纠错

简述

在数据通信的早期，几乎所有通信都发生在端坐于终端前与大型计算机通信的人类操作员之间。由于当时的比特率很低，所以提供纠错的最有效方法大概是称为符号置换的技术。符号置换设计成在人类环境中使用——当有人在终端前分析接收到的数据并对其完整性作出决定时。利用符号置换，如果接收到的一个字符有错误，不是将它回复到较高级别的纠错，或者显示这个不正确的字符，而是利用不是由字符代码规定的惟一字符(如反向问号)置换这个坏字符。如果操作员不能辨别有瑕疵的字符，那么将要求重传(即符号置换是选择性重传的一种形式)。例如，如果消息包含的是字母字符，操作员也许能够弄明白不正确的字符是什么。但是，如果消息包含的是数字，操作员也许将请求重传。

在现代数据通信领域，用于纠错的方法主要有两种：重传和前向纠错。

重发纠错

ARQ是数据通信中常用的一种差错控制方式，有时也称为自动重发请求。发送端经编码后，发出能够检错的码；接收端收到后，进行检验，再通过反向信道反馈给发送端一个应答信号；发送端收到应答信号后，进行分析，若是接收端认为有错，发送端就把存储在缓冲存储器中的原有码组复本读出后，重新传输；反复上述过程，直到接收端认为已正确收到信息为止。

ARQ方式的主要特点：ARQ方式只需要较少的冗余码，就能获得极低的传输误码率。相对于FEC方式而言，ARQ方式是用检错码代替纠错码，因而比前向纠错占用更少的传输线路，编码器和译码器较为简单，成本也低得多。ARQ方式需要有反馈信道，因而不能用于单向传输信道和广播系统中。ARQ方式的控制规程比较复杂。当系统出现错误需要重发时，其通信效率较低。

由于反馈重发的随机性，ARQ方式的实时响应性不如前向纠错方式，所以ARQ方式不适合用于实时传输系统。

ARQ方式由于工作原理简单，在电话通信中的No.7信令、电报通信和某些卫星通信系统中得到了广泛的应用。实际上，计算机系统容错技术中的重试、向后恢复等技术也采用了ARQ方式。

前向纠错

前向纠错(FEC，Forword Error-Correction)方式。发送端发送能够纠正错误的码，接收端收到信码后自动地纠正传输中的错误。其特点是单向传输，实时性好，但译码设备较复杂。

这种方式的优点是显而易见的。它不需要反馈信道，能用于一点发送多点接收的组播或广播通信中，而ARQ方式则不行；另外发送和接收端都不必设数据缓冲器，适合于实时通信的要求。它的缺点是：纠错码的纠错能力是有限的。若纠错能力强，则所加的冗余码的比特个数就多，在常用的前向纠错系统中，冗余码占总发送码的20%～50%，从而降低了数据传输效率；前向纠错所加的冗余码的个数与信道的差错统计特性相关，如何找到这个定量关系是很困难的，因而如何选择冗余码以达到最佳的纠错能力与最高的传输效率也是很困难的；另外，前向纠错所需的设备比反馈重发要复杂一些。

这种方式具有突出的优点，编码/译码器易于大规模集成电路化，无论在军用通信还是在常用的通信中都有广泛的应用前景。

混合纠错

混合纠错(HEC，Hybrid Error-Correction)方式是FEC和ARQ方式的结合。发送端发送具有自动纠错同时又具有检错能力的码。接收端收到码后，检查差错情况，如果错误在码的纠错能力范围以内，则自动纠错，如果超过了码的纠错能力，但能检测出来，则经过反馈信道请求发送端重发。这种方式具有自动纠错和检错重发的优点，可达到较低的误码率，因此近年来得到广泛应用。

另外，按照噪声或干扰的变化规律，可把信道分为三类：随机信道、突发信道和混合信道。恒参高斯白噪声信道是典型的随机信道，其中差错的出现是随机的，而且错误之间是统计独立的。具有脉冲干扰的信道是典型的突发信道，错误是成串成群出现的，即在短时间内出现大量错误。短波信道和对流层散射信道是混合信道的典型例子，随机错误和成串错误都占有相当比例。对于不同类型的信道，应采用不同的差错控制方式。