kanavakoodaus

Kanavakoodaus on digitaalisen viestinnän ala, jossa lähetetty data lisätään redundanssia virheiden havaitsemiseksi ja korjaamiseksi. Sen päämääränä on parantaa viestin luotettavuutta meluisassa tai häiriöitä sisältävässä kanavassa. Kanavakoodaus eroaa lähdekoodauksesta, joka keskittyy tiedon määrän vähentämiseen pakkaamalla dataa.

Koodausprosessi muuntaa K informaatiobittiä N-bittiseksi koodiksi. Koodausnopeus R = K/N kuvaa käytettävän redundanssin määrää. Lisätty redundanssi parantaa virheenkestävyyttä, mutta pienentää siirrettävän informaation määrää samassa kanavassa. Koodaus voidaan toteuttaa etukäteen (enkoodaus) ja päätellä vastaanotossa (dekoodaus) käyttäen koodin rakennetta.

Yleisiä koodityyppejä ovat lohkokoodeja (block codes) kuten Hamming- ja Reed-Solomon -koodit sekä konvoluutiokoodit. Nykyään tarkkaa suorituskykyä, joka lähellä Shannonin kapasiteettia, tavoittelevia ratkaisuja ovat LDPC-, Turbo- ja Polar-koodit. Konseptilla useissa järjestelmissä voi yhdistää koodauksen ja modulaation muodossa coded modulation, jolloin virheiden sieto paranee moduloinnin ja koodauksen yhteistoiminnalla.

Sovellukset ja käytännön merkitys ovat laajat. Kanavakoodaus on keskeinen osa modernia digitaalista viestintää ja tallennusmedioita, kuten langattomia verkkoja, satelliittiviestintää sekä optisia tallennusjärjestelmiä. Esimerkiksi 5G-NR:n datakanavilla käytetään LDPC-koodia, ohjauskanavilla Polar-koodia, kun taas LTE:ssa on käytetty turbo-koodia. Teoreettinen tausta perustuu Shannonin kanavateoreimaan: tarkoituksenmukaisella koodauksella voidaan saavuttaa virheettömiä viestejä niin kauan kuin siirrettävä tieto pysyy kanavan kapasiteetin alapuolella, ja käytännön ratkaisut pyrkivät lähestymään tätä kapasiteettia hallitulla monimutkaisuudella ja viiveellä. Valintaan vaikuttavat kanavan ominaisuudet, viivevaatimukset sekä käytettävissä oleva laskennallinen kapasiteetti.