Fundamental Research | 殷柳国：面向非高斯信道的广义稀疏编码设计、算法与工程应用

Fundamental Research 2022-12-31

Fundamental Research 2022年第2卷第2期封面

面向非高斯信道的广义稀疏编码设计、算法与工程应用

关键词：广义稀疏编码，非高斯信道，编码构造，编译码算法，工程应用

信道编码是信息通信系统对抗信道噪声和干扰、保证信息可靠性的核心技术，是支撑移动通信、光纤通信、微波通信、卫星通信等信息基础设施可靠高效运行的基石。自1948年美国科学家香农提出信道编码定理以来，逼近信道容量极限的编码设计问题一直被视为信息通信科学皇冠上的明珠，是主要的通信创新源头和产业竞争焦点。经过70多年的持续努力，以加性白高斯噪声（AWGN）信道为基本假设的编码设计方法研究取得显著进展，形成了以Turbo码、LDPC码和Polar码为代表的逼近AWGN信道容量限的编码技术，有力带动了以移动通信为代表的信息技术产业的蓬勃发展。然而，针对空间抗干扰通信、深空通信、量子通信等呈现非高斯特征的诸多复杂信道场景，仍然缺乏成熟高效的编码设计理论方法。事实上，如何针对非高斯的复杂信道环境，构造具有抗恶劣误码能力并且适应传输环境大动态变化的高性能编码，一直是困扰信道编码领域的基础性难题。

近期，清华大学殷柳国研究员课题组在国家自然科学基金委员会主管、主办的Fundamental Research 期刊上发表论文，提出了一种面向非高斯信道的高性能编码构造及实现方法，通过在传统随机编码架构上引入高维代数约束，得到一类在极低码率下仍然具有逼近理论极限性能的广义稀疏码（Generalized Sparse Codes）。论文基于广义信道模型，提出了广义稀疏码的渐进性能分析和码参数优化设计方法，支持针对不同信道环境进行随机编码构造和高维约束扩展，形成了码长码率大范围可变的高性能广义稀疏编码优化设计方法，并给出了低复杂度的编译码算法。在此基础上，论文针对电磁对抗场景下的部分带阻塞干扰信道、直升机-卫星通信场景下的部分信号遮挡信道、第五代移动通信的超高可靠低延时（URLLC）信道、大规模工业总线场景下的强脉冲干扰噪声信道、量子安全直接通信的极端恶劣信道等实际通信应用场景，给出了广义随机编码的设计实例及性能测试结果，初步验证了广义稀疏编码相对于既有编码的技术优越性（图1）。最后，论文总结了广义稀疏随机码的研究进展及应用情况，探讨了尚待进一步深入研究的问题，希望能够为开展通信编码创新研究提供更多角度的参考和启迪。

综上所述，论文提出了一种广义稀疏编码技术，支持多种非高斯信道场景下的高性能编码优化设计与低复杂度编译码实现，对于发展恶劣电磁环境下的高效可靠通信技术具有参考和应用价值。

图1. 广义稀疏编码码字构造与典型编码性能示例。

以上内容节选自期刊Fundamental Research 2022年第2期发表的文章“Z. Chen, Z. Sun, Y. Pei, et al., Generalized sparse codes for non-Gaussian channels: Code design,algorithms, and applications, Fundamental Research 2(2)(2022) 284-295”。

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主要作者简介

殷柳国 清华大学信息国家研究中心研究员、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。已发表论文120余篇。

陈钊 清华大学北京信息科学与技术国家研究中心助理研究员。已发表论文20余篇，包括IEEE TWC、IEEE TCCN、IEEE CL 等期刊。

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