5G信道编码技术及其标准化

　　现在通信系统架构所示，信源编码对于模拟信号，功能是实现模拟信号的数字化传输，而如果信源输出的是数字信号，其作用是提高数字信号传输的有效性，去掉冗余度和压缩原始信号的数据速率。信道编码则主要解决数字通信的可靠性问题，对信号按一定的规则加入一些冗余码元，以便在接收端对信号进行检错和纠错，从而降低差错概率，提高正确识别信号的能力，提高通信的可靠性，是保证信息高效、可靠传输的关键步骤。

　　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。

　　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[1]，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，如图2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。

　　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[2]，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。信道计划过程如图3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。

　　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）。

　　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表1所示。

　　表1 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表2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[3]。

　　表 2 3GPP会议投票梳理

　　来源：科技快报网[4]

    参考文献：

　　[1] Theory I P G O I. IRE transactions on information theory[M]. Professional Group on Information, Institute of Radio Engineers, 1955.

　　[2] Sarkis G, Giard P, Vardy A, et al. Fast Polar Decoders: Algorithm and Implementation[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2014, 32(5): 946-957.

　　[3] Polar码成为5G新的控制信道编码[J]. 上海信息化, 2016, (12): 87-88.

　　[4] 科技快报网 [M], http://tele.ofweek.com/2018-05/ART-8320501-8120-30231709.html.

　　作者：范慧芳 橘子科普团队 华为技术有限公司研发工程师

　　审稿人：北京工业大学教授 科普中国特聘专家 于乃功