宽带移动通信中的先进信道编码技术.docx

1、宽 带 移 动 通 信 中 的先 进 信 道 编 码 技 术袁 东 风 张 海 霞 等 编 著北 京 邮 电 大 学 出 版 社北 京 内 容 简 介本 书 系 统 地 介 绍 了 接 近 香 农 限 的 好 码 T urbo 码 的 编 译 码 技 术 , 另 一 种 接 近 香 农 限 的 好 码 LDPC 码 的 编 译 码 技 术 , 多 级 编 码 调 制 技 术 , 基 于 先 进 的 信 道 编 码 技 术 的 自 适 应 调 制 与 编 码 的 实 现 方 法 , 最 后 介 绍 了 编 码 的 正 交 频 分 复 用 , 并 给 出 了 构 架 在 正 交 频 分复 用 传

2、输 技 术 上 的 新 型 的 高速 、 宽 带 移 动 信 道 编 码 技 术 的 应 用 结 果 。本 书 文 字 通顺 、 取 材 新 颖 , 可 作 为 本 科生 高 年 级 、 研 究 生 “信 道 编 码 理 论 与 技 术 ”课 程 的 教 材 或 参 考 书 , 也 可 供 在 移 动 通 信 领 域 中 从 事 研 究 与 开 发 的 工 程 技 术 人 员 参 考 。图 书 在 版 编 目 ( CIP ) 数 据宽 带 移 动 通 信中 的 先 进 信 道 编 码 技 术 / 袁 东 风 , 张 海 霞 等 编 著 . 北 京 : 北 京 邮 电 大 学 出 版 社 , 2

3、004 ISBN 7-5635-0860-0 . 宽 . . . . 袁 . . . 张 . . . . 宽 带 通 信 系 统 移 动 通 信 编 码 技 术 . TN929 .5中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 (2004 ) 第 003036 号书 名 : 宽 带 移 动 通 信 中 的 先 进 信 道 编 码 技 术编 著 : 袁 东 风 张 海 霞 等责 任 编 辑 : 李 欣 一出 版 者 : 北 京 邮 电 大 学 出 版 社 ( 北 京 市 海 淀 区 西 土 城 路 10 号 )邮 编 : 100876 电 话 : 62282185 62283578电 子

4、信 箱 : publish bupt .edu .cn经 销 : 各 地 新 华 书 店印 刷 : 北 京 市 忠 信 诚 胶 印 厂印 数 : 15 000 册开 本 : 787 mm1 092 mm 印 张 : 12 字 数 : 280 千 字版 次 : 2004 年 1 月 第 1 版 2004 年 1 月 第 1 次 印 刷ISBN 7-5635-0860-0 / TN323 定 价 : 21 . 00 元如 有 印 装 质 量 问 题 , 请 与 北 京 邮 电 大 学 出 版 社 发 行 部 联 系1 /9 ;前 言作 者 曾 于 1998 年 10 月 至 1999 年 1 月

5、受 德 国 DAAD 基 金 资 助 赴 德 国 爱 尔 兰 根 大 学 、 世 界 著 名 的 Huber 教 授 领 导 的 信 息 论 与 信 道 编 码 小 组 进 行 合 作 项 目 研 究 。 当 时 我 们 讨 论 最 多 的 一 个 问 题 是 : 自 1948 年 香 农 通 信 的 数 学 理 论 提 出 并 奠 定 了 信 道 编 码 技 术 的 基 础 以 来 , 经 过 了 50 年 的 发 展 , 直 到 1993 年 T urbo 码 的 提 出 , 香 农 限 基 本 达 到 , 这 是 否 意 味 着 以 追 求 最 佳 的 通 信 的 可 靠 性 为 目 标

6、 的 信 道 编 码 技 术 的 理 论 及 应 用 研 究 已 经 走 到 了 尽 头 ? 面 对 通 信 技 术 日 新 月 异 的 飞 速 发 展 , 作 为 通 信 系 统 整 体 结 构 一 部 分 的 纠 错 抗 干 扰 技 术 , 它 的 新 的 研 究 内 容 及 发 展 方 向 是 什 么 ? 当 时 讨 论 的 结 果 是 没 有 答 案 的 , 双 方 都 陷 入 了 茫 然 之 中 , 并 成 为 作 者 在 随 后 的 几 年 中 一 直 苦 苦 思 索 的 问 题 。2001 年 6 月 作 者 有 幸 受 国 家 留 学 基 金 资 助 , 赴 美 国 最 著 名

7、 的 学 府 之 一 密 西 根 大 学 , 在 W . Stark 教 授 领 导 的 无 线 通 信 组 从 事 合 作 研 究 工 作 。 在 那 里 , 我 聆 听 了 来 自 美 国 Notre Dame 大 学 的 D . J . Costello 教 授 的 报 告 编 码 理 论 的 诞 生 ( T he Genesis of Coding T heory) 。 他 的 报 告 系 统 地 总 结 了 自 香 农 信 息 理 论 提 出 以 来 , 信 道 编 码 理 论 及 应用 50 多 年 来 的 发 展 , 提 出 了 在 无 线 通 信 新 的 发 展 时 期 , 作

8、 为 信 道 编 码 技 术 的 新 的 研 究 领 域 和 研 究 内 容 , 为 信 道 编 码 的 理 论 及 应 用 研 究 指 明 了 继 续 前 进 的 方 向 , 使 人 耳 目 一 新 。 在 Costello 教 授 报 告 的 启 发 下 , 当 时 作 者 就 萌 生 了 写 作 本 书 的 想 法 , 试 图 尽 自 己 所 能 , 从 一 个 侧 面 , 向 工 作 在 此 领 域 的 研 究 生 们 和 工 程 师 们 展 示 当 前 信 道 编 码 技 术 的 革 命 性 变 革 与 最 新 进 展 , 认 识 和 了 解 它 的 新 的 发 展 空 间 及 研

9、究 内 容 , 沿 着 香 农 所 指 引 的 方 向 继 续 前 进 , 这 就 是 作 者 组 织 编 写 本 书 的 初 衷 。技 术 的 进 步 及 用 户 的 迫 切 需 求 是 移 动 通 信 飞 速 发 展 的 动 力 。 随 着 大 规 模 集 成 电 路 技 术 、 各 种 先 进 通 信 技 术 的 进 步 , 人 们 对 高 速 、 宽 带 移 动 传 输 信 息 提 出 了 更 高 的 要 求 。 从 第 2 代 到 第 2 .5 代 , 再 到 第 3 代 , 乃 至 第 4 代 , 这 种 迫 切 的 市 场 需 求 均 突 出 地 反 映 出 人 们 对 信 息

10、在 移 动 环 境 下 传 输 的 速 度 和 带 宽 上 的 更 高 要 求 。 而 在 高 速 、 宽 带 的 移 动 环 境 下 如 何 保 证 可 靠 地 传 输 信 息 是 我 们 今 天 面 对 的 一 个 新 的 课 题 。 在 低 速 、 窄 带 环 境 下 使 用 多 年 的 成 熟 的 信 道 编 码 技 术 如 何 在 高 速 、 宽 带 下 使 用 ? 其 性 能 如 何 ? 构 架 在 正 交 频 分 复 用 ( OFDM ) 传 输 技 术 之 上 的 先 进 信 道 编 码 技 术 有 什 么 新 的 特 点 ? 这 些 都 是 本 书 试 图 表 达的 。全 书

11、 共 6 章 。 第 1、 4 章 由 袁 东 风 编 写 ; 第 2 章 由 罗 骥 编 写 ; 第 3 章 由 张 海 刚 编 写 ; 第 52章 由 单 晓 红 编 写 ; 第 6 章 由 张 海 霞 编 写 。 全 书 由 袁 东 风 统 稿 、 主 编 。第 1 章 以 Costello 教 授 的 报 告 为 出 发 点 提 出 全 书 的 主 线 , 在 全 面 总 结 信 道 编 码 技 术 50 多 年 发 展 的 基 础 上 提 出 问 题 , 即 : 在 高 速 、 宽 带 环 境 下 可 靠 地 传 输 信 息 必 须 追 求 方 案 的 频 带 有 效 性 ; 第 2

12、 章 系 统 地 介 绍 了 接 近 香 农 限 的 好 码 T urbo 码 的 编 译 码 技 术 , 主 要 包 括 : 它 的 各 种 交 织 器 设 计 及 各 种 不 同 的 译 码 方 法 , 另 外 还 针 对 高 速 、 宽 带 传 输 环 境 介 绍 了 如 何 将 低 的 频 带 有 效 性 Turbo 码 方 案 向 高 的 频 带 有 效 性 T urbo 码 方 案 推 进 的 问 题 ; 第 3 章 系 统 地 介 绍 了 另 一 种 接 近 香 农 限 的 好 码 LDPC 码 的 编 译 码 技 术 , 主 要 介 绍 了 T ann a 图 编 码 、 和

13、乘 积 算 法 及 迭 代 译 码 方 法 ; 第 4 章 介 绍 多 级 编 码 调 制 技 术 , 它 是 不 展 宽 频 带 编 码 技 术 的 一 个 很 好 的 例 子 ; 第 5 章 介 绍 了 基 于 以 上 各 种 先 进 信 道 编 码 技 术 的 自 适 应 调 制 与 编 码 的 实 现 方 法 ; 在 本 书 的 最 后 一 章 , 也 就 是 第 6 章 , 介 绍 了 编 码 的 正 交 频 分 复 用 ; 我 们 试 图 给 出 构 架 在 正 交 频 分 复 用 ( OFDM ) 传 输 技 术 上 的 新 型 的 高 速 、 宽 带 移 动 信 道 编 码 技

14、 术 的 应 用 结 果 。本 书 可 以 作 为 本 科 生 高 年 级 、 研 究 生 “信 道 编 码 理 论 与 技 术” 课 程 的 教 材 或 参 考 书 , 也可 供 在 移 动 通 信 领 域 工 作 的 工 程 师 们 参 考 。在 本 书 思 想 的 形 成 阶 段 及 写 作 阶 段 , 曾 向 多 位 国 内 外 前 辈 及 同 行 们 请 教 过 , 并 同 他 们 进 行 过 有 益 的 讨 论 , 同 时 也 得 到 了 他 们 的 热 情 帮 助 与 支 持 , 特 此 表 示 衷 心 的 感 谢 ! 他 们 是 : J . Huber 教 授 、 Schill

15、 博 士 、 W . Stark 教 授 、 曹 志 刚 教 授 、 毕 光 国 教 授 、 吴 伟 陵 教 授 、 李 道 本 教 授 、 张 平 教 授 、 杨 义 先 教 授 、 范 平 志 教 授 、 樊 平 毅 教 授 。本 书 中 部 分 结 果 来 源 于 作 者 已 完 成 的 和 正 在 进 行 的 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 , 在 此 特 对 国 家 自 然 科 学 基 金 对 本 人 多 年 来 研 究 工 作 的 支 持 表 示 衷 心 的 感 谢 !有 关 书 中 的 缺 点 错 误 , 恳 请 广 大 读 者 批 评 指 正 。袁 东 风2003 年

16、12 月 于 济 南1 6;总 序自 无 线 电 发 明 一 个 多 世 纪 以 来 , 无 线 通 信 快 速 发 展 , 短 波 、 超 短 波 、 微 波 、 卫 星 通 信 和 移 动 通 信 等 无 线 通 信 手 段 , 在 社 会 发 展 中 发 挥 了 重 要 作 用 。 目 前 信 息 化 浪 潮 如 日 中 天 , 无线 通 信 技 术 更 是 推 波 助 澜 , 成 为 令 人 神 往 的 高 新 技 术 风 景 线 , 无 线 通 信 产 业 也 因 此 成 为 最 见 发 展 前 景 的 产 业 之 一 。由 于 无 线 接 入 互 联 网 和 无 线 多 媒 体 数

17、 据 业 务 巨 大 需 求 的 推 动 , 无 线 通 信 今 后 仍 将 持 续 快 速 发 展 。 无 线 通 信 的 目 标 是 实 现 无 所 不 在 的 通 信 , 即 任 何 人 / 物 在 任 何 时 间 和 任 何 地 点 均 能 实 现 任 何 形 式 的 相 互 通 信 。 这 时 , 无 线 通 信 系 统 能 最 大 限 度 地 利 用 频 域 、 时 域 、 码 域 、 空 域 等 各 种 资 源 , 提 供 大 容 量 通 信 能 力 , 并 支 持 高 质 量 多 种 速 率 的 多 媒 体 业 务 , 能 动 态 地 运 行 在 多 层 小 区 、 多 种 通

18、 信 环 境 和 多 种 通 信 网 络 之 中 , 自 适 应 地 为 用 户 提 供 优 质 服 务 , 实 现 一 个 多 业 务 、 多 频 段 、 多 模 式 、 多 媒 体 的 “全 球 一 网” 的 “融 合 的 无 线 环 境” 。为 了 实 现 这 一 宏 大 目 标 , 无 线 通 信 领 域 正 在 发 展 很 多 新 的 先 进 技 术 。 这 些 先 进 技 术 将 大 大 提 高 无 线 通 信 系 统 的 数 据 传 输 速 率 和 通 信 的 可 靠 性 , 增 强 系 统 功 能 , 扩 大 应 用 领 域 和 服 务 范 围 , 为 用 户 提 供 更 优

19、质 服 务 和 更 大 方 便 , 使 无 线 通 信 在 社 会 信 息 化 进 程 中 发 挥 更 大 作 用 。 可 以 预 计 , 无 线 通 信 在 未 来 将 更 加 令 人 瞩 目 和 神 往 。北 京 邮 电 大 学 出 版 社 作 为 信 息 通 信 领 域 的 专 业 出 版 社 , 为 满 足 迫 切 了 解 无 线 通 信 新 技 术 以 及 在 无 线 通 信 领 域 从 事 研 究 与 开 发 的 科 研 和 工 程 技 术 人 员 、 教 师 、 学 生 和 其 他 无 线 通 信 爱 好 者 的 需 要 , 特 邀 一 批 工 作 在 山 东 大 学 、 北 京

20、 邮 电 大 学 、 东 南 大 学 的 专 家 教 授 , 组 织 编 写 了 这 套 无 线 通 信 新 技 术 丛 书 。在 这 套 丛 书 中 , 我 们 向 大 家 呈 献 以 下 五 本 书 。 它 们 是 : 由 山 东 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 院 长 、 博 士 生 导 师 袁 东 风 教 授 主 持 写 作 , 同 时 又 适 用 于 本 科 生 教 学 使 用 的 宽 带 移 动 通 信 中 的 先 进 信 道 编 码 技 术 ; 由 北 京 邮 电 大 学 著 名 信 息 通 信 专 家 、 博 士 生 导 师 乐 光 新 教 授 担 纲 主 审 ,

21、尹 长 川 副 教 授 主 笔 的 多 载 波 宽 带 无 线 通 信 技 术 ; 由 我 国 通 信 领 域 的 著 名 学 者 、 北 京 邮 电 大 学 博 士 生 导 师 吴 伟 陵 教 授 指 导 并 由 年 轻 学 人 贺 志 强 编 写 的 无 线 通 信 中 空 时 处 理 ( 暂 定 名 ) ; 东 南 大 学 无 线 电 工 程 系 副 主 任 陈 晓 曙 教 授 撰 写 的 Ad Hoc 无 线 移 动 网 络 和 由 本 套 丛 书 主 编 、 东 南 大 学 无 线 电 工 程 系 移 动 通 信 国 家 重 点 实 验 室 博 士 生 导 师 毕 光 国 教 授 主

22、 持 撰 写 的 超 宽 带 无 线 通 信 。2这 5 本 书 详 尽 介 绍 了 当 前 无 线 通 信 领 域 中 引 人 关 注 且 蓬 勃 发 展 的 先 进 技 术 。 丛 书 的 作 者 们 长 期 活 跃 在 该 技 术 领 域 , 今 天 , 他 们 在 百 忙 中 抽 出 时 间 奉 献 了 这 套 丛 书 , 对 他 们 的 支 持 和 参 与 , 我 们 表 示 衷 心 的 感 谢 。 北 京 邮 电 大 学 出 版 社 为 这 套 丛 书 的 出 版 倾 注 了 大 量 的 精 力 , 在 此 我 们 一 并 谨 致 诚 挚 谢 意 。热 诚 欢 迎 有 关 专 家

23、和 广 大 读 者 对 丛 书 提 出 宝 贵 意 见 和 建 议 ! 我 们 将 根 据 技 术 的 发 展 和 演 变 , 增 加 一 些 受 人 关 注 、 有 更 大 需 求 的 新 书 , 不 断 丰 富 和 充 实 本 套 丛 书 。丛 书 主 编 毕 光 国 教 授2004 年 3 月 于 南 京2 .2 .6 SOVA 算 法 4 5 252 .3 各 种 信 道 中 的 码 率 与 香 农 限 及 算 法 的 简 化 262 .3 .1 二 进 制 对 称 信 道 272 .3 .2 加 性 高 斯 白 噪 声 信 道 ( AW GN ) 282 .3 .3 带 信 道 信

24、息 的 瑞 利 信 道 ( SI ) 292 .3 .4 不 带 信 道 信 息 的 瑞 利 信 道 ( NSI ) 312 .4 T urbo 码 各 种 算 法 的 比 较 332 .4 .1 硬 判 决 332 .4 .2 软 判 决 2 0 34 /9 ;目 录第 1 章 香 农 限 及 其 信 道 编 码 技 术 的 最 新 进 展1 .1 信 道 编 码 技 术 的 发 展 史 11 .2 信 道 编 码 技 术 的 最 新 进 展 91 .3 基 于 OFDM 的 高 速 信 道 编 码 技 术 10本 章 参 考 文 献 12第 2 章 Turb o 码2 .1 T urbo

25、码 的 编 码 结 构 142 .1 .1 T urbo 码 编 码 器 的 基 本 结 构 142 .1 .2 非 系 统 卷 积 码 ( NSC) 和 循 环 系 统 卷 积 码 ( RSC) 142 .1 .3 交 织 器 172 .1 .4 截 断 器 172 .2 T urbo 码 的 译 码 172 .2 .1 译 码 器 结 构 182 .2 .2 BCJR 算 法 6 192 .2 .3 MAP 算 法 1 202 .2 .4 Max- Log-MAP 算 法 3 242 .2 .5 Log- MAP 算 法 3 252 .52222 .6222 .72222 .82本第 3

26、章3 .13 .2333 .33 .43 .53 .63 .7本第 4 章4 .144444 .24444 .32 宽 带 移 动 通 信 中 的 先 进 信 道 编 码 技 术T urbo 码 的 交 织 器 36.5 .1 分 组 型 交 织 器 36.5 .2 随 机 型 交 织 器 38.5 .3 Code matched 交 织 器 39T urbo 码 的 性 能 分 析 39.6 .1 利 用 卷 积 码 分 析 性 能 界 40.6 .2 利 用 重 量 枚 举 函 数 分 析 性 能 界 41非 二 进 制 T urbo 码 43.7 .1 编 码 器 结 构 43.7 .2

27、 译 码 算 法 45.7 .3 译 码 结 构 46T urbo 码 的 应 用 47.8 .1 T urbo 码 在 第 三 代 移 动 通 信 系 统 中 的 应 用 49章 参 考 文 献 51低 密 度 校 验 码线 性 分 组 码 基 础 53低 密 度 校 验 码 的 定 义 及 编 码 55.2 .1 低 密 度 校 验 码 定 义 55.2 .2 校 验 矩 阵 的 构 造 方 法 和 矩 阵 中 的 周 期 57低 密 度 校 验 码 的 译 码 57译 码 错 误 概 率 67校 验 矩 阵 的 构 造 及 密 度 进 化 68低 密 度 校 验 码 构 成 的 高 效

28、编 码 调 制 方 案 70低 密 度 校 验 码 最 新 进 展 76章 参 考 文 献 80多 级 编 码 调 制信 道 容 量 规 则 及 不 同 集 分 割 方 案 下 的 信 道 容 量 85.1 .1 信 道 容 量 规 则 及 其 在 MLC 最 优 方 案 设 计 中 的 应 用 86.1 .2 在 A WGN 信 道 中 不 同 集 分 割 方 案 下 的 信 道 容 量 90.1 .3 在 R ayleigh 衰 落 信 道 下 采 用 三 种 不 同 集 分 割 方 案 时 的 信 道 容 量 93.1 .4 分 析 、 比 较 与 结 论 97M LC 不 同 译 码

29、方 法 在 衰 落 信 道 中 的 性 能 100.2 .1 编 码 方 案 中 分 量 码 的 选 择 100.2 .2 多 级 编 码 的 译 码 102.2 .3 MSD 及 M LC/ PDL 在 Rayleigh 衰 落 信 道 中 的 性 能 108高 效 调 制 下 MSD 的 简 化 译 码 116目 录 4 .3 .1 多 级 编 码 译 码 方 法 的 研 究 与 比 较 1164 .3 .2 映 射 方 法 与 译 码 方 法 之 间 的 关 系 1174 .3 .3 几 种 新 的 集 分 割 方 案 及 对 应 的 MSD 译 码 结 构 1194 .3 .4 仿 真

30、 结 果 1214 .4 小 结 122本 章 参 考 文 献 123第 5 章 自 适 应 传 输 与 自 适 应 信 道 编 码5 .1 自 适 应 传 输 概 述 1265 .1 .1 自 适 应 传 输 的 概 念 1265 .1 .2 自 适 应 传 输 的 研 究 历 史 和 现 状 1285 .1 .3 自 适 应 传 输 技 术 的 应 用 1295 .2 链 路 自 适 应 中 的 关 键 环 节 1295 .2 .1 衡 量 信 道 质 量 的 参 数 及 其 使 用 1295 .2 .2 信 道 估 计 1305 .2 .3 自 适 应 调 制 和 编 码 1325 .2

31、 .4 自 适 应 频 率 1375 .3 LA 中 的 两 个 问 题 1385 .3 .1 具 有 鲁 棒 性 的 自 适 应 算 法 1385 .3 .2 自 适 应 传 输 与 非 自 适 应 传 输 1405 .4 更 加 广 泛 的 研 究 兴 趣 140本 章 参 考 文 献 141第 6 章 编 码 的 正 交 频 分 复 用6 .1 无 线 移 动 信 道 1456 .1 .1 平 衰 落 信 道 1456 .1 .2 宽 带 多 径 衰 落 信 道 1466 .1 .3 无 线 移 动 信 道 的 选 择 性 衰 落 1476 .1 .4 频 率 选 择 性 信 道 149

32、6 .2 正 交 频 分 复 用 系 统 的 基 本 原 理 1546 .2 .1 OFDM 技 术 的 基 带 IFF T/ FF T 实 现 原 理 1566 .2 .2 保 护 间 隔 ( Guard In terval ) 1576 .2 .3 OFDM 的 优 缺 点 1596 .2 .4 基 于 小 波 包 正 交 多 载 波 调 制 系 统 ( WOFDM ) 1616 .3 编 码 的 正 交 频 分 复 用 系 统 1646 .3 .1 采用卷积码作 为信道编码方 案时 OFDM 系统的 BER 性能 1646 .3 .2 不 同 正 交 基 的 OFDM 的 性 能 比 较

33、 1676 .3 .3 不 同 小 波 包 作 为 正 交 基 时 的 性 能 比 较 1693666本4 宽 带 移 动 通 信 中 的 先 进 信 道 编 码 技 术.3 .4 不 同 码 参 数 的 T urbo 码 在 基 于 小 波 包 基 的 OFDM 中 的 性 能 170.3 .5 T urbo 码 和 LDPC 码 在 基 于 小 波 包 基 的 OFDM 中 的 性 能 比 较 171.3 .6 基 于 MLC 的 U EP 方 案 在 WOFDM 中 的 应 用 173章 参 考 文 献 177第 1 章香 农 限 及 其 信 道 编 码 技 术 的 最 新 进 展1 .

34、1 信 道 编 码 技 术 的 发 展 史1948 年 香 农 发 表 的 著 名 的 通 信 的 数 学 理 论 一 文 , 为 信 道 编 码 技 术 的 发 展 指 明 了 方 向 。 半 个 多 世 纪 以 来 , 伴 随 着 通 信 技 术 的 飞 速 发 展 以 及 各 种 传 输 方 式 对 可 靠 性 要 求 的 不 断 提 高 , 信 道 编 码 技 术 作 为 抗 干 扰 技 术 的 一 种 重 要 的 手 段 , 在 数 字 通 信 技 术 领 域 和 数 字 传 输 系 统 中 显 示 出 愈 来 愈 重 要 的 作 用 。 特 别 是 近 年 来 移 动 通 信 技

35、术 和 产 品 的 快 速 发 展 , 以 及 它 所 涉 及 到 的 快 衰 落 信 道 , 使 这 种 特 别 恶 劣 信 道 的 抗 干 扰 问 题 面 临 新 的 挑 战 , 也 为 信 道 编 码 技 术 提 出 了 新 的 课 题 。 经 过 了 50 多 年 的 不 懈 努 力 , 各 种 新 的 信 道 编 码 方 案 不 断 涌 现 出 来 , 性 能 离 香 农 提 出 的 最 佳 限 越 来 越 近 。 信 道 编 码 技 术 的 进 步 主 要 体 现 在 两 个 方 面 : 一方 面 是 在 功 率 有 效 性 的 性 能 上 , 人 们 高 兴 地 看 到 , 19

36、93 年 出 现 的 T urbo 码 在 BPSK 调 制 下 的 性 能 离 香 农 限 仅 有 0 .1 dB , 而 近 两 年 才 刚 刚 又 重 新 热 起 来 的 LDPC 码 在 BPSK 调 制 下 的 性 能 离 香 农 限 仅 有 0 .07 dB ; 另 一 方 面 是 在 新 方 案 的 频 率 有 效 性 的 性 能 上 , 通 过 同 高 效 调 制 的 结 合 , 使 新 方 案 在 功 率 有 效 的 同 时 更 加 频 率 有 效 ( 带 宽 有 效 ) , 以 满 足 下 一 代 移 动 通 信 高 速 宽 带 传 输 的 迫 切 要 求 。下 面 将 信

37、 道 编 码 技 术 的 发 展 从 1948 年 提 出 到 1998 年 以 每 十 年 为 一 个 阶 段 来 回 顾 一下 它 50 多 年 来 的 技 术 进 步 和 发 展 1 。 宽 带 移 动 通 信 中 的 先 进 信 道 编 码 技 术图 1 .1 给 出 了 香 农 信 道 编 码 理 论 提 出 之 前 、 没 有 信 道 编 码 时 各 种 调 制 方 案 在 加 性 高 斯 白 噪 声 ( A WGN ) 信 道 下 的 信 道 容 量 距 香 农 限 的 距 离 。 从 图 中 可 见 , 在 香 农 提 出 可 用 信 道 编 码 的 方 法 来 提 高 信 息

38、 传 输 的 可 靠 性 之 前 , 要 保 证 可 靠 地 传 输 信 息 , 我 们 有 两 个 自 由 度 可 供 选 择 : 一 是 可 提 高 系 统 的 信 噪 比 功 率 , 即 Eb/ N 0 的 值 ; 二 是 可 以 选 用 不 同 的 调 制 方式 。 例 如 , 在 信 息 传 输 的 可 靠 性 要 求 为 误 比 特 率 10 - 5 时 , BPSK 调 制 需 要 10 dB 的 信 噪 比 功 率 才 可 达 到 1 比 特 / 符 号 的 传 输 效 率 , 或 称 之 为 带 宽 有 效 性 。 此 时 , 同 香 农 限 相 比 可 见 , 有 10 d

39、B 的 空 间 是 留 给 信 道 编 码 的 , 这 意 味 着 : 当 采 用 好 的 信 道 编 码 时 , 在 BPSK 调 制 下 , 仅 用 0 dB 就 可 以 实 现 无 误 码 的 信 息 传 输 。 又 如 , 图 中 采 用 32 QAM 调 制 时 , 需 要 16 dB 的 信 噪 比 功 率 才 可 达 到 5 比 特 / 符 号 的 传 输 效 率 , 而 此 时 香 农 限 给 出 的 要 求 是 7 .5 dB , 这 意 味 着 : 当 采 用 好 的 信 道 编 码 时 , 在 32QAM 调 制 下 , 仅 用 7 .5 dB 就 可 以 实 现 无 误

40、 码 的 信 息 传 输 , 所 以 , 留 给 我 们 的 工 作 空 间 是 : 16 - 7 .5 = 8 .5 dB。 因 此 , 按 香 农 定 理 计 算 出 的 信 道 容 量 为 信 道 编 码 技 术 和 纠 错 抗 干 扰 技 术 的 发 展 指 明 了 研 究 和 发 展 的 方 向 。 半 个 多 世 纪 以来 , 信 道 编 码 界 的 研 究 者 和 学 者 们 正 是 沿 着 香 农 所 指 引 的 方 向 , 在 向 可 靠 性 极 限 香 农 限 逼 近 , 并 不 断 取 得 可 喜 的 成 果 。图 1 .1 香 农 信 道 编 码 理 论 提 出 之 前

41、 各 种 调 制 方 案 的 信 道 容 量作 为 例 子 , 图 1 .2 给 出 了 香 农 的 信 道 编 码 理 论 从 提 出 到 发 展 的 第 一 个 十 年 内 所 取 得 的 主 要 进 展 。 图 中 还 给 出 了 这 个 时 期 提 出 和 构 造 出 的 最 好 信 道 编 码 方 案 : 汉 明 码 、 格 雷 码 及 Reed- Muller 码 等 。 这 时 的 各 种 信 道 编 码 方 案 , 有 以 下 几 个 特 点 :( 1) 提 出 的 信 道 编 码 方 案 仅 适 用 于 AW GN 信 道 , 而 不 是 衰 落 信 道 , 所 以 , 所

42、有 的 码 都 是 针 对 随 机 错 误 , 而 不 是 突 发 错 误 的 。2第 1 章 香 农 限 及 其 信 道 编 码 技 术 的 最 新 进 展 图 1 .2 第 一 个 十 年 内 信 道 编 码 的 进 展( 2) 构 造 出 的 码 的 码 长 都 很 短 , 且 是 线 性 循 环 码 类 , 因 此 , 按 照 香 农 信 道 编 码 定 理 的 条 件 码 长 应 为 无 限 长 来 看 , 此 时 构 造 出 的 码 性 能 不 可 能 太 好 。( 3) 由 于 需 增 加 冗 余 位 来 实 现 抗 信 道 干 扰 , 故 使 系 统 在 性 能 提 高 的 同

43、 时 , 降 低 了 传 输 效 率 , 即 频 带 有 效 性 下 降 。 这 说 明 , 早 期 的 、 传 统 的 信 道 编 码 方 案 难 以 克 服 传 输 有 效 性 同 传 输 可 靠 性 之 间 的 这 对 矛 盾 。( 4) 所 有 码 的 译 码 都 是 采 用 的 硬 判 决 译 码 , 因 此 , 将 损 失 掉 一 定 的 软 判 决 译 码 增 益 。 由 图 1 .2 可见 , 在 带宽 有 效 性 为 1 比 特 / 符 号 的 BPSK 系 统 中 , 当 采 用 Hamming(15 , 11) 码 时 , 可 获 得 1 .4 dB 的 编 码 增 益

44、( 10 - 8 .6 = 1 .4 ) , 但 是 作 为 代 价 , 系 统 的 频 带 有 效 性 由 原 来 的 1 比 特 / 符 号 下 降 到 0 .73 比 特 / 符 号 ; 而 当 采 用 Golay(24 , 12) 码 时 , 可 获 得 2 .4 dB 的编 码 增 益 ( 10 - 7 .6 = 2 .4 ) 。 此 时 , 系 统 的 频 带 有 效 性 下 降 的 幅 度 更 大 , 由 原 来 的 1 比 特 / 符 号 下 降 到 0 .5 比 特 / 符 号 。进 入 20 世 纪 60 年 代 , 信 道 编 码 开 始 进 入 了 它 的 第 一 个

45、大 的 发 展 期 。 各 种 好 的 分 组 码 结 构 都 在 这 个 时 期 被 提 出 来 。 图 1 .3 给 出 了 第 二 个 十 年 内 信 道 编 码 的 进 展 情 况 。 由图 可 见 , 新 提 出 的 各 种 各 样 的 好 码 , 其 性 能 向 香 农 限 逼 近 的 速 度 很 快 。 如 美 国 NASA 宇航 局 在 深 空 卫 星 信 道 中 采 用 的 Pioneer 码 , 在 软 判 决 译 码 下 其 性 能 已 比 原 来 性 能 最 好 的 二 分 之 一 率 的 Golay (24 , 12 ) 码 好 了 很 多 , 其 编 码 增 益 在

46、 Golay 码 的 基 础 上 又 有 了 约 4 .9 dB 新 的 编 码 增 益 ( 7 .6 - 2 .7 = 4 .9 ) 。 也 就 是 说 , 在 信 息 传 输 的 可 靠 性 要 求 为 误 比 特 率 10 - 5 时 , 未 编 码 的 系 统 在 BPSK 调 制 下 传 输 , 需 要 10 dB 的 信 噪 比 功 率 才 可 达 到 1 比 特 / 符 号 的 传 输 效 率 , 而 当 采 用 了 Pioneer 码 进 行 差 错 控 制 以 后 , 虽 然 系 统 的 传 输 效 率 下 降 了 一 倍 , 但是 它 的 抗 干 扰 能 力 却 大 大 提

47、 高 了 , 要 达 到 同 样 的 误 比 特 性 能 其 所 需 的 信 噪 比 仅 要 2 .7 dB , 这 对 卫 星 信 道 这 种 功 率 受 限 、 频 带 不 受 限 型 信 道 的 可 靠 性 的 提 高 起 到 了 重 要 的 作 用 。 但3 宽 带 移 动 通 信 中 的 先 进 信 道 编 码 技 术是 , 同 香 农 限 相 比 , 留 给 信 道 编 码 的 空 间 仍 然 有 2 .7 dB。 在 这 个 时 期 , 作 为 一 类 循 环 码 中 的 好 码 的 BC H 码 也 得 到 了 很 快 的 发 展 , 各 种 BCH 长 码 也 显 示 出 了

48、 很 好 的 编 码 增 益 性 能 , 如 图 中 所 示 的 BC H (255 , 123 ) 码 , 同 前 十 年 提 出 的 性 能 最 好 的 Golay 码 相 比 , 在 系 统 的 频 带 有 效 性 下 降 不 大 的 情 况 下 , 又 有 了 约 2 dB 新 的 编 码 增 益 。图 1 .3 第 二 个 十 年 内 信 道 编 码 的 进 展特 别 值 得 一 提 的 是 : 在 这 个 时 期 , 也 就 是 1961 年 , M I T 的 Gallager 博 士 在 他 的 博 士 论 文 中 首 次 提 出 了 著 名 的 LDPC 码 的 思 想 。

49、虽 然 在 当 时 的 条 件 下 , 人 们 还 没 有 意 识 到 它 的 重 要 性 和 它 极 其 接 近 香 农 限 的 性 能 特 征 , 但 今 天 的 事 实 已 证 明 , 20 世 纪 60 年 代 由 Gal- lager 博 士 提 出 的 LDPC 码 是 最 接 近 香 农 限 的 好 码 之 一 , 它 的 提 出 和 近 年 来 的 应 用 向 学 术 界 宣 告 : 1948 年 由 香 农 提 出 的 、 大 批 的 学 者 专 家 们 研 究 了 半 个 多 世 纪 的 可 靠 性 传 输 的 命 题 已 被 解 决 。作 为 纠 突 发 错 误 的 、 非 二 元 的 RS 码 也 在 此 期 间 被 提 出 , 并 开 始 在 卫 星 信 道 中 采 用 。 图 1 .3 中 所 示 的 中 、 高 速 率 的 R S(64 , 32 ) 码 和 RS( 255 , 223 ) 码 与 早 期 的 Golay 码 相 比 , 不论 是 在 功 率 有 效 性 、 还 是 在 频 带 有 效 性 上 都 有 了 显