信道編碼技術(shù)及其在5G通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙攀 陳美秀 韓偉良 鄒曙光 李智慧

摘要：本文從信道編碼的基礎(chǔ)及從當(dāng)前熱門的信道編碼Turbo碼、卷積碼分析了信道編碼技術(shù)。最后從當(dāng)前研究的熱點5G通信系統(tǒng)中分析信道編碼。

關(guān)鍵詞：信道編碼;Turbo碼;卷積碼;5G通信系統(tǒng);

1. 引言

對于無噪信道，為了減少信道剩余度使信道的信息傳輸率盡可能接近信道容量，需要對信源進(jìn)行信源編碼，;但對于有噪信道，則需要進(jìn)一步對信道進(jìn)行編碼使得無差錯傳輸?shù)男畔鬏斅时M可能地接近信道容量。對于一般信道，總是存在噪聲和干擾，因此信道編碼發(fā)揮了極其重要作用。

2.??? 信道編碼的基礎(chǔ)

根據(jù)奈奎斯特定理，無噪信道容量：

只要碼元的狀態(tài)數(shù)增加，比特率就增加，因此無噪信道容量是無限的，但由于實際信道是有噪聲的，實際的信道容量由信道本身的特征（帶寬、信噪比）決定，與具體通信手段無關(guān)。根據(jù)香農(nóng)定理：

由式中可見，一個連續(xù)信道的信道容量B、n0、S三個要素限制，一旦這三個要素確定，那么信道容量也就確定了。人們一直在尋求實現(xiàn)復(fù)雜度合理的更優(yōu)秀的編譯碼方法，去逼近香農(nóng)理論的理想界限。

3.??? Turbo碼

Turbo碼是級聯(lián)碼研究的里程碑式成果，它巧妙地將卷積碼和隨機(jī)交織器結(jié)合在一起，實現(xiàn)了隨機(jī)編碼的思想，同時采用軟輸入軟輸出（SISO）的迭代譯碼來逼近最大似然譯碼，無論在AWGN信道還是在衰落信道中，Turbo碼都取得了良好的性能。Tubo碼是一種帶有內(nèi)部交織器的并行級聯(lián)碼，它由兩個結(jié)構(gòu)相同的RSC分量碼編碼器并行級聯(lián)而成。Turbo內(nèi)部交織器在RSCII之前將信息序列中的J個比特的位置進(jìn)行了隨機(jī)置換，使得突發(fā)錯誤隨機(jī)化，當(dāng)交織器充分大時，Turbo碼就具有近似于隨機(jī)長碼的特性。

因此RSC編碼器生成的多項式可表示為：

其中逆向反饋多項式：

前向反饋多項式：

RSC I編碼器的輸入信息序列由J個獨立的0或1等概取值的比特bi組成，RSC I生成的校驗序列為{c1，i}。經(jīng)交織后，輸入到RSC II，產(chǎn)生的另一個校驗序列{c2，i}。Turbo碼的碼率為1/3，輸出序列復(fù)用后的編碼輸出順序為b1，c1，1，c2，1，b2，c1，2，c2，1，L，bJ，c1，J，c2，J。由于出色的糾錯性能、可接受的復(fù)雜度和實現(xiàn)的靈活性，Turbo碼在各種通信系統(tǒng)中獲得大量應(yīng)用，如移動通信、衛(wèi)星通信等。移動信道存在多徑瑞利衰落、多普勒頻移及多接入干擾（MAI）移不利因素，而且?guī)捄凸β示芟?，信道環(huán)境十分惡劣，因此對信道編碼有著嚴(yán)格的要求，Turbo碼在移動通信中的應(yīng)用尤其令人關(guān)心。

4.??? 卷積碼

卷積碼是一種非分組碼，與分組碼不同，它的監(jiān)督碼元不僅與本組的信息碼元有關(guān)，而且也與其前m組的信息碼元也有關(guān)，卷積碼一般用（n0，k0，m）表示，其中m稱為編碼存貯，它表示輸入信息組在編碼器中需存貯的單位時間。通常稱m+1=N為編碼約束度，說明編碼過程中互相約束的碼段個數(shù)，稱為編碼約束長度，說明編碼過程中互相約束的碼元個數(shù)。

例如（3，1，2）卷積碼的編碼器，每一個單位時間，輸入一個信息碼元m，且移位寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)往右移一位。編碼器有3個輸中式一個輸出是輸入信息碼元mi的直接輸出：另兩個輸出pi，1，pi，2為監(jiān)督碼元，是輸入m與前編碼個單位時間送入的信息元mi1，mi2按照定規(guī)則通過運(yùn)算得到的。卷積碼碼字中的每Ci（mi，pi，1，pi，2） 最左邊k0（這里k0=1）個碼元是輸入的信息碼元，其余的是監(jiān)督碼元。卷積碼的糾錯能力不僅與約束長度有關(guān)，還與采用的譯碼方式有關(guān)?？傊捎趎，k較小，且利用了各組之間的相關(guān)性，在同樣的碼率和設(shè)備的復(fù)雜性條件下，無論理論上還是實踐上都證明：卷積碼的性能至少不比分組碼差。在卷積碼譯碼過程中，不僅從此時刻收到的碼組中提取譯碼信息，而且還要利用以前或以各時刻收到的碼組中提取有關(guān)信息。而且卷積碼的糾錯能力隨約束長度的增加而增強(qiáng)，差錯率則隨著約束長度增加而呈指數(shù)下降。

5.5G信道編碼技術(shù)分析

實現(xiàn)5G通信技術(shù)，信道編碼是必不可少的。5G通信系統(tǒng)相比于之前的4G有了很大的提升，不僅僅在性能方面，還有通信傳輸速率方面等等。為了多方面的提升5G通信系統(tǒng)的性能，用于5G信道編碼的技術(shù)應(yīng)該具有編碼增益大、編譯碼復(fù)雜度低、編譯碼時延低、高數(shù)據(jù)吞吐、碼參數(shù)覆蓋范圍廣且靈活可變等特征。2016年的RAN84bis會議確定了用于5G數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮蜻x碼類及評估內(nèi)容，其中候選碼類包括了LDPC碼、Polar碼、增強(qiáng)Turbo碼和增強(qiáng)卷積碼，評估內(nèi)容包括了性能、實現(xiàn)復(fù)雜度、編譯碼時延和靈活性等方面。

5G移動通信要達(dá)到自己最高10Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率要求，在信道編碼技術(shù)上有特殊的要求性。為了保證數(shù)據(jù)傳輸速率，所采用的信道編碼技術(shù)在復(fù)雜性上不能過高。Turbo碼最大的技術(shù)特點是信道編碼的復(fù)雜度較低，符合5G移動通信技術(shù)的發(fā)展要求。因此，Turbo碼在5G移動通信中發(fā)揮著重要的作用。目前，相關(guān)技術(shù)人員已經(jīng)認(rèn)識到這一問題，正在大力推動Turbo碼的改革，使其更加符合5G移動通信的要求。其中，具體的研究目標(biāo)主要包括歸零法、咬尾法、直接截尾法等多種方法的研究應(yīng)用。根據(jù)技術(shù)資料分析，經(jīng)過創(chuàng)新的Turbo碼，即Turbo2.0可以很好地為5G移動通信提供技術(shù)服務(wù)。

6.結(jié)束語

用于5G通信系統(tǒng)的信道編碼，在結(jié)和了全方位的考慮之后，是針對不同的場景、業(yè)務(wù)，來選擇不同的信道編碼方式。同時對選擇的編碼方案進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計以達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)要求，從而在深度上也滿足5G需求

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