非规则RCM及其映射矩阵优化设计

作     者：徐健 

作者单位：中南民族大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈少平

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：速率兼容调制 信道状态大动态变化 非规则映射矩阵设计 稀疏矩阵 遗传算法 

摘      要：作为一种能在时变无线移动信道下获得连续且较高速率的无速率自适应传输技术,速率兼容调制技术(Rate Compatible Modulation,RCM)在空天通信,物联网传输和非正交多址接入等领域展现出广阔的应用前景。RCM的传输性能很大程度上取决于映射矩阵。映射矩阵构造的主要任务是确定映射矩阵中非零元素取值以及它们在矩阵中的位置。目前,RCM的研究主要集中在规则RCM理论与技术,其映射矩阵中的非零权重元素采用正负对称的规则设计,且每行中非零元素的个数相同。RCM的规则设计假设便于映射矩阵构造及其性能分析,然而规则RCM难以保证在较大信道变化范围内都能获得较高的传输速率和频谱效率。因此,如何摆脱映射矩阵设计的“规则假设,构造性能良好的映射矩阵是RCM研究中亟待解决且具有挑战性的工作,具有重要的理论与应用价值。 针对上述问题,本文提出一种非规则的速率兼容调制技术方案,并采用遗传算法进行非规则映射矩阵的优化构造,以在无线信道大动态变化范围内获得良好的传输性能。具体工作如下: (1)传统RCM权重元素采用正负对称的规则设计。然而,固定长度的规则权重集,将导致映射矩阵存在较多的短环,关键的短环极大地降低了BP解调中消息的有效传播,使得RCM存在明显的误码平台。不同于随机或准循环的规则映射矩阵构造,本文提出一种能够在较宽的信道范围内有效工作的非规则RCM传输方案,克服了传统RCM权重集的规则设计限制;此外,分析了非规则权重集的卷积运算特点,根据该特点设计了一种非规则RCM的解调算法,并给出了其符号节点处理的树形卷积实现结构。 (2)为进一步提高非规则RCM的传输性能,给出了一种基于遗传算法的非规则RCM映射矩阵的渐进构造框架。该框架利用遗传算法的择优进化优势,能构造低差错平台、性能良好的非规则映射矩阵,克服了基于传统构造方法难以保证渐进性能和存在性能验证困难的缺点。具体地,针对不同信道环境,设计了全部更新和部分更新两种遗传优化策略,利用遗传算法的交叉和变异操作渐进构造非规则RCM映射矩阵,确保构造的映射矩阵能始终朝着误码性能提升的方向进化。 结果表明:相比传统规则的RCM,本文提出的非规则RCM及基于遗传算法的映射矩阵构造框架,能够在整个信道范围内获得更好的误码性能和更高的传输速率。