鐵路車地廣播通信系統(tǒng)中噴泉碼的應(yīng)用研究

劉亦偉

（北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 概述

鐵路通信作為通信系統(tǒng)的重要行業(yè)應(yīng)用具有其特殊的應(yīng)用需求，如應(yīng)用信息傳送的高可靠性、高可用性、底時(shí)延、低誤碼率等[1-2]。在鐵路廣播通信系統(tǒng)中，使用前向糾錯(cuò)技術(shù)可以有效降低系統(tǒng)誤碼率[3-4]。但現(xiàn)有的前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)通常使用固定碼率，且碼塊之間相互不獨(dú)立。固定碼率對于變長的應(yīng)用層數(shù)據(jù)可能會造成通信系統(tǒng)承載能力的浪費(fèi)。由于碼塊間不獨(dú)立，部分碼塊損壞可導(dǎo)致整個(gè)應(yīng)用層信息錯(cuò)誤或丟失。研究噴泉碼（RaptorQ）技術(shù)，將其作為一種前向糾錯(cuò)的編碼方式[5]應(yīng)用于鐵路廣播通信系統(tǒng)中，可在保證系統(tǒng)誤碼率的同時(shí)，最大限度的利用系統(tǒng)資源。同時(shí)，依賴于噴泉碼自身的編碼特點(diǎn)，譯碼是否成功僅與接收到的信息數(shù)量相關(guān)，部分信息的丟失不會對應(yīng)用層信息造成影響。本文通過對不同丟包率條件下，達(dá)到不同誤碼率等級要求時(shí)所需的譯碼開銷進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)對噴泉碼性能研究的目的。

2 噴泉碼介紹

噴泉碼是一種沒有碼率的編碼方式。編碼后生成的碼組包括兩部分：系統(tǒng)碼（Source symbols）和修復(fù)碼（Repair symbols）。其中系統(tǒng)碼由信源的內(nèi)容按照碼組的符號（symbol）大小直接分割形成;修復(fù)碼由系統(tǒng)碼通過運(yùn)算生成。系統(tǒng)碼的個(gè)數(shù)由每個(gè)碼組的長度和信源內(nèi)容的大小決定，修復(fù)碼的個(gè)數(shù)由用戶根據(jù)網(wǎng)絡(luò)承載能力，丟包率等因素按照系統(tǒng)需要規(guī)定[6]。發(fā)送過程中源節(jié)點(diǎn)在不知道這些數(shù)據(jù)包是否被成功接收的情況下，持續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包。例如:假設(shè)信源包含k個(gè)原始碼組，在噴泉碼編碼時(shí)可以產(chǎn)生k+n個(gè)碼組。其中n個(gè)新加碼組為修復(fù)碼，稱之為overhead。接收端只要收到k(1+ε)個(gè)碼組的任意子集，即收到一個(gè)稍微大于原來k值的N，就可通過譯碼，以高概率(和ε有關(guān))成功地恢復(fù)全部信源內(nèi)容。噴泉碼包含兩類，盧比變換LT 碼和Raptor 碼[7]。

3 鐵路車地廣播通信系統(tǒng)架構(gòu)

鐵路車地廣播通信系統(tǒng)由地面發(fā)送系統(tǒng)和車載接收系統(tǒng)兩部分組成，如圖1 所示。地面發(fā)送系統(tǒng)由地面數(shù)據(jù)服務(wù)器和通信發(fā)送基站兩類設(shè)備組成。應(yīng)用數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送給通信基站后，由通信基站通過無線方式發(fā)射。

列車上裝備車載電臺。當(dāng)列車進(jìn)入基站覆蓋區(qū)后，由車載電臺接收數(shù)據(jù)，并將譯碼后的應(yīng)用數(shù)據(jù)傳送給對應(yīng)的車載設(shè)備。

由于廣播系統(tǒng)中地面與車載設(shè)備的通信沒有信息反饋機(jī)制，因此需要使用前向糾錯(cuò)技術(shù)。廣播通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。RaptorQ 所在的前向糾錯(cuò)層，承擔(dān)了降低應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸誤碼率，提高系統(tǒng)整體可靠性的重要任務(wù)。

圖1 鐵路車地廣播通信系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of railway broadcast communication system

圖2 廣播通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of data processing flow of railway broadcast communication system

地面?zhèn)群蛙囕d側(cè)均包括3 個(gè)邏輯層次，即應(yīng)用層、前向糾錯(cuò)層、物理層。地面設(shè)備側(cè)，應(yīng)用數(shù)據(jù)首先到達(dá)前向糾錯(cuò)層，通過RaptorQ 編碼將信源信息變?yōu)橄到y(tǒng)碼組和修復(fù)碼組。RaptorQ 編碼后，將所有碼組傳遞給物理層，由物理層完成加擾，時(shí)隙映射，調(diào)制等工作后，通過無線方式發(fā)出。

車載設(shè)備側(cè)，從無線通道接收到數(shù)據(jù)后先經(jīng)過物理層，完成解調(diào)、信息提取、解擾等工作。此時(shí)信息恢復(fù)為RaptorQ 編碼后得到的系統(tǒng)碼組和修復(fù)碼組。由于無線傳輸過程中存在誤碼的影響，接收到的碼組數(shù)量將小于等于發(fā)送的碼組數(shù)量。利用噴泉碼譯碼是否成功僅與接收到信息數(shù)量相關(guān)，部分信息的丟失不會對應(yīng)用層信息造成影響的編碼特點(diǎn)，對接收到的碼組進(jìn)行譯碼。理論上來說，當(dāng)接收到的總碼組數(shù)量大于等于系統(tǒng)碼組個(gè)數(shù)時(shí)即可將應(yīng)用數(shù)據(jù)成功譯出，對于應(yīng)用數(shù)據(jù)來說不會出現(xiàn)誤碼。

因此，選擇合適的碼組長度和修復(fù)碼個(gè)數(shù)，是降低系統(tǒng)壓力，減少譯碼開銷，提高系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了達(dá)到這個(gè)目的，本文對不同碼組長度在不同丟包率條件下的譯碼開銷進(jìn)行了仿真。

4 仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建及系統(tǒng)架構(gòu)

噴泉碼在鐵路車地廣播通信系統(tǒng)中糾錯(cuò)性能的仿真實(shí)驗(yàn)基于LINUX 系統(tǒng)進(jìn)行。使用C 語言在Ubuntu14.04 操作系統(tǒng)下進(jìn)行仿真模型搭建。

系統(tǒng)仿真架構(gòu)包括5 個(gè)部分，如圖3 所示。

圖3 噴泉碼糾錯(cuò)性能仿真系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of error correction performance simulation system of RaptorQ

1）生成定長的隨機(jī)數(shù)作為信源。信源的長度根據(jù)工程上的實(shí)際需求來確定，這里使用1 800 Byte。

2）將信源（隨機(jī)數(shù)）進(jìn)行RaptorQ 編碼。

3）編碼后的系統(tǒng)碼組和修復(fù)碼組通過同樣的消除信道，以此來模擬網(wǎng)絡(luò)中的丟包現(xiàn)象。

4）接收端將收到的碼組進(jìn)行RaptorQ 譯碼。

5）將譯碼后的數(shù)據(jù)與信源數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到應(yīng)用層數(shù)據(jù)的誤碼率。

5 仿真參數(shù)設(shè)置

噴泉碼糾錯(cuò)性能仿真使用1 800 Byte 的隨機(jī)數(shù)作為信源。選擇了4 種碼組長度大?。╯ymbol size）作為研究對象，分別為16 Byte，32 Byte，48 Byte，64 Byte。每一種碼組的長度都對網(wǎng)絡(luò)丟包率從1%到10%的情況進(jìn)行了測試。每組仿真?zhèn)鬏敹紡膋個(gè)系統(tǒng)碼組和1 個(gè)修復(fù)碼開始，此時(shí)傳輸?shù)目偞a組數(shù)為（k+1）。傳輸1 000 次，每次接收端譯碼成功則成功次數(shù)加1。如果1 000 次傳輸?shù)某晒Υ螖?shù)不為1 000，即接收側(cè)出現(xiàn)了誤碼時(shí)，修復(fù)碼個(gè)數(shù)加1，傳輸?shù)拇螖?shù)清零，此時(shí)傳輸?shù)目偞a組數(shù)為（k+2），以此類推。直到1 000 次傳輸，接收成功次數(shù)也為1 000，即誤碼率為0%時(shí)停止，此時(shí)傳輸?shù)目偞a組數(shù)為（k+n），記錄此時(shí)所需要的修復(fù)碼的個(gè)數(shù)n，計(jì)算譯碼開銷S。這里譯碼開銷S為修復(fù)碼與系統(tǒng)碼個(gè)數(shù)的比值，即：

5.1 仿真參數(shù)設(shè)計(jì)及仿真邏輯

1）仿真的碼組長度分為4 種：16 Byte，32 Byte，48 Byte，64 Byte。

2）需要編碼的信源大小為：1 800 Byte。

3）每種參數(shù)組合的仿真次數(shù)為1 000 次。

4）當(dāng)出現(xiàn)丟包時(shí)認(rèn)為丟失了一個(gè)碼組。

5）丟包率仿真范圍1%到10%，步長1%。

5.2 仿真邏輯設(shè)計(jì)

1）對于每種碼組長度和丟包率，仿真起始的修復(fù)碼個(gè)數(shù)為1。

2）嘗試1 000 次編碼、傳輸、解碼。

3）解碼成功，則成功計(jì)次數(shù)加1。

例如：在1%丟包率下，初始修復(fù)碼個(gè)數(shù)為1，若傳輸1 000 次的解碼成功率不為100%，則修復(fù)碼個(gè)數(shù)加1。直到修復(fù)碼個(gè)數(shù)為n時(shí)，解碼成功率為100%，記錄修復(fù)碼的個(gè)數(shù)。

4）將信道的丟包率加1%，進(jìn)行下一個(gè)丟包率的仿真。

5）重復(fù)1)～4)。

6）找出每種丟包率下，解碼成功率為100%時(shí)的譯碼開銷，譯碼開銷計(jì)算方法見公式（1）。

6 仿真結(jié)果

4 種碼組長度在不同丟包率下達(dá)到100%譯碼成功率時(shí)所需要的譯碼開銷仿真結(jié)果如表1 和圖4所示。

通過對仿真數(shù)據(jù)和曲線的分析可以得到以下結(jié)論，對于固定大小的信源， 1 000 次傳輸達(dá)到100%的譯碼成功率：

1）對于任意的碼組長度和丟包率，通過增加修復(fù)碼的個(gè)數(shù)，總可以實(shí)現(xiàn)1 000 次傳輸100%的譯碼成功率；

2）隨著網(wǎng)絡(luò)丟包率的增加，需要的譯碼開銷隨之增加；

3）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)丟包率增加時(shí)，碼組越大，所需的譯碼開銷增長越快。

表 1 不同丟包率和碼組長度譯碼開銷測試結(jié)果Tab.1 Test results of decoding overhead for different packet loss rate and code block length

圖4 丟包率與譯碼開銷關(guān)系圖Fig.4 Relation diagram of packet loss rate and decoding overhead

4）對于不同的網(wǎng)絡(luò)丟包率，使用的碼組長度越小所需要的譯碼開銷越小。

5）同樣的譯碼開銷，碼組越小可以抵抗的網(wǎng)絡(luò)丟包率越大。

7 結(jié)論和建議

本文介紹了鐵路車地廣播通信系統(tǒng)架構(gòu)，探討噴泉碼作為前向糾錯(cuò)碼在系統(tǒng)中的作用，研究了噴泉碼譯碼開銷與碼組長度的關(guān)系。通過仿真實(shí)驗(yàn)對噴泉碼的性能進(jìn)行了測試。測試表明，在同樣的網(wǎng)絡(luò)條件下，碼組長度越小，譯碼開銷越小。同樣的譯碼開銷下，碼組長度越小，可以抵抗的網(wǎng)絡(luò)丟包率越大。

因此在實(shí)際使用中，在滿足系統(tǒng)需求的前提下，應(yīng)優(yōu)先考慮使用小長度的碼組進(jìn)行噴泉碼編碼傳輸。但考慮到處理時(shí)間問題，小長度的碼組可能需要更大的處理時(shí)間，因此在鐵路通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還需要進(jìn)一步考慮。建議后續(xù)對碼組長度和處理時(shí)間相關(guān)問題做深入研究。