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高效信道编码及其编码协作系统的构造和性能研究

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高效信道编码及其编码协作系统的构造和性能研究

作者：项剑特南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着现代通信技术的发展,人们对数据通信的服务质量要求越来越高,如何在高速传输的过程中保持通信系统的可靠性,减少系统传输时信息的错误概率一直是研究的热点,而信道编码技术便是实现这一目标的有效途径。近年来,人们致力于构造高效... 详细信息

随着现代通信技术的发展,人们对数据通信的服务质量要求越来越高,如何在高速传输的过程中保持通信系统的可靠性,减少系统传输时信息的错误概率一直是研究的热点,而信道编码技术便是实现这一目标的有效途径。近年来,人们致力于构造高效实用的信道编码方案,但是至今没有一种设计能够达到香农当年提出的信道容量Shannon限,直到极化码理论的提出。极化码从理论上证明可以达到Shannon限,并且编译码复杂度都是线性的,正因为这些原因,极化码在信道编码领域开辟了新的道路。本文分析了极化码的编译码算法,重点研究了在中继编码协作系统中极化码的实现方式,并与Turbo码与LDPC码的编码协作系统作了性能仿真比较,主要的研究内容和创新点如下:(1)针对Turbo编码协作系统,研究了Turbo码的编码器结构与迭代译码原理,在此基础上给出了基于Turbo码的分布式编码协作方式,分析了目的节点处信息的整合方式以及对应的联合迭代译码算法,通过仿真说明其性能优越性。(2)针对LDPC编码协作系统,提出了基于生成矩阵LDPC码(Generator-matrix-based LDPC,G-LDPC)的协作方式,推导出在目的节点基于整个协作系统的校验矩阵,给出与之对应的双层Tanner图,基于双层Tanner图进一步提出了联合迭代译码算法,并给出了性能仿真图。(3)给出了信道极化现象的产生原因,并研究了极化码的编码方式,分析了极化码译码时发生错误的概率并且推导了极化码的SC、BP、SCL和CA-SCL译码方法的算法过程,并在BSC、BEC和AWGN信道下做了性能仿真,探讨了不同因素对译码性能的影响。(4)针对极化码,在总结已有的子信道选择方法的基础上提出一种基于AWGN信道的判决转化方法,通过判决思想将AWGN信道转化为BSC信道,将BSC信道的子信道选取方法应用于AWGN信道,通过性能仿真说明该方法相比传统方法具有0.2dB左右增益。(5)重点研究了极化码的plotkin结构,给出具体的构造过程,并提出一种基于plotkin结构的极化码中继编码协作系统,通过仿真图说明,与非协作模式和Nested结构系统相比,该系统具有更好的性能。最后,与Turbo码、LDPC码编码协作系统比较,分析了三种系统的性能特点,并发现在高信噪比条件下,本文提出的极化码中继编码协作系统可以带来更好的性能增益。

关键词：极化码 Turbo码 LDPC码双层Tanner图编码协作 plotkin结构

基于优化中继信息选择的分布式GRS/Polar编码系统的性能研究

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基于优化中继信息选择的分布式GRS/Polar编码系统的性能研究

作者：郭鹏程南京航空航天大学

学位级别：硕士

在当今信息化时代,各领域对通信传输的可靠性要求日益提升,为了控制数据传输中的差错,信道编码成为了现代数字通信不可或缺的一部分。因此,本文在对信道编码以及协作通信研究的基础上,构造了基于优化中继信息选择的分布式RS码系统、优... 详细信息

在当今信息化时代,各领域对通信传输的可靠性要求日益提升,为了控制数据传输中的差错,信道编码成为了现代数字通信不可或缺的一部分。因此,本文在对信道编码以及协作通信研究的基础上,构造了基于优化中继信息选择的分布式RS码系统、优化的分布式GRS码系统、基于plotkin结构的分布式Polar码系统以及分布式GRS-Polar级联码系统。针对不同码字的特性,创新性地提出了多种中继信息选择算法。本文主要研究内容及创新点如下:(1)本文首次提出了一种在分布式信道编码系统中联合构造具有较优终端码重分布的方法,进而构造了采用中继信息选择的分布式RS码系统。根据RS码是MDS码的特性,首次提出了中继信息选择的优化算法——穷尽搜索算法,以该算法为基础提出了一种复杂度更低的改进算法——部分搜索算法,并在目的点处提出了两种联合译码算法——SMART和NAIVE译码算法,仿真分析了改进算法的有效性以及中继信息选择算法给分布式编码系统带来的性能改善。(2)在对GRS码研究的基础上,构造了分布式GRS码系统,并基于GRS码的信息位多项式的特性,首次提出了GRS码的中继信息选择优化算法,通过仿真验证了分布式GRS码系统的可行性以及中继信息选择算法对该系统的优化作用。(3)为了改善Polar码短码时的系统性能,提出了plotkin结构的分布式Polar码系统,基于对Polar码子信道可靠性的研究,提出了补助子信道的中继信息选择算法。仿真结果表明,在AWGN信道下分布式Polar码系统相较于Polar码非协作系统性能提升较为明显,但在衰落信道下性能改善不佳。(4)针对分布式Polar码系统在衰落信道下性能改善不理想的问题,提出了将GRS码与Polar码交织级联,构造了分布式GRS-Polar级联码系统。该系统通过补助子信道的中继信息选择算法和plotkin结构从而在中继点处构造了与信源点等长的Polar码,并在目的点处再次使用plotkin结构从而获得信源点两倍长的Polar码,两次plotkin结构极大地改善了Polar码码长问题。此外,该系统的交织级联结构有效应对了内码译码时的连续突发性错误问题。由仿真性能曲线可知,分布式GRS-Polar级联码系统与分布式Polar码系统相比,译码性能有了显著提升。

关键词：分布式编码中继信息选择算法 RS码 GRS码 Polar码 plotkin结构

码率兼容自适应polar编码协作传输技术研究

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码率兼容自适应polar编码协作传输技术研究

作者：边海波杭州电子科技大学

学位级别：硕士

为了满足人们对多媒体业务的传输需求,迫切需要一种大容量、高速率和高可靠性的无线通信网络。信道编码技术可以抵御数据在信道传输时各种干扰,提高数据传输效率和系统可靠性。极化码(Polar码)被采纳为5G e MBB场景的控制信道编码,是目... 详细信息

为了满足人们对多媒体业务的传输需求,迫切需要一种大容量、高速率和高可靠性的无线通信网络。信道编码技术可以抵御数据在信道传输时各种干扰,提高数据传输效率和系统可靠性。极化码(Polar码)被采纳为5G e MBB场景的控制信道编码,是目前已知的唯一一种可以“达到”香农容量的信道编码技术;协作通信是对抗信道衰落,获得空间分集增益的虚拟多输入多输出技术(虚拟MIMO),也能提高系统的容量和可靠性,同时降低设备的复杂性。信道编码技术与协作通信技术的结合,既能获得编码增益又能获得分集增益。全文主要创新点如下:本文针对最初的polar码码长不能自适应问题,提出一种新的系统polar码的缩短方案;该方案最大限度的保留极化码的极化特性,进一步提高了系统的误码率性能。仿真结果表明:在AWGN信道中,在高码率条件下,建议的系统极化码的缩短方法的误码率性能优于系统极化码的准均匀凿孔方法,也优于极化码的缩短方法。当码率为3/4、误码率为10-4时,系统极化码的缩短方法比极化码的缩短方法约有0.5 d B的增益,比系统极化码的准均匀凿孔方法约有0.25 d B的增益。为了解决码率码长自适应polar码在协作通信中的传输问题,提出了两种方案:polar码缩短的编码协作和系统polar码缩短的编码协作。这两种方案都是在polar码的plotkin结构的基础上实现了码率码长自适应polar的编码协作,这两种方案都能有效改善系统传输速率和可靠性,同时保留了协作通信中低复杂度的编译码特性。仿真结果表明,非对称条件和对称条件下,系统polar码缩短的编码协作系统的误码率性能比polar码缩短的编码协作明显提高,但误块率性能基本相同。

关键词： polar码系统polar码缩短 plotkin结构编码协作

极化编码MIMO中继协作系统的构造和性能研究

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极化编码MIMO中继协作系统的构造和性能研究

作者：徐宏伟南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着无线通信的发展,未来的通信将朝着更高速率、更高可靠性的方向发展。信道编码技术通过获得编码增益提高通信系统的可靠性。协作通信技术可以通过空间分集提高通信系统性能。极化码理论上被证明在B-DMC信道下能够达到香农限,并且编... 详细信息

随着无线通信的发展,未来的通信将朝着更高速率、更高可靠性的方向发展。信道编码技术通过获得编码增益提高通信系统的可靠性。协作通信技术可以通过空间分集提高通信系统性能。极化码理论上被证明在B-DMC信道下能够达到香农限,并且编译码复杂度都很低,因此将极化码和协作通信相结合的极化码编码协作能够同时获得信道编码增益和协作分集增益,具有广阔的应用前景。本文研究了极化码的编译码算法,重点研究了极化码编码协作实现方式及系统性能。主要的内容如下:（1）介绍了Turbo码编码器结构和迭代译码算法,重点分析了编码匹配交织器的构造,并通过仿真说明了编码匹配交织器性能的优越性。然后分析了LDPC码的编码方法和BP译码算法,最后对比分析了极化码、Turbo码和LDPC码的优缺点。（2）极化码是基于信道极化现象进行编码的,本文首先详细分析了信道极化现象产生的过程,包括信道合并和信道拆分,然后分析推导了极化码生成矩阵的构造及编码过程,针对信息比特信道的选取,总结分析了巴氏参数、高斯近似、AWGN信道判决转换和比特信道熵四种方法,最后研究了SC、BP、SCL和CA-SCL四种译码算法的具体实现过程,并仿真分析了AWGN信道和瑞利块衰落信道下不同因素对极化码译码性能的影响。（3）研究了plotkin结构极化码的构造方法,并提出了plotkin结构极化码编码中继协作系统,给出了目的节点处的联合CA-SCL译码算法和联合SC译码算法,分析推导了理想编码协作系统在瑞利块衰落信道下的中断概率,并通过仿真说明了编码协作系统较点对点编码系统中断概率大大降低。仿真分析了该系统的性能,并通过仿真说明了该系统的性能要优于低码率的plotkin结构极化码编码协作系统和点对点编码系统。（4）提出一种信源节点和协作中继配置单天线,目的节点配置多天线的plotkin结构极化码编码协作MIMO系统,该系统能够同时获得编码增益、协作分集增益和多天线接收分集增益。给出了该系统目的节点的分集合并方案,推导了该系统在瑞利块衰落信道下的中断概率,通过仿真说明了编码协作MIMO系统较非协作编码系统降低了中断概率。最后仿真分析了在瑞利块衰落信道下不同因素对该系统性能的影响,且通过与非协作编码系统及编码协作系统的性能仿真对比,说明了该系统具有更好的性能。

关键词：极化码编码协作编码协作MIMO plotkin结构信道极化

新型安全可靠无线传输系统关键技术的设计与研究

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新型安全可靠无线传输系统关键技术的设计与研究

作者：范明慧南京航空航天大学

学位级别：硕士

敌我识别系统用于辨别战场上的目标是敌是友。由于战场环境日益复杂多变,许多国家将敌我识别系统广泛应用于战争中。该系统利用询问机和应答机相互通信实现目标的识别,所以信息的安全性和可靠性是至关重要的。本文基于这两个问题对新型... 详细信息

敌我识别系统用于辨别战场上的目标是敌是友。由于战场环境日益复杂多变,许多国家将敌我识别系统广泛应用于战争中。该系统利用询问机和应答机相互通信实现目标的识别,所以信息的安全性和可靠性是至关重要的。本文基于这两个问题对新型敌我识别系统进行了研究。第一部分依据混沌密码学基础,将混沌映射应用到询问机的加密机设计中;第二部分依据极化码的特有性质,将极化码应用到询问机加密信息的信道传输中。主要工作概括如下所示:(1)基于对混沌系统的总结和分析构造了随机的密钥序列和非线性动态S盒。其中密钥是利用类Henon混沌映射产生的实数序列数字化,并对该二进制序列经过处理以增加它的均匀性和独立性。而保障分组密码安全性的重要元件—S盒,本文在研究了已有的设计方法的基础上,构造了基于Logistic-Tent混沌映射的非线性动态S盒。该动态S盒的平均非线性度值不小于105,差分均匀度的最大值不大于10,具有较好的性能。(2)设计了满足Mark XIIA模式5系统的混沌分组加解密算法,并对该加密系统实施了不可能差分分析。首先对固定S盒的加密系统构造了7轮不可能差分路径,从数据复杂度方面计算了分析成本;再对不确定的S盒的加密系统进行了不可能差分分析,证明了该分组加密系统具有较好的抗差分性。(3)极化码是基于信道极化方案的线性分组码。本文在研究了信道组合和信道分解的理论知识后,探讨了极化码编码方案和选择信息位算法。在对信息位进行挑选时,本文提出了一种新型的信道转换方法,该方法适用于AWGN信道。然后关于极化码的SC译码和BP译码进行了仿真分析,主要是在AWGN信道上,关于不同的编码长度、编码速率、BP译码的最大迭代次数对极化码性能的影响。最后,将基于信道转换方法和BEC方法的极化编码SC译码性能进行仿真对比分析。(4)本文针对极化码在无线通信领域中的应用,依据半双工单中继信道模型,提出了基于plotkin结构的极化码协作通信系统。并将该协作通信系统与未协作通信系统和Nested结构的极化码协作通信系统进行仿真对比分析,证明基于plotkin结构的协作通信系统可以改善极化码的性能。

关键词：敌我识别混沌分组加密动态S盒不可能差分分析极化码 plotkin结构

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极化码在中继编码协作系统中的性能研究

无线电工程 2016年第3期46卷 22-25页

作者：项剑特仰枫帆南京航空航天大学电子信息工程学院江苏南京210016

极化码作为近年热门的编码方法,越来越受到人们的重视。对极化码的基本原理与编译码方法进行了简要介绍,分析了极化码的plotkin结构的构造过程。在介绍传统中继协作通信系统和编码协作技术的基础上,提出基于plotkin结构的极化码中继编... 详细信息

极化码作为近年热门的编码方法,越来越受到人们的重视。对极化码的基本原理与编译码方法进行了简要介绍,分析了极化码的plotkin结构的构造过程。在介绍传统中继协作通信系统和编码协作技术的基础上,提出基于plotkin结构的极化码中继编码协作方案,具体分析了协作方案的实现过程,通过具体的理论分析和仿真结果说明,与非协作方式相比,在不同的中继信道条件下,该方案有不同程度的性能提升,同时,得出在中继节点不同的信息选取方式也可以带来不同的性能提升的结论。

关键词：极化码 plotkin结构中继协作编码协作