4G移动通信系统信道编码技术研究与设计

摘  要：21世纪以来，互联网技术在相关政策的推动下迅速发展。在互联网的应用之下，对于数据传输的要求激增，极大地促进了通信技术的发展，通信技术的发展，在3G时代还没有冷却时就已经诞生了4G移动通信技术，4G移动通信技术拥有更加安全的特点，同时由于建立在3G通信技术基础之上，其适应性能更加强大，传输数据的速度与效率都有了显著的提升。通信技术的运用依赖于底层的信道编码技术，文章主要是针对4G移动通信信道编码技术展开相关的论述，对于信道编码的执行过程进行了论述，并对比较熟悉的数据传输的编码设计方案进行了论述，主要是上行链路与下行链路的传输设计，进而提出更好的解决方案，对于通信技术进一步的发展做出应有的研究与努力。

关键词：3G通信;4G通信;信道编码技术

中图分类号：TN929.5       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）02-0085-03

Abstract：The 21st century，the internet technology in the related policy driven by rapid development of internet applications，surge to the requirement of data transmission，and greatly promote the development of communication technology，communication technology development in the era of 3G has not been cooling was born 4G mobile communication technology，the characteristics of the 4G mobile communication technology has more security，at the same time as based on 3G communication technology，the adaptation performance even more powerful，the speed and efficiency of data transmission has a significant improvement. The use of communication technology relies on the underlying channel coding technology，this article is mainly aimed at 4G mobile communication channel coding technology related，for this paper discusses the implementation process of channel coding，and the data transmission of the familiar with coding design scheme is discussed in this paper，mainly is the uplink and downlink link transmission design，put forward a better solution，for further communication techniques to the research and development efforts.

Keywords：3G communication;4G communication;channel coding technology

0  引  言

通信技术自出现到现在已经有将近一个世纪的时间了。目前通信技术发展较为成熟，且应用广泛。从技术角度来看，4G移动通信涉及到的技术层较为广泛，且都是WiMAX所采取的相关技术，在早期的IEEE 802.16e标准下有Turbo码等纠错能力较强，但是存在着较大延迟的信道码，也有简单、延迟低的LDPC码。本文的下行链路将结合LPDC的结构简单、低延迟的特点进行编码，上行链路中為了保障通信的质量可靠，采用了纠错能力较强的Turbo码进行编码，最后对上下行链路的编码方法、原理进行介绍。本文的研究目的是对4G移动通信信道中上、下行链路的编码及方法进行探究，并结合各个理论点，从而达到以Turbo码与LDPC码相结合的方式完成对4G移动通信信道的编码。研究的意义是采用了合理的上下行链路编码的方法，从而达到通信信道编码及通信方式的最优化。

1  4G 移动通信介绍

在移动通信的发展以及互联网的不断发展之下，催生了许多移动通信的业务，之前移动通信的业务形式比较单一化，主要是通信设备的生产者与移动设备通信的运营者之间进行的业务交流，现代化、多元化的业务形式包含了众多新兴的元素的加入，比如腾讯微信，新浪微博等移动互联网应用背景下的软件运营与服务，而这些软件的应用与人们的精神生活以及物质生活息息相关，大量的需求要求更快更好的通信能力。

4G移动通信系统的基本特点包含以下几个主要方面：

（1）4G移动通信系统拥有极高的数据传输速度，能够即时接发数据并完成相应的处理;

（2）通信系统是通过IP地址进行无线连接的、使用普遍的机器之间的数据传输;

（3）基于IP地址通信，因而能够在更多的系统之间进行相应的数据通信。4G通信技术能够提供更加便利与实惠的方式供用户去选择，受到广泛的喜爱与支持。

4G通信系统对于宽带与带宽的极强的抗干扰能力能够实现多种业务互通，并有效、准确地进行信号的传递，具有较大的信道系统容量、较高的信道传输速率、较高的信道传输质量，能够实现数据的高速传输，减少等待时间，同时能够保证系统在低能量消耗状态下的性能，其所依赖的技术主要是以下几种：

（1）正交频分复用技术;

（2）无线电技术;

（3）多输入、多输出技术;

（4）基于IP的连接方式;

（5）高性能接收机;

（6）Turbo码与LDPC码相结合。

2  接发技术方案研究

2.1  接入方式和多址方案

OFDM是在無线环境下利用高速传输技术，将在频率范围内的给定频道分成多个直角下频道，在每个下频道使用一个子回波进行调制，调整结束后，整个频道不是平的，而是有选择频率的。但是各个子段的频道比较平坦，子段的信号由协带站传送，信号带宽小于该子段的带宽。OFDM技术的优点是消除或减少信号波段之间的干扰。对多路阻塞和多普勒频率移动不敏感，能够提高光谱利用率，提高低成本单接收器可用性。

2.2  MIMO技术

MIMO技术是一种多发射多接收天线，利用多接收天线来实现空间环路的技术，纵向多接收天线可将通讯连接分解成多个并行子路，大大提高其容量。至于信息容量，即使是多接收天线与不同辐射天线之间相互关联而又相互独立的情况下，MIMO系统也可以改善系统的噪音性能，以确保相当大的容量。例如，接收天线的总天线数为8个，平均接收噪音为20分贝，其容量最多为42 bps/Hz，单天线系统容量可超过20倍。所以MIMO技术是在有限的电力带宽的无线频道中提高数据传输速度、系统容量、传输质量的空间分集技术。MIMO系统在目前无线频谱资源不足的情况下展现出了巨大的优势。

3  4G移动通信系统信道编码技术研究

3.1  Turbo码和LDPC码

3.1.1  Turbo码

Turbo码又称为并行级联卷积码，它是由两个反馈的系统卷积编码器通过一个交织器并行连接而成，编码后的校验位经过删余阵，从而产生不同的码率的码字。它巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，在实现随机编码思想的同时，通过交织器实现用短码构造长码的方法，并采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码。Turbo码充分利用了Shannon信道编码定理的基本条件，具有很好的纠错性能，以及很强的抗衰落、抗干扰能力，性能接近Shannon理论极限，而且编译码的复杂度不高，现已广泛应用于移动通信系统中。

经典的Turbo码编码框图如图1所示，S是输入的信息比特流，P1是S经过第一个递归，图1为经典的Turbo码编码框图，S是输入的信息比特流，P1是S经过第一个递归系统卷积码输出的校验位比特流。Turbo码编码示例图如图2所示，列举了一个具体的Turbo码的例子。

3.1.2  LDPC码

LDPC码，即低密度奇偶校验码，是一种校验矩阵H中只有很少的元素为“1”，大部分元素都是“0”的一种线性分组码。它的性能接近Shannon理论极限，可以达到很高的码率，而且LDPC码基于置信传播的译码算法本质上是并行算法，有利于硬件的并行实现，可以达到很高的译码速度。LDPC码已经广泛应用于光通信、卫星通信、深空通信、第四代移动通信系统、高速与甚高速率数字用户线等。

3.2  上行链路数据编码方案设计

上行链路的设计主要是通过一种叫作Turbo的编码来进行设计的，该编码是现在主流编码中最受欢迎的一种编码方式，该编码采用了分组编码的方式，能够在很大程度上降低外界的噪音干扰，具有较强的抗干扰能力，对于信号的减弱在一定程度上也具有较为良好的控制作用，信号在信道传输过程中具有较强的保真效果，应用效果显著，被大量投入实践和使用。

Turbo码一般是建立在一种或者两种编码方式的结合之上，最为常见的编码是奇偶校验码，一般是在信息分组的后面加上一个用来校验的位，并进行比对，还有一种主要的编码方式是拓展汉明码，一般是在拓展汉明码的后面增加一个校验位，用来进行比对，这两种编码单独或者相互结合使用。

3.3  下行链路数据编码相关设计

下行链路的设计与上行链路的设计有很大的不同，下行链路设计主要是通过一种叫作循环矩阵的矩阵，进行一定的位移变换形成H矩阵，这样的方式能够对普通的编码进行改造，形成一种叫作QC-LDPC的编码，这种编码结合了快速并行解码的方式，能够实现节点之间信息随机置换，更加快速地实转换信息。举个例子，在信息的传输过程中，将信息检查的节点称作A节点，信息通过检查以后，信息的值便是固定的，之后信息传递到节点B，经过循环过程到达A，反复之后，在节点A的最终节点完成信息循环过程，节点B向节点A每次发送信息，都会以相同的概率进行信息传递。

4  结  论

本文分析研究了4G移动通信系统的信道编码技术，采用了纠错能力很强的分组Turbo码，同时考虑使用低复杂度、低延时的LDPC码。在移动通信技术发展过程中，需要不断发掘与研究先进的信道编码技术来提供更好的网络服务，并结合具体的实际环境及其纠错能力和译码延时来选择更加合理的编码技术作为通信信道的编码技术支撑，从而在最大程度上实现通信方式的最优化。

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作者简介：巴格达提（1995.04-），男，哈萨克族，哈萨克斯坦人，研究生，研究方向：通信与信息系统。