4G移動通信系統信道編碼技術研究與設計

摘? 要：21世紀以來，互聯網技術在相關政策的推動下迅速發展。在互聯網的應用之下，對于數據傳輸的要求激增，極大地促進了通信技術的發展，通信技術的發展，在3G時代還沒有冷卻時就已經誕生了4G移動通信技術，4G移動通信技術擁有更加安全的特點，同時由于建立在3G通信技術基礎之上，其適應性能更加強大，傳輸數據的速度與效率都有了顯著的提升。通信技術的運用依賴于底層的信道編碼技術，文章主要是針對4G移動通信信道編碼技術展開相關的論述，對于信道編碼的執行過程進行了論述，并對比較熟悉的數據傳輸的編碼設計方案進行了論述，主要是上行鏈路與下行鏈路的傳輸設計，進而提出更好的解決方案，對于通信技術進一步的發展做出應有的研究與努力。

關鍵詞：3G通信;4G通信;信道編碼技術

中圖分類號：TN929.5? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）02-0085-03

Abstract：The 21st century，the internet technology in the related policy driven by rapid development of internet applications，surge to the requirement of data transmission，and greatly promote the development of communication technology，communication technology development in the era of 3G has not been cooling was born 4G mobile communication technology，the characteristics of the 4G mobile communication technology has more security，at the same time as based on 3G communication technology，the adaptation performance even more powerful，the speed and efficiency of data transmission has a significant improvement. The use of communication technology relies on the underlying channel coding technology，this article is mainly aimed at 4G mobile communication channel coding technology related，for this paper discusses the implementation process of channel coding，and the data transmission of the familiar with coding design scheme is discussed in this paper，mainly is the uplink and downlink link transmission design，put forward a better solution，for further communication techniques to the research and development efforts.

Keywords：3G communication;4G communication;channel coding technology

0? 引? 言

通信技術自出現到現在已經有將近一個世紀的時間了。目前通信技術發展較為成熟，且應用廣泛。從技術角度來看，4G移動通信涉及到的技術層較為廣泛，且都是WiMAX所采取的相關技術，在早期的IEEE 802.16e標準下有Turbo碼等糾錯能力較強，但是存在著較大延遲的信道碼，也有簡單、延遲低的LDPC碼。本文的下行鏈路將結合LPDC的結構簡單、低延遲的特點進行編碼，上行鏈路中為了保障通信的質量可靠，采用了糾錯能力較強的Turbo碼進行編碼，最后對上下行鏈路的編碼方法、原理進行介紹。本文的研究目的是對4G移動通信信道中上、下行鏈路的編碼及方法進行探究，并結合各個理論點，從而達到以Turbo碼與LDPC碼相結合的方式完成對4G移動通信信道的編碼。研究的意義是采用了合理的上下行鏈路編碼的方法，從而達到通信信道編碼及通信方式的最優化。

1? 4G 移動通信介紹

在移動通信的發展以及互聯網的不斷發展之下，催生了許多移動通信的業務，之前移動通信的業務形式比較單一化，主要是通信設備的生產者與移動設備通信的運營者之間進行的業務交流，現代化、多元化的業務形式包含了眾多新興的元素的加入，比如騰訊微信，新浪微博等移動互聯網應用背景下的軟件運營與服務，而這些軟件的應用與人們的精神生活以及物質生活息息相關，大量的需求要求更快更好的通信能力。

4G移動通信系統的基本特點包含以下幾個主要方面：

（1）4G移動通信系統擁有極高的數據傳輸速度，能夠即時接發數據并完成相應的處理;

（2）通信系統是通過IP地址進行無線連接的、使用普遍的機器之間的數據傳輸;

（3）基于IP地址通信，因而能夠在更多的系統之間進行相應的數據通信。4G通信技術能夠提供更加便利與實惠的方式供用戶去選擇，受到廣泛的喜愛與支持。

4G通信系統對于寬帶與帶寬的極強的抗干擾能力能夠實現多種業務互通，并有效、準確地進行信號的傳遞，具有較大的信道系統容量、較高的信道傳輸速率、較高的信道傳輸質量，能夠實現數據的高速傳輸，減少等待時間，同時能夠保證系統在低能量消耗狀態下的性能，其所依賴的技術主要是以下幾種：

（1）正交頻分復用技術;

（2）無線電技術;

（3）多輸入、多輸出技術;

（4）基于IP的連接方式;

（5）高性能接收機;

（6）Turbo碼與LDPC碼相結合。

2? 接發技術方案研究

2.1? 接入方式和多址方案

OFDM是在無線環境下利用高速傳輸技術，將在頻率范圍內的給定頻道分成多個直角下頻道，在每個下頻道使用一個子回波進行調制，調整結束后，整個頻道不是平的，而是有選擇頻率的。但是各個子段的頻道比較平坦，子段的信號由協帶站傳送，信號帶寬小于該子段的帶寬。OFDM技術的優點是消除或減少信號波段之間的干擾。對多路阻塞和多普勒頻率移動不敏感，能夠提高光譜利用率，提高低成本單接收器可用性。

2.2? MIMO技術

MIMO技術是一種多發射多接收天線，利用多接收天線來實現空間環路的技術，縱向多接收天線可將通訊連接分解成多個并行子路，大大提高其容量。至于信息容量，即使是多接收天線與不同輻射天線之間相互關聯而又相互獨立的情況下，MIMO系統也可以改善系統的噪音性能，以確保相當大的容量。例如，接收天線的總天線數為8個，平均接收噪音為20分貝，其容量最多為42 bps/Hz，單天線系統容量可超過20倍。所以MIMO技術是在有限的電力帶寬的無線頻道中提高數據傳輸速度、系統容量、傳輸質量的空間分集技術。MIMO系統在目前無線頻譜資源不足的情況下展現出了巨大的優勢。

3? 4G移動通信系統信道編碼技術研究

3.1? Turbo碼和LDPC碼

3.1.1? Turbo碼

Turbo碼又稱為并行級聯卷積碼，它是由兩個反饋的系統卷積編碼器通過一個交織器并行連接而成，編碼后的校驗位經過刪余陣，從而產生不同的碼率的碼字。它巧妙地將卷積碼和隨機交織器結合在一起，在實現隨機編碼思想的同時，通過交織器實現用短碼構造長碼的方法，并采用軟輸出迭代譯碼來逼近最大似然譯碼。Turbo碼充分利用了Shannon信道編碼定理的基本條件，具有很好的糾錯性能，以及很強的抗衰落、抗干擾能力，性能接近Shannon理論極限，而且編譯碼的復雜度不高，現已廣泛應用于移動通信系統中。

經典的Turbo碼編碼框圖如圖1所示，S是輸入的信息比特流，P1是S經過第一個遞歸，圖1為經典的Turbo碼編碼框圖，S是輸入的信息比特流，P1是S經過第一個遞歸系統卷積碼輸出的校驗位比特流。Turbo碼編碼示例圖如圖2所示，列舉了一個具體的Turbo碼的例子。

3.1.2? LDPC碼

LDPC碼，即低密度奇偶校驗碼，是一種校驗矩陣H中只有很少的元素為“1”，大部分元素都是“0”的一種線性分組碼。它的性能接近Shannon理論極限，可以達到很高的碼率，而且LDPC碼基于置信傳播的譯碼算法本質上是并行算法，有利于硬件的并行實現，可以達到很高的譯碼速度。LDPC碼已經廣泛應用于光通信、衛星通信、深空通信、第四代移動通信系統、高速與甚高速率數字用戶線等。

3.2? 上行鏈路數據編碼方案設計

上行鏈路的設計主要是通過一種叫作Turbo的編碼來進行設計的，該編碼是現在主流編碼中最受歡迎的一種編碼方式，該編碼采用了分組編碼的方式，能夠在很大程度上降低外界的噪音干擾，具有較強的抗干擾能力，對于信號的減弱在一定程度上也具有較為良好的控制作用，信號在信道傳輸過程中具有較強的保真效果，應用效果顯著，被大量投入實踐和使用。

Turbo碼一般是建立在一種或者兩種編碼方式的結合之上，最為常見的編碼是奇偶校驗碼，一般是在信息分組的后面加上一個用來校驗的位，并進行比對，還有一種主要的編碼方式是拓展漢明碼，一般是在拓展漢明碼的后面增加一個校驗位，用來進行比對，這兩種編碼單獨或者相互結合使用。

3.3? 下行鏈路數據編碼相關設計

下行鏈路的設計與上行鏈路的設計有很大的不同，下行鏈路設計主要是通過一種叫作循環矩陣的矩陣，進行一定的位移變換形成H矩陣，這樣的方式能夠對普通的編碼進行改造，形成一種叫作QC-LDPC的編碼，這種編碼結合了快速并行解碼的方式，能夠實現節點之間信息隨機置換，更加快速地實轉換信息。舉個例子，在信息的傳輸過程中，將信息檢查的節點稱作A節點，信息通過檢查以后，信息的值便是固定的，之后信息傳遞到節點B，經過循環過程到達A，反復之后，在節點A的最終節點完成信息循環過程，節點B向節點A每次發送信息，都會以相同的概率進行信息傳遞。

4? 結? 論

本文分析研究了4G移動通信系統的信道編碼技術，采用了糾錯能力很強的分組Turbo碼，同時考慮使用低復雜度、低延時的LDPC碼。在移動通信技術發展過程中，需要不斷發掘與研究先進的信道編碼技術來提供更好的網絡服務，并結合具體的實際環境及其糾錯能力和譯碼延時來選擇更加合理的編碼技術作為通信信道的編碼技術支撐，從而在最大程度上實現通信方式的最優化。

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作者簡介：巴格達提（1995.04-），男，哈薩克族，哈薩克斯坦人，研究生，研究方向：通信與信息系統。