赶紧看看!华为工程师纯技术解读5G编码标准

2018-07-03 13:33 出处:爱尚生活网 作者:阿贵

  在通信系统架构中,信源编码的功能是实现模拟信号的数字化传输,而信道编码则主要解决数字通信的可靠性问题。提高正确识别信号的能力和通信的可靠性,是保证信息高效、可靠传输的关键步骤。5G信道编码技术究竟是怎么回事?本文告诉你。

  著名的“香农公式”

  在通信领域有一个重要的人物,即香农,其提出并严格证明了“在被高斯白噪声干扰的信道中,计算最大信息传送速率C公式:

  式中:B是信道带宽(赫兹),S是信号功率(瓦),N是噪声功率(瓦)。该式即为著名的香农公式。香农定理指出,在有噪声环境下,数据传输的最大速率,是通信理论基础和科学依据,也是近代信息论的基础。

  现代通信系统模型

  3GPP(第三代合作伙伴计划)是移动通信领域的国际标准化组织,其定义了5G三大应用场景:增强移动宽带(eMBB)、大规模机器通信(mMTC)和低时延高可靠通信(URLLC)。其中,eMBB场景对应的是3D/超高清视频等大流量移动宽带业务,其技术指标中峰值速率达20Gbit/s;mMTC场景对应的是大规模物联网业务,其连接数密度达到106设备/km2;URLLC场景对应的是无人驾驶、工业自动化等需要低延时、高可靠性连接的业务,其时延低至1 ms。eMBB是传统移动通信场景的扩展,而mMTC和URLLC是5G移动通信的新型场景。因此,目前三大场景的标准化研究中,eMBB场景的成果较多。

  一、5G信道编码技术

  对于5G移动通信而言,信道编码与多址接入技术、多输入多输出(MIMO)技术一起构成5G空中接口的三大关键技术,成为国际组织、各大公司讨论、布局的热点。2016年5G的标准化进程中,信道编码方案成为讨论的热点。为此,本文针对5G的三种信道编码技术做出了详细介绍。

  1. 低密度奇偶校验码—LDPC码

  LDPC码是由MIT的教授Robert Gallager在1962年提出,理论研究表明:1/2码率的LDPC码在BPSK调制下的性能距香农极限仅差0.0045dB,是目前距香农极限最近的纠错码,也是最早提出的逼近香农极限的信道编码。

  LDPC码是一种具有稀疏校验矩阵的线性分组码,它的特征完全由其奇偶校验矩阵决定。相对于行、列的长度,校验矩阵每行、列中非零元素的数目(又称行重、列重)非常小。若校验矩阵H的行重、列重保持不变(或保持均匀),则称该LDPC码为规则LDPC码,反之若行重、列重变化较大,则称其为非规则LDPC码。研究表明正确设计的非规则LDPC码性能要优于规则LDPC码性能。

  LDPC码除了用稀疏校验矩阵表示外,另一重要表示就是Tanner图,如下图所示。Tanner图中,当一条路径的起始节点和终止节点重合时形成的路径是一条回路,称之为环,环所对应的路径长度称为环长,图中所有环中路径长度最短的环长为Tanner图的周长。当采用迭代置信传播译码时,短环的存在会限制LDPC码的译码性能,阻止译码收敛到最大似然译码MLD。因此,LDPC码的Tanner 图上不能包含短环,尤其是长为4的环。

  (7,4)线性分组码的Tanner图

  通常有两类LDPC码,一类是随机码,它由计算机搜索得到,优点是具有灵活的结构和良好的性能。但是,长的随机码通常由于生成矩阵没有明显的特征,因而编码复杂度高。另一类是结构码,它由几何、代数和组合设计等方法构造。随机方法构造LDPC码的典型代表有Gallager和Mackay,用随机方法构造的 LDPC码的码字参数灵活,具有良好性能,但编码复杂度与码长的平方成正比。后续,提出采用几何、图论、实验设计、置换方法来设计LDPC编码,极大地降低了编码的复杂度,使编码复杂度与码长接近线性关系。

  2. 极化码—Polar码

  Polar码是由土耳其比尔肯大学教授E. Arikan在2007年提出,2009年开始引起通信领域的关注。Polar码是一种新的信道编码方案,它是基于信道极化理论提出的一种线性分组码。理论上,它在低译码复杂度下能够达到信道容量且无错误平层,而且当码长N增大时,其优势会更加明显。

  信道极化理论是Polar编码理论的核心,包括信道组合和信道分解部分。信道极化过程本质上是一种信道等效变换的过程。信道计划过程如下图所示,当组合信道的数目趋于无穷大时,则会出现极化现象:一部分信道将趋于无噪信道,另外一部分则趋于全噪信道,这种现象就是信道极化现象。无噪信道的传输速率将会达到信道容量I (W),而全噪信道的传输速率趋于零。Polar码的编码策略正是应用了这种现象的特性,利用无噪信道传输用户有用的信息,全噪信道传输约定的信息或者不传信息。

  信道极化过程示意图

  根据上述信道极化理论,Polar码选择I (W )接近于1的完全无噪声比特信道发送信源输出的K位信息比特,而在I (W)接近于0的全噪声比特信息上发送(N-K)位冻结比特。通过这种编码构造方式,保证了信息集中在较好的比特信道中传输,从而降低了信息在信道传输过程中出现错误的可能性,保证了信息传输的正确性。

  3. Turbo码

  Turbo码是由法国科学家C.Berrou和A.Glavieux发明。从1993年开始,通信领域开始对其研究。随后,Turbo码被3G和4G标准采纳,开始了长达十几年的统治。

  Turbo码由两个二元卷积码并行级联而成。Turbo编译码器采用流水线结构,其编译码基本思想是,采用软输入/软输出的迭代译码算法,编码时将短码构成长码,译码时再将长码转为短码。Turbo码的编码结构如图所示。Turbo编码器的结构包括两个并联的相同递归系统卷积码编码器,二者之间用一个交织器分隔。编码器Ⅰ直接对信源的信息序列分组进行编码,编码器Ⅱ为经过交织器交织后的信息序列分组进行编码。编码的全过程是,信息位一路直接进入复接器,另一路经两个编码器后得到两个信息冗余序列,再经恰当组合,在信息位后通过信道。为了使编码器初始状态置于全零状态,需在信息序列后添加mbit尾信息(未必全是0);但由于交织器的存在,编码器Ⅱ在数据块结束时不能回到零状态(要使两个编码器同步置零,必须设计合适的交织器)。

  Turbo码编码原理图

 

  二、标准化进展

  2016年10月的里斯本会议以及11月的里诺会议上针对eMBB应用场景讨论了信道编码方案,候选编码方案有美国主推的LDPC码、中国主推的Polar码以及法国主推的Turbo码。而编码应用主要集中在两类信道:数据信道,控制信道。数据信道用来传输数据,如视频业务,控制信道用于传输控制信令等信息,如寻呼信令。数据信道编码所需要的码长范围远远大于控制信道,且数据信道编码需要支持高速率数据传输,因此,又有长码和短码之分,而控制信道由于对码长有限制,即不超过100bit,因此,控制信道只有短码。两者码块信息比特长度的大致范围如下表所示。

  

数据信道和控制信道码块信息比特长度范围

  最终会议达成结果如下表所示,确定将LDPC码作为eMBB数据信道的编码方案,Polar码作为eMBB控制信道的编码方案进入了5G后续的标准化讨论。

  

3GPP会议投票梳理(来源:科技快报网)