在通信系統(tǒng)架構(gòu)中，信源編碼的功能是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸，而信道編碼則主要解決數(shù)字通信的可靠性問(wèn)題。提高正確識(shí)別信號(hào)的能力和通信的可靠性，是保證信息高效、可靠傳輸?shù)年P(guān)鍵步驟。5G信道編碼技術(shù)究竟是怎么回事？本文告訴你。
著名的“香農(nóng)公式”
在通信領(lǐng)域有一個(gè)重要的人物，即香農(nóng)，其提出并嚴(yán)格證明了“在被高斯白噪聲干擾的信道中，計(jì)算最大信息傳送速率C公式：
公式中：B是信道帶寬（赫茲），S是信號(hào)功率（瓦），N是噪聲功率（瓦）。該式即為著名的香農(nóng)公式。香農(nóng)定理指出，在有噪聲環(huán)境下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笏俾剩峭ㄐ爬碚摶A(chǔ)和科學(xué)依據(jù)，也是近代信息論的基礎(chǔ)。
現(xiàn)代通信系統(tǒng)模型
3GPP（第三代合作伙伴計(jì)劃）是移動(dòng)通信領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織，其定義了5G三大應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(eMBB)、大規(guī)模機(jī)器通信(mMTC)和低時(shí)延高可靠通信(URLLC)。其中，eMBB場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的是3D/超高清視頻等大流量移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)，其技術(shù)指標(biāo)中峰值速率達(dá)20Gbit/s；mMTC場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，其連接數(shù)密度達(dá)到106設(shè)備/km2；URLLC場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的是無(wú)人駕駛、工業(yè)自動(dòng)化等需要低延時(shí)、高可靠性連接的業(yè)務(wù)，其時(shí)延低至1 ms。eMBB是傳統(tǒng)移動(dòng)通信場(chǎng)景的擴(kuò)展，而mMTC和URLLC是5G移動(dòng)通信的新型場(chǎng)景。因此，目前三大場(chǎng)景的標(biāo)準(zhǔn)化研究中，eMBB場(chǎng)景的成果較多。
5G信道編碼技術(shù)
對(duì)于5G移動(dòng)通信而言，信道編碼與多址接入技術(shù)、多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)一起構(gòu)成5G空中接口的三大關(guān)鍵技術(shù)，成為國(guó)際組織、各大公司討論、布局的熱點(diǎn)。2016年5G的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中，信道編碼方案成為討論的熱點(diǎn)。為此，本文針對(duì)5G的三種信道編碼技術(shù)做出了詳細(xì)介紹。
1. 低密度奇偶校驗(yàn)碼—LDPC碼
LDPC碼是由MIT的教授Robert Gallager在1962年提出，理論研究表明：1/2碼率的LDPC碼在BPSK調(diào)制下的性能距香農(nóng)極限僅差0.0045dB，是目前距香農(nóng)極限最近的糾錯(cuò)碼，也是最早提出的逼近香農(nóng)極限的信道編碼。
LDPC碼是一種具有稀疏校驗(yàn)矩陣的線性分組碼，它的特征完全由其奇偶校驗(yàn)矩陣決定。相對(duì)于行、列的長(zhǎng)度，校驗(yàn)矩陣每行、列中非零元素的數(shù)目(又稱行重、列重)非常小。若校驗(yàn)矩陣H的行重、列重保持不變(或保持均勻)，則稱該LDPC碼為規(guī)則LDPC碼，反之若行重、列重變化較大，則稱其為非規(guī)則LDPC碼。研究表明正確設(shè)計(jì)的非規(guī)則LDPC碼性能要優(yōu)于規(guī)則LDPC碼性能。
LDPC碼除了用稀疏校驗(yàn)矩陣表示外，另一重要表示就是Tanner圖，如下圖所示。Tanner圖中，當(dāng)一條路徑的起始節(jié)點(diǎn)和終止節(jié)點(diǎn)重合時(shí)形成的路徑是一條回路，稱之為環(huán)，環(huán)所對(duì)應(yīng)的路徑長(zhǎng)度稱為環(huán)長(zhǎng)，圖中所有環(huán)中路徑長(zhǎng)度最短的環(huán)長(zhǎng)為Tanner圖的周長(zhǎng)。當(dāng)采用迭代置信傳播譯碼時(shí)，短環(huán)的存在會(huì)限制LDPC碼的譯碼性能，阻止譯碼收斂到最大似然譯碼MLD。因此，LDPC碼的Tanner 圖上不能包含短環(huán)，尤其是長(zhǎng)為4的環(huán)。
