信道编码在现代通信中的应用.docx

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信道编码在现代通信中的应用

信道编码在现代通信中的应用

一、卫星通信系统信道编码技术

1.1卫星通信信道特性

卫星通信必须通过地球以外空间的在轨卫星来实现，受到卫星本身放大器件、天线尺寸、遥远通信路径及宇宙其它星体等因素的影响，卫星信道具有：

功率受限、带宽受限、非线性恒参信道、多经衰落信道、通信链路远时延大、易受环境干扰等特点。

信道编码技术作为保证信息正确传输的有效手段被广泛应用于各种卫星通信系统，通过信道编码可以在有限带宽、低信噪比条件下实现信息的低误码率传送，以到达节省发射机功率、提高频谱利用效率的目的。

信道编码技术一般包括请求重传〔ARQ〕、前向纠错〔FEC〕及二者的混合体制，鉴于卫星信道误码特性、频谱利用率、系统延时等指标的要求FEC技术被广泛应用于各种卫星系统，对FEC技术的研究不断深入，国际上提出了Turbo码、LDPC〔LowDensityParityCheck〕、级联编码、编码调制及Raptor码等优秀的过失控制技术。

1.2现有卫星信道编码技术及应用[1]

1.2.1卷积码

卷积码由Elias于1955年提出，是继分组码之后提出的简单、高效编码方式，上世纪七十年代，Viterbi软判决译码算法迅速开展促使卷积码被广泛应用于各种卫星通信系统以及深空探测装置。

VSAT卫星系统于20世纪80年代兴起之初，采用码率为1/2，约束长度为7的卷积编码，在QPSK调制下通过Viterbi软判决译码，误码率为10-5时编码增益为5dB。

90年代初INTELSAT提供的IDR〔IntermediateDataRate〕业务使用码率为3/4的删余卷积编码，它是由效率为1/2的卷积码周期地删除规定比特而得到，在QPSK调制方式下应用Viterbi软判决译码可以提供10-7的误码性能，较未编码的情况获得了4dB的编码增益。

IBS〔IntelsatBusinessService〕系统采用码率为1/2卷积码，一样条件下可以提供10-8的BER性能。

卷积码很大程度地改变了卫星通信系统的性能，卷积码及其译码算法为串行级联编码、Turbo码等优秀的编码方案的提出奠定了根底。

缺乏之处是，随着编码器存储长度的增加，Viterbi译码的复杂度呈指数上升，使编码性能的进一步提高受到限制，所以，卷积码编码器的设计以最小状态数为原那么，使译码趋于简单。

1.2.2级联编码

Forney于1966年提出利用短分量码构造较长好码的串行级联编码技术，它以非二进制、较长码作为外码，以二进制、较短码作为内码，内、外码之间通过串行方式级联，接收端应用软判决译码算法和代数译码方法分别对内、外码进展译码，在获得较高的误码特性同时译码复杂度也在可以承受的范围。

ETSI的现行卫星数字播送标准DVB-S及美国数字卫星电视播送DBS-TV系统均采用RS码、卷积码串行级联形式，外码采用〔204，188〕的RS码纠正多径衰落引起的突发错误，内码采用码率为3/4、约束长度K=7的卷积码纠正随机错误，内、外码通过12X7的卷积交织器级联，系统在QPSK调制方式下信噪比为4dB时误码性能介于10-10~10-11。

NASA于1993年发射的ACTS卫星采用RS码、1/2卷积码级联编码方案，最正确误比特性能达10-12。

我国的遥感卫星风云三号FY-3、欧洲的METOP、美国EOS、NPP/NPOESS也都采用CCSDS标准〔采用（2,1,7）卷积码、RS〔255，223〕级联码〕推荐的RS与卷积码级联的数据传输方案。

另外，通过把多个内码和外码级联可以形成多级级联码，译码时对级联码进展码分解和多阶段译码，既可以获得较好的误码性能又大大减小了译码复杂程度，对于不同的通信系统环境提供了很大的灵活性。

RS码、卷积码串行级联形式在现行卫星系统中得到广泛应用，根本可以满足中等误码要求的通信系统，缺乏之处是误码性能的提升与译码复杂程度总是一对矛盾，当RS码非常长时，采用软判决的译码方案很难实现，编码增益的改善受到一定限制。

1.2.3Turbo码

1993年C.Berrou和R.Pyndian提出“并行级联〞形式的Turbo码。

Turbo码特别适合在中等误码率需求、长信息分组情况下使用，通过适当的迭代译码算法，在不增加设备复杂性的条件下可以获得几个分贝的编码增益。

目前，Turbo码已经被成功的应用到2004年11月欧洲发射的SMART-1号月球探测器上，理论可实现编码增益8dB。

最新的VSAT卫星系统也使用Turbo乘积码作为过失控制技术，为用户提供宽带卫星互联网接入效劳，误码性能小于10-9。

2005年SSA发射商用卫星IPSTAR-1，前向信道采用Turbo乘积码编码和8PSK高阶调制技术，下行数据业务到达4Mb/s速率。

Turbo码的缺乏之处是在极低误码率情况下性能开场下降，提高功率对误码率改善几乎没有帮助。

1.2.4LDPC码

LDPC码由Gallager于19世纪60年代首次提出，它是一种线性分组码，编码效率接近香农极限、编解码简单、时延小等特点非常适合高速信息传输系统，是卫星通信系统的首选信道编码方案，ETSI的第二代卫星数字播送标准DVB-S2以BCH码和LDPC码的串行级联取代了DVB-S以往的信道编码方案。

美国tech公司的CDM-600平台卫星调制解调设备采用了LDPC码，一样调制方式和误码要求下，LDPC码码相对于Turbo码有0.3～0.5dB不等的编码增益。

1.2.5喷泉编码

喷泉编码的典型实例是1998年由美国学者Luby提出的LT码，LT码是一种通用的喷泉码，编码的根本思想是通过喷泉编码器的有限输入与无限输出的映射特性生成数据包，当接收方收到一定数量的数据包时就可以恢复信息，以此来保证数据传输的可靠性，喷泉码很适合于播送形式的删除信道。

Raptor码〔Raptorcodes〕由AminShokrollahi于2006年提出，它是一种经过改进的LT码，通过将传统纠错码与LT码串行级联得到。

Raptor码编码时对输入信息应用常规纠错编码技术〔如LDPC码〕进展一次预编码，把编码输出信息再进展LT码编码，解码时通过依次对LT码、预编码进展解码完成，译码复杂度呈线性变化，较LT码有很大改善。

Raptor码的编码和解码过程只进展少量的异或运算，具有低的复杂度和很快的编解码速度，已经被确定为3GPP的MBMS（MultimediaBroadcastandMulticastServices）业务的信道编码标准。

Raptor码作为喷泉编码的典型代表是近两年针对计算机网络的数据报传输而提出的，由于能即时生成无限的数据包，在没有反应信道的情况下保证可靠通信，减小了通信的传输延时，Raptor码被认为是卫星播送/组播效劳和电视信号传输理想的信道编码技术，也是未来卫星宽带互联网上进展大文件传输和卫星移动网络中数据业务的最理想过失控制手段。

二、移动通信系统信道编码技术[2]

2.1移动通信信道特性

移动通信技术的开展日新月异，从１９７８年第一代模拟蜂窝通信系统诞生至今，就已经出现了五代的演变。

移动通信一方面能为人们带来了固定无法提供的灵活、机动、高效。

但另一方面，移动通信系统的研究、开发和实现相较于有线通信系统会更复杂、更困难。

这是因为无线电波传输不仅会随着传播距离的增加而造成能量损耗，并且会因为多径效应、多普勒频移和阴影效应等使信号快速衰落，码间干扰和信号失真严重，从而极大地影响了通信质量。

因此，移动无线信道是所有通信系统中最恶劣、最难预测的通信信道之一。

2.2现有移动通信信道编码技术及应用

2.2.1模拟移动通信系统ＢＣＨ编码

模拟蜂窝系统中，业务信道主要是传输模拟ＦＭ以及少量模拟信令，因此未应用数字处理技术。

而控制信道均传输数字信令，并进展了数字调制和纠错编码。

以英国系统为例，采用ＦＳＫ调制，传输速率为８ｋｂ／ｓ。

基站采用的是ＢＣＨ〔４０，２８〕编码，汉明距离ｄ＝５，具有纠正２位随机错码的能力。

之后重发５次，以提高抗衰落、抗干扰能力；移动台采用了ＢＣＨ〔４８，３６〕进展纠错编码，汉明距离ｄ＝５，可纠正２个随机过失或纠正１个及检测2个过失，然后也是重复５次发送。

2.2.2GSMFEC编码

ＧＳＭ系统仍是目前使用最广泛的移动通信系统，也是纠错编码最重要的应用之一。

ＧＳＭ标准的语音和数据业务使用多种ＦＥＣ编码，包括ＢＣＨ编码，ＦＩＲＥ码，ＣＲＣ码〔错误检测，码同步和接入，数据信道〕。

2.2.3窄带CDMA系统〔IS-95〕FEC编码

ＣＤＭＡ系统是个自干扰的系统，因此ＦＥＣ编码在对抗多用户干扰〔ＭＵＩ〕和多径衰落非常重要。

ＣＤＭＡ〔ＩＳ－９５〕系统的纠错编码是分别按反向链路和前向链路来进展设计的，主要包括卷积编码、交织、ＣＲＣ校验等。

前向链路中除导频信道外，同步信道、寻呼信道和前向业务信道中的信息在传输前都要先进展〔２，１，９〕的卷积编码再交织。

反向链路包括业务信道和接入信道，考虑到移动台的信号传播环境，增加编码长度，对信息进展〔３，１，９〕的卷积码。

如果整体考虑纠错编码和扩频调制，那么可把扩频看作内码，而信道编码视作外码。

以后向链路为例，编码交织后是６４阶正交Ｗａｌｓｈ函数扩频，然后是被周期为２－１的长码直接序列扩频。

2.2.43GTurbo码

３Ｇ与２Ｇ最重要的不同是要提供更高速率、更多形式的数据业务，所以对其中的纠错编码体制提出了更高的要求〔数据业务的过失率要小于１０〕。

语音和短消息等业务仍然采用与ＧＳＭ和ＣＤＭＡ相似的卷积码，而对数据业务３ＧＰＰ协议中已经确定Ｔｕｒｂｏ码为其纠错编码方案。

2.2.54GLDPC码

同３Ｇ等已有的数字移动通信系统相比，４Ｇ系统应具有更高的数据率、更好的业务质量〔ＱｏＳ〕、更高的频谱利用率、更高的平安性、更高的智能性、更高的传输质量、更高的灵活性；４Ｇ系统应能支持非对称性业务，并能支持多种业务；４Ｇ系统应表达移动与无线接入网和ＩＰ网络不断融合的开展趋势，应当是一个全ＩＰ的网络。

被优化了的非规那么ＬＤＰＣ码采用可信传播〔Ｂｅｌｉｅｆ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ〕译码算法时，能得到比Ｔｕｒｂｏ码更好的性能。

目前，ＬＤＰＣ码被认为是迄今为止性能最好的码，采用ＬＤＰＣ编码的系统性能与香农限之间的差距越来越小。

三、水声通信系统信道编码技术[3]

3.1水声通信信道特性

水声信道是水下声信号传播的物理媒介,是构成水声通信系统必不可少的局部,因其具有时-空-频变特性,被认为是迄今为止难度最大的无线通信信道之一。

水声信道随海洋介质时-空尺度运动状态的不同而不断变化的特点称为时-空-频变特性。

水声信道内部变化和相对运动构成水声信道的时变特性,比方随时间变化的温度、水面波浪的变化等,均能影响水下信号传输;水声信道的声传输特性与频率有关,它的频率选择性衰落表达了其频变特性;水深、海水介质的非均匀性、声速剖面以及海底地形地貌等空间变化那么构成其空变特性。

而从声波的传输过程来看,声传播速度缓慢、强多途、大起伏、声传播损失大、频域上多普勒扩展、有限频域带宽和高环境噪声等为水声信道的主要物理特性的表现。

这些特性增大了水声声波传播路径和过程的不确定因素,限制了依靠声信号传播为根底的水声通信技术的有效性和可靠性。

尤其是在浅海水声信道中的大信号起伏和强多途情况更为恶劣,严重影响水声通信技术的开展。

总的来说，与无线电磁波信道相比,水声信道有其本身独有的某些特性，如声速小、载波频率低、带宽窄、多普勒频移相对严重以及多途时延大等特点。

3.2水声通信信道编码技术及应用

3.2.1RS码

1960年I.SReed和G.Solomond提出RS码，又称Reed-Slolomon码，是一类纠错能力很强的多进制BCH码。

美国水声通信设备提供商AquatecElectronicsLimited公司的水下遥测和通信系统AQ203的过失控制编码选择的即为BCH编码和RS编码。

在信噪比较低时,RS码的误码特性比较差,而信噪比越高,RS编码获得的编码增益也越大。

而对于编码效率较高的RS码,要获得一样的编码增益,对信噪比的要求更高,当信噪比较低时,其性能和没有编码时差不多。

这一类RS码的译码运算比较复杂,解码的时间复杂度也比较大,所以高效率的RS码在水声通信的信道编码中并不常用。

3.2.2卷积码

在卫星通信中已经简单介绍了卷积码的相关知识，卷积码在水声通信中也得到应用。

美国Benthos公司的水声通信设备,其调制方式为非相干的MFSK,根据海况的不同,工作速率在100-2400bps之间。

当通信速率在100-1200bps时,系统选择哈达码（Hadamard,一种线性分组码）,当海况好时使用码率为1/2或1/3的卷积码及Vitethi译码可使通信速率到达2400bps。

与RS码相比较，当信噪比较低时,两种编码的误码特性都不好。

随着信噪比的增大,开场表达出编码的纠错性能,由于所用卷积码码率较之RS码的码率要低,而且卷积码本身所具有的更好特性,所以卷积码的误码性能更好。

3.2.3级联码

级联码方案采用RS编码作为外码，交织方式为伪随机交织，内码选择卷积码。

输入信息先进展RS码的外编码,编码输出进展交织后再进展卷积码的内编码,输出码字通过调制后在信道中传输,信道中除了会引入AWGN噪声外,还会有突发错误的产生。

接收端将信号解调后,首先进展卷积码内译码,内译码输出经过解交织再进展RS码的外译码,从而得到输出信息。

相较于单一的卷积码或RS编码，在一样的信噪比下级联码有更好的误码特性。

3.2.4Turbo码

Turbo码将卷积码和随机交织器结合在一起，实现随机编码的思想，同时采用软输出迭代译码算法来逼近最大似然译码，可以获得接近Shannon极限的性能。

随着水声通信技术的开展，将Turbo码应用到水声通信系统中引起了极大的关注，其性能明显优于无信道编码和卷积码。

但是纠错编码技术用来改善水声通信的质量需要保证信道原始的误码率不能高于某一门限值〔10-1-10-2〕，对于比较复杂的信道，需要结合一定的调制解调技术使信道的原始误码率满足纠错码译码器的输入要求，否那么可能越纠越错。

水声通信中将Turbo码和扩频技术特别是OFDM技术相结合来提高水声通信系统的可靠性。

3.2.5LDPC码

LDPC码因其能够接近香农极限,而成为继Turbo码之后又一个倍受关注的信道编码,由于LDPC码具有随机码特性,不需要额外加交织器,并且在译码端采用了并行迭代译码算法,因而其复杂度和延迟都要比Turbo码低。

这些综合特点使其具有其他纠错码无可比较的性能,对提高信道编码纠错能力,进展可靠的水声数字通信具有重要意义。

2021年康涅狄克大学、MIT/WoodsHole等研究机构在佛罗里达州进展海试实验,主要采用MIMO-OFDM技术,研宄了水声通信中LDPC码的应用,传输距离为500m和1500m,获得了几乎零误码的性能,在1/2码率情况下,12kHz带宽内,数据率为12.18kbps。

针对LDPC码逼近香农限的性能是在较长的码长情况下才能得到表达而时-空-频变的水声信道要求尽可能采用较短的码长问题，提出了改进LDPC码，比方准循环低密度奇偶校验（Quasi-CyclicLDPC,QC-LDPC）码。

目前大多数的水声信道编码都是采用非自适应方案,不能根据海洋信道环境进展编码方案的调整。

为了在最糟糕的水声信道条件下也能保证可承受的通信质量,在编码方案设计中一般需要预留出一个固定的链路余量。

已经有研宄说明,在瑞利衰落信道中,非自适应编码方案可能会引起高30dB的信号功率损失。

因此按最糟糕的信道条件进展信道编码设计必然会导致极低的信道利用率。

水声信道是幅-时-频-空域大动态范围变化,所引起的损失将更大,且信道资源更为有限,为此自适应信道编码技术被提出应用到水声通信。

四、光纤通信系统信道编码技术[4]

4.1光纤通信信道特性

在光传输系统中，主要是加性噪声以及码间串扰导致过失，另一方面，当光源不稳定时，会导致噪声、干扰的影响前后相关，突发出现成串错误。

因此，三种光传输系统模型被提出，分别是：

卡方〔Chi-square〕信道模型、非对称高斯〔AsymmetricGaussian〕信道模型、加性高斯白噪声〔AWGN〕信道模型，其中卡方信道模型是能够最准确地描述光通信信道的模型，而非对称高斯信道模型以及加性高斯白噪声信道模型都是对卡方信道模型的近似。

4.2光纤通信信道编码

下面将列举出光纤通信系统中常用的FEC码

4.2.1第一代FEC码-RS码

RS〔Reed-SolomonCode〕码是第一代FEC使用的优异的纠错码。

RS码既能纠正多个随机错误，又能纠正突发错误，在高速译码时采用硬判决译码具有很好的性能。

综合编码复杂度、本钱代价以及译码纠错性能三个因素，RS码是比适宜光纤传输的纠错码型。

ITU-TG.975标准规定使用的码字即为RS〔255，239〕码。

4.2.2第二代FEC码-级联码

第二代FEC码包括不同种类的级联码,出现在20世纪90年代末期。

AitSab等对RS〔239，223〕码与RS〔255，239〕码相级联的系统在高斯信道下进展了仿真，高斯信道中“0〞和“1〞是不等概率的分布，比对称高斯信道模型更准确。

至此，第一、二代的FEC码的译码算法采用的都是硬判决的译码算法。

4.2.3第三代FEC码-Turbo码：

Turbo码编码是通过对码字的伪随机交织来实现，这种编码方式比较接近随机编码。

而Turbo码的译码那么采用的是迭代译码的方法，译码复杂度适中，并且具有接近香农限的特性。

Turbo码是一种并行级码，其根本思想是用短码来组合构成长码，它有效地将并行级联、随机交织和迭代译码结合在了一起，在迭代译码时又将长码化作为短码，与之前的最大似然译码相比在不破坏译码性能的情况下，降低了译码复杂度。

Turbo码的出现大大突破了传统的约束，挖掘出了级联码的潜在优势，获得及其接近香农限的性能，为编码界带来了新的动力和曙光。

Turbo码常用的译码算法包括〔1〕MAP算法，又称为最大后验概率〔maximumposterior,MP〕算法。

MAP算法也就是将后验概率密度的对数似然比〔log-likehoodratio,LLR〕的值作为软判决的输出，由于其中运算量较大，因此在实际应用中MAP算法译码受到了一定限制。

但它仍是目前Turbo码译码的最优的算法；〔2〕Lg-MAP算法，就是将MAP算法中等式两边加上Lg运算，这样就可以将乘法运算简化成加法运算，简化了译码的运算复杂度；〔3〕MAX-Lg-MAP算法，就是将Lg-MAP算法中的加法运算近似为求最大值运算，进一步简化了运算复杂度，但是这种近似算法却影响了译码的准确性；〔4〕SOVA算法，它是对Viterbi算法的一种修正算法，删除低似然路径时保存有用信息，同时为每个输出信息提供一个可信度，根本思想就是衡量最优路径和被删除路径的度量差，假设差值越小，那么可信度越低。

这4种译码算法准确度由高到底，译码复杂度也依次减小。

在实际的通信系统应用中，要考虑所硬件条件和对传输速率的要求来选择最恰当的译码算法。

4.2.4LDPC码

LDPC码是Gallager在20世纪60年代提出的一种纠错编码方式，但由于当时条件的限制，在当时并未引起人们的注视。

一直到上世纪90年代MacKay等人又重新提出了它。

根据他们的研究，LDPC码可以实现非常接近香农极限的误码率性能，优于其它的纠错码方式。

LDPC码越来越引起人们的关注，目前已经有许多关于LDPC码的研究，并在LDPC码的理论和实际应用上都取得了很大进展。

但是有关LDPC码的研究大多是针对移动通信的应用，许多码的设计和优化化都是以移动环境的信道模型为根底进展的。

LDPC码又叫做低密度奇偶校验矩阵码，因为它的校验矩阵是一个稀疏矩阵，又由于它的校验矩阵中的非零元素很少，使得它的译码能以较低的复杂度进展。

LDPC码的性能非常优越，在已报道的最好的LDPC码中，它在高斯信道中距离香农限只有0.00045dB的差异。

影响LDPC码性能的主要参数包括码的最小汉明距离和围长等。

其中，最小汉明距离决定了任意两个码字间的最小差异。

而围长决定了在LDPC码迭代译码时的收敛速度，研究说明，性能优异的LDPC码的围长要求在6以上，同时又希望有一个较大的最小汉明距离，但是对一个码长很长的LDPC码来说，想要求得它的最小汉明距离是很困难的。

虽然LDPC码具有非常优越的性能，但是它的高编码复杂度是影响其实用化的一个重要因素。

同时和移动通信相比，光纤通信系统对纠错码有他的不同要求，包括高效率、高速率、恰当的码长和编译码复杂度等。

比方在光纤通信系统中常用的RS〔255，239〕码的码长为2040，效率为93%，而相应的SDH帧的帧长为4080。

因此，很多可用于移动通信的LDPC码，由于其效率较低，码长过长，并不适合与光纤通信系统。

4.2.5RA码

RA〔repeataccumulate，重复累积〕码是结合Turbo码和LDPC码两者优点上提出的一类新的信道编码。

它可以看做是一种类Turbo码，也可以看做是一种LDPC码。

RA码的这种双重身份使它不仅具有Turbo码的简单编码特性，同时也具有LDPC码的简单译码特性。

研究证明这类码同样具有接近香农限的性能。

同时RA码的简单的编码构造、较低的复杂度和低能耗、低延时等性能使得RA码在实际应用中具有很大的价值，目前已被应用在无线通信、磁记录以及图像、视频传输等。

因此，RA码在远程光纤通信系统中的应用具有非常重要的价值。

参考文献

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