信道编码在现代通信中的应用.docx

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信道编码在现代通信中的应用

信道编码在现代通信中的应用

1、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（LowDensityParityCheck）、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]

1.2.1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5dB。

90年代初INTELSAT提供的IDR（IntermediateDataRate）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4dB的编码增益。

IBS（IntelsatBusinessService）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。

1.2.2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12X7的卷积交织器级联，系统在QPSK调制方式下信噪比为4dB时误码性能介于10-10~10-11。

NASA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。

1.2.3Turbo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8dB。

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4Mb/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。

1.2.4LDPC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0.3～0.5dB不等的编码增益。

1.2.5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（Raptorcodes）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（MultimediaBroadcastandMulticastServices）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。

2、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电话无法提供的灵活、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。

2.2现有移动通信信道编码技术及应用

2.2.1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电话以及少量模拟信令，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。

2.2.2GSMFEC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）。

2.2.3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。

2.2.43GTurbo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ＣＤＭＡ相似的卷积码，而对数据业务３ＧＰＰ协议中已经确定Ｔｕｒｂｏ码为其纠错编码方案。

2.2.54GLDPC码

同３Ｇ等已有的数字移动通信系统相比，４Ｇ系统应具有更高的数据率、更好的业务质量（ＱｏＳ）、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的传输质量、更高的灵活性；４Ｇ系统应能支持非对称性业务，并能支持多种业务；４Ｇ系统应体现移动与无线接入网和ＩＰ网络不断融合的发展趋势，应当是一个全ＩＰ的网络。

被优化了的非规则ＬＤＰＣ码采用可信传播（Ｂｅｌｉｅｆ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）译码算法时，能得到比Ｔｕｒｂｏ码更好的性能。

目前，ＬＤＰＣ码被认为是迄今为止性能最好的码，采用ＬＤＰＣ编码的系统性能与香农限之间的差距越来越小。

3、水声通信系统信道编码技术[3]

3.1水声通信信道特性

水声信道是水下声信号传播的物理媒介,是构成水声通信系统必不可少的部分,因其具有时-空-频变特性,被认为是迄今为止难度最大的无线通信信道之一。

水声信道随海洋介质时-空尺度运动状态的不同而不断变化的特点称为时-空-频变特性。

水声信道内部变化和相对运动构成水声信道的时变特性,比如随时间变化的温度、水面波浪的变化等,均能影响水下信号传输;水声信道的声传输特性与频率有关,它的频率选择性衰落体现了其频变特性;水深、海水介质的非均匀性、声速剖面以及海底地形地貌等空间变化则构成其空变特性。

而从声波的传输过程来看,声传播速度缓慢、强多途、大起伏、声传播损失大、频域上多普勒扩展、有限频域带宽和高环境噪声等为水声信道的主要物理特性的表现。

这些特性增大了水声声波传播路径和过程的不确定因素,限制了依靠声信号传播为基础的水声通信技术的有效性和可靠性。

尤其是在浅海水声信道中的大信号起伏和强多途情况更为恶劣,严重影响水声通信技术的发展。

总的来说，与无线电磁波信道相比,水声信道有其本身独有的某些特性，如声速小、载波频率低、带宽窄、多普勒频移相对严重以及多途时延大等特点。

3.2水声通信信道编码技术及应用

3.2.1RS码

1960年I.SReed和G.Solomond提出RS码，又称Reed-Slolomon码，是一类纠错