信道編碼技術及其在5G通信系統中的應用

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及從當前熱門的信道編碼Turbo碼、卷積碼分析了信道編碼技術。最后從當前研究的熱點5G通信系統中分析信道編碼。

關鍵詞：信道編碼;Turbo碼;卷積碼;5G通信系統;

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，需要對信源進行信源編碼，;但對于有噪信道，則需要進一步對信道進行編碼使得無差錯傳輸的信息傳輸率盡可能地接近信道容量。對于一般信道，總是存在噪聲和干擾，因此信道編碼發揮了極其重要作用。

2.??? 信道編碼的基礎

根據奈奎斯特定理，無噪信道容量：

只要碼元的狀態數增加，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。根據香農定理：

由式中可見，一個連續信道的信道容量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復雜度合理的更優秀的編譯碼方法，去逼近香農理論的理想界限。

3.??? Turbo碼

Turbo碼是級聯碼研究的里程碑式成果，它巧妙地將卷積碼和隨機交織器結合在一起，實現了隨機編碼的思想，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碼是一種帶有內部交織器的并行級聯碼，它由兩個結構相同的RSC分量碼編碼器并行級聯而成。Turbo內部交織器在RSCII之前將信息序列中的J個比特的位置進行了隨機置換，使得突發錯誤隨機化，當交織器充分大時，Turbo碼就具有近似于隨機長碼的特性。

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}。經交織后，輸入到RSC II，產生的另一個校驗序列{c2，i}。Turbo碼的碼率為1/3，輸出序列復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、可接受的復雜度和實現的靈活性，Turbo碼在各種通信系統中獲得大量應用，如移動通信、衛星通信等。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，而且帶寬和功率均受限，信道環境十分惡劣，因此對信道編碼有著嚴格的要求，Turbo碼在移動通信中的應用尤其令人關心。

4.??? 卷積碼

卷積碼是一種非分組碼，與分組碼不同，它的監督碼元不僅與本組的信息碼元有關，而且也與其前m組的信息碼元也有關，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，稱為編碼約束長度，說明編碼過程中互相約束的碼元個數。

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，且移位寄存器內的數據往右移一位。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按照定規則通過運算得到的。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，其余的是監督碼元。卷積碼的糾錯能力不僅與約束長度有關，還與采用的譯碼方式有關。總之，由于n，k較小，且利用了各組之間的相關性，在同樣的碼率和設備的復雜性條件下，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信息。而且卷積碼的糾錯能力隨約束長度的增加而增強，差錯率則隨著約束長度增加而呈指數下降。

5.5G信道編碼技術分析

實現5G通信技術，信道編碼是必不可少的。5G通信系統相比于之前的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通信系統的性能，用于5G信道編碼的技術應該具有編碼增益大、編譯碼復雜度低、編譯碼時延低、高數據吞吐、碼參數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數據傳輸的候選碼類及評估內容，其中候選碼類包括了LDPC碼、Polar碼、增強Turbo碼和增強卷積碼，評估內容包括了性能、實現復雜度、編譯碼時延和靈活性等方面。

5G移動通信要達到自己最高10Gb/s的數據傳輸速率要求，在信道編碼技術上有特殊的要求性。為了保證數據傳輸速率，所采用的信道編碼技術在復雜性上不能過高。Turbo碼最大的技術特點是信道編碼的復雜度較低，符合5G移動通信技術的發展要求。因此，Turbo碼在5G移動通信中發揮著重要的作用。目前，相關技術人員已經認識到這一問題，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，具體的研究目標主要包括歸零法、咬尾法、直接截尾法等多種方法的研究應用。根據技術資料分析，經過創新的Turbo碼，即Turbo2.0可以很好地為5G移動通信提供技術服務。

6.結束語

用于5G通信系統的信道編碼，在結和了全方位的考慮之后，是針對不同的場景、業務，來選擇不同的信道編碼方式。同時對選擇的編碼方案進行進一步的優化設計以達到相應的技術指標要求，從而在深度上也滿足5G需求

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