現代通信中的編碼技術

文/龐一迪

1 導言

在信息時代，人們無時無刻不享受信息帶來的便利，這不僅得益于人們對信息的需求迅猛增加，也得益于通信技術的多樣化發展。而在通信中的一大難題就是編碼，人們花費了大量精力專注在編碼上，基于現代通信技術對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備。

2 通信編碼概述

有效性和可靠性是衡量通信系統的兩個重要的指標，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。廣義的通信系統分為信源、編碼器、信道、譯碼器、信宿和在信道中對信號傳輸有干擾的噪聲，其中編碼的作用是將從信源發出的消息轉換成適合信道傳輸的信號。根據通信系統中編碼的對象將其分為信源編碼和信道編碼。信息科學界的傳奇人物香農（Shannon）也為這二者推倒出編碼理論極限，對而后的編碼工作具有重大意義。

其中信源編碼是進行信源符號和碼符號之間基于數學規律的轉換過程。實際上信源發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候減少或者消除，加之要考慮到轉換后的碼符號的傳輸效率，信息失真度要求及信宿對信息接受能力，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。信源編碼根據信源的性質又可以分為無失真和限失真的信源編碼，二者都應用廣泛。

在信道中，必然會有各種來源隨機產生的噪聲及突發物理因素對傳輸信號帶來的干擾、不同信道的特性使得所傳信息出錯，因此信道編碼是為傳送的信息增添冗余得到具有一定規律性的信息，這種規律性在譯碼時有幫助于信息的檢錯和糾錯，以此來保證信息傳輸的可靠性。且信道編碼只與傳輸的信道有關，這優化了不同數據信息的傳輸，因此好的信道編碼還大大降低了信道設備的成本。

網絡編碼不同于傳統的通信網絡中在中間節點存儲轉發，它采用在節點對多個數據包進行編碼的方法使得單次傳輸的吞吐量增大。基于網絡編碼帶寬利用率、吞吐量、節點能耗等性能優點，它在各網絡上也得到廣泛應用。

此外，由于現代通信的眾多領域對信息安全的高要求，如何在通信環節將編碼的理論要求和信息加密需求的融合也進一步促進編碼技術的發展。

3 現代通信中的編碼技術

不同的通信技術、設備的各部分都可能需要不同的編碼方式，在通信業務日益增多的時代，編碼也不僅僅是保證信息的傳輸，還對信息安全、設備成本、能源功耗等都有決定性的作用，相對于這些優點，好的編碼的代價是值得的。

3.1 5G中的新型調制編碼

在5G時代的低時延、高可靠等特性都離不開編碼的創新和融合應用。RA碼結合了LPDC碼編碼簡單和Turbo碼并行譯碼的特點，在5G通信中，多元RA碼在體現了良好的數據傳輸速率、糾錯等性能。LDLC碼是一種適應AWGN信道容量的碼型，因其高頻帶利用率、復雜度低的譯碼方式、不增添冗余的編碼方式等優越性能使其在MIMO技術、OFDM技術和協作通信方面有著重要的研究價值。此外，與短CRC結合的Turbo碼為5G多智能設備小數據包通信的高效、可靠提供了重要技術手段。

3.2 衛星通信中的編碼技術

衛星通信填補了人們空間上的信息傳輸，其在移動通信、海洋通信、數字電視廣播、航空通信等領域有著重要的角色。衛星通信信道復雜，易受噪聲干擾，信號傳輸過程中衰減大，低錯誤平層的LDPC碼、在低信噪比下性能良好的Turbo碼、強隨機錯誤糾正能力的BCH碼等編碼技術在衛星通信中有很大的應用價值。

3.3 數字視頻的編碼技術

基于視覺享受，我們對數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。對視頻的編碼技術可以說為對視頻的壓縮技術，屬于信源編碼。對于視頻需求的不同場合，常采用多種編碼技術相結合地方式。譬如，可伸縮編碼技術在時間、空間、質量上可根據用戶數據需求進行編碼，節約資源的同時還可保證視頻傳輸質量。

4 編碼技術的展望

現階段人們對日常的新興通信領域要求的速度越來越快，在編碼技術上除了對現存的各種技術進行融合，還期望能全面地利用好新興的編碼技術如量子編碼，力求在兼容性、可靠性上有更多的突破。

5 結語

隨著通信設備的廣泛應用和技術的發展，為了得出適應系統、網絡、設備等需求，很多的研究者絞盡腦汁地在可靠性和有效性上做最優化的取舍，好的編碼不僅節省了成本，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航。