高誤碼率下的可靠性傳輸

◆陸文博

（國防科技大學(xué)湖南 410073）

通信的目的是立即可靠地將信息發(fā)送給另一方，以完成信息資源的共享。點(diǎn)對點(diǎn)傳輸系統(tǒng)軟件的物理模型如圖1所示。關(guān)鍵包括源代碼，通道代碼和部署的技術(shù)方面。源編碼與信號(hào)源有關(guān)。應(yīng)盡可能避免的位指示必須推送的信息，并且應(yīng)盡可能避免數(shù)據(jù)冗余信息。信道編碼與信道質(zhì)量有關(guān)。通過增加一定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)冗余度，提高了比特信息的抗干擾性能，保證了在有噪聲信道下的可靠傳輸。部署是為了匹配信道特性，減少信道傳輸中數(shù)據(jù)信號(hào)的損耗和噪聲，并結(jié)合頻分復(fù)用技術(shù)靈活地使用信道資源。在特定的通信中，信道中必須有噪聲，并且符號(hào)之間必須存在相互影響，因此接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)將不可避免地引起一定的變形并引起誤碼。因此，為了確保通信質(zhì)量，信道編碼是必不可少的，并且在通信中具有關(guān)鍵影響。

圖1 通信系統(tǒng)模型

通道編碼用于糾正錯(cuò)誤，并廣泛用于通信和存儲(chǔ)。在非合作通信中，由于編碼方法未知，因此對信道編碼識(shí)別進(jìn)行了科學(xué)研究。近年來，這已成為科學(xué)研究網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)。Turbo碼作為一種接近Shannon極限的代碼，近年來已在3G，4G和衛(wèi)星通信中得到廣泛使用，并且對Turbo碼的識(shí)別也變得越來越流行。Turbo碼的詳細(xì)識(shí)別應(yīng)包括卷積碼的識(shí)別和任意交織器的識(shí)別。這兩個(gè)問題可以分別解決。卷積碼的識(shí)別具有比較完整的科學(xué)研究成果，致力于識(shí)別任意交織器。馬俊，張燕平等清楚地提出了一種用樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行分支的方法。該方法基于最大似然的基本原理，即使在噪聲很大的情況下也可以恢復(fù)交織器，但是這種方法對于Turbo碼是不夠的，因?yàn)樗俣ㄗR(shí)別的目標(biāo)是交織和排序后的輸出代碼序列，而接收到的特定對象是對該序列編號(hào)后的代碼序列。參考文獻(xiàn)[10]提出了一種非同尋常的方法，該方法需要假設(shè)信息序列是準(zhǔn)確無誤的。通過將意見反饋卷積編碼器轉(zhuǎn)換為有理式（分子結(jié)構(gòu)和分母均為代數(shù)），可以將其作為泰勒級(jí)數(shù)執(zhí)行。下次恢復(fù)交織的數(shù)據(jù)信息，從而逐步恢復(fù)所有交織；當(dāng)信息序列有錯(cuò)誤時(shí)，創(chuàng)建者提出兩個(gè)對策：“刪除”和“更正”。規(guī)定了誤碼率極低，其仿真表明，當(dāng)長度為100時(shí)，合理的誤碼率在1%和2%之間。當(dāng)前的識(shí)別方法不能另外考慮高誤碼率和長交織器的條件。在特定情況下，并行處理級(jí)聯(lián)的Turbo代碼的1/3能夠糾正10%以上的錯(cuò)誤率，并且其交織設(shè)備的長度也更長。針對這種情況，本文提出了一種逐點(diǎn)恢復(fù)交織器的方法，該方法使得交織器的單個(gè)部分的恢復(fù)僅依賴于多個(gè)相關(guān)部分，從而降低了問題的復(fù)雜性。

1 傳輸控制協(xié)議現(xiàn)狀

傳輸控制協(xié)議在20世紀(jì)末被明確提出，但當(dāng)時(shí)條件下并不是可靠的傳輸層協(xié)議，它基本上為要按順序連接的網(wǎng)絡(luò)層提供了可靠的端到端數(shù)據(jù)流分析傳輸協(xié)議。它可以根據(jù)客戶的需求。當(dāng)路由協(xié)議不可靠并且發(fā)生擁塞時(shí)，呈現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)服務(wù)項(xiàng)的各種服務(wù)級(jí)別還可以確?？煽康臄?shù)據(jù)傳輸。作為道路互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中最常見的端到端傳輸協(xié)議，其擁塞控制系統(tǒng)基于優(yōu)化算法。擁塞對話框限制了發(fā)起者在一段時(shí)間內(nèi)的擁塞控制。大量傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來自始發(fā)方的流量監(jiān)視。通知對話框的接收端和發(fā)送端建立連接后，接收端會(huì)向發(fā)送端通知其更高的可接受速度，這是由接收端的流量監(jiān)視產(chǎn)生的。

合理的對話框發(fā)送數(shù)據(jù)的特定對話框值定義可以理解為發(fā)件人的工作內(nèi)容可以分為兩個(gè)步驟。每次發(fā)送方從接收方收到確認(rèn)時(shí)，都會(huì)根據(jù)一種類型之一的大小展開擁塞對話框，也就是說，如果將在最近的往返時(shí)間內(nèi)確認(rèn)發(fā)送方推送的排序，發(fā)送者將添加兩個(gè)表示加減的概念以增強(qiáng)概念。

當(dāng)數(shù)據(jù)信息傳輸請求超時(shí)，默認(rèn)設(shè)置為路由協(xié)議擁塞，只是降低了發(fā)送數(shù)據(jù)信息推送的速度。每次產(chǎn)生請求超時(shí)，發(fā)起方都會(huì)根據(jù)兩個(gè)值再次計(jì)算擁塞對話框的值。

（1）慢啟動(dòng)階段

剛創(chuàng)建連接或發(fā)生請求超時(shí)，它將進(jìn)入慢啟動(dòng)階段。第一次啟動(dòng)數(shù)據(jù)文件時(shí)，慢啟動(dòng)將重設(shè)為大小。從那時(shí)起，每次接收到外發(fā)消息格式的確認(rèn)時(shí)，大小都會(huì)增加，即增加。在此階段，它呈指數(shù)增長。使用慢啟動(dòng)算法可以避免在啟動(dòng)新連接時(shí)推送過多的數(shù)據(jù)信息，從而導(dǎo)致內(nèi)容丟失和Internet擁塞。另外，由于指數(shù)值的規(guī)則增加也防止了簡單算法引起貨運(yùn)量緩慢增加的問題。Internet的不斷改進(jìn)最終將導(dǎo)致Internet擁塞，因此引入了初始條件慢啟動(dòng)閾值。當(dāng)時(shí)實(shí)施了慢啟動(dòng)算法，當(dāng)它成指數(shù)增長時(shí)，進(jìn)入了擁塞防止階段，并實(shí)施了擁塞防止算法來緩和增長速度。

（2）擁塞避免階段

在擁塞防止階段，當(dāng)檢測到Internet即將發(fā)生擁塞時(shí)，不會(huì)立即使用校準(zhǔn)，并且從頭開始的速度很慢。一旦發(fā)生擁塞，必須將其恢復(fù)很長時(shí)間。慢啟動(dòng)優(yōu)化算法的指數(shù)增長看起來有些激進(jìn)，并且可能會(huì)加劇Internet擁塞。因此，在此階段，選擇相對和更傳統(tǒng)的調(diào)整機(jī)制來更改值，從而使其從指數(shù)增長變?yōu)榫€性增長。在擁塞預(yù)防階段，當(dāng)請求超時(shí)發(fā)生時(shí)。再次設(shè)置它并進(jìn)入慢速啟動(dòng)，這將減小地面上發(fā)送窗口的大小，并減少連接到非常大級(jí)別的貨運(yùn)量。為了改善特性，引入了快速重傳和快速恢復(fù)系統(tǒng)。

在快速重傳階段，當(dāng)推送端收到一個(gè)或多個(gè)重復(fù)確定結(jié)果時(shí)，即感覺數(shù)據(jù)文件已經(jīng)丟失，則將其設(shè)置為當(dāng)前值的一半，即丟失的數(shù)據(jù)文件將再次傳輸，然后進(jìn)入快速恢復(fù)階段。

2 連續(xù)重傳機(jī)制

在數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)恼麄€(gè)過程中，針對錯(cuò)誤代碼的情況有兩種解決方案：一種是根據(jù)LD-PC，RC等的各種修正，添加大量數(shù)據(jù)冗余信息內(nèi)容。通過錯(cuò)誤編號(hào)解決糾錯(cuò)，選擇糾錯(cuò)解決，并完成校驗(yàn)和糾錯(cuò)，改善了系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)信息的傳輸；另一種是重傳，即重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸，要根據(jù)多次傳輸來保證傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，但是，數(shù)據(jù)信息的重傳必須增加系統(tǒng)軟件的負(fù)擔(dān)。在此階段，存在用于水下通信，可見光通信和其他高線錯(cuò)誤通信自然環(huán)境的各種重傳優(yōu)化算法。

使用糾錯(cuò)碼不能實(shí)現(xiàn)100%的糾錯(cuò)。另外，一般的糾錯(cuò)處理方法是由傳輸層完成的，光學(xué)吊艙不具有相對糾錯(cuò)解決能力。從光端機(jī)的角度出發(fā)，為解決控制命令傳輸全過程中由于錯(cuò)誤碼導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)丟包的問題，可以選擇數(shù)據(jù)文件重發(fā)系統(tǒng)。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路通常連續(xù)且規(guī)則地執(zhí)行合理或無效的數(shù)據(jù)信息的傳輸，并使用數(shù)據(jù)信息的傳輸狀態(tài)來監(jiān)視數(shù)據(jù)鏈路的運(yùn)行狀態(tài)。這確定了數(shù)據(jù)文件的連續(xù)重傳不容易增加數(shù)據(jù)鏈接系統(tǒng)軟件的傳輸負(fù)載。

在存在數(shù)據(jù)丟包的情況下，采用數(shù)據(jù)包連續(xù)重傳機(jī)制會(huì)在K次數(shù)據(jù)包重傳時(shí)才收到正確的數(shù)據(jù)包。T的期望值EK即為正確接收一個(gè)數(shù)據(jù)包平均最少需要的傳輸次數(shù) Td。正確接收一個(gè)數(shù)據(jù)包平均最少需要的傳輸次數(shù)Td僅為數(shù)據(jù)包傳輸一次丟包的概率Pe（1）的函數(shù)。Td與Pe（1）在[0.1，0.95]的區(qū)間的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可以看出，隨著丟包概率Pe（1）的增大，正確接收一個(gè)數(shù)據(jù)包平均所需要的最少傳輸次數(shù)Td逐漸增大。高誤碼率情況下，Pe（1）可能超過0.6，此時(shí)Td急劇增長。為了降低正確接收一個(gè)數(shù)據(jù)包平均所需要的最少傳輸次數(shù) Td，需要將丟包概率 Pe（1）控制在盡量小的范圍。丟包概率Pe（1）與誤碼率Pebit和數(shù)據(jù)包長度LBYTE有關(guān)。光電吊艙與數(shù)據(jù)鏈通信接口為異步串口，最常用設(shè)置情況下，傳輸一個(gè)字節(jié)包含1bit起始位、1bit停止位、8bits有效數(shù)據(jù)位，總共10bits。這樣Pe（1）與Pebit和LBYTE就存在和圖1-2所示的關(guān)系：Pe（1）=1-（1-Pebit）10Lbyte（4）丟包概率與數(shù)據(jù)包長度之間為非線性關(guān)系。

圖2 丟包概率與數(shù)據(jù)包長度之間的關(guān)系曲線

從圖3可以看出，在良好的信道標(biāo)準(zhǔn)和低誤碼率的情況下，數(shù)據(jù)包的長度對丟包概率的危害較小，而丟包概率相對較小。在高錯(cuò)誤率信道標(biāo)準(zhǔn)下，數(shù)據(jù)包長度會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)包丟失的可能性。如果誤碼率為0.01，則如果數(shù)據(jù)包的長度超過15個(gè)字節(jié)，則丟包的可能性將超過0.8。為了正確接收數(shù)據(jù)包的平均值，傳輸頻率必須至少為5倍，以進(jìn)一步改善操作命令。

圖3 最少傳輸次數(shù)與丟包概率關(guān)系曲線

3 結(jié)論

Turbo碼具有很強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，并且近年來已廣泛用于具有低頻穩(wěn)定性的無線信道中。對于視頻比特率為1/3的Turbo碼，本文中明確提出的算法可以合理地解決 10%的問題，即在高錯(cuò)誤碼下修復(fù)任何交織器的問題。從算法分析和仿真中可以看出，該算法的存儲(chǔ)和度量很小，可以在通用計(jì)算機(jī)上進(jìn)行操作。識(shí)別時(shí)間短，適用性強(qiáng)。