基于水聲信道狀態(tài)的自適應差錯控制*

張　凱，姜勝明，楊愷健

(上海海事大學 信息工程學院，上海 201306)

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基于水聲信道狀態(tài)的自適應差錯控制*

張凱，姜勝明，楊愷健

(上海海事大學 信息工程學院，上海 201306)

水聲信道具有時變、環(huán)境噪聲高、傳播時延大、信道帶寬窄等特點，以致水聲通信的可靠性不高(接收數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤)。目前的解決辦法主要有自動請求重傳和前向糾錯，但是這兩種方式均不能在所有信道狀態(tài)下保持較高的接收吞吐量。提出了一種自適應差錯控擇方法，其中包括一種利用信道誤碼率計算吞吐量的方法，并且采用自適應線性預測方法預測信道誤碼率，根據(jù)信道誤碼率選擇合適的差錯控制方式。仿真結(jié)果表明，采用該選擇方法能夠在所有的信道狀態(tài)下保持較高的接收端吞吐量，提高水聲通信的性能。

自動請求重傳；前向糾錯；吞吐量；誤碼率；自適應線性預測

引用格式：張凱，姜勝明，楊愷健. 基于水聲信道狀態(tài)的自適應差錯控制[J].微型機與應用，2016,35(17)：57-59,63.

0　引言

水聲通信廣泛應用于軍事、石油工業(yè)、環(huán)境污染和海洋資源探索等領(lǐng)域。但是，在水聲通信網(wǎng)絡(luò)中聲音的傳播速度只有1 500 m/s，因此對于水聲通信網(wǎng)絡(luò)的物理層以及數(shù)據(jù)鏈路層的實現(xiàn)比較困難[1]。另外，水聲信道又是當今最為復雜的無線通信信道之一，其本身所具有的隨機的時空頻變，以及窄帶寬、多徑傳播、多普勒效應、環(huán)境噪聲高、傳播延時大等特征，使得水聲通信信道的穩(wěn)定性差，通信的質(zhì)量面臨巨大挑戰(zhàn)[2]。

目前該領(lǐng)域眾多研究人員提出了很多差錯控制的解決方案，這些方案在一定程度上緩解了水聲通信因為惡劣環(huán)境所造成的通信中傳播的數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤而影響通信質(zhì)量的問題，但是這些差錯控制方案也存在其本身的限制，這嚴重影響了其實際使用。

1　差錯控制相關(guān)介紹

目前，差錯控制的解決方法包括自動請求重傳(ARQ)、前向糾錯(FEC)以及混合糾錯(HEC)，下面簡要介紹這幾種解決方法。

1.1自動請求重傳(ARQ)

自動請求重傳的基本原理是在發(fā)送端將待發(fā)送的信息碼元加入冗余校驗碼，經(jīng)過調(diào)制后再通過信道發(fā)送給接收端，待接收端接收到碼元之后解調(diào)，對接收到的碼元按照與發(fā)送端一致的編碼方式進行差錯校驗，檢測碼元是否有錯誤。如果有錯誤，就向發(fā)送端發(fā)送信息，讓發(fā)送端重新發(fā)送出錯的數(shù)據(jù)；如果沒有錯誤，就向發(fā)送端發(fā)送確認信息[3]。ARQ編碼有奇偶校驗、循環(huán)冗余校驗等。

當信道環(huán)境惡劣時，水聲信道傳播延時大，環(huán)境噪聲高，數(shù)據(jù)在傳播時發(fā)生錯誤，需要多次重傳發(fā)生錯誤的數(shù)據(jù)，接收端接收到的有效數(shù)據(jù)就相對比較少，造成接收端的有效吞吐量低。

1.2前向糾錯(FEC)

前向糾錯的基本方法是發(fā)送端在向接收端發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先對數(shù)據(jù)包進行糾錯編碼，之后才經(jīng)過調(diào)制并發(fā)送到接收端，接收端接收到數(shù)據(jù)包之后，對數(shù)據(jù)包進行錯誤檢測和糾正，之后再向發(fā)送端反饋接收信息[4]。FEC編碼有線性循環(huán)碼、RS碼、BCH碼、Turbo碼、LDPC碼等[5]。

前向糾錯的差錯控制方式為了增強檢錯和糾錯功能，在進行糾錯編碼時加入更多的冗余碼，而使得接收端在單位時間里接收到的有效數(shù)據(jù)較少。

1.3混合糾錯(HEC)

混合糾錯的基本原理是對發(fā)送數(shù)據(jù)包先進行ARQ編碼，然后再對編碼后的碼元進行FEC編碼，在接收端接收到數(shù)據(jù)包之后，先進行FEC檢錯并糾錯，再對去除了糾錯冗余的碼元進行ARQ錯誤檢測，如果發(fā)現(xiàn)錯誤在糾錯范圍內(nèi)，就進行糾錯，并向發(fā)送端反饋確認成功接收信息；如果在糾錯能力范圍之外，則向發(fā)送端反饋信息，讓發(fā)送端重傳出錯數(shù)據(jù)包[6]。

這種差錯控制方式雖然同時具有了自動請求重傳和前向糾錯兩種差錯控制方式的功能，提高了通信的可靠性，但是增加了實際實現(xiàn)的復雜度，加入了更多的冗余，同時其糾錯能力比單獨應用前向糾錯的糾錯能力弱，檢錯能力比單獨使用自動請求重傳的檢錯能力弱[7]。

總之，上述三種差錯控制方式只是從單方面入手解決問題，雖然提高了通信的可靠性，但是不能在所有的信道狀態(tài)下保持較高的吞吐量。

2　自適應差錯控制方法

該差錯控制選擇方法首先分析了信道誤碼率與接收端的有效吞吐量之間的關(guān)系，然后提出了一種利用信道誤碼率計算吞吐量的公式，同時，采用自適應線性預測方法預測信道誤碼率，最后利用誤碼率計算吞吐量，根據(jù)吞吐量最大原則來選擇差錯控制方式。

2.1吞吐量的計算方法

因為每個數(shù)據(jù)包在接收端被正確接收的方式和過程都是相同的，所以文中吞吐量定義為單個數(shù)據(jù)包的信息比特數(shù)與被正確接收概率的乘積再比上其被正確接收所用的時間。

由此可分別推出，ARQ的接收端的吞吐量計算公式為：

(1)

FEC的接收端的吞吐量公式為：

(2)

其中，P表示數(shù)據(jù)包錯誤率， S表示每一個經(jīng)過編碼后的數(shù)據(jù)包的比特數(shù)目，R″表示FEC編碼的編碼效率， t表示編碼后的數(shù)據(jù)包在信道中的傳播延時。

數(shù)據(jù)包的錯誤率計算公式，即每一個經(jīng)過編碼后的數(shù)據(jù)包的錯誤率為：

P=1-(1-Pe)s

(3)

其中，Pe表示信道誤碼率。

由于采用不同的重傳方式，經(jīng)過ARQ編碼后的數(shù)據(jù)包的平均重傳次數(shù)(包括第一次發(fā)送和重傳)也不同，而水聲通信一般所采用的重傳方式為選擇重傳，其平均重傳次數(shù)為[7](設(shè)定最大的重傳次數(shù)為Tmax)：

(4)

上式中，T為傳播次數(shù)。

2.2信道誤碼率的自適應線性預測方法

文中利用誤碼率來體現(xiàn)信道狀態(tài)，采用線性預測方式來預測當前信道的誤碼率，假設(shè)已知第n次傳輸數(shù)據(jù)的前p次數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺勒`碼率分別為x(n-p),x(n-p+1),…,x(n-1),通過前p次數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率來線性預測第n次傳輸數(shù)據(jù)的誤碼率x(n),預測值為：

(5)

其線性預測誤差為：

(6)

因此，其均方誤差為：

fp(n)=|ep(n)|2

(7)

則均方誤差的期望為：

E{fp(n)}=E{|ep(n)|2}

(8)

如果令其均方誤差最小，則有：

(9)

(10)

那么，可以令：

(11)

其中，i=1，2，3，…，p;

令E為最小均方誤差，則有：

(12)

同上可有：

(13)

因此，可根據(jù)式(11)和式(13)得出最小均方誤差E和最優(yōu)ap(k)的值。

2.3本文所提出的選擇方法

當兩種差錯控制方式的吞吐量相等時，誤碼率為Pe0(設(shè)定最大的重傳次數(shù)為Tmax=3)：

(14)

若信道的當前狀況已知，則誤碼率和傳播延時都已知，且在兩種差錯控制方式中分別相等，則：

(1)當信道誤碼率大于Pe0時，選擇的差錯控制方式為自動請求重傳(ARQ)；

(2)當信道誤碼率小于等于Pe0時，選擇的差錯控制方式為前向糾錯(FEC)。

3　實驗仿真與分析

文中通過MATLAB/Simulink進行了仿真實驗，獲取仿真數(shù)據(jù)并對其進行了分析，文中所有實驗的傳播時延均采用t1=0.01s,仿真時間為t2=10s。首先，對誤碼率的線性預測性能進行驗證。因為信道的時變其根本是信噪比的變化，所以可以利用信噪比的變化來表示信道時變特性。圖1給出了通過仿真得到的信噪比與實際誤碼率和預測誤碼率的關(guān)系。

圖1　信噪比與誤碼率之間的關(guān)系

圖1說明文中提出的誤碼率預測方法能很好地反映在時變信道中信噪比與誤碼率的關(guān)系，同時證明了文中提出的誤碼率預測方法較準確、可行。

再次，利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型，仿真誤碼率與吞吐量之間的關(guān)系，如圖2所示。本文采用兩種不同的編碼效率進行仿真，(a)中的編碼效率為：CRC(127，111),BCH(127，64);(b)中的編碼效率為：CRC(127，95),BCH(127，85)。

圖2　仿真和理論的ARQ和FEC的吞吐量與誤碼率之間的關(guān)系

理論吞吐量指的是由本文中提出的吞吐量計算公式得到的吞吐量值，通過仿真與理論結(jié)果進行比較分析得出，ARQ和FEC這兩種差錯控制方式的仿真和理論吞吐量分別在某個特定誤碼率值時相等。并且可以看出，ARQ和FEC的仿真吞吐量的交點和理論吞吐量的交點的橫坐標即誤碼率的值分別為P0和P1，這兩個值比較接近。觀察圖2(a)和(b)，可得到在信道的誤碼率大于P0和P1時，自動請求重傳的吞吐量比前向糾錯的吞吐量高，反之，在小于時自動請求重傳的吞吐量比前向糾錯的吞吐量低。

由圖2(a)和(b)分析得出，當改變編碼效率時，自動請求重傳和前向糾錯的吞吐量大小關(guān)系進行交換時的誤碼率的值也會改變，此時，由于前文提出的吞吐量計算公式以及所提到的數(shù)據(jù)包錯誤率、平均重傳次數(shù)都與誤碼率有關(guān)，所以當誤碼率減小時，吞吐量增加、數(shù)據(jù)包錯誤率減小、平均重傳次數(shù)減小。

然后，分別單獨使用ARQ和FEC這兩種差錯控制方式進行了仿真，得到了它們的誤碼率與吞吐量的關(guān)系，也對采用了本文提出的差錯控制方式選擇方法進行了仿真，得到誤碼率與接收端吞吐量的關(guān)系，仿真結(jié)果如圖3。

圖3仿真結(jié)果表明，設(shè)ARQ與FEC吞吐量交點處誤碼率為P，采用了文中提出的差錯控制方式選擇方法的接收端吞吐量為TP0，ARQ的接收端吞吐量為TP1，F(xiàn)EC的接收端吞吐量為TP2，則誤碼率小于P時，TP0>TP1且與TP2重合;誤碼率大于P時，TP0>TP2且與TP1重合。

綜上所述，當誤碼率小于等于P時,選擇用FEC，而大于P時選擇用ARQ，從而提高整個水聲通信系統(tǒng)的接收端的有效吞吐量。

4　結(jié)論

本文分析了信道的誤碼率與接收端有效吞吐量之間的關(guān)系，提出一種差錯控制方式的選擇方法。該方法根據(jù)

當前信道誤碼率選擇使用合適的差錯控制方式，仿真結(jié)果證明接收端有效吞吐量得到了提高。文中也提出了一種自適應線性預測信道誤碼率的方法，該方法根據(jù)歷史的信道誤碼率利用前向線性預測方法來預測當前信道的誤碼率，仿真結(jié)果證明該預測方法較準確、可行。

[1] TALAVAGE J L, THIEL T E, BRADY D. An efficient store-and-forward protocol for a shallow-water coustic local area network[J]. IEEE, 1994,1:883-888.

[2] Cao Rui, Yang Liuqing. Reliable relay-aided underwater acoustic communications with Hybrid DLT codes[C]. Proceedings of Military Communications Conference, 2011,8069(5):412-417.

[3] 黃忠虎，沈連豐，李文峰，等. 時變信道中自適應VR-HARQ研究[J]. 電子學報， 2006， 34(4)：690-694.

[4] 張輝. IEEE802.16m中的HARQ技術(shù)研究[D].成都: 電子科技大學，2012.

[5]CASARI P, HARRIS A F. Energy-efficient reliable broadcast in underwater acoustic networks[C]. Workshop on Underwater Networks,2007(7):49-56.

[6] Zhuang Haojie, TAN H P, VALERA A, et al. Opportunistic ARQ with bidirectional overhearing for reliable multihop underwater networking[C]. In IEEE OCEANS, 2010: 5-10.

[7] 楊謹滔. 802.16m系統(tǒng)MAC層中的ARQ機制研究[D].成都:電子科技大學, 2012.

Adaptive error control based on underwater acoustic channel state

Zhang Kai，Jiang Shengming，Yang Kaijian

(School of Information Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Underwater acoustic channel is featured in time-varying, high environment noise, long propagation delay and narrow channel bandwidth, which causes poor reliability in underwater acoustic communications. Current solutions including automatic repeat request and forward error correction, but these two methods cannot keep high throughputs in all states of channel. Therefore, a adaptive error control is proposed in this paper including a method to calculate throughput with bit error rate, which uses a self-adaptive linear prediction to predict bit error rate and chooses the suitable method of error control based on bit error rate. Simulation result shows that after adopting this method, throughputs of receiver can be kept at a high level in all states of channel and performance of underwater acoustic communication is improved.

automatic repeat request; forward error correction; effective throughput; bit error ratio; adaptive linear prediction

國家自然科學基金(61472237)

TN919.33

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.17.018

2016-04-15)

張凱(1990-)，男，碩士，主要研究方向：信號與信息處理。

姜勝明(1964-)，男，博士，教授，主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、協(xié)議和算法等。

楊愷健(1991-)，男，碩士，主要研究方向：無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。