1、移動(dòng)通信中糾錯(cuò)編碼技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展（一）摘要：移動(dòng)通信系統(tǒng)采取了多種行之有效的關(guān)鍵技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)抗衰落和干擾的能力， 糾錯(cuò)編碼即是其中一種。本文主要介紹了在幾代移動(dòng)通信系統(tǒng)中所使用的不同的糾錯(cuò)編碼， 旨在闡明糾錯(cuò)編碼技術(shù)的基本原理及其重要作用。一、引言移動(dòng)通信的發(fā)展日新月異，從1978年第一代模擬蜂窩通信系統(tǒng)誕生至今，不過(guò)20多 年的時(shí)間，就已經(jīng)過(guò)三代的演變，成為擁有10億多用戶的全球電信業(yè)最活躍、最具發(fā)展?jié)?力的業(yè)務(wù)。尤其是進(jìn)幾年來(lái)，隨著第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）的漸行漸近，以及各國(guó)政府、 運(yùn)營(yíng)商和制造商等各方面為之而投入的大量人力物力移動(dòng)通信又一次地在電信業(yè)乃至全社 會(huì)掀起了滾滾熱潮。雖然

2、目前由于全球電信業(yè)的低迷以及3G系統(tǒng)自身存在的一些問(wèn)題尚未 完全解決等因素，3G業(yè)務(wù)的全面推行并不象計(jì)劃中的順利，但新一代移動(dòng)通信網(wǎng)的到來(lái) 必是大勢(shì)所趨。因此，人們對(duì)新的移動(dòng)通信技術(shù)的研究的熱情始終未減。移動(dòng)通信的強(qiáng)大魅力之所在就是它能為人們提供了固話所不及的靈活、機(jī)動(dòng)、高效的通 信方式，非常適合信息社會(huì)發(fā)展的需要。但同時(shí)，這也使移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究、開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn) 比有線通信系統(tǒng)更復(fù)雜、更困難。實(shí)際上，移動(dòng)無(wú)線信道是通信中最惡劣、最難預(yù)測(cè)的通信 信道之一。由于無(wú)線電波傳輸不僅會(huì)隨著傳播距離的增加而造成能量損耗，并且會(huì)因?yàn)槎鄰?效應(yīng)、多普勒頻移和陰影效應(yīng)等的影響而使信號(hào)快速衰落，碼間干擾和信號(hào)失真嚴(yán)

3、重，從而 極大地影響了通信質(zhì)量。為了解決這些問(wèn)題，人們不斷地研究和尋找多種先進(jìn)的通信技術(shù)以提高移動(dòng)通信的性 能。特別是數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)出現(xiàn)后，促進(jìn)了各種數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)如多址技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、糾錯(cuò)編碼、分集技術(shù)、智能天線、軟件無(wú)線電等的發(fā)展。本文將主要關(guān)注在幾代移動(dòng)通信系 統(tǒng)中所使用的不同的糾錯(cuò)編碼技術(shù)，以展示糾錯(cuò)編碼在現(xiàn)代數(shù)字通信中的重要作用。二、糾錯(cuò)編碼基礎(chǔ)知識(shí)1948年，香農(nóng)(Shannon)在他那篇著名的論文通信的數(shù)學(xué)理論中提出并證明了： 對(duì)于一個(gè)信道容量為C的有擾信道，消息源產(chǎn)生信息的速率為R，只要RC，則不存在編譯碼方式來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)誤傳輸。 這一結(jié)論為信道編碼指出了方向，但它僅是一個(gè)存在

4、性定理，并未給出怎樣去尋找這種性能 優(yōu)良的碼。近50年來(lái)，在信息技術(shù)發(fā)展和實(shí)際需要的不斷推動(dòng)下，人們一直在尋求實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度合 理的更優(yōu)秀的編譯碼方法，去逼近Shannon理論的理想界限。令人鼓舞的是，在這個(gè)過(guò)程 中，已經(jīng)取得了許多偉大的進(jìn)展，從早期的分組碼、代數(shù)碼，到RS碼，到后來(lái)的卷積碼，以 及今天的Turbo ,LDPC碼，所能達(dá)到的性能和Shannon限間的距離被不斷縮小。這些方 法也已經(jīng)投入到多個(gè)領(lǐng)域的商用中，如衛(wèi)星通信和深空通信，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)傳輸，移動(dòng)通 信，數(shù)字音頻和視頻傳輸?shù)?。下面，我們將著重關(guān)注移動(dòng)通信系統(tǒng)，特別是數(shù)字移動(dòng)通信系 統(tǒng)中，糾錯(cuò)編碼技術(shù)的應(yīng)用情況。三、移動(dòng)通信中糾錯(cuò)

5、編碼的應(yīng)用和發(fā)展如前所述，移動(dòng)信道的惡劣性使接收信號(hào)展現(xiàn)出非常差的錯(cuò)誤率(5-10% )，迫使譯 碼器在非常低的信噪比下工作。另一方面，頻帶是移動(dòng)通信系統(tǒng)寶貴而緊張的資源，尤 其是在用戶密集的鬧市區(qū)和室內(nèi)通信系統(tǒng)里。為此，對(duì)編譯碼器的設(shè)計(jì)就提出了較高要求， 驅(qū)使譯碼要充分用到所有已知的信號(hào)特點(diǎn)，如信道狀態(tài)信息、級(jí)聯(lián)、交織和軟判決等；而且， 會(huì)占用帶寬的信息冗余必須謹(jǐn)慎使用。但同時(shí)，數(shù)字電路技術(shù)的快速發(fā)展也提高了復(fù)雜 度較高的糾錯(cuò)編碼的可行性。.模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)中數(shù)字信令的BCH編碼模擬蜂窩系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)信道主要是傳輸模擬FM電話以及少量模擬信令，因此未應(yīng)用數(shù) 字處理技術(shù)。而控制信道均傳輸數(shù)字信令

6、，并進(jìn)行了數(shù)字調(diào)制和糾錯(cuò)編碼。以英國(guó)系統(tǒng)為例， 采用FSK調(diào)制，傳輸速率為8kb/s?；静捎玫氖荁CH ( 40,28 )編碼，漢明距離d = 5, 具有糾正2位隨機(jī)錯(cuò)碼的能力。之后重發(fā)5次，以提高抗衰落、抗干擾能力；移動(dòng)臺(tái)采用 了 BCH ( 48 , 36 )進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，漢明距離d =5，可糾正2個(gè)隨機(jī)差錯(cuò)或糾正1個(gè)及檢 測(cè)2個(gè)差錯(cuò),然后也是重復(fù)5次發(fā)送。上述糾錯(cuò)編碼是提高數(shù)字信令傳輸可靠性必需的，也 是行之有效的。. GSM的FEC編碼GSM系統(tǒng)仍是目前使用最廣泛的移動(dòng)通信系統(tǒng)，也是糾錯(cuò)編碼最重要的應(yīng)用之一。GSM標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)使用多種FEC編碼，包括BCH編碼，F(xiàn)IRE碼，C

7、RC碼(錯(cuò)誤檢測(cè)，碼同步和接入，數(shù)據(jù)信道)。這些碼都作為級(jí)聯(lián)碼的外碼，我們這里主要側(cè)重于級(jí)聯(lián) 碼的內(nèi)碼方案，最初用于全速率語(yǔ)音業(yè)務(wù)信道。語(yǔ)音編碼后的13kb/s信息，一個(gè)時(shí)隙20ms 包括260bit，分成三個(gè)敏感類：78bit對(duì)錯(cuò)誤不敏感類不加編碼保護(hù)；50bit特別敏感類加 3bit奇偶校驗(yàn)，4bit格圖終結(jié)尾比特,與其余的132bit，一共189bit用(2，1，5)的非系 統(tǒng)卷積碼進(jìn)行編碼。所以一共有378bit，加上未編碼78bit，-共456bit，每20ms，總 的速率為22.8。再加上相鄰另外1個(gè)語(yǔ)音編碼塊的456bit 一起，每組各占57bit*2進(jìn)行 (8*114 )交織，

8、分布到TDMA的8個(gè)突發(fā)中，在移動(dòng)信道中使用GMSK調(diào)制。這些突發(fā) 里還包括2bit業(yè)務(wù)/控制標(biāo)識(shí)比特，6bit尾比特,8.25bit保護(hù)比特，還有26bit訓(xùn)練序列， 提供給接收端的使用Viterbi算法的MMSE均衡器輸出每塊456軟或硬判決值。如果按GSM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用了跳頻，那么我們可合理將信道視為統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的Rayleigh 信道。這種情況下，如果使用CSI和軟值，r=1/2的編碼可得到3.1dB的增益。3 .窄帶CDMA系統(tǒng)(IS-95)中的FEC編碼CDMA系統(tǒng)是個(gè)自干擾的系統(tǒng)，因此FEC編碼在對(duì)抗多用戶干擾(MUI)和多徑衰落 非常重要。CDMA (IS-95 )系統(tǒng)的糾錯(cuò)編碼是分

9、別按反向鏈路和前向鏈路來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的， 主要包括卷積編碼、交織、CRC校驗(yàn)等?，F(xiàn)分述如下：前向鏈路中除導(dǎo)頻信道外，同步信道、尋呼信道和前向業(yè)務(wù)信道中的信息在傳輸前都要 先進(jìn)行:2 ,1 ,9的卷積編碼 卷積碼的生成函數(shù)為go=( 111101011和g1=( 101110001); 接著，同步信道的符號(hào)流要經(jīng)過(guò)1次重發(fā)，然后進(jìn)行16*8的塊交織；業(yè)務(wù)和尋呼信道的速 率為4.8kbps/2.4kbps/1.2kbps符號(hào)流，分別進(jìn)行1/3/7次重發(fā)(9.6kbps數(shù)據(jù)流不必重 發(fā)），然后再進(jìn)行24*16的塊交織。反向鏈路包括業(yè)務(wù)信道和接入信道，考慮到移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)傳播環(huán)境，增加編碼長(zhǎng)度，對(duì) 信息進(jìn)行

10、（3，1，9）的卷積碼。其生成函數(shù)為：g0二（101101111），g1二（ 110110011） 和g2=（ 111001001）。然后，接入信道經(jīng)過(guò)一次重發(fā)后，進(jìn)行32*18交織；反向業(yè)務(wù)信 道以同前向一樣的方式進(jìn)行重發(fā)，再進(jìn)行32*18的交織。如果整體考慮糾錯(cuò)編碼和擴(kuò)頻調(diào)制，則可把擴(kuò)頻看作內(nèi)碼，而信道編碼視作外碼。以后 向鏈路為例，編碼交織后是64階正交Walsh函數(shù)擴(kuò)頻，然后是被周期為2-1的長(zhǎng)碼直接 序列擴(kuò)頻。接收端經(jīng)相干或不相干Rake接受機(jī)進(jìn)行分集接收后，系統(tǒng)碼字（信息比特）就可以用 相關(guān)的最大值或相關(guān)矢量的最大值表示。接著送到解交織器和外部SOVAViterbi譯碼器。4.3G

11、中的Turbo碼3G與2G最重要的不同是要提供更高速率、更多形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，所以對(duì)其中的糾錯(cuò) 編碼體制提出了更高的要求（數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的差錯(cuò)率要小于10 ）。語(yǔ)音和短消息等業(yè)務(wù)仍然采 用與GSM和CDMA相似的卷積碼，而對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)3GPP協(xié)議中已經(jīng)確定Turbo碼為其 糾錯(cuò)編碼方案。Turbo碼又叫并行級(jí)聯(lián)卷積碼，由Berrou,Glavieux和Thtimajshima1993年首次提出。Turbo碼編碼器通過(guò)交織器把兩個(gè)遞歸系統(tǒng)卷積碼并行級(jí)聯(lián)，譯碼器在兩個(gè)分量碼譯 碼器之間進(jìn)行迭代譯碼，譯碼之間傳遞去掉正反饋的外信息，整個(gè)譯碼過(guò)程類似渦輪(turbo)工作，所以又形象的稱為Turbo碼。編碼器的輸出端包括信息位和兩個(gè)校驗(yàn)位，這樣代表編碼速率1/3。輪流刪除兩個(gè)校驗(yàn) 位就可以得到碼率是1/2的碼。用不同的校驗(yàn)位生成器或者不同的刪除方式就可以得到各 種不同速率的Turbo碼。偽隨機(jī)交織器對(duì)信息系列進(jìn)入第二個(gè)校驗(yàn)位生成器之前進(jìn)行了重 排列。迭代譯碼是Turbo碼性能優(yōu)異的一個(gè)關(guān)鍵因素，如上圖所示，DEC1和DEC2分量 譯碼器分別采用MAP或者SO