随着无线通信技术的发展,通信系统对检错纠错能力和传输效率的要求越来越高。信道编码作为承担纠错检错责任的通信技术,可以显著提高通信系统的可靠性,保证高效传输,成为了通信技术中研究的重点之一。然而由于无线信道环境越来越复杂,发射端难以获取准确的信道状态,这使得基于信道状态选择编码参数的传统信道编码方式无法满足性能需求。无速率码作为一种无需获取信道状态即可实现自适应传输的编码方式,成为了无线通信中提升传输可靠性和有效性的一种可行方法。本文基于无线通信场景,深入研究无速率码编译码技术以及其在无线通信中的扩展应用,从提高可靠性,提升吞吐量以及鲁棒性等角度进行优化设计和性能分析,主要贡献和创新性研究成果分为以下几个方面:1.提出了基于校验矩阵的物理层无速率编码方案,该编码方案通过使用球入箱编码方法及逆系统传输方法,可以有效降低误码平台。基于此方案,设计了一种固定的无速率码度分布,保证了物理层无速率码的鲁棒性。针对无速率编码设计,首先分析了传统无速率码在高斯信道下的误码平台问题,研究了其产生原因并推导误码平台公式。然后提出了适用于物理层的无速率码编译码方法,该方法通过平均所有变量节点的度值来降低误码平台。之后,提出了固定无速率码度分布的优化方法,使得该编码方式可以仅使用一种固定的度分布,即可在一个较宽泛的信噪比区间中都拥有良好的译码性能,保证了该编码具有较强的鲁棒性。2.针对双向中继信道的传输特点,提出了混合估计转发与译码转发的转发模式。基于该转发模式,使用连续度分布优化方法对物理层无速率码的度分布进行优化,通过联合优化转发方式与编码方式,实现了度分布根据发送端传输量的变化进行自适应调整,提升了传输可靠性。首先分析了经典的中继转发方式,对比了放大转发,解调转发及估计转发的性能,分析了估计转发方式的优势。与此同时,提出了中继联合置信传播译码算法,并提出了混合估计转发与译码转发的转发方式。根据中继所选用的转发方式,将生成三种不同形式的网络编码信号,推导了三种形式对应的接收端信噪比。之后,将物理层无速率码应用于双向中继系统中,根据所设计的中继转发方式,提出了连续度分布优化方法,实现了度分布的自适应调整,并根据中继的译码情况进行分析,对两个用户和中继所使用的度分布分别进行优化,使得接收端接收到的叠加度分布为最优度分布。3.研究了无速率编码和调制方式相结合的编码调制技术。通过分析无速率调制的误码率性能,提出了基于平均权重平方和选择的无速率调制方法,实现了编码调制方式的融合及联合优化,进一步提升了系统的传输效率。传统无速率码编码方式与调制方式相互独立,使得调制方式依然需要根据信道状态信息来选择。针对该问题提出了无速率编码和调制方式相结合的编码调制技术(权重速率可变调制)。信息比特通过无速率调制直接生成调制符号序列,该方法使用固定的调制星座图,避免了系统需要根据不同信道环境选择不同的调制方式,同时避免了由于星座图切换带来的系统不稳定等问题。并针对等差保护与不等差保护两种情况,提出了相应的编码调制实现方法。通过分析无速率调制比特误码率(Bit Error Rate,BER)性能,提出了平均权重平方和选择算法,降低了传输比特误码率,提升了传输效率。4.将无速率编译码思想引入多用户接入场景,提出了基于串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)算法的时隙ALOHA(Slotted ALOHA,SA)系统,并使用马尔可夫分析进行优化,证明了利用SIC算法对碰撞包进行处理可以有效提升系统吞吐量。之后,采用无速率码思想进行性能优化,并设计出了基于反馈的编码时隙ALOHA(Coded Slotted ALOHA,CSA)系统,减少了用户的无效重传,节省了传输资源。最后针对译码算法,设计了针对CSA系统的分布式译码算法,解决了SIC算法只能从无碰撞包开始操作的问题,进一步提升系统吞吐量。传统SA系统中如果出现数据包的碰撞,则将碰撞包丢弃,这导致了系统吞吐量的恶化。为了充分利用碰撞包中所含的信息,无速率码设计思想被扩展到了多用户接入场景之中。本文首先提出了基于SIC接收机的SA系统,通过马尔可夫分析研究了传输概率与吞吐量及时延的关系,并对传输概率参数进行优化以最大化吞吐量,证明了SIC算法可以有效提升系统吞吐量。然后将编码思想引入SA系统,研究了CSA系统的优化方法,并考虑到终端用户的能耗问题,设计了基于反馈的CSA系统,通过反馈减少了终端用户的无效重传,有效节省了传输资源开销。最后,针对SIC算法必须获取无碰撞包才可开始译码的问题,提出了分布式译码算法,该算法不需要等待无碰撞包,可以将每一包的处理过程分布到各个时隙当中,有效提升了系统吞吐量,并对其译码性能进行分析,推导其错误概率的下界,该下界与实际错误概率非常接近,可用于指导系统负载等参数的配置。