现代移动通信中高效信道编码与调制技术

吕沛

【摘要】伴随着移动通信的飞速发展，自20世纪80年代开始，具有高频带有效性的抗干扰方案大量涌现，并且功率有效性性能还在不断地向香农限逼近，网格编码的思想同高阶调制相结合不断发展。另外，最具有历史意义的是1993年在世界著名的IEEE国际通信会议上C.Barrou发表的关于Turbo码的论文。论文给出的Turbo码结构及其在BPSK下几乎可达到香农限的性能更让世人震惊。

【关键词】抗干扰方案编码

目前，信道编码和交织技术已被成功地应用于第二代移动通信系统中，但第二代移动通信系统只提供话音业务和低速数据业务，因而导致相应的信道编码单一。相比较之下，第三代移动通信系统能提供更为丰富的业务种类，并且能改善原由第二代业务的质量，这就对通信系统提出了更高的要求。

一、背景

本论文主要以第三代以及未来移动通信系统需求为背景，介绍当前以及未来移动通信普遍关注的高效信道编码译码技术，其中包括已被3GPP采用的Turbo码技术和目前受到普遍关注的Turbo乘积码（TPC）和低密度校验码（LDPC）码技术。

二、高效信道编码技术

信道编码技术是移动通信中提高系统传输数据可靠性的有效方法，使接收机能够检测和纠正传输媒介带来的信号误差。在第二代移动通信系统中应用卷积码和交织，对保证话音和低速数据业务的业务质量取得了很好的效果。第三代系统与第二代相比，需要提供的业务种类大大增加，对信道编码有更高的要求。

在第三代移动通信系统中，GSM与IS-95中主要采用卷积码，Fire码以及卷积与RS的级联码。在第三代移动通信系統中，采用的信道编码类型主要有两种：卷积码，Turbo码。

在未来移动通信系统中，卷积编码仍可以作为实时话音业务的一种侯选方案，而Turbo码仍可以作为非实时高速数据业务的一种侯选方案。研究表明，在非规则图上构造的基于GF（q）域上的LDPC码性能要好于Turbo码。LDPC码可以通过增加码字长度，同时采用优化的译码实现，所以它也是可能应用与未来移动通信系统的非实时高速数据业务的信道编码侯选方案。

Turbo码，又称并行级联卷积码（PCCC），是由C.Berrou等在ICC93会议上提出的。它巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，实现了随机编码的思想。同时，采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码。Turbo码的发现，标志着信道编码理论与技术的研究进入了一个崭新的阶段，结束了长期将信道截止速率作为实际容量的历史。

LDPC码是Low-Density Parity-Check Codes的简称，中文译名为低密度校验码。它是Gallager于1963年提出的，所以也叫Gallager码。近几年，人们认识到LDPC码所具有的优越性能及其巨大的实用价值，所以继Turbo码之后，LDPC码成为近年来编码理论界的又一研究热点。研究表明，利用置信传播算法，LDPC码能够以较低的硬件复杂度实现近香农限的译码性能。

Turbo码是应用在UMTS系统中的新的纠错编码技术。其纠错性能优于卷积编码，但是解码复杂度较高，而且编码时延较大，适用于对时延要求不高但速率较高的数据业务。另外，Turbo码的理论分析困难。至今尚未有对Turbo码译码器误码率的完整理论分析和估计，一般是通过仿真模拟其性能。

LDPC码相对于Turbo码来说，有以下优点：（1）LDPC码的译码复杂度较Turbo码低；并且由于LDPC码译码算法中一次译码迭代的计算复杂度远比Turbo码译码算法中一次译码迭代的计算复杂度低，因此可以通过改变最大迭代次数来获得“复杂度-性能”的最家折衷。此外，LDPC码置信传播（BP）译码算法可以高度并行操作，也存在更低复杂度的性能近似置信传播译码算法的其他译码算法。（2）LDPC码的最小距离随着码块长度增大依逼近于1的概率线性增大。（3）可以根据任意码块长度和任意码率很容易的设计出性能优异的LDPC码。（4）LDPC码无“错误地板”现象，这使其可以应用于短帧业务。（5）由于校验矩阵是随机生成的，从而已经对编码比特进行了有效的交织，所以无需额外的交织器。（6）在LDPC码译码过程中，可以得知译码是否正确。因为若，则说明译码正确，其中H为LDPC码奇偶校验矩阵，为译出的码字。

但是，LDPC码却具有较高的编码复杂度，这是其经常遭受抨击的一个最主要原因。Turbo码具有线性编码复杂度，而直接实现LDPC码编码器的复杂度却与码块长度的平方成正比。不过，目前已经存在相应的解决办法，如可以改进LDPC码的奇偶校验矩阵构造方法，或者采用降低复杂度的LDPC码编码算法。

三、移动通信中的调制技术

数字调制，解调技术是从最基本，最简单的二进制数字调制2ASK，2FSK和2PSK的基础上发展起来的。基于2ASK由二进制向多进制发展，产生了正交幅度调制QAM，MQAM；基于2FSK向多进制发展，产生了MFSK调制；基于2PSK向多进制发展，产生了QPSK，OQPSK，MPSK等。为了进一步改善移相中相位跃变带来的频谱扩展与幅度上的变化，又引入了连续相位调制。其中，最为典型的是最小频移键控MSK，高斯型最小频移键控GMSK，平滑调频TFM。

目前数字移动通信系统的调制技术主要有两大类：一类是以GSM为代表的，采用非线性连续相位调制CPM中高斯滤波的最小频移键控GMSK，它避开了线性要求，可使用高效率的C类功率放大器，大大降低了放大器的成本，但是实现复杂；另一类属于移相键控PSK，它包括IS-95中以及IMT-2000中采用的BPSK，QPSK，OQPSK，平衡四相扩频调制BQM以及复数四相扩频调制CQM等。这类调制在码元转换时刻会产生相位跃变，并带来频谱扩展，当频带受限后幅度上会出现波动，且对线性度要求较高，高功放，需使用价格高昂的A类放大器，但是实现简单。

为提高系统的频谱效率，数字通信系统常常采用多进制数字调制。多进制数字调制是利用多进制数字基带信号调制载波的幅度，频率或相位。由于多进制数字已调信号的被调参数在一个码元间隔内有多个可能取值，因此，与二进制数字调制相比，在系统带宽一定的条件下，多进制调制的信息传输速率较高。在相同的信息速率下，多进制信号码元的持续时间要长。增大码元宽度，就会增加码元的能量，并能减小由于信道特性引起的码间干扰的影响。正是基于这些特点，多进制调制方式获得了广泛的应用。

但是，多进制数字调制系统频带利用率的提高是通过牺牲功率利用率来换取的。随着M值的增加，在信号空间中各信号点间的最小距离减小，相应的信号判决区域也随着减小。因此，当信号受到噪声和干扰的损害时，接收信号的错误概率也将随之增大。幅度相位联合键控（APK）方式就是为克服上述问题而提出来的。当前研究较多，并被建议用于数字通信中的APK信号，是正交幅度调制信号。尤其是矩形QAM信号，具有容易产生的独特优点，也容易解调，从而得到广泛的应用。

四、经验总结

移动通信系统中，信道编码是一项关键的技术。随着业务种类的丰富以及对QoS的更多要求，对信道编码提出了更高的挑战。不仅需要其能灵活地满足多种业务的性能要求，还要有经济的硬件要求。近年来这方面的研究十分活跃，各种信道编码方案层出不穷，译码算法不断改进，相应的硬件水平也有了很大的提高。在未来的移动通信系统中，高速率数据传输将是其业务的核心，而带宽受限的无线信道是传输高速率数据流的瓶颈，为了实现高速率数据传输，必须采用带宽效率更高的编码调制技术。