【摘 要】
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近年来,现代无线通信系统高速发展,网络编码、能量效率、物理层安全等新兴课题逐渐被人们重视。混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat Request, HARQ）技术作为一种重要的差错控制方法,广泛应用于无线系统中。如何在HARQ系统中引入以上课题进行分析和设计是目前研究人员非常关心的。由于已有的成果大都没有考虑实际编码的影响,本文着重从该角度分析以上问题,设计了基于网络编码
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近年来,现代无线通信系统高速发展,网络编码、能量效率、物理层安全等新兴课题逐渐被人们重视。混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat Request, HARQ）技术作为一种重要的差错控制方法,广泛应用于无线系统中。如何在HARQ系统中引入以上课题进行分析和设计是目前研究人员非常关心的。由于已有的成果大都没有考虑实际编码的影响,本文着重从该角度分析以上问题,设计了基于网络编码的HARQ方案,讨论了能量效率的特征,并提出了两种高效的HARQ方案。另外,还考虑了 HARQ系统的物理层安全问题,分析了重传对安全性能的影响。本文的主要贡献和创新点主要有以下几个部分:1.在采用低密度奇偶校验码（Low-Density Parity-Check, LDPC）的HARQ系统中,提出了两种利用网络编码对重传数据进行编译码的方法。（i）首先针对两个错误码字合并重传的方案,设计了一种联合迭代译码算法,通过对外信息的更新和迭代进行分类设置,有效降低平均传输次数,提高系统吞吐量。（ii）进一步提出了N通道停等HARQ系统的联合编译码方法。其中编码部分,根据短码的特性设计了多码率重传码字的构造方法,具有灵活高效的特点;译码部分,设计了一种降低复杂度的译码算法,来恢复多个子信道的错误码字,能够在不影响性能的前提下,简化校验关系并减少迭代次数。2.研究了 HARQ系统的能量效率问题,分别针对加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise, AWGN）信道和块衰落信道,对能量效率进行了理论分析,并提出了两种提高能量效率的传输方案。（i）在AWGN信道中,根据实际编码的特性推导了最佳能量效率的渐近值,即前向纠错码的门限信噪比的倒数。（ii）将该问题扩展到块衰落信道中,同时考虑电路损耗的影响,推导了等功率传输的能量效率表达式及其能耗上界,设计了一种变功率传输的次优算法,能够降低复杂度并获得近似最优的功率分配方案。（iii）提出了一种简单高效的HARQ方案,根据已知信道状态信息来固定条件码字错误率,并相应地调整发送功率。通过对平均传输次数、吞吐量和能量效率等主要性能指标进行分析和验证,说明了该方法计算简单,且明显优于等功率传输方案。（iv）提出一种新的HARQ方案来改善能量收集节点的能量效率。由于衰落信道中能量收集节点的能量效率优化问题较为复杂,该方案用一个效用函数来表示前一次传输出错情况下的条件能量效率,并对其进行优化来节省消耗的能量,提高系统效率。首先给出搜索最优解,然后通过对Q函数的近似处理,给出了一个次优的简单闭式解。最后,验证了所提方案和传统方案相比较,可以有效改善能量效率。3.研究了 HARQ系统的物理层安全性能,通过理论分析证明了HARQ对于提高物理层安全性能具有积极的影响。推导了主信道和窃听信道的可达分集度分别为最大传输次数（K）和1,即重传对主信道正确传输的帮助不断增加,而窃听信道获得的增益十分有限;并分析了安全间隔这一重要指标,发现随着重传增加,安全间隔逐步减小,即安全性能随之提高。
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