面向极端环境无线通信的高可靠弹性编码框架

《The Innovation》：A highly reliable resilient coding for wireless communication in extreme environments

　　

正文

极端环境（例如深空、深海和深地）以高不确定性和丰富的资源为特征。探索极端区域不仅推动了海洋学和地质学等基础科学领域的突破，还促进了资源发现和环境监测等领域的重大技术和经济进步。随着任务在深度、持续时间和复杂性方面不断扩大，可靠的无线通信成为成功下达控制指令、传输任务数据和应急响应的基础。因此，极端环境下的通信系统设计已成为支持安全性、运营效率和持续探索的关键能力。

然而，极端环境带来了重大挑战。任务数据表现出固有的异构重要性等级：控制命令和安全遥测要求严格的可靠性和及时性，而一般感知数据则可以容忍错误或延迟。这种异构性要求动态调整传输策略，以确保在变化条件下可靠地交付关键数据。此外，极端环境使通信系统面临前所未有的物理限制。

具体来说，深空链路遭受严重的路径损耗和长传播延迟，导致持续的超低信噪比（SNR）模式；深海传输受到高度非平稳多径和多普勒变化的影响，导致高度波动、时变的 SNR；深地由于复杂且异构的地质结构表现出不可预测的衰减，导致信噪比严重衰减。这些不利条件的汇聚使得在极端环境中实现稳定可靠的通信成为一项极具挑战性的任务。

上述挑战凸显了现有编码方法的显著性能瓶颈。在信源层面，现有编码方案通常统一处理所有任务数据，无论优先级如何，都应用等概率压缩或相同的错误保护。这种统一方法导致资源利用次优，并损害了关键任务信息的可靠交付。在信道层面，各种编码方案，包括里德 - 所罗门、博斯 - 乔杜里 - 霍昆格汉、Turbo、低密度奇偶校验（LDPC）码和极化码，已被用于极端环境。^, 然而，现有方案在恶劣信道条件下表现出明显的局限性。具体而言，现有码的固有结构限制限制了其在低 SNR 条件下的纠错能力，导致通信不可靠。此外，现有方法的固定冗余和静态解码配置阻碍了对快速时变信道的有效适应，损害了通信可靠性。

弹性编码框架

在本评论文章中，我们提出了一个高可靠的弹性编码框架，该框架自适应地修改编码结构，以实现差异化数据压缩和纠错效果改进。为了应对不同的 SNR 条件，所提出的框架采用通用弹性校验结构以确保超高可靠性。同时，该框架结合了针对不同类型极端环境量身定制的特定机制。在持续低 SNR 和衰减 SNR 条件下，所提出的框架优先考虑自适应核选择和设计，以最大化编码增益。在时变 SNR 条件下，它优先考虑冗余的动态重组，以应对突发错误。

如图 1 所示，所提出的框架将高可靠的弹性编码与传输场景相结合，以支持极端环境中的稳健通信。弹性编码模块分为弹性信源编码和弹性信道编码，一般由三个紧密耦合的组件组成：(1) 根据数据关键性分配保护级别的差异化压缩，(2) 根据估计的信道可靠性进行灵活冗余分配的弹性校验结构，以及 (3) 利用极化指标加强纠错能力的自适应核选择。

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图 1 高可靠的弹性编码和传输场景

弹性信源编码

弹性信源编码引入了重要性感知压缩和弹性冗余机制，以适应异构任务数据和快速变化的信道条件。编码器并非应用统一处理，而是为不同类型的数据分配分级保真度级别。这种设计确保关键控制和信息安全信息得到更完整的保留，而次要感知数据则更紧凑地表示。在预定义的任务优先级协议和实时信道状态估计的驱动下，系统自适应地调整位压缩分布，以在低 SNR 条件下增强对关键控制信息的保护。结合相应的解码方法，所提出的模块即使在通信链路经历严重衰减时也能实现关键信息的可靠恢复。

弹性信道编码

弹性信道编码通过设计灵活的校验结构来增强通信稳健性，该结构利用非信息位来构建自适应校验约束。在极化比特信道可靠性分布的指导下，编码器动态选择来自不同易错段落的脆弱位作为校验位，在容易发生解码失败的区域提供加强的保护。此外，还引入了弹性核设计以解决有限长度极化码固有的极化不足问题。通过结合混合核结构，所提出的方案在不牺牲编码率的情况下缓解了极化损失，使传输的码字能够准确反映极端环境。

在实际部署中，自适应策略侧重于不同的方面。深空探索优先考虑弹性核选择，以在路径损耗条件下最大化编码增益，而深海通信则倾向于动态调整校验结构以应对非平稳多径效应。结合相应的解码策略，所提出的模块即使在恶劣且高度动态的信道条件下也能显著提高稳定性。具体而言，弹性解码采用弹性校验逐次消去法。通过动态将校验位映射到按可靠性排序的位置，它实现了对脆弱节点的高度针对性纠错，在高可靠性和低硬件开销之间实现最佳平衡。

此外，所提出的框架可以与 5G 标准的 LDPC 码和极化码进行比较和测试。除了已知的误码率和帧错误率外，关键评估指标还应包括超低 SNR 条件下的位错误下限、信道条件快速变化时的自适应收敛延迟以及有限硬件条件下的计算吞吐量。这可以更全面地反映系统的稳健性。

迈向环境感知的弹性编码

在本评论文章中，我们提出了一个用于极端环境无线通信的高可靠弹性编码框架。通过引入自适应重要性分类、校验关系、核结构和混合核，所提出的方法将传统的静态编码转变为动态、环境感知的过程。弹性编码的引入使无线通信系统能够实现强可靠性，并为未来的极端环境开辟了有前景的途径。具体来说，所提出的弹性校验结构可以灵活分配冗余资源并保持低误码率，为在恶劣环境条件下运行的本地存储介质（例如 NAND 闪存）提供高可靠的纠错保护。

资金与致谢

本工作由国家自然科学基金（资助号 62550191）支持。资助方在研究设计、数据收集和分析、发表决定或手稿准备中没有发挥作用。

利益声明

作者声明不存在竞争利益。