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  • 什么是信道编码信道编码比较

    万次阅读 多人点赞 2018-11-23 14:24:20
    消除干扰,让无线信号更干净,这本是信道编码技术的初衷。然而,最近网络上这场“Polar码投票”闹剧,无中生有地添加杂质,与所议论的技术之本质背道而驰,若Polar码也有血肉之躯,此君情何以堪?香农前辈若在世,也...

            消除干扰,让无线信号更干净,这本是信道编码技术的初衷。然而,最近网络上这场“Polar码投票”闹剧,无中生有地添加杂质,与所议论的技术之本质背道而驰,若Polar码也有血肉之躯,此君情何以堪?香农前辈若在世,也会笑话我们吧?         

            2016年11月3GPP会议上,华为及其他55家公司(包括联想和摩托罗拉移动)基于广泛的性能评估和分析比较,联合提出Polar码作为控制信道的编码机制并获得通过,联想及其旗下摩托罗拉移动针对该方案的投票都是赞成票。如同Polar码的本质,消除杂质干扰,还一片明亮干净。我们今天就来聊一聊Turbo、LDPC、Polar等信道编码技术那些事,让我们在一段波澜壮阔的信道编码史中去找回技术的初心。

    什么是信道编码?

            当我们拿起手机刷朋友圈时,数据通过无线信号在手机和基站间传送。由于无线信号是敏感而脆弱的,易受干扰、弱覆盖等影响,发送的数据和接收到的数据有时候会不一致,比如手机发送的1 0 0 1 0,而基站接收到的却是1 1 0 1 0,为了纠错,移动通信系统就引入了信道编码技术。

            在上个世纪40年代以前,人们认为只有通过增加发射功率和重传的方式,才能减少这种通信错误。直到1948年香农提出了伟大的香农定理,人们才认识到,可以通过信道编码的方式来实现可靠通信。

            所谓信道编码,也叫差错控制编码,就是在发送端对原数据添加冗余信息,这些冗余信息是和原数据相关的,再在接收端根据这种相关性来检测和纠正传输过程产生的差错,从而对抗传输过程的干扰。

            但是,香农前辈虽然指出了可以通过差错控制码实现可靠通信的理论参考,但却没有给出具体实现的方法。于是,人们开始研究编码方案,不断逼近香农极限。

    信道编码简史

            人类在信道编码上的第一次突破发生在1949年。R.Hamming和M.Golay提出了第一个实用的差错控制编码方案——汉明码。

    汉明码每4个比特编码就需要3个比特的冗余校验比特,编码效率比较低,且在一个码组中只能纠正单个的比特错误。

    随后,M.Golay先生研究了汉明码的缺点,提出了Golay码。

    Golay码在1979~1981年间被用于美国国家航空航天局太空探测器Voyager的差错控制系统,将成百张木星和土星的彩色照片带回地球。

    Golay码之后是一种的新的分组码——RM码。在1969年到1977年之间,RM码广泛应用于火星探测,同时,其快速的译码算法非常适合于光纤通信系统。

    RM码之后人们又提出了循环码的概念,也叫循环冗余校验(CRC)码。循环码也是分组码的一种,其码字具有循环移位特性,这种循环结构大大简化了编译码结构。

    不过,以上编码方案都是基于分组码实现,分组码主要有两大缺点:一是在译码过程中必须等待整个码字全部接收到之后才能开始进行译码,二是需要精确的帧同步,从而导致时延较大、增益损失大。

    直到卷积码的出现,改善了分组码的缺点。归功于卷积码,在接下来的10年里,无线通信性能得到了跳跃式的发展。

    ▲Elias于1955年提出卷积码

            卷积码与分组码的不同在于:它充分利用了各个信息块之间的相关性。在卷积码的译码过程中,不仅从本码中提取译码信息,还要充分利用以前和以后时刻收到的码组,从这些码组中提取译码相关信息,而且译码也是连续进行的,这样可以保证卷积码的译码延时相对比较小。

    尽管卷积码让通信编码技术腾飞了10年,但终究还是遇到了瓶颈——“计算复杂性”问题。

    还好,这个世界有一个神奇的摩尔定律。得益于摩尔定律,编码技术在一定程度上解决了计算复杂性和功耗问题。而随着摩尔定律而来的是,Viterbi于1967年提出的Viterbi译码算法。

    Viterbi译码算法提出之后,卷积码在通信系统中得到了极为广泛的应用,如GSM、 IS-95 CDMA、3G、商业卫星通信系统等。

    但是,随着通信技术的飞速发展,“计算复杂性”依然是一道迈不过的墙,专家们苦苦思索,试图在可接受的计算复杂性条件下设计编码和算法,以提高效率,但其增益与香农理论极限始终都存在2~3dB的差距。

    正在专家们一筹莫展之时,奇迹出现了。

    1993年,两位当时名不见经传的法国电机工程师C.Berrou和A.Glavieux声称他们发明了一种编码方法——Turbo码,可以使信道编码效率接近香农极限。

    C.Berrou

    一开始,大家都是持怀疑态度的,甚至懒得去理睬这两个小角色,这么多数学家都没能突破,你两个小小的机电工程师也敢宣称接近香农极限?忽悠吧?

    但是,这两位法国工程师正是绕过数学理论,凭借其丰富的实际经验,通过迭代译码的办法解决了计算复杂性问题。 

    ▲Turbo码的译码器有两个分量码译码器,译码在两个分量译码器之间进行迭代译码,故整个译码过程类似涡轮(turbo)工作,所以又形象的称为Turbo码。

    Turbo码的发明又一次开创了通信编码史的革命性时代。

    随后,全世界各大公司开始聚焦于Turbo码研究。Turbo码也成为了3G/4G移动通信技术所采用的编码技术,直到今天4.5G,我们依然在采用。

    但是,由于Turbo码采用迭代解码,必然会产生时延,所以对于实时性要求很高的场合,对于即将到来的超高速率、超低时延的5G需求,Turbo码又遇到瓶颈,因此,在5G时代就出现了Polar码和LDPC码之争。

    5G:LDPC和Polar码闪亮登场

    先来看看5G KPI

    如上图,5G与4G至少有三大不同:

    ①4G面向单一的MBB场景,即手机的移动宽带业务;而5G面向eMBB、eMTC和URLLC三大场景,即5G面向万物互联,要应对AR、VR、车联网、工业4.0、智慧城市等各种应用,较之3/4G只有语音和数据业务,5G繁忙多了。

    ②4G的峰值速率为1Gbps,而5G的峰值速率高达20Gbps。

    ③4G的用户面时延为5ms,而5G的用户面时延要低至0.5ms(URLLC)。

    经过这么一对比,问题就来了。5G的峰值速率是LTE的20倍,时延是LTE的1/10,这就意味着5G编码技术需在有限的时延内支持更快的处理速度,比如20Gbps就相当于译码器每秒钟要处理几十亿bit数据,即译码器数据吞吐率比4G高得多。

    越高的译码器数据吞吐率就意味着硬件实现复杂度越高,处理功耗越大,而译码器是手机基带处理的重要组成部分,占据了近72%的基带处理硬件资源和功耗,因此,要实现5G应用落地,选择高效的信道编码技术非常重要。

    3GPP必须对编码技术的选择反复讨论,严谨把关,绝非像一些文章中所透露的那般拉选票似的顺便。

    同时,由于5G面向更多应用场景,对编码的灵活性要求更高,需支持更广泛的码块长度和更多的编码率。比如,短码块应用于物联网,长码块应用于高清视频,低编码率应用于基站分布稀疏的农村站点,高编码率应用于密集城区。如果大家都用同样的编码率,这就会造成数据比特浪费,进而浪费频谱资源。

    于是乎,两大新的优秀的编码技术进入5G编码标准的法眼:LDPC和Polar码,都是逼近香农极限的信道编码。

    LDPC码是由MIT的教授 Robert Gallager在1962年提出,这是最早提出的逼近香农极限的信道编码,不过,受限于当时环境,难以克服计算复杂性,随后被人遗忘。直到1996年才引起通信领域的关注。后来,LDPC码被WiFi标准采纳。

    LDPC有啥优势呢?LDPC基于高效的并行译码构架实现,其译码器在硬件实现复杂度和功耗方面均优于Turbo码。

    ▲Turbo码和LDPC码功耗比较,来源5G Forum

    Polar码是由土耳其比尔肯大学教授E. Arikan在2007年提出,2009年开始引起通信领域的关注。尽管Polar提出较晚,但作为已经被理论证明可达到香农极限的编码方案,自发明以来,业内已在译码算法、速率兼容编码方案和硬件实现上做了大量的研发工作。

    Polar码有啥优势呢?Polar码兼具较低的编码和译码复杂度,不存在错误平层(error floor)现象,误帧率(FER)比Turbo低得多,Polar码还支持灵活的编码长度和编码速率,各方面证明比Turbo码具备更优的性能。

    ▲Turbo码和Polar码FER比较,来源5G Forum

    因此,最后3GPP在5G时代抛弃了Turbo码,选择了LDPC为数据信道编码方案,Polar为广播和控制信道编码方案。

    那么,为何3GPP同时选择了LDPC码和Polar码呢?这背后有“不把鸡蛋放在同一个篮子”的因素,也有“One code does not fit all”的因素。

    首先,华为不会孤注一掷投入Polar码,高通也不会孤注一掷投入LDPC码,各家公司都会在不同的候选技术上投入,不会把鸡蛋放在同一个篮子里。其次,各种编码方案的优缺点不同,需对其硬件实现复杂度、功耗、灵活性、成熟度等进行综合考量,One code does not fit all,没有“一刀切”的处方。

    让技术回归技术,少一点杂音,我们的5G才会走得更稳。

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  • 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利余度而进行的信源符号变换。具体说,就是针对信源输出符号序列的统计特性来寻找某种方法...信道编码通过信道编码器和
  • 信源编码与信道编码

    千次阅读 2018-02-08 13:06:01
    信道编码是在数据中加入验证码,并且把加入验证码的数据进行调制。、一、信源编码的作用:1 设法减少码元数目和降低码元速率,即通常所说的数据压缩; 2 将信源的模拟信号转化成数字信号,以实现模拟信号的数字化...

    信源编码是对输入信息进行编码,优化信息和压缩信息并且打成符合标准的数据包;

    信道编码是在数据中加入验证码,并且把加入验证码的数据进行调制。、


    一、信源编码的作用:1 设法减少码元数目和降低码元速率,即通常所说的数据压缩;
                                      2 将信源的模拟信号转化成数字信号,以实现模拟信号的数字化传输。


    问:为什么要进行信道编码?

    答:数字信号在传输中往往由于各种原因,使得在传送的数据流中产生误码,从而使接收端产生图象跳跃、不连续、出现马赛克等现象。所以通过信道编码这一环节,对数码流进行相应的处理,使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力,可极大地避免码流传送中误码的发生。误码的处理技术有纠错、交织、线性内插等。

    信道编码作用:信道编码的本质是增加通信的可靠性。但信道编码会使有用的信息数据传输减少,信道编码的过程是在源数据码流中加插一些码元,从而达到在接收端进行判错和纠错的目的,这就是我们常常说的开销。这就好象我们运送一批玻璃杯一样,为了保证运送途中不出现打烂玻璃杯的情况,我们通常都用一些泡沫或海棉等物将玻璃杯包装起来,这种包装使玻璃杯所占的容积变大,原来一部车能装5000个玻璃杯的,包装后就只能装4000个了,显然包装的代价使运送玻璃杯的有效个数减少了。
    在带宽固定的信道中,总的传送码率也是固定的,由于信道编码增加了数据量,其结果只能是以降低传送有用信息码率为代价了。将有用比特数除以总比特数就等于编码效率了,不同的编码方式,其编码效率有所不同。

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  • 5G信道编码之争

    2020-08-16 15:44:50
    2019年华为技术再次突围,中国有一次掀起5G...信道编码是为了降低误码率和提高数字通信的可靠性而采取的编码。 信道编码是如何检出和校正接收比特流中的差错呢?通过加入一些冗余比特,把几个比特上携带的信息扩散到

    2019年华为技术再次突围,中国有一次掀起5G热潮。时间回到2016年,让我们去看看当年精彩的5G信道编码之争。

    什么是信道编码?

    在移动通信中,由于存在干扰衰落,信号在传输过程中会出现差错。所以需要对数字信号采用纠、检错编码技术,以增强数据在信道中传输时抗干扰的能力,提高系统的可靠性。对要在信道中传送的数字信号进行的纠、检错编码就是信道编码。信道编码是为了降低误码率和提高数字通信的可靠性而采取的编码。

    信道编码是如何检出和校正接收比特流中的差错呢?通过加入一些冗余比特,把几个比特上携带的信息扩散到更多的比特上。只是这样就必须传送比该信息所需要的更多的比特。传统的信号编码有汉明码、BCH码、RS码和卷积码。目前应用较广的有Turbo码,以及5G即将使用的LDPC码,还有具有应用潜力的Polar码等。不同的信道编码,其编译码方法也有所不同,性能也有所差异。

    20161010-14的葡萄牙里斯本会议举行了5G编码的第一次编码投票。经过世界各大公司的角逐,最终于全票通过了长码用LDPC作为唯一的数据信道编码,但是短码选择是LDPC还是Polar,一时没达成共识。

    信道编码技术的“三权争霸”

    5G 通信中候选的信道编码技术主要有LDPC码、Turbo码、Polar码,下面来为大家介绍一下各方阵营:

    LDPC:代表的阵营有高通、NOKIAIntel和三星;
    Turbo:代表的阵营有Orange和爱立信;
    Polar:代表的阵营有华为

    美国以高通领队,法国派出了最强团队(94年 Turbo 元老级 Claude Berrou 团队),中国则以华为为首。这其实就是一场美、欧、中三方的通信标准之争。

    在这场5G信道编码之争中,LDPC码阵营认为,Turbo码译码时延大,不适用于5G高速率、低时延应用场景;Turbo码阵营反驳,Turbo码已使用于3G、4G,在应用中不断改进的Turbo码是能够满足5G极端场景的;Polar码弱势在于目前还没有得到大规模的应用与采纳。

    经过世界各大公司,高通,英特尔,三星,苹果,阿里巴巴,中兴,联想等公司的不断切磋,和几百份提案与无数次讨论之后。于2016年11月14日-18日的美国Reno会议成为了华为的关键。这次会议,最终决定使用LDPC作为数据信道编码(即长码编码),Polar码成为控制信道编码(即短码编码)。我们将在后续文章中为大家进一步解析LDPC码、Turbo码与Polar码的技术细节。

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  • 信道编码流程

    千次阅读 2018-02-06 22:29:30
    第一步很简单,仅仅在TB后面加上24bits校验比特 第二步分割加CRC的TB,这里问题就来了,TB为...第三步turbo coding,turbo coding的编码效率1/3,一个输入,3个输出 第4步速率匹配,将turbo codin

    第一步很简单,仅仅是在TB后面加上24bits校验比特


    第二步是分割加CRC的TB,这里问题就来了,TB为什么要分割?因为TB太大了,那什么样的TB是大的呢?LTE协议上规定是6144bits,分割成CB(code block)


    第三步是turbo coding,turbo coding的编码效率是1/3,一个输入,3个输出


    第4步是速率匹配,将turbo coding的3个再变成一个,怎么将3个变成1个呢?交织呢还是其他方式呢?


    为了更好了解速率匹配,请看下面的图:




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  • 什么是信道纠错编码?先看一个例子,在发送端发送的数据1,1,0,1。但是在接收端接收到的数据1,0,0,1。可以看出第二位错了,那怎么办呢,在发送的数据后面再加几位,比如发送的数据为1,1,0,1,1,1,0。这...
  • 什么采用信道编码可以不断地逼近啊香农容量。香农容量指无误传输的最大速率。采用信道编码,虽然有误,但是在接收端可以自我修正。这种自我修正的能力信道容量更加容易逼近。
  • 0x1:什么是通信 当我们说“A与B通信”时,我们本质意思在说A的物理行为使B产生一种需要的物理状态。信息的传输一个物理过程,因此,必然受到无法控制的周边噪声以及信号处理本身缺陷的影响。如果接受者B与传输...
  • 信道编码算法的发展和应用

    千次阅读 2018-11-23 14:15:01
    一、什么是信道编码算法  由于无线信号敏感而脆弱的,易受干扰、弱覆盖等影响,发送的数据和接收到的数据有时候会不一致,比如手机发送的1 0 0 1 0,而基站接收到的却1 1 0 1 0,为了纠错,无线通信系统就引入...
  • 我的毕设如题,主要是不知道有哪些常用的信道编码模型,在gui中的模型是什么样子,任务书中的要求是建立常见的几种信道编码技术演示模型,实现这几种信道编码技术演示内容的切换与演示,可以实时修改实验参数,能够...
  • 信道编码之差错控制原理

    千次阅读 2018-06-22 21:28:02
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  • 冗余,了,但是始终缺乏定量的分析和严格的证明,越来越晕,一直不愿意看着逻辑性不同的信道编码了。 然后从信息论开始学起,慢慢地对简单信道(DMC)有了比较定量的理解,然后终于或多或少地明确了其中的线索。 ...
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  • 差错控制编码,差错控制编码工作原理是什么差错控制编码也称为纠错编码。在实际信道上传输数字信号时,由于信道传输特性不理想及加性噪声的影响,接收端所收到的数字信号不可避免地会发生...此时则必须采用信道编码(...
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