研究内容包括：级联Polar码的重量谱与最大似然译码性能分析、优化设计；深度学习辅助的Polar译码算法；基于乘性重复的低复杂度多元Polar码优化设计；面向连续包低时延通信的乘性重复多元BMST编码方法与高性能滑窗译码算法；以及多元BMST的性能分析。

面向5G/6G移动通信中的移动互联网业务以及物联网业务，深入研究低时延高可靠的无线传输技术具有重要意义。本项目主要研究了短数据包的级联Polar码性能与优化设计；基于乘性重复的多元Polar码优化设计方案；Polar码的高性能BP List译码算法以及连续大数据包流的多元空间耦合码编码技术，并深入探索完善了符号级和波形级“重复-叠加”基本编码结构的一般理论框架。.具体地说，本项目面向5G编码中的低虚警率、早停等要求，系统研究了二元级联Polar码，采用密度进化与最小距离谱分析相结合的优化方法，提出了具有灵活外码长度的Hash-Polar码及其衍生的分段Hash-Polar码；在此基础上，提出了基于乘性重复的多元Polar码以及二元与多元混合的多层Polar编码调制方案。在译码算法方面，针对传统Polar码译码算法存在的问题，提出了基于因子图选择的BP-List译码算法，可获得理想的误码率性能且满足了低时延高吞吐的需求。此外，面向连续包的低时延通信，研究了基于校验矩阵耦合的多元空间耦合LDPC码和基于生成矩阵耦合的多元分组马尔科夫叠加传输（MRST）方案。在此基础上，通过优化叠加比例，提出了部分乘性重复的叠加传输（MRPST）方案，进一步提高了原方案的性能。.在空间耦合LDPC码方面，我们提出了咬尾全局耦合（TB-GC-LDPC）码，并基于代数和不完全区组设计提出两种构造方法，分析了两阶段译码策略对其性能和复杂度的影响。针对工业互联网应用，提出了基于基模图的GC-LDPC码构造方法，通过高斯近似和外信息转移分析方法设计出具有抗突发干扰特性的GC-LDPC码。同时，基于多元空间耦合LDPC码的非均匀耦合随机码集和基模图码集的迭代译码门限，我们计算出了最优度分布和基模矩阵结构，并提出了具有滑窗译码结构的列表纠删算法，能够以相对较低的复杂度获得接近最大似然译码的性能。.另外，在面向高谱效传输方面，研究了LDPC编码正交空间调制和高维信号星座设计方法，提出了任意发送天线数量的多元LDPC编码空间调制系统。还面向波形级的“叠加-编码”传输，提出了两种基于Ungerboeck模型的超奈奎斯特（FTN）信号检测简化算法；在编码FTN系统设计方面，我们联合编码设计、FTN符号速率以及检测算法设计了叠加编码调制的FTN系统。