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2007-2011代表性成果四
2013-04-17 17:43 ISN ISN   (已浏览:)
代表性成果四:高效宽带无线中继通信系统

在高移动性环境下如何实现高频谱效率、高能量效率的通信是新一代宽带无线数字通信系统研究的重要课题。也是国家973计划、国家自然科学基金、863计划、国家科技重大专项等支持的重点研究方向。

面向IMT-Advanced的高效宽带无线中继传输与编码技术的研究是针对新一代宽带无线数字通信系统的需求与宽带无线通信信道特征,以Shannon信息理论为指导,以编码为手段,研究综合利用时间、频率、空间等通信资源,以及多用户合作与竞争行为等机制,来提高传输效率和通信质量的理论与方法,为下一代宽带无线通信系统的设计和应用提供重要的理论依据和技术支撑。

研究内容主要包括基于LDPC码的高效自适应编码调制技术,基于Rateless FEC码与发射机预编码的广播与多播信道高效传输技术,高移动下的MIMO与OFDM传输技术,以及基于网络编码的新型协作中继传输新理论和新方法。通过充分挖掘移动性与多重分集技术的有效利用,突破信道编码和网络编码的联合优化设计。

本成果是在“新一代宽带无线移动通信网”国家科技重大专项:“IMT-Advanced的开放性关键技术研究”、“面向IMT-Advanced协作中继的网络编码技术”、“IMT-Advanced增强MIMO技术研发”、“IMT-Advanced协作多点传输技术研发”、“IMT-Advance中继技术研发”、“TD-LTE终端基带芯片研发”、“TD-LTE面向商用基站研发”和“基于TD-LTE的高速铁路宽带通信的关键技术研究与应用验证”,国家863计划项目:“宽带无线传输中的高效高速自适应编码调制技术研究”、“无线通信系统中的用户协作分集技术”、“多体制信号识别与调制解调技术研究”和“多播网络中的网络编码技术研究”,国家自然科学基金重大项目“未来移动通信基础理论及关键技术研究”中的子课题“迭代式的信道编译码与调制解调技术研究”,国家自然基金委-广东省联合基金重点项目:提高宽带/超宽带无线通信系统的容量和质量的基础理论与关键技术的研究”,国家自然科学基金项目:“基于稀疏图码的MIMO广播信道污纸预编码技术研究”、“无线中继网络的联合网络-信道编码理论与设计方法研究”、“多用户自适应MIMO关键技术研究”、“有限长数字喷泉码的设计与编译码方法实现”、“多载波测距系统关键技术研究”、“MIMO-OFDMA无线接入中测距系统关键技术研究和实验室自主课题:“未来移动通信新体制及关键技术研究”、“高速高效信道编码理论与实现技术”等课题的支持下完成的。
 
1)主要的科技创新贡献
 A.率先构建了GF(64)上的多元LDPC码编译码器和FPGA硬件实现系统

与二元LDPC码相比,多元LDPC码在相同码长条件下有更强的纠错能力(特别是纠突发错误能力),更适宜与高阶调制相结合实现高谱效率。然而,多元LDPC码的编译码复杂度高、实用多元LDPC码的速率兼容码设计和编码调制系统设计研究较少等。针对上述问题,我们开展了相关研究工作,其主要创新点有:
l   基于差集和最大距离可分码,构造了几类多元LDPC码,并提出了一种高性能的非规则比特级缩短算法,可以获得更大的码率动态范围和更佳的误码率性能。
l   提出了在AWGN和Rayleigh信道上性能均优于现有最好的二元码的结构化多元重复累积(S-QIRA)码。
l   从迭代大数逻辑译码的角度提出了两种低复杂度的多元LDPC码快速译码算法。特别是对于高阶调制系统,提出了基于硬消息传递并在信号空间上对接收信号点进行迭代修正的方法,极大地降低了译码复杂度,获得了同行的高度认可。
 


GF(6 4) 上的多元 LDPC 编译码器 FPGA 硬件平台

l  开发了基于DSP和FPGA的自适应编码调制原型系统,在国际上较早地研制了GF(64)上的多元LDPC码编译码器的FPGA硬件实现系统。

上述研究工作发表在IEEE Communications Letters, 2010, Vol. 14, No.2, 3, 5, 10和IEEE ISIT 2010上。
B.突破了联合网络编码-信道编码的优化设计方法,提出了新型协作中继传输方式。

在无线通信中,协作中继通信技术通过中继节点形成虚拟天线阵列实现了空间分集效应,从而能够有效地对抗信道衰落。网络编码将编码和路由机制相结合,充分利用了信道信息,可以提高网络的吞吐量。协作中继传输系统中的中继传输方法及联合网络编码和信道编码的优化设计是当前无线通信研究的热点课题。我们对其新型中继传输方法设计与性能分析,联合网络编码-信道编码的网络LDPC设计等进行了深入研究,其主要创新点有:
l  突破信道编码和网络编码的联合优化设计,针对正交多址中继信道,提出了联合网络-信道编码设计的网络LDPC码,所提方案的译码门限与和容量上界之间的差距不到1dB;
l  分析了多址中继信道在采用正交传输方式时的和容量,并给出了一个新的和容量上界;
l  提出了低复杂度、可分布式实现、可获得全分集增益的适用多源多中继协作网络的联合源中继选择方法;
l  提出了可实现满分集增益的新的双向中继系统的中继选择方案,给出了系统的中断概率和平均误码率公式。
l   针对放大转发模式的双向机会中继系统,提出了不同信道状态信息(CSI)条件下的功率优化分配方法。
l  构建了支持面向IMT-Advanced的验证协作中继传输系统关键技术及方案的软件仿真平台及硬件实验系统。能够验证在双向中继、多址接入中继、组播中继等典型协作通信模块中采用网络编码的可行性。

相关研究工作发表在IEEE Trans. Wireless Communications(2011, No.7)、IEEE Trans. Vehicular Technology(2011, No.2)和IEEE Communications Letters(2009, Vol.13, No.8,2010, Vol.14, No. 2,8,10,2011, Vol. No. 1,3,4)上。
 


协作通信节点硬件平台与功能验证系统

 
C.解决了高速移动下OFDM系统的信噪比与频偏估计的难题

高速移动引起大动态多普勒频移,而OFDM/OFDMA对同步误差和非线性失真敏感。因此,在高移动性环境下如何实现OFDM/OFDMA大范围高精度频偏估计和降低峰均比,是新一代无线OFDM/OFDMA系统的一项关键技术。我们对OFDM系统高速移动环境下的信噪比、频偏估计方法和降低峰均比进行了深入研究,其主要创新点有:
l  提出了一种频率选择性衰落信道下OFDM/OFDMA系统的低复杂度、高稳健的基于导频的信噪比估计算法和信噪比辅助的数据判决导向的高精度剩余同步算法,解决了导频数目和同步估计精度相互矛盾的这一问题。同已有方法相比,同步精度提高大约一个数量级。该结果发表在2009年第8期IEEE Trans. Commun.和2009年第4期IEEE Trans. Vehicular Tech.上。
l  针对移动速度高达350km/h—500km/h的通信环境,提出了一种覆盖信号带宽的大范围高精度载波频偏估计算法,有效地解决了传统OFDM/OFDMA系统载波频率同步范围和精度依赖于训练符号结构问题。该结果发表在2007年第4期IEEE Trans. Vehicular Tech.上。
l  提出了分别基于PTS和基于非线性压扩的两种低复杂度的降低OFDM信号峰均比的方法。该结果发表在IEEE Trans. Broadcasting上(2010年第2期和2011年第1期)。
l  提出了低复杂度的基于凸优化的降低OFDM信号峰均比方法。该结果发表在IEEE Trans. Communications(2011年第1期)和IEEE SP letter(2009年第6期)上。
 
(2)国内外影响的主要证据
A.完成了包括“IMT-Advanced开放性关键技术研究”在内的新一代宽带无线移动通信网国家科技重大专项课题6项;包括“多播网络中的网络编码技术研究”在内的国家863计划项目4项;包括“提高宽带/超宽带无线通信系统的容量和质量的基础理论与关键技术的研究”在内的国家自然科学基金项目4项,实验室自主课题5项。目前,“面向IMT-Advanced协作中继的网络编码技术”的国家科技重大专项课题也即将完成,在研国家自然科学基金项目7项。
B.在IEEE Trans. Wireless Commun.、IEEE Trans. Commun.、IEEE Trans. on Signal Processing、IEEE Trans. on Veh. Tech.、IEEE Trans. Broadcasting和IEEE Commun. Lett.等国际一流学术刊物上发表论文30篇,在ISIT、ICC、Globecom等重要国际学术会议上发表论文30篇。
C 申请发明专利 75项,已获授权发明专利 23项。
D. 提交3GPP标准提案38项,其中国际提案13项,国内提案被认领8项。
 

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