5G-NR 信道編碼（簡體書）

本書以5G主要應用場景和性能指標為基礎，對適合5G的幾大編碼技術逐一進行系統的描述。本書介紹的編碼技術主要包含低密度校驗碼（LDPC）、極化碼（Polar Code）、咬尾卷積碼（TBCC）和Turbo碼。除此之外，對外層編碼和其他的高級編碼都有專門的章節介紹。每一種編碼技術的描述包括碼的結構、編解碼算法、性能仿真和算法複雜度分析。

徐俊，
南京郵電大學本科和碩士畢業，高級工程師，2003年至今在中興通訊主要負責4G和5G的編碼和調製的研究和標準推動，是4G WiMAX和5G NR標準中LDPC碼的主要貢獻者之一。
袁弋非，
清華大學本科和碩士畢業，美國卡內基-梅隆大學博士畢業，2000-2008年在朗訊（後合併為阿爾卡特-朗訊）從事3G和4G關鍵技術研究。2008年至今在中興通訊擔任無線標準技術總監，負責4G和5G的關鍵技術研究和標準推進。興趣方向包括：多天線技術、信道編碼、資源調度、非正交多址、窄帶物聯網等。2010年入選***“千人計劃”。

第 1章 背景介紹 1

1．1 前幾代移動通信的演進 3

1．2 第五代移動通信系統（5G-NR）的系統要求 5

1．2．1 主要場景 5

1．2．2 關鍵性能指標和評估方法 7

1．2．3 調製編碼的性能仿真參數 9

1．3 信道編碼的主要方案 9

1．3．1 低密度校驗碼（LDPC） 9

1．3．2 極化碼（Polar Code） 10

1．3．3 卷積碼（Convolutional Code） 10

1．3．4 Turbo碼 11

1．3．5 外層編碼（Outer Code） 11

1．3．6 其他高級編碼方案 12

1．4 本書的目的和篇章結構 13

參考文獻 14

第 2章 低密度校驗碼（LDPC） 17

2．1 LDPC的產生和發展 18

2．2 LDPC碼的基本原理 20

2．2．1 Gallager碼 20

2．2．2 規則LDPC和非規則LDPC 22

2．2．3 置信度傳播的基本原理及其應用 23

2．2．4 實用的解碼方法 27

2．2．5 性能的理論分析 29

2．3 准循環LDPC碼（QC-LDPC） 32

2．3．1 擴展矩陣 33

2．3．2 基礎矩陣的基本結構 38

2．3．3 編碼算法 39

2．3．4 准循環LDPC碼的多碼長設計 42

2．3．5 基於QC-LDPC碼的多碼率設計 45

2．3．6 基於QC-LDPC碼的精細碼率調整 46

2．3．7 一般LDPC碼的短圈特性 46

2．3．8 QC-LDPC碼的短圈特性 48

2．4 QC-LDPC碼的譯碼結構 50

2．4．1 全並行譯碼（Full-parallel） 52

2．4．2 行並行譯碼（Row-parallel） 54

2．4．3 塊並行譯碼（Block-parallel） 57

2．5 LDPC在5G-NR中的標準進展 59

2．5．1 提升值設計 59

2．5．2 緊湊型基本圖設計 62

2．5．3 基本圖 63

2．5．4 速率匹配 69

2．5．5 交織 71

2．5．6 分段 73

2．5．7 信道質量指示（CQI）表格和編碼調製方案（MCS）表格 75

2．5．8 傳輸塊大小（TBS，Transport Block Size）的確定 78

2．6 複雜度、吞吐量和解碼時延 83

2．6．1 複雜度 83

2．6．2 吞吐量 84

2．6．3 解碼時延 84

2．7 鏈路性能 85

2．7．1 短碼 85

2．7．2 中長碼 86

2．7．3 長碼 86

2．8 LDPC碼在3GPP中的應用 87

2．9 未來發展 94

2．10 小結 94

參考文獻 95

第3章 極化碼 99

3．1 Polar碼的起源 101

3．2 Polar碼在國內外的研究狀況 102

3．3 Polar碼的基本原理 106

3．3．1 信道 106

3．3．2 信道合併 107

3．3．3 信道分離 109

3．3．4 信道極化 110

3．4 極化碼基本的編碼和解碼方法 112

3．4．1 編碼簡介 112

3．4．2 解碼簡介 113

3．5 Polar碼構造 116

3．5．1 錯誤檢測 117

3．5．2 編碼矩陣生成 123

3．6 Polar碼序列 127

3．6．1 基本概念 127

3．6．2 若干序列介紹 129

3．6．3 序列的特性 136

3．6．4 序列的選擇準則 137

3．6．5 序列的融合、3GPP最終選擇的序列及未來發展 138

3．6．6 速率匹配對序列的預凍結 139

3．7 Polar碼的速率匹配 140

3．8 交織 141

3．8．1 等腰直角三角形交織 141

3．8．2 雙矩形交織 143

3．8．3 速率匹配過程中的交織 143

3．9 Polar碼的重傳 145

3．10 分段 147

3．11 系統Polar碼 148

3．12 2D Polar碼 151

3．13 Polar碼解碼算法 153

3．13．1 SC算法 153

3．13．2 SC-L算法 154

3．13．3 基於統計排序的譯碼算法 156

3．13．4 置信度傳播（BP）算法 158

3．13．5 Polar碼並行解碼 159

3．14 複雜度、吞吐量與解碼時延 161

3．14．1 計算複雜度 161

3．14．2 （存儲）空間複雜度 162

3．14．3 吞吐量 163

3．14．4 解碼時延 163

3．15 Polar碼的性能 164

3．15．1 最小漢明距離 164

3．15．2 誤塊率 164

3．15．3 虛警率 166

3．15．4 與其他碼的性能比較 167

3．16 3GPP協議中的Polar碼 171

3．17 Polar碼的優點、缺點及未來發展 174

參考文獻 175

第4章 卷積碼 185

4．1 卷積碼的原理 186

4．1．1 卷積碼原理和解碼算法 186

4．1．2 基本性能 190

4．1．3 解碼複雜度和吞吐量分析 193

4．1．4 咬尾卷積碼（TBCC） 194

4．2 卷積碼在蜂窩標準中的應用 198

4．2．1 3G UMTS（WCDMA）中的卷積碼 198

4．2．2 LTE中的卷積碼 199

4．3 卷積碼的增強 200

4．3．1 支持多種版本冗餘 200

4．3．2 支持更低碼率 201

4．3．3 性能更優的生成多項式 202

4．3．4 CRC輔助的列表解碼 204

參考文獻 206

第5章 Turbo碼 209

5．1 Turbo碼原理 210

5．1．1 Turbo碼之前的級聯碼 211

5．1．2 並行級聯卷積碼 212

5．1．3 解碼算法 213

5．1．4 基本性能 219

5．2 LTE的Turbo碼 221

5．2．1 LTE的Turbo碼的結構 221

5．2．2 LTE Turbo碼的QPP交織器 222

5．2．3 鏈路性能 226

5．2．4 解碼複雜度分析 227

5．3 Turbo碼2．0 229

5．3．1 更長的碼長 229

5．3．2 更低的碼率 229

5．3．3 咬尾Turbo碼 231

5．3．4 新的打孔方式 233

5．3．5 新的交織器 233

參考文獻 234

第6章 外碼 237

6．1 信道特性與外碼 238

6．2 顯式外碼 239

6．2．1 常用外碼 239

6．2．2 包編碼（Packet Coding） 241

6．3 隱式外碼 256

6．4 小結 256

參考文獻 256

第7章 其他高級編碼方案 259

7．1 多元域LDPC碼 260

7．1．1 概念 260

7．1．2 多元LDPC碼比特交織編碼調製（BICM）方案 261

7．1．3 多元碼調製映射方案 262

7．2 多元域RA碼 266

7．2．1 交織器 268

7．2．2 加權器 270

7．2．3 組合器與累加器 271

7．2．4 譯碼 271

7．3 格碼 271

7．4 基於無速率碼的自適應編碼 279

7．5 階梯碼 281

7．5．1 編碼 282

7．5．2 解碼 283

7．5．3 性能 283

7．5．4 未來演進方向 284

參考文獻 285

縮略語 287

索引 293