信道编码与交织处理技术优化方案

在实际移动通信信道上传输数字信号时，由于信道传输特性的不理想及噪声的影响，所收到的数字信号不可避免地会发生错误。引入信道编码用来纠正随机独立差错，对传输信息实现再次保护。

（一）信道编码技术

1.信道编码的意义

信道编码是在传输信息码元中加入的多余码元即监督（或校验）码元的过程，克服信道中的噪声和干扰造成的影响，保证通信系统的传输可靠性。

2.信道编码的方式

信道编码的方式根据不同的分法有不同的编码方式，具体见表2.1。

表2.1　信道编码的方式

3.典型的信道编码

1）线性分组码

线性分组码一般是按照代数规律构造的，故又称为代数编码。线性分组码中的分组是指编码方法是按信息分组来进行的，而线性则是指编码规律即监督位（校验位）与信息位之间的关系遵从线性规律。线性分组码一般可记为（n，k）码，即k位信息码元为一个分组，编成n位码元长度的码组，而n-k位为监督码元长度。

例：最简单的（7，3）线性分组码：

这种码信息码元以每3位一组进行编码，即输入编码器的信息位长度k＝3，完成编码后输出编码器的码组长度为n＝7，监督位长度n-k＝7-3＝4，编码效率η＝k/n＝3/7。

若输入信息为u=（u1,u2,u3），输出码元记为c=（c0,c1,c2,c3,c4,c5,c6），则其（7，3）线性分组码的编码方程为：

由式2.1可知，输出的码组中，前三位码元就是信息位的简单重复，后四位码元是监督位，它是前3个信息位的线性组合构造而成的。

2）循环码

循环码是一种非常实用的线性分组码。目前一些主要的有应用价值的线性分组码均属于循环码。其主要特征是：循环推移不变性；对任意一个n次码多项式唯一确定。常用的循环码有：在每个信息码元分组k中，仅能纠正一个独立差错的汉明（Hamming）码；可以纠正多个独立差错的BCH码；仅可以纠正单个突发差错的Fire码；可纠正多个独立或突发差错的RS码。

3）卷积码

卷积码是将k个信息比特编成n个比特的码组，但k和n通常很小，特别适合以串行形式进行传输，时延小。与分组码不同，卷积码是一种有记忆编码，以编码规则遵从卷积运算而得名。卷积编的形式一般可记为（n，k，m）码。其中，k表示每次输入编码器的位数；n则为每次输出编码器的位数；m则表示编码器中寄存器的节（个）数。正是因为每时刻编码器输出n位码元，这不仅与该时刻输入的k位码元有关，而且还与编码器中m级寄存器记忆的以前若干时刻输入的信息码元有关，所以称它为非分组的有记忆编码。

卷积码是在信息序列通过有限状态移位寄存器的过程中产生的。通常移位寄存器包含N级（每级k比特），并对应有基于生成多项式的m个线性代数方程。输入数据每次以k位（比特）移入移位寄存器，同时有n位（比特）数据作为已编码序列输出，编码效率为η＝k/n。参数N称为约束长度，它指明了当前的输出数据与多少输入数据有关，N决定了编码的复杂度和能力大小。

卷积编码的实现是通过卷积编码器完成，卷积编码器的一般结构如图2-5所示。

卷积码的译码技术有很多种，而最重要的是维特比（Viterbi）算法，它是一种关于解卷积的最大似然译码法。这个算法是首先由A.J.Viterbi提出来的。卷积码在译码时的判决既可用软判决也可用硬判决实现，不过软判决比硬判决的特性要好2～3 dB。

图2-5　卷积编码器的一般结构

4）Turbo码

Turbo码又称并行级联卷积码，Turbo是英文中的前缀，是指带有涡轮驱动；Turbo码即有反复迭代的含义。它巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，实现了随机编码的思想；同时，采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码的性能。模拟结果表明，其抗误码性能十分优越。

Turbo码的主要特性：通过编码器的巧妙构造，即多个子码通过交织器进行并行或串行级联，然后进行迭代译码，从而获得卓越的纠错性能；用短码去构造等效意义上的长码，以达到长码的纠错性能而减少译码复杂度。

典型的Turbo码编码器由交织器、开关单元以及复接器和两个相同的分量编码器组成，其结构如图2-6所示。

图2-6　Turbo码编码器的典型结构(www.xing528.com)

Turbo码被确定为第三代移动通信系统（IMT-2000）的信道编码方案之一。其中最具代表性的3GPP的WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三个标准中的信道编码方案也都使用了Turbo码，用于高速率、高质量的通信业务。

5）ARQ与HARQ

ARQ（自动请求重传）是一类实现高可靠性传输的检错重传技术，传输可靠性只与接收端的错误检验能力有关，但需要提供反馈信道，它无须复杂的纠错设备，实现相对简单，有效性较低，同时传输的时延较大。在3G移动通信业务中，分组数据业务的迅速增长，对分组数据业务提出了更高要求，和语音业务比较存在差异：分组数据业务的误码有要求严格，对时延要求不严格，分组数据业务中大部分是非实时业务。对移动分组数据业务引入ARQ机制比较合适且可行。

HARQ（混合型ARQ）技术是将ARQ和FEC两者结合起来，通过二者结合优势互补，增强信道的纠错能力。HARQ分为第一类HARQ和第二类HARQ。第一类HARQ是基于校验位的，不论信道状态如何，每次都发送同样纠错能力的完整码字，在信道状态较好时，校验部分对带宽是一种浪费；在信道状态差时，也许已有校验位又不够，因此第一类HARQ对信道的适应性不好。第二类HARQ是根据信道状态改变传输内容，而且只有当信道状态不太好时才会提供校验部分，它对信道具有一定的自适应特性。在需要发送校验部分时，首先尝试发送纠错能力较低的码，若错误超出其纠错能力，则重传时发送新的校验位信息，在接收端将该校验信息与先前接收的部分合成具有更强纠错能力的码。第二类HARQ适应无线环境条件较差的移动通信信道。

（二）交织处理技术

1.交织处理的意义

交织处理是将数据流在时间上进行重新处理的过程。信号在实际移动通信环境下衰落时，通过交织处理将数字信号传输的突发性差错转换为随机错误，再用纠正随机差错的编码（FEC）技术消除随机差错，改善移动通信的传输特性。

2.交织处理的实现

交织处理方式有块交织、帧交织、随机交织、混合交织等。这里仅介绍块交织实现的基本过程。假设输入序列为：c11c12c13…c1nc21c22c23…c2n…cm1cm2cm3…cmn。

（1）把输入信息分成m行，m称为交织度，每行都有n个码元的分组码，称它为行码，并且每个行码都是具有K位信息和t位纠错能力的分组码{n,k,t}，简记为{n,k}，该分组码的冗余位为n－k。

（2）将它们排列成如图2-7所示的阵列：

图2-7　交织阵列示意图

（3）输出时，规定按列的顺序自左至右读出，这时的序列就变为：

（4）在接收端，将上述过程逆向重复，即把收到的序列按列写入存储器，再按行读出，就恢复成原来的m行（n，k）分组码。

【例题】设计一个8×7交织器以后，让8个（7，4）分组码经过交织器后输出到信道，进行传输。在信道传输的过程中，如果发生一个长度小于8 bit的突发差错，在接收端解交织以后，错误比特将分摊在多个码字上，每码字仅一个差错，在分组码的纠错范围以内，突发差错可以完全纠正过来。该交织器工作过程如图2-8所示。

图2-8　交织器的工作过程

（三）信道编码应用

信道编码、交织处理技术在GSM、IS-95CDMA、第三代移动通信系统中都获得了广泛的应用。

1.GSM系统的信道编码

为了保证信息准确地在信道中传输，话音编码器有两类输出比特，对话音质量有显著影响的“1类”比特有182个，这182个比特连同3个奇偶校验比特和4个尾部比特共同经过一个1/2速率卷码保护处理，产生378个比特信息；另外有“2类”比特78个，是不需要经过保护的比特组，最后这两类比特复合成456个比特，速率为456/20 ms＝22.8 kb/s，最后采用交织技术分离由衰落引起的长突发错误，以改造突发信道为独立错误信道，过程如图2-9所示。

图2-9　GSM系统中信道的基本编码方式

2.IS-95CDMA系统的信道编码

在IS-95CDMA系统中，分为上下行各种不同类型信道，信道的基本编码方案涉及三个方面：前向纠错码、符号重复和交织编码。信道的基本编码过程如图2-10所示，首先进行卷积编码实现前向纠错码（FEC），再进行符号重复统一至相同的符号速率，最后进行交织处理，完成信道编码处理环节。

图2-10　IS-95CDMA系统中的信道编码过程

3.3G系统中的信道编码

3G移动通信的三大主流技术同时采用了卷积码和Turbo码两种纠错编码。在高速率、对译码时延要求不高的辅助数据链路中，使用Turbo码以利用其优异的纠错性能；在语音和低速率、对译码时延要求比较苛刻的数据链路中使用卷积码，在其他逻辑信道如接入、控制、基本数据、辅助码信道中也都使用卷积码。