信道编码技术及其在5G通信系统中的应用

赵攀 陈美秀 韩伟良 邹曙光 李智慧

摘要：本文从信道编码的基础及从当前热门的信道编码Turbo码、卷积码分析了信道编码技术。最后从当前研究的热点5G通信系统中分析信道编码。

关键词：信道编码;Turbo码;卷积码;5G通信系统;

1. 引言

对于无噪信道，为了减少信道剩余度使信道的信息传输率尽可能接近信道容量，需要对信源进行信源编码，;但对于有噪信道，则需要进一步对信道进行编码使得无差错传输的信息传输率尽可能地接近信道容量。对于一般信道，总是存在噪声和干扰，因此信道编码发挥了极其重要作用。

2.    信道编码的基础

根据奈奎斯特定理，无噪信道容量：

只要码元的状态数增加，比特率就增加，因此无噪信道容量是无限的，但由于实际信道是有噪声的，实际的信道容量由信道本身的特征（带宽、信噪比）决定，与具体通信手段无关。根据香农定理：

由式中可见，一个连续信道的信道容量B、n0、S三个要素限制，一旦这三个要素确定，那么信道容量也就确定了。人们一直在寻求实现复杂度合理的更优秀的编译码方法，去逼近香农理论的理想界限。

3.    Turbo码

Turbo码是级联码研究的里程碑式成果，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，同时采用软输入软输出（SISO）的迭代译码来逼近最大似然译码，无论在AWGN信道还是在衰落信道中，Turbo码都取得了良好的性能。Tubo码是一种带有内部交织器的并行级联码，它由两个结构相同的RSC分量码编码器并行级联而成。Turbo内部交织器在RSCII之前将信息序列中的J个比特的位置进行了随机置换，使得突发错误随机化，当交织器充分大时，Turbo码就具有近似于随机长码的特性。

因此RSC编码器生成的多项式可表示为：

其中逆向反馈多项式：

前向反馈多项式：

RSC I编码器的输入信息序列由J个独立的0或1等概取值的比特bi组成，RSC I生成的校验序列为{c1，i}。经交织后，输入到RSC II，产生的另一个校验序列{c2，i}。Turbo码的码率为1/3，输出序列复用后的编码输出顺序为b1，c1，1，c2，1，b2，c1，2，c2，1，L，bJ，c1，J，c2，J。由于出色的纠错性能、可接受的复杂度和实现的灵活性，Turbo码在各种通信系统中获得大量应用，如移动通信、卫星通信等。移动信道存在多径瑞利衰落、多普勒频移及多接入干扰（MAI）移不利因素，而且带宽和功率均受限，信道环境十分恶劣，因此对信道编码有着严格的要求，Turbo码在移动通信中的应用尤其令人关心。

4.    卷积码

卷积码是一种非分组码，与分组码不同，它的监督码元不仅与本组的信息码元有关，而且也与其前m组的信息码元也有关，卷积码一般用（n0，k0，m）表示，其中m称为编码存贮，它表示输入信息组在编码器中需存贮的单位时间。通常称m+1=N为编码约束度，说明编码过程中互相约束的码段个数，称为编码约束长度，说明编码过程中互相约束的码元个数。

例如（3，1，2）卷积码的编码器，每一个单位时间，输入一个信息码元m，且移位寄存器内的数据往右移一位。编码器有3个输中式一个输出是输入信息码元mi的直接输出：另两个输出pi，1，pi，2为监督码元，是输入m与前编码个单位时间送入的信息元mi1，mi2按照定规则通过运算得到的。卷积码码字中的每Ci（mi，pi，1，pi，2） 最左边k0（这里k0=1）个码元是输入的信息码元，其余的是监督码元。卷积码的纠错能力不仅与约束长度有关，还与采用的译码方式有关。总之，由于n，k较小，且利用了各組之间的相关性，在同样的码率和设备的复杂性条件下，无论理论上还是实践上都证明：卷积码的性能至少不比分组码差。在卷积码译码过程中，不仅从此时刻收到的码组中提取译码信息，而且还要利用以前或以各时刻收到的码组中提取有关信息。而且卷积码的纠错能力随约束长度的增加而增强，差错率则随着约束长度增加而呈指数下降。

5.5G信道编码技术分析

实现5G通信技术，信道编码是必不可少的。5G通信系统相比于之前的4G有了很大的提升，不仅仅在性能方面，还有通信传输速率方面等等。为了多方面的提升5G通信系统的性能，用于5G信道编码的技术应该具有编码增益大、编译码复杂度低、编译码时延低、高数据吞吐、码参数覆盖范围广且灵活可变等特征。2016年的RAN84bis会议确定了用于5G数据传输的候选码类及评估内容，其中候选码类包括了LDPC码、Polar码、增强Turbo码和增强卷积码，评估内容包括了性能、实现复杂度、编译码时延和灵活性等方面。

5G移动通信要达到自己最高10Gb/s的数据传输速率要求，在信道编码技术上有特殊的要求性。为了保证数据传输速率，所采用的信道编码技术在复杂性上不能过高。Turbo码最大的技术特点是信道编码的复杂度较低，符合5G移动通信技术的发展要求。因此，Turbo码在5G移动通信中发挥着重要的作用。目前，相关技术人员已经认识到这一问题，正在大力推动Turbo码的改革，使其更加符合5G移动通信的要求。其中，具体的研究目标主要包括归零法、咬尾法、直接截尾法等多种方法的研究应用。根据技术资料分析，经过创新的Turbo码，即Turbo2.0可以很好地为5G移动通信提供技术服务。

6.结束语

用于5G通信系统的信道编码，在结和了全方位的考虑之后，是针对不同的场景、业务，来选择不同的信道编码方式。同时对选择的编码方案进行进一步的优化设计以达到相应的技术指标要求，从而在深度上也满足5G需求

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