信道編碼
概念
??信道編碼過程包括添加循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC，Cyclic Redundancy Check）、碼塊分割（Code Block Segmentation）、糾錯(cuò)編碼Forward Error CorrectingCoding）、速率適配（Rate Matching）、碼塊連接（Code Block Concatenation）、數(shù)據(jù)交織（Interleave）、數(shù)據(jù)加擾（Scrambling）等組成部分。其中糾錯(cuò)編碼 最重要。糾錯(cuò)編碼是通過盡可能小的冗余開銷確保接收端能自動(dòng)地糾正數(shù)據(jù)傳輸中所發(fā)生的差錯(cuò)。在同樣的誤碼率下，所需要的開銷越小，編碼的效率也就越高。

Turbo、LDPC、Polar編碼比較
??Turbo
??為了達(dá)到香農(nóng)公式所定義的信道容量的極限，各種信道編碼技術(shù)稱為研究的熱點(diǎn)。其中Turbo 碼的性能優(yōu)異，可以非常逼近香農(nóng)理論的極限。在 3G 和 4G 中廣泛使用。Turbo 碼編碼器基本原理如圖1 所示。其編碼器的結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)并聯(lián)的相同的遞歸系統(tǒng)卷積碼編碼器（Recursive Systematic Convolutional Code），二者之間用一個(gè)內(nèi)部交織器（Interleaver）分隔。編碼器 1 直接對(duì)信源的信息序列分組進(jìn)行編碼，編碼器 2 為經(jīng)過交織器交織后的信息序列分組進(jìn)行編碼。信息位一路直接進(jìn)入復(fù)用器，另一路經(jīng)兩個(gè)編碼器后得到兩個(gè)信息冗余序列，再經(jīng)恰當(dāng)組合，在信息位后通過信道。


Turbo碼解碼的迭代次數(shù)越多，其解碼的準(zhǔn)確度也越高，但是在到達(dá)某個(gè)迭代次數(shù)的時(shí)候，誤碼率會(huì)趨于穩(wěn)定。
??Turbo總結(jié)
??Turbo 碼的編碼相對(duì)簡(jiǎn)單，它在碼長(zhǎng)、碼率的靈活度和碼率兼容自適應(yīng)重傳等方面有一些優(yōu)勢(shì)。但是其解碼器由于需要迭代解碼，相對(duì)比較復(fù)雜，需要較大的計(jì)算能力，并且解碼時(shí)由于迭代的需要會(huì)產(chǎn)生時(shí)延。所以對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高的場(chǎng)合，Turbo 碼的直接應(yīng)用會(huì)受到一定限制。此外，Turbo 碼采用次優(yōu)的譯碼算法，有一定的錯(cuò)誤平層。Turbo 碼比較適合碼長(zhǎng)較長(zhǎng)的應(yīng)用，但是碼長(zhǎng)越長(zhǎng)，其解碼的復(fù)雜度和時(shí)延也越大，這就限制了它的實(shí)用性。總的來說，Turbo 碼性能優(yōu)異，編碼構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，但是它的解碼復(fù)雜度較高。該碼是3G 和 4G 商用的關(guān)鍵技術(shù)之一，它的研究和應(yīng)用已經(jīng)十分成熟。

??LDPC
?? LDPC是一種具有稀疏校驗(yàn)矩陣的線性分組糾錯(cuò)碼，其特點(diǎn)是它的奇偶校驗(yàn)矩陣（H 矩陣）具有低密度。由于它的 H 矩陣具有稀疏性，因此產(chǎn)生了較大的最小距離（dmin），同時(shí)也降低了解碼的復(fù)雜性。該碼的性能同樣可以非常逼近香農(nóng)極限。已有研究結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)中已找到的最好 LDPC 碼的性能距香農(nóng)理論限僅相差 0.0045dB。
??與Turbo相比，LDPC的優(yōu)勢(shì)
??（1）LDPC 碼的解碼可以采用基于稀疏矩陣的低復(fù)雜度并行迭代解碼算法，運(yùn)算量要低于 Turbo 碼解碼算法。并且由于結(jié)構(gòu)并行的特點(diǎn)，在硬件實(shí)現(xiàn)上比較容易，解碼時(shí)延小。因此更適合于高速率和大文件包的情況。
??（2）LDPC 碼的碼率可以任意構(gòu)造，有更大的靈活性。
??（3）LDPC 碼具有更低的錯(cuò)誤平層，可以應(yīng)用于有線通信、深空通信以及磁盤存儲(chǔ)業(yè)等對(duì)誤碼率要求非常高的場(chǎng)合。
??目前，LDPC 碼已應(yīng)用于 802.11n、802.16e、DVB-S2 等通信系統(tǒng)中。在 3GPP R15 的討論過程中，全球多家公司在統(tǒng)一的比較準(zhǔn)則下達(dá)成共識(shí)，將 LDPC 碼確定為 5G eMBB 場(chǎng)景數(shù)據(jù)信道的編碼方案。
??Polar
??它是基于信道極化理論提出的一種線性分組碼，是針對(duì)二元對(duì)稱信道（BSC，Binary Symmetric Channel）的嚴(yán)格構(gòu)造碼。理論上，它在較低的解碼復(fù)雜度下能夠達(dá)到理想信道容量且無誤碼平層，而且碼長(zhǎng)越大，其優(yōu)勢(shì)就越明顯。Polar 碼是目前為止唯一能夠達(dá)到香農(nóng)極限的編碼方法。
??Polar工作原理
??包括信道組合、信道分解和信道極化 3 部分，其中，信道組合和信道極化在編碼時(shí)完成，信道分解在解碼時(shí)完成。Polar 編碼理論的核心是信道極化理論。其原理過程如圖3所示，它的編碼是通過以反復(fù)迭代的方式對(duì)信道進(jìn)行線性的極化轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)的。

??Polar選擇那部分趨于完全無噪聲比特信道發(fā)送信源輸出的信息比特，而在容量為0全噪聲比特信道上發(fā)送凍結(jié)比特（已知比特，如0）.通過這種編碼構(gòu)造方式，保證了信息集中在較好的比特信道中傳輸，從而降低了信息在信道傳輸過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性，保證了信息傳輸?shù)恼_性。Polar碼就是以此種方式實(shí)現(xiàn)編碼的。當(dāng)編碼長(zhǎng)度 N 趨向無窮大時(shí)，Polar 碼可以逼近理論信道容量.其編解碼的復(fù)雜度正比于 N log N。
??Polar碼的優(yōu)勢(shì)
??（1）相比 Turbo 碼具有更高的增益，在相同誤碼率的前提下，實(shí)測(cè) Polar碼對(duì)信噪比的要求要比 Turbo 碼低 0.5～1.2dB；
??（2）Polar 碼沒有誤碼平層，可靠性比 Turbo 碼高，對(duì)于未來 5G URLLC 等應(yīng)用場(chǎng)景（如遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動(dòng)駕駛、工業(yè)控制和無人駕駛等）能真正實(shí)現(xiàn)高可靠性；
?? （3）Polar 碼的編解碼復(fù)雜度較低，可以通過采用基于 SC（SuccessiveCancellation）或 SCL（SC List）的解碼方案，以較低的解碼復(fù)雜度為代價(jià)，獲得接近最大似然解碼的性能。

??Polar碼的劣勢(shì)
??（1）它的最小漢明距離較小，可能在一定程度上影響解碼性能。
??（2）SC 譯碼的時(shí)延較長(zhǎng)，采用并行解碼的方法則可以緩解此問題。
總的來說，Polar 碼較好地平衡了性能和復(fù)雜性，在中短碼長(zhǎng)的情形下比較有優(yōu)勢(shì)。它的碼率調(diào)整機(jī)制顆粒度很精細(xì)，即它的信息塊長(zhǎng)度可以按比特增減。此外，它的復(fù)雜度、吞吐量、解碼時(shí)延也都具有較好的指標(biāo)。

??5G NR中的信道編碼(R15)
??在 5G NR 中，信道編碼的操作對(duì)象主要是傳輸信道（TrCH）和控制信息的數(shù)據(jù)塊。3GPP 在 R15 中定義的各個(gè)傳輸信道和控制信息所采用的信道編碼詳細(xì)情況見表1 和表 2。

??5G NR 對(duì)數(shù)據(jù)信道采用的是 Quasi-Cyclic LDPC 碼，并且為了在 HARQ 協(xié)議中使用而采用了速率匹配（Rate-Compatible）的結(jié)構(gòu)。控制信息部分在有效載荷（Payload）大于 11bit 時(shí)采用了 Polar 碼。當(dāng)有效載荷小于等于 11bit 時(shí)，信道編碼采用的是 Reed-Muller 碼。

??傳輸信道編碼
??傳輸信道編碼的過程如下圖4所示。

??添加 CRC 是通過在數(shù)據(jù)塊后增加 CRC 校驗(yàn)碼使得接收端能夠檢測(cè)出接收的數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)。CRC 校驗(yàn)碼塊的大小取決于傳輸數(shù)據(jù)塊的大小，對(duì)于大于 3824bit 的傳輸數(shù)據(jù)塊，校驗(yàn)碼采用了 24-bit CRC；對(duì)于小于等于 3824bit的傳輸數(shù)據(jù)塊，采用的則是 16-bit CRC。在接收端，通過判斷所接收數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)誤，再通過 HARQ 協(xié)議決定是否要求發(fā)送端重發(fā)數(shù)據(jù)。
??碼塊分割是把超過一定大小的傳輸數(shù)據(jù)塊切割成若干較小的數(shù)據(jù)塊，分開進(jìn)行后續(xù)的糾錯(cuò)編碼，分割后的數(shù)據(jù)塊會(huì)分別計(jì)算并添加額外的 CRC 校驗(yàn)碼。
??信道編碼采用了 Quasi-cyclic LDPC 碼。
??速率匹配的目的是把經(jīng)過信道編碼的比特?cái)?shù)量通過調(diào)整，適配到對(duì)應(yīng)的所分配的PDSCH 或 PUSCH 資源（所承載的比特?cái)?shù)量）上。
??速率匹配輸出的碼塊按順序級(jí)聯(lián)后即可進(jìn)行調(diào)制進(jìn)而經(jīng)由發(fā)射機(jī)發(fā)送。

??控制信道編碼
??上下行控制信道都采用了Polar碼。
??上行
??上行控制信息UCI的整個(gè)信道編碼過程如下圖5所示。

??首先，對(duì)待傳輸?shù)目刂菩畔⑦M(jìn)行碼塊分割和添加碼塊 CRC 校驗(yàn)碼。信道糾錯(cuò)編碼采用了 Polar 碼。速率匹配則把經(jīng)過信道編碼的數(shù)據(jù)從速率上匹配到所分配到的物理信道資源上。碼塊級(jí)聯(lián)則把數(shù)據(jù)塊按順序連接起來，然后通過調(diào)制發(fā)送。
??下行
??下行控制信息（DCI）的整個(gè)信道編碼過程如圖 6 所示。

??首先，對(duì)待傳輸?shù)目刂菩畔⑻砑?CRC 校驗(yàn)碼。隨后經(jīng)過加擾，加擾序列采用的是終端無線網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)識(shí)別號(hào)（RNTI，Radio Network Temporary Identity），這樣做的目的是使得接收側(cè)（終端）可以通過 CRC 校驗(yàn)碼和加擾序列同時(shí)得知數(shù)據(jù)的正確性以及本終端是不是該信息的正確接收方，從而減少了需要通過PDCCH 發(fā)送的比特?cái)?shù)。信道糾錯(cuò)編碼采用了 Polar 碼。速率匹配則把經(jīng)過信道編碼的數(shù)據(jù)從速率上匹配到所分配到的物理信道資源上，后續(xù)數(shù)據(jù)塊即可按順序進(jìn)行 QPSK 調(diào)制進(jìn)而由發(fā)射機(jī)發(fā)送。
參考文檔

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的5G新空口关键技术之--信道编码的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。