5G無線關鍵技術之六—先進調製編碼

5G包括多種應用場景，性能指標要求差異很大。例如，熱點高容量場景對單用戶鏈路的速率要求極高，這就需要在大帶寬和信道好的條件下支持很高的頻譜效率和碼長。在密集部署場景，無線回傳會廣泛應用，這就需要有更先進的信道編碼設計和路由策略來降低節點之間的干擾，充分利用空口的傳輸特性，以滿足系統高容量的需求。

先進調製編碼涵蓋許多單點技術，它們大致可以分為鏈路級調製編碼、鏈路自適應、網路編碼三大領域。其中鏈路級技術包括多元域編碼、比特映射技術和聯合編碼調製等，多元域編碼通過伽羅華域的運算和比特交織，從而使得鏈路在高信噪比條件下更容易逼近香農極限，並且增加分集效益。新的比特映射技術採用同心輻射狀的幅度相位調製（APSK），能夠提高頻譜利用效率。聯合調製編碼採用相位旋轉等技術，使得鏈路在快衰信道下更加魯棒。鏈路自適應包括基於無速率（Rateless)和碼率兼容的，以及一些工程實現類的編碼 (如圖1所示），可以通過對碼字結構的優化以及合理的重傳比特分布，讓調製編碼方式更準確地匹配快衰信道的變化。網路編碼利用無線傳輸的廣播特性，撿拾節點之間無線傳播中所含的有用比特信息，能夠提高系統的吞吐量。

圖1新型調製編碼的技術分類

（1）鏈路級調製編碼

多元域編碼的設計目標是在與二元碼解碼複雜度相近條件下，獲得更好的性能，目前多元LDPC和多元重複累積（RA）碼被認為是比較有應用前途的多元碼。除了碼結構本身，從多元域到星座映射也是多元碼鏈路的重要組成部分，直接影響性能。比特映射技術，如輻射狀星座相比傳統的QAM更趨近髙斯分布，可以將這些新的星座設計與信道編碼、接收器的先進解調演算法綜合考慮，進行聯合編碼調製。例如超奈奎斯特調製的性能更加逼近香農容量界，其設計關鍵在於降低序列解調的複雜度和濾波器，目前業界已經提出一些次優解調演算法，與最優解調演算法相比，性能差別不大，但複雜度可以成倍地降低。在鏈路編碼中，包編碼是一種實現起來相對簡單的技術，它通過異或運算將多個子碼塊的信息比特聯繫起來，可有效增強信道編碼的魯棒性。

（2）網路編碼

網路編碼技術主要包括碼字設計和系統設計。碼字設計的目標是設計協作傳輸的效率更高，與各個分支鏈路信道條件相匹配的信道編碼；系統設計的內容包括用戶配對、路由選擇和資源調度等。網路編碼是與部署場景密切相關的，具體方案需要針對某一種場景進行優化，例如，協作中繼和節點雙向傳輸兩種場景對空口標準的影響程度就有所不同。

（3）鏈路自適應

鏈路自適應的理論研究主要是設計具有多種候選碼率和碼長的碼字。在無速率碼方面，前向堆棧解碼演算法可以大大簡化Spinal碼（其中的一類Rateless碼）的接收器實現。在碼率兼容類型碼方面，LDPC的進一步優化可以實現更靈活的碼率自適應和碼長。鏈路自適應的工程實現中，採用軟ACK/NACK可以提髙傳輸效率，在缺乏準確信道信息反饋的情形下，以「無級變速」的方式與快衰信道相匹配。圖2是16元碼與二元LDPC碼在AWGN信道下的鏈路模擬性能比較。在BER=1%的工作點，多元碼的增益在0.5dB左右。

圖216元碼與二元LDPC碼的鏈路性能比較

圖3是APSK與QAM星座的鏈路模擬性能比較。在BER = 0.01%的工作點，進一步優化的APSK(NE-APSK)相比QAM的性能增益在0.5~0.9dB，調製階數愈高，增益愈明顯。

圖3APSK與QAM星座的鏈路性能比較

圖4是含有中繼的場景中，通過多個鏈路之間的網路編碼以及合理的路由和用戶配對，系統模擬所得到的小區吞吐量的CDF曲線。

圖4網路編碼和路由選擇對系統吞吐量的增益

先進調製編碼中的多種技術可以用於很多場景。多元LDPC碼、新的比特映射技術和超奈奎斯特調製適合大帶寬大數據傳輸，在高信噪比環境增益明顯，較適於熱點高容量場景。聯合編碼調製的旋轉調製依靠多發射天線提高鏈路的魯棒性，十分適合廣域覆蓋場景。網路編碼可以加強多個節點之間傳輸的協作性，在超密集組網中將起到重要作用。

如果喜歡，請關注【通信小弟】微信公眾號！！！

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！