序言 | 帶你讀《5G-NR信道編碼》之一

5G-NR信道編碼

徐俊，袁弋非著

序言

數字信号的有效可靠傳輸離不開信道編碼，前幾代蜂窩通信系統中的信道編碼基本上為歐洲和美國公司所壟斷。例如，第二代中的卷積碼是由麻省理工學院（MIT）所發明，卷積碼與美國 MIT 教授發明的一種分組碼：ReedSolomon碼，形成經典組合，多次創下性能紀錄。第三代的信道編碼是Turbo碼，由法國的研究人員發明，後經歐洲、日本和美國公司的完善，性能大大超越了卷積碼。第四代中的主流标準 LTE 沿用 Turbo 碼，相對 3G Turbo 的增強仍由 歐美公司主導。這種局面在第五代蜂窩通信得到徹底改觀。對于 5G 最重要的兩種信道編碼：LDPC 碼和極化碼（Polar Code），中國的系統裝置商起了巨大 的作用。在相應的關鍵技術點和會議提案方面，中國廠商的貢獻非常可觀，撐起了 5G 信道編碼的半邊天。5G 第一階段的信道編碼已在 2017 年 12 月基本 完成，此書在這個時間出版是十分及時的，不僅服務于 5G 系統的廣大開發人員，也展現了中國在前沿科技上的自信。

信道編碼是一個“很專”的領域，需要艱深的數理基礎和相對特别的研究 分析手段，這與數字通信的其他領域有很大的不同。信道編碼的書容易流于兩 種極端，一種是包含大量的數學公式和推導，盡管内容系統嚴謹，但晦澀難懂，隻有專搞信道編碼的人才能了解；另一種是“大話”式的演義，極少公式，缺乏嚴格抽象的表達，讀者雖能了解粗枝大葉，但對信道編碼的設計精髓并未準 确把握。由于這兩種極端，信道編碼的技術人員隻能去檢視枯燥的标準協定，遇到問題也很難通過一些直覺方法來解決，降低了研發效率。本書在這兩個極端之間做了較好的兼顧，從編碼的基本概念入手，采用适當數量的公式和圖表，深入淺出地闡述了 5G 信道編碼，尤其是 LDPC 碼和極化碼的主要設計思想和優化方向，更好地服務工程開發人員。其中的公式和一些理論分析對大專院校和研究機關的師生也比較适合。

通信技術日新月異。2007 年 9 月，3GPP 推出了基于 OFDM 和 MIMO 的第四代移動通信技術 4G-LTE。2010 年 12 月，LTE 通過載波聚合和更多的天 線等技術增強為 LTE-Advanced。2012 年，LTE-Advanced 進一步增強了高階調制等技術。這時候，3GPP 在考慮下一代移動通信技術了。經過多年的醞釀， 3GPP 在 2016 年 3 月通過了對第五代移動通信技術（5G）新空口（NR）的研究立項（SI），該項目于 2017 年 3 月進入協定标準化階段。經過各公司和研究 團體的辛勤工作，3GPP 在 2017 年 12 月 RAN#78 次會議上完成了 5G-NR 的 第一個版本（eMBB 部分）。

相對 4G-LTE，5G-NR 引進了較多的新技術（LDPC 碼、Polar 碼、大規 模 MIMO、非正交多址 NOMA 等）。衆所周知，為達到營運商的要求，3GPP 對各種技術的選取相當嚴格，甚至近乎苛刻。1993 年發明的 Turbo 碼，在速率 較低的 3G-WCDMA 和 4G-LTE 尚可使用，但在大帶寬、高速率應用中（如 20 Gbit/s 或更高，這是 5G-NR 的目标）明顯遜于 LDPC 碼。1955 年發明的卷積 碼，已曆經三代蜂窩通信（2G、3G、4G）。但其解碼性能不具有競争力，也隻 好讓位于新近提出的 Polar 碼。在将來（如 6G），移動通信技術還會進一步發展， 這可能會引進其他的編碼技術。鑒于此，本書描述了這些編碼方案的原理、應用、 複雜度、性能等。

本書的特色是，首先，書的内容不僅有對 5G-NR 協定的解讀，也有學術理 論介紹；不僅面向無線通信的工程技術人員，同時可供科研院所的老師和學生作參考。其次，本書有豐富的理論性能分析和計算機仿真結果。再次，本書涵 蓋的面較廣，包括工業界主流的信道編碼方式以及學術界比較關注的新型編碼方式。考慮 LDPC 碼和 Polar 碼在 NR 中的廣泛應用，本書對這兩類信道編碼做了較為詳盡的描述。

1.1 前幾代移動通信的演進