《信息论与编码》论文Word下载.doc

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--纠错编码的应用与发展

人类社会在经历了机械化、电气化之后进入了一个崭新的信息化时代。

信息论自诞生至今不到80年的时间，在人类科学史上是短暂的，但它的发展对学术界与人类社会的影响是相当广泛的。

信息论是通信技术与概率论、随机过程、数理统计相结合逐步发展而形成的一门新兴科学。

其研究的目的是发现信息传输的可靠性、有效性、保密性和认证性，以达到信息传输系统的最优化。

有效性、可靠性、保密性和认证性构成了现代通信系统对信息传输的全面要求。

其研究内容为香农理论，编码理论，维纳理论，检测和估计理论，信号设计和处理理论，调制理论，随机噪声理论和密码学理论等。

首先简单介绍一下信息论的起源、历史与发展。

1924年，Nyquist提出信息传输理论；

1928年，Hartly提出信息量关系；

1932年，Morse发明电报编码；

1946年，柯切尼柯夫提出信号检测理论；

1948年，Shannon提出信息论，“通信中的数学理论”—现代信息论的开创性的权威论文，为信息论的创立作出了独特的贡献。

现在人们常说的信息论与编码主要包括四大定理，第一定理信源编码定理，是解决通信中信源的压缩问题，也是后来图像和视频压缩的基本定理；

第二定理信道编码定理，是解决通信中数据能够在特定信道中传输的最大值的问题，即最大数据速率小于信道容量，容量问题是通信中研究最活跃的问题之一，比如4G或LTE中广泛用到的MIMO（多输入多输出，或多天线）技术，其理论本质是DavidTse提出的该容量与天线数成线性递增的关系；

第三定理有损信源编码定理解决了在允许一定失真的情况下的信源编码问题，比如jpeg图像编码，mp3音频编码，都是有损的编码，其都是在香农第三定理之下得出的；

第四定理信源信道分离定理，解决了信源编码和信道编码能够分开来解决的问题。

这里具体介绍一下信道编码。

信道编码（差错控制编码或纠错编码）与传统编码方式比较起来有了比较显著的优点。

信道编码定理，从理论上解决理想编码器、译码器的存在性问题，也就是解决信道能传送的最大信息率的前向纠错（FEC）编码。

前向纠错码（FEC）是具有一定纠错能力的码型，它在接收端解码后,不仅可以发现错误，而且能够判断错误码元所在的位置，并自动纠错。

这种纠错码信息不需要储存，不需要反馈，实时性好。

所以在广播系统（单向传输系统）都采用这种信道编码方式。

但是它也存在一定的不足，即当纠错能力强时，要增加冗余位；

接收可靠性对信道传输条件的恶化很敏感。

此外还有自动要求重发（ARQ），FEC和ARQ混合系统（HEC）等纠错编码方式，不同的纠错编码方法，有不同的检错或纠错能力，一般说来，增加监督码元越多，检错或纠错的能力就越强，提高传输可靠性是以降低传输有效性为代价的。

说到检错和纠错的能力问题，不得不提通信原理中的最小码距的概念，最小码距的大小直接关系着这种编码的检错和纠错能力，它是衡量各种码抗干扰能力大小的标准。

码组的最小距离越大，说明码字间的最小差别越大，抗干扰能力越强。

下面主要谈一谈信道编码的发展与前景。

移动通信的发展日新月异，从1978年第一代模拟蜂窝通信系统诞生至今，不过30多年的时间，就已经过好几代的演变，尤其是近两年4G越来越热，因此人们对于移动通信技术的研究也是热情高涨。

但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,为了保证通信的可靠性，必须采用信道编码，信道编码能够检查和纠正接收信息流中的差错，接下来主要谈一下纠错编码技术的发展。

近50年来，在信息技术发展和实际需要的不断推动下，人们一直在寻求实现复杂度合理的更优秀的编译码方法，去逼近Shannon理论的理想界限。

令人鼓舞的是，在这个过程中，已经取得了许多伟大的进展，从早期的分组码、代数码，到RS码,到后来的卷积码，以及今天的Turbo,LDPC码，所能达到的性能和Shannon限间的距离被不断缩小。

这些方法也已经投入到多个领域的商用中，如卫星通信和深空通信，数据存储，数据传输，移动通信，数字音频和视频传输等。

下面，本文将着重关注移动通信系统，特别是数字移动通信系统中，纠错编码技术的应用情况。

1、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，故信源编码主要指的是语音压缩编码。

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,例如英国系统中便采用了BCH进行纠错编码，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。

2、GSM的FEC编码

GSM系统仍是目前使用最广泛的移动通信系统，也是纠错编码最重要的应用之一。

GSM（泛欧数字蜂窝网）系统采用的是规则脉冲线性预测编码（RPE-LPC）方案，即采用规则脉冲作激励源。

GSM中话音编码采用混合编码器，其编码过程分为话音分段和编码。

在GSM中信道按功能可分为业务信道和控制信道，其业务信道用于传送语音与数据，控制信道用于传送信令和同步。

具体编译码方案对不同类型的链路采用不同的方案。

3．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。

4．3G中的Turbo码

3G与2G最重要的不同是要提供更高速率、更多形式的数据业务，它不仅提供语言业务，还提供高速数据，图像等多媒体业务，所以对其中的纠错编码体制提出了更高的要求（数据业务的差错率要小于10）。

语音和短消息等业务仍然采用与GSM和CDMA相似的卷积码，而对数据业务3GPP协议中已经确定Turbo码为其纠错编码方案。

在第三代移动通信系统中,信道编码方案已不仅仅是纠错码的选择、编译码算法和交织算法的问题.它还涉及与高层消息的通信,若从高层获得业务质量指示、业务复用方式等信息,以实现不同业务的不同编码和复用方案,从而以最高的效率提供多种业务的组合等问题。

信道编码技术可改善数字信息在传输过程中由于噪声和干扰而造成的误差，提高系统可靠性。

因而提供高效的信道编译码技术成为3G移动通信系统中的关键技术之一。

3G移动通信系统所提供的业务种类的多样性、灵活性，对差错控制编译码提出了更高的要求。

WCDMA和CDMA2000方案都建议采用除与IS－95CDMA系统类似的卷积编码技术和交织技术之外，采用Turbo编码技术。

随着Turbo码的研究发展，在3G移动通信系统设计中，Turbo码以及Turbo思想越来越多地被用于和其他技术的结合上。

5、4G中的纠错编码技术LDPC

第四代移动通信系统与技术是目前移动通信领域的研究热点，与3G相比，4G应具有更高的安全性，更高的智能性，更高的传输质量，更高的灵活性。

4G应支持非对称性业务，并能支持多种业务，4G系统应体现移动与无线接入网和IP网络不断融合的发展趋势应当是一个全IP的网络，用何种纠错编码方案才能满足未来高性能系统的需求是一个十分值得研究的问题，移动通信系统应采用更高级的信道编码方案如Turbo码级连码和LDPC码等从而在极低的Eb/NO下保证足够的性能。

LDPC码是性能比Turbo码更好实现，复杂度也比Turbo码更低的一种码，是一种线性分组码，采用BP迭代译码。

LDPC码比Turbo码在技术上更具有优势更能适应未来系统高速数据传输和高性能的要求,由于LDPC码提出较晚和第3代移动通信标准失之交臂，但基于LDPC编码的方案极有可能成为4G移动通信系统的应用方案.目前已有很多系统采用LDPC码。

本论文简单介绍信息论与编码中信道编码的应用与发展前景。

资料表明，信息论与编码技术不断创新发展，使其更能为人类所用，在更多的领域得到应用和发展。

人类永远不停的在揭示自然界无穷奥妙的同时，也利用这些奥妙造幸人类自身。

随着移动通信系统从第一代模拟系统到未来的第四代移动通信系统的演变，所采用的纠错编码技术也在不断进步由最初的BCH码到Turbo码再到LDPC码这些性能越来越接近Shannon限的编码方法都将会在多个领域中得以实现，相信这些纠错编码技术在推动移动通信系统发展的同时自身也会得到蓬勃发展，纠错编码技术必将继续前行,为现代数字社会发挥更重要的作用。

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