分布式网络喷泉码的性能分析与优化设计研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shmilyxin2009
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宽带无线通信技术的飞速发展促进了移动互联网的日益普及和用户数量的不断增加。当前,越来越多的应用需要在网络环境中实现大容量数据的实时传输。这就对网络传输的有效性和可靠性提出了更高的要求。数字喷泉编码技术是利用时间资源的信道编码方法,网络编码技术则是利用空间资源提高网络传输效率的方法。两者的有机结合所产生的网络喷泉码可以发挥各自的优势,更充分地利用空时两维资源,逼近网络传输的理论极限,使网络吞吐量最大化。  网络喷泉码是近年来涌现出的新的研究方向,既是数字喷泉编码的发展趋势,又是网络编码的一个重要分支。对网络喷泉码的研究已成为数字喷泉码和网络编码研究领域的一个重要趋势。本论文对分布式网络喷泉码的基础理论和设计方法展开研究,分别从删除信道和无线信道两方面研究分布式网络喷泉码的编译码算法、度分布描述方法、性能分析方法和优化设计方法等。本论文的主要工作及贡献包括以下几个方面:  1.研究了分布式同构网络喷泉码。首先,对于含有任意个信源的分布式同构网络,提出了一种针对鲁棒孤波分布(Robust Soliton Distribution, RSD)的多重解卷积算法,以得到各信源的度分布,并进一步对该算法进行了改进。其次,提出了一种适用于分布式同构网络的一般分布式LT(Distributed Luby Transform, DLT)码,以及相应的信源和中继节点编码算法,并在信道无删除和有删除的情况下分别给出了相应的中继编码算法。最后,分析并推导了一般分布式LT码的总体度分布函数,并采用“与或树”(And-Or Tree)分析方法对其渐近译码性能进行了分析,为任意个信源的一般分布式LT码设计提供了理论基础。  2.研究了具有不等错误保护(Unequal Error Protection,UEP)能力的分布式异构网络喷泉码。首先,针对分布式异构网络的一般模型,提出了相应的分布式异构网络喷泉码的编码方案,并引入了多元度分布函数的概念。然后,在传统的“与或树”分析方法的基础上推导了广义“与或树”定理,应用于分布式异构网络喷泉码的译码性能分析,提出了描述其渐近性能特性的多元密度演化方程组,为分布式异构网络喷泉码的设计提供依据。其次,提出了一种适用于分布式异构网络喷泉码的两步优化算法,采用线性/非线性规划方法,对信源和中继的度分布进行联合优化。并针对两信源网络提出了一种改进的简化算法,进一步降低了优化的难度和复杂度。最后,提出了一种基于多参数控制的UEP码设计方法,扩展了UEP码的应用范围。仿真实验结果表明,所提出的分布式异构网络喷泉码不仅具有良好的BER(Bit Error Rate)性能,改善了错误平底,而且具有不等错误保护能力。  3.研究了基于乘积型网络编码的无线分布式网络喷泉码。首先,针对采用BPSK(Binary Phase Shift Keying)调制的无线分布式网络喷泉码,提出了一种基于乘积型网络编码的中继节点编码模型,并对其总体输入/输出度分布进行了分析。其次,对无线分布式网络喷泉码的译码算法和性能分析方法进行了研究,分别采用半高斯近似和外信息转移(Extrinsic Information Transfer,EXIT)图方法对其渐近译码性能进行了分析。最后,提出了无线分布式网络喷泉码的度分布优化设计方法,采用线性规划和最小二乘方法对中继和信源的度分布进行优化。在此基础上,建立了无线分布式网络喷泉码的理论分析和优化设计方法,将分布式网络喷泉码由删除信道扩展到无线噪声信道中。仿真实验结果表明,分布式网络喷泉码在无线信道也具有较好的BER性能。
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