信道编码在移动通信中的应用_图文

1、信道编码在移动通信中的应用姚晓莉王梅(河北科技大学信息学院,050054摘要:当今社会移动通信发展迅速。本文主要介绍了几种主要的信道编码方法,对其各自的优缺点进行了 总结。最后对信道编码的未来进行了展望。关键词:移动通信;信道编码;分组码;卷积码;Turbo码The Application of the Channel Codes in MobileCommunication SystemsYao Xiaoli Wang Mei(Hebei University of Science and Technology,050054Abstract:Nowadays,the Mobile Commu

2、nication Systems are fast development.This article introduced the Channel Codes,and discussed the advantage and disadvantage of different types of Channel Codes.Finally,there also predicted the Channel Codestomorrow.Keywords:Mobile Communication;Channel Codes;Block codes;Convolution Codes;Turbo Code

3、s1引言当今社会,随着科学技术的进步、经济的快速发展,在社会的各个不同领域,通信技术都显得尤为重要。 移动通信是当今通信领域最为活跃的一个分支。移动通信满足了人们随时随地的个人通信要求,因此它的发 展更显得尤为重要。从1978年第一代模拟蜂窝移动通信系统诞生至今,经过了三代的演变,移动通信的优势就在于它能为 人们提供了固定电话所不及的灵活、机动、高效的通信方式,非常适合信息社会发展的需要。然而,这也使 .移动通信系统的研究、开发和实现比有线通信系统更复杂、更困难。无线信道是通信中最恶劣、最难预测的 通信信道之一。在移动通信系统中,移动台常常工作在城市建筑群或其他复杂的地理环境中,而且移动的速

4、度和方向是任意,发送的信号会随着传播距离的增加而造成多径衰落,并且会因为多径效应、多普勒频移和 阴影效应等的影响而使接收到的信号发生变化,给移动通信带来了不利的影响。因此,如何在移动信道中实 现有效可靠的信息传输成为一个急待解决的问题。最近几年,移动通信业务得到了迅速发展,移动用户也在迅猛增加。由此,保证通信中数据的准确传输、 提高通信的有效性和可靠性显得更为重要。其中关键技术之一就是差错控制技术,实现方式是对信道传输数 据进行纠错编码。在移动通信领域中,信道编码起着举足轻重的作用。2信道编码基础信道编码技术的发展起源于信息论的诞生。1948年,信息论的开创者C.E.Shannon在他的奠基性

5、论文“A o 1134omathematical theory ofcommunication”中首次提出了著名的信道编码定理,又称为Shannon第二编码定理【lI。 此定理指出每类信道都有一定的信道容量,即信道的最大极限传输能力,只要实际信息传输速率小于此能力, 就能实现信息在信道中的无差错传输。即使是随机编码,只要编码块足够长,就能保证错误率足够小。然而 Shannon的信道编码定理并未给出构造有效码的实用方法,而且当要求的差错率很低时,将迫使采用非常长 的编码,从而导致非常复杂的译码运算,甚至不可能实现译码。Shannon之后的50年来,人们一直在寻找复杂度低容易实现的编码方式来逼近S

6、hannon理论的理想界限。 从而相继出现了线性分组码、代数码、RS码、卷积码、Turbo码以及LDPC码,这些码的性能非常接近Shannon 极限。3移动通信中的信道编码信道编码使通过增加冗余位来达到保证通信系统的可靠性,从而达到改善通信链路性能的目的。在发射 端,信道编码器把段数字序列映射成一段含有更多比特信息的码序列;接着把已经被编码的码序列进行调 制,进而发送到无线信道中。接收端就可以用信道编码来检测或纠正传输中所产生的误码。3.1分组码分组码是最早应用的信道编码技术,在分组码的每个码字中,监督元仅与本组的信息元有关,而与别组 的信息元无关。汉明码是汉明于1950年提出的分组码,这也是

7、第一种纠错码。1957年,普朗格(Prange 首先开始研究循环码,循环码是线性分组码的一个重要子类,由于它具有循环特性和优良的代数结构,所以 可以用简单的反馈寄存器实现其编码和伴随式计算,并可使用多种简单而有效的方法进行译码。1959年霍昆格姆(Hocgenghem和1960年博斯(Bose及查德胡里(Chaudhuri分别提出了纠正多个 随机错误的循环码,称为BCH码。这是一类纠错能力强、构造方便的码。1960年彼得森(Peterson找到了 二元BCH码自梯一个有效算法,从而将BCH码由理论研究推向实际应用阶段。Reed.Solomon码(RS码 是多元BCH码的个特殊子类,是应用广泛而

8、有效的一类线性码FJ。分组码线性是指码组中码元的约束关系是线性的,而分组则是对编码而言。其可以用近似代数理论中有 限维有限域的矩阵来描述。线性分组码生成矩阵为G,信息矢量为U=(“。,U:/。,则编码输出为C=ua。+Gk。如果生成的是系统码,即原始的信息出现在编码中,则生成矩阵G。可改写为G=(Ik:a其中:表示k阶单位阵,Q为k×(n一七阶阵。线性分组码用于译码的监督矩阵为日,满足H.C r=0和日.Gr:0。对于系统码而言,其监督矩阵为 H=(Q:I。一,Q为k×(nk阶阵,。一t为一k阶单位阵。线性分组码实际上是利用线性空间的扩展,即Eh原来的k维扩展到n维,利用被

9、扩展的一k维来发现、 纠正信道传输中的差错。伴随式定义为:S=YH7=眠oe日7=eH7。其中y为接收到的矢量,圪为正确的码矢量,e为,z维 错误图样矢量。当ef=1表示第i位有错,反之ef=0表示第i位没有错。译码过程可通过监督矩阵日来确 定错误图样,再求和算出码字,如图1所示。图译码过程11353.2卷积码卷积码是由麻省理工学院的埃里亚斯(Elias提出的,卷积码不同于分组码之处在于:在任意给定时刻, 编码器输出的,z个码元中,每一码元不仅和此时刻输入的k个信息元有关,还与前连续v个时刻输入的信息 元有关。除了在构造上的不同之外,在同样的编码效率下,卷积码的性能优于分组码,至少不低于分组码

10、, 当编码存储v较大时,可以得到较低的译码错误概率。卷积码是一种非线性码,其编码器中有记忆器件存在。在任意给定的时段,编码器的以个输出不仅与同 时段的b个输入信息有关,而且与前k个输入有关(七为存储器级数。一般的卷积码选取较小的以,b和较 大的k,可以获得既简单又有高性能的信道编码。卷积码的描述方式有多种:生成矩阵、生成多项式、D变换,以及主要用于译码的树图、trellis图和状 态转移图等。卷积码的生成矩阵与分组码不同,其是一个半无限矩阵(如下式,由此也导致了卷积码在编 码上的输出是有头无尾的,即每个信息段的输出都是无穷的。实际中,是通过在信息段的后面增加k个0来 分割,因为在连续输入k个0

11、后输出也为0。G= go 91g 2gk一1 go乳一g 2gk一1go其中:gf为b中第i个输入“,的系数矩阵。卷积码和分组码是两种最基本的信道编码方案,在同等码率和纠错能力下,卷积码的实现往往比分组码 简单,因此在第二代移动通信系统中,卷积码是普遍应用的信道编码方式。3.3Turbo码Shannon第二编码定理的核心之一就是他的随机的编译码思想。但是,由于随机构造的方法是难以产生 和控制的构造方法,因此人们认为随机的编译码思想只不过是为了证明Shannon的信道编译码定理的存在性 而引入的一种数学方法和手段,并没有将其作为构造性能优良长码的主要方向和手段给予足够的重视。虽然 随机码是理论上

12、的好码,是理想信道编码的方向,但其复杂性使之几乎无法实现,因而在传统的信道编码技 术中,代数编码理论和技术占据了主导地位,并受到了截止速率(cutoff rateRo的限制IjJ。这种现象一直延 续到1993年Turbo码的出现。Turbo码,是由1993年由C.Berrou等一种并联的卷积码编码方案i4J。它巧妙地将卷积码和随机交织器结 合在一起,实现了随机编码的思想;同时,采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码。文献4中的模拟结果 表明,如果采用大小为65535位的随机交织器,并且进行18次迭代,则在信噪比E6/D 0.7dB时,码率为 1/2的Turbo码在A、GN信道上的误比特率BER1

13、0一,达到了近Shannon限的性能(1/2码率的Shannon 限是0dB。因此,这一超乎寻常的优异性能,立即引起信息与编码理论界的轰动。由于充分利用了码间的附加信息【J,Turbo码获得了很好的编码增益。由于Turbo码接近于随机码,有很 好的距离特性,因而有很强的抗衰落和抗干扰能力。Turbo码比较明确地揭示了用短码构造有优良特性的长 码的方法lbJ,而且把人们的眼光从码的最小距离引向了总的距离,更接近于随机码的概率特性。而在实践中, 只要时延和复杂度允许,Turbo码可在各种恶劣条件下提供接近极限的通信能力。目前,其已成为第三代移 动通信的信道编码的一种主要标准。4结论在Shannon

14、理论的指导下,信道编码技术正在不断的进步,不断涌现出性能更接近Shannon极限的编码 1136。方法,并在移动通信中得到了J泛应用。随着移动通信技术和信道编码技术的发展,将会有更好的编码方法 应用于移动通信系统中,k,t而更DH提高移动通信中数据传输的有效性和可靠性。参 【1】 【2】 【3】 【4】【5】5【6】 考文献C.E.Shannon,A Mathematical Theory ofCommunicationJ】,Bell SyS Tech J,1948,27(2,379423Gorentein D C,Peterson W W,Znerler W,Twoerror correcting BCH codes are quasiperfectJ,Inform Control,1960.3,291.294王新梅,肖国镇,纠错码一原理与方法【M】,西安电子科技大学出版社,2003,504.505Berrou C,Glavieux A,Thitimasjshima P,Near Shannon Limit Error Correcting Coding and De