差错控制编码技术的应用摘要：随着网络技术的发展,网络中数据交换量迅速增加,大量的数据需要通过网络进行交 换。在数据的传输过程中,由于种种原因,数据并不能保证 100%的准确传输,数据传输的高准 确率与高效率中间存在着比较难调和的矛盾。为了解决这个问题,便出现了通信中的差错控 制技术,即通过将传送数据进行编码发送的方法来进行检错和纠正。引言：无线应用的飞跃发展和广阔的应用前景，使得人们不得不把更多的目光投向无线 网络的通信。由于无线环境与有线环境相比，具有误码率高、 时延长、带宽窄、信道不对 称以及频繁的移动等特性，使无线网络中的通信质量难于保证。这样，怎样改善无线网络 中的通信性能也 自然成了目前乃至以后较长时期网络领域的重要研究课题。一、差错控制编码技术的概念信道干扰源可分为无源干扰和有源干扰。前者引起的差错是一种随机差错，即某个码元的 出错具有独立性，与前后码元无关。而后者是由短暂原因如突然施加干扰源引起的，差错 是成群的，其差错持续时间称为突发错的长度在信息传输中，二者均有可能被引入。根据 具体情况而选定合适的差错控制编码可以发现并纠正这些错误。1.1 差错控制的基本方式(1) 反馈纠错 反馈纠错是在信源端采用能发现一定程度传输差错的简单编码方法对所传信息进行编码(加 入少量监督码元)，在信宿端根据编码规则对收到的编码信号进行检查，一旦检测出误码， 即向信源端发出信号要求重发。信源端收到信号后，立即重发已发生传输差错的那部分信 息，直到正确收到为止。这种方法只能发现接收码元中的一个或一些错误，但无法确定误 码的准确位置，较适合于双向数据通信，要求信源端有数据存储装置。(2) 前向纠错 前向纠错是信源端采用在解码时能纠正一定程度传输差错的较复杂的编码方法，使信宿端 在收到码元后不仅能发现错码，还能够纠正错码。采用前向纠错方式时，不需要反馈信道， 也无需反复重发而延误传输时间，对实时传输有利。但是纠错装置比较复杂。此方法可用 于没有反馈通道的单向数字信号的传输。(3) 混合纠错 混合纠错即在接收端自动纠正少量差错，当误码严重超出其自行纠正能力时，就向信源端 发 出询问信号，要求重发，是反馈纠错和前向纠错的混合形式。1.2 差错控制编码的分类 差错控制编码按照差错控制的不同方式，可分为检错码、纠错码和纠删码等；按照误码产 生的原因不同，可分为纠正随机错误码与纠正突发性错误码；按照信息码元与附加的监督 码元之间的检验关系，可分为线性码与非线性码；按照信息码元与附加监督码元之间的约 束方式不同，可以分为分组码与卷积码；按照信息码元在编码之后是否保持原来的形式不 变，可分 为系统码与非系统码。在实际运用中往往是多种方式的编码方式混合，如线性分 组码就是信息码元与附加的监督码元之间的检验关系为线性，约束方式为分组形式。1.3 差错控制编码的几个基本概念1. 信息码元与监督码元 信息码元又称信息序列或信息位，这是由信源端编码后得到的被传送的信息数据 比特，通 常以k表示。由信息码元组成的信息组为：M=(mk-1, mk-2, ,mO)在二元码情况下，每个信息码元m的取值只有0或1,故总的信息码组数共有2个，即 不同信息码元取值的组合共有2组。监督码元又称监督位或附加数据比特,这是为了检测 纠正错码而在信道编码时加入的判断数据位。通常以r表示，即为：N=k+r经过分组编码后的码又称为(n, k)码，表示总码长为n位，其中信息码长(码元数)为k位， 监督码长(码元数)为r=n-k。通常称其为长为n的码字(或码组、码矢)。2. 许用码组与禁用码组信道编码后的总码长为n,总的码组数应为2的n次方，即为2的k+n次方。其中被传 送的信息码组有2的k次方个，通常称为许用码组，其余的码组共有(2的n次方一 2的 k 次方)个，称为禁用码组，不传送。信源端差错控制编码的任务正是寻求某种规则从总码 组(2的n次方)中选出许用码组；而信宿端泽码的任务则是利用相应的规则来判断及校正收 到的码字是否符合许用码组。通常又把信息码元数目k与编码后的总码元数目(码组长度)n 之比称为信道编码的编码效率或编码速率，表示为： R=k/n=k/(k+r)(1)这是衡量纠错码性能的一个重要指标，一般情况下，监督位越多(即r越大)，检测纠错 能力越强，但相应的编码效率也随之降低了。二、差错控制技术在无线通信网络中的应用(一)在无线通信网络中的应用无线通信中的差错控制技术主要包括前向纠错技术和自动重传请求(ARQ)技术。现代信息 和编码理论的奠基人C. E. Shannon提出的香农信道容量理论指出对于一个通信信道而t，存 在着信道容量的理论上限,即香农限。在这个上限内,信息的无错传输理论上限是可以实现的。 信道编码研究的目的就是寻找最接近于香农限的纠错码，从而最大限度地提高整个通信系统 的传输效率。1. 卷积码卷积码是一种性能优越的信道编码，它通常用(n,k,N)表示把k个信息比特编成n个比特的码 组，但k和n通常很小，特别适宜于以串行方式传输信息，延时小。N为编码约束长度,说明编 码过程中互相约束的码段个数。卷积码编码后的n个码元不仅与当前组的k个信息比特有 关，而且与前N-1个输入组的信息比特有关。编码过程中相互关联的码元有Nxn个。R=k/n 是卷积码的码率，码率和约束长度是衡量卷积码的2个重要参数。一般来说码的约束长度越 长， 自由距越大纠错性能越好，但随着约束长度的增加，搜索复杂度快速增加。2. Turbo 码Turbo码又叫并行级联卷积码(Parallel Concatenated Conventional Code)，编码器通过交织器把2 个递归系统卷积码并行级联，译码器在2个分量码译码器之间进行迭代译码，整个译码过程类似 涡轮(Turbo)工作，所以又形象地称为Turbo码。它的最大特点是巧妙地将卷积码和随机交织 器结合在一起，有效地实现了随机性编译码的思想。迭代译码是Turbo码性能优异的一个关 键因素，其分量译码器分别采用 MAP (Maximum A Posteriori)或者 SOVA(Soft Output Viterbi Algorithm)算法，可使译码接近最大似然译码,从而获得了几乎接近香农限的译码性能。Turbo 码具有极其广阔的应用空间，但码长较长、运算量较大以及由交织引起的时延对Turbo码的应用有一定限制。所以Turbo码适用于码长较长且对时延不敏感的业务，不适应 对实时性要求较高的业务(如视频点播,IP电话)。3.LDPC 码LDPC 码（低密度奇偶校验码）是一种线性分组码,具有优越的纠错性能和巨大的实用价值,被 认为是迄今为止性能最好的纠错码。LDPC码可以用非常稀疏的奇偶校验矩阵或二分图来 定义。也就是说LDPC码的校验矩阵的矩阵元除一小部分不为0外，其他绝大多数都为0。通 常说一个（n,j,k）LDPC码是指其码长为n,其奇偶校验矩阵每列包含j个1,其他元素为0;每行 包含k个1,其他元素为0j和k都远远小于n,以满足校验矩阵的低密度特性。校验矩阵中列 和行的个数（即j和k）为固定值的LDPC码称为规则码，否则称为非规则码。目前LDPC码 的译码方法主要采用的是可信传播迭代译码算法，简称BP算法。这种BP译码方法充分利 用了信息节点和校验节点的性质,以及接收序列的所有信息,从而可以得到逼近香农极限的译 码性能，迭代过程中的收敛也比较快。此外，由于LDPC码具有随机码特性，在与信源或者信 道级联时,不需要额外加交织器，可以进一步降低系统的复杂度和延时。LDPC码由于性能优 异,容易硬件实现,有良好应用前景。（二）实际应用中的码型选择 卷积码具有编译码时延小,实现简单,并且技术成熟的优点,其性能满足了无线通信系统中语 音通信的要求,是第2代移动通信系统中的主要编码技术。但是,卷积码的缺点是在高误码率 条件下很难满足数据业务的性能要求。第3代移动通信系统与第2代移动通信系统最重要的 不同是需要提供更高速率、更多形式的数据业务,所以对其纠错编码体制提出了更高的要求。 在第3代移动通信系统中其语音和短消息等业务仍然采用与第2 代移动通信系统相类似的卷 积码，而对于数据业务,3GPP协议中已经确定Turbo码为其纠错编码方案。由于LDPC码的性 能能够逼近香农极限，同时这种逼近又是在不太高的译码复杂度下实现的,因此,LDPC码 在信息可靠传输中具有良好的应用前景,并且己被列入未来移动通信系统的关键技术。LDPC 码还在深空通信、光纤通信、卫星数字视频和声频广播和数字用户线等领域中得到 了广泛应用。三、无线网络中的差错控制策略网络实施差错控制的主要目的是保证用户数据可靠地从数据发送源端到达数据的接收终端， 为了实现这一且标，通常采取的技术为自动请求重传与 前向纠错。在有线网络中， TCP 层和数据链路层均存在差错控制，IP分组也有头部的差错检测，并且TCP层和数据链路层 所采取的差错控制是面向应用中的所有用户数据，即只要检测出有效据受损或丢失了，总 要对丢失的数据进行纠错或重传。由于无线链路质量差，这种差错控制策略在无线网络中 是不适 宜的，需要作相应的改进。1.1 减少差错控耕的复性网络中差错控制的重复性对网络通常会带来如 下一些不利的影响。（1） 带宽的不必要浪费。首先，重复的差错控制意味着需要在用户上添加重复的差错检测 信息。在有线网络中，TCP层有首部及用户数据的校验和，IP层有头部的校验和，数据链 路层有效据帧的校验和，这些检错信息表现出了重复性。事实上，若通过了数据链路层帧 的控验，也已说明了 TCP/IP首部及用户数据部分的正确性，此后，对IP分组头部的校验， TCP 报文段首部及用户数据的校验也就显得重复而无必要。其次，重复的差错控制也意味 着易出现重复的数据重传。在有线网络中，TCP层和数据链路层均进行差错控制，由于TCP 层的差错控制与链路层所进行韵差错控翻是楣互透明的，从而易出现端到端的数据重 传与本地数据重传重复。譬如，当数据发送源端因超时检测出网络中出现了数据丢失，则 TCP 层对丢失的数据实施端到端的重传。在这种情况下，很有可能某中问路由器的数据链 路层已经对此数据进行了本地重传。最后，重复的差错控制也还增加了网络中的确认信息 如：在有线网络中，有端到端的确认，同时也有链路层的确认。(2)时延的增长。由于无线环境误码率高，使网络中易出现误码丢包，于是对有的数据可能 要经过多次重传才能成功到达目的地，此时，即便在差错控制不重复的情况下，这种多改 重传所带来的额外时延也是很长的，若差错控制再重复，显然会使时延更长。譬如，有线 网络中，除了端到靖的差错控制引人的时延外，还有本地差错控制引入的时延。1.2 避免差错控制的盲目性 目前有线网络中所采用的差错控制均与应用性质无关，也就是说，网络所采取的差错控制 对应用是透明的，差错控翩面向应用中的所有用户数据。这种带有一定盲目性的差错控制 对具有误码宰高、时延长、带宽窄等特性的无线环境是不适宜的。下面仍从带宽和时延两 个方面予以说明。(1)带宽的不必要浪费。差错控制面向所有的用户数据是造成无线网络带宽不必要浪费的直 接原因。对有线网络，若在某一上游节点处，其网络层交给数据链路层的数据已经出错(受 到攻击、节点处操作有误、此节点以前的链路未采用很好的链路层差错控制等)或已无用 (由于分段使某子段，已被提前丢弃，随后到来的属于同一 IP分组的子段，即便到达且的 地也会困无法重组丽丢弃，或此IP分组因时延大而过时了)，上游节点的数据链路层仍会 将数据传送给下游节点(链路层无法知道此数据已受损或无用)，此时不管以后的链路采用 怎样的差错控制，最终此数据均会被丢弃，浪费了带宽。(2)时延的不必要增长譬如，有线网络中数据链路层舶差错控制总是尽量保证链路层帧成 功地到达对等层，显然这对那些时延敏感、丢包不是很敏感的应