1、。關(guān)于信道編碼基本知識的培訓(xùn)講義信道編碼，也稱為差錯控制編碼，是所有現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基石。幾十年來，信道編碼技術(shù)已經(jīng)接近香農(nóng)極限，將人類通信推向一個又一個高峰。隨著5G的到來，我們能突破自我，創(chuàng)造另一個交流奇跡嗎？所謂信道編碼是在發(fā)送端將冗余信息添加到與原始數(shù)據(jù)相關(guān)的原始數(shù)據(jù)中，然后根據(jù)這種相關(guān)性在接收端檢測和糾正傳輸過程中產(chǎn)生的錯誤。這些添加的冗余信息是糾錯碼，用于對抗傳輸過程中的干擾。1948年，現(xiàn)代信息論的創(chuàng)始人香農(nóng)發(fā)表了通信的數(shù)學(xué)理論，標(biāo)志著信息和編碼理論學(xué)科的建立。根據(jù)香農(nóng)理論，在具有一定帶寬和噪聲的信道中可靠地傳輸信號的方法不超過兩種：增加信噪比或在信號編碼中添加附加的糾錯碼。就像在

2、嘈雜的酒吧里，當(dāng)你喝完酒后，你仍然想要一打。如果你想讓服務(wù)員聽到你的話，你必須提高你的聲音(信噪比)并重復(fù)呼喊(額外的多余信號)。然而，香農(nóng)指出，在信息傳輸速率不大于信道容量的前提下，可以通過差錯控制碼實現(xiàn)可靠通信，但沒有給出實現(xiàn)差錯控制編碼的具體方法。人類在信道編碼方面的第一次突破發(fā)生在1949年。漢明和戈雷提出了第一個實用的差錯控制編碼方案。貝爾實驗室雇傭的數(shù)學(xué)家漢明將輸入數(shù)據(jù)每4位分組，然后計算這些信息位的線性組合，得到3個校驗位，然后將得到的7位發(fā)送給計算機。計算機按照一定的原則讀取這些代碼字。通過采用一定的算法，它不僅可以檢測是否有錯誤，而且可以找到發(fā)生單個比特錯誤的比特位置。該代碼

3、可以糾正7位的單個位錯誤。這種編碼方法是分組碼的基本思想。漢明的編碼方案后來被命名為漢明碼。漢明碼的編碼效率相對較低。每4位編碼需要3位冗余校驗位。此外，在一個代碼組中只能糾正一個位錯誤。戈萊老師研究了漢明碼的缺點，提出了戈萊碼。格雷碼分為二進(jìn)制格雷碼和三進(jìn)制格雷碼。前者將每12個信息比特分成一組并編碼以產(chǎn)生11個冗余校驗位。相應(yīng)的解碼算法可以糾正3個錯誤。后者對三進(jìn)制數(shù)而不是二進(jìn)制數(shù)起作用。三進(jìn)制戈萊碼將每6個三進(jìn)制符號分成一組，并編碼生成5個冗余校驗三進(jìn)制符號。因此，由11個三進(jìn)制符號組成的三進(jìn)制格雷碼字可以糾正2個錯誤。在美國宇航局的航海家1 1號中，戈雷代碼被用來帶回數(shù)百張木星和土星的

4、彩色照片。在接下來的10年里，無線通信性能得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，這主要歸功于卷積碼的發(fā)明。卷積碼是由埃利亞斯在1955年提出的。卷積碼不同于分組碼，因為它們充分利用了各種信息塊之間的相關(guān)性。卷積碼通常被稱為(N，k，N)碼。卷積碼的編碼過程是連續(xù)的。每K個信息元素被連續(xù)輸入編碼器以獲得N個符號。所獲得的符號中的校驗元素不僅與代碼的信息元素相關(guān)，還與先前輸入編碼器的信息元素(反映在編碼寄存器的內(nèi)容中)相關(guān)。同樣，在卷積碼的解碼過程中，不僅要從該碼中提取解碼信息，還要充分利用前后接收到的代碼組。從這些代碼組中提取與解碼相關(guān)的信息，并且可以連續(xù)執(zhí)行解碼，從而可以確保卷積碼的解碼延遲相對較小。通常，在

5、相同的系統(tǒng)條件下，當(dāng)達(dá)到相同的解碼性能時，卷積碼的信息塊長度和碼字長度小于分組碼的信息塊長度和碼字長度，相應(yīng)的解碼復(fù)雜度也較小。顯然，在不到10年的時間里，通信編碼技術(shù)的發(fā)展一直是一個飛躍，直到遇到一個瓶頸。根據(jù)香農(nóng)的前任的指示，為了提高信號編碼效率和達(dá)到信道容量，有必要使編碼段盡可能長，并使信息編碼盡可能隨機。然而，由此帶來的困難是計算機科學(xué)中經(jīng)常遇到的“計算復(fù)雜性”問題。幸運的是，這個世界上有一個神奇的摩爾定律。由于摩爾定律，編碼技術(shù)在一定程度上解決了計算復(fù)雜性和功耗問題。遵循摩爾定律，維特比在1967年提出了維特比解碼算法。維特比譯碼算法提出后，卷積碼在通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，如GS

6、M、IS-95 CDMA、3G、商用衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。然而，計算復(fù)雜性仍然是一堵無法逾越的墻。盡管在分組碼和卷積碼等基本編碼方法的基礎(chǔ)上提出了許多簡化解碼復(fù)雜度的方法，但由于計算復(fù)雜度極高，這些方法已變得不可逾越。編碼專家正在努力思考，并試圖在可接受的計算復(fù)雜度下設(shè)計代碼和算法來提高效率，但是增益總是比香農(nóng)的理論極限低23dB。直到1993年，在日內(nèi)瓦舉行的IEEE國際通信會議上，兩位當(dāng)時鮮為人知的法國電氣工程師貝魯和格拉維約聲稱他們發(fā)明了一種編碼方法，可以使信道編碼效率接近香農(nóng)極限?？藙诘仑愻?，帥呆了！這個消息太“聳人聽聞”了，因為幾乎所有的專家都認(rèn)為這兩個“木棒”是來搗亂的。這么多數(shù)學(xué)家都沒

7、能突破，你們兩個小角色敢自稱接近香農(nóng)極限嗎？你不想惹麻煩嗎？計算中一定有錯誤。許多專家甚至懶得看完這篇論文。事實上，這兩個法國兄弟可能不太擅長數(shù)學(xué)。他們沒有試圖在數(shù)學(xué)上找到突破，所以他們的論文在會上被懷疑和忽視也就不足為奇了。然而，專家們忽略了一個問題?；陔姎夤こ處煹慕?jīng)驗，他們發(fā)現(xiàn)電子學(xué)中經(jīng)常使用的反饋概念似乎被數(shù)學(xué)家忽略了。也許反饋可以使我們繞過計算復(fù)雜性的問題，所以他們設(shè)計了一套新的方法。首先，他們放棄了“純”數(shù)字化的概念。在典型的數(shù)字化方法中，總是首先將某個級別設(shè)置為閾值。如果信號電平高于這個閾值，它將被判斷為“1”，如果它較低，它將被判斷為“0”。在Turbo碼解碼過程中，特定比特的

8、電平被量化成整數(shù)，例如從-127到127。它的值用作置信度的量度，以判斷該位是“1”還是“0”(例如，-110表示該位很可能是“0”，40表示該位可能是“1”，但不確定)。其次，與其他系統(tǒng)不同，Turbo碼系統(tǒng)在發(fā)送端和接收端分別有兩個編碼器和解碼器。一對編解碼器向特定的比特流段添加并檢查奇偶校驗碼，而另一對編解碼器在交織干擾之后對同一比特流段執(zhí)行相同的操作。渦輪編碼器結(jié)構(gòu)。Turbo碼編碼器由兩個或多個反饋系統(tǒng)卷積碼編碼器通過隨機交織器并行連接而成，編碼后的校驗位通過刪余矩陣生成不同碼率的碼字。由于這兩個碼流包含相同的數(shù)據(jù)，如果沒有信道噪聲，解碼結(jié)果應(yīng)該一致。然而，在噪聲干擾下，兩組的結(jié)果會

9、有所不同。借助于上述用于比特判定的置信度信息，可以通過將兩組結(jié)果相互參照來獲得第一近似結(jié)果。這個結(jié)果被“反饋”到解碼器的前端，并且兩個解碼器的結(jié)果將在幾次迭代之后彼此接近(收斂)。這繞過了計算復(fù)雜性的問題。Turbo碼解碼器有兩個分量碼解碼器。解碼是在兩個分量解碼器之間迭代執(zhí)行的，因此整個解碼過程類似于turbo運算，因此也形象地稱為turbo碼。當(dāng)然，這也是要付出代價的。由于迭代解碼，延遲將不可避免地發(fā)生。因此，當(dāng)實時性要求非常高時，Turbo碼的直接應(yīng)用將受到限制。接下來，編碼專家打破了眼鏡。令人難以置信的是，當(dāng)其他小組驗證了兩個法國兄弟的計劃時，他們證明了結(jié)論是正確的?，F(xiàn)在人們在談?wù)撆c香

10、農(nóng)極限相差0.1分貝或0.01分貝。通信編碼歷史上的革命時代已經(jīng)到來！兩位鮮為人知的電氣工程師無視科學(xué)權(quán)威認(rèn)可的各種“極限”，在一片嘲笑聲中以新的方式突破了理論障礙。起初，Turbo碼只在一些特殊的場合使用，比如衛(wèi)星鏈路。后來，研究人員將其擴展到數(shù)字音頻和視頻廣播。隨后，Turbo碼成為通信研究的前沿，世界各地的主要公司都專注于這一領(lǐng)域，包括法國電信、NTT、DoCoMo、索尼、NEC、朗訊、三星、愛立信、諾基亞、摩托羅拉和高通。Turbo碼已經(jīng)成為本世紀(jì)初開始的3G/4G移動通信技術(shù)的核心。直到今天，4.5G仍在使用?，F(xiàn)在，編碼專家們松了口氣，終于解決了這個棘手的問題。與此同時，他們都嘆了口

11、氣，因為這接近香農(nóng)的極限，似乎很難在這一領(lǐng)域突破。下班后，回家?guī)Ш⒆?。然而，?999年，另一件有趣的事情發(fā)生在編碼領(lǐng)域。人們重新燃起了對LDPC的興趣，盡管它已經(jīng)被遺忘了幾十年。LDPC(低密度奇偶校驗)，即低密度奇偶校驗碼。它是加拉格爾在1962年提出的，但后來被遺忘了。直到Turbo碼被提出，人們才從某個角度發(fā)現(xiàn)Turbo碼也是LDPC碼。另一件有趣的事情是，LDPC碼發(fā)明得更早，它的基本專利在1999年到期，而Turbo碼直到2013年才到期。LDPC利用校驗矩陣的稀疏性，使得解碼復(fù)雜度僅與碼長線性相關(guān)。LDPC在長碼長的情況下仍能有效解碼，因此它有一個更簡單的解碼算法。通過對LDPC

12、碼的重新研究，發(fā)現(xiàn)LDPC碼在接近香農(nóng)限方面與Turbo碼具有相同的性能。新的研究結(jié)果表明，實驗中發(fā)現(xiàn)的最佳LDPC碼的極限性能與香農(nóng)理論極限僅相差0.0045分貝。然后，LDPC在IEEE 802.11n和802.16技術(shù)提案中被熱烈討論。S2也決定用LDPC取代渦輪碼。有人認(rèn)為LDPC是最終的糾錯編碼，并有可能成為未來的主流編碼技術(shù)。因此，關(guān)于Turbo碼和LDPC碼的爭論已經(jīng)開始。隨著5G標(biāo)準(zhǔn)化的到來，Turbo碼和LDPC碼就像拳擊場上的兩個重量級拳擊手，都聲稱自己是贏家，但裁判的終場哨聲并未響起。裁判頭疼。這場比賽很難得分。因為，有爭論的原因僅僅是為了證明未來誰更適合5G用例？誰能更

13、好地滿足新的技術(shù)要求？眾所周知，2G應(yīng)用場景是語音和低速數(shù)據(jù)服務(wù)，而3G和4G應(yīng)用場景是語音和高速數(shù)據(jù)服務(wù)?？梢钥隙ǖ氖?，Turbo碼和LDPC碼可以滿足3/4G甚至4.5G的使用情況。5G用例怎么樣？這個市場還沒有出現(xiàn)，而且還有很多。渦輪碼和LDPC碼都不能決定誰是最佳選擇。此外，由于它們各自的優(yōu)點和缺點，覆蓋所有5G應(yīng)用是不現(xiàn)實的。就在Turbo碼和LDPC碼在進(jìn)行拳擊比賽時，極地碼沖進(jìn)了拳擊場，成為了一項摔跤運動。幸運的是，隨著編碼技術(shù)不斷打破記錄并讓我們吃驚，編碼領(lǐng)域的另一項令人興奮的研究已經(jīng)浮出水面。2007年，土耳其伯肯大學(xué)的阿里坎教授提出了一種基于信道極化理論的線性信道編碼方法，

14、即極坐標(biāo)編碼。碼字是目前發(fā)現(xiàn)的唯一能夠達(dá)到香農(nóng)極限且編碼復(fù)雜度較低的編碼方法。當(dāng)編碼長度為n時，復(fù)雜度為0(NlogN)。埃爾達(dá)爾阿爾坎(右)極碼的理論基礎(chǔ)是信道極化。信道極化包括信道組合和信道分解。當(dāng)組合信道的數(shù)量趨于無窮大時，會出現(xiàn)極化現(xiàn)象：一些信道趨向于無噪聲信道，而另一些信道趨向于全噪聲信道，這就是信道極化現(xiàn)象。無噪聲信道的傳輸速率將達(dá)到信道容量I (W)，而全噪聲信道的傳輸速率將趨于零。極坐標(biāo)編碼的編碼策略正是應(yīng)用了這一現(xiàn)象的特點，使用無噪聲信道來傳輸用戶的有用信息，使用全噪聲信道來傳輸同意信息或不同意信息。這就像一個班級的學(xué)生。如果他們上學(xué)的時間足夠長，大多數(shù)貧困學(xué)生將會跌到谷底，

15、大多數(shù)好學(xué)生將會飛向云端。然后，他們會拋棄那些學(xué)生。極坐標(biāo)碼比Turbo碼和LDPC碼更接近信道容量。極坐標(biāo)碼可以確保在任何情況下5G的高性能通信?？鋸埖卣f，如果不考慮系統(tǒng)設(shè)計問題，編碼技術(shù)的歷史應(yīng)該在這里結(jié)束，在極坐標(biāo)編碼的手中結(jié)束。然而，編碼和解碼的復(fù)雜性是極坐標(biāo)的問題。然而，當(dāng)使用改進(jìn)的SCL(連續(xù)消除列表)解碼算法時，它可以以較低的復(fù)雜度接近最大似然解碼的性能。關(guān)鍵是極坐標(biāo)代碼仍然太年輕，發(fā)明相對較晚。與Turbo碼和LDPC碼不同，許多研究仍然是基于理論的，后者在實際場景中得到了廣泛的應(yīng)用。只有等待時間才能告訴我們極坐標(biāo)編碼是否是5G信道編碼之王?；仡櫺诺谰幋a的歷史，它是宏偉的。在短

16、短幾十年內(nèi)，關(guān)鍵技術(shù)的歷史性突破創(chuàng)造了今天的人類交流奇跡。當(dāng)5G到來時，更令人興奮的是我們已經(jīng)看到了各種優(yōu)秀編碼技術(shù)的出現(xiàn)。毫不夸張地說，這是信道編碼技術(shù)的文藝復(fù)興時期。然而，不僅僅是頻道編碼開啟了文藝復(fù)興的大門。5G將激發(fā)無線行業(yè)前所未有的創(chuàng)新活力。2017年2月7日，編輯分享了649條評論。感謝您擱置鄧肯張4G長期演進(jìn)的話題。兩位優(yōu)秀的受訪者一致認(rèn)為，這個問題適合從事學(xué)術(shù)研究的人。在實際的工程標(biāo)準(zhǔn)中，以LTE為例，數(shù)據(jù)平面基本上是Turbo碼?？刂破矫媸褂靡恍┗匦?，除非標(biāo)準(zhǔn)有重大改變或特別優(yōu)秀的新技術(shù)和理論，否則不會再移動。我可能忽略了一點，那就是，如果無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)有很大的變化(你是指無線網(wǎng)絡(luò)，對嗎？)，例如，中繼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在R-10中，并且無線系統(tǒng)正從點對多點的PtoMP結(jié)構(gòu)逐漸改變?yōu)镸PTP OMP多點