5G通信信道編碼技術(shù)研究綜述

王 嘉

（河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，石家莊　050200）

1　通信信道編碼技術(shù)發(fā)展歷程

1948年香農(nóng)信道編碼定理最早指出了信道編碼的存在性，該定理認(rèn)為可通過構(gòu)造長碼、采用最大似然譯碼實(shí)現(xiàn)好碼的構(gòu)造，但由于二者之間存在物理途徑的不可兼得，這就使得低誤碼率編碼系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中必須關(guān)注編譯碼方法的易于實(shí)現(xiàn)性、最大釋然譯碼采用中保證誤碼率滿足要求，而受香農(nóng)信道編碼定理影響，1949年出現(xiàn)了第一個(gè)完備糾多個(gè)差錯(cuò)的糾錯(cuò)碼Golay碼。

隨著學(xué)界對(duì)信道編碼的重視程度不斷提升，Hamming碼、Forney級(jí)連碼、Elias卷積碼、R ateless碼、Polar碼相繼出現(xiàn)，Turbo碼、Polar碼、LDPC碼屬于現(xiàn)階段學(xué)界最為重視的信道編碼技術(shù)。其中，Turbo碼提出于1993年，隨機(jī)編碼思想屬于其核心，LDPC碼的重新研究于1996年起步，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各通信系統(tǒng)，Polar碼提出于2009年，信道極化屬于其源頭，現(xiàn)已證明其性能可達(dá)到香農(nóng)限。

2　5G通信信道編碼技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

考慮到學(xué)界研究重點(diǎn)，本文僅圍繞Turbo碼、LDPC碼、Polar碼開展5G通信信道編碼技術(shù)研究現(xiàn)狀分析。

2.1　Turbo碼

Turbo碼具備編碼復(fù)雜度低、在通信系統(tǒng)聯(lián)合設(shè)計(jì)方面優(yōu)勢明顯等特點(diǎn)，這類特點(diǎn)與Turbo碼入選5G候選編碼方案聯(lián)系緊密，而為了保證Turbo碼可較好服務(wù)于5G移動(dòng)通信，近年來學(xué)界圍繞提高吞吐率的并行譯碼、影響譯碼性能的結(jié)尾處理、影響性能的打孔和交織的聯(lián)合優(yōu)化等領(lǐng)域開展了大量研究，如Shannon等人基于Turbo碼研究的并行譯碼結(jié)構(gòu)便屬于其中代表，該研究將N長數(shù)據(jù)塊分為M子塊，由此每個(gè)字塊均包含獨(dú)立SISO譯碼模塊，這一研究在增加硬件成本的前提下實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)速率的大幅提升，具體提升可達(dá)到原數(shù)據(jù)速率的M倍；而在Hussami等人的研究中，該研究圍繞歸零法、咬尾法、直接截尾法3種卷積碼格柵終止策略在5G移動(dòng)通信中的應(yīng)用性能進(jìn)行了對(duì)比，由此確定了咬尾卷積碼可實(shí)現(xiàn)更高效編碼且在全球微波接入互操作性方面表現(xiàn)較為優(yōu)秀；而在Hocquenghem等人的研究中，該研究分析了Turbo碼的未來發(fā)展趨勢，并提出了LTE Turbo在特殊情況下出現(xiàn)的Error Floor將直接影響傳輸業(yè)務(wù)的可靠性，這也是近年來5G標(biāo)準(zhǔn)化重點(diǎn)關(guān)注的問題；而在Mac Kay的研究中，其認(rèn)為改進(jìn)后Turbo2.0可較好服務(wù)于5GURLLC等場景，雖然3GPP的eMBB場景中Turbo碼沒有得到應(yīng)用[1]。

2.2　LDPC碼

作為具有稀疏校驗(yàn)矩陣的線性分組碼，LDPC碼具備校驗(yàn)矩陣每行、列非零元素?cái)?shù)目非常小的特征，這使得LDCO碼可分為規(guī)則與不規(guī)則兩類，其中不規(guī)則的LDCO碼在多數(shù)時(shí)候擁有著更為優(yōu)秀的性能。雖然LDCO碼本身具備多方面優(yōu)勢，但在5G移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用中，其卻面臨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化方面的難題。在李世銀等人的研究中，該研究認(rèn)為LDPC碼低復(fù)雜度的硬件實(shí)現(xiàn)、碼的性能分析方法優(yōu)化、校驗(yàn)矩陣優(yōu)化設(shè)計(jì)屬于其在5G移動(dòng)通信系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵；而在RICHA R DSON的研究中，研究認(rèn)為LDPC碼的三角和準(zhǔn)循環(huán)結(jié)構(gòu)在5G移動(dòng)通信系統(tǒng)領(lǐng)域具備一定優(yōu)勢，而這一過程必須重點(diǎn)關(guān)注最小距離、陷阱集、度分布序列等重要性能因素；高通在近年來的研究也多次提到LDPC碼的5G應(yīng)用，如建議多邊LDPC碼高度關(guān)注設(shè)計(jì)靈活性、時(shí)延、吞吐率；三星則在研究中指出準(zhǔn)循環(huán)結(jié)構(gòu)LDPC碼在大范圍變化情況下具備顯著優(yōu)勢，這也是近年來學(xué)界更多將LDPC碼研究集中在硬件實(shí)現(xiàn)方法、譯碼算法、碼調(diào)制聯(lián)合優(yōu)化等方面的原因所在。

2.3　Polar碼

作為可達(dá)到香農(nóng)容量限的信道編碼方法，Polar碼在5G領(lǐng)域有著較為廣闊的應(yīng)用空間，由于信道極化是Polar碼的基本原理，因此近年來學(xué)界的研究重點(diǎn)更多集中在信道極化的可靠性方面，如Vardy在研究中提到可使用輸入輸出近似為有限的等效信道有效降低密度進(jìn)化方法計(jì)算復(fù)雜程度；而在白寶明等人的研究中，研究選擇了提升有限碼長極化碼性能作為研究對(duì)象，并圍繞CRC輔助SCL譯碼開展了大量分析，這一分析揭示了5G應(yīng)用中Polar碼面臨的聯(lián)合優(yōu)化、時(shí)延和吞吐率、信道信息強(qiáng)依賴性等問題，這些都必須得到國內(nèi)外學(xué)界的關(guān)注。值得注意的是，雖然Polar碼本身尚存在一定問題，但其在5G領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值不容忽視。

總之，不同的5G通信信道編碼技術(shù)具備不同特色，為保證相關(guān)技術(shù)可滿足5G移動(dòng)通信發(fā)展需要，通信與編碼界必須結(jié)合5G需求開展針對(duì)性研究，而現(xiàn)階段5G領(lǐng)域尚需開展的大量討論、編碼方式的具體應(yīng)用同樣需要得到高度關(guān)注，5G商業(yè)化的實(shí)現(xiàn)將直接受到信道編碼技術(shù)影響。

3　結(jié)束語

綜上所述，圍繞5G通信信道編碼技術(shù)的研究具備較高現(xiàn)實(shí)意義。而在此基礎(chǔ)上，本文涉及的Shannon、Hocquenghem、李世銀、高通、Vardy、三星等實(shí)例成果，則證明了研究具備的較高學(xué)術(shù)價(jià)值。因此，在5G通信信道編碼技術(shù)相關(guān)的理論研究和實(shí)踐探索中，本文內(nèi)容可以發(fā)揮一定參考作用。

[1]王忱.淺談5G通信中的MIMO和LDPC關(guān)鍵技術(shù)[J].數(shù)字通信世界，2017（11）.