信道編碼在現代通信系統中的應用

1、信道編碼在現代通信系統中的應用一、衛(wèi)星通信中的差錯控制機制衛(wèi)星通信系統以很遠的距離傳送數器，由于衰落、噪聲和干擾等的影響，信號在傳輸過程中將產生嚴重的畸變。這就要求信號應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。為實現強大的糾錯能力，除了構造所謂“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制方式。衛(wèi)星信道充足的帶寬允許系統以較低的碼速率傳輸數據，這樣，數據之間的符號干擾

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 寬帶網絡中，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)星信道質量遠遠低于光纖鏈路質量。ATM對衛(wèi)星通信的接入、效率、互操作和費用產生很大影響，尤其是當技術已成熟且所有性能都被很好利用的時候。目前，ATM技術并沒有完全成熟。未來的發(fā)展主要由一些新的業(yè)務和帶寬增加業(yè)

3、務需求決定，ATM技術會繼續(xù)發(fā)展，業(yè)務和擁塞控制技術需進一步研究開發(fā)，與現有的網絡的綜合技術也有待進一步研究。ATM業(yè)務和擁塞控制的作用是根據信元損失率，信元延時，和信元延時變化得到相應的性能。如果相應業(yè)務的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QoS的要求只是問題的一部分。主要問題是有關滿足端對端業(yè)務QoS的要求。與業(yè)務擁塞控制和QoS確定的有關問題是很復雜的，它需要ATM技術與現有不支持業(yè)務優(yōu)先級和基于QoS業(yè)務與擁塞控制網絡相結合。這對于通過衛(wèi)星鏈路的傳輸顯得尤其重要，因為這種結合是相對低傳輸速率和

4、大延時鏈路與ATM的結合。在衛(wèi)星ATM 寬帶網絡中，差錯控制主要有三種方法，分別是選擇性重發(fā)協議（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義。在滑動窗口協議中，處理出錯幀有2種方法：后退協議和SRQ協議。后退協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協議主要優(yōu)點是只重傳出錯的幀，這可節(jié)省衛(wèi)星鏈路的帶寬，效率較高；缺點是實現較復雜并且對內存敏感。在差

5、錯率較高的情況下，這需要占用較大的內存來存儲后續(xù)正確的幀。由于需要重傳，使用SRQ協議時延將增大并且會發(fā)生變化，固此SRQ協議不適用于恒定比特率(CBR)業(yè)務。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寬帶網絡中，FEC機制可以應用于物理層、AAL層及高層。應用于物理層的FEC不能對信元丟失進行糾正，而應用于高層的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所需的等待時間將增大，從而造成吞吐量下降。與選擇性重發(fā)協議相比，FEC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，

6、因此FEC要比SRQ更適用于話音或其它實時性業(yè)務。3、多站分集的自動反饋重發(fā)：在衛(wèi)星通信領域，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，在適當的信道條件下，它也是一種強有力的差錯控制技術。在衛(wèi)星ATM 網絡中，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，產生分集增益是可能的。衛(wèi)星ATM 網絡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互連的地面站，以便在本地環(huán)境中進行差錯恢復，若仍有錯則通過反向鏈路請求重發(fā)。這種自適應差錯控制方式與傳統的衛(wèi)星差

7、錯控制方式相比較，它能完全配合ATM 協議及其差錯控制參數隨業(yè)務類型的不同而自適應變化，非常適合于多媒體業(yè)務和高速數據傳送的需要。因此，它是實現衛(wèi)星ATM寬帶網絡的重要保證。近年來衛(wèi)星通信新技術的發(fā)展層出不窮，各種技術都受到了人們廣泛的關注和應用。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、質量優(yōu)、經濟效益高等優(yōu)點,1972年在我國首次應用,并迅速發(fā)展,與光纖通信、數字微波通信一起,成為我國當代遠距離通信的支柱。衛(wèi)星通信的應用領域不斷擴大，相應的高新技術也不斷的創(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

8、已成功的應用于衛(wèi)星通信和數據信中，從而在推動衛(wèi)星通信和數據通信的發(fā)展上發(fā)揮的巨大的作用。二、移動通信中糾錯編碼技術 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的研究、開發(fā)和實現比有線通信系統更復雜、更困難。實際上，移動無線信道是通信中最惡劣、最難預測的通信信道之一。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、多普勒頻移和陰影效應等的影響而使信號快速衰落，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以提高移動

9、通信的性能。特別是數字移動通信系統出現后，促進了各種數字信號處理技術如糾錯編碼技術的發(fā)展。（一） 模擬移動通信系統中數字信令的BCH編碼模擬蜂窩系統中，業(yè)務信道主要是傳輸模擬FM電話以及少量模擬信令，因此未應用數字處理技術。而控制信道均傳輸數字信令，并進行了數字調制和糾錯編碼。以英國系統為例，采用FSK調制，傳輸速率為8kb/s。基站采用的是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、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5次發(fā)送。上述糾錯編碼

10、是提高數字信令傳輸可靠性必需的，也是行之有效的。（二）窄帶CDMA系統(IS-95)中的FEC編碼CDMA系統是個自干擾的系統，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）系統的糾錯編碼是分別按反向鏈路和前向鏈路來進行設計的，主要包括卷積編碼、交織、CRC校驗等?，F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)務信道中的信息在傳輸前都要先進行（2，1，9）的卷積編碼，卷積碼的生成函數為go=（111101011）和g1=（101110001）；接著，同步信道的符號流要經過1次重發(fā)，然后進行16*8的塊交織；業(yè)務和尋呼信道的速率為4.8kbps

11、/2.4kbps/1.2kbps符號流，分別進行1/3/7次重發(fā)（9.6kbps數據流不必重發(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。其生成函數為：g0=（101101111），g1=（110110011）和g2=（111001001）。然后，接入信道經過一次重發(fā)后，進行32*18交織；反向業(yè)務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制，則可把擴頻看作內碼，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函數擴頻，然后是被周期為2

12、 -1的長碼直接序列擴頻。接收端經相干或不相干Rake接受機進行分集接收后，系統碼字（信息比特）就可以用相關的最大值或相關矢量的最大值表示。接著送到解交織器和外部SOVA Viterbi譯碼器。（三）3G中的Turbo碼Turbo碼又叫并行級聯卷積碼，由Berrou,Glavieux 和Thtimajshima 1993年首次提出。Turbo碼編碼器通過交織器把兩個遞歸系統卷積碼并行級聯，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

13、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算法在復雜度上多3倍，對于傳統卷積碼只有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重要的因素。一般在應用中，都采用對數化的MAP算法，即LOG-MAP算法，將大部分的乘法運算轉化為加法運算，既減小了運算復雜度，又便于硬件實現。（三）4G中的OFDM碼無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而OFDM技術的主要