呂沛

【摘要】伴隨著移動通信的飛速發(fā)展，自20世紀80年代開始，具有高頻帶有效性的抗干擾方案大量涌現(xiàn)，并且功率有效性性能還在不斷地向香農(nóng)限逼近，網(wǎng)格編碼的思想同高階調(diào)制相結(jié)合不斷發(fā)展。另外，最具有歷史意義的是1993年在世界著名的IEEE國際通信會議上C.Barrou發(fā)表的關于Turbo碼的論文。論文給出的Turbo碼結(jié)構及其在BPSK下幾乎可達到香農(nóng)限的性能更讓世人震驚。

【關鍵詞】抗干擾方案編碼

目前，信道編碼和交織技術已被成功地應用于第二代移動通信系統(tǒng)中，但第二代移動通信系統(tǒng)只提供話音業(yè)務和低速數(shù)據(jù)業(yè)務，因而導致相應的信道編碼單一。相比較之下，第三代移動通信系統(tǒng)能提供更為豐富的業(yè)務種類，并且能改善原由第二代業(yè)務的質(zhì)量，這就對通信系統(tǒng)提出了更高的要求。

一、背景

本論文主要以第三代以及未來移動通信系統(tǒng)需求為背景，介紹當前以及未來移動通信普遍關注的高效信道編碼譯碼技術，其中包括已被3GPP采用的Turbo碼技術和目前受到普遍關注的Turbo乘積碼（TPC）和低密度校驗碼（LDPC）碼技術。

二、高效信道編碼技術

信道編碼技術是移動通信中提高系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)可靠性的有效方法，使接收機能夠檢測和糾正傳輸媒介帶來的信號誤差。在第二代移動通信系統(tǒng)中應用卷積碼和交織，對保證話音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務的業(yè)務質(zhì)量取得了很好的效果。第三代系統(tǒng)與第二代相比，需要提供的業(yè)務種類大大增加，對信道編碼有更高的要求。

在第三代移動通信系統(tǒng)中，GSM與IS-95中主要采用卷積碼，F(xiàn)ire碼以及卷積與RS的級聯(lián)碼。在第三代移動通信系統(tǒng)中，采用的信道編碼類型主要有兩種：卷積碼，Turbo碼。

在未來移動通信系統(tǒng)中，卷積編碼仍可以作為實時話音業(yè)務的一種侯選方案，而Turbo碼仍可以作為非實時高速數(shù)據(jù)業(yè)務的一種侯選方案。研究表明，在非規(guī)則圖上構造的基于GF（q）域上的LDPC碼性能要好于Turbo碼。LDPC碼可以通過增加碼字長度，同時采用優(yōu)化的譯碼實現(xiàn)，所以它也是可能應用與未來移動通信系統(tǒng)的非實時高速數(shù)據(jù)業(yè)務的信道編碼侯選方案。

Turbo碼，又稱并行級聯(lián)卷積碼（PCCC），是由C.Berrou等在ICC93會議上提出的。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。Turbo碼的發(fā)現(xiàn)，標志著信道編碼理論與技術的研究進入了一個嶄新的階段，結(jié)束了長期將信道截止速率作為實際容量的歷史。

LDPC碼是Low-Density Parity-Check Codes的簡稱，中文譯名為低密度校驗碼。它是Gallager于1963年提出的，所以也叫Gallager碼。近幾年，人們認識到LDPC碼所具有的優(yōu)越性能及其巨大的實用價值，所以繼Turbo碼之后，LDPC碼成為近年來編碼理論界的又一研究熱點。研究表明，利用置信傳播算法，LDPC碼能夠以較低的硬件復雜度實現(xiàn)近香農(nóng)限的譯碼性能。

Turbo碼是應用在UMTS系統(tǒng)中的新的糾錯編碼技術。其糾錯性能優(yōu)于卷積編碼，但是解碼復雜度較高，而且編碼時延較大，適用于對時延要求不高但速率較高的數(shù)據(jù)業(yè)務。另外，Turbo碼的理論分析困難。至今尚未有對Turbo碼譯碼器誤碼率的完整理論分析和估計，一般是通過仿真模擬其性能。

LDPC碼相對于Turbo碼來說，有以下優(yōu)點：（1）LDPC碼的譯碼復雜度較Turbo碼低；并且由于LDPC碼譯碼算法中一次譯碼迭代的計算復雜度遠比Turbo碼譯碼算法中一次譯碼迭代的計算復雜度低，因此可以通過改變最大迭代次數(shù)來獲得“復雜度-性能”的最家折衷。此外，LDPC碼置信傳播（BP）譯碼算法可以高度并行操作，也存在更低復雜度的性能近似置信傳播譯碼算法的其他譯碼算法。（2）LDPC碼的最小距離隨著碼塊長度增大依逼近于1的概率線性增大。（3）可以根據(jù)任意碼塊長度和任意碼率很容易的設計出性能優(yōu)異的LDPC碼。（4）LDPC碼無“錯誤地板”現(xiàn)象，這使其可以應用于短幀業(yè)務。（5）由于校驗矩陣是隨機生成的，從而已經(jīng)對編碼比特進行了有效的交織，所以無需額外的交織器。（6）在LDPC碼譯碼過程中，可以得知譯碼是否正確。因為若，則說明譯碼正確，其中H為LDPC碼奇偶校驗矩陣，為譯出的碼字。

但是，LDPC碼卻具有較高的編碼復雜度，這是其經(jīng)常遭受抨擊的一個最主要原因。Turbo碼具有線性編碼復雜度，而直接實現(xiàn)LDPC碼編碼器的復雜度卻與碼塊長度的平方成正比。不過，目前已經(jīng)存在相應的解決辦法，如可以改進LDPC碼的奇偶校驗矩陣構造方法，或者采用降低復雜度的LDPC碼編碼算法。

三、移動通信中的調(diào)制技術

數(shù)字調(diào)制，解調(diào)技術是從最基本，最簡單的二進制數(shù)字調(diào)制2ASK，2FSK和2PSK的基礎上發(fā)展起來的?；?ASK由二進制向多進制發(fā)展，產(chǎn)生了正交幅度調(diào)制QAM，MQAM；基于2FSK向多進制發(fā)展，產(chǎn)生了MFSK調(diào)制；基于2PSK向多進制發(fā)展，產(chǎn)生了QPSK，OQPSK，MPSK等。為了進一步改善移相中相位躍變帶來的頻譜擴展與幅度上的變化，又引入了連續(xù)相位調(diào)制。其中，最為典型的是最小頻移鍵控MSK，高斯型最小頻移鍵控GMSK，平滑調(diào)頻TFM。

目前數(shù)字移動通信系統(tǒng)的調(diào)制技術主要有兩大類：一類是以GSM為代表的，采用非線性連續(xù)相位調(diào)制CPM中高斯濾波的最小頻移鍵控GMSK，它避開了線性要求，可使用高效率的C類功率放大器，大大降低了放大器的成本，但是實現(xiàn)復雜；另一類屬于移相鍵控PSK，它包括IS-95中以及IMT-2000中采用的BPSK，QPSK，OQPSK，平衡四相擴頻調(diào)制BQM以及復數(shù)四相擴頻調(diào)制CQM等。這類調(diào)制在碼元轉(zhuǎn)換時刻會產(chǎn)生相位躍變，并帶來頻譜擴展，當頻帶受限后幅度上會出現(xiàn)波動，且對線性度要求較高，高功放，需使用價格高昂的A類放大器，但是實現(xiàn)簡單。

為提高系統(tǒng)的頻譜效率，數(shù)字通信系統(tǒng)常常采用多進制數(shù)字調(diào)制。多進制數(shù)字調(diào)制是利用多進制數(shù)字基帶信號調(diào)制載波的幅度，頻率或相位。由于多進制數(shù)字已調(diào)信號的被調(diào)參數(shù)在一個碼元間隔內(nèi)有多個可能取值，因此，與二進制數(shù)字調(diào)制相比，在系統(tǒng)帶寬一定的條件下，多進制調(diào)制的信息傳輸速率較高。在相同的信息速率下，多進制信號碼元的持續(xù)時間要長。增大碼元寬度，就會增加碼元的能量，并能減小由于信道特性引起的碼間干擾的影響。正是基于這些特點，多進制調(diào)制方式獲得了廣泛的應用。

但是，多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)頻帶利用率的提高是通過犧牲功率利用率來換取的。隨著M值的增加，在信號空間中各信號點間的最小距離減小，相應的信號判決區(qū)域也隨著減小。因此，當信號受到噪聲和干擾的損害時，接收信號的錯誤概率也將隨之增大。幅度相位聯(lián)合鍵控（APK）方式就是為克服上述問題而提出來的。當前研究較多，并被建議用于數(shù)字通信中的APK信號，是正交幅度調(diào)制信號。尤其是矩形QAM信號，具有容易產(chǎn)生的獨特優(yōu)點，也容易解調(diào)，從而得到廣泛的應用。

四、經(jīng)驗總結(jié)

移動通信系統(tǒng)中，信道編碼是一項關鍵的技術。隨著業(yè)務種類的豐富以及對QoS的更多要求，對信道編碼提出了更高的挑戰(zhàn)。不僅需要其能靈活地滿足多種業(yè)務的性能要求，還要有經(jīng)濟的硬件要求。近年來這方面的研究十分活躍，各種信道編碼方案層出不窮，譯碼算法不斷改進，相應的硬件水平也有了很大的提高。在未來的移動通信系統(tǒng)中，高速率數(shù)據(jù)傳輸將是其業(yè)務的核心，而帶寬受限的無線信道是傳輸高速率數(shù)據(jù)流的瓶頸，為了實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸，必須采用帶寬效率更高的編碼調(diào)制技術。