信道编码在现代通信系统中的应用

一、卫星通信中的差错控制机制

卫星通信系统以很远的距离传送数器，由于衰落、噪声和干扰等的影响，信号在传输过程中将产生严重的畸变。这就要求信号应具有尽可能大的能量，但是，由于卫星体积和载重等的限制，不可能给信号提供太大的能量，这样，就要求采用具有很强纠错能力的差错控制方法以保证误码率在允许的范围之内。为实现强大的纠错能力，除了构造所谓“好码”之外，还要求译码时采用最大似然译码算法。同时，由于卫星通信信道具有充足的带宽，因此在进行调制方式时，允许采用研究的比较透彻的低频谱的利用率的二进制调制方式。卫星信道充足的带宽允许系统以较低的码速率传输数据，这样，数据之间的符号干扰可以忽略，信道引入的加性嗓声和干扰可以用高斯白噪声来模拟，并且这种噪声在符号之间是相互独立的。所以，卫星信道基本上是无记忆高频白噪声信道(AWGN)，在选择卫星通信系统的差错控制方式时，首先考虑的是纠正随机性错误，有时也要考虑纠正突发性的错误。

在卫星ATM 宽带网络中，普遍采用Ku或Ka波段，降雨和大气吸收衰减的增加将弓I起突发错误，而卫星信遭中存在的各种干扰噪声也会造成随机错误，这使得卫星信道质量远远低于光纤链路质量。ATM对卫星通信的接入、效率、互操作和费用产生很大影响，尤其是当技术已成熟且所有性能都被很好利用的时候。

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目前，ATM技术并没有完全成熟。未来的发展主要由一些新的业务和带宽增加业务需求决定，ATM技术会继续发展，业务和拥塞控制技术需进一步研究开发，与现有的网络的综合技术也有待进一步研究。ATM业务和拥塞控制的作用是根据信元损失率，信元延时，和信元延时变化得到相应的性能。如果相应业务的QoS不能满足，这个连接将被拒绝。对于一个确定的QoS业务要想知道可用的信道容量也不是容易的事情，另外，通过卫星通信链路满足业务QoS的要求只是问题的一部分。主要问题是有关满足端对端业务QoS的要求。与业务拥塞控制和QoS确定的有关问题是很复杂的，它需要ATM技术与现有不支持业务优先级和基于QoS业务与拥塞控制网络相结合。这对于通过卫星链路的传输显得尤其重要，因为这种结合是相对低传输速率和大延时链路与ATM的结合。

在卫星ATM 宽带网络中，差错控制主要有三种方法，分别是选择性重发协议（SRQ）、前向差错控制（FEC）、多站分集的自动反馈重发。

1、选择性重发协议：在长时延的卫星链路上进行差错控制，为了提高吞吐量，必然要使用滑动窗口协义。在滑动窗口协议中，处理出错帧有2种方法：后退协议和SRQ协议。后退协议在检测到出错帧时，只是简单地把后面的帧全部弃掉，不发确认，发送端超时将从丢弃的帧开始重发所有未确认的帧。SRQ协议则把坏帧后面所有正确的帧都存储起来，发送端只是重发损坏的帧。

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SRQ协议主要优点是只重传出错的帧，这可节省卫星链路的带宽，效率较高；缺点是实现较复杂并且对内存敏感。在差错率较高的情况下，这需要占用较大的内存来存储后续正确的帧。由于需要重传，使用SRQ协议时延将增大并且会发生变化，固此．SRQ协议不适用于恒定比特率(CBR)业务。

2、前向差错控制（FEC）：FEC是指在发送端对所传信息进行编码，而在接收端能根据编码原理自动纠正一定程度传输差错的差错控制方式。在卫星ATM宽带网络中，FEC机制可以应用于物理层、AAL层及高层。应用于物理层的FEC不能对信元丢失进行纠正，而应用于高层的FEC在不能纠正差错的情况下．通过使用其它纠锗方法进行差错恢复所需的等待时间将增大，从而造成吞吐量下降。与选择性重发协议相比，FEC所需的开销较大。它的优点是时延较短，并且时延是固定的，因此FEC要比SRQ更适用于话音或其它实时性业务。

3、多站分集的自动反馈重发：在卫星通信领域，分集是提高链路可靠性和减小功率需求最常用的一种方法，在适当的信道条件下，它也是一种强有力的差错控制技术。在卫星ATM 网络中，多站广播相当于一种空间分集，在各站下行链路噪声受限和AWGN过程相互独立的条件下，产生分集增益是可能的。卫星ATM 网络中利用多站分集的自动反馈重发进行差错控制的概念是，各地面站收到ATM 多点广播的信息后一旦检测到PDU出错，它将发送ARQ请求给同处于多点广播范围内互连的地面站，以便

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在本地环境中进行差错恢复，若仍有错则通过反向链路请求重发。这种自适应差错控制方式与传统的卫星差错控制方式相比较，它能完全配合ATM 协议及其差错控制参数随业务类型的不同而自适应变化，非常适合于多媒体业务和高速数据传送的需要。因此，它是实现卫星ATM宽带网络的重要保证。

近年来卫星通信新技术的发展层出不穷，各种技术都受到了人们广泛的关注和应用。卫星通信也是未来全球信息高速公路的重要组成部分。它以其覆盖广、通信容量大。通信距离远、不受地理环境限制、质量优、经济效益高等优点,1972年在我国首次应用,并迅速发展,与光纤通信、数字微波通信一起,成为我国当代远距离通信的支柱。卫星通信的应用领域不断扩大，相应的高新技术也不断的创新和发展，而在卫星通信的过程中的差错控制更显得尤为重要。如今差错控制技术已成功的应用于卫星通信和数据信中，从而在推动卫星通信和数据通信的发展上发挥的巨大的作用。

二、移动通信中纠错编码技术

移动通信的强大魅力之所在就是它能为人们提供了固话所

不及的灵活、机动、高效的通信方式，非常适合信息社会发展的需要。但同时，这也使移动通信系统的研究、开发和实现比有线通信系统更复杂、更困难。实际上，移动无线信道是通信中最恶劣、最难预测的通信信道之一。由于无线电波传输不仅会随着传播距离的增加而造成能量损耗，并且会因为多径效应、多普勒频

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移和阴影效应等的影响而使信号快速衰落，码间干扰和信号失真严重，从而极大地影响了通信质量。为了解决这些问题，人们不断地研究和寻找多种先进的通信技术以提高移动通信的性能。特别是数字移动通信系统出现后，促进了各种数字信号处理技术如纠错编码技术的发展。

（一） 模拟移动通信系统中数字信令的BCH编码

模拟蜂窝系统中，业务信道主要是传输模拟FM电话以及少量模拟信令，因此未应用数字处理技术。而控制信道均传输数字信令，并进行了数字调制和纠错编码。以英国系统为例，采用FSK调制，传输速率为8kb/s。基站采用的是BCH（40，28）编码，汉明距离d =5, 具有纠正2位随机错码的能力。之后重发5次，以提高抗衰落、抗干扰能力；移动台采用了BCH（48，36）进行纠错编码，汉明距离d =5，可纠正2个随机差错或纠正1个及检测2个差错,然后也是重复5次发送。上述纠错编码是提高数字信令传输可靠性必需的，也是行之有效的。 （二）窄带CDMA系统(IS-95)中的FEC编码

CDMA系统是个自干扰的系统，因此FEC编码在对抗多用户干扰（MUI）和多径衰落非常重要。CDMA（IS-95）系统的纠错编码是分别按反向链路和前向链路来进行设计的，主要包括卷积编码、交织、CRC校验等。现分述如下：

前向链路中除导频信道外，同步信道、寻呼信道和前向业务信道中的信息在传输前都要先进行（2，1，9）的卷积编码，卷

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积码的生成函数为go=（111101011）和g1=（101110001）；接着，同步信道的符号流要经过1次重发，然后进行16*8的块交织；业务和寻呼信道的速率为4.8kbps/2.4kbps/1.2kbps符号流，分别进行1/3/7次重发（9.6kbps数据流不必重发），然后再进行24*16的块交织。

反向链路包括业务信道和接入信道，考虑到移动台的信号传播环境，增加编码长度，对信息进行（3，1，9）的卷积码。其生成函数为：g0=（101101111），g1=（110110011）和g2=（111001001）。然后，接入信道经过一次重发后，进行32*18交织；反向业务信道以同前向一样的方式进行重发，再进行32*18的交织。

如果整体考虑纠错编码和扩频调制，则可把扩频看作内码，而信道编码视作外码。以后向链路为例，编码交织后是64阶正交Walsh函数扩频，然后是被周期为2 -1的长码直接序列扩频。

接收端经相干或不相干Rake接受机进行分集接收后，系统码字（信息比特）就可以用相关的最大值或相关矢量的最大值表示。接着送到解交织器和外部SOVA Viterbi译码器。

（三）3G中的Turbo码

Turbo码又叫并行级联卷积码，由Berrou,Glavieux 和Thtimajshima 1993年首次提出。Turbo码编码器通过交织器把两个递归系统卷积码并行级联，译码器在两个分量码译码器之间进行迭代译码，译码之间传递去掉正反馈的外信息，整个译码过程

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类似涡轮（turbo）工作，所以又形象的称为Turbo码。 编码器的输出端包括信息位和两个校验位，这样代表编码速率1/3。轮流删除两个校验位就可以得到码率是1/2的码。用不同的校验位生成器或者不同的删除方式就可以得到各种不同速率的Turbo码。伪随机交织器对信息系列进入第二个校验位生成器之前进行了重排列。迭代译码是Turbo码性能优异的一个关键因素，如上图所示，DEC1和DEC2分量译码器分别采用MAP或者SOVA算法。MAP（最大后验概率）算法比Viterbi算法在复杂度上多3倍，对于传统卷积码只有0.5dB的增益，但是在Turbo码译码器中，它对每一比特给出了最大的MAP估计，这一点在低SNR情况下的迭代译码是至关重要的因素。一般在应用中，都采用对数化的MAP算法，即LOG-MAP算法，将大部分的乘法运算转化为加法运算，既减小了运算复杂度，又便于硬件实现。

（三）4G中的OFDM码

无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成多个正交子信道，然后将高速数据信号转换成多个并行的低速子数据流，调制到每个信道的子载波上进行窄带传输。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道可以看成平坦性衰落，从而可以消除信道波形间的干扰。

由于OFDM是一种多载波调制技术，OFDM系统采用正交方法来区分不同子载波，子载波间的频谱可以相互重叠，这样不

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但减小了子载波间的相互干扰，同时又极大地提高了频谱利用率。

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