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)星通信中的差錯控制機制衛(wèi)星通信系統(tǒng)以很遠的距離傳送數(shù)器，由于衰落、噪聲和干擾等的影響，信號在傳輸過程中將產(chǎn)生嚴重的畸變。這就要求信號應(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， 不可能給信號提供太大的能量， 這樣，就要求采用具有很強糾錯 能力的差錯控制方法以保證誤碼率在允許的范圍之內(nèi)。為實現(xiàn)強大的糾錯能力，除了構(gòu)造所謂“好碼”之外，還要求譯碼時采用 最大似然譯碼算法。同時，由于衛(wèi)星通信信道具有充足的帶寬， 因此在進行調(diào)制方式時，允許采用研究的比較透徹的低頻譜的利 用率的二進制調(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)

2、之間的符號干擾可以忽略，信道引 入的加性嗓聲和干擾可以用高斯白噪聲來模擬，并且這種噪聲在符號之間是相互獨立的。 所以，衛(wèi)星信道基本上是無記憶高頻白 噪聲信道（AWGN），在選擇衛(wèi)星通信系統(tǒng)的差錯控制方式時，首先考慮的是糾正隨機性錯誤，有時也要考慮糾正突發(fā)性的錯誤。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)錯誤，而衛(wèi)星信遭中存在的各 種干擾噪聲也會造成隨機錯誤，這使得衛(wèi)星信道質(zhì)量遠遠低于光 纖鏈路質(zhì)量。ATM對衛(wèi)星通信的接入、效率、互操作和費用產(chǎn)生 很大影響，尤其是當技術(shù)已成熟且所有性能都被很好利用的時 候。目前，ATM技術(shù)并沒有完全成熟。未來的發(fā)展主

3、要由一些新 的業(yè)務(wù)和帶寬增加業(yè)務(wù)需求決定， ATM技術(shù)會繼續(xù)發(fā)展，業(yè)務(wù)和 擁塞控制技術(shù)需進一步研究開發(fā)， 與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)的綜合技術(shù)也有 待進一步研究。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，和信元延時變化得到相應(yīng)的性能。如果相應(yīng)業(yè)務(wù)的QoS不能滿足，這個連接將被拒絕。對于一個確定的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，通過衛(wèi)星通信鏈路滿足業(yè)務(wù)QoS的要求只是問題的一部分。主要問題是有關(guān)滿 足端對端業(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 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)先級和基于 QoS業(yè)務(wù)與擁塞控制網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。這對于通過衛(wèi)星鏈路的

4、傳輸顯 得尤其重要，因為這種結(jié)合是相對低傳輸速率和大延時鏈路與 ATM的結(jié)合。在衛(wèi)星ATM寬帶網(wǎng)絡(luò)中，差錯控制主要有三種方法，分別 是選擇性重發(fā)協(xié)議（SRQ）、前向差錯控制（FEC）、多站分集 的自動反饋重發(fā)。1、選擇性重發(fā)協(xié)議：在長時延的衛(wèi)星鏈路上進行差錯控制， 為了提高吞吐量，必然要使用滑動窗口協(xié)義。在滑動窗口協(xié)議中， 處理出錯幀有2種方法：后退協(xié)議和SRQ協(xié)議。后退協(xié)議在檢測 到出錯幀時，只是簡單地把后面的幀全部棄掉，不發(fā)確認，發(fā)送 端超時將從丟棄的幀開始重發(fā)所有未確認的幀。SRQ協(xié)議則把壞幀后面所有正確的幀都存儲起來，發(fā)送端只是重發(fā)損壞的幀。SRQ協(xié)議主要優(yōu)點是只重傳出錯的幀，這可節(jié)省

5、衛(wèi)星鏈路的帶 寬，效率較高；缺點是實現(xiàn)較復(fù)雜并且對內(nèi)存敏感。在差錯率較 高的情況下，這需要占用較大的內(nèi)存來存儲后續(xù)正確的幀。由于需要重傳，使用SRQ協(xié)議時延將增大并且會發(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、前向差錯控制（FEC）: FEC是指在發(fā)送端對所傳信息進行編碼，而在接收端能根據(jù)編碼原理自動糾正一定程度傳輸差錯 的差錯控制方式。在衛(wèi)星ATM寬帶網(wǎng)絡(luò)中，F(xiàn)EC機制可以應(yīng)用于 物理層、AAL層及高層。應(yīng)用于物理層的 FEC不能對信元丟失進 行糾正，而應(yīng)用于高層的FEC在不能糾正差錯的情況下.通過使 用其它糾鍺方法進行差錯恢復(fù)所需的等待時間將增大，從而造成吞吐量下

6、降。與選擇性重發(fā)協(xié)議相比，F(xiàn)EC所需的開銷較大。它的優(yōu)點是時延較短，并且時延是固定的，因此 FEC要比SRQ更適 用于話音或其它實時性業(yè)務(wù)。3、多站分集的自動反饋重發(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?shù)男诺罈l件下，它也是一種強有力的差錯控制技術(shù)。在衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡(luò)中，多站廣播相當于一種空間分集，在各站下行鏈路噪聲受限和AWGN過程相互獨立的條件下，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反饋重發(fā)進行差錯控制的概 念是，各地面站收到ATM多點廣播的信息后一旦檢測到 PDU出 錯，它將發(fā)送ARQ請求給同處于多點廣播范圍內(nèi)互連的地面站， 以便

7、在本地環(huán)境中進行差錯恢復(fù)， 若仍有錯則通過反向鏈路請求 重發(fā)。這種自適應(yīng)差錯控制方式與傳統(tǒng)的衛(wèi)星差錯控制方式相比 較，它能完全配合ATM 協(xié)議及其差錯控制參數(shù)隨業(yè)務(wù)類型的不 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，它是實現(xiàn)衛(wèi)星 ATM寬帶網(wǎng)絡(luò)的重要保證。近年來衛(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、不受 地理環(huán)境限制、質(zhì)量優(yōu)、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點 ，1972年在我國首次 應(yīng)用，并迅速發(fā)展，與光纖通信、數(shù)字微波通信一起，成為我國當代 遠距離通信的支柱。衛(wèi)星通信

8、的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，相應(yīng)的高新技術(shù)也不斷的創(chuàng)新和發(fā)展，而在衛(wèi)星通信的過程中的差錯控制更 顯得尤為重要。如今差錯控制技術(shù)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、移動通信中糾錯編碼技術(shù)移動通信的強大魅力之所在就是它能為人們提供了固話所 不及的靈活、機動、高效的通信方式，非常適合信息社會發(fā)展的 需要。但同時，這也使移動通信系統(tǒng)的研究、開發(fā)和實現(xiàn)比有線 通信系統(tǒng)更復(fù)雜、更困難。實際上，移動無線信道是通信中最惡 劣、最難預(yù)測的通信信道之一。 由于無線電波傳輸不僅會隨著傳 播距離的增加而造成能量損耗，并且會因為多徑效應(yīng)、多普勒頻移和陰影效應(yīng)等的影響而

9、使信號快速衰落，碼間干擾和信號失真嚴重，從而極大地影響了通信質(zhì)量。為了解決這些問題，人們不 斷地研究和尋找多種先進的通信技術(shù)以提高移動通信的性能。特別是數(shù)字移動通信系統(tǒng)出現(xiàn)后， 促進了各種數(shù)字信號處理技術(shù)如 糾錯編碼技術(shù)的發(fā)展。（一）模擬移動通信系統(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，并進行了數(shù)字調(diào)制和糾錯編碼。以英國系統(tǒng)為例，采用 FSK調(diào)制，傳輸速率為8kb/s?；静捎玫氖?BCH（ 40，28） 編碼，漢明距離d =5,具有糾正2位隨機錯碼的能力。之后重 發(fā)5次，以提高抗衰落、

10、抗干擾能力；移動臺采用了BCH（48，36）進行糾錯編碼，漢明距離 d =5，可糾正2個隨機差錯或糾 正1個及檢測2個差錯，然后也是重復(fù)5次發(fā)送。上述糾錯編碼 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)是個自干擾的系統(tǒng)，因此 FEC編碼在對抗多用 戶干擾（MUI ）和多徑衰落非常重要。 CDMA （ IS-95 ）系統(tǒng)的 糾錯編碼是分別按反向鏈路和前向鏈路來進行設(shè)計的， 主要包括 卷積編碼、交織、CRC校驗等?，F(xiàn)分述如下：前向鏈路中除導頻信道外， 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行（2，1，9）的卷

11、積編碼，卷 積碼的生成函數(shù)為 go= (111101011 )和 g1= (101110001 );接著，同步信道的符號流要經(jīng)過 1次重發(fā)，然后進行16*8的塊 交織；業(yè)務(wù)和尋呼信道的速率為 4.8kbps/2.4kbps/1.2kbps 符 號流，分別進行1/3/7次重發(fā)（9.6kbps數(shù)據(jù)流不必重發(fā)），然 后再進行24*16的塊交織。反向鏈路包括業(yè)務(wù)信道和接入信道， 考慮到移動臺的信號傳 播環(huán)境，增加編碼長度，對信息進行（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)過一次重

12、發(fā)后，進行32*18交織；反向業(yè)務(wù)信道以同前向一樣的方式進行重發(fā)，再進行32*18的交織。如果整體考慮糾錯編碼和擴頻調(diào)制，則可把擴頻看作內(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)擴頻，然后是被周期為2 -1的長碼直接序列擴頻。接收端經(jīng)相干或不相干Rake接受機進行分集接收后，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碼又叫并行級聯(lián)卷積碼，由Berrou,Glavieux 和Thtimajshima 1993年首次提出。Turbo碼編碼器通

13、過交織器 把兩個遞歸系統(tǒng)卷積碼并行級聯(lián)，譯碼器在兩個分量碼譯碼器之 間進行迭代譯碼，譯碼之間傳遞去掉正反饋的外信息，整個譯碼 過程類似渦輪（turbo ）工作，所以又形象的稱為 Turbo碼。編碼器的輸出端包括信息位和兩個校驗位，這樣代表編碼速 率1/3。輪流刪除兩個校驗位就可以得到碼率是1/2的碼。用不同的校驗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。偽隨機交織器對信息系列進入第二個校驗位生 成器之前進行了重排列。迭代譯碼是Turbo碼性能優(yōu)異的一個關(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 （最大后驗概率）算法比 Viterbi 算法在復(fù)雜度上多3倍，對于傳統(tǒng)卷積碼只有 0.5dB的增益， 但是在Turbo碼譯碼器中，它對每一比特給出了最大的 MAP估 計，這一點在低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，都采用對數(shù)化的 MAP算法，即LOG-MAP算法， 將大部分的乘法運算轉(zhuǎn)化為加法運算，既減小了運算復(fù)雜度，又便于硬件實現(xiàn)。（三）4G中的OFDM碼無線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，而