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  • 信源编码与信道编码
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    2019-12-19 22:29:39

    信源编码:信源编码是一种以提高通信有效性为目的而对信源符号进行的变换,或者说为了减少或消除信源冗余度而进行的信源符号变换(百度百科)。通俗理解压缩编码,假设信源发送的11111111和00000000这个码字,如果不做压缩编码,发送端需要发送8个bit。现在以一个bit 1111 1111  = 1;0000 0000 = 0,这样发送端只需要发送一个bit,即可将源bit信息表示出来。这就是信源编码,用尽可能少的bit将信息表示出来。例如霍夫曼编码

    信道编码:通过信道编码器和译码器实现的用于提高信道可靠性的理论和方法。通俗理解,提高接收端解码正确率,这就和信源编码反过来了,需要给原比特添加冗余bit。冗余bit作用,增加信号纠错能力,在接收端解码时,差1-2个bit也没问题。举例,发送端只发送一个1个bit,0 or 1。接收端一不留神就可能解错,现在对信源编码后的bit信息进行信道编码,1 = 1111 1111 ;0 = 0000 0000 ,1/8编码,通常不会这么夸张,熟知的咬尾卷积码,turbo码都是1/3码率。假设源信息经信道传输至接收侧,经译码后结果为 1111 1100 ,这个结果我们认为发送端发的是1,0010 0000 这个结果我们认为是 0。这也就是纠错编码技术。

    有的同学可能会比较混乱,一会儿又让短一会儿又让长,这不麻烦吗?充分理解这两个概念的作用,就好记忆了。信源编码作用就是想利用有限长bit,传输最多的信息。信道编码是为了让bit传输到接收端,接收端能正确译码。

     

     

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  • 1. 信道编码技术在移动通信中的应用 蜂窝移动通信系统在过去几十年中迅猛发展,使得用户彻底摆脱终端设备的束缚,变成社会发展进步的必不可 可少的工具。纠错编码作为不可或缺的一环,在移动通信系统中有着广泛的...

    1. 信道编码技术在移动通信中的应用

    蜂窝移动通信系统在过去几十年中迅猛发展,使得用户彻底摆脱终端设备的束缚,变成社会发展和进步的必不可
    可少的工具。纠错编码作为不可或缺的一环,在移动通信系统中有着广泛的应用。

    • 第一代通信系统是模拟通信系统,业务信道采用模拟信号传输,而控制信道传输数字信令并进行了信道编码与数字调制操作。以英国系统为例,基站与终端信道编码采用不同的BCH编码,编码后重复5次发送以提高衰落信道性能。

    • 第二代移动通信系统,如欧洲的GSM系统、北美的IS-95都是数字通信系统。

      • GSM在全速率业务信道与控制信道采用了约束长度为5,码率为1/2的卷积码。具体来说,GSM全速率业务信道20ms业务帧包含260个比特,其中50个最重要的比特、132个重要比特、78 个不重要比特。50个重要比特首先进行循环冗余校验(Cyelic Redundancy Check, CRC)编码得到53个比特的码字,然后与后面的132个重要比特与4个全零尾比特一起采用 1/2码率的卷积码进行编码得到378个比特,最后的78个比特不予保护得到456个比特的语音编码块。对于半速率业务信道为了改善通话质量采用码率为1/3,约束长度为5的卷积编码。GSM控制信道采用外码为Fire码、内码为卷积码的串行级联编码方案,由于 Fire码适于检测与纠正突发错误码,与善于纠正随机错误的卷积码结合可以进一步提高控制信令的可靠度。
      • IS-95 窄带CDMA系统的纠错编码是分别按照前向链路与反向链路来设计的,主要包括卷积编码与CRC编码。前向链路中除导频信道之外的同步信道、寻呼信道、业务信道都采用了约束长度为9,码率为1/2的(2,1,9)卷积码,反向链路(包括业务信道和接入信道)则采用了约束长度为9,码率为1/3的(3,1,9)卷积码。反向链路卷积码的码率更低,具有更强的纠错能力,有利于提高基站采用非相干解调接收时的抗干扰能力。
    • 第三代移动通信与2G相比要提供更高的传输速率、更多形式的数据业务,所以纠错编码提出更高要求。3G仍然以IS-95中的卷积码作为语音信道和各个控制信道的纠错编码方案。确定Turbo码为数据、多媒体等业务的编码方案。

    • 第四代移动通信(LTE) 同样采用了卷积码与Turbo码作为纠错编码方案,而且卷积码用于控制信道,Turbo 码用于数据信道。与WCDMA的纠错编码方案相比,LTE对纠错编码方案进行了进一步优化。LTE卷积编码采用1/3码率的咬尾卷积码(Tail- Biting Convolutional Codes,TBCC),约束长度为7。LTE TBCC有6个移位寄存器,其初始值用信息比特的最后6个比特进行初始化,如此一来,移位寄存器的初始与最后状态是相同的,与尾比特归零操作相比,TBCC降低了尾比特的开销,这对于信息比特长度很短的控制信令来说会明显提高其频谱效率。

      LTE Turbo编码结构与WCDMA相近,但是分量码间的内部交织器与WCDMA完全不同。LTE Turbo采用二次置换多项式(QPP)交织器。QPP交织器的主要优点是无冲突交织处理,能够支持并行译码,相对于WCDMA Turbo码的串行译码能够显著提高译码速度。

      LDPC码作为另外一种接近Shannon限的信道编码,虽然由于早期研究不够成熟,错过了3G与4G标准,但其出色的性能,较低的译码复杂度使其被多个重要的国际标准采纳,如Wi-Fi、WiMax、CCSDS等。

    2. 5G中的信道编码方法与标准化

    LTE中使用Turbo码和TBCC作为数据信道和控制信道的主要编码方案,提供了很好的性能。由于NR中定义了新的应用场景,对系统带宽、吞吐率、时延和可靠性的需求较4G大大提升,因此需要重新设计信道编码方案。

    3GPP关于5G信道编码技术方面的工作计划可以分为3个阶段。

    • 第一阶段的主要工作是确定5G采用的编码类型,具体包括选择5G候选信道编码方案、确定评估准则、对候选方案进行评估等工作。
    • 第二阶段的主要工作是具体构造用于5G的LDPC码和Polar码,主要内容包括LDPC码参数的选择和校验矩阵的设计,以及Polar 码的构造、Polar 序列的设计、编译码算法和CRC添加方式等。
    • 第三阶段的主要工作是对信道编码技术的编码链(coding chain) 进行了讨论和研究,具体研究内容包括编码块分段、CRC添加、信道交织、速率匹配等。

    经过漫长曲折的讨论,最终于2017年年底美国Reno会议基本完成5G在eMBB场景的数据信道、控制信道、广播信道编码的设计工作,相关内容目前已经被写入NR的R15规范

    在关于LDPC和Polar编码方案相关议题上,华为、三星、高通、诺基亚、中光联发科、大唐、爱立信、LG等公司积极参与NR信道编码标准化进程,提出了大量的技术提案,对5G信道编码方案标准化做出了重要的贡献。

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  • 信道编码科普

    千次阅读 2020-09-14 22:35:13
    信道编码信道编码的意义实现途径信道类型,错码特性,差错控制技术一一对应匹配检错纠错能力纠错编码类型分组码卷积码特别说明-Turbo码特别说明-LDPC码网格编码调制 信道编码的意义 在信号传输过程中,由于受到干扰...

    信道编码的意义

    在信号传输过程中,由于受到干扰影响,码元波形将变坏。接收端可能发生错误判决。乘性干扰可以考虑均衡的方法;加性干扰则需要从调制制度、解调方法、发送功率等方面考虑。仍然不能满足要求,则可以考虑差错控制措施。

    实现途径

    差错控制具体用信道编码来实现。通过在信号码元序列中增加监督码元,并利用监督码元检错和纠错。

    信道类型,错码特性,差错控制技术一一对应匹配

    按照加性干扰造成错码的统计特性不同,可以将信道分为三类:随机信道、突发信道和混合信道。每种信道中的错码特性不同,所以需要采用不同的差错控制技术来减少或消除其中的错码。差错控制技术共有4种,即检错重发、前向纠错、检错删除和反馈校验其中前三种都需要采用编码。

    检错纠错能力

    一种编码的纠错和检错能力决定于最小码距。

    纠错编码类型

    纠错编码分为分组码和卷积码两大类。

    分组码

    分组码-》线性分组码-》循环码-》
    由代数关系式确定监督位的分组码称为代数码。在代数码中,若监督位和信息位的关系是由线性代数方程式决定的,则称这种编码线性分组码。奇偶监督码就是一种最常用的线性分组码。汉明码是一种能够纠正1位码的效率较高的线性分组码。具有循环性的线性分组码称为循环码。BCH码是能够正多个随机错码的循环码。而RS码则是一种具有很强纠错能力的多进制BCH码。

    卷积码

    卷积码的监督码元不仅和当前的k比特信息段有关,而且还同前面m=(N-1)个信息段有关。它监督着N各个信息段,N代表着约束度。

    特别说明-Turbo码

    Turbo码是一种特殊的链接码。由于分组码和卷积码的复杂度随码长的增大按指数规律增长,所以为了提高纠错能力,不是单纯增大码长,而是将多种简单的编码组合成复合编码。Turbo即涡轮,其编码部分包含交织器,目的是将集中出现的突发错码分散开,变成随机错码(按列发送就将错码分散到各行);其译码器有两个分量码译码器,像涡轮一样轮回迭代。其性能接近信息论上能达到的最好性能之一。

    特别说明-LDPC码

    LDPC低密度奇偶校验码是线性分组码。其性能与Turbo码接近,非规则LDPC码的误码性能比Turbo码还好。此码在码组很长时才具有优良性能。

    网格编码调制

    纠错编码可以在不增加功率的条件下降低误码率,但代价是增大了占用带宽。(码长变长,在保证信息码传输速率不变的情况下,必然增加码元传输速率,信号频率增加,频带增加)。将纠错编码和调制结合即,网格编码调制可以同时节省功率和带宽。
    举个栗子:8PSK,每个码元可以传输3b信息;但可以只让它每个码元传输2b信息,第3b用于纠错码。此时解调和解码是一个步骤完成的,不是传统做法中先解调得到基带信号后再为纠错去解码。

    Polar码

    2007年土耳其比尔肯大学教授E. Arikan基于信道极化理论提出的一种线性信道编码方法,即Polar码。该码字是迄今发现的唯一一类能够达到香农限的编码方法,并且具有较低的编译码复杂度,当编码长度为N时,复杂度大小为O(NlogN)。Polar码理论上比Turbo码和LDPC码更能达到香农限,可以实现不同场景的5G高性能通信。

    [1]: 《通信原理》樊昌信 曹丽娜 第11章差错控制编码

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  • 谈谈5G的信道编码方法

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    信道编码是通信技术中非常关键的技术,用于对抗信道上的噪声以及干扰,提高传输的效率。 我在通信技术的四大金刚一文中,按重要性将编码技术归为第二位,其中就包含了信道编码。 不过,信道编码的效果是有极限的,...

    最近因为联想的投票引发了轩然大波,让我们不得不审视一下投票的对象:5G的信道编码方式。

    信道编码是通信技术中非常关键的技术,用于对抗信道上的噪声以及干扰,提高传输的效率。

    我在通信技术的四大金刚一文中,按重要性将编码技术归为第二位,其中就包含了信道编码。

    不过,信道编码的效果是有极限的,这就是香农定理所指出的编码极限。

    在GSM系统中,采用了卷积以及交织等信道编码方式,离编码极限还有一段距离。

    到了WCDMA系统,引入了Turbo编码,实现了性能的大跃进,非常接近了编码极限。

    由于Turbo编码性能优异,因此LTE系统中也继续沿用。

    到了5G系统,有人希望继续改进,就引入了LDPC以及Polar编码,据称可以更接近编码极限。

    我个人倒是觉得,其实LDPC以及Polar与Turbo编码在性能上的差异是可以忽略不计的,至于编解码的开销,这个也很难说。

    以公交车为例,各地公交车座位的布局各不相同,有地铁式对坐的,也有并排坐中间留通道的。

    表面上看,不同的布局带来不同的效果,载客量也有区别。

    但是,公交车的差异是体现在座位的布局上吗?

    显然,公交车的动力方式,比如电动、混合动力还是汽油,才是公交车最显著的差异。

    4G、5G系统也是如此,通常我们并不会很关注编码方式,而更关注复用方式,这才是决定技术特点的第一因素。

    比如我在编写《LTE教程》时,信道编码方式就一笔带过,大家在学习的时候只需要知道信道编码的作用,至于如何进行编解码,通常无需了解,毕竟人的精力是有限的。

    最后,在5G的R15规范中,业务信道采用了LDPC编码,控制信道采用了Polar编码。

    想了解5G技术,可以阅读《5G入门指南》,学习《5G入门课程》

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空空如也

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信道编码的方法和作用