物理层网络编码与信道编码的联合设计

A simple joint channel and physical network coding 简单的联合信道-网络 编码方案
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南京邮电大学学位论文原创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。
关键词：网络编码；物理层网络编码；无线双向中继信道；LDPC 码
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南京邮电大学硕士研究生学位论文
ABSTRACT
ABSTRACT
On the basis of Information Theory, R.Ahlswede and some researchers put forward the conception of network coding in 2000, which could highly improve the throughput of the network in order to transmit more information with the limited network resource. In Twoway relay channel, the transmission efficiency of the relay node can be improved effectively without loss of diversity gain via the network coding. In order to improce the BER performance of the relay network, joint network coding and channel coding can be used in the relay node, which has been received much attention during the past few years. There are many traditional processing methods such as amplify and forward (AF), decode and forward (DF), coded cooperation (CC). Later researches combine these methods and propose some typical coding strategies such as joint design of channel coding and physical layer network coding. Then the encoding and decoding principles of Turbo codes and LDPC codes are dicussed focusing on the decoding algorithm. The performance of Turbo codes and LDPC codes in different bit rate and code length are compared by simulation. After that, we choose LDPC codes used in joint channel coding and network coding method. On the design of LDPC codes under relay channels, we construct the new scheme named generalized joint channel physical network coding (G-JCNC) in two-way relay channels. In G-JCNC, a virtual LDPC encoder is constructed in order to find the optimum LDPC code that matches LDPC codes at the sources. After a detailed introduction of decoding process, a new decoding algorithm is derived. Comparing with the scheme called a simple joint channel and physical network coding scheme (S-JCNC) simulation results show that G-JCNC based on joint channel coding and network coding has better performance than S-JCNC.
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第一章 绪 论Байду номын сангаас
(Cooperative MIMO)，也称虚拟 MIMO。其基本原理是多用户环境中的单天线用户，在 传输自身信息的同时还可以传输所检测到的邻近用户的信息。实际上，协同 MIMO 就 是利用这点使各单天线用户共享其终端的天线， 从而在用户端和基站之间建立多跳虚拟 的衰落信道，以此来达到空间分集增益。协同 MIMO 克服了传统 MIMO 技术的限制， 为 MIMO 技术走向实用化道路提供了新的思路[12]。 在无线协同网络中，任意节点都可以在作为源节点的同时作为中继节点使用。但是 传统的中继节点的作用只是转发用户的信息， 网络的中间节点都只是对接收到的信息进 行存储和转发，除此之外不做任何数据处理，只是扮演着转发器的角色，很难达到无线 网络传输的最大吞吐量和带宽利用率。普遍认为，中间节点对信息的处理不能带来任何 增益，但是根据网络信息流香农提出的“最大割最小流”理论，网络节点的功能可以不 局限于存储和转发。 2000 年，香港中文大学的 R.Ahlswede 基于网络信息流的概念提出了“网络编码” 这一概念，其中的精髓来自于图论中著名的“Max-flow Min-cut”理论，网络编码改变 了传统网络的中间节点仅充当转发节点的角色， 中间节点能够对需要转发的信息进行相 关的编码，在接收节点处可以完成相关的解码功能，从而还原信息本身。从信息论的角 度，文章证明了可以通过网络编码达到网络通信的最大容量，最大限度的利用现有的资 源。网络编码彻底改变了通信网络中信息的处理和传输方式，是信息理论研究领域的重 大突破。之后，网络编码被应用于各个方面的研究，用于提高网络吞吐量[13]、保证链 路的可靠性、安全性[14]、能量利用效率[15]等方面。目前，将网络编码思想应用于网 络传输技术中已被证明是可以逼近网络容量理论传输极限的有效方法， 已被国际学术界 和美国军方认定为是解决网络传输问题的重要手段[16]。无线通信介质天然的广播特性 非常适合网络编码的应用[17]，人们发现可以将现有的网络编码技术与信道编码技术相 结合，使原有的无线网络的吞吐量加以改进，并且获得更佳的误码率性能。 综上所述，将网络编码的思想引入到无线传输技术研究中，可以使无线网络获得更 大的吞吐量。虽然与存储转发相比，中间节点进行编解码增加了 CPU 计算额外负担， 但是可以利用节点的计算能力达到增加网络容量的目的[18]，这种代价是可以接受的。
ldpccode南京邮电大学硕士研究生学位论文缩略词68缩略词缩略词英文全称译文rarepeataccumulatecode重复累积码afamplifyandforward放大转发dfdecodingandforward译码转发cccompressandforward编码协作gjcncgeneralizedjointchannelphysicalnetworkcoding广义的联合信道网络编码方案sjcncasimplejointchannelandphysicalnetworkcoding简单的联合信道网络编码方案南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果
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南京邮电大学硕士研究生学位论文
第一章 绪 论
第一章 绪 论
1.1 研究背景
无线通信发展至今， 人们对未来无线通信系统的要求是能够实现随时随地的任何业 务的任意接入，与提供语音业务为主的前两代移动通信系统相比，希望下一代无线移动 通信能够提供不同服务质量和高速率的多媒体业务。因此，为了实现这一目标，下一代 无线通信系统将采用更先进的算法和技术进一步扩大信道容量，提高信息传输速率，改 善通信质量，包括使用先进的信号处理技术，在无线环境中使用编码和高阶调制技术， 各种检测技术和分集技术，而其中分集技术显得至关重要。 众所周知，无线信道特有的衰落现象会对信号的传输产生很大影响，原因是无线信 道是一个多径信道。同一信号在多径信道中传播的路径不同就会产生不同的传播时延， 所以无线信道具有的多径衰落特性导致无线通信信号的不稳定接收， 这就会阻碍信道容 量增加，影响无线通信传输速率与质量。如何克服多径效应的影响便成为提高通信质量 需要解决的首要问题。 通过独立信道传输到接收端的衰落信号， 可以在接收端对其采用分集合并的技术减 轻衰落影响。分集(Diversity)[1-2]是对指对通过多个独立的衰落路径传输到接收端的信 号采用分集合并的一类方法。由于各个独立路径在同一时刻经历深衰落的概率很小，因 此通过在接收端对其进行适当的合并以后，接收信号的衰落程度会减小。目前无线通信 中常见的抗衰落的显分集技术包括空间分集、时间分集、频率分集、角度分集和极化分 集等，而抗衰落的隐分集技术包括跳频、交织编码和直接序列扩频等 [3]。研究表明， 多输入多输出(MIMO)技术[4-7]作为一种典型的空间分集技术，对无线通信传输性能有 很大的改善，它不仅能够提高通信的可靠性还能够提供通信的有效性。 MIMO 技术是指在通信系统的发射端和接收端，分别使用多个发射天线和接收天 线，以此使系统达到空间复用增益和空间分集增益，从而解决了通信系统大容量高需求 和有线频带资源之间的矛盾。 MIMO 技术扩展了一维智能天线技术， 是无线通信领域智 能天线技术的重大突破，能在不增加带宽的情况下成倍地提升通信系统的容量，且大大 增强了信道的可靠性。学术界对 MIMO 的理论、性能、算法和实现等方面进行了广泛 的研究[8]。但随着研究的深入，人们发现 MIMO 技术虽然有效的消除了无线信道多径、 时变衰落的影响，但是受移动终端体积、功率以及硬件复杂度等实现因素的制约，使用 多天线几乎是不切实际的，这明显限制了 MIMO 技术的而广泛应用。 1998 年，Sendonaris 等人在文献[9-11]提出了一种新的空间分集技术-协同 MIMO
Repeat-accumulate code Amplify and forward Decoding and forward Compress and forward Generalized joint channel physical network coding
译文
重复累积码 放大转发 译码转发 编码协作 广义的联合信道-网络 编码方案
Key Words: Network coding; Physical layer network coding; Two-way relay channel; LDPC code
II
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缩略词
缩 略 词
缩略词 RA AF DF CC G-JCNC S-JCNC 英文全称
南京邮电大学 硕士学位论文 物理层网络编码与信道编码的联合设计 姓名：李蓉 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：黄学军 2011-05
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摘 要
摘
要
2000 年，R.Ahlswede 等人从信息论的角度出发，提出了网络编码的概念，通过对 接收到的多路数据进行线性或非线性处理转发，网络编码可有效提高网络的吞吐量，从 而利用有限的网络资源传输更多的信息。在无线双向中继网络中采用网络编码技术，可 以有效提高中继节点的转发效率， 进一步改善基于网络编码的无线中继系统的误比特率 (BER)性能， 在中继节点处采用联合网络-信道编码方法， 这也是近年来的研究热点之一。 无线双向中继系统是指两个信源节点在中继节点的帮助下进行信息的交换。 本文首 先介绍了 Turbo 码和 LDPC 码的编译码原理、译码算法并讨论了各算法的优劣。接着阐 述了网络编码的发展历程，讨论了现有的一些典型的编码策略，如传统的中继处理方式 放大-转发(AF)、解码-转发(DF)、编码协作(CC)等。然后提出了网络编码和 LDPC 码信 道编码的联合设计方案,具体研究无线双向中继信道模型中 LDPC 码与网络编码联合设 计的方法。 对于中继的 LDPC 码译码器的设计， 首先在无线双向中继信道中构造了 LDPC 码与 网络编码的联合设计方案，广义联合信道-网络编码(Generalized Joint Channel Physical Network Coding, G-JCNC)方案。在此方案中，为了实现中继的 LDPC 多用户译码，设计 了虚拟 LDPC 码编码器，根据虚拟编码器寻找与源节点 LDPC 码相匹配的最佳中继 LDPC 码译码器， 并且详细的推导了联合译码过程中的译码算法。 计算机仿真结果显示， 与简单的联合信道-网络编码方案(A Simple Joint Channel and Physical Network Coding Scheme, S-JCNC)相比，基于 LDPC 码的 G-JCNC 方案比基于 LDPC 码的 S-JCNC 方案 有更好的性能增益。