信道编码在现代通信中的应用

精选文库信道编码在现代通信中的应用1、 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，以达到节省发射机功率、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（Low Density Parity Check）、级联编码、编码调制及 Raptor码等优秀的差错控制技术。1.2 现有卫星信道编码技术及应用11.2.1 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发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 5 dB。90 年代初 INTELSAT 提供的 IDR（Intermediate Data Rate）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 4 dB 的编码增益。IBS（Intelsat Business Service）系统采用码率为 1/2卷积码，相同条件下可以提供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基础。不足之处是，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则，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、外码进行译码，在获得较高的误码特性同时译码复杂度也在可以接受的范围。ETSI 的现行卫星数字广播标准 DVB-S 及美国数字卫星电视广播 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12 X 7的卷积交织器级联，系统在 QPSK 调制方式下信噪比为4 dB时误码性能介于10-1010-11。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，最佳误比特性能达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，译码时对级联码进行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，基本可以满足中等误码要求的通信系统，不足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。1.2.3 Turbo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8 dB。最新的VSAT卫星系统也使用Turbo乘积码作为差错控制技术，为用户提供宽带卫星互联网接入服务，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，下行数据业务达到4 Mb/s速率。Turbo码的不足之处是在极低误码率情况下性能开始下降，提高功率对误码率改善几乎没有帮助。1.2.4 LDPC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 的第二代卫星数字广播标准 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 Comtech公司的 CDM-600 平台卫星调制解调设备采用了 LDPC 码，相同调制方式和误码要求下，LDPC 码码相对于 Turbo 码有0.30.5 dB 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，编码的基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，喷泉码很适合于广播形式的删除信道。Raptor码（Raptor codes）由 Amin Shokrollahi 于 2006 年提出，它是一种经过改良的 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）进行一次预编码，把编码输出信息再进行 LT码编码，解码时通过依次对 LT 码、预编码进行解码完成，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行少量的异或运算，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(Multimedia Broadcast and Multicast Services)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，在没有反馈信道的情况下保证可靠通信，减小了通信的传输延时，Raptor码被认为是卫星广播/组播服务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行大文件传输和卫星移动网络中数据业务的最理想差错控制手段。2、 移动通信系统信道编码技术22.1移动通信信道特性移动通信技术的发展日新月异，从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电话无法提供的灵活、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 模拟移动通信系统编码模拟蜂窝系统中，业务信道主要是传输模拟电话以及少量模拟信令，因此未应用数字处理技术。而控制信道均传输数字信令，并进行了数字调制和纠错编码。以英国系统为例，采用 调制，传输速率为。基站采用的是（，）编码，汉明距离，具有纠正位随机错码的能力。之后重发次，以提高抗衰落、抗干扰能力；移动台采用了（，）进行纠错编码，汉明距离，可纠正个随机差错或纠正个及检测2个差错，然后也是重复次发送。2.2.2 GSM FEC编码 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。 标准的语音和数据业务使用多种编码，包括编码，码，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编码系统是个自干扰的系统，因此编码在对抗多用户干扰（）和多径衰落非常重要。（）系统的纠错编码是分别按反向链路和前向链路来进行设计的，主要包括卷积编码、交织、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行（，）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，对信息进行（，）的卷积码。如果整体考虑纠错编码和扩频调制，则可把扩频看作内码，而信道编码视作外码。以后向链路为例，编码交织后是阶正交函数扩频，然后是被周期为的长码直接序列扩频。2.2.4 3G Turbo码与 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（数据业务的差错率要小于）。语音和短消息等业务仍然采用与 和相似的卷积码，而对数据业务协议中已经确定码为其纠错编码方案。2.2.5 4G LDPC码同等已有的数字移动通信系统相比，系统应具有更高的数据率、更好的业务质量（）、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的传输质量、更高的灵活性；系统应能支持非对称性业务，并能支持多种业务；系统应体现移动与无线接入网和网络不断融合的发展趋势，应当是一个全的网络。被优化了的非规则码采用可信传播（）译码算法时，能得到比码更好的性能。目前，码被认为是迄今为止性能最好的码，采用编码的系统性能与香农限之间的差距越来越小。3、 水声通信系统信道编码技术33.1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部分,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,比如随时间变化的温度、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体现了其频变特性;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则构成其空变特性。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基础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发展。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3.2.1 RS码1960年I.S Reed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Aquatec Electronics Limited公司的水下遥测和通信系统AQ203的差错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,要获得相同的编码增益,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译码可使通信速率达到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,开始体现出编码的纠错性能,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。输入信息先进行RS码的外编码,编码输出进行交织后再进行卷积码的内编码,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,首先进行卷积码内译码,内译码输出经过解交织再进行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，在相同的信噪比下级联码有更好的误码特性。3.2.4 Turbo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发展，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，否则可能越纠越错。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。3.2.5 LDPC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拟的性能,对提高信道编码纠错能力,进行可靠的水声数字通信具有重要意义。2008年康涅狄克大学、MIT/Woods Hole等研究机构在佛罗里达州进行海试实验,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500 m和1500 m,获得了几乎零误码的性能,在1/2码率情况下,12 kHz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体现而时-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，比如准循环低密度奇偶校验(Quasi-Cyclic LDPC, 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行编码方案的调整。为了在最糟糕的水声信道条件下也能保证可接受的通信质量,在编码方案设计中一般需要预留出一个固定的链路余量。已经有研宄表明,在瑞利衰落信道中,非自适应编码方案可能会引起高30 dB的信号功率损失。因此按最糟糕的信道条件进行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。4、 光纤通信系统信道编码技术44.1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差错，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（Asymmetric Gaussian）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-Solomon Code）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、成本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。Ait Sab 等对 RS（239，223）码与 RS（255，239）码相级联的系统在高斯信道下进行了仿真，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精确。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 码的译码则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，其基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（maximum posterior, MP）算法。MAP 算法也就是将后验概率密度的对数似然比（log-likehood ratio, 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，基本思想就是衡量最优路径和被删除路径的度量差，若差值越小，则可信度越低。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。 4.2.4 LDPC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，优于其它已知的纠错码方式。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基础进行的。 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行。LDPC 码的性能