《信道编码在现代通信中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信道编码在现代通信中的应用（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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
2、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11.2.1 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
3、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 dBo 90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 Business Service)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
4、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
5、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10-1010-11。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、R
6、S (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。1.2.3 Turbo 码1993 年 C.Berrou 和 R.Pyndian 提出“并行级联”形式的 Tur
7、bo 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 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
8、高功率对误码率改善几乎没有 帮助。1.2.4 LDPC 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0.30.5 dB不等的编 码增益。1.2.5 喷泉编码喷泉编码的典型实例是
9、 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Amin Shokrollahi 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oRaptor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
10、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 and Multicast 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
11、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22.1 移动通信信道特性移动通信技术的发展日新月异，从1 9 7 8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。电子信息学院 通信与信
12、息系统 2014202120083 谢秋莹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（ 4 0,2 8 ）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（ 4 8,3 6 ）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
13、送。2.2.2 GSM 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，F IRE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，
14、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6 4阶正交Wa lsh函数扩频，然后是被周期为2 1的长码直接序列扩频。2.2.4 3G Turbo 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
15、方案。2.2.5 4G LDPC 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 P ropaga ti on）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LD PC编码的系统性能与香农限之间的差距越来越小。电子信息学院 通信与信息
16、系统 2014202120083 谢秋莹三、水声通信系统信道编码技术33.1 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
