一、物理层信道编码简介
在无线通信中，物理层要确保数据可靠地穿越充满噪声和干扰的无线环境，这其中，信道编码、交织、加扰以及如 LDPC码和Polar码 这样的先进编码方案，共同构成了通信系统稳定可靠运行的基石。
阐述物理层信道编码的过程以及其中涉及到的主要，接收过程与之相反。
（1）TrBlock：来自MAC层传输信道需要发送的数据块。
（2）CRC：对传输层数据块尾部添加CRC，这是一种检错技术。
（3）数据块分段处理，主要考虑MAC层和物理层处理的数据块的大小不同。
（4）数据块分段数据的CRC校验
（5）信道编码LDPC码，Polar码，这是一种纠错技术。
（6）速率匹配（Rate matching）是指传输信道上的比特被重发(repeated)或者被打孔(punctured),以匹配物理信道的承载能力（物理信道的承受能力受信道质量的限制）,信道映射时达到传输格式所要求的比特速率。
（7）比特交织：指在传输前，将比特流中的比特重新排列，使差错随机化的过程,交织的实施，基于如下的两个事实：
- 无线信道的干扰，通常是突发性的，而不是持续的、连续的干扰。
- 检错或纠错机制，只能应对个别比特的出错，不能应对大批量的比特的出错。法不责众。
（8）concatenation: 编码块的合并，把分组、速率匹配后数据重新进行合并。
二、理解信道编码、交织与加扰
在物理层发送数据前，数据会经过一系列处理。信道编码、交织 和 加扰 是其中关键的三步，它们目的不同，又协同工作。
| 技术 | 主要目的 | 核心思想 | 举例子 |
|---|---|---|---|
| 信道编码 | 纠错/检错，提升可靠性 | 按规则加入冗余比特，形成码字 | 就像寄送易碎品，加入泡沫填充物（冗余信息），即便外箱有些磕碰（传输误码），内容物也大概率完好。接收方可根据"填充规则"发现甚至纠正损坏。 |
| 交织 | 抵抗突发错误，将长串误码分散 | 打乱发送数据的顺序，在接收端恢复 | 好比在装船前，将一箱箱玻璃杯拆开，按新顺序分散到货舱不同位置。若航行中一个货舱进水（突发干扰），只会损坏少数杯子，而不会毁掉整箱。到港后按原顺序重组，损失就分散了。 |
| 加扰 | 加密、避免长0/1串、区分设备或小区 | 用伪随机序列与数据运算，改变比特特性 | 如同在发送前，用只有收发双方知道的特定序列（伪随机码）将信息"搅乱"加密。同时，它能打破长串的0或1，便于接收端提取时钟信号。 |
在完整的物理层发送流程中，这三者通常协同工作。下图以LTE系统的下行共享信道（DL-SCH）为例，展示了信道编码、交织与加扰的典型位置：
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信道编码：如图中的核心步骤，它通过引入冗余信息来对抗信道干扰。常用的编码方式包括Turbo码（在4G时代被广泛使用）、卷积码（用于控制信道等），以及5G中主要采用的LDPC码和Polar码。
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交织：在信道编码之后、加扰之前进行。如图中的交织步骤，它通过重排数据顺序，使在传输中发生的连续突发错误，在接收端解交织后分散成随机的独立错误，从而更利于信道编码进行纠错。
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加扰：通常在交织之后、调制之前进行。如图中的加扰步骤，它不增加冗余，而是通过一个伪随机序列与数据序列进行运算，实现加密、避免长连0或连1序列、以及区分不同用户或小区等目的。
三、5G的核心编码：LDPC码与Polar码
5G在新空口（NR）中，针对不同场景和数据类型，分别采用了LDPC码和Polar码作为其信道编码方案。
1、LDPC码 (低密度奇偶校验码)
特点：LDPC码是一种线性分组码，其核心是一个稀疏的校验矩阵（即大多数元素为0，非零元素很少，"低密度"由此得名）。它具有强大的纠错能力，性能非常接近香农极限。
在5G中的应用：被选为5G eMBB（增强移动宽带）场景中数据信道的编码方案。这是因为数据信道需要传输大量数据，对吞吐量和速率要求高，LDPC码在长码字情况下性能优异，能很好地满足这一需求。
优势与挑战：
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优势：译码吞吐率高，适合高速数据传输；纠错能力强。
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挑战：在高信噪比情况下可能会出现错误平层（即误码率下降到一定程度后难以再进一步降低）。
2、Polar码 (极化码)
特点：Polar码是第一种被严格证明能够达到香农极限的信道编码方法。它通过一种称为"信道极化" 的构造过程，将多个独立的信道"极化"成两类：一类是完美的无噪信道，另一类是全噪信道。信息比特被放置在那些完美的信道上进行传输，从而实现了信道容量的可达。
在5G中的应用：成为5G eMBB场景中控制信道的编码方案。控制信道传输的是关键的控制指令，数据量小但可靠性要求极高，Polar码在短码字上的优异性能正好契合这一需求。
优势与挑战：
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优势：在短码字情况下性能优异；译码复杂度较低（可采用连续消除列表译码）。
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挑战：在中长码字译码时，其性能相较于LDPC码等传统编码不具优势。
四、三码之争
1. Turbo码：第一次触碰香农极限的革命
工作原理：
编码端：使用两个或多个并行的卷积编码器，通过一个交织器将数据打乱后送入第二个编码器。这种结构产生了"随机"特性的长码。
译码端：采用两个软输入软输出译码器，它们之间通过交织器连接，并迭代地交换外部信息（Extrinsic Information）。每一次迭代，译码性能都会提升，就像涡轮增压一样，故名"Turbo码"。
优势：
- 在1993年首次以可行的复杂度实现了接近香农极限的性能，引发了通信技术的革命。
劣势：
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高延迟：迭代译码和串行依赖的结构导致译码延迟较大。
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明显的错误平层：在低误码率区域，误码率曲线变得平坦，下降缓慢，难以满足极高可靠性的要求。
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专利壁垒：技术被多家公司持有，授权费用较高。
2. LDPC码：沉寂多年后的王者归来
工作原理：
编码端：使用一个稀疏的校验矩阵来定义码字。所谓稀疏，就是矩阵中绝大多数元素是0，这使得其编码和译码都非常高效。
译码端：采用置信传播算法进行迭代译码。由于其校验矩阵的稀疏特性，译码过程可以高度并行化，就像有很多个小处理器同时在计算，因此吞吐量非常高。
优势：
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极高的吞吐率：并行译码结构使其非常适合高速数据通信。
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强大的纠错能力：长码长下性能极其优异，甚至超过Turbo码。
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较低的错误平层：比Turbo码更低。
劣势：
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编码复杂度：虽然存在快速编码算法，但编码过程相比Turbo码稍复杂。
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资源需求：要实现高性能，需要较长的码字，占用一定硬件资源。
3. Polar码：来自理论突破的完美编码
工作原理：
核心思想 - 信道极化：这是Polar码最革命性的概念。它通过一种特定的递归构造，将N个独立的信道"极化"成两种极端类型：
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完美无噪信道：容量趋近于1，极其可靠。
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完全噪声信道：容量趋近于0，完全不可靠。
编码端：只将信息比特放置在那些完美无噪信道上传输，而在完全噪声信道上填充收发双方都知道的固定比特（冻结比特）。
译码端：主要采用连续消除列表译码，利用信道极化的特性，按顺序进行译码决策。
优势：
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理论完备：是第一种被严格证明可以达到香农极限的编码结构。
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短码性能优异：在码长较短时，其性能优于LDPC和Turbo码。
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极低的错误平层：在低误码率区域性能卓越，非常适合对可靠性要求极高的控制信令。
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译码复杂度低：SC译码复杂度仅为O(N log N)。
劣势：
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中长码性能：在中等码长下，其性能相较于精心设计的LDPC码仍有差距。
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译码延迟：SCL译码虽性能好，但带有列表大小，增加了复杂度和延迟。
五、总结
Turbo码：是伟大的开创者，推动了3G/4G的发展，但因延迟和错误平层问题，在5G时代被替代。
LDPC码：是高效的实干家，凭借其高并行性和吞吐量，在5G数据信道和众多标准中占据主导。
Polar码：是理论的骄子，凭借其在短码和极高可靠性上的理论优势和卓越性能，赢得了5G控制信道的地位。
| 特性 | Turbo码 | LDPC码 | Polar码 |
|---|---|---|---|
| 提出时间 | 1993年 | 1962年 / 1996年（重新发现） | 2008年 |
| 核心思想 | 并行级联卷积码 + 迭代译码 | 稀疏校验矩阵 + 迭代消息传递 | 信道极化，选择无噪信道传输 |
| 是否达香农极限 | 接近（第一次） | 接近/达到（性能优异） | 是（第一种被严格证明的） |
| 译码复杂度 | 中等 | 较低（可并行） | 低（短码）/ 中（长码） |
| 译码延迟 | 较高 | 低（并行结构） | 中等 |
| 错误平层 | 较高（明显） | 较低 | 极低（尤其短码） |
| 专利状况 | 保护较强，成本高 | 部分过期，成本较低 | 较新，由华为等主导 |
| 主要应用 | 3G, 4G (LTE) | Wi-Fi, 5G数据信道 | 5G控制信道 |