5G-NR信道编码

徐俊，袁弋非著

序言

数字信号的有效可靠传输离不开信道编码，前几代蜂窝通信系统中的信道编码基本上为欧洲和美国公司所垄断。例如，第二代中的卷积码是由麻省理工学院（MIT）所发明，卷积码与美国 MIT 教授发明的一种分组码：ReedSolomon码，形成经典组合，多次创下性能纪录。第三代的信道编码是Turbo码，由法国的研究人员发明，后经欧洲、日本和美国公司的完善，性能大大超越了卷积码。第四代中的主流标准 LTE 沿用 Turbo 码，相对 3G Turbo 的增强仍由 欧美公司主导。这种局面在第五代蜂窝通信得到彻底改观。对于 5G 最重要的两种信道编码：LDPC 码和极化码（Polar Code），中国的系统设备商起了巨大 的作用。在相应的关键技术点和会议提案方面，中国厂商的贡献非常可观，撑起了 5G 信道编码的半边天。5G 第一阶段的信道编码已在 2017 年 12 月基本 完成，此书在这个时间出版是十分及时的，不仅服务于 5G 系统的广大开发人员，也体现了中国在前沿科技上的自信。
信道编码是一个“很专”的领域，需要艰深的数理基础和相对特别的研究 分析手段，这与数字通信的其他领域有很大的不同。信道编码的书容易流于两 种极端，一种是包含大量的数学公式和推导，尽管内容系统严谨，但晦涩难懂，只有专搞信道编码的人才能理解；另一种是“大话”式的演义，极少公式，缺乏严格抽象的表达，读者虽能了解粗枝大叶，但对信道编码的设计精髓并未准 确把握。由于这两种极端，信道编码的技术人员只能去查看枯燥的标准协议，遇到问题也很难通过一些直觉方法来解决，降低了研发效率。本书在这两个极端之间做了较好的兼顾，从编码的基本概念入手，采用适当数量的公式和图表，深入浅出地阐述了 5G 信道编码，尤其是 LDPC 码和极化码的主要设计思想和优化方向，更好地服务工程开发人员。其中的公式和一些理论分析对大专院校和研究单位的师生也比较适合。
通信技术日新月异。2007 年 9 月，3GPP 推出了基于 OFDM 和 MIMO 的第四代移动通信技术 4G-LTE。2010 年 12 月，LTE 通过载波聚合和更多的天 线等技术增强为 LTE-Advanced。2012 年，LTE-Advanced 进一步增强了高阶调制等技术。这时候，3GPP 在考虑下一代移动通信技术了。经过多年的酝酿， 3GPP 在 2016 年 3 月通过了对第五代移动通信技术（5G）新空口（NR）的研究立项（SI），该项目于 2017 年 3 月进入协议标准化阶段。经过各公司和研究 团体的辛勤工作，3GPP 在 2017 年 12 月 RAN#78 次会议上完成了 5G-NR 的 第一个版本（eMBB 部分）。
相对 4G-LTE，5G-NR 引进了较多的新技术（LDPC 码、Polar 码、大规 模 MIMO、非正交多址 NOMA 等）。众所周知，为达到运营商的要求，3GPP 对各种技术的选取相当严格，甚至近乎苛刻。1993 年发明的 Turbo 码，在速率 较低的 3G-WCDMA 和 4G-LTE 尚可使用，但在大带宽、高速率应用中（如 20 Gbit/s 或更高，这是 5G-NR 的目标）明显逊于 LDPC 码。1955 年发明的卷积 码，已历经三代蜂窝通信（2G、3G、4G）。但其解码性能不具有竞争力，也只 好让位于新近提出的 Polar 码。在将来（如 6G），移动通信技术还会进一步发展， 这可能会引进其他的编码技术。鉴于此，本书描述了这些编码方案的原理、应用、 复杂度、性能等。
本书的特色是，首先，书的内容不仅有对 5G-NR 协议的解读，也有学术理 论介绍；不仅面向无线通信的工程技术人员，同时可供科研院所的老师和学生作参考。其次，本书有丰富的理论性能分析和计算机仿真结果。再次，本书涵 盖的面较广，包括工业界主流的信道编码方式以及学术界比较关注的新型编码方式。考虑 LDPC 码和 Polar 码在 NR 中的广泛应用，本书对这两类信道编码做了较为详尽的描述。

1.1 前几代移动通信的演进