現(xiàn)代通信中的編碼技術(shù)

文/龐一迪

1 導(dǎo)言

在信息時(shí)代，人們無(wú)時(shí)無(wú)刻不享受信息帶來的便利，這不僅得益于人們對(duì)信息的需求迅猛增加，也得益于通信技術(shù)的多樣化發(fā)展。而在通信中的一大難題就是編碼，人們花費(fèi)了大量精力專注在編碼上，基于現(xiàn)代通信技術(shù)對(duì)編碼的需求的多種多樣，因此也衍生花樣繁多的編碼方法和編碼設(shè)備。

2 通信編碼概述

有效性和可靠性是衡量通信系統(tǒng)的兩個(gè)重要的指標(biāo)，是為了在通信過程中能使消息能盡可能快速并且意義完整的傳達(dá)。廣義的通信系統(tǒng)分為信源、編碼器、信道、譯碼器、信宿和在信道中對(duì)信號(hào)傳輸有干擾的噪聲，其中編碼的作用是將從信源發(fā)出的消息轉(zhuǎn)換成適合信道傳輸?shù)男盘?hào)。根據(jù)通信系統(tǒng)中編碼的對(duì)象將其分為信源編碼和信道編碼。信息科學(xué)界的傳奇人物香農(nóng)（Shannon）也為這二者推倒出編碼理論極限，對(duì)而后的編碼工作具有重大意義。

其中信源編碼是進(jìn)行信源符號(hào)和碼符號(hào)之間基于數(shù)學(xué)規(guī)律的轉(zhuǎn)換過程。實(shí)際上信源發(fā)送的消息并不是都是有用的信息，不必要的冗余信息還需要在信源編碼的時(shí)候減少或者消除，加之要考慮到轉(zhuǎn)換后的碼符號(hào)的傳輸效率，信息失真度要求及信宿對(duì)信息接受能力，信源編碼要盡可能少地使用碼字，以此為通信的有效性作保障。信源編碼根據(jù)信源的性質(zhì)又可以分為無(wú)失真和限失真的信源編碼，二者都應(yīng)用廣泛。

在信道中，必然會(huì)有各種來源隨機(jī)產(chǎn)生的噪聲及突發(fā)物理因素對(duì)傳輸信號(hào)帶來的干擾、不同信道的特性使得所傳信息出錯(cuò)，因此信道編碼是為傳送的信息增添冗余得到具有一定規(guī)律性的信息，這種規(guī)律性在譯碼時(shí)有幫助于信息的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，以此來保證信息傳輸?shù)目煽啃?。且信道編碼只與傳輸?shù)男诺烙嘘P(guān)，這優(yōu)化了不同數(shù)據(jù)信息的傳輸，因此好的信道編碼還大大降低了信道設(shè)備的成本。

網(wǎng)絡(luò)編碼不同于傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)中在中間節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，它采用在節(jié)點(diǎn)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼的方法使得單次傳輸?shù)耐掏铝吭龃??；诰W(wǎng)絡(luò)編碼帶寬利用率、吞吐量、節(jié)點(diǎn)能耗等性能優(yōu)點(diǎn)，它在各網(wǎng)絡(luò)上也得到廣泛應(yīng)用。

此外，由于現(xiàn)代通信的眾多領(lǐng)域?qū)π畔踩母咭?，如何在通信環(huán)節(jié)將編碼的理論要求和信息加密需求的融合也進(jìn)一步促進(jìn)編碼技術(shù)的發(fā)展。

3 現(xiàn)代通信中的編碼技術(shù)

不同的通信技術(shù)、設(shè)備的各部分都可能需要不同的編碼方式，在通信業(yè)務(wù)日益增多的時(shí)代，編碼也不僅僅是保證信息的傳輸，還對(duì)信息安全、設(shè)備成本、能源功耗等都有決定性的作用，相對(duì)于這些優(yōu)點(diǎn)，好的編碼的代價(jià)是值得的。

3.1 5G中的新型調(diào)制編碼

在5G時(shí)代的低時(shí)延、高可靠等特性都離不開編碼的創(chuàng)新和融合應(yīng)用。RA碼結(jié)合了LPDC碼編碼簡(jiǎn)單和Turbo碼并行譯碼的特點(diǎn)，在5G通信中，多元RA碼在體現(xiàn)了良好的數(shù)據(jù)傳輸速率、糾錯(cuò)等性能。LDLC碼是一種適應(yīng)AWGN信道容量的碼型，因其高頻帶利用率、復(fù)雜度低的譯碼方式、不增添冗余的編碼方式等優(yōu)越性能使其在MIMO技術(shù)、OFDM技術(shù)和協(xié)作通信方面有著重要的研究?jī)r(jià)值。此外，與短CRC結(jié)合的Turbo碼為5G多智能設(shè)備小數(shù)據(jù)包通信的高效、可靠提供了重要技術(shù)手段。

3.2 衛(wèi)星通信中的編碼技術(shù)

衛(wèi)星通信填補(bǔ)了人們空間上的信息傳輸，其在移動(dòng)通信、海洋通信、數(shù)字電視廣播、航空通信等領(lǐng)域有著重要的角色。衛(wèi)星通信信道復(fù)雜，易受噪聲干擾，信號(hào)傳輸過程中衰減大，低錯(cuò)誤平層的LDPC碼、在低信噪比下性能良好的Turbo碼、強(qiáng)隨機(jī)錯(cuò)誤糾正能力的BCH碼等編碼技術(shù)在衛(wèi)星通信中有很大的應(yīng)用價(jià)值。

3.3 數(shù)字視頻的編碼技術(shù)

基于視覺享受，我們對(duì)數(shù)字視頻播放的分辨率等要求越來越高，甚至在視頻直播、多維視頻的播放上也有著更多的野心。對(duì)視頻的編碼技術(shù)可以說為對(duì)視頻的壓縮技術(shù)，屬于信源編碼。對(duì)于視頻需求的不同場(chǎng)合，常采用多種編碼技術(shù)相結(jié)合地方式。譬如，可伸縮編碼技術(shù)在時(shí)間、空間、質(zhì)量上可根據(jù)用戶數(shù)據(jù)需求進(jìn)行編碼，節(jié)約資源的同時(shí)還可保證視頻傳輸質(zhì)量。

4 編碼技術(shù)的展望

現(xiàn)階段人們對(duì)日常的新興通信領(lǐng)域要求的速度越來越快，在編碼技術(shù)上除了對(duì)現(xiàn)存的各種技術(shù)進(jìn)行融合，還期望能全面地利用好新興的編碼技術(shù)如量子編碼，力求在兼容性、可靠性上有更多的突破。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著通信設(shè)備的廣泛應(yīng)用和技術(shù)的發(fā)展，為了得出適應(yīng)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備等需求，很多的研究者絞盡腦汁地在可靠性和有效性上做最優(yōu)化的取舍，好的編碼不僅節(jié)省了成本，提高了資源利用率，還一定程度上保證了通信安全，為更多的通信保駕護(hù)航。