5G通信信道編碼技術研究綜述

王 嘉

（河北遠東通信系統工程有限公司，石家莊　050200）

1　通信信道編碼技術發展歷程

1948年香農信道編碼定理最早指出了信道編碼的存在性，該定理認為可通過構造長碼、采用最大似然譯碼實現好碼的構造，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在設計中必須關注編譯碼方法的易于實現性、最大釋然譯碼采用中保證誤碼率滿足要求，而受香農信道編碼定理影響，1949年出現了第一個完備糾多個差錯的糾錯碼Golay碼。

隨著學界對信道編碼的重視程度不斷提升，Hamming碼、Forney級連碼、Elias卷積碼、R ateless碼、Polar碼相繼出現，Turbo碼、Polar碼、LDPC碼屬于現階段學界最為重視的信道編碼技術。其中，Turbo碼提出于1993年，隨機編碼思想屬于其核心，LDPC碼的重新研究于1996年起步，現已廣泛應用于各通信系統，Polar碼提出于2009年，信道極化屬于其源頭，現已證明其性能可達到香農限。

2　5G通信信道編碼技術研究現狀分析

考慮到學界研究重點，本文僅圍繞Turbo碼、LDPC碼、Polar碼開展5G通信信道編碼技術研究現狀分析。

2.1　Turbo碼

Turbo碼具備編碼復雜度低、在通信系統聯合設計方面優勢明顯等特點，這類特點與Turbo碼入選5G候選編碼方案聯系緊密，而為了保證Turbo碼可較好服務于5G移動通信，近年來學界圍繞提高吞吐率的并行譯碼、影響譯碼性能的結尾處理、影響性能的打孔和交織的聯合優化等領域開展了大量研究，如Shannon等人基于Turbo碼研究的并行譯碼結構便屬于其中代表，該研究將N長數據塊分為M子塊，由此每個字塊均包含獨立SISO譯碼模塊，這一研究在增加硬件成本的前提下實現了數據速率的大幅提升，具體提升可達到原數據速率的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移動通信中的應用性能進行了對比，由此確定了咬尾卷積碼可實現更高效編碼且在全球微波接入互操作性方面表現較為優秀；而在Hocquenghem等人的研究中，該研究分析了Turbo碼的未來發展趨勢，并提出了LTE Turbo在特殊情況下出現的Error Floor將直接影響傳輸業務的可靠性，這也是近年來5G標準化重點關注的問題；而在Mac Kay的研究中，其認為改進后Turbo2.0可較好服務于5GURLLC等場景，雖然3GPP的eMBB場景中Turbo碼沒有得到應用[1]。

2.2　LDPC碼

作為具有稀疏校驗矩陣的線性分組碼，LDPC碼具備校驗矩陣每行、列非零元素數目非常小的特征，這使得LDCO碼可分為規則與不規則兩類，其中不規則的LDCO碼在多數時候擁有著更為優秀的性能。雖然LDCO碼本身具備多方面優勢，但在5G移動通信領域的應用中，其卻面臨著結構設計、性能優化方面的難題。在李世銀等人的研究中，該研究認為LDPC碼低復雜度的硬件實現、碼的性能分析方法優化、校驗矩陣優化設計屬于其在5G移動通信系統中應用的關鍵；而在RICHA R DSON的研究中，研究認為LDPC碼的三角和準循環結構在5G移動通信系統領域具備一定優勢，而這一過程必須重點關注最小距離、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應用，如建議多邊LDPC碼高度關注設計靈活性、時延、吞吐率；三星則在研究中指出準循環結構LDPC碼在大范圍變化情況下具備顯著優勢，這也是近年來學界更多將LDPC碼研究集中在硬件實現方法、譯碼算法、碼調制聯合優化等方面的原因所在。

2.3　Polar碼

作為可達到香農容量限的信道編碼方法，Polar碼在5G領域有著較為廣闊的應用空間，由于信道極化是Polar碼的基本原理，因此近年來學界的研究重點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化方法計算復雜程度；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應用中Polar碼面臨的聯合優化、時延和吞吐率、信道信息強依賴性等問題，這些都必須得到國內外學界的關注。值得注意的是，雖然Polar碼本身尚存在一定問題，但其在5G領域的應用價值不容忽視。

總之，不同的5G通信信道編碼技術具備不同特色，為保證相關技術可滿足5G移動通信發展需要，通信與編碼界必須結合5G需求開展針對性研究，而現階段5G領域尚需開展的大量討論、編碼方式的具體應用同樣需要得到高度關注，5G商業化的實現將直接受到信道編碼技術影響。

3　結束語

綜上所述，圍繞5G通信信道編碼技術的研究具備較高現實意義。而在此基礎上，本文涉及的Shannon、Hocquenghem、李世銀、高通、Vardy、三星等實例成果，則證明了研究具備的較高學術價值。因此，在5G通信信道編碼技術相關的理論研究和實踐探索中，本文內容可以發揮一定參考作用。

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