4G移動通信系統(tǒng)信道編碼方案研究

【摘要】隨著移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，3G移動通信技術(shù)的熱潮還未消退，我們又迎來了更安全、更高效、更快速的4G移動通信技術(shù)。4G移動通信系統(tǒng)的快速發(fā)展與信道編碼方案密不可分，本文就對4G移動通信系統(tǒng)的信道編碼方案設(shè)計進(jìn)行了分析與研究，首先從目前我國4G移動通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行論述，再重點從4G移動通信系統(tǒng)的信道編碼方案進(jìn)行深入的研究和設(shè)計，對移動通信系統(tǒng)上行通信信道編碼的執(zhí)行過程進(jìn)行描述，同時詳細(xì)的討論和分析移動通信系統(tǒng)上行鏈路與下行鏈路之間的數(shù)據(jù)傳輸編碼設(shè)計方案，由此可以對4G移動通信系統(tǒng)信道編碼的有效性及通信傳輸?shù)目煽啃蕴岢龈叩慕鉀Q方案，在4G移動通信系統(tǒng)的未來發(fā)展與完善中起到一定的推進(jìn)作用。

【關(guān)鍵詞】4G通信移動通信系統(tǒng)信道編碼BTC碼Turbo碼LDPC碼

移動通信系統(tǒng)在近幾年的快速發(fā)展過程中經(jīng)歷了1G、2G、3G通信技術(shù)的演變歷程，在我們對通信速度、通信質(zhì)量、通信安全的不斷自我追求與提高的過程中，4G移動通信系統(tǒng)應(yīng)時而生，這標(biāo)志著我們已經(jīng)進(jìn)入了第四代移動通信時代。在4G通信系統(tǒng)中，將計算機(jī)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與移動設(shè)備之間建立相互安全、快速、高效的通信關(guān)系，讓我們可以在工作和生活的任何地方都能夠安全、快速、高效的溝通與聯(lián)系，實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)化。

一、4G移動通信系統(tǒng)

在我們進(jìn)入21世紀(jì)之后，移動通信網(wǎng)絡(luò)得到了飛速的發(fā)展，它已經(jīng)從最早的移動通信運營商與通信設(shè)備制造商為主導(dǎo)的通信業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)變成為移動通信運營商、設(shè)備制造商、網(wǎng)絡(luò)運營商、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用商等多元化通信業(yè)務(wù)體系。在多元化移動通信業(yè)務(wù)中，互聯(lián)網(wǎng)與移動通信快速連接，微博、微信、陌陌等網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)融入到了我們的日常生活之中，這就加速了4G通信系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程。

1、4G通信系統(tǒng)所具備的基本特征：（1）高速的數(shù)據(jù)傳輸，即根據(jù)移動速度支持各種傳輸速度；（2）以IP為基礎(chǔ)的無線接續(xù)，支持QoS；（3）在各個系統(tǒng)之間進(jìn)行無線連接，支持多種業(yè)務(wù)互通，全球漫游和無縫業(yè)務(wù)；（4）支持對稱/非對稱業(yè)務(wù)、支持多重模式等。

4G移動通信系統(tǒng)的推出給我們的移動通信帶來了全新的用戶體驗，它不但在溝通方式上讓我們耳目一新，在通信形式與通信資費上也讓我們享受到了便捷與實惠。

2、4G通信系統(tǒng)技術(shù)要求

（1）4G通信系統(tǒng)采用正交頻分復(fù)用技術(shù)，對寬帶的帶寬和信號頻率具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可以有效的加強(qiáng)頻譜的利用效率；（2）4G通信系統(tǒng)采用軟件無線電技術(shù)，在各個系統(tǒng)之間進(jìn)行無線連接，支持多種業(yè)務(wù)互通，全球漫游和無縫業(yè)務(wù)。其智能天線技術(shù)具有抗干擾性能，有效的、準(zhǔn)確的進(jìn)行信號的傳遞；（3）4G通信系統(tǒng)采用多輸入、多輸出技術(shù)，能夠擴(kuò)充信道系統(tǒng)的容量、提升信道傳輸速率、提高信道傳輸質(zhì)量；（4）4G通信系統(tǒng)采用的是基于IP的核心網(wǎng)，其能夠在不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中進(jìn)行無縫隙的連接；（5）4G通信系統(tǒng)采用高性能的接收機(jī)，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸；（6）4G通信系統(tǒng)采用Turbo碼與LDPC碼相結(jié)合的信道編碼技術(shù)，在低能量消耗的條件下保證系統(tǒng)足夠的性能。

二、4G移動通信系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究

1、上行鏈路數(shù)據(jù)編碼方案設(shè)計

應(yīng)用分組Turbo碼對上行鏈路數(shù)據(jù)編碼進(jìn)行設(shè)計。之所以選擇Turbo碼是因為其是在迭代譯碼、最大后驗概率譯碼算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行的創(chuàng)新。將Turbo譯碼方法應(yīng)用在分組碼中，就可以建立分組Turbo碼。分組Turbo碼，的優(yōu)勢在于他能夠在較高的噪聲環(huán)境下或者較低的信噪比下能夠具有抗衰落、抗干擾、抗阻撓的性能。分組Turbo碼在信道條件較差時對于無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用具有非常好的效果。

采用分組Turbo碼能夠利用奇偶效驗碼、拓展?jié)h明碼、二者組合碼降低譯碼的難度。奇偶效驗碼是在每個信息分組末尾加一個奇偶效驗位；拓展?jié)h明碼是在每個漢明碼的碼字末尾加一個偶效驗比特。在具體進(jìn)行上下鏈路數(shù)據(jù)編碼時，主要按照以下步驟實施：（1）BTC編碼。BTC編碼就是將需要傳輸通信的數(shù)據(jù)，按照信息位、效驗位的順序進(jìn)行矩陣乘積，實際上乘積碼的名稱也是由此而來，需要注意的是，乘積碼的兩個編碼器沒有內(nèi)外之分，是對排列順序不同的同一組信息元進(jìn)行編碼，即可以先按列編碼，再按行編碼，所得的碼字是完全相同的。BTC編碼的乘積碼的傳輸方式可按行進(jìn)行傳輸也可按列進(jìn)行傳輸，也可以按照對角線的方式進(jìn)行傳輸。（2）BTC碼的縮短。BTC碼在構(gòu)造上具有非常好的靈活性，并且其支持較寬范圍的碼率的譯碼器，這樣即使在非常惡劣的信道通信環(huán)境下也可以保證寬帶帶寬，降低比特率錯誤。同時，同一個譯碼器可以反復(fù)的對多個信道系統(tǒng)進(jìn)行變異，并且每個信道均可以使用不同的碼率。預(yù)定尺寸的編碼塊可以特定編碼方式、調(diào)制方式、碼率，這對與傳輸來說可以達(dá)到預(yù)定的編碼塊大小，再利用Turbo碼對分組進(jìn)行壓縮。對BTC的縮短可分為兩步完成：第一步是粗調(diào)：即對編碼塊進(jìn)行正行或整列刪除；接下來進(jìn)行細(xì)調(diào)，細(xì)調(diào)要對編碼塊的第一行的個別比特進(jìn)行去除，應(yīng)用可選的構(gòu)成碼進(jìn)行任意縮短，這樣能夠使BTC碼設(shè)計更加靈活，能夠快速的匹配選碼。（3）BTC碼的譯碼。BTC碼的譯碼是根據(jù)信道信息所形成的測試圖樣進(jìn)行譯碼，測試的圖樣在代數(shù)譯碼器中進(jìn)行編譯，譯碼過程的具體構(gòu)成為：①選擇K>>p的一個整數(shù)值，其中k是信息比特，p取值3、4、5，對其比特值進(jìn)行比對，選擇最小可靠度的比特值位置。②將所有的2P個相關(guān)的比特排列代入其p個最小可靠度的比特位置，得到2P個測試圖樣。③所得到的測試圖樣需要傳遞到硬判決譯碼器進(jìn)行編譯，可以得出2P個候選碼字。④最后在候選媽字中選擇并確定最終譯碼結(jié)果。

2、下行鏈路數(shù)據(jù)編碼方案設(shè)計

在下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸編碼設(shè)計中，通常采用循環(huán)移位矩陣來構(gòu)造H矩陣的方法，可產(chǎn)生具有準(zhǔn)循環(huán)特性的QC-LDPC碼，這種方法因為更容易用硬件來實現(xiàn)快速的編碼算法和快速的部分并行譯碼算法而倍受青睞。下行鏈路數(shù)據(jù)編碼方案的設(shè)計我們選擇使用已經(jīng)較為成熟的快速并行譯碼算法進(jìn)行設(shè)計。

下行鏈路數(shù)據(jù)編碼方案的快速并行譯碼算法是一種消息傳遞算法，其各個節(jié)點的信息傳遞是采用概率信息的方式或者是信息置信的方式。譬如：將校驗節(jié)點c的信息傳遞到變量節(jié)點v上，是將c點的信息取一些特定的值可以表示出c點，再將這些特定值定義為概率信息，其取值是對應(yīng)c點的觀測值和與c點相連的變量節(jié)點在上一輪的迭代中傳遞給校驗節(jié)點c的置信信息，當(dāng)然這不包含與c點相連接的變量節(jié)點v。相反變量節(jié)點v向校驗節(jié)點c傳遞信息時也可以采用相同的概率信息進(jìn)行信息傳遞。

三、結(jié)語

在移動通信的技術(shù)方面，要想實現(xiàn)4G通信系統(tǒng)快速高效的為我們服務(wù)，需要由多種不同的技術(shù)相結(jié)合，例如將智能天線與WIMAX融合在一起形成無處不再的空中網(wǎng)絡(luò)。在對4G移動通信信道編碼的研究中，選用分組Turbo碼、卷積Turbo碼等糾錯能力很強(qiáng)但譯碼延時較大的信道碼，同時也考慮使用低復(fù)雜度、低延時的LDPC碼。其對編碼可靠性方面是具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]朱紅梅，李寶榮. LTE-FDD和LTE-FDD的融合發(fā)展研究. LTE-B3G技術(shù). 2008

[2]杜瀅. IEEE802.16m———IMT-Advanced候選方案. 2009

[3]鄭煒，張勇. WiMAX未來演進(jìn)趨勢及與LTEAdvanced的對比. 2008

[4]萬彭，杜志敏. LTE和LTE_Advanced關(guān)鍵技術(shù)綜述.現(xiàn)代電信科技. 2009

[5]粟欣，吳佳，曾捷. LTE_Advanced主導(dǎo)3G無線通信走向未來.清華大學(xué)無線與移動通信技術(shù)研究中心. 2009

[6] AamodKhandekar，NagaBhushan.LTE-AdvancedHeterogeneousNetworks.2010