信道編碼在移動通信中的應用

1、鄭州工業(yè)應用技術學院信道編碼在移動通信中的應用課程論文 論文題目： 信道編碼在移動通信中的應用 學 院 ： 信息工程學院 專 業(yè)： 通信工程 班 級：姓 名：學 號：指導老師： 120112015年06月25日摘要當今社會移動通信發(fā)展迅速。本文主要介紹了幾種主要的信道編碼方法，對其各自的優(yōu)缺點進行了總結(jié)。最后對信道編碼的未來進行了展望。關鍵詞：移動通信；信道編碼；分組碼；卷積碼；Turbo碼AbstractNowadays，the Mobile Communication Systems are fast developmentThis article introduced the Chann

2、elCodes，and discussed the advantage and disadvantage of different types of Channel CodesFinally，there alsopredicted the Channel CodestomorrowKeywords：Mobile Communication；Channel Codes；Block codes；Convolution Codes；Turbo Codes.1 引言當今社會，隨著科學技術的進步、經(jīng)濟的快速發(fā)展，在社會的各個不同領域，通信技術都顯得尤為重要。移動通信是當今通信領域最為活躍的一個分支。移動

3、通信滿足了人們隨時隨地的個人通信要求，因此它的發(fā)展更顯得尤為重要。從1978年第一代模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)誕生至今，經(jīng)過了三代的演變，移動通信的優(yōu)勢就在于它能為人們提供了固定電話所不及的靈活、機動、高效的通信方式，非常適合信息社會發(fā)展的需要。然而，這也使移動通信系統(tǒng)的研究、開發(fā)和實現(xiàn)比有線通信系統(tǒng)更復雜、更困難。無線信道是通信中最惡劣、最難預測的通信信道之一。在移動通信系統(tǒng)中，移動臺常常工作在城市建筑群或其他復雜的地理環(huán)境中，而且移動的速度和方向是任意，發(fā)送的信號會隨著傳播距離的增加而造成多徑衰落，并且會因為多徑效應、多普勒頻移和陰影效應等的影響而使接收到的信號發(fā)生變化，給移動通信帶來了不利的影

4、響。因此，如何在移動信道中實現(xiàn)有效可靠的信息傳輸成為一個急待解決的問題。最近幾年，移動通信業(yè)務得到了迅速發(fā)展，移動用戶也在迅猛增加。由此，保證通信中數(shù)據(jù)的準確傳輸、提高通信的有效性和可靠性顯得更為重要。其中關鍵技術之一就是差錯控制技術，實現(xiàn)方式是對信道傳輸數(shù)據(jù)進行糾錯編碼。在移動通信領域中，信道編碼起著舉足輕重的作用。2 信道編碼基礎信道編碼技術的發(fā)展起源于信息論的誕生。1948年，信息論的開創(chuàng)者CEShannon在他的奠基性論文“Amathematical theory of communication”中首次提出了著名的信道編碼定理，又稱為Shannon第二編碼定。此定理指出每類信道都有一

5、定的信道容量，即信道的最大極限傳輸能力，只要實際信息傳輸速率小于此能力，就能實現(xiàn)信息在信道中的無差錯傳輸。即使是隨機編碼，只要編碼塊足夠長，就能保證錯誤率足夠小。然而Shannon的信道編碼定理并未給出構(gòu)造有效碼的實用方法，而且當要求的差錯率很低時，將迫使采用非常長的編碼，從而導致非常復雜的譯碼運算，甚至不可能實現(xiàn)譯碼。Shannon之后的50年來，人們一直在尋找復雜度低容易實現(xiàn)的編碼方式來逼近Shannon理論的理想界限。從而相繼出現(xiàn)了線性分組碼、代數(shù)碼、RS碼、卷積碼、Turbo碼以及LDPC碼，這些碼的性能非常接近Shannon極限。3 移動通信中的信道編碼信道編碼使通過增加冗余位來達到

6、保證通信系統(tǒng)的可靠性，從而達到改善通信鏈路性能的目的。在發(fā)射端，信道編碼器把段數(shù)字序列映射成一段含有更多比特信息的碼序列；接著把已經(jīng)被編碼的碼序列進行調(diào)制，進而發(fā)送到無線信道中。接收端就可以用信道編碼來檢測或糾正傳輸中所產(chǎn)生的誤碼。3.1 分組碼分組碼是最早應用的信道編碼技術，在分組碼的每個碼字中，監(jiān)督元僅與本組的信息元有關，而與別組的信息元無關。漢明碼是漢明于1950年提出的分組碼，這也是第一種糾錯碼。1957年，普朗格(Prange)首先開始研究循環(huán)碼，循環(huán)碼是線性分組碼的一個重要子類，由于它具有循環(huán)特性和優(yōu)良的代數(shù)結(jié)構(gòu)，所以可以用簡單的反饋寄存器實現(xiàn)其編碼和伴隨式計算，并可使用多種簡單而

7、有效的方法進行譯碼。1959年霍昆格姆(Hocgenghem)和1960年博斯(Bose)及查德胡里(Chaudhuri)分別提出了糾正多個隨機錯誤的循環(huán)碼，稱為BCH碼。這是一類糾錯能力強、構(gòu)造方便的碼。1960年彼得森(Peterson)找到了二元BCH碼自梯一個有效算法，從而將BCH碼由理論研究推向?qū)嶋H應用階段。ReedSolomon碼(RS碼)是多元BCH碼的個特殊子類，是應用廣泛而有效的一類線性碼FJ。分組碼線性是指碼組中碼元的約束關系是線性的，而分組則是對編碼而言。其可以用近似代數(shù)理論中有限維有限域的矩陣來描述。（u1，u2 uk）線性分組碼生成矩陣為G，信息矢量為u=，則編碼輸出

8、為c=u1kGkn。如果生成的是系統(tǒng)碼，即原始的信息出現(xiàn)在編碼中，則生成矩陣Gkn可改寫為G=(Ik：Q)。其中：Ik表示k階單位陣，Q為k(n-k)階陣。TT線性分組碼用于譯碼的監(jiān)督矩陣為H，滿足H*c=0和H*G=0。對于系統(tǒng)碼而言，其監(jiān)督矩陣為H=(Q:In-k)，Q為k(n-k)階陣，In-k為（n-k)階單位陣。線性分組碼實際上是利用線性空間的擴展，即Eh原來的k維擴展到n維，利用被擴展的（n-k)維來發(fā)現(xiàn)、糾正信道傳輸中的差錯。伴隨式定義為：S=YHT=(Vme)HT=eHT。其中Y為接收到的矢量，Vm為正確的碼矢量，e為n維錯誤圖樣矢量。當ei=1表示第i位有錯，反之ei=0表示

9、第i位沒有錯。譯碼過程可通過監(jiān)督矩陣H來確定錯誤圖樣，再求和算出碼字，如圖1所示。 y圖 1譯碼過程 3.2卷積碼卷積碼是由麻省理工學院的埃里亞斯(Elias)提出的，卷積碼不同于分組碼之處在于：在任意給定時刻，編碼器輸出的，z個碼元中，每一碼元不僅和此時刻輸入的k個信息元有關，還與前連續(xù)v個時刻輸入的信息元有關。除了在構(gòu)造上的不同之外，在同樣的編碼效率下，卷積碼的性能優(yōu)于分組碼，至少不低于分組碼，當編碼存儲v較大時，可以得到較低的譯碼錯誤概率。卷積碼是一種非線性碼，其編碼器中有記憶器件存在。在任意給定的時段，編碼器的以個輸出不僅與同時段的b個輸入信息有關，而且與前k個輸入有關(七為存儲器級數(shù)

10、)。一般的卷積碼選取較小的以，b和較大的k，可以獲得既簡單又有高性能的信道編碼。卷積碼的描述方式有多種：生成矩陣、生成多項式、D變換，以及主要用于譯碼的樹圖、trellis圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖等。卷積碼的生成矩陣與分組碼不同，其是一個半無限矩陣(如下式)，由此也導致了卷積碼在編碼上的輸出是有頭無尾的，即每個信息段的輸出都是無窮的。實際中，是通過在信息段的后面增加k個0來分割，因為在連續(xù)輸入k個0后輸出也為0。g0g1g2 gk-1ggg gk-1 G=012 g 0其中：gi為b中第i個輸入ui的系數(shù)矩陣。卷積碼和分組碼是兩種最基本的信道編碼方案，在同等碼率和糾錯能力下，卷積碼的實現(xiàn)往往比分組碼簡單

11、，因此在第二代移動通信系統(tǒng)中，卷積碼是普遍應用的信道編碼方式。3.3 Turbo碼Shannon第二編碼定理的核心之一就是他的隨機的編譯碼思想。但是，由于隨機構(gòu)造的方法是難以產(chǎn)生和控制的構(gòu)造方法，因此人們認為隨機的編譯碼思想只不過是為了證明Shannon的信道編譯碼定理的存在性而引入的一種數(shù)學方法和手段，并沒有將其作為構(gòu)造性能優(yōu)良長碼的主要方向和手段給予足夠的重視。雖然隨機碼是理論上的好碼，是理想信道編碼的方向，但其復雜性使之幾乎無法實現(xiàn)，因而在傳統(tǒng)的信道編碼技術中，代數(shù)編碼理論和技術占據(jù)了主導地位，并受到了截止速率(cutoff rate)Ro的限制。這種現(xiàn)象一直延續(xù)到1993年Turbo碼

12、的出現(xiàn)。Turbo碼，是由1993年由CBerrou等一種并聯(lián)的卷積碼編碼方案i4J。它巧妙地將卷積碼和隨機交織器結(jié)合在一起，實現(xiàn)了隨機編碼的思想；同時，采用軟輸出迭代譯碼來逼近最大似然譯碼。文獻4中的模擬結(jié)果表明，如果采用大小為65535位的隨機交織器，并且進行18次迭代，則在信噪比Eb/N0 0.7dB時，碼率為12的Turbo碼在AWGN信道上的誤比特率BER10，達到了近Shannon限的性能(12碼率的Shannon限是0dB)。因此，這一超乎尋常的優(yōu)異性能，立即引起信息與編碼理論界的轟動。由于充分利用了碼間的附加信息，Turbo碼獲得了很好的編碼增益。由于Turbo碼接近于隨機碼，

13、有很好的距離特性，因而有很強的抗衰落和抗干擾能力。Turbo碼比較明確地揭示了用短碼構(gòu)造有優(yōu)良特性的長碼的方法lbJ，而且把人們的眼光從碼的最小距離引向了總的距離，更接近于隨機碼的概率特性。而在實踐中，只要時延和復雜度允許，Turbo碼可在各種惡劣條件下提供接近極限的通信能力。目前，其已成為第三代移動通信的信道編碼的一種主要標準。4.結(jié)論在Shannon理論的指導下，信道編碼技術正在不斷的進步，不斷涌現(xiàn)出性能更接近Shannon極限的編碼方法，并在移動通信中得到了廣泛應用。隨著移動通信技術和信道編碼技術的發(fā)展，將會有更好的編碼方法應用于移動通信系統(tǒng)中， -5k,t而更DH提高移動通信中數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃?。參考文獻1CEShannon，A Mathematical Theory ofCommunicationJ，Bell SyS Tech J，1948，27(2)，3794232 Gorentein D C，Peterson W W，Znerler W，Twoerror correcting BCH codes are quasiperfectJ，Inform Control，19603，2912943 王新梅，肖國鎮(zhèn)，糾錯碼一原理與方法M，西安電子科技大學出版社，2003，5045