信道编码基础知识

1、。关于信道编码基本知识的培训讲义信道编码，也称为差错控制编码，是所有现代通信系统的基石。几十年来，信道编码技术已经接近香农极限，将人类通信推向一个又一个高峰。随着5G的到来，我们能突破自我，创造另一个交流奇迹吗？所谓信道编码是在发送端将冗余信息添加到与原始数据相关的原始数据中，然后根据这种相关性在接收端检测和纠正传输过程中产生的错误。这些添加的冗余信息是纠错码，用于对抗传输过程中的干扰。1948年，现代信息论的创始人香农发表了通信的数学理论，标志着信息和编码理论学科的建立。根据香农理论，在具有一定带宽和噪声的信道中可靠地传输信号的方法不超过两种：增加信噪比或在信号编码中添加附加的纠错码。就像在

2、嘈杂的酒吧里，当你喝完酒后，你仍然想要一打。如果你想让服务员听到你的话，你必须提高你的声音(信噪比)并重复呼喊(额外的多余信号)。然而，香农指出，在信息传输速率不大于信道容量的前提下，可以通过差错控制码实现可靠通信，但没有给出实现差错控制编码的具体方法。人类在信道编码方面的第一次突破发生在1949年。汉明和戈雷提出了第一个实用的差错控制编码方案。贝尔实验室雇佣的数学家汉明将输入数据每4位分组，然后计算这些信息位的线性组合，得到3个校验位，然后将得到的7位发送给计算机。计算机按照一定的原则读取这些代码字。通过采用一定的算法，它不仅可以检测是否有错误，而且可以找到发生单个比特错误的比特位置。该代码

3、可以纠正7位的单个位错误。这种编码方法是分组码的基本思想。汉明的编码方案后来被命名为汉明码。汉明码的编码效率相对较低。每4位编码需要3位冗余校验位。此外，在一个代码组中只能纠正一个位错误。戈莱老师研究了汉明码的缺点，提出了戈莱码。格雷码分为二进制格雷码和三进制格雷码。前者将每12个信息比特分成一组并编码以产生11个冗余校验位。相应的解码算法可以纠正3个错误。后者对三进制数而不是二进制数起作用。三进制戈莱码将每6个三进制符号分成一组，并编码生成5个冗余校验三进制符号。因此，由11个三进制符号组成的三进制格雷码字可以纠正2个错误。在美国宇航局的航海家1 1号中，戈雷代码被用来带回数百张木星和土星的

4、彩色照片。在接下来的10年里，无线通信性能得到了突飞猛进的发展，这主要归功于卷积码的发明。卷积码是由埃利亚斯在1955年提出的。卷积码不同于分组码，因为它们充分利用了各种信息块之间的相关性。卷积码通常被称为(N，k，N)码。卷积码的编码过程是连续的。每K个信息元素被连续输入编码器以获得N个符号。所获得的符号中的校验元素不仅与代码的信息元素相关，还与先前输入编码器的信息元素(反映在编码寄存器的内容中)相关。同样，在卷积码的解码过程中，不仅要从该码中提取解码信息，还要充分利用前后接收到的代码组。从这些代码组中提取与解码相关的信息，并且可以连续执行解码，从而可以确保卷积码的解码延迟相对较小。通常，在

5、相同的系统条件下，当达到相同的解码性能时，卷积码的信息块长度和码字长度小于分组码的信息块长度和码字长度，相应的解码复杂度也较小。显然，在不到10年的时间里，通信编码技术的发展一直是一个飞跃，直到遇到一个瓶颈。根据香农的前任的指示，为了提高信号编码效率和达到信道容量，有必要使编码段尽可能长，并使信息编码尽可能随机。然而，由此带来的困难是计算机科学中经常遇到的“计算复杂性”问题。幸运的是，这个世界上有一个神奇的摩尔定律。由于摩尔定律，编码技术在一定程度上解决了计算复杂性和功耗问题。遵循摩尔定律，维特比在1967年提出了维特比解码算法。维特比译码算法提出后，卷积码在通信系统中得到了广泛的应用，如GS

6、M、IS-95 CDMA、3G、商用卫星通信系统等。然而，计算复杂性仍然是一堵无法逾越的墙。尽管在分组码和卷积码等基本编码方法的基础上提出了许多简化解码复杂度的方法，但由于计算复杂度极高，这些方法已变得不可逾越。编码专家正在努力思考，并试图在可接受的计算复杂度下设计代码和算法来提高效率，但是增益总是比香农的理论极限低23dB。直到1993年，在日内瓦举行的IEEE国际通信会议上，两位当时鲜为人知的法国电气工程师贝鲁和格拉维约声称他们发明了一种编码方法，可以使信道编码效率接近香农极限。克劳德贝鲁，帅呆了！这个消息太“耸人听闻”了，因为几乎所有的专家都认为这两个“木棒”是来捣乱的。这么多数学家都没

7、能突破，你们两个小角色敢自称接近香农极限吗？你不想惹麻烦吗？计算中一定有错误。许多专家甚至懒得看完这篇论文。事实上，这两个法国兄弟可能不太擅长数学。他们没有试图在数学上找到突破，所以他们的论文在会上被怀疑和忽视也就不足为奇了。然而，专家们忽略了一个问题。基于电气工程师的经验，他们发现电子学中经常使用的反馈概念似乎被数学家忽略了。也许反馈可以使我们绕过计算复杂性的问题，所以他们设计了一套新的方法。首先，他们放弃了“纯”数字化的概念。在典型的数字化方法中，总是首先将某个级别设置为阈值。如果信号电平高于这个阈值，它将被判断为“1”，如果它较低，它将被判断为“0”。在Turbo码解码过程中，特定比特的

8、电平被量化成整数，例如从-127到127。它的值用作置信度的量度，以判断该位是“1”还是“0”(例如，-110表示该位很可能是“0”，40表示该位可能是“1”，但不确定)。其次，与其他系统不同，Turbo码系统在发送端和接收端分别有两个编码器和解码器。一对编解码器向特定的比特流段添加并检查奇偶校验码，而另一对编解码器在交织干扰之后对同一比特流段执行相同的操作。涡轮编码器结构。Turbo码编码器由两个或多个反馈系统卷积码编码器通过随机交织器并行连接而成，编码后的校验位通过删余矩阵生成不同码率的码字。由于这两个码流包含相同的数据，如果没有信道噪声，解码结果应该一致。然而，在噪声干扰下，两组的结果会

9、有所不同。借助于上述用于比特判定的置信度信息，可以通过将两组结果相互参照来获得第一近似结果。这个结果被“反馈”到解码器的前端，并且两个解码器的结果将在几次迭代之后彼此接近(收敛)。这绕过了计算复杂性的问题。Turbo码解码器有两个分量码解码器。解码是在两个分量解码器之间迭代执行的，因此整个解码过程类似于turbo运算，因此也形象地称为turbo码。当然，这也是要付出代价的。由于迭代解码，延迟将不可避免地发生。因此，当实时性要求非常高时，Turbo码的直接应用将受到限制。接下来，编码专家打破了眼镜。令人难以置信的是，当其他小组验证了两个法国兄弟的计划时，他们证明了结论是正确的。现在人们在谈论与香

10、农极限相差0.1分贝或0.01分贝。通信编码历史上的革命时代已经到来！两位鲜为人知的电气工程师无视科学权威认可的各种“极限”，在一片嘲笑声中以新的方式突破了理论障碍。起初，Turbo码只在一些特殊的场合使用，比如卫星链路。后来，研究人员将其扩展到数字音频和视频广播。随后，Turbo码成为通信研究的前沿，世界各地的主要公司都专注于这一领域，包括法国电信、NTT、DoCoMo、索尼、NEC、朗讯、三星、爱立信、诺基亚、摩托罗拉和高通。Turbo码已经成为本世纪初开始的3G/4G移动通信技术的核心。直到今天，4.5G仍在使用。现在，编码专家们松了口气，终于解决了这个棘手的问题。与此同时，他们都叹了口

11、气，因为这接近香农的极限，似乎很难在这一领域突破。下班后，回家带孩子。然而，在1999年，另一件有趣的事情发生在编码领域。人们重新燃起了对LDPC的兴趣，尽管它已经被遗忘了几十年。LDPC(低密度奇偶校验)，即低密度奇偶校验码。它是加拉格尔在1962年提出的，但后来被遗忘了。直到Turbo码被提出，人们才从某个角度发现Turbo码也是LDPC码。另一件有趣的事情是，LDPC码发明得更早，它的基本专利在1999年到期，而Turbo码直到2013年才到期。LDPC利用校验矩阵的稀疏性，使得解码复杂度仅与码长线性相关。LDPC在长码长的情况下仍能有效解码，因此它有一个更简单的解码算法。通过对LDPC

12、码的重新研究，发现LDPC码在接近香农限方面与Turbo码具有相同的性能。新的研究结果表明，实验中发现的最佳LDPC码的极限性能与香农理论极限仅相差0.0045分贝。然后，LDPC在IEEE 802.11n和802.16技术提案中被热烈讨论。S2也决定用LDPC取代涡轮码。有人认为LDPC是最终的纠错编码，并有可能成为未来的主流编码技术。因此，关于Turbo码和LDPC码的争论已经开始。随着5G标准化的到来，Turbo码和LDPC码就像拳击场上的两个重量级拳击手，都声称自己是赢家，但裁判的终场哨声并未响起。裁判头疼。这场比赛很难得分。因为，有争论的原因仅仅是为了证明未来谁更适合5G用例？谁能更

13、好地满足新的技术要求？众所周知，2G应用场景是语音和低速数据服务，而3G和4G应用场景是语音和高速数据服务。可以肯定的是，Turbo码和LDPC码可以满足3/4G甚至4.5G的使用情况。5G用例怎么样？这个市场还没有出现，而且还有很多。涡轮码和LDPC码都不能决定谁是最佳选择。此外，由于它们各自的优点和缺点，覆盖所有5G应用是不现实的。就在Turbo码和LDPC码在进行拳击比赛时，极地码冲进了拳击场，成为了一项摔跤运动。幸运的是，随着编码技术不断打破记录并让我们吃惊，编码领域的另一项令人兴奋的研究已经浮出水面。2007年，土耳其伯肯大学的阿里坎教授提出了一种基于信道极化理论的线性信道编码方法，

14、即极坐标编码。码字是目前发现的唯一能够达到香农极限且编码复杂度较低的编码方法。当编码长度为n时，复杂度为0(NlogN)。埃尔达尔阿尔坎(右)极码的理论基础是信道极化。信道极化包括信道组合和信道分解。当组合信道的数量趋于无穷大时，会出现极化现象：一些信道趋向于无噪声信道，而另一些信道趋向于全噪声信道，这就是信道极化现象。无噪声信道的传输速率将达到信道容量I (W)，而全噪声信道的传输速率将趋于零。极坐标编码的编码策略正是应用了这一现象的特点，使用无噪声信道来传输用户的有用信息，使用全噪声信道来传输同意信息或不同意信息。这就像一个班级的学生。如果他们上学的时间足够长，大多数贫困学生将会跌到谷底，

15、大多数好学生将会飞向云端。然后，他们会抛弃那些学生。极坐标码比Turbo码和LDPC码更接近信道容量。极坐标码可以确保在任何情况下5G的高性能通信。夸张地说，如果不考虑系统设计问题，编码技术的历史应该在这里结束，在极坐标编码的手中结束。然而，编码和解码的复杂性是极坐标的问题。然而，当使用改进的SCL(连续消除列表)解码算法时，它可以以较低的复杂度接近最大似然解码的性能。关键是极坐标代码仍然太年轻，发明相对较晚。与Turbo码和LDPC码不同，许多研究仍然是基于理论的，后者在实际场景中得到了广泛的应用。只有等待时间才能告诉我们极坐标编码是否是5G信道编码之王。回顾信道编码的历史，它是宏伟的。在短

16、短几十年内，关键技术的历史性突破创造了今天的人类交流奇迹。当5G到来时，更令人兴奋的是我们已经看到了各种优秀编码技术的出现。毫不夸张地说，这是信道编码技术的文艺复兴时期。然而，不仅仅是频道编码开启了文艺复兴的大门。5G将激发无线行业前所未有的创新活力。2017年2月7日，编辑分享了649条评论。感谢您搁置邓肯张4G长期演进的话题。两位优秀的受访者一致认为，这个问题适合从事学术研究的人。在实际的工程标准中，以LTE为例，数据平面基本上是Turbo码。控制平面使用一些回旋，除非标准有重大改变或特别优秀的新技术和理论，否则不会再移动。我可能忽略了一点，那就是，如果无线网络的结构有很大的变化(你是指无线网络，对吗？)，例如，中继结构出现在R-10中，并且无线系统正从点对多点的PtoMP结构逐渐改变为MPTP OMP多点