5G信道編碼技術研究綜述

于清蘋，史治平

(電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，四川 成都611731)

10.3969/j.issn.1003-3114.2018.01.01

于清蘋，史治平.5G信道編碼技術研究綜述[J].無線電通信技術,2018,44(1):01-08.

[YU Qingping,SHI Zhiping.Research of Channel Coding Techniques in 5G Communications[J].Radio Communications Technology,2018,44(1):01-08.]

5G信道編碼技術研究綜述

于清蘋，史治平

(電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，四川 成都611731)

信道編碼是無線通信的重要組成部分,隨著5G標準化工作的推進，3GPP將 LDPC碼和Polar碼分別作為eMBB場景的數據傳輸和控制信息傳輸的信道編碼方式，從而使信道編碼迎來了新一輪討論熱潮。概述了信道編碼的編碼歷程和5G應用的三大場景，討論了3種候選信道編碼(LDPC 碼、Polar碼和Turbo碼)技術的特點、實際應用中面臨的問題以及它們在5G通信中的應用現狀和未來的發展趨勢。

5G移動通信；3GPP；信道編碼；LDPC碼；Polar碼

TN911.22

A

1003-3114(2018)01-01-8

2017-09-25

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2014AA01A704)

ResearchofChannelCodingTechniquesin5GCommunications

YU Qingping,SHI Zhiping

(National Key Lab of Science and Technology on Communications,UESTC,Chengdu 611731,China)

Channel coding is an important part of wireless communications.With the development of the fifth generation standardization work,LDPC codes and polar codes are selected as candidate schemes for data channel and control channel of eMBB in the third generation partnership project (3GPP) respectively,which again raises a research upsurge on channel coding.In this paper,the development process of channel coding and three major scenarios of 5G communications are described first,then three candidate channel coding schemes (low-density parity-check codes,polar codes and Turbo codes) as well as their technical characteristics,challenges in practical system,recent developments and future works in 5G are discussed.

Abstract：5G mobile communications; 3GPP; channel coding; LDPC codes; Polar codes

0 引言

信道編碼是無線通信系統的重要組成部分，與多址接入技術、多輸入多輸出技術一起構成了5G空中接口的三大關鍵技術。2016年5G的標準化進程中，信道編碼方案成為討論的熱點。3GPP圍繞5G三大應用場景—增強移動寬帶(eMBB)、大規模機器通信(mMTC)和低時延高可靠通信(URLLC)，候選編碼方案在美國主推的低密度奇偶校驗碼(LDPC碼)、中國主推的極化碼(Polar碼)以及法國主推的Turbo碼之間展開了激烈討論。在2016年10月的里斯本會議以及11月的里諾會議上，LDPC碼作為eMBB數據信道的編碼方案，Polar碼作為eMBB控制信道的編碼方案進入了5G后續的標準化討論[1]。雖然Turbo碼在這次激烈的競爭中未能進入5G的后續討論，但是Turbo碼在3G和4G移動通信中的成功應用以及在信道編碼中里程碑式的意義奠定了其在移動通信中的重要地位。

LDPC碼、 Polar碼以及Turbo碼不僅是移動通信系統中信道編碼的候選技術，也是衛星通信、軍事通信、物聯網、光通信等眾多通信系統中信道編碼的候選方案?；诖?，本文首先介紹信道編碼和5G應用場景，然后針對LDPC碼、Polar碼及Turbo碼的特點，討論了它們在實際系統應用中面臨的問題以及他們在3GPP RAN#1中的應用現狀和未來發展趨勢。

1 概述

本節主要介紹信道編碼的發展歷程和5G移動通信的三大應用場景。

1.1 信道編碼的發展歷程

1948年，香農信道編碼定理[5]指出了可達信道容量的信道編碼的存在性，同時也提供了構造好碼的兩個途徑：一是構造長碼，通過增大分組碼的碼長或者卷積碼的約束長度n， 提高通信系統抗干擾能力。二是采用最大似然譯碼(MLDA)。但在物理實現方面，這2種途徑又不可兼得，因為MLDA譯碼復雜度會隨著n的增加呈指數上升，在n較大時，MLDA譯碼幾乎不可實現。因此，在設計低誤碼率編碼系統時，有兩個主要問題需要考慮：① 構造好的長碼，在采用最大似然譯碼時滿足誤碼率要求；② 尋找易于實現的編譯碼方法，并使其性能接近最大似然譯碼的性能。圍繞這些問題，信道編碼在近70年的發展歷程中取得了輝煌的成績。其中表1列出了編碼構造的幾個重要發展階段和成果。

表1 信道編碼構造的重要發展歷程

名 稱(時間)簡 要 評 述Golay碼(1949)第一個完備糾多個差錯的糾錯碼，組合數學的經典應用。Hamming碼(1950)[2]第一類完備檢糾錯碼，編碼基本概念———漢明距離的創始。Reed?Muller碼(1954)Muller由多元布爾函數構造二元碼典例，Reed給出其有效譯碼方法。Reed?Solomon(RS)碼(1960)[3]唯一一類達到Singleton限即最大距離可分的糾錯碼，BCH碼的子類。BCH碼(1959/1960)[4]Hocquenghem(1959)、Bose與Chaudhuri(1960)獨立發現的第一類可由糾錯數需求確定碼結構的糾錯碼。Forney級連碼(1966)由已知碼構造新碼的著名方法，后被證明以此方法可獲得漸近好碼。Goppa碼(1981)由對RS碼特性研究發現的第一類具有好碼特性的代數幾何碼。Elias卷積碼(1955)由Elias提出的有記憶且能達到信道編碼定理的一類好碼。UngerboeckTCM碼(1982)第一個把編碼和調制作為一個整體考慮的格狀碼，有3～6dB增益。GallagerLDPC碼(1)(1962)第一類采用迭代譯碼技術的線性分組碼，具有接近香農限的性能。BerrouTurbo碼(1993)第一個采用迭代譯碼技術的級聯碼，是目前發現的最優碼之一。MacKayLDPC碼(2)(1996)LDPC碼再發現，能夠逼近信道容量糾錯碼之一。Rateless碼(1998)一類無速率碼，針對大規模數據分發和可靠廣播提出的解決方案。Polar碼(2009)第一個被證明可以取得信道容量的糾錯編碼方法。

目前備受關注的有Turbo碼、LDPC碼和Polar碼。1993年提出的Turbo碼將卷積編碼和隨機交織器巧妙結合，實現了隨機編碼思想，其譯碼性能逼近香農限。不僅如此，Turbo碼的譯碼思想也在信道估計、信道均衡等通信領域得到了廣泛應用。受到Turbo碼的啟發，1996年MacKay等對LDPC碼進行重新研究[6]，發現其性能也可逼近香農限，甚至超過Turbo碼性能，隨后LDPC碼在各通信系統中得到了廣泛應用。另外，在2009年Arikan 基于信道極化的思想提出了一種稱為Polar碼的信道編碼方法，并在二進制離散無記憶信道中證明了其性能可以達到香農限[7]，這也是人們在信道編碼技術方面取得了一個新的成果。

1.2 5G移動通信的應用場景

2015年6月國際電信聯盟在ITU-R WP5D第22次會議，明確了5G的三大應用場景[8](如圖1所示)及其技術指標。其中，eMBB場景對應的是3D/超高清視頻等大流量移動寬帶業務，是移動通信傳統業務的增強，其技術指標中峰值速率達20 Gbit/s；mMTC場景對應的是大規模物聯網業務，其連接數密度達到106設備/km2；URLLC 場景對應的是無人駕駛、工業自動化等需要低延時、高可靠性連接的業務，其時延低至1 ms。mMTC和URLLC是5G移動通信的新型場景，其業務模型和技術需求也是值得研究的問題。因此，目前三大場景的標準化研究中，eMBB場景的成果較多。

圖1 應用場景

為了實現5G的技術指標，5G無線技術架構白皮書[9]提出超密集組網、大規模天線、新型多址、先進調制編碼等十大關鍵技術。在調制編碼領域，通過設計先進的信道編碼來滿足系統時延和容量等需求。因此作為目前主流信道編碼的LDPC碼、Polar碼和Turbo碼，當然也在被不斷改進以更好地適應5G需求。下面分別對這3種編碼在實際應用中面臨的問題和其在5G中的應用現狀及發展趨勢進行介紹。

2 LDPC碼

LDPC碼是一種具有稀疏校驗矩陣的線性分組碼[10]，相對于行、列的長度，校驗矩陣每行、列中非零元素的數目(又稱行重、列重)非常小。若校驗矩陣H的行重、列重保持不變(或保持均勻)，則稱該LDPC碼為規則LDPC碼，反之若行重、列重變化較大，則稱其為非規則LDPC碼。研究表明正確設計的非規則LDPC碼性能要優于規則LDPC碼性能。

LDPC碼除了用稀疏校驗矩陣表示外，另一重要表示就是Tanner圖(如圖2所示)。Tanner圖中的路徑，被定義為一組由節點和邊交替組成的有限序列，該序列起始并終止于節點，序列中每條邊與其前一個節點和后一個節點相關聯，每個節點至多在序列中出現一次。路徑中邊的數量被定義為路徑長度。Tanner圖中，當一條路徑的起始節點和終止節點重合時形成的路徑是一條回路，稱之為環(cycle)；環所對應的路徑長度稱為環長；圖中所有環中路徑長度最短的環長為Tanner圖的周長(girth)。當采用迭代置信傳播譯碼時，短環的存在會限制LDPC碼的譯碼性能，阻止譯碼收斂到最大似然譯碼MLD。因此，LDPC碼的Tanner圖上不能包含短環，尤其是長為4的環。

圖2 (7,4)線性分組碼的Tanner圖

LDPC碼譯碼的核心思想是基于Tanner圖的消息傳遞譯碼(Massage Passing，MP)算法，執行過程可并行實現。根據消息迭代過程中消息傳送的不同形式，其譯碼算法可分為硬判決譯碼算法和軟判決譯碼算法。Gallager提出的比特翻轉(Bit Flipping，BF)譯碼屬于前者，其計算復雜度低但性能較差。軟判決譯碼算法的性能雖明顯優于硬判決譯碼算法，但計算復雜度較大。和積算法(Sum Product，SP)是消息傳遞(MP)算法中的一種軟判決譯碼算法，因所傳消息為節點的概率密度，又被稱為置信傳播(Belief Propagation，BP)算法，是一類重要的消息傳遞算法。

2.1 LDPC碼的特點及其在應用中面臨的問題

LDPC碼錯誤平層低，譯碼性能逼近香農限，譯碼算法可并行實現，是高速率大容量通信系統信道編碼的首選方案。目前已經在DVB-S系列、CCSDS以及IEEE 802.16e等很多通信標準中得到了廣泛應用。LDPC碼能成為eMBB場景中數據傳輸的信道編碼方案，與其優越的性能也是分不開的。另外，LDPC碼自1996年再發現以來，在編碼構造和譯碼實現等方面，都取得了顯著成果，如校驗矩陣的優化設計、碼的性能分析方法以及低復雜度的硬件實現等，這為LDPC碼在5G系統中的成功應用奠定了重要基礎。

盡管LDPC碼的構造可以借助各種工具和算法進行分析和設計，但是影響LDPC碼性能的因素較多，不同參數LDPC碼的優化設計是一個系統工作，往往需要大量的性能仿真。因此，在LDPC碼應用時，特別是在標準化應用時，一般需要重點研究以下兩方面的內容。

① LDPC碼的結構設計

從實現復雜度方面考慮，具有下三角和準循環結構的QC-LDPC碼，因利于硬件實現和具備良好的譯碼性能而受到廣泛應用。

② LDPC碼的性能優化

設計LDPC碼時，主要關注的性能因素有度分布序列、最小距離、環長以及停止集和陷阱集等。在LDPC碼的設計過程中，除了理論指導之外，大量的性能仿真是檢驗LDPC碼性能優劣的重要手段。

2.2 LDPC碼在5G通信中的應用現狀和發展趨勢

3GPP是5G通信標準化推動的重要國際標準化組織。在2016年11月3GPP RAN1 87次會議，經過深入討論，LDPC碼被3GPP確定為5G系統eMBB數據信道的編碼方案。討論期間許多公司都提出了各自的編碼方案，例如，高通在文獻[11]中建議多邊LDPC(Multi-Edge LDPC，ME LDPC)碼，并在后續的提案中針對這種類型的LDPC碼的設計靈活性、BLER、吞吐率、時延、實現復雜度等方面給出了分析與實驗結果，最終表示，ME LDPC碼對于設計逼近信道容量的編碼方案具有更大的靈活性，適合作為5G的信道編碼方案。

另外，三星對準循環LDPC碼的速率兼容、靈活設計等方面進行了分析和研究[12]，建議具有準循環結構的QC-LDPC碼作為5G eMBB的數據信道編碼方案。QC-LDPC碼校驗矩陣是由一些小方陣組成的，這些方陣是零矩陣或者是循環置換陣，用P=(pij)(0≤i,j

(1)

如果用Pi表示單位陣I(I=P0)循環右移i次形成的置換矩陣，其中0≤i

(2)

式中，aij∈{-1,0,1,2,…,Z-1}是置換矩陣的指數索引，nb和mb分別是列塊和行塊的數量。當H滿秩時，(nb-mb)Z信息比特與(nb-mb)列塊對應，記為kb=(nb-mb)，稱為信息列塊(Information Column Blocks)。用E(H)表示H的指數矩陣，即：

(3)

縱觀各次討論可以看出，5G通信的LDPC碼將是一種準循環LDPC碼，它應該在大范圍變化的碼長、碼率下都具有優秀的性能。隨著時間的推移，5G 通信的eMBB中LDPC碼的結構以及參數都已陸續確定(詳情可關注www.3gpp.org)，接下來的研究工作預計包括以下幾個方面：

① 碼調制的聯合優化

在標準化的討論過程中，為了便于標準化，LDPC碼的研究大部分是在高斯信道下獨立進行的。因此在實際系統設計時，為了進一步提高系統的性能，可以通過編碼與調制的聯合設計，特別是與高階調制方式的聯合優化進一步完善系統性能。除此之外，5G中LDPC碼的設計方法也會相繼應用在衛星、光纖以及太赫茲等通信領域，因此在這些系統中的具體設計也是一個值得研究的方向。

② LDPC碼的譯碼算法研究

標準化工作主要是制定發送端的標準，在接收端對應的譯碼算法需要各家廠商根據標準自行設定。當碼長很長的時候，高效的LDPC碼的譯碼調度算法非常重要，目前有并行譯碼、串行譯碼以及串并混合譯碼等方法。

③ LDPC碼的硬件實現方法

LDPC碼的硬件實現主要包括硬件實現技術研究和芯片開發，涉及到硬件的規模與效率、譯碼器的吞吐率等問題。

④ 在mMTC和URLLC中的應用研究

隨著5G標準化進程的推進，eMBB中信道編碼技術逐漸成熟，mMTC和URLLC場景中的信道編碼技術將會成為討論的重點，因此研究滿足mMTC和URLLC業務需求的LDPC碼也是5G信道編碼研究的主要內容之一。

3 Polar碼

Polar碼是第一個被證明可以達到香農容量限的信道編碼方法，且采用連續消除(Successive Cancellation，SC)譯碼[7]時復雜度僅為O(NlgN)，其中N為碼長。在2016年的3GPP會議的5G短碼方案討論中， Polar碼已被確定為5G eMBB場景控制信道的編碼方案。

Polar碼選取K個無噪信道來傳輸信息比特，在剩余N-K個全噪信道中傳輸凍結比特(通常設置為0)，從而實現由K個信息比特到N個發送比特的一一對應關系，而這也是K/N碼率Polar碼的編碼過程。Polar碼是一種線性分組碼，其編碼方式可表示為：

(6)

圖3 信道極化現象的形成過程

此外，傳輸信息比特的極化信道為信息信道，令A表示所有信息信道的信道序號集合，且A?{1,2,…,N}，AC為A補集，則 |A|=K表示Polar碼的信息比特的個數，|AC|=N-K表示凍結比特的個數，進而碼率表示為R=K/N=|A|/N，式(6)可轉化為：

(7)

式中，GN(A)是由GN中A所有元素對應的行組成的矩陣，GN(AC)是由GN中AC所有元素對應的行組成的矩陣，⊕表示2個向量的模2加。

3.1 Polar碼的研究現狀以及在應用中面臨的問題

Polar碼的構造與極化信道的可靠性度量有密切關系。目前對極化信道可靠性進行度量主要方法有：巴氏參數、密度進化(DE)和高斯近似(GA)。巴氏參數在二進制刪除信道(BEC)下計算準確并且復雜度低，但在其他信道(如BSC、AWGN)下，只能得到近似可靠性；密度進化方法適用于任意二進制輸入對稱信道，但其計算復雜度較高，文獻[13]通過將各個信道的輸入輸出近似為有限的等效信道，有效降低了DE算法計算復雜度；而 GA算法是DE算法的進一步簡化，通過將多維概率密度函數近似轉化為一維，大大降低計算復雜度。

Polar碼長碼采用SC譯碼可以得到良好的漸進性能，且當碼長趨于無限長時，極化碼被證明可達到信道容量。但對于較短或有限碼長的極化碼，由于信道極化不充分(即一部分極化信道的容量并非很接近于1或0)，且SC譯碼算法逐比特譯碼特性可能會帶來錯誤傳播問題，所以有限碼長下采用SC譯碼的性能不夠理想。

為了進一步提升有限碼長極化碼的性能，很多高性能譯碼算法被相繼提出。比如SCL譯碼[14]、基于堆棧的SC譯碼以及CRC輔助SCL譯碼[15]等，都帶來很大性能提升。其中CRC輔助SCL譯碼，通過多保留候選譯碼路徑來提升正確譯碼概率，再結合CRC對候選路徑進行篩選，從而大大改進了極化碼的誤碼性能，當碼長超過2 048時，其誤碼性能可超過部分Turbo碼。當然，相比SC譯碼，SCL算法的計算復雜度和存儲空間會有所犧牲，為SC譯碼算法的L倍。此外，Polar碼的譯碼算法還有基于并行譯碼的置信傳播(BP)譯碼[16]，BP譯碼在低時延條件下，可以獲得比SC譯碼更好的性能，但相比SCL譯碼仍會有一定性能損失。

雖然Polar碼的優勢已引起許多通信與編碼領域學者的重視，但畢竟Polar碼的研究時間還不長，在實際應用中還有許多問題需要解決。

① 2n碼長與速率兼容問題

經典Polar碼的碼長是2n(n是一個整數)，但在實際通信系統中，對于碼長的需求是各種各樣的。另外，Polar碼作為一種非系統碼，其打孔以及擴展等速率兼容問題的設計也是一個備受關注的問題。

② 對信道信息的強依賴性

Polar碼根據信道信息進行極化，但在多數通信系統中獲取信道信息是比較困難的，因此Polar碼對信道信息的依賴限制了其在實際通信系統中的應用，特別是在時變信道。

③ 在通信系統中的聯合優化

Polar碼的譯碼(比如CRC輔助SCL)算法與調制等技術的聯合優化有待深入研究。

④ 時延和吞吐率

當Polar碼碼長很長時，采用經典SCL譯碼所需的時延和存儲都非常大，這使高速率的通信和終端規模都面臨巨大挑戰。因此在高速率通信的長碼應用時，時延和吞吐率是值得關注的問題。

3.2 Polar碼在5G通信中的應用現狀及發展趨勢

在控制信道中，文獻[17]使用兩個或者兩個以上的極化變換，通過對極化變化之前的輸入進行一些簡單操作，如通過異或或者重復進行相互關聯，進而提高譯碼性能。這種設計可使多個極化編碼并行實現，且編譯碼算法簡單快速。

圖4為1個由2個并行極化變換所構成的極化碼，第1個極化變換的長度為8，第2個長度為4，2個極化變換被合并一起得到一個長為12的極化碼。假設，第1個極化變換的輸入序列為u0,…,u7；第2個的輸入序列為u8,…,u11；u3,u5,u7,u9是輸入信息，u0=u1=u2=u4=u8=0是凍結比特，則編碼器最先可計算出u6=u3+u5，u10=u9，u11=u5，然后同時進行2個極化變換，得到輸出碼字y0,…,y11。

圖 4 極化碼的構造實例

理論上講，一個有著2個極化變換的極化碼，通過對2個變換的輸入信息引入一些線性的限制關系，可以得到碼長滿足N=2n1+2n2的碼字。

在3GPP較早的提案討論中，有一些關于極化碼長碼的設計與性能分析。在Polar碼被確定為eMBB控制信道的編碼方案之后，目前在3GPP的討論和研究中主要內容集中在短碼的設計與實現上(最新進展可關注www.3gpp.org)。

目前Polar 碼是作為5G中eMBB應用場景的控制信道的編碼方式，碼長較短，重點研究和解決的是碼長、碼率靈活性問題以及編譯碼對信道的依賴性問題。相應的解決方案及其性能評估在3GPP RAN1的提案中有所描述，如利用預編碼、準均勻打孔等實現碼長與碼率的靈活變化；利用偏序原理設計基于信道標號的可信度加權方案來解決對信道信息的依賴性問題等。

當然，Polar碼還有很多問題沒有解決，如長碼的譯碼時延和實現復雜度問題、數據傳輸時譯碼算法與調制等技術的聯合迭代問題等仍需要進一步研究。這對Polar碼在5G其他兩個場景中數據業務信道的應用也是至關重要的。另外，Polar碼的硬件實現技術也是5G標準化后的重點研究內容。

4 Turbo碼

Turbo碼的編碼器是由2個并行卷積碼編碼器組成(即輸出為輸入和一段已知序列的卷積)，每一個卷積編碼器稱為分量編碼器。Turbo碼的編碼器如圖5所示，輸入序列在進入第2個分量編碼器之前需要經過交織器將輸入序列隨機化，2個編碼器的輸出共同作為冗余信息，根據碼率要求，經過刪余與信息序列經過復接一起作為編碼器的輸出。

圖5 Turbo碼編碼器結構

與編碼器對應的Turbo碼譯碼器結構如圖6所示。將信息序列和相應的冗余序列分別作為2個分量譯碼器的輸入。在譯碼過程，輸出信息被分解為內信息和外信息，譯碼器通過減法從輸出信息中取出外信息，并通過交織、解交織后反饋給另一個分量譯碼器。在整個迭代過程中，不斷糾正接收信息的錯誤，直至逼近香農限。在整個譯碼過程中，信息像一臺渦輪機在2個簡單譯碼器之間不斷交換，因而稱為Turbo碼。

圖6 Turbo碼譯碼器結構

4.1 Turbo碼特點及其在應用中面臨的問題

Turbo碼的編碼復雜度低，在中短碼長以及通信系統中的聯合設計方面都具有明顯優勢，且技術相對成熟。在5G的3種候選編碼方案中，Turbo碼在移動通信中的應用是最早、也是唯一的一個。在實際應用設計方面，重點關注Turbo碼的吞吐率及其譯碼性能等。

4.1.1 提高吞吐率的并行譯碼

提高吞吐率的并行譯碼。在傳統Turbo碼迭代譯碼器中，在接收完一整幀數據后，兩個分量譯碼器均采用串行方式輪流對數據塊進行多次迭代譯碼，且在每次迭代譯碼都是基于整個數據塊來計算處理，數據塊長度越大，譯碼時延也就越大。LTE要求支持100 Mbit/s以上峰值速率，數據塊長度最長為6 144 bit，所以必須采用高效的譯碼方案，減小譯碼時延，并提高譯碼吞吐量。

Turbo碼的并行譯碼結構正是在這種情形下應運而生的。將N長的數據塊分成M子塊(M稱為并行度)。每個子塊由獨立的SISO譯碼模塊(包括分支度量計算、前向和后向狀態度量計算和LLR計算等功能模塊)譯碼(圖7給出其譯碼器結構，圖中M=4)。SISO譯碼模塊之間并行運算，與傳統的串行譯碼結構相比，通過增加硬件成本，可將譯碼時延大致降為原來的1/M，而數據速率可增大為原來的M倍。

圖7 Turbo碼并行譯碼結構

4.1.2 影響譯碼性能的結尾處理

卷積碼有3種格柵終止策略: 直接截尾法(direct truncation)、歸零法(zero termination)和咬尾法( tail biting) 。這3種結尾方式在不同碼長下具有不同影響。由于咬尾卷積碼(Tail-Biting Convolutional Codes，TBCC)的高效編碼方式，目前已被廣泛運用于各種無線通信系統中，如3GPP 長期演進項目、全球微波接入互操作性等。

4.1.3 影響性能的打孔和交織的聯合優化

相對于LDPC碼，Turbo碼具有較高錯誤平層(error floor)，這與Turbo碼的打孔有一定關系。因為在Turbo碼中有一個交織器，交織器的作用是將序列打亂，防止錯誤連續發生；而打孔，是指在編碼過程中刻意不傳輸一些比特位，達到提高頻譜效率的目的。Turbo的交織器和打孔獨立設計時，有些權重比較高的信息可能會被打掉，直接導致碼間最小距離變短，使得在解碼中引起大量錯誤。

4.2 Turbo碼在移動通信中應用現狀及發展趨勢

Turbo碼因其性能優異發展成熟，在3G系統中占有重要地位。為使3G標準逐漸實現全球統一，ITU認可不同國家提出的、采用不同技術體制的標準，即三個主要標準，分別代表不同技術體制與特點：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。在這3種標準中，為提高數據傳輸可靠性，信道編碼均采用Turbo碼。第4代移動通信是基于LTE的新一代移動通信系統，其信道編碼仍采用Turbo碼，并在原來基礎上對編碼端的交織器進行改進，將大于6 144的碼塊進行分割，歸零結尾。

隨著 Turbo碼在3G和4G系統中的廣泛應用(以下稱LTE Turbo)，人們發現LTE Turbo在某些碼率和碼長組合下(特別在短碼情況下)會出現錯誤平層(Error Floor)。這在5G標準化中被認為是會影響低時延高可靠性傳輸業務的重要問題。

針對5G的業務需求，文獻[18]對LTE Turbo碼產生錯誤平層的原因進行了深入研究，并提出了改進方案。改進后的Turbo碼BLER(Block Error Rates)可以降到10-6甚至更低，對于短幀，可獲得幾個dB的性能增益。另外文獻[19]也給出了改進Turbo碼與LDPC碼在短幀的性能對比，并展示了Turbo碼良好的性能優勢。雖然Turbo 碼沒有在3GPP的eMBB場景中得到應用，但在5G的mMTC、URLLC場景及其他通信系統中，改進的Turbo2.0仍然是個很好的備選方案。

Turbo碼的技術成熟，性能優良，且容易與實際系統結合產生迭代增益，因此Turbo碼在軍事通信、3G和4G等領域仍然具有非常廣闊的應用前景。

5 結束語

LDPC碼、Polar碼以及Turbo碼各具特色，是現代編碼的主流編碼方案，不僅是5G移動通信的討論熱點，而且也是衛星通信、軍事通信等許多領域的研究熱點。LDPC碼的高速并行實現以及在高速率下體現出來的性能優勢在5G的高速傳輸場景、DVB等通信系統中成為首選；Turbo碼在實現上的簡單性、在通信系統中的聯合設計優勢以及性能上的良好表現，一直是早期通信系統信道編碼的首選；Polar碼雖起步較晚，但其理論基礎好，發明以來受到了通信與編碼界的極大關注。

另外，5G信道編碼的研究和討論還遠沒有結束。首先，在5G的另外兩種場景URLLC和eMTC中，信道編碼會采用什么編碼方式，是Turbo碼或Polar碼，還是LDPC碼，這些還需要進一步的研究與討論；其次，即使是碼型確定了，但是后續如何根據業務選擇編碼方法和編碼參數，以及相應的性能與復雜度評估也是后續5G信道編碼面臨的一個主要問題；最后，這些編碼方式在通信系統中的應用研究，比如譯碼方法的研究、與HARQ和調制解調的聯合設計、在大規模MIMO中的應用以及硬件實現的研究等，也是5G信道編碼應用時需要考慮的問題。

[1] IMT- 2020.Polar 碼成為5G 新的控制信道編碼[EB/OL].2016-11-19[2016-12-02].http:∥www.imt -2020.org.cn /zh /news /101．

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于清蘋(1984—)，女，博士生，主要研究方向：Polar碼、LDPC碼等信道編碼調制技術；

史治平(1972—)，女，2005年在西南交通大學獲工學博士學位，2007年在電子科技大學博士后出站并留校工作，2009～2010年在美國里海大學做訪問學者，目前是電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室的教授和博士生導師；作者在無線通信與糾錯編碼、5G移動通信等方向主持國家自然科學基金、國家863計劃、國家重大專項、國防預研、企業高校合作等20余項科研項目，在IEEE、《電子與信息學報》等國內外期刊、會議上發表SCI/EI檢索論文50多篇，國家授權發明專利10余項，出版專著3部，獲省科技進步二等獎1項。

本刊“專家論壇”欄目，旨在刊登知名專家撰寫的有關無線通信方面的前沿熱點、發展趨勢等綜述或研究類文章，達到啟發引領行業發展的作用。

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