序言
背景介紹
遙想 2014 年，第五代移動通信系統（5G）之花 [1] 開遍全球，香溢 四海。如今，幾年過去了，5G 之果挂滿枝頭，碩果累累。其中， 最大的果實當屬信道編碼。而其中的低密度校驗碼（LDPC） [2] 和極化 碼（Polar Code） [3] 格外突出。 有鑒于此，作者努力打造了這本《5G-NR 信道編碼》書籍，希望 能解開讀者對 5G-NR 信道編碼技術的疑惑。
第五代移動通信系統（5G）之花如圖 1-1 所示。 第 1 章先介紹前幾代移動通信的演進，然後介紹 5G 新無線電接入技術（5G、 NR、5G-NR）的系統要求 [4]，接着簡要地介紹 5G-NR 的信道編碼技術，最 後介紹本書寫作的目的和篇章結構。
| 1.1 前幾代移動通信的演進 |
移動通信，或者稱為蜂窩通信，始于美國電話電報公司（AT&T）貝爾實 驗室 1968 年的發明。它類似六邊形的蜂窩狀小區（Cell）結構：這些小區環 環相扣，構成連續覆寫的大範圍網絡。由于小區之間可以複用相同的頻譜資 源，是以，整個網絡的容量得到極大的提升。基于這一原理，摩托羅拉公司 （Motorola）于 1973 年在其實驗系統中實作了上述移動通信系統，成為業界的 先驅。在之後的近 40 年中，移動通信以其随身、靈活、友善等的特點，得到迅 猛發展。移動通信逐漸改變着人們的生活方式，它在全球許多國家中的滲透率 已超過 90%，其技術已經曆了四代的演進，如表 1-1 所示。
第一代移動通信系統（1G，1st Generation Mobile Communication）的 多址技術是頻分多址（FDMA），主要支援語音服務。每個使用者的實體層資源是 固定的頻率劃分，采用模拟幅度調制（AM，Amplitude Modulation），與傳統的銅線電話或調幅廣播電台（AM）類似。模拟的語音信号沒有經過資訊壓縮，語音資訊沒有信道編碼的糾錯保護，發射功率也無有效的控制。這導緻資源利 用率低、系統容量小、通信品質差（如，有串音—一個有時候能聽到其他使用者的通話）。由于當時的模拟器件難以內建，終端（俗稱“大哥大”）的硬體成本高、體積重量大、價格昂貴，進而使得其普及程度很低。
第二代移動通信系統（2G，2nd Generation Mobile Communication）的多址技 術以時分多址（TDMA）為主（FDMA+TDMA），其基本業務是語音。使用得 最廣泛的 2G 制式是歐盟主導制定的全球移動通信系統（GSM，Global System of Mobile Communications）。在 GSM 中，無線資源被劃分成若幹個 200 kHz 帶寬的窄帶（FDMA），每個窄帶中多個使用者按照時隙（Time Slot）複用資源 （TDMA）。GSM 中的模拟語音信号經過信源壓縮變成數字信号，數字化語音信号進入信道編碼環節進行防錯保護。然後，編碼之後的語音資料采用數字調制， 調制後的信号在發射時使用功率控制技術。這些技術使得傳輸效率大為提高， 系統容量和通信品質也有很大的提升。GSM 的信道編碼主要采用分組碼和卷積 碼，算法複雜度較低，性能中等。
第 三 代 移 動 通 信 系 統（3G，3rd Generation Mobile Communication） 廣泛采用碼分多址技術（CDMA）。這使得信道的抗幹擾能力大為增強。相 鄰小區可以完全複用相同的頻率，進而提升了系統容量。碼分多址 2000 系 列（cdma2000、cdma2000EV-DO、cdma2000EV-DV） 和 寬 帶 碼 分 多 址（WCDMA）是 3G 的兩大标準。cdma2000 系列主要在北美、南韓和中國 等地區使用，其載波頻帶寬度為 1.25 MHz，相應的國際标準組織是 3GPP2。 WCDMA 的國際标準組織是 3GPP，其中，歐洲的廠商和營運商起着重要作 用。WCDMA 已經在世界範圍廣泛使用（如歐洲、南韓、中國等）。其載波 頻帶寬度為 5 MHz。為适應更高速率的要求（3G 的初期目标為 2Mbit/s）， cdma2000 和 WCDMA 各自都有演進版，分别是 Evolution Data Optimized （EV-DO）和（HSPA，High Speed Packet Access）。3G 還有一套标準：時 分同步碼分多址（TD-SCDMA，Time Division Synchronous CDMA），主要 由中國公司和一些歐洲公司制定，屬于 3GPP 标準的一部分。TD-SCDMA 在 中國有大規模部署。
3G 容量的提高在很大程度上得益于碼分多址系統的軟頻率複用、功率控 制技術和 Turbo 碼的使用。1993 年這個信道編碼領域的重大突破（Turbo 碼）使得無線鍊路性能逼近香農極限容量（Shannon’s Limit）。在短短幾年間， Turbo 碼得到廣泛應用，并掀起了對随機編碼和疊代譯碼的研究熱潮。
第四代移動通信系統（4G，4th Generation Mobile Communication）最 标志性的技術是正交頻分複用（OFDM）和正交頻分多址（OFDMA）。這也體 現了移動通信技術發展的必然趨勢。首先，使用者期望能有更高的資料速率。根據香農容量公式 C=B·log2(1+SNR)，提高帶寬可以迅速地提高資料速率（容 量）。這迫使 4G 使用更大的帶寬（如，20 MHz）。相對 CDMA 系統，OFDM/ OFDMA 系統能更靈活地使用更大的帶寬。
在 4G 标準制定的初期，世界範圍記憶體在三大标準：超寬帶移動通信（UMB， Ultra Mobile Broadband）、全球微波互聯接入（WiMAX，基于 IEEE802.16） 和長期演進（LTE）。UMB 于 2007 年年底已基本完成标準制定。但由于營運 商缺乏興趣，UMB 目前沒有應用。WiMAX 早在 2007 年就形成标準。但由于 産業聯盟過于松散、商業模式不夠健全，WiMAX 的應用較少。
LTE 的第一個的版本号是 Release 8（Rel-8），于 2007 年 9 月完成。由于營運商的廣泛興趣，LTE 逐漸成為全球最主流的 4G 移動通信标準。版本 8 LTE 還不是嚴格意義的 4G 标準（俗稱為“3.9G”；HSDPA 俗稱為“3.5G”； 4G 的目标為 100 Mbit/s；Rel-8 的 LTE 在 20 MHz 單載波、單天線下的峰 值速率為 75 Mbit/s）。是以，從 2009 年起，3GPP 開始了對 LTE-Advanced 的标準化。作為一個重大的技術邁進，LTE-Advanced 标準的版本編号是 Release 10，其性能名額完全達到 IMT-Advanced 的要求（Rel-10 的 LTE 在 5 個 20 MHz 的帶寬、單天線下的峰值速率為 375 Mbit/s）。
LTE-Advanced 引入了一系列的空口技術，這些技術包括：載波聚合、小 區間幹擾消除抑制、無線中繼、下行控制信道增強、終端之間的直通通信等。這 些技術使得其系統的綜合頻譜效率、峰值速率、網絡吞吐量、覆寫等有了一個較 明顯的提升。這些技術不僅适用于以宏站為主的同構網，而且也适用于由宏站和 低功率節點所組成的異構網。
LTE/LTE-Advanced 在信道編碼方面基本上沿用 3G 所用的 Turbo 碼作 為資料信道的前向糾錯碼。LTE 在 Turbo 碼的結構上有一些優化，一定程度 地降低了解碼複雜度且提高了性能。控制信道采用咬尾卷積碼，相比經典的卷積碼，降低了開銷。