信道编码技术在移动通信中的应用 / 5G中的信道编码方法与标准化

1. 信道编码技术在移动通信中的应用

蜂窝移动通信系统在过去几十年中迅猛发展，使得用户彻底摆脱终端设备的束缚，变成社会发展和进步的必不可
可少的工具。纠错编码作为不可或缺的一环，在移动通信系统中有着广泛的应用。

• 第一代通信系统是模拟通信系统，业务信道采用模拟信号传输，而控制信道传输数字信令并进行了信道编码与数字调制操作。以英国系统为例，基站与终端信道编码采用不同的BCH编码，编码后重复5次发送以提高衰落信道性能。

• 第二代移动通信系统，如欧洲的GSM系统、北美的IS-95都是数字通信系统。

  • GSM在全速率业务信道与控制信道采用了约束长度为5，码率为1/2的卷积码。具体来说，GSM全速率业务信道20ms业务帧包含260个比特，其中50个最重要的比特、132个重要比特、78 个不重要比特。50个重要比特首先进行循环冗余校验(Cyelic Redundancy Check, CRC)编码得到53个比特的码字，然后与后面的132个重要比特与4个全零尾比特一起采用 1/2码率的卷积码进行编码得到378个比特，最后的78个比特不予保护得到456个比特的语音编码块。对于半速率业务信道为了改善通话质量采用码率为1/3，约束长度为5的卷积编码。GSM控制信道采用外码为Fire码、内码为卷积码的串行级联编码方案，由于 Fire码适于检测与纠正突发错误码，与善于纠正随机错误的卷积码结合可以进一步提高控制信令的可靠度。
  • IS-95 窄带CDMA系统的纠错编码是分别按照前向链路与反向链路来设计的，主要包括卷积编码与CRC编码。前向链路中除导频信道之外的同步信道、寻呼信道、业务信道都采用了约束长度为9，码率为1/2的（2，1，9）卷积码，反向链路(包括业务信道和接入信道)则采用了约束长度为9，码率为1/3的（3，1，9）卷积码。反向链路卷积码的码率更低，具有更强的纠错能力，有利于提高基站采用非相干解调接收时的抗干扰能力。

• 第三代移动通信与2G相比要提供更高的传输速率、更多形式的数据业务，所以纠错编码提出更高要求。3G仍然以IS-95中的卷积码作为语音信道和各个控制信道的纠错编码方案。确定Turbo码为数据、多媒体等业务的编码方案。

• 第四代移动通信(LTE) 同样采用了卷积码与Turbo码作为纠错编码方案，而且卷积码用于控制信道，Turbo 码用于数据信道。与WCDMA的纠错编码方案相比，LTE对纠错编码方案进行了进一步优化。LTE卷积编码采用1/3码率的咬尾卷积码(Tail- Biting Convolutional Codes,TBCC)，约束长度为7。LTE TBCC有6个移位寄存器，其初始值用信息比特的最后6个比特进行初始化，如此一来，移位寄存器的初始与最后状态是相同的，与尾比特归零操作相比，TBCC降低了尾比特的开销，这对于信息比特长度很短的控制信令来说会明显提高其频谱效率。

  LTE Turbo编码结构与WCDMA相近，但是分量码间的内部交织器与WCDMA完全不同。LTE Turbo采用二次置换多项式（QPP）交织器。QPP交织器的主要优点是无冲突交织处理，能够支持并行译码，相对于WCDMA Turbo码的串行译码能够显著提高译码速度。

  LDPC码作为另外一种接近Shannon限的信道编码，虽然由于早期研究不够成熟，错过了3G与4G标准，但其出色的性能，较低的译码复杂度使其被多个重要的国际标准采纳，如Wi-Fi、WiMax、CCSDS等。

2. 5G中的信道编码方法与标准化

LTE中使用Turbo码和TBCC作为数据信道和控制信道的主要编码方案，提供了很好的性能。由于NR中定义了新的应用场景，对系统带宽、吞吐率、时延和可靠性的需求较4G大大提升，因此需要重新设计信道编码方案。

3GPP关于5G信道编码技术方面的工作计划可以分为3个阶段。

• 第一阶段的主要工作是确定5G采用的编码类型，具体包括选择5G候选信道编码方案、确定评估准则、对候选方案进行评估等工作。
• 第二阶段的主要工作是具体构造用于5G的LDPC码和Polar码，主要内容包括LDPC码参数的选择和校验矩阵的设计，以及Polar 码的构造、Polar 序列的设计、编译码算法和CRC添加方式等。
• 第三阶段的主要工作是对信道编码技术的编码链(coding chain) 进行了讨论和研究，具体研究内容包括编码块分段、CRC添加、信道交织、速率匹配等。

经过漫长曲折的讨论，最终于2017年年底美国Reno会议基本完成5G在eMBB场景的数据信道、控制信道、广播信道编码的设计工作，相关内容目前已经被写入NR的R15规范。

在关于LDPC和Polar编码方案相关议题上，华为、三星、高通、诺基亚、中光联发科、大唐、爱立信、LG等公司积极参与NR信道编码标准化进程，提出了大量的技术提案，对5G信道编码方案标准化做出了重要的贡献。

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