信道編碼在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、信道編碼在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的應(yīng)用一、衛(wèi)星通信中的差錯(cuò)控制機(jī)制衛(wèi)星通信系統(tǒng)以很遠(yuǎn)的距離傳送數(shù)器，由于衰落、噪聲和干擾等的影響，信號(hào)在傳輸過(guò)程中將產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變。這就要求信號(hào)應(yīng)具有盡可能大的能量，但是，由于衛(wèi)星體積和載重等的限制，不可能給信號(hào)提供太大的能量，這樣，就要求采用具有很強(qiáng)糾錯(cuò)能力的差錯(cuò)控制方法以保證誤碼率在允許的范圍之內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的糾錯(cuò)能力，除了構(gòu)造所謂“好碼”之外，還要求譯碼時(shí)采用最大似然譯碼算法。同時(shí)，由于衛(wèi)星通信信道具有充足的帶寬，因此在進(jìn)行調(diào)制方式時(shí)，允許采用研究的比較透徹的低頻譜的利用率的二進(jìn)制調(diào)制方式。衛(wèi)星信道充足的帶寬允許系統(tǒng)以較低的碼速率傳輸數(shù)據(jù)，這樣，數(shù)據(jù)之間的符號(hào)干擾

2、可以忽略，信道引入的加性嗓聲和干擾可以用高斯白噪聲來(lái)模擬，并且這種噪聲在符號(hào)之間是相互獨(dú)立的。所以，衛(wèi)星信道基本上是無(wú)記憶高頻白噪聲信道(AWGN)，在選擇衛(wèi)星通信系統(tǒng)的差錯(cuò)控制方式時(shí)，首先考慮的是糾正隨機(jī)性錯(cuò)誤，有時(shí)也要考慮糾正突發(fā)性的錯(cuò)誤。在衛(wèi)星ATM 寬帶網(wǎng)絡(luò)中，普遍采用Ku或Ka波段，降雨和大氣吸收衰減的增加將弓I起突發(fā)錯(cuò)誤，而衛(wèi)星信遭中存在的各種干擾噪聲也會(huì)造成隨機(jī)錯(cuò)誤，這使得衛(wèi)星信道質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光纖鏈路質(zhì)量。ATM對(duì)衛(wèi)星通信的接入、效率、互操作和費(fèi)用產(chǎn)生很大影響，尤其是當(dāng)技術(shù)已成熟且所有性能都被很好利用的時(shí)候。目前，ATM技術(shù)并沒(méi)有完全成熟。未來(lái)的發(fā)展主要由一些新的業(yè)務(wù)和帶寬增加業(yè)

3、務(wù)需求決定，ATM技術(shù)會(huì)繼續(xù)發(fā)展，業(yè)務(wù)和擁塞控制技術(shù)需進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)，與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)的綜合技術(shù)也有待進(jìn)一步研究。ATM業(yè)務(wù)和擁塞控制的作用是根據(jù)信元損失率，信元延時(shí)，和信元延時(shí)變化得到相應(yīng)的性能。如果相應(yīng)業(yè)務(wù)的QoS不能滿足，這個(gè)連接將被拒絕。對(duì)于一個(gè)確定的QoS業(yè)務(wù)要想知道可用的信道容量也不是容易的事情，另外，通過(guò)衛(wèi)星通信鏈路滿足業(yè)務(wù)QoS的要求只是問(wèn)題的一部分。主要問(wèn)題是有關(guān)滿足端對(duì)端業(yè)務(wù)QoS的要求。與業(yè)務(wù)擁塞控制和QoS確定的有關(guān)問(wèn)題是很復(fù)雜的，它需要ATM技術(shù)與現(xiàn)有不支持業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)和基于QoS業(yè)務(wù)與擁塞控制網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。這對(duì)于通過(guò)衛(wèi)星鏈路的傳輸顯得尤其重要，因?yàn)檫@種結(jié)合是相對(duì)低傳輸速率和

4、大延時(shí)鏈路與ATM的結(jié)合。在衛(wèi)星ATM 寬帶網(wǎng)絡(luò)中，差錯(cuò)控制主要有三種方法，分別是選擇性重發(fā)協(xié)議（SRQ）、前向差錯(cuò)控制（FEC）、多站分集的自動(dòng)反饋重發(fā)。1、選擇性重發(fā)協(xié)議：在長(zhǎng)時(shí)延的衛(wèi)星鏈路上進(jìn)行差錯(cuò)控制，為了提高吞吐量，必然要使用滑動(dòng)窗口協(xié)義。在滑動(dòng)窗口協(xié)議中，處理出錯(cuò)幀有2種方法：后退協(xié)議和SRQ協(xié)議。后退協(xié)議在檢測(cè)到出錯(cuò)幀時(shí)，只是簡(jiǎn)單地把后面的幀全部棄掉，不發(fā)確認(rèn)，發(fā)送端超時(shí)將從丟棄的幀開(kāi)始重發(fā)所有未確認(rèn)的幀。SRQ協(xié)議則把壞幀后面所有正確的幀都存儲(chǔ)起來(lái)，發(fā)送端只是重發(fā)損壞的幀。SRQ協(xié)議主要優(yōu)點(diǎn)是只重傳出錯(cuò)的幀，這可節(jié)省衛(wèi)星鏈路的帶寬，效率較高；缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜并且對(duì)內(nèi)存敏感。在差

5、錯(cuò)率較高的情況下，這需要占用較大的內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)后續(xù)正確的幀。由于需要重傳，使用SRQ協(xié)議時(shí)延將增大并且會(huì)發(fā)生變化，固此SRQ協(xié)議不適用于恒定比特率(CBR)業(yè)務(wù)。2、前向差錯(cuò)控制（FEC）：FEC是指在發(fā)送端對(duì)所傳信息進(jìn)行編碼，而在接收端能根據(jù)編碼原理自動(dòng)糾正一定程度傳輸差錯(cuò)的差錯(cuò)控制方式。在衛(wèi)星ATM寬帶網(wǎng)絡(luò)中，F(xiàn)EC機(jī)制可以應(yīng)用于物理層、AAL層及高層。應(yīng)用于物理層的FEC不能對(duì)信元丟失進(jìn)行糾正，而應(yīng)用于高層的FEC在不能糾正差錯(cuò)的情況下通過(guò)使用其它糾鍺方法進(jìn)行差錯(cuò)恢復(fù)所需的等待時(shí)間將增大，從而造成吞吐量下降。與選擇性重發(fā)協(xié)議相比，F(xiàn)EC所需的開(kāi)銷(xiāo)較大。它的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)延較短，并且時(shí)延是固定的，

6、因此FEC要比SRQ更適用于話音或其它實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)。3、多站分集的自動(dòng)反饋重發(fā)：在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，分集是提高鏈路可靠性和減小功率需求最常用的一種方法，在適當(dāng)?shù)男诺罈l件下，它也是一種強(qiáng)有力的差錯(cuò)控制技術(shù)。在衛(wèi)星ATM 網(wǎng)絡(luò)中，多站廣播相當(dāng)于一種空間分集，在各站下行鏈路噪聲受限和AWGN過(guò)程相互獨(dú)立的條件下，產(chǎn)生分集增益是可能的。衛(wèi)星ATM 網(wǎng)絡(luò)中利用多站分集的自動(dòng)反饋重發(fā)進(jìn)行差錯(cuò)控制的概念是，各地面站收到ATM 多點(diǎn)廣播的信息后一旦檢測(cè)到PDU出錯(cuò)，它將發(fā)送ARQ請(qǐng)求給同處于多點(diǎn)廣播范圍內(nèi)互連的地面站，以便在本地環(huán)境中進(jìn)行差錯(cuò)恢復(fù)，若仍有錯(cuò)則通過(guò)反向鏈路請(qǐng)求重發(fā)。這種自適應(yīng)差錯(cuò)控制方式與傳統(tǒng)的衛(wèi)星差

7、錯(cuò)控制方式相比較，它能完全配合ATM 協(xié)議及其差錯(cuò)控制參數(shù)隨業(yè)務(wù)類(lèi)型的不同而自適應(yīng)變化，非常適合于多媒體業(yè)務(wù)和高速數(shù)據(jù)傳送的需要。因此，它是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星ATM寬帶網(wǎng)絡(luò)的重要保證。近年來(lái)衛(wèi)星通信新技術(shù)的發(fā)展層出不窮，各種技術(shù)都受到了人們廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。衛(wèi)星通信也是未來(lái)全球信息高速公路的重要組成部分。它以其覆蓋廣、通信容量大。通信距離遠(yuǎn)、不受地理環(huán)境限制、質(zhì)量?jī)?yōu)、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn),1972年在我國(guó)首次應(yīng)用,并迅速發(fā)展,與光纖通信、數(shù)字微波通信一起,成為我國(guó)當(dāng)代遠(yuǎn)距離通信的支柱。衛(wèi)星通信的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，相應(yīng)的高新技術(shù)也不斷的創(chuàng)新和發(fā)展，而在衛(wèi)星通信的過(guò)程中的差錯(cuò)控制更顯得尤為重要。如今差錯(cuò)控制技術(shù)

8、已成功的應(yīng)用于衛(wèi)星通信和數(shù)據(jù)信中，從而在推動(dòng)衛(wèi)星通信和數(shù)據(jù)通信的發(fā)展上發(fā)揮的巨大的作用。二、移動(dòng)通信中糾錯(cuò)編碼技術(shù) 移動(dòng)通信的強(qiáng)大魅力之所在就是它能為人們提供了固話所不及的靈活、機(jī)動(dòng)、高效的通信方式，非常適合信息社會(huì)發(fā)展的需要。但同時(shí)，這也使移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究、開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)比有線通信系統(tǒng)更復(fù)雜、更困難。實(shí)際上，移動(dòng)無(wú)線信道是通信中最?lèi)毫?、最難預(yù)測(cè)的通信信道之一。由于無(wú)線電波傳輸不僅會(huì)隨著傳播距離的增加而造成能量損耗，并且會(huì)因?yàn)槎鄰叫?yīng)、多普勒頻移和陰影效應(yīng)等的影響而使信號(hào)快速衰落，碼間干擾和信號(hào)失真嚴(yán)重，從而極大地影響了通信質(zhì)量。為了解決這些問(wèn)題，人們不斷地研究和尋找多種先進(jìn)的通信技術(shù)以提高移動(dòng)

9、通信的性能。特別是數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)出現(xiàn)后，促進(jìn)了各種數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)如糾錯(cuò)編碼技術(shù)的發(fā)展。（一） 模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)中數(shù)字信令的BCH編碼模擬蜂窩系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)信道主要是傳輸模擬FM電話以及少量模擬信令，因此未應(yīng)用數(shù)字處理技術(shù)。而控制信道均傳輸數(shù)字信令，并進(jìn)行了數(shù)字調(diào)制和糾錯(cuò)編碼。以英國(guó)系統(tǒng)為例，采用FSK調(diào)制，傳輸速率為8kb/s?；静捎玫氖荁CH（40，28）編碼，漢明距離d =5, 具有糾正2位隨機(jī)錯(cuò)碼的能力。之后重發(fā)5次，以提高抗衰落、抗干擾能力；移動(dòng)臺(tái)采用了BCH（48，36）進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，漢明距離d =5，可糾正2個(gè)隨機(jī)差錯(cuò)或糾正1個(gè)及檢測(cè)2個(gè)差錯(cuò),然后也是重復(fù)5次發(fā)送。上述糾錯(cuò)編碼

10、是提高數(shù)字信令傳輸可靠性必需的，也是行之有效的。（二）窄帶CDMA系統(tǒng)(IS-95)中的FEC編碼CDMA系統(tǒng)是個(gè)自干擾的系統(tǒng)，因此FEC編碼在對(duì)抗多用戶干擾（MUI）和多徑衰落非常重要。CDMA（IS-95）系統(tǒng)的糾錯(cuò)編碼是分別按反向鏈路和前向鏈路來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，主要包括卷積編碼、交織、CRC校驗(yàn)等?，F(xiàn)分述如下：前向鏈路中除導(dǎo)頻信道外，同步信道、尋呼信道和前向業(yè)務(wù)信道中的信息在傳輸前都要先進(jìn)行（2，1，9）的卷積編碼，卷積碼的生成函數(shù)為go=（111101011）和g1=（101110001）；接著，同步信道的符號(hào)流要經(jīng)過(guò)1次重發(fā)，然后進(jìn)行16*8的塊交織；業(yè)務(wù)和尋呼信道的速率為4.8kbps

11、/2.4kbps/1.2kbps符號(hào)流，分別進(jìn)行1/3/7次重發(fā)（9.6kbps數(shù)據(jù)流不必重發(fā)），然后再進(jìn)行24*16的塊交織。反向鏈路包括業(yè)務(wù)信道和接入信道，考慮到移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)傳播環(huán)境，增加編碼長(zhǎng)度，對(duì)信息進(jìn)行（3，1，9）的卷積碼。其生成函數(shù)為：g0=（101101111），g1=（110110011）和g2=（111001001）。然后，接入信道經(jīng)過(guò)一次重發(fā)后，進(jìn)行32*18交織；反向業(yè)務(wù)信道以同前向一樣的方式進(jìn)行重發(fā)，再進(jìn)行32*18的交織。如果整體考慮糾錯(cuò)編碼和擴(kuò)頻調(diào)制，則可把擴(kuò)頻看作內(nèi)碼，而信道編碼視作外碼。以后向鏈路為例，編碼交織后是64階正交Walsh函數(shù)擴(kuò)頻，然后是被周期為2

12、 -1的長(zhǎng)碼直接序列擴(kuò)頻。接收端經(jīng)相干或不相干Rake接受機(jī)進(jìn)行分集接收后，系統(tǒng)碼字（信息比特）就可以用相關(guān)的最大值或相關(guān)矢量的最大值表示。接著送到解交織器和外部SOVA Viterbi譯碼器。（三）3G中的Turbo碼Turbo碼又叫并行級(jí)聯(lián)卷積碼，由Berrou,Glavieux 和Thtimajshima 1993年首次提出。Turbo碼編碼器通過(guò)交織器把兩個(gè)遞歸系統(tǒng)卷積碼并行級(jí)聯(lián)，譯碼器在兩個(gè)分量碼譯碼器之間進(jìn)行迭代譯碼，譯碼之間傳遞去掉正反饋的外信息，整個(gè)譯碼過(guò)程類(lèi)似渦輪（turbo）工作，所以又形象的稱(chēng)為T(mén)urbo碼。編碼器的輸出端包括信息位和兩個(gè)校驗(yàn)位，這樣代表編碼速率1/3。輪

13、流刪除兩個(gè)校驗(yàn)位就可以得到碼率是1/2的碼。用不同的校驗(yàn)位生成器或者不同的刪除方式就可以得到各種不同速率的Turbo碼。偽隨機(jī)交織器對(duì)信息系列進(jìn)入第二個(gè)校驗(yàn)位生成器之前進(jìn)行了重排列。迭代譯碼是Turbo碼性能優(yōu)異的一個(gè)關(guān)鍵因素，如上圖所示，DEC1和DEC2分量譯碼器分別采用MAP或者SOVA算法。MAP（最大后驗(yàn)概率）算法比Viterbi算法在復(fù)雜度上多3倍，對(duì)于傳統(tǒng)卷積碼只有0.5dB的增益，但是在Turbo碼譯碼器中，它對(duì)每一比特給出了最大的MAP估計(jì)，這一點(diǎn)在低SNR情況下的迭代譯碼是至關(guān)重要的因素。一般在應(yīng)用中，都采用對(duì)數(shù)化的MAP算法，即LOG-MAP算法，將大部分的乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為加法運(yùn)算，既減小了運(yùn)算復(fù)雜度，又便于硬件實(shí)現(xiàn)。（三）4G中的OFDM碼無(wú)線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，而OFDM技術(shù)的主要