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作者簡介
目次
商品簡介
本書系統論述了 5G 移動通信系統中的 LDPC 碼與 Polar 碼等信道編碼技術，包括碼設計、構造、編譯碼算法等。本書首先介紹了信道編碼的基本原理與移動通信中典型的編碼方法，討論了編碼系統性能限的計算；然後重點論述了LDPC 碼與 Polar 碼的編碼原理、譯碼算法與構造方法，介紹了 3GPP 確定的 5G 數據信道 NR LDPC 碼的設計、性能與編碼鏈路組成，以及 5G 控制信道編碼標準、Polar 碼的設計與速率適配方法等。為便於讀者開發與使用 5G 系統， 本書附錄給出了 NR LDPC 碼、Polar 碼的技術規範與性能曲線。
本書適合信息與通信工程領域的工程技術人員與有關專業的本科生和研究生閱讀，對從事 無線通信與信道編碼研究的人員也有重要的參考價值。
本書適合信息與通信工程領域的工程技術人員與有關專業的本科生和研究生閱讀，對從事 無線通信與信道編碼研究的人員也有重要的參考價值。
作者簡介
白寶明，博士，西安電子科技大學通信工程學院教授、博士生導師。分別於1987年和1990年在西北電訊工程學院（現西安電子科技大學）獲工學學士和工學碩士學位，2000年在西安電子科技大學獲通信與信息系統學科博士學位。2000至2003年在香港城市大學作博士後，2005年在美國加州大學戴維斯分校（UC Davis）作訪問學者。主要從事信息與編碼理論、編碼調製技術、無線通信和量子通信方面的教學與科研工作。曾主持國家973計劃項目和863計劃項目課題，以及國家科技重大專項課題的研究工作。白寶明博士是中國電子學會會士，中國電子學會信息論分會主任委員，曾任中國通信學會青年工作委員會副主任委員
目次
第 1章 緒論 1
1．1 第五代移動通信系統 1
1．1．1 5G願景與性能指標 4
1．1．2 5G技術路線及無線傳輸關鍵技術 9
1．1．3 5G研究和標準化進展 11
1．2 信道編碼技術的發展及其在移動通信中的應用 14
1．2．1 信道編碼技術的發展 14
1．2．2 信道編碼技術在移動通信中的應用 18
1．3 5G中的信道編碼方法與標準化 21
第 2章 信道編碼基礎及典型編碼方法 23
2．1 數字通信系統模型 23
2．1．1 信號星座與信號映射器 26
2．1．2 5G通信系統中的調製信號映射 26
2．2 線性分組碼 27
2．2．1 線性分組碼的定義與最小漢明距離 27
2．2．2 生成矩陣和校驗矩陣 28
2．2．3 對一個線性碼簡單修改而構造新碼 31
2．3 譯碼方法與性能度量 32
2．3．1 最佳譯碼 32
2．3．2 線性分組碼的檢錯 34
2．3．3 對數似然比 35
2．3．4 編碼系統性能度量 36
2．4 幾類常用的分組碼 37
2．4．1 重複碼和單奇偶校驗碼 37
2．4．2 循環冗餘校驗（CRC）碼 39
2．4．3 Simplex碼 42
2．4．4 Hadamard矩陣與Hadamard碼 42
2．5 Reed-Muller碼 43
2．5．1 構造方法 44
2．5．2 一階RM碼的編碼與譯碼 46
2．6 卷積碼 49
2．6．1 卷積碼的概念與網格圖表示 49
2．6．2 卷積碼的最大似然譯碼：Viterbi 算法 51
2．6．3 卷積碼的逐符號MAP譯碼：BCJR算法 55
2．6．4 Max-Log-MAP 譯碼算法 64
2．7 咬尾卷積碼 67
2．7．1 編碼方法與 LTE 系統中的咬尾卷積碼 67
2．7．2 咬尾卷積碼的譯碼算法 70
2．8 Turbo碼 76
2．8．1 Turbo 編碼原理 76
2．8．2 Turbo碼的迭代譯碼 82
2．8．3 面向 5G 應用的增強型 Turbo 碼 84
2．9 編碼系統性能限 88
2．9．1 頻譜效率 88
2．9．2 信噪比 89
2．9．3 信道容量 90
2．9．4 有限碼長性能限 97
2．10 編碼與擴頻 101
2．10．1 擴展頻譜系統 101
2．10．2 編碼與擴頻的信道容量 104
2．10．3 軟擴頻 105
第3章 LDPC碼的編譯碼原理與構造方法 107
3．1 LDPC碼的概念與因子圖表示 107
3．1．1 LDPC 碼的定義與矩陣表示 107
3．1．2 因子圖表示 110
3．1．3 度分佈 113
3．2 LDPC碼的編碼 114
3．2．1 QC-LDPC碼的編碼 115
3．2．2 單對角結構 LDPC 碼的編碼 117
3．2．3 雙對角結構 LDPC 碼的編碼 118
3．2．4 雙對角結構 QC-LDPC 碼的編碼 119
3．3 LDPC碼的譯碼 121
3．3．1 和積算法基本原理 122
3．3．2 概率域上的和積算法 123
3．3．3 對數域上的和積算法 126
3．3．4 低複雜度的簡化和積算法 130
3．3．5 分層譯碼算法 133
3．4 LDPC 碼的分析與設計 135
3．4．1 密度進化 135
3．4．2 高斯近似 137
3．4．3 外信息轉移（EXIT）圖 140
3．4．4 基模圖碼的 EXIT 技術 146
3．4．5 LDPC 碼的設計 148
3．5 LDPC 碼的構造 150
3．5．1 基於計算機的構造：PEG 算法 150
3．5．2 基模圖 LDPC 碼的構造 152
3．5．3 LDPC 碼的疊加構造 156
3．5．4 基於代數的 QC-LDPC 碼疊加構造 160
3．6 速率兼容 LDPC 碼 167
3．6．1 RC-LDPC 碼的基本概念 167
3．6．2 基於代數和圖理論結合的方法構造 RC-LDPC 碼 168
3．6．3 基於代數輔助方法構造信息位長度和碼率同時兼容的 LDPC 碼 174
3．7 LDPC 編碼調製 175
3．7．1 LDPC-BICM 系統 175
3．7．2 星座成形 178
第4章 5G 數據信道 LDPC 編碼方案 187
4．1 5G 數據信道編碼的需求與標準化建議 187
4．2 5G LDPC 編碼參數與碼設計 191
4．2．1 校驗矩陣的基本結構 192
4．2．2 矩陣散列 195
4．2．3 基矩陣設計 196
4．2．4 循環移位矩陣的設計 198
4．3 5G LDPC 碼的構造 200
4．3．1 可支持多個移位尺寸的准循環 LDPC 碼 200
4．3．2 5G LDPC 碼循環移位矩陣的代數輔助構造 204
4．4 5G LDPC 碼編譯碼方法與性能 211
4．4．1 5G LDPC 碼的編碼 211
4．4．2 5G LDPC 碼的譯碼 216
4．4．3 基圖選擇 218
4．5 5G LDPC 編碼鏈 221
4．5．1 CRC 添加 223
4．5．2 碼塊分段 225
4．5．3 速率適配 227
4．5．4 碼塊內交織 230
第5章 Polar碼的編譯碼原理與構造方法 233
5．1 Polar 碼的概念與基本原理 233
5．1．1 信道極化 234
5．1．2 Polar 碼 243
5．2 Polar 碼的編碼 244
5．3 Polar 碼的譯碼 246
5．3．1 SC 譯碼算法 246
5．3．2 SCL 譯碼 253
5．3．3 因子圖表示與 BP 譯碼 258
5．4 Polar 碼的構造 262
5．4．1 Bhattacharyya 參數構造 263
5．4．2 蒙特卡羅構造 263
5．4．3 密度進化構造 264
5．4．4 高斯近似構造 265
5．5 級聯Polar碼 267
5．5．1 級聯 Polar 碼的重量譜 269
5．5．2 級聯 Polar 碼的近似最大似然譯碼性能 270
5．6 Polar 編碼調製 271
5．6．1 多層 Polar 編碼調製 273
5．6．2 比特交織 Polar 編碼調製 277
第6章 5G 控制信道 Polar 編碼方案 283
6．1 控制信道編碼的標準化建議 283
6．1．1 概述 283
6．1．2 5G 控制信道編碼建議方案與性能評估 284
6．2 5G NR Polar 碼的設計與典型編碼方案 287
6．2．1 CRC-Polar 碼 288
6．2．2 PC-Polar 碼 288
6．2．3 DCRC-Polar 碼 290
6．2．4 Hash-Polar 碼 294
6．2．5 分段 Hash-Polar 碼 295
6．3 5G 控制信道鏈路傳輸方案及性能 297
6．3．1 上行控制信道 298
6．3．2 下行控制信道 300
6．3．3 5G Polar 碼的性能 301
6．4 5G Polar 碼的構造與編碼 301
6．4．1 NR Polar 碼的編碼 301
6．4．2 NR Polar 碼的構造 303
6．5 Polar 碼的速率適配 307
6．5．1 子塊交織 309
6．5．2 比特選擇 310
6．6 信道交織器設計 312
6．7 上行鏈路控制信息分段方案 313
6．8 物理廣播信道（PBCH）編碼 315
6．8．1 編碼方案與性能評估 315
6．8．2 Polar 碼比特重複 317
6．8．3 時間索引指示方式 319
6．8．4 PBCH 域映射 319
附錄A 有限域基本知識 321
附錄B 5G NR LDPC 碼移位值 331
附錄C 5G NR LDPC 碼性能 339
附錄D 5G NR Polar 碼序列 345
參考文獻 347
後記
1．1 第五代移動通信系統 1
1．1．1 5G願景與性能指標 4
1．1．2 5G技術路線及無線傳輸關鍵技術 9
1．1．3 5G研究和標準化進展 11
1．2 信道編碼技術的發展及其在移動通信中的應用 14
1．2．1 信道編碼技術的發展 14
1．2．2 信道編碼技術在移動通信中的應用 18
1．3 5G中的信道編碼方法與標準化 21
第 2章 信道編碼基礎及典型編碼方法 23
2．1 數字通信系統模型 23
2．1．1 信號星座與信號映射器 26
2．1．2 5G通信系統中的調製信號映射 26
2．2 線性分組碼 27
2．2．1 線性分組碼的定義與最小漢明距離 27
2．2．2 生成矩陣和校驗矩陣 28
2．2．3 對一個線性碼簡單修改而構造新碼 31
2．3 譯碼方法與性能度量 32
2．3．1 最佳譯碼 32
2．3．2 線性分組碼的檢錯 34
2．3．3 對數似然比 35
2．3．4 編碼系統性能度量 36
2．4 幾類常用的分組碼 37
2．4．1 重複碼和單奇偶校驗碼 37
2．4．2 循環冗餘校驗（CRC）碼 39
2．4．3 Simplex碼 42
2．4．4 Hadamard矩陣與Hadamard碼 42
2．5 Reed-Muller碼 43
2．5．1 構造方法 44
2．5．2 一階RM碼的編碼與譯碼 46
2．6 卷積碼 49
2．6．1 卷積碼的概念與網格圖表示 49
2．6．2 卷積碼的最大似然譯碼：Viterbi 算法 51
2．6．3 卷積碼的逐符號MAP譯碼：BCJR算法 55
2．6．4 Max-Log-MAP 譯碼算法 64
2．7 咬尾卷積碼 67
2．7．1 編碼方法與 LTE 系統中的咬尾卷積碼 67
2．7．2 咬尾卷積碼的譯碼算法 70
2．8 Turbo碼 76
2．8．1 Turbo 編碼原理 76
2．8．2 Turbo碼的迭代譯碼 82
2．8．3 面向 5G 應用的增強型 Turbo 碼 84
2．9 編碼系統性能限 88
2．9．1 頻譜效率 88
2．9．2 信噪比 89
2．9．3 信道容量 90
2．9．4 有限碼長性能限 97
2．10 編碼與擴頻 101
2．10．1 擴展頻譜系統 101
2．10．2 編碼與擴頻的信道容量 104
2．10．3 軟擴頻 105
第3章 LDPC碼的編譯碼原理與構造方法 107
3．1 LDPC碼的概念與因子圖表示 107
3．1．1 LDPC 碼的定義與矩陣表示 107
3．1．2 因子圖表示 110
3．1．3 度分佈 113
3．2 LDPC碼的編碼 114
3．2．1 QC-LDPC碼的編碼 115
3．2．2 單對角結構 LDPC 碼的編碼 117
3．2．3 雙對角結構 LDPC 碼的編碼 118
3．2．4 雙對角結構 QC-LDPC 碼的編碼 119
3．3 LDPC碼的譯碼 121
3．3．1 和積算法基本原理 122
3．3．2 概率域上的和積算法 123
3．3．3 對數域上的和積算法 126
3．3．4 低複雜度的簡化和積算法 130
3．3．5 分層譯碼算法 133
3．4 LDPC 碼的分析與設計 135
3．4．1 密度進化 135
3．4．2 高斯近似 137
3．4．3 外信息轉移（EXIT）圖 140
3．4．4 基模圖碼的 EXIT 技術 146
3．4．5 LDPC 碼的設計 148
3．5 LDPC 碼的構造 150
3．5．1 基於計算機的構造：PEG 算法 150
3．5．2 基模圖 LDPC 碼的構造 152
3．5．3 LDPC 碼的疊加構造 156
3．5．4 基於代數的 QC-LDPC 碼疊加構造 160
3．6 速率兼容 LDPC 碼 167
3．6．1 RC-LDPC 碼的基本概念 167
3．6．2 基於代數和圖理論結合的方法構造 RC-LDPC 碼 168
3．6．3 基於代數輔助方法構造信息位長度和碼率同時兼容的 LDPC 碼 174
3．7 LDPC 編碼調製 175
3．7．1 LDPC-BICM 系統 175
3．7．2 星座成形 178
第4章 5G 數據信道 LDPC 編碼方案 187
4．1 5G 數據信道編碼的需求與標準化建議 187
4．2 5G LDPC 編碼參數與碼設計 191
4．2．1 校驗矩陣的基本結構 192
4．2．2 矩陣散列 195
4．2．3 基矩陣設計 196
4．2．4 循環移位矩陣的設計 198
4．3 5G LDPC 碼的構造 200
4．3．1 可支持多個移位尺寸的准循環 LDPC 碼 200
4．3．2 5G LDPC 碼循環移位矩陣的代數輔助構造 204
4．4 5G LDPC 碼編譯碼方法與性能 211
4．4．1 5G LDPC 碼的編碼 211
4．4．2 5G LDPC 碼的譯碼 216
4．4．3 基圖選擇 218
4．5 5G LDPC 編碼鏈 221
4．5．1 CRC 添加 223
4．5．2 碼塊分段 225
4．5．3 速率適配 227
4．5．4 碼塊內交織 230
第5章 Polar碼的編譯碼原理與構造方法 233
5．1 Polar 碼的概念與基本原理 233
5．1．1 信道極化 234
5．1．2 Polar 碼 243
5．2 Polar 碼的編碼 244
5．3 Polar 碼的譯碼 246
5．3．1 SC 譯碼算法 246
5．3．2 SCL 譯碼 253
5．3．3 因子圖表示與 BP 譯碼 258
5．4 Polar 碼的構造 262
5．4．1 Bhattacharyya 參數構造 263
5．4．2 蒙特卡羅構造 263
5．4．3 密度進化構造 264
5．4．4 高斯近似構造 265
5．5 級聯Polar碼 267
5．5．1 級聯 Polar 碼的重量譜 269
5．5．2 級聯 Polar 碼的近似最大似然譯碼性能 270
5．6 Polar 編碼調製 271
5．6．1 多層 Polar 編碼調製 273
5．6．2 比特交織 Polar 編碼調製 277
第6章 5G 控制信道 Polar 編碼方案 283
6．1 控制信道編碼的標準化建議 283
6．1．1 概述 283
6．1．2 5G 控制信道編碼建議方案與性能評估 284
6．2 5G NR Polar 碼的設計與典型編碼方案 287
6．2．1 CRC-Polar 碼 288
6．2．2 PC-Polar 碼 288
6．2．3 DCRC-Polar 碼 290
6．2．4 Hash-Polar 碼 294
6．2．5 分段 Hash-Polar 碼 295
6．3 5G 控制信道鏈路傳輸方案及性能 297
6．3．1 上行控制信道 298
6．3．2 下行控制信道 300
6．3．3 5G Polar 碼的性能 301
6．4 5G Polar 碼的構造與編碼 301
6．4．1 NR Polar 碼的編碼 301
6．4．2 NR Polar 碼的構造 303
6．5 Polar 碼的速率適配 307
6．5．1 子塊交織 309
6．5．2 比特選擇 310
6．6 信道交織器設計 312
6．7 上行鏈路控制信息分段方案 313
6．8 物理廣播信道（PBCH）編碼 315
6．8．1 編碼方案與性能評估 315
6．8．2 Polar 碼比特重複 317
6．8．3 時間索引指示方式 319
6．8．4 PBCH 域映射 319
附錄A 有限域基本知識 321
附錄B 5G NR LDPC 碼移位值 331
附錄C 5G NR LDPC 碼性能 339
附錄D 5G NR Polar 碼序列 345
參考文獻 347
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