基于無速率碼的無線傳輸機(jī)制研究

肖衡++潘玉霞++龍草芳

摘要：本文對無速率編碼的特性進(jìn)行了分析，介紹了兩種經(jīng)典的無速率編碼技術(shù)，并對無速率編碼的傳輸通信進(jìn)行建模，發(fā)送方通過信道感知的結(jié)果決定是否發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方在收到足夠多的報(bào)文進(jìn)行譯碼恢復(fù)數(shù)據(jù)。分析了通信過程中影響無速率編碼吞吐量的制約因素、傳輸粒度對抗干擾的影響、發(fā)送時(shí)長對能量消耗的影響。

關(guān)鍵詞：無速率編碼 信道感知 傳輸粒度 吞吐量

中圖分類號：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0029-02

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展對人們的工作與生活產(chǎn)生了巨大的影響，在任何通信信號覆蓋的地區(qū)，終端用戶都能隨時(shí)隨地相互通信。特別是隨著智能終端的發(fā)展與普及，用戶對數(shù)據(jù)的需示已不再僅局限于語音通信，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)及多媒體業(yè)務(wù)占通信業(yè)務(wù)的比重越來越高。數(shù)據(jù)顯示，2014年移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)比上年增長22.3%，占通信服務(wù)收入比43.5%，其中無線上網(wǎng)業(yè)務(wù)收入達(dá)到人民幣1，539億元，比上年增長42.2%。2015年，中國移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)收入規(guī)模首次超過語音業(yè)務(wù)，占通信服務(wù)收入比達(dá)到52.0%，無線上網(wǎng)收入達(dá)到人民幣2，009億元，較上年增長30.5%。預(yù)計(jì)2017年底，移動業(yè)務(wù)的增速將會超過每月11.2Eb，為當(dāng)前業(yè)務(wù)量的十多倍，這就意味著用戶可以體驗(yàn)更為豐富的多媒體業(yè)務(wù)，同時(shí)這也是無線通信的巨大挑戰(zhàn)。無線通信受能量和基站的限制，通信具有一定的不穩(wěn)定性和開放性，在通信過程中會出衰落，對于這些制約限制，提出了協(xié)作中繼技術(shù)、多接入中繼信道等技術(shù)來進(jìn)行解決，同時(shí)采用相應(yīng)的信道編碼來對抗信道的噪聲和干擾。應(yīng)用于移動多媒體廣播系統(tǒng)的無速度編碼具有碼率自適應(yīng)信道狀態(tài)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，為高效、可靠的多用戶無線通信提供了一種新的方向。

1 無速率碼特性

無速率編碼，也稱數(shù)字噴泉碼，本質(zhì)是向前糾錯碼，因其碼率不固定而得名。最初無速率編碼是針對廣播通信和時(shí)延敏感業(yè)務(wù)而設(shè)計(jì)出來的。由于網(wǎng)絡(luò)信道具有時(shí)變性，發(fā)送方和接收方的網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量不同，對于質(zhì)量較差的信道鏈路需要使用低碼率的編碼以保證傳輸?shù)目煽啃?，而高質(zhì)量的信道則需采用高碼率的編碼來提高傳輸效率，這就會造成傳輸?shù)睦速M(fèi)。為避免這種傳輸浪費(fèi)，具有自適應(yīng)匹配特性的無速率編碼被設(shè)計(jì)出來，利用它實(shí)現(xiàn)高效而可靠的傳輸。

傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中信息編碼先通過測量信道來估計(jì)信道的實(shí)際狀態(tài)參數(shù)，再根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)一個固定的編碼速率，但是信道質(zhì)量是變化的，信道估計(jì)很難確定，信道利用率不高。而無速率編碼在發(fā)送點(diǎn)不設(shè)固定編碼速率，而是根據(jù)輸入的待編碼數(shù)據(jù)包，采用無速率編碼算法，源源不斷地向接收點(diǎn)發(fā)送碼字，當(dāng)收到接收點(diǎn)的ACK（acknowledge）后停止發(fā)送。實(shí)際的傳輸碼率由實(shí)際發(fā)送的編碼包數(shù)目和當(dāng)時(shí)的信道狀況決定。

基于固定編碼速率的無線網(wǎng)絡(luò)中，一旦不同的發(fā)送點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文在接收點(diǎn)碰撞時(shí)，接收點(diǎn)無法解碼，所有的報(bào)文都需要重傳，會浪費(fèi)許多的信道資源。而無速率編碼的網(wǎng)絡(luò)中，接收點(diǎn)收到報(bào)文后，一旦解碼失敗，可以再繼續(xù)接收更多的編碼后再嘗試解碼。

2 經(jīng)典無速率編碼技術(shù)

2.1 LT碼

LT碼（Luby Transform codes）是Luby在2002年提出的第一種實(shí)用數(shù)字噴泉碼，在編碼時(shí)不需要事先確定碼率。發(fā)送點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分組傳輸時(shí)，先將長度為L的文件分割成k個數(shù)據(jù)分組（encoded micro-packet），隨機(jī)取一個在1～k的整數(shù)d，其中k稱為該碼的碼長，d稱為編碼分組的度，在數(shù)據(jù)分組中均勻地隨機(jī)選取d個不同包，按照對應(yīng)的比特進(jìn)行異或運(yùn)算，得到編碼包。原始數(shù)據(jù)包作為編碼的輸入符號，編碼包作為編碼的輸出符號，參與編碼運(yùn)算的數(shù)據(jù)包個數(shù)稱為度數(shù)。

接收點(diǎn)收到編碼包時(shí)，譯碼器先找度數(shù)為1的編碼包，若沒找到，則暫停譯碼，繼續(xù)接收尋找。若找到，則通過簡單運(yùn)算，將與之相連的唯一原始分組恢復(fù)出來，并將消去之間的連接關(guān)系，相應(yīng)的編碼分組的度數(shù)也將減1。當(dāng)某個編碼分組的度數(shù)減少到1時(shí)，該編碼分組則被“釋放”。不斷重復(fù)這一過程，直到譯碼停止。若所有原始分組均被恢復(fù)，則譯碼成功，否則表示譯碼失敗，需要接收更多的編碼分組才能繼續(xù)進(jìn)行譯碼。

2.2 Raptor碼

Raptor碼是Shokrollahi于2006年提出的一種改進(jìn)的無速率碼，降低了編碼譯碼復(fù)雜度。Raptor碼采用串行級聯(lián)碼思想，采用兩層的編碼結(jié)構(gòu)：預(yù)編碼和內(nèi)碼。首先對原始信息的分組進(jìn)行預(yù)編碼（LDPC碼和IRA碼），然后對預(yù)編碼得到的中間碼字采用弱化的LT碼進(jìn)行編碼，以產(chǎn)生源源不斷的編碼包。弱化指的是生成的編碼包沒有高連接度包，平均度數(shù)更低，單獨(dú)使用時(shí)不能完全譯出原始數(shù)據(jù)，但可以恢復(fù)大部分源符號。

譯碼時(shí)，Raptor碼先采用置信傳播算法（Belief Propagation， BP）對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行正常譯碼，大部分的源符號會被弱化LT碼高概率恢復(fù)，剩下小部未能解碼的數(shù)據(jù)通過預(yù)編碼的糾錯能力進(jìn)行恢復(fù)。這種級聯(lián)結(jié)構(gòu)中，LT碼部分的糾錯要求被放寬，編碼包的平均度數(shù)降低，可以使Raptor可以獲得更低的編譯碼復(fù)雜度，預(yù)編碼部分可以進(jìn)一步糾正LT碼的譯碼中的差錯，能實(shí)現(xiàn)更高的譯碼成功率。

3 無速率編碼的傳輸性能

基于MATLAB來評估無速率編碼通信的性能，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)有一群主用戶和一個從用戶，主用戶之間的活動性相互獨(dú)立，主用戶與從用戶之間相互獨(dú)立。從用戶周期性感知頻譜資源，若空閑，則傳輸無速率編碼包。在發(fā)送端，將原始報(bào)文P分拆為多個編碼分組（encoded micro-packet），分組的數(shù)目N，即無速率通信的傳輸粒度（transmission granularity）。發(fā)送端以編碼后的分組為單元開始傳輸，這時(shí)每個分組的傳輸都需要首先傳輸前導(dǎo)碼 （preamble）。在收到ACK之前，發(fā)送端持續(xù)發(fā)送編碼分組。

接收端不需知道哪些編碼包丟失或出錯，一旦接收到足夠多的編碼包，則進(jìn)行譯碼。接收端將將正確的分組累積起來，出錯的分組丟棄，直到恢復(fù)出正確的原始報(bào)文P。此時(shí)，接收端通過專用信道向發(fā)送端回送ACK （acknowledge）信號。發(fā)送端則停止發(fā)送當(dāng)前編碼包，轉(zhuǎn)而對下一個數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼發(fā)送。

3.1 通信吞吐量分析

無速率編碼在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，主要的開銷代價(jià)是每個分組的前導(dǎo)碼。假定前導(dǎo)碼和報(bào)文內(nèi)容都采用相同速率進(jìn)行傳輸，原始報(bào)文長為L，分成N個分組，傳輸速率為V，傳輸過程中分組的丟包概率為P，若接收端接收到N/P個分組后開始恢復(fù)報(bào)文，那么無速率通信的吞吐量為：

在信道質(zhì)量較好的時(shí)候，直接傳輸報(bào)文時(shí)丟包概率較低，數(shù)據(jù)通信吞吐量能得到保障，控制開銷會少于無速率通信。但當(dāng)信道質(zhì)量較差的時(shí)候，直接傳輸報(bào)文的丟包概率增大，會造成重傳數(shù)據(jù)量的增加，此時(shí)無速率編碼通信的優(yōu)勢就會非常明顯。無速率編碼能減少不必要的重傳，使得通信性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于直接傳輸。

3.2 抗干擾分析

從用戶發(fā)送編碼包的情況有兩種：一是感知結(jié)果是“閑”，信道實(shí)際狀態(tài)為也“閑”；二是感知結(jié)果是“閑”，但信道實(shí)際狀態(tài)卻為“忙”。在從用戶感知信道是“閑”時(shí)，連續(xù)發(fā)送編碼包的過程中，主用戶可能會在某些時(shí)隙重新占用信道，此時(shí)數(shù)據(jù)將會發(fā)生碰撞，對主用戶的通信產(chǎn)生干擾，這種情況我們稱為“誤檢”。在實(shí)際的傳輸過程中，由于存在“誤檢”，，從用戶感知信道的準(zhǔn)確率會受影響，從而對主用戶通信造成干擾。

在無速率通信過程中，利用信道的馬爾可夫性分析從用戶對主用戶造成的干擾。若一個時(shí)隙可傳輸K個分組，只考慮在干擾情況下造成的丟包，設(shè)一次攻擊的持續(xù)時(shí)間為一個分組的傳輸時(shí)間，，在一個信道為“閑”的時(shí)隙，可完成N1個分組的傳輸，丟包率為0；在感知為“閑”，實(shí)際為“忙”的攻擊期內(nèi)可傳輸N2個分組，丟包率為P，傳輸過程受到攻擊的分組數(shù)量則為PN2，干擾攻擊下的丟包率P1應(yīng)為

通過分析可以看出在無速率編碼通信中傳輸粒度N對網(wǎng)絡(luò)性能起到了決定性因素，需根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀況來進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中攻擊概率較低的時(shí)候，無速率編碼通信的吞吐量會隨傳輸粒度的增大發(fā)生變化。當(dāng)N較小時(shí)，單個分組在整體性能中的占重較小，可削弱干擾的影響，通信性能較好。而N變大，前導(dǎo)碼的開銷也會增大，使得無速率編碼的通信性能下降，但是隨著干擾攻擊概率增大，無速率編碼的通信優(yōu)勢又逐步增大，這就體現(xiàn)出無速率編碼良好的抗干擾能力了。故而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在干擾攻擊時(shí)，要充分發(fā)揮無速率編碼的效能，應(yīng)根據(jù)攻擊的嚴(yán)重程度不同，自適應(yīng)地選擇最優(yōu)的傳輸粒度。

3.3 能耗分析

在無速率編碼無線通信中，系統(tǒng)能量消耗主要分為兩部分，一是感知信道產(chǎn)生的能耗，一是數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的能耗。感知信道的頻率越高，感知結(jié)果的時(shí)效性就越強(qiáng)，產(chǎn)生的沖突干擾就越少，但相應(yīng)地消耗的能量也會越多。而降低感知頻率，減少頻譜感知能量，增大數(shù)據(jù)傳輸能量，則可以讓接收端接收更多的編碼包，主用戶會以高概率占用信道，相應(yīng)地從用戶對主用戶的干擾概率就會增大，造成能量浪費(fèi)。

假定發(fā)送方在每個時(shí)隙感知m條信道，感知一條信道需要消耗能量Ec，發(fā)送一個分組消耗能量Et，在信道閑時(shí)連續(xù)發(fā)送S個分組，接收端收到N/P個分組后開始恢復(fù)報(bào)文，用戶一次成功通信的感知次數(shù)期望為X1，感知結(jié)果為“閑”的信道數(shù)目期望為X2，則消耗在頻譜感知上的能量為Ec*N*X1。一次成功通信消耗的總能量為E=（Ec*m+Et*S*X2）。

要達(dá)到提高系統(tǒng)能量利用率，需要對能量分配上找到一個最優(yōu)比例，即能滿足從用戶對主用戶的干擾概率小于系統(tǒng)設(shè)定的條件，又要保證接收端成功譯碼的概率足夠高。發(fā)送時(shí)長S值的確定就至關(guān)重要。

4 結(jié)語

無線通信的每次升級都意味著傳輸速率的大幅提升，無速率編碼因?yàn)榫邆淞己玫木幋a增益和自適應(yīng)信道 ，在多媒體信息傳輸中得以廣泛應(yīng)用。在無速率編碼通信過程中，在時(shí)間上把信道分割成多個等長的時(shí)隙，信道 “忙”與“閑”的轉(zhuǎn)換以馬爾可夫過程在各個時(shí)隙進(jìn)行。從用戶周期性地對信道進(jìn)行感知，以判斷信道是否被占用，然后根據(jù)感知結(jié)果決定是否發(fā)送無速率編碼包。通過分析從用戶對主用戶的干擾造成的丟包率、通信吞吐量及能量消耗，得出在信道較差的情況下，無速率通信具有較好的抗干擾攻擊能力。而選用合適的發(fā)送時(shí)長，能有效地提高系統(tǒng)的能量利用率，優(yōu)化通信吞吐量。

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