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极化码-信道模型

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在通信过程中,物理层传输的就是电信号,假如我们只用0和1传输信号,并且这些信道互相都没有关系,我们称为二进制离散无记忆信道。信道模型是研究信道编码的基础,常见的几种信道模型分别有:二进制删除信道(BEC)、二进制对称信道(BSC)、高斯信道(AWGN)。设信道的输入和输出分别是长为N的序列,输入是x,输出是y,其信道的转移概率满足:
$$
p\left( {y|x} \right) = \sum_{i=1}^N p\left( {y_{i} | x_{i}} \right)
$$

无损信道

无论发送任何消息,接受方都能够准确无误的接收到,并且不会发生错误,那么这个信道就可以说是一个无损信道。最简单的的就是下面这个模型,不管发送者发送的是0还是1,接收者接受的都是一致的。

Image

假如我们随机进行传输0或者1的数据,其传输的数值图为下面:

无噪声传输图

二进制删除信道

二进制删除信道,简记为BEC(Binary Erasure Channel )。ϵ称为删除概率,表示有ϵ的概率这个信号会丢失。当接收方得到一个位,它是100%确定的位是正确的。只有当位被擦除时,才会出现唯一的混淆。对于二进制离散无记忆信道,我们有ϵ的概率丢失0或者1的比特位。

BEC信道

BEC的信道容量为:

$$
C= 1 - \epsilon
$$

二进制对称信道

二进制对称信道,简记为BSC(Binary Symmetric Channel )。p称为交叉概率,表示有p的概率会导致传输过程中0信号和1信号的错乱。(错乱的意思是发送0,收到却是1;或者发送1,收到却是0)

BSC信道

BSC的信道容量为:

$$
C = \log n + q\log q + (1-q) \log \frac {1-q}{n-1}
$$

加性高斯白噪声信道

高斯信道,常指加权高斯白噪声(AWGN)信道。这种噪声假设为在整个信道带宽下功率谱密度(PDF)为常数,并且振幅符合高斯概率分布。

一般来说,高斯信道需要配合BPSK机制进行调制,在传输之前,我们对0和1比特进行变换,比特0会变成1,比特1变成-1,而这个将比特进行转换的过程就是BPSK调制,最后在BPSK调制后再加上高斯噪声,实际的模型如下:。

高斯信道和BPSK调制解调

通过BPSK调制之后0比特和1比特都会向1和-1这两个临界线靠经,在这个情况下传入高斯信道,即使存在高斯噪声进行影响,我们也能够减小它的影响,在解码端对码字进行BPSK解调,能够得到较高的准确率。

由图可以发现,值靠近1的信号表示原来的信号是0,值靠近-1的信号表示原来的信号是1。这样的好处是在传输过程中减少高斯噪声的干扰,让传输的信号更加稳定。

特别的,5G标准要求信道编码至少能够在加性高斯白噪声信道(AWGN)下进行传输。


VictorHong
作者
VictorHong
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