信道編碼的發(fā)展史.ppt

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1、,,信道編碼的發(fā)展史,,信道編碼,,信道編碼，也叫差錯(cuò)控制編碼，是所有現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基石。 所謂信道編碼，就是在發(fā)送端對(duì)原數(shù)據(jù)添加冗余信息，這些冗余信息是和原數(shù)據(jù)相關(guān)的，再在接收端根據(jù)這種相關(guān)性來(lái)檢測(cè)和糾正傳輸過(guò)程產(chǎn)生的差錯(cuò)。,,信道編碼,這些加入的冗余信息就是糾錯(cuò)碼，用它來(lái)對(duì)抗傳輸過(guò)程的干擾。,,信道編碼,1948年，現(xiàn)代信息論的奠基人香農(nóng)發(fā)表了通信的數(shù)學(xué)理論，標(biāo)志著信息與編碼理論這一學(xué)科的創(chuàng)立。根據(jù)香農(nóng)定理，要想在一個(gè)帶寬確定而存在噪聲的信道里可靠地傳送信號(hào)，無(wú)非有兩種途徑：加大信噪比或在信號(hào)編碼中加入附加的糾錯(cuò)碼。,,信道編碼的發(fā)展 香農(nóng)定理,但是，香農(nóng)雖然指出了可以通過(guò)差錯(cuò)控制碼在信

2、息傳輸速率不大于信道容量的前提下實(shí)現(xiàn)可靠通信，但卻沒(méi)有給出具體實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制編碼的方法。 1949年，R.Hamming 和 M.Golay提出了第一個(gè)實(shí)用的差錯(cuò)控制編碼方案。,,信道編碼的發(fā)展 香農(nóng)定理,受雇于貝爾實(shí)驗(yàn)室的數(shù)學(xué)家R.Hamming將輸入數(shù)據(jù)每4個(gè)比特分為一組，然后通過(guò)計(jì)算這些信息比特的線性組合來(lái)得到3個(gè)校驗(yàn)比特，然后將得到的7個(gè)比特送入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)按照一定的原則讀取這些碼字，通過(guò)采用一定的算法，不僅能夠檢測(cè)到是否有錯(cuò)誤發(fā)生，同時(shí)還可以找到發(fā)生單個(gè)比特錯(cuò)誤的比特的位置，該碼可以糾正7個(gè)比特中所發(fā)生的單個(gè)比特錯(cuò)誤。這個(gè)編碼方法就是分組碼的基本思想，Hamming提出的編碼方案后

3、來(lái)被命名為漢明碼。,,信道編碼的發(fā)展 漢明碼,漢明碼的編碼效率比較低，它每4個(gè)比特編碼就需要3個(gè)比特的冗余校驗(yàn)比特。另外，在一個(gè)碼組中只能糾正單個(gè)的比特錯(cuò)誤。 M.Golay研究了漢明碼的缺點(diǎn)，提出了Golay碼。 Golay碼分為二元Golay碼和三元Golay碼，前者將信息比特每12個(gè)分為一組，編碼生成11個(gè)冗余校驗(yàn)比特，相應(yīng)的譯碼算法可以糾正3個(gè)錯(cuò)誤；后者的操作對(duì)象是三元而非二元數(shù)字，三元Golay碼將每6個(gè)三元符號(hào)分為一組，編碼生成5個(gè)冗余校驗(yàn)三元符號(hào)，這樣由11個(gè)三元符號(hào)組成的三元Golay碼碼字可以糾正2個(gè)錯(cuò)誤。,,信道編碼的發(fā)展 Golay碼,Elias在1955年提出的卷積碼

4、使得無(wú)線通信性能有了跳躍式的發(fā)展，卷積碼與分組碼的不同在于：它充分利用了各個(gè)信息塊之間的相關(guān)性。 通常卷積碼記為(n,k,N)碼。卷積碼的編碼過(guò)程是連續(xù)進(jìn)行的，依次連續(xù)將每k個(gè)信息元輸入編碼器，得到n個(gè)碼元，得到的碼元中的檢驗(yàn)元不僅與本碼的信息元有關(guān)，還與以前時(shí)刻輸入到編碼器的信息元(反映在編碼寄存器的內(nèi)容上)有關(guān)。,,信道編碼的發(fā)展 卷積碼,,在卷積碼的譯碼過(guò)程中，不僅要從本碼中提取譯碼信息，還要充分利用以前和以后時(shí)刻收到的碼組。從這些碼組中提取譯碼相關(guān)信息,，而且譯碼也是可以連續(xù)進(jìn)行的，這樣可以保證卷積碼的譯碼延時(shí)相對(duì)比較小。通常，在系統(tǒng)條件相同的條件下，在達(dá)到相同譯碼性能時(shí)，卷積碼的信

5、息塊長(zhǎng)度和碼字長(zhǎng)度都要比分組碼的信息塊長(zhǎng)度和碼字長(zhǎng)度小，相應(yīng)譯碼復(fù)雜性也小一些。,,信道編碼的發(fā)展 卷積碼,,信道編碼的發(fā)展 卷積碼,,根據(jù)香農(nóng)的指示，要提高信號(hào)編碼效率達(dá)到信道容量，就要使編碼的分段盡可能加長(zhǎng)而且使信息的編碼盡可能隨機(jī)。但是，這帶來(lái)的困難是計(jì)算機(jī)科學(xué)里經(jīng)常碰到的“計(jì)算復(fù)雜性”問(wèn)題。 得益于摩爾定律，編碼技術(shù)在一定程度上解決了計(jì)算復(fù)雜性和功耗問(wèn)題。而隨著摩爾定律而來(lái)的是，1967年，Viterbi提出了Viterbi譯碼算法。,,信道編碼的發(fā)展 Viterbi譯碼算法,,在Viterbi譯碼算法提出之后，卷積碼在通信系統(tǒng)中得到了極為廣泛的應(yīng)用，如GSM、 IS-95 CDMA

6、、3G、商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。 但是，計(jì)算復(fù)雜性依然是一道邁不過(guò)的墻。盡管人們后來(lái)在分組碼、卷積碼等基本編碼方法的基礎(chǔ)上提出了許多簡(jiǎn)化譯碼復(fù)雜性的方法，但是均因無(wú)比高聳的計(jì)算復(fù)雜性之墻阻擋而變得不可逾越。 編碼專家們苦苦思索，試圖在可接受的計(jì)算復(fù)雜性條件下設(shè)計(jì)編碼和算法，以提高效率，但其增益與香農(nóng)理論極限始終都存在23dB的差距。,,信道編碼的發(fā)展 Viterbi譯碼算法,直到1993年，在日內(nèi)瓦召開(kāi)的 IEEE通信國(guó)際會(huì)議上，兩位當(dāng)時(shí)名不見(jiàn)經(jīng)傳的法國(guó)電機(jī)工程師C.Berrou和A.Glavieux聲稱他們發(fā)明了一種編碼方法，可以使信道編碼效率接近香農(nóng)極限。,Claude Berrou,,信

7、道編碼的發(fā)展 Turbo碼,憑著電機(jī)工程師的經(jīng)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)在電子學(xué)中經(jīng)常用到的反饋概念似乎被數(shù)學(xué)家們忽略。也許反饋能夠使我們繞過(guò)計(jì)算復(fù)雜性問(wèn)題，于是他們就設(shè)計(jì)了一套新的辦法。 首先他們擯棄了“純粹”的數(shù)字化概念。在典型的數(shù)字化方法中，總是先把某一電平設(shè)定為閾值。信號(hào)電平高于這一閾值就判決為“1”，低于就判決為“0”。在Turbo碼解碼過(guò)程中，某一特定比特的電平被量化為整數(shù)，例如從-127 到+127。其數(shù)值就作為判決該比特為“1”或“0”的可置信度的度量（例如-110意味該比特非常非常可能是“0”，而+40意味該比特也許是“1”但把握不大）。,,信道編碼的發(fā)展 Turbo碼,其次，與其他系統(tǒng)

8、不同，Turbo碼系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端分別設(shè)置兩個(gè)編碼器和解碼器。其中一對(duì)編解碼器對(duì)特定的一段比特流進(jìn)行奇偶校驗(yàn)碼的加入和校驗(yàn)計(jì)算，另一對(duì)編解碼器則在同一段碼流經(jīng)過(guò)交織擾動(dòng)后對(duì)其進(jìn)行上述同樣操作。,Turbo編碼器結(jié)構(gòu)。Turbo碼編碼器是由兩個(gè)或多個(gè)反饋的系統(tǒng)卷積碼編碼器通過(guò)一個(gè)隨機(jī)交織器并行連接而成，編碼后的校驗(yàn)位經(jīng)過(guò)刪余矩陣，從而產(chǎn)生不同碼率的碼字。,,信道編碼的發(fā)展 Turbo碼,由于這兩段碼流包含同樣的數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有信道噪聲，解碼結(jié)果應(yīng)該一致。但在噪聲干擾下兩組結(jié)果會(huì)產(chǎn)生差別。通過(guò)上述對(duì)比特判決的可置信度信息的幫助，把這兩組結(jié)果彼此參照，可以得出第一次近似的結(jié)果。把這一結(jié)果“反饋”到

9、解碼器前端，再進(jìn)行迭代，經(jīng)過(guò)幾次迭代兩個(gè)解碼器的結(jié)果就會(huì)互相接近（收斂）。這樣就繞過(guò)了計(jì)算復(fù)雜性問(wèn)題。,,信道編碼的發(fā)展 Turbo碼,Turbo碼的譯碼器有兩個(gè)分量碼譯碼器，譯碼在兩個(gè)分量譯碼器之間進(jìn)行迭代譯碼，故整個(gè)譯碼過(guò)程類似渦輪（turbo）工作，所以又形象的稱為T(mén)urbo碼。,,信道編碼的發(fā)展 Turbo碼,,信道編碼的發(fā)展 Turbo碼,,一開(kāi)始，Turbo碼只是應(yīng)用于一些特殊場(chǎng)合，比如衛(wèi)星鏈路。后來(lái)，研究人員將它擴(kuò)展到數(shù)字音頻和視頻廣播領(lǐng)域。 緊接著，Turbo碼成為通信研究的前沿，全世界各大公司都聚焦在這個(gè)領(lǐng)域，包括法國(guó)電信、NTT、DoCoMo、索尼、NEC、朗訊、三星、愛(ài)

10、立信、諾基亞 、 摩托羅拉和高通等等。 Turbo碼成為了始于本世紀(jì)初的3G/4G移動(dòng)通信技術(shù)的核心，直到今天4.5G，我們依然在采用。,,信道編碼的發(fā)展 Turbo碼,,1962年，Gallager提出了LDPC（ low-density parity check）碼，即低密度奇偶校驗(yàn)碼。但是，它在幾十年前已經(jīng)被人們遺忘了。直到Turbo碼被提出以后，人們才發(fā)現(xiàn)Turbo碼從某種角度上說(shuō)也是一種LDPC碼。,Gallager,,信道編碼的發(fā)展 LDPC碼,LDPC利用校驗(yàn)矩陣的稀疏性，使得譯碼復(fù)雜度只與碼長(zhǎng)成線性關(guān)系，在長(zhǎng)碼長(zhǎng)的情況下仍然可以有效的進(jìn)行譯碼，因而具有更簡(jiǎn)單的譯碼算法。隨著人

11、們對(duì) LDPC碼重新進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)LDPC 碼與Turbo一樣具有逼近香農(nóng)極限的性能。較新的研究結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)中已找到的最好 LDPC 碼，其極限性能距香農(nóng)理論限僅相差0.0045dB。 接著，LDPC在IEEE 802.11n 以及802.16的技術(shù)提案中被熱烈討論。DVB-S2也決議以LDPC替代Turbo碼。有人認(rèn)為，LDPC是終極糾錯(cuò)編碼，極有可能成為未來(lái)主流編碼技術(shù)。,,信道編碼的發(fā)展 LDPC碼,信道編碼,2007年，土耳其比爾肯大學(xué)教授E. Arikan基于信道極化理論提出的一種線性信道編碼方法，即Polar碼。該碼字是迄今發(fā)現(xiàn)的唯一一類能夠達(dá)到香農(nóng)限的編碼方法，并且具有較低

12、的編譯碼復(fù)雜度，當(dāng)編碼長(zhǎng)度為N時(shí)，復(fù)雜度大小為 O ( NlogN)。,,信道編碼的發(fā)展 Polar碼,Erdal Arikan（右）,,信道編碼的發(fā)展 Polar碼,Polar碼的理論基礎(chǔ)就是信道極化。信道極化包括信道組合和信道分解部分。當(dāng)組合信道的數(shù)目趨于無(wú)窮大時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)極化現(xiàn)象：一部分信道將趨于無(wú)噪信道，另外一部分則趨于全噪信道，這種現(xiàn)象就是信道極化現(xiàn)象。無(wú)噪信道的傳輸速率將會(huì)達(dá)到信道容量 I (W)，而全噪信道的傳輸速率趨于零。Polar碼的編碼策略正是應(yīng)用了這種現(xiàn)象的特性，利用無(wú)噪信道傳輸用戶有用的信息，全噪信道傳輸約定的信息或者不傳信息。,信道編碼,Polar碼比Turbo碼和L

13、DPC碼更接近信道容量，Polar碼可以保證5G任何場(chǎng)景的高性能通信。但是，編解碼的復(fù)雜性是Polar的問(wèn)題。不過(guò)，在使用改進(jìn)后的SCL（Successive Cancelation List）譯碼算法時(shí)能以較低復(fù)雜度的代價(jià)，接近最大似然譯碼的性能。 關(guān)鍵是，Polar碼還是發(fā)明得比較晚，很多研究還建立在理論基礎(chǔ)上，不像Turbo碼和LDPC碼已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景。只有等待時(shí)間來(lái)告訴我們，Polar碼到底是不是5G信道編碼的王者。,,信道編碼的發(fā)展 Polar碼,回顧信道編碼歷史，波瀾壯闊。在幾十年并不漫長(zhǎng)的歲月里，一次又一次關(guān)鍵技術(shù)的歷史性突破，造就了今天人類通信奇跡。而當(dāng)5G即將到來(lái)之時(shí)，更令人興奮的是，我們看到了各種優(yōu)秀的編碼技術(shù)的涌現(xiàn)。毫不夸張的說(shuō)，這是信道編碼技術(shù)的文藝復(fù)興時(shí)期。而開(kāi)啟文藝復(fù)興之門(mén)的，不僅僅是信道編碼，5G將激發(fā)無(wú)線產(chǎn)業(yè)史無(wú)前例的創(chuàng)新活力。,,信道編碼的發(fā)展 未來(lái),謝謝！,