劉慶利,曹 娜,李夢倩,王美恩,商佳樂
(大連大學 通信與網(wǎng)絡(luò)重點實驗室,遼寧 大連 116622)
衛(wèi)星的空間通信具有長時延、高誤碼、間斷性的特點[1]。為了克服衛(wèi)星通信的缺陷,降低衛(wèi)星通信高誤碼率所帶來的影響,高級在軌系統(tǒng)(advanced orbiting system,AOS)引入差錯控制技術(shù)來保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸,然而引入差錯控制技術(shù)雖然能保證數(shù)據(jù)的傳輸,卻犧牲了系統(tǒng)的時延和傳輸效率。
混合自動重傳請求(hybrid automatic repeat request,HARQ)是差錯控制技術(shù)的一種,這種方法雖然降低了誤碼率,但同時也犧牲了信道編碼的碼率導致系統(tǒng)的傳輸效率也隨之降低。近年來,為了改善傳統(tǒng)HARQ的缺陷,國內(nèi)外學者對HARQ進行了深入的研究,文獻[2]提出一種安全可靠的認知混合自動重傳請求方案,通過隱藏馬爾可夫模型(hidden Markov model,HMM)對主用戶信道進行建模,但無法精確表示信道的特性。文獻[3]建立了基于HAQR重傳機制的AMC散射通信模型,闡述了3種HARQ傳輸機制的特點。文獻[4]提出了通過機器學習技術(shù)增強的早期混合重傳請求的反饋方案,通過使用機器學習的方法來在傳輸結(jié)束之前預(yù)測解碼過程的結(jié)果,體現(xiàn)出了機器學習方案的優(yōu)勢。文獻[5]分析了車聯(lián)網(wǎng)中基于有效信噪比的HARQ的信道增益監(jiān)測系統(tǒng)性能研究。雖然上述文獻降低了無線傳輸過程的誤碼率,但因AOS系統(tǒng)長時延、間斷性的特點導致的傳輸過程中的信道狀態(tài)難以獲取的問題還沒有得到解決。
為了進一步保證AOS系統(tǒng)誤碼率的同時提升無線傳輸過程的吞吐率和降低AOS系統(tǒng)的重傳次數(shù),本文提出一種基于改進有效信噪比(improve effective SNR,IESNR)的HARQ算法,聯(lián)合LSTM和HMM構(gòu)建混合模型,預(yù)測信道傳輸過程中信道狀態(tài)的變化趨勢,結(jié)合LSTM改善HMM預(yù)測過程中受時延影響的缺陷,減少冗余的預(yù)測步驟,根據(jù)預(yù)測不同時刻的ESNR動態(tài)調(diào)節(jié)漢明碼監(jiān)督碼元數(shù)量,通過調(diào)整信道編碼的碼率進而提高AOS系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率,降低系統(tǒng)的重傳次數(shù)。
在無線通信系統(tǒng)中,一般會采用交織和擴頻技術(shù)來削弱發(fā)送數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性,那么這樣的無線通信的衰落信道可以被認為是沒有記憶的。然而,現(xiàn)在無線通信的數(shù)據(jù)傳輸效率越來越高,相鄰數(shù)據(jù)幀之間的關(guān)聯(lián)性就不可忽視了。由于HMM可以很好描述信道的記憶性,可以采用HMM來對有記憶性的無線信道進行建模。在AOS中,很多系統(tǒng)狀態(tài)是難以觀測的,因此,需要將原來難以捕捉的信道狀態(tài)由可以產(chǎn)生可觀測序列的隨機過程來描述,這種可觀測序列由HMM的隱含狀態(tài)決定,本文以ESNR為HMM的觀測序列。
HMM是通過觀測序列上一時刻的隱含狀態(tài)迭代計算預(yù)測出下一時刻的隱含狀態(tài),然而,若信道的突發(fā)錯誤較長時,由于HMM通過反復(fù)迭代來計算數(shù)據(jù)的丟包情況,會導致數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t增大。因此,如果將HMM的狀態(tài)轉(zhuǎn)移和LSTM聯(lián)系起來,將LSTM的輸出作為預(yù)測結(jié)果,則利用LSTM可以改善HMM信道長時依賴的特性,通過將HMM的反復(fù)迭代進行預(yù)測的過程交由LSTM完成,減少HMM冗余的預(yù)測過程。因此,需要建立聯(lián)合HMM和LSTM的混合預(yù)測模型。LSTM-HMM預(yù)測過程如圖1所示。
圖1 LSTM-HMM預(yù)測過程
上述組合模型的整個流程可以分為兩個階段,第一階段使用HMM算法將AOS通信鏈路狀態(tài)劃分為不同的狀態(tài)序列集;第二階段對每個狀態(tài)分別使用LSTM模型進行處理,最終輸出預(yù)測結(jié)果。針對HMM對AOS鏈路的不同狀態(tài)的LSTM模型學習有如下優(yōu)勢:
(1)相同狀態(tài)的輸入數(shù)據(jù)具有一定的相似性,有助于模型的收斂。
(2)針對下一時刻的預(yù)測,可以使用HMM進行狀態(tài)概率估計結(jié)合LSTM模型預(yù)測,充分發(fā)揮二者的可解釋性和高精度優(yōu)勢。其中不同階段的算法和模型的細節(jié)實現(xiàn)會在后面分別介紹。
HMM可分別由以下5種元素來表示:
(1)隱含狀態(tài)S,它的狀態(tài)集合可表示為S={S1,S2,…,S6}, 表示AOS系統(tǒng)的通信鏈路在某一時刻的信道狀態(tài)。二狀態(tài)的HMM模型如圖2所示。
圖2 二狀態(tài)HMM模型
(2)觀測序列O,觀測序列集合可表示為O={O1,O2,…,OM}。 觀測序列表示AOS通信鏈路的傳輸情況。
(3)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣A,可表示為A={aij}N*N, 其中aij=p{qt+1=Sj|qt=Si},1≤i,j≤N, 即表示AOS系統(tǒng)通信鏈路的信道狀態(tài)從Si變化為Sj。
(4)觀測序列分布矩陣B={bjk}N*M, 其中bjk={Ok|qt=Sj},1≤j≤N,1≤k≤M, 即表示AOS系統(tǒng)通信鏈路在信道狀態(tài)為狀態(tài)Sj時,其對應(yīng)的觀測序列Ok的概率。
(5)初始狀態(tài)分布D,D={Di}, 其中,Di={q1=Si},1≤i≤N, 即表示信道的初始狀態(tài)為Si。
因此,一個完整的HMM模型可以由隱含狀態(tài)、觀測序列、初始狀態(tài)決定??梢允褂忙?(A,B,D) 來表示完整的HMM模型,HMM如圖3所示。
圖3 HMM
其中,HMM的狀態(tài)S除了能從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移到其它狀態(tài),也有可能從自身轉(zhuǎn)移到自身。例如:某一時刻的狀態(tài)為S2, 可能下一時刻的狀態(tài)是S5或者是S2。 具體的HMM狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程如圖4所示。
圖4 HMM狀態(tài)轉(zhuǎn)移
其中,Sj表示HMM的隱含狀態(tài)即AOS鏈路的信道狀態(tài),aij表示從狀態(tài)i轉(zhuǎn)移到狀態(tài)j的轉(zhuǎn)移向量即信道狀態(tài)的變化,αt(i) 是HMM預(yù)測過程中前向變量,Ok表示HMM的觀測序列。如圖4所示,AOS系統(tǒng)的通信鏈路的信道狀態(tài)在t時刻可能為S1至SN中的某一個,到下一個時刻t+1,可能從t時刻的Si變化為Sj。 使用HMM算法根據(jù)系統(tǒng)的通信鏈路的初始信道狀態(tài)以最高信道狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率P(O|λ) 為原則求解信道狀態(tài)的變化關(guān)系。將原HMM的訓練序列狀態(tài)作為LSTM的輸入層,則可以將原先由HMM通過迭代計算來完成的預(yù)測過程交由LSTM來完成,以改善HMM長時依賴的缺陷。
有效信噪比,即系統(tǒng)的接收端數(shù)據(jù)的單位比特的能量和系統(tǒng)通信鏈路的信道的噪聲功率密度的比值[6]。相比于傳統(tǒng)信噪比,有效信噪比更真實地反映了為達到目標誤碼率AOS信道所需的實際能耗情況。設(shè)L表示AOS通信系統(tǒng)通過混合自動重傳請求成功接收一個碼字的傳輸次數(shù),則E[L] 可以表示系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄鶄鬏敶螖?shù),將其定義為AOS通信系統(tǒng)發(fā)送碼字的次數(shù)與接收端接收碼字的次數(shù)的比值。假設(shè)AOS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在傳輸過程成功傳輸?shù)母怕蕿閜。 則成功接收一個碼字所需平均傳輸次數(shù)[7]為
(1)
由式(1)可知,系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)過程中的平均傳輸次數(shù)與其成功傳輸一次的概率p存在反比關(guān)系。那么,在設(shè)置系統(tǒng)的最高重傳次數(shù)為M的情況下,E[L] 可如下式表示
(2)
從式(2)中可以看出,AOS系統(tǒng)成功接收一個碼字所需的平均傳輸次數(shù)與重傳次數(shù)的上限M無關(guān),僅與接收概率p有關(guān)。而瑞利衰落信道下的信噪比
(3)
(4)
LSTM采用了LSTM層替代傳統(tǒng)的隱藏層,并且擁有3個門:輸入門、遺忘門和輸出門,這使得LSTM可以更好地處理長時依賴的問題。LSTM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
如圖5所示,從左到右依次為LSTM的遺忘門、輸入門、輸出門。故整個LSTM可以分為以下3步。
(1)計算遺忘門的輸出值
ft=σ(wf[ht-1,xt]+bf)
(5)
(2)計算輸入門的值
it=σ(wi[ht-1,xt]+bi)
(6)
c′t=σ(wc[ht-1,xt]+bc)
(7)
ct=ft?ct-1+it?c′t
(8)
(3)計算輸出門的值
ot=σ(wo[ht-1,xt]+bo)
(9)
ht=ot?tanh(ct)
(10)
其中,wf,wi,wc,wo分別是遺忘門、輸入門、細胞狀態(tài)和輸出門的權(quán)重矩陣,bf,bi,bc,bo分別為遺忘門、輸入門、細胞狀態(tài)和輸出門的偏置項。c′t為LSTM在t時刻數(shù)據(jù)的處理狀態(tài),ht為t時刻的LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出,σ為sigmoid激活函數(shù),xt為t時刻的輸入,tanh為雙曲正切函數(shù),?表示矩陣元素相乘。
采用六狀態(tài)的HMM來描述AOS系統(tǒng)的通信鏈路的信道狀態(tài)的變化情況,并根據(jù)系統(tǒng)信道的SNR將AOS系統(tǒng)的信道狀態(tài)劃分S1至S6。具體的隱含狀態(tài)與SNR對應(yīng)關(guān)系見表1。
表1 隱含狀態(tài)與SNR對應(yīng)關(guān)系
在混合預(yù)測模型中,可以直接將ESNR與觀測符號聯(lián)系起來,減少冗余的預(yù)測步驟。假設(shè)HMM的觀測符號序列O={O1,O2,…O15,O16}。 首先初始化樣本得到最初的初始化狀態(tài)S1,固定的狀態(tài)序列為Q=q1q2…qt。 則AOS系統(tǒng)的ESNR的觀測序列O的傳輸概率可以通過上述的狀態(tài)變化關(guān)系求解,具體如下式所示
(11)
對于上述公式,初始時刻的狀態(tài)為q1, 概率為πq1, 并且以概率bq1(o1) 產(chǎn)生觀測符號O1, 到下一時刻時,狀態(tài)q1以aq1q2的概率轉(zhuǎn)換為q2, 并且狀態(tài)q2產(chǎn)生觀測符號O2的概率為bq2(o2), 依此類推,直至最后一刻qt為止。
定義前向變量如下式所示
αt(i)=p(o1o2…ot,qt=Si|λ)
(12)
αt表示的是從開始到t時刻,觀測序列為O1O2…Ot的概率,將其作為LSTM的輸入。則上述式子可以如下所示
(13)
基于LSTM-HMM的混合預(yù)測模型的主要流程可以分為兩個階段,分別為兩個訓練流程以及預(yù)測流程。首先通過初始化HMM參數(shù)λ, 結(jié)合觀測序列O,得到隱藏狀態(tài)序列S和狀態(tài)概率轉(zhuǎn)移矩陣A,最后通過HMM求解AOS通信鏈路的傳輸概率p。然后根據(jù)HMM對信道狀態(tài)的劃分情況,結(jié)合LSTM對AOS通信鏈路的SNR進行預(yù)測,最后根據(jù)LSTM的預(yù)測結(jié)果進而實現(xiàn)對AOS通信鏈路的ESNR的預(yù)測。預(yù)測效果如下所示:
本文以LSTM和HMM的混合模型為基礎(chǔ)對通信鏈路的ESNR狀態(tài)變化進行預(yù)測,整個過程分為兩步進行,首先利用HMM求解系統(tǒng)的傳輸概率,然后通過SNR的數(shù)據(jù)集對LSTM進行訓練。最后,與只使用LSTM預(yù)測的結(jié)果進行對比。由于只考慮對通信鏈路的ESNR這一個特征進行處理,因此設(shè)置LSTM網(wǎng)絡(luò)選擇rmsprop作為預(yù)測優(yōu)化器,以均方誤差MSE為損失函數(shù)。其中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為3層,隱藏層單元數(shù)為32,dropout為0.2,通過python的kears完成編譯仿真過程。采用長度為40 500時間戳的數(shù)據(jù),橫軸為ESNR的條數(shù),縱軸為ESNR,前12 000個數(shù)據(jù)作為測試集,后28 500個數(shù)據(jù)作為訓練集。LSTM-HMM混合模型在預(yù)測ESNR的性能方面的對比如圖6所示。
從圖6中可以看出,隨著SNR不斷變化,得出LSTM-HMM在預(yù)測中表現(xiàn)略優(yōu)于只使用LSTM的預(yù)測效果。但由于數(shù)據(jù)波動幅度大,看不清其中細節(jié)。為分析所提算法的預(yù)測性能,放大預(yù)測結(jié)果中3600到5000時間戳的數(shù)據(jù)如圖7所示。在圖7中,LSTM-HMM在面對快速下降的信道狀態(tài),所預(yù)測結(jié)果更符合現(xiàn)實情況。這是因為在時間戳4200到4500期間的預(yù)測結(jié)果使用時間戳3600到3900期間數(shù)據(jù)訓練的網(wǎng)絡(luò),而時間戳3600到3900期間的SNR波動很大。當使用3900到4200時間戳中數(shù)據(jù)進行訓練網(wǎng)絡(luò)時,預(yù)測結(jié)果在時間戳4500到4800期間有所改善。在整個期間,因為HMM預(yù)先對信道狀態(tài)的進行劃分,然后再使用LSTM對SNR進行預(yù)測,最后,根據(jù)預(yù)測的結(jié)果得到ESNR,因而預(yù)測結(jié)果大幅提升。由此可以得出LSTM預(yù)測模型不能應(yīng)變復(fù)雜、多變的信道狀態(tài),而LSTM-HMM混合模型預(yù)測出的ESNR的變化趨勢是吻合通信鏈路的ESNR的變化趨勢的,因此,系統(tǒng)可以根據(jù)混合模型的預(yù)測值來進行下一步操作。
圖7 ESNR的預(yù)測效果放大
ESNR表示在整個重傳過程中對系統(tǒng)的通信鏈路的傳輸能力的間接表現(xiàn),ESNR的變化的同時也反映出了信道狀態(tài)的變化?;贗ESNR的HARQ算法通過融合HMM和LSTM所組成的混合預(yù)測模型,預(yù)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)在傳輸過程中的鏈路信道的ESNR變化關(guān)系以此來調(diào)整系統(tǒng)的信道編碼的糾錯能力,進而從整體上提升系統(tǒng)的傳輸性能。以漢明碼為例,對于漢明碼,r個監(jiān)督元,可以傳輸m+r+1位數(shù)據(jù),其中m是指傳輸?shù)男畔⑽粩?shù),具體如下式所示
2r≥m+r+1
(14)
第t秒與第t+1秒觀測符號比值為
(15)
如果δ的值逐漸減小,說明系統(tǒng)的ESNR在逐漸降低,表明數(shù)據(jù)重傳的開銷在增加,信道狀態(tài)正在惡化,則此時可以適度增加監(jiān)督碼元的數(shù)量以求增加系統(tǒng)的可靠傳輸。反之,如果δ增大,則說明信道的狀態(tài)正在改善,則此時應(yīng)該適度增加信息碼元的數(shù)量以求數(shù)據(jù)的傳輸效率。假設(shè)t秒時漢明碼監(jiān)督元數(shù)量為ut, 則t+1秒時漢明碼監(jiān)督元數(shù)量為
(16)
設(shè)定最大及最小監(jiān)督元數(shù)目,如果ut+1超過最大監(jiān)督元數(shù)目,則以最大監(jiān)督元數(shù)目作為編碼方案,如果ut+1小于最小監(jiān)督元數(shù)目則以最小監(jiān)督元數(shù)目作為編碼方案。同時,設(shè)定最大傳輸次數(shù),若接收端譯碼失敗,則由反饋信道傳輸否定信號,編碼器下一次傳輸則增加一定量的監(jiān)督元數(shù)目。此時,如果監(jiān)督元數(shù)量超過上限,則采用最大監(jiān)督元數(shù)目方案。
基于IESNR的HARQ算法具體步驟如下。
(1)由系統(tǒng)的通信鏈路的初始信道狀態(tài)對HMM進行初始化并得到對應(yīng)參數(shù),將系統(tǒng)的通信鏈路的傳輸情況變化關(guān)系所構(gòu)成的時間序列作為觀測序列O,通過過去時間段內(nèi)的前向變量αt得到觀測序列o1o2…ot的樣本,結(jié)合狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣A求解系統(tǒng)的傳輸概率P。
(2)在系統(tǒng)此時刻的信道狀態(tài)為Sj的條件下,通過過去一段時間的SNR的變化數(shù)據(jù)的訓練,利用LSTM預(yù)測下一個時刻的信道的ESNR的變化趨勢。
(3)根據(jù)預(yù)測的ESNR變化趨勢調(diào)整漢明碼的校驗位并完成數(shù)據(jù)的傳輸過程。
(4)系統(tǒng)的接收端進行譯碼并判斷譯碼是否成功,若譯碼成功則繼續(xù)傳輸。若譯碼失敗則系統(tǒng)進行重傳,并重復(fù)執(zhí)行以上步驟,繼續(xù)判斷譯碼是否成功,如果不成功且系統(tǒng)的重傳次數(shù)沒有達到上限值,則系統(tǒng)繼續(xù)重傳該數(shù)據(jù)。如果在傳輸過程中,監(jiān)督碼元的數(shù)量超過其上限值或低于其下限值,則以監(jiān)督碼元的上限值或下限值為準。
IESNR算法的流程如圖8所示。
圖8 IESNR算法流程
本文通過matlab仿真軟件,搭建仿真系統(tǒng),對提出的基于改進ESNR預(yù)測的混合自動重傳請求算法進行仿真驗證并與其它兩種HARQ算法進行對比,其具體仿真參數(shù)設(shè)置見表2。
表2 仿真參數(shù)設(shè)置
利用matlab仿真工具對該算法進行仿真,并與II型HARQ算法,基于ESNR的HARQ算法進行比較。編碼方式采用漢明碼,調(diào)制采用bpsk,信道采用瑞利信道。關(guān)于3種HARQ算法的誤碼率對比如圖9所示。
圖9 3種HARQ算法誤碼率仿真對比
由圖9可知,由于最初信道的SNR很低,即此時系統(tǒng)的通信鏈路的信道狀態(tài)并不適合傳輸數(shù)據(jù),故此時3種HARQ算法的誤碼率都較高,隨著SNR的增加即信道條件的改善,3種HARQ的算法的誤碼率整體上呈降低趨勢。但是由于基于改進ESNR的HARQ算法可以通過預(yù)測信道的ESNR變化調(diào)整信道編碼的監(jiān)督碼元,強化其糾錯能力,所以整體上,II型HARQ算法的誤碼率最高,基于ESNR的HARQ算法其次,基于IESNR的HARQ算法的誤碼率最低,表明了相較于前兩種HARQ算法,基于IESNR的HARQ算法降低了系統(tǒng)的誤碼率。
為了驗證基于IESNR的HARQ算法在傳輸過程中的傳輸效率,與II型HARQ算法、基于ESNR的HARQ算法在傳輸次數(shù)的對比如圖10所示。
圖10 3種HARQ算法傳輸次數(shù)仿真對比
由圖10可知,在最初的SNR較低的情況下,即此時的信道的數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生錯誤的可能性較高,此時在系統(tǒng)的接收端進行譯碼時,由于超出HARQ的糾錯能力,故此時只能選擇重傳來確保數(shù)據(jù)傳輸,因此3種HARQ算法的傳輸次數(shù)都較高,隨著信道狀態(tài)朝著利于數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较虻牟粩嘧兓?,在傳輸過程中發(fā)生錯誤的可能性也隨之逐步降低,故3種HARQ算法的傳輸次數(shù)也隨之降低,當信道的SNR高于10 dB時,此時的信道的傳輸狀況良好,數(shù)據(jù)傳輸時發(fā)生錯誤的概率已經(jīng)較低且接收端在譯碼時通過HARQ能夠完成自我糾錯,此時不需要通過重傳來保證數(shù)據(jù)傳輸,因此,傳輸次數(shù)將較低。在整體趨勢上,3種HARQ降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Ω鞑幌嗤?,其中II型HARQ能力較差,其次是基于ESNR的HARQ算法,由于基于IESNR的HARQ算法通過預(yù)測可以及時調(diào)整傳輸過程中的碼率,故相較于其它兩種HARQ算法,有效降低了系統(tǒng)的傳輸次數(shù)。
吞吐率為AOS接收端接收且譯碼成功的比特數(shù)與AOS發(fā)送端發(fā)送的比特數(shù)的總值相比,因而能反映系統(tǒng)傳輸效率?;贗ESNR的HARQ算法與II型HARQ算法、基于ESNR的HARQ算法在吞吐率的對比如圖11所示。
圖11 3種HARQ算法吞吐率仿真對比
由圖11可知,隨著信道狀況的不斷改善,3種HARQ算法的傳輸?shù)耐掏侣室矔S之不斷增加,然而,從整體趨勢可以發(fā)現(xiàn),基于IESNR的HARQ算法傳輸數(shù)據(jù)的能力要優(yōu)于其余兩種HARQ算法,表明,相較于其余的兩種HARQ算法,基于IESNR的HARQ算法提升了數(shù)據(jù)傳輸效率。
針對傳統(tǒng)的HARQ在傳輸過程中保證AOS系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r也帶來了傳輸時延的問題,本文提出了一種基于IESNR的HARQ算法。該算法在基于ESNR的HARQ算法的基礎(chǔ)上,結(jié)合LSTM和HMM改進引入HARQ所帶來的低傳輸效率的問題,根據(jù)不同時刻ESNR的比值關(guān)系動態(tài)調(diào)節(jié)漢明碼的監(jiān)督元數(shù)量。仿真結(jié)果表明,在改進預(yù)測結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)漢明碼編碼冗余量,能夠達到降低系統(tǒng)誤碼率的效果,同時也有效地降低系統(tǒng)的傳輸次數(shù),提高了系統(tǒng)的吞吐率。