不等错误保护Spinal码的设计与研究

摘要

在许多通信场景中，不同的信息需要得到不同的保护。例如，在无线网络中，控制信号比有效载荷更为重要，需要得到更多的保护，才能完成可靠的通信。这说明信息需要不等错误保护（Unequal Error Protection，UEP）。而在另外一些通信场景中，数据需要按次序恢复。例如，在视频点播系统中，需要依据用户的需求将数据按先后顺序恢复出来。这说明信息需要不等恢复时间（Unequal Recovery Time，URT）。为了满足上述应用需求，需要设计具有UEP和URT特性的编码方案。因此，本文在无速率Spinal码的基础上，设计和分析了能够同时提供UEP和URT特性的无速率UEP码。具体的研究工作如下：
　　针对二元对称信道（Binary Symmetry Channel，BSC）和加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise，AWGN）信道，设计了串行UEP Spinal码。串行UEP Spinal码通过两种方式获得UEP特性。一是将不同优先级的信息比特按优先级高低依次送入编码器，即高优先级的信息比特先编码，低优先级的信息比特后编码。二是通过调整不同优先级的分段长度使不同优先级具有不同的速率，即高优先级的分段长度较小，速率较低，低优先级的分段长度较大，速率较高。此外，设计了串行UEP Spinal码的不等长传输方案，避免了冗余编码符号的传输，极大地提高了传输速率。仿真结果表明，串行UEP Spinal码可以在信息位长度很短的情况下，提供逼近信道容量的速率性能，同时可以提供良好的UEP和URT特性。
　　针对所提串行UEP Spinal码，分析了其有限长性能和渐近性能。在有限长性能分析方面，基于串行UEP Spinal码潜在的成对独立特性，推导了串行UEP Spinal码各个优先级的错误概率的上界。之后，利用所推得的错误概率上界，讨论了串行UEP Spinal码在实际应用场景中的参数优化设计问题。此外，通过数据仿真结果说明了所推导上界的有效性，指出可以利用所推导上界很好地估计各个优先级的错误性能。在渐近性能分析方面，首先以引理的形式论证了存在一个串行UEP Spinal码，其速率可以任意接近信道容量，接着采用滑窗的分析方法，证明了在截断译码的条件下，串行UEP Spinal码可以达到BSC和AWGN信道的信道容量。
　　针对二元删除信道（Binary Erasure Channel，BEC），提出了叠加UEP Spinal码。叠加UEP Spinal码通过叠加的方式，使更多的编码符号携带优先级高的信息比特的信息，从而获得UEP特性。同时，通过调节叠加参数可以灵活地提供不同的UEP性能，以满足不同的场景需求。基于叠加UEP Spinal码的编码结构，提出了两种译码方案，即联合译码和连续译码，并通过引入中断译码参数降低了译码复杂度。仿真结果表明，叠加UEP Spinal码在提供UEP和URT特性的同时具有良好的纠错性能，且通过选择不同的叠加参数可以获得不同的UEP性能。
　　针对所提叠加UEP Spinal码，分析了其在ML译码条件下的有限长性能。在分析叠加UEP Spinal码有限长性能的过程中，首先分析了接收信号的概率模型，其次基于连续译码的树结构，以定理的形式给出了各个优先级的错误概率的上界，并给出了相应的证明过程。最后，通过仿真对比了所推导的错误概率上界与实际仿真的错误概率，可以看出，所推导的错误概率上界非常接近各个优先级的实际仿真的错误概率，这说明了所推导的错误概率上界可以用于准确估计各个优先级的错误概率。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.2 UEP码的研究现状

1.3 本文的研究内容

1.4 本文的结构安排

第二章 无速率Spinal码的基本原理

2.1 无速率Spinal码的编码原理

2.2 无速率Spinal码的译码原理

2.3 无速率Spinal的性能

2.4 本章小结

第三章 串行UEP Spinal码

3.2 Spinal码潜在的UEP特性

3.3 串行UEP Spinal码的编码

3.4 串行UEP Spinal码的译码

3.5 性能仿真与讨论

3.6 本章小结

第四章 串行UEP Spinal码的性能分析

4.2 串行UEP Spinal码的有限长性能

4.3 有限长性能分析的应用和讨论

4.4 串行UEP Spinal码的渐近性能

4.5 本章小结

第五章 叠加UEP Spinal码

5.2 叠加UEP Spinal码的编码结构

5.3 叠加UEP Spinal码的译码

5.4 性能仿真与讨论

5.5 本章小结

第六章 叠加UEP Spinal码的性能分析

6.1 接收信号的概率模型

6.2 MIB的错误概率

6.3 LIB的错误概率

6.4 数值结果

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.2 未来研究展望

参考文献

致谢

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