呂沛

【摘要】伴隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展，自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，具有高頻帶有效性的抗干擾方案大量涌現(xiàn)，并且功率有效性性能還在不斷地向香農(nóng)限逼近，網(wǎng)格編碼的思想同高階調(diào)制相結(jié)合不斷發(fā)展。另外，最具有歷史意義的是1993年在世界著名的IEEE國(guó)際通信會(huì)議上C.Barrou發(fā)表的關(guān)于Turbo碼的論文。論文給出的Turbo碼結(jié)構(gòu)及其在BPSK下幾乎可達(dá)到香農(nóng)限的性能更讓世人震驚。

【關(guān)鍵詞】抗干擾方案編碼

目前，信道編碼和交織技術(shù)已被成功地應(yīng)用于第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，但第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)只提供話音業(yè)務(wù)和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因而導(dǎo)致相應(yīng)的信道編碼單一。相比較之下，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)能提供更為豐富的業(yè)務(wù)種類(lèi)，并且能改善原由第二代業(yè)務(wù)的質(zhì)量，這就對(duì)通信系統(tǒng)提出了更高的要求。

一、背景

本論文主要以第三代以及未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)需求為背景，介紹當(dāng)前以及未來(lái)移動(dòng)通信普遍關(guān)注的高效信道編碼譯碼技術(shù)，其中包括已被3GPP采用的Turbo碼技術(shù)和目前受到普遍關(guān)注的Turbo乘積碼（TPC）和低密度校驗(yàn)碼（LDPC）碼技術(shù)。

二、高效信道編碼技術(shù)

信道編碼技術(shù)是移動(dòng)通信中提高系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)可靠性的有效方法，使接收機(jī)能夠檢測(cè)和糾正傳輸媒介帶來(lái)的信號(hào)誤差。在第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)中應(yīng)用卷積碼和交織，對(duì)保證話音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)質(zhì)量取得了很好的效果。第三代系統(tǒng)與第二代相比，需要提供的業(yè)務(wù)種類(lèi)大大增加，對(duì)信道編碼有更高的要求。

在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，GSM與IS-95中主要采用卷積碼，F(xiàn)ire碼以及卷積與RS的級(jí)聯(lián)碼。在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，采用的信道編碼類(lèi)型主要有兩種：卷積碼，Turbo碼。

在未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)中，卷積編碼仍可以作為實(shí)時(shí)話音業(yè)務(wù)的一種侯選方案，而Turbo碼仍可以作為非實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的一種侯選方案。研究表明，在非規(guī)則圖上構(gòu)造的基于GF（q）域上的LDPC碼性能要好于Turbo碼。LDPC碼可以通過(guò)增加碼字長(zhǎng)度，同時(shí)采用優(yōu)化的譯碼實(shí)現(xiàn)，所以它也是可能應(yīng)用與未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的信道編碼侯選方案。

Turbo碼，又稱并行級(jí)聯(lián)卷積碼（PCCC），是由C.Berrou等在ICC93會(huì)議上提出的。它巧妙地將卷積碼和隨機(jī)交織器結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)編碼的思想。同時(shí)，采用軟輸出迭代譯碼來(lái)逼近最大似然譯碼。Turbo碼的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著信道編碼理論與技術(shù)的研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段，結(jié)束了長(zhǎng)期將信道截止速率作為實(shí)際容量的歷史。

LDPC碼是Low-Density Parity-Check Codes的簡(jiǎn)稱，中文譯名為低密度校驗(yàn)碼。它是Gallager于1963年提出的，所以也叫Gallager碼。近幾年，人們認(rèn)識(shí)到LDPC碼所具有的優(yōu)越性能及其巨大的實(shí)用價(jià)值，所以繼Turbo碼之后，LDPC碼成為近年來(lái)編碼理論界的又一研究熱點(diǎn)。研究表明，利用置信傳播算法，LDPC碼能夠以較低的硬件復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)近香農(nóng)限的譯碼性能。

Turbo碼是應(yīng)用在UMTS系統(tǒng)中的新的糾錯(cuò)編碼技術(shù)。其糾錯(cuò)性能優(yōu)于卷積編碼，但是解碼復(fù)雜度較高，而且編碼時(shí)延較大，適用于對(duì)時(shí)延要求不高但速率較高的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。另外，Turbo碼的理論分析困難。至今尚未有對(duì)Turbo碼譯碼器誤碼率的完整理論分析和估計(jì)，一般是通過(guò)仿真模擬其性能。

LDPC碼相對(duì)于Turbo碼來(lái)說(shuō)，有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）LDPC碼的譯碼復(fù)雜度較Turbo碼低；并且由于LDPC碼譯碼算法中一次譯碼迭代的計(jì)算復(fù)雜度遠(yuǎn)比Turbo碼譯碼算法中一次譯碼迭代的計(jì)算復(fù)雜度低，因此可以通過(guò)改變最大迭代次數(shù)來(lái)獲得“復(fù)雜度-性能”的最家折衷。此外，LDPC碼置信傳播（BP）譯碼算法可以高度并行操作，也存在更低復(fù)雜度的性能近似置信傳播譯碼算法的其他譯碼算法。（2）LDPC碼的最小距離隨著碼塊長(zhǎng)度增大依逼近于1的概率線性增大。（3）可以根據(jù)任意碼塊長(zhǎng)度和任意碼率很容易的設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的LDPC碼。（4）LDPC碼無(wú)“錯(cuò)誤地板”現(xiàn)象，這使其可以應(yīng)用于短幀業(yè)務(wù)。（5）由于校驗(yàn)矩陣是隨機(jī)生成的，從而已經(jīng)對(duì)編碼比特進(jìn)行了有效的交織，所以無(wú)需額外的交織器。（6）在LDPC碼譯碼過(guò)程中，可以得知譯碼是否正確。因?yàn)槿?，則說(shuō)明譯碼正確，其中H為L(zhǎng)DPC碼奇偶校驗(yàn)矩陣，為譯出的碼字。

但是，LDPC碼卻具有較高的編碼復(fù)雜度，這是其經(jīng)常遭受抨擊的一個(gè)最主要原因。Turbo碼具有線性編碼復(fù)雜度，而直接實(shí)現(xiàn)LDPC碼編碼器的復(fù)雜度卻與碼塊長(zhǎng)度的平方成正比。不過(guò)，目前已經(jīng)存在相應(yīng)的解決辦法，如可以改進(jìn)LDPC碼的奇偶校驗(yàn)矩陣構(gòu)造方法，或者采用降低復(fù)雜度的LDPC碼編碼算法。

三、移動(dòng)通信中的調(diào)制技術(shù)

數(shù)字調(diào)制，解調(diào)技術(shù)是從最基本，最簡(jiǎn)單的二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制2ASK，2FSK和2PSK的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的?；?ASK由二進(jìn)制向多進(jìn)制發(fā)展，產(chǎn)生了正交幅度調(diào)制QAM，MQAM；基于2FSK向多進(jìn)制發(fā)展，產(chǎn)生了MFSK調(diào)制；基于2PSK向多進(jìn)制發(fā)展，產(chǎn)生了QPSK，OQPSK，MPSK等。為了進(jìn)一步改善移相中相位躍變帶來(lái)的頻譜擴(kuò)展與幅度上的變化，又引入了連續(xù)相位調(diào)制。其中，最為典型的是最小頻移鍵控MSK，高斯型最小頻移鍵控GMSK，平滑調(diào)頻TFM。

目前數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)主要有兩大類(lèi)：一類(lèi)是以GSM為代表的，采用非線性連續(xù)相位調(diào)制CPM中高斯濾波的最小頻移鍵控GMSK，它避開(kāi)了線性要求，可使用高效率的C類(lèi)功率放大器，大大降低了放大器的成本，但是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜；另一類(lèi)屬于移相鍵控PSK，它包括IS-95中以及IMT-2000中采用的BPSK，QPSK，OQPSK，平衡四相擴(kuò)頻調(diào)制BQM以及復(fù)數(shù)四相擴(kuò)頻調(diào)制CQM等。這類(lèi)調(diào)制在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生相位躍變，并帶來(lái)頻譜擴(kuò)展，當(dāng)頻帶受限后幅度上會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，且對(duì)線性度要求較高，高功放，需使用價(jià)格高昂的A類(lèi)放大器，但是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

為提高系統(tǒng)的頻譜效率，數(shù)字通信系統(tǒng)常常采用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制是利用多進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)調(diào)制載波的幅度，頻率或相位。由于多進(jìn)制數(shù)字已調(diào)信號(hào)的被調(diào)參數(shù)在一個(gè)碼元間隔內(nèi)有多個(gè)可能取值，因此，與二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制相比，在系統(tǒng)帶寬一定的條件下，多進(jìn)制調(diào)制的信息傳輸速率較高。在相同的信息速率下，多進(jìn)制信號(hào)碼元的持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)。增大碼元寬度，就會(huì)增加碼元的能量，并能減小由于信道特性引起的碼間干擾的影響。正是基于這些特點(diǎn)，多進(jìn)制調(diào)制方式獲得了廣泛的應(yīng)用。

但是，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)頻帶利用率的提高是通過(guò)犧牲功率利用率來(lái)?yè)Q取的。隨著M值的增加，在信號(hào)空間中各信號(hào)點(diǎn)間的最小距離減小，相應(yīng)的信號(hào)判決區(qū)域也隨著減小。因此，當(dāng)信號(hào)受到噪聲和干擾的損害時(shí)，接收信號(hào)的錯(cuò)誤概率也將隨之增大。幅度相位聯(lián)合鍵控（APK）方式就是為克服上述問(wèn)題而提出來(lái)的。當(dāng)前研究較多，并被建議用于數(shù)字通信中的APK信號(hào)，是正交幅度調(diào)制信號(hào)。尤其是矩形QAM信號(hào)，具有容易產(chǎn)生的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，也容易解調(diào)，從而得到廣泛的應(yīng)用。

四、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

移動(dòng)通信系統(tǒng)中，信道編碼是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)。隨著業(yè)務(wù)種類(lèi)的豐富以及對(duì)QoS的更多要求，對(duì)信道編碼提出了更高的挑戰(zhàn)。不僅需要其能靈活地滿足多種業(yè)務(wù)的性能要求，還要有經(jīng)濟(jì)的硬件要求。近年來(lái)這方面的研究十分活躍，各種信道編碼方案層出不窮，譯碼算法不斷改進(jìn)，相應(yīng)的硬件水平也有了很大的提高。在未來(lái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，高速率數(shù)據(jù)傳輸將是其業(yè)務(wù)的核心，而帶寬受限的無(wú)線信道是傳輸高速率數(shù)據(jù)流的瓶頸，為了實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸，必須采用帶寬效率更高的編碼調(diào)制技術(shù)。