序言

背景介绍

遥想 2014 年，第五代移动通信系统（5G）之花 [1] 开遍全球，香溢 四海。如今，几年过去了，5G 之果挂满枝头，硕果累累。其中， 最大的果实当属信道编码。而其中的低密度校验码（LDPC） [2] 和极化 码（Polar Code） [3] 格外突出。 有鉴于此，作者努力打造了这本《5G-NR 信道编码》书籍，希望 能解开读者对 5G-NR 信道编码技术的疑惑。
第五代移动通信系统（5G）之花如图 1-1 所示。 第 1 章先介绍前几代移动通信的演进，然后介绍 5G 新无线电接入技术（5G、 NR、5G-NR）的系统要求 [4]，接着简要地介绍 5G-NR 的信道编码技术，最 后介绍本书写作的目的和篇章结构。

| 1.1　前几代移动通信的演进 |

移动通信，或者称为蜂窝通信，始于美国电话电报公司（AT&T）贝尔实 验室 1968 年的发明。它类似六边形的蜂窝状小区（Cell）结构：这些小区环 环相扣，构成连续覆盖的大范围网络。由于小区之间可以复用相同的频谱资 源，所以，整个网络的容量得到极大的提升。基于这一原理，摩托罗拉公司 （Motorola）于 1973 年在其实验系统中实现了上述移动通信系统，成为业界的 先驱。在之后的近 40 年中，移动通信以其随身、灵活、方便等的特点，得到迅 猛发展。移动通信逐渐改变着人们的生活方式，它在全球许多国家中的渗透率 已超过 90%，其技术已经历了四代的演进，如表 1-1 所示。

第一代移动通信系统（1G，1st Generation Mobile Communication）的 多址技术是频分多址（FDMA），主要支持语音服务。每个用户的物理层资源是 固定的频率划分，采用模拟幅度调制（AM，Amplitude Modulation），与传统的铜线电话或调幅广播电台（AM）类似。模拟的语音信号没有经过信息压缩，语音信息没有信道编码的纠错保护，发射功率也无有效的控制。这导致资源利 用率低、系统容量小、通信质量差（如，有串音—一个有时候能听到其他用户的通话）。由于当时的模拟器件难以集成，终端（俗称“大哥大”）的硬件成本高、体积重量大、价格昂贵，从而使得其普及程度很低。
第二代移动通信系统（2G，2nd Generation Mobile Communication）的多址技 术以时分多址（TDMA）为主（FDMA+TDMA），其基本业务是语音。使用得 最广泛的 2G 制式是欧盟主导制定的全球移动通信系统（GSM，Global System of Mobile Communications）。在 GSM 中，无线资源被划分成若干个 200 kHz 带宽的窄带（FDMA），每个窄带中多个用户按照时隙（Time Slot）复用资源 （TDMA）。GSM 中的模拟语音信号经过信源压缩变成数字信号，数字化语音信号进入信道编码环节进行防错保护。然后，编码之后的语音数据采用数字调制， 调制后的信号在发射时使用功率控制技术。这些技术使得传输效率大为提高， 系统容量和通信质量也有很大的提升。GSM 的信道编码主要采用分组码和卷积 码，算法复杂度较低，性能中等。
第 三 代 移 动 通 信 系 统（3G，3rd Generation Mobile Communication） 广泛采用码分多址技术（CDMA）。这使得信道的抗干扰能力大为增强。相 邻小区可以完全复用相同的频率，从而提升了系统容量。码分多址 2000 系 列（cdma2000、cdma2000EV-DO、cdma2000EV-DV） 和 宽 带 码 分 多 址（WCDMA）是 3G 的两大标准。cdma2000 系列主要在北美、韩国和中国 等地区使用，其载波频带宽度为 1.25 MHz，相应的国际标准组织是 3GPP2。 WCDMA 的国际标准组织是 3GPP，其中，欧洲的厂商和运营商起着重要作 用。WCDMA 已经在世界范围广泛使用（如欧洲、韩国、中国等）。其载波 频带宽度为 5 MHz。为适应更高速率的要求（3G 的初期目标为 2Mbit/s）， cdma2000 和 WCDMA 各自都有演进版，分别是 Evolution Data Optimized （EV-DO）和（HSPA，High Speed Packet Access）。3G 还有一套标准：时 分同步码分多址（TD-SCDMA，Time Division Synchronous CDMA），主要 由中国公司和一些欧洲公司制定，属于 3GPP 标准的一部分。TD-SCDMA 在 中国有大规模部署。
3G 容量的提高在很大程度上得益于码分多址系统的软频率复用、功率控 制技术和 Turbo 码的使用。1993 年这个信道编码领域的重大突破（Turbo 码）使得无线链路性能逼近香农极限容量（Shannon’s Limit）。在短短几年间， Turbo 码得到广泛应用，并掀起了对随机编码和迭代译码的研究热潮。
第四代移动通信系统（4G，4th Generation Mobile Communication）最 标志性的技术是正交频分复用（OFDM）和正交频分多址（OFDMA）。这也体 现了移动通信技术发展的必然趋势。首先，用户期望能有更高的数据速率。根据香农容量公式 C=B·log2(1+SNR)，提高带宽可以迅速地提高数据速率（容 量）。这迫使 4G 使用更大的带宽（如，20 MHz）。相对 CDMA 系统，OFDM/ OFDMA 系统能更灵活地使用更大的带宽。
在 4G 标准制定的初期，世界范围内存在三大标准：超宽带移动通信（UMB， Ultra Mobile Broadband）、全球微波互联接入（WiMAX，基于 IEEE802.16） 和长期演进（LTE）。UMB 于 2007 年年底已基本完成标准制定。但由于运营 商缺乏兴趣，UMB 目前没有应用。WiMAX 早在 2007 年就形成标准。但由于 产业联盟过于松散、商业模式不够健全，WiMAX 的应用较少。
LTE 的第一个的版本号是 Release 8（Rel-8），于 2007 年 9 月完成。由于运营商的广泛兴趣，LTE 逐渐成为全球最主流的 4G 移动通信标准。版本 8 LTE 还不是严格意义的 4G 标准（俗称为“3.9G”；HSDPA 俗称为“3.5G”； 4G 的目标为 100 Mbit/s；Rel-8 的 LTE 在 20 MHz 单载波、单天线下的峰 值速率为 75 Mbit/s）。所以，从 2009 年起，3GPP 开始了对 LTE-Advanced 的标准化。作为一个重大的技术迈进，LTE-Advanced 标准的版本编号是 Release 10，其性能指标完全达到 IMT-Advanced 的要求（Rel-10 的 LTE 在 5 个 20 MHz 的带宽、单天线下的峰值速率为 375 Mbit/s）。
LTE-Advanced 引入了一系列的空口技术，这些技术包括：载波聚合、小 区间干扰消除抑制、无线中继、下行控制信道增强、终端之间的直通通信等。这 些技术使得其系统的综合频谱效率、峰值速率、网络吞吐量、覆盖等有了一个较 明显的提升。这些技术不仅适用于以宏站为主的同构网，而且也适用于由宏站和 低功率节点所组成的异构网。
LTE/LTE-Advanced 在信道编码方面基本上沿用 3G 所用的 Turbo 码作 为数据信道的前向纠错码。LTE 在 Turbo 码的结构上有一些优化，一定程度 地降低了解码复杂度且提高了性能。控制信道采用咬尾卷积码，相比经典的卷积码，降低了开销。

1.2 第五代移动通信系统（5G-NR）的系统要求