信道编码在现代通信中的应用.doc

信道编码在现代通信中的应用一、卫星通信系统信道编码技术1.1 卫星通信信道特性卫星通信必须通过地球以外空间的在轨卫星来实现，受到卫星本身放大器件、天线尺寸、遥远通信路径及宇宙其它星体等因素的影响，卫星信道具有：功率受限、带宽受限、非线性恒参信道、多经衰落信道、通信链路远时延大、易受环境干扰等特点信道编码技术作为保证信息正确传输的有效手段被广泛应用于各种卫星通信系统， 通过信道编码可以在有限带宽、低信噪比条件下实现信息的低误码率传送，以达到节省发射机功率、提高频谱利用效率的目的信道编码技术一般包括请求重传（ ARQ ）、前向纠错（ FEC）及二者的混合体制，鉴于卫星信道误码特性、频谱利用率、系统延时等指标的要求 FEC 技术被广泛应用于各种卫星系统， 对 FEC 技术的研究不断深入，国际上提出了 Turbo 码、 LDPC （ Low Density Parity Check）、级联编码、编码调制及 Raptor 码等优秀的差错控制技术1.2 现有卫星信道编码技术及应用 [1]卷积码卷积码由 Elias 于 1955 年提出，是继分组码之后提出的简单、高效编码方式，上世纪七十年代， Viterbi 软判决译码算法迅速发展精选文库促使卷积码被广泛应用于各种卫星通信系统以及深空探测装置。

VSAT 卫星系统于 20 世纪 80 年代兴起之初，采用码率为 1/2，约束长度为 7 的卷积编码，在 QPSK 调制下通过 Viterbi 软判决译码，误码率为 10-5 时编码增益为 5 dB90 年代初 INTELSAT 提供的 IDR（Intermediate Data Rate）业务使用码率为 3/4 的删余卷积编码，它是由效率为 1/2 的卷积码周期地删除规定比特而得到，在QPSK 调制方式下应用 Viterbi 软判决译码可以提供 10-7 的误码性能，较未编码的情况获得了 4 dB 的编码增益 IBS（Intelsat BusinessService）系统采用码率为 1/2 卷积码，相同条件下可以提供 10-8 的BER 性能卷积码很大程度地改变了卫星通信系统的性能，卷积码及其译码算法为串行级联编码、 Turbo 码等优秀的编码方案的提出奠定了基础不足之处是，随着编码器存储长度的增加， Viterbi 译码的复杂度呈指数上升，使编码性能的进一步提高受到限制，所以，卷积码编码器的设计以最小状态数为原则，使译码趋于简单级联编码Forney 于 1966 年提出利用短分量码构造较长好码的串行级联编码技术，它以非二进制、较长码作为外码，以二进制、较短码作为内码，内、外码之间通过串行方式级联，接收端应用软判决译码算法和代数译码方法分别对内、 外码进行译码， 在获得较高的误码特性同时译码复杂度也在可以接受的范围。

ETSI 的现行卫星数字广播标准DVB-S 及美国数字卫星电视广播 DBS-TV 系统均采用 RS 码、卷积码串行级联形式，外码采用（ 204，188）的 RS 码纠正多径衰落引-- 2精选文库起的突发错误，内码采用码率为 3/4、约束长度 K=7 的卷积码纠正随机错误，内、外码通过 12 X 7 的卷积交织器级联，系统在 QPSK 调制方式下信噪比为 4 dB 时误码性能介于 10-10~10-11NASA 于 1993 年发射的 ACTS 卫星采用 RS 码、 1/2 卷积码级联编码方案，最佳误比特性能达 10-12 我国的遥感卫星风云三号 FY-3、欧洲的METOP、美国 EOS、NPP/NPOESS 也都采用 CCSDS 标准（采用(2,1,7)卷积码、 RS（255，223）级联码）推荐的 RS 与卷积码级联的数据传输方案 另外，通过把多个内码和外码级联可以形成多级级联码，译码时对级联码进行码分解和多阶段译码， 既可以获得较好的误码性能又大大减小了译码复杂程度， 对于不同的通信系统环境提供了很大的灵活性 RS 码、卷积码串行级联形式在现行卫星系统中得到广泛应用，基本可以满足中等误码要求的通信系统， 不足之处是误码性能的提升与译码复杂程度总是一对矛盾，当 RS 码非常长时，采用软判决的译码方案很难实现，编码增益的改善受到一定限制。

码1993 年 C.Berrou 和 R.Pyndian 提出“并行级联” 形式的 Turbo 码Turbo 码特别适合在中等误码率需求、长信息分组情况下使用，通过适当的迭代译码算法， 在不增加设备复杂性的条件下可以获得几个分贝的编码增益目前， Turbo 码已经被成功的应用到 2004 年 11 月欧洲发射的 SMART-1 号月球探测器上，理论可实现编码增益 8 dB最新的 VSAT 卫星系统也使用 Turbo 乘积码作为差错控制技术， 为用户提供宽带卫星互联网接入服务，误码性能小于 10-9 2005 年 SSA 发-- 3精选文库射商用卫星 IPSTAR-1，前向信道采用 Turbo 乘积码编码和 8PSK 高阶调制技术，下行数据业务达到 4 Mb/s 速率Turbo 码的不足之处是在极低误码率情况下性能开始下降， 提高功率对误码率改善几乎没有帮助码LDPC 码由 Gallager 于 19 世纪 60 年代首次提出，它是一种线性分组码，编码效率接近香农极限、编解码简单、时延小等特点非常适合高速信息传输系统，是卫星通信系统的首选信道编码方案， ETSI 的第二代卫星数字广播标准 DVB-S2 以 BCH 码和 LDPC 码的串行级联取代了 DVB-S 以往的信道编码方案。

美国 Comtech 公司的CDM-600 平台卫星调制解调设备采用了 LDPC 码，相同调制方式和误码要求下，LDPC 码码相对于 Turbo 码有 0.3～0.5 dB 不等的编码增益喷泉编码喷泉编码的典型实例是 1998 年由美国学者 Luby 提出的 LT码， LT 码是一种通用的喷泉码，编码的基本思想是通过喷泉编码器的有限输入与无限输出的映射特性生成数据包， 当接收方收到一定数量的数据包时就可以恢复信息， 以此来保证数据传输的可靠性， 喷泉码很适合于广播形式的删除信道 Raptor 码（Raptor codes）由 AminShokrollahi 于 2006 年提出，它是一种经过改良的 LT 码，通过将传统纠错码与 LT 码串行级联得到Raptor 码编码时对输入信息应用常规纠错编码技术（如 LDPC 码）进行一次预编码，把编码输出信-- 4精选文库息再进行 LT 码编码，解码时通过依次对 LT 码、预编码进行解码完成，译码复杂度呈线性变化， 较 LT 码有很大改善 Raptor 码的编码和解码过程只进行少量的异或运算， 具有低的复杂度和很快的编解码速度，已经被确定为 3GPP 的 MBMS(Multimedia Broadcast andMulticast Services)业务的信道编码标准。

Raptor 码作为喷泉编码的典型代表是近两年针对计算机网络的数据报传输而提出的， 由于能即时生成无限的数据包， 在没有反馈信道的情况下保证可靠通信， 减小了通信的传输延时， Raptor 码被认为是卫星广播 /组播服务和电视信号传输理想的信道编码技术， 也是未来卫星宽带互联网上进行大文件传输和卫星移动网络中数据业务的最理想差错控制手段二、移动通信系统信道编码技术 [2]2.1 移动通信信道特性移动通信技术的发展日新月异，从１９７８年第一代模拟蜂窝通信系统诞生至今， 就已经出现了五代的演变 移动通信一方面能为人们带来了固定无法提供的灵活、机动、高效但另一方面，移动通信系统的研究、开发和实现相较于有线通信系统会更复杂、 更困难这是因为无线电波传输不仅会随着传播距离的增加而造成能量损耗，并且会因为多径效应、 多普勒频移和阴影效应等使信号快速衰落， 码间干扰和信号失真严重，从而极大地影响了通信质量因此，移动无线信道是所有通信系统中最恶劣、最难预测的通信信道之一 5精选文库2.2 现有移动通信信道编码技术及应用模拟移动通信系统ＢＣＨ编码模拟蜂窝系统中，业务信道主要是传输模拟ＦＭ以及少量模拟信令，因此未应用数字处理技术。

而控制信道均传输数字信令，并进行了数字调制和纠错编码以英国系统为例，采用ＦＳＫ 调制，传输速率为８ｋｂ／ｓ基站采用的是ＢＣＨ（４０，２８）编码，汉明距离ｄ＝５，具有纠正２位随机错码的能力之后重发５次，以提高抗衰落、抗干扰能力；移动台采用了ＢＣＨ（４８，３６）进行纠错编码，汉明距离ｄ＝５， 可纠正２个随机差错或纠正１个及检测2 个差错，然后也是重复５次发送 FEC 编码ＧＳＭ 系统仍是目前使用最广泛的移动通信系统， 也是纠错编码最重要的应用之一ＧＳＭ 标准的语音和数据业务使用多种ＦＥＣ编码，包括ＢＣＨ编码，ＦＩＲＥ码，ＣＲＣ码（错误检测，码同步和接入，数据信道）窄带 CDMA 系统（ IS-95） FEC 编码ＣＤＭＡ系统是个自干扰的系统，因此ＦＥＣ编码在对抗多用户干扰（ＭＵＩ）和多径衰落非常重要ＣＤＭＡ（ＩＳ－９５）系统的纠错编码是分别按反向链路和前向链路来进行设计的， 主要包括卷积编码、交织、ＣＲＣ校验等 前向链路中除导频信道外， 同步信道、寻呼信道和前向业务信道中的信息在传输前都要先进行 （２，１，９）的卷积编码再交织 反向链路包括业务信道和接入信道， 考虑到移动-- 6精选文库台的信号传播环境，增加编码长度，对信息进行（３，１，９）的卷积码。

如果整体考虑纠错编码和扩频调制，则可把扩频看作内码，而信道编码视作外码 以后向链路为例， 编码交织后是６４阶正交Ｗａｌｓｈ函数扩频，然后是被周期为２－１的长码直接序列扩频码３Ｇ与２Ｇ 最重要的不同是要提供更高速率、 更多形式的数据业务，所以对其中的纠错编码体制提出了更高的要求 （数据业务的差错率要小于１０）语音和短消息等业务仍然采用与ＧＳＭ 和ＣＤ。