基于無速率碼的無線傳輸機制研究

肖衡++潘玉霞++龍草芳

摘要：本文對無速率編碼的特性進行了分析，介紹了兩種經典的無速率編碼技術，并對無速率編碼的傳輸通信進行建模，發送方通過信道感知的結果決定是否發送數據，接收方在收到足夠多的報文進行譯碼恢復數據。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、發送時長對能量消耗的影響。

關鍵詞：無速率編碼 信道感知 傳輸粒度 吞吐量

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

無線網絡技術的高速發展對人們的工作與生活產生了巨大的影響，在任何通信信號覆蓋的地區，終端用戶都能隨時隨地相互通信。特別是隨著智能終端的發展與普及，用戶對數據的需示已不再僅局限于語音通信，數據業務及多媒體業務占通信業務的比重越來越高。數據顯示，2014年移動數據業務比上年增長22.3%，占通信服務收入比43.5%，其中無線上網業務收入達到人民幣1，539億元，比上年增長42.2%。2015年，中國移動數據業務收入規模首次超過語音業務，占通信服務收入比達到52.0%，無線上網收入達到人民幣2，009億元，較上年增長30.5%。預計2017年底，移動業務的增速將會超過每月11.2Eb，為當前業務量的十多倍，這就意味著用戶可以體驗更為豐富的多媒體業務，同時這也是無線通信的巨大挑戰。無線通信受能量和基站的限制，通信具有一定的不穩定性和開放性，在通信過程中會出衰落，對于這些制約限制，提出了協作中繼技術、多接入中繼信道等技術來進行解決，同時采用相應的信道編碼來對抗信道的噪聲和干擾。應用于移動多媒體廣播系統的無速度編碼具有碼率自適應信道狀態傳輸的特點，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，也稱數字噴泉碼，本質是向前糾錯碼，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延敏感業務而設計出來的。由于網絡信道具有時變性，發送方和接收方的網絡信道質量不同，對于質量較差的信道鏈路需要使用低碼率的編碼以保證傳輸的可靠性，而高質量的信道則需采用高碼率的編碼來提高傳輸效率，這就會造成傳輸的浪費。為避免這種傳輸浪費，具有自適應匹配特性的無速率編碼被設計出來，利用它實現高效而可靠的傳輸。

傳統無線網絡中信息編碼先通過測量信道來估計信道的實際狀態參數，再根據參數設計一個固定的編碼速率，但是信道質量是變化的，信道估計很難確定，信道利用率不高。而無速率編碼在發送點不設固定編碼速率，而是根據輸入的待編碼數據包，采用無速率編碼算法，源源不斷地向接收點發送碼字，當收到接收點的ACK（acknowledge）后停止發送。實際的傳輸碼率由實際發送的編碼包數目和當時的信道狀況決定。

基于固定編碼速率的無線網絡中，一旦不同的發送點發送的數據報文在接收點碰撞時，接收點無法解碼，所有的報文都需要重傳，會浪費許多的信道資源。而無速率編碼的網絡中，接收點收到報文后，一旦解碼失敗，可以再繼續接收更多的編碼后再嘗試解碼。

2 經典無速率編碼技術

2.1 LT碼

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

接收點收到編碼包時，譯碼器先找度數為1的編碼包，若沒找到，則暫停譯碼，繼續接收尋找。若找到，則通過簡單運算，將與之相連的唯一原始分組恢復出來，并將消去之間的連接關系，相應的編碼分組的度數也將減1。當某個編碼分組的度數減少到1時，該編碼分組則被“釋放”。不斷重復這一過程，直到譯碼停止。若所有原始分組均被恢復，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進行譯碼。

2.2 Raptor碼

Raptor碼是Shokrollahi于2006年提出的一種改進的無速率碼，降低了編碼譯碼復雜度。Raptor碼采用串行級聯碼思想，采用兩層的編碼結構：預編碼和內碼。首先對原始信息的分組進行預編碼（LDPC碼和IRA碼），然后對預編碼得到的中間碼字采用弱化的LT碼進行編碼，以產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，平均度數更低，單獨使用時不能完全譯出原始數據，但可以恢復大部分源符號。

譯碼時，Raptor碼先采用置信傳播算法（Belief Propagation， BP）對接收到的數據進行正常譯碼，大部分的源符號會被弱化LT碼高概率恢復，剩下小部未能解碼的數據通過預編碼的糾錯能力進行恢復。這種級聯結構中，LT碼部分的糾錯要求被放寬，編碼包的平均度數降低，可以使Raptor可以獲得更低的編譯碼復雜度，預編碼部分可以進一步糾正LT碼的譯碼中的差錯，能實現更高的譯碼成功率。

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，設定網絡有一群主用戶和一個從用戶，主用戶之間的活動性相互獨立，主用戶與從用戶之間相互獨立。從用戶周期性感知頻譜資源，若空閑，則傳輸無速率編碼包。在發送端，將原始報文P分拆為多個編碼分組（encoded micro-packet），分組的數目N，即無速率通信的傳輸粒度（transmission granularity）。發送端以編碼后的分組為單元開始傳輸，這時每個分組的傳輸都需要首先傳輸前導碼 （preamble）。在收到ACK之前，發送端持續發送編碼分組。

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，直到恢復出正確的原始報文P。此時，接收端通過專用信道向發送端回送ACK （acknowledge）信號。發送端則停止發送當前編碼包，轉而對下一個數據包進行編碼發送。

3.1 通信吞吐量分析

無速率編碼在進行數據傳輸時，主要的開銷代價是每個分組的前導碼。假定前導碼和報文內容都采用相同速率進行傳輸，原始報文長為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個分組后開始恢復報文，那么無速率通信的吞吐量為：

在信道質量較好的時候，直接傳輸報文時丟包概率較低，數據通信吞吐量能得到保障，控制開銷會少于無速率通信。但當信道質量較差的時候，直接傳輸報文的丟包概率增大，會造成重傳數據量的增加，此時無速率編碼通信的優勢就會非常明顯。無速率編碼能減少不必要的重傳，使得通信性能遠遠高于直接傳輸。

3.2 抗干擾分析

從用戶發送編碼包的情況有兩種：一是感知結果是“閑”，信道實際狀態為也“閑”；二是感知結果是“閑”，但信道實際狀態卻為“忙”。在從用戶感知信道是“閑”時，連續發送編碼包的過程中，主用戶可能會在某些時隙重新占用信道，此時數據將會發生碰撞，對主用戶的通信產生干擾，這種情況我們稱為“誤檢”。在實際的傳輸過程中，由于存在“誤檢”，，從用戶感知信道的準確率會受影響，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。若一個時隙可傳輸K個分組，只考慮在干擾情況下造成的丟包，設一次攻擊的持續時間為一個分組的傳輸時間，，在一個信道為“閑”的時隙，可完成N1個分組的傳輸，丟包率為0；在感知為“閑”，實際為“忙”的攻擊期內可傳輸N2個分組，丟包率為P，傳輸過程受到攻擊的分組數量則為PN2，干擾攻擊下的丟包率P1應為

通過分析可以看出在無速率編碼通信中傳輸粒度N對網絡性能起到了決定性因素，需根據當前網絡的狀況來進行設置。當網絡中攻擊概率較低的時候，無速率編碼通信的吞吐量會隨傳輸粒度的增大發生變化。當N較小時，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勢又逐步增大，這就體現出無速率編碼良好的抗干擾能力了。故而當網絡中存在干擾攻擊時，要充分發揮無速率編碼的效能，應根據攻擊的嚴重程度不同，自適應地選擇最優的傳輸粒度。

3.3 能耗分析

在無速率編碼無線通信中，系統能量消耗主要分為兩部分，一是感知信道產生的能耗，一是數據傳輸產生的能耗。感知信道的頻率越高，感知結果的時效性就越強，產生的沖突干擾就越少，但相應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，增大數據傳輸能量，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，相應地從用戶對主用戶的干擾概率就會增大，造成能量浪費。

假定發送方在每個時隙感知m條信道，感知一條信道需要消耗能量Ec，發送一個分組消耗能量Et，在信道閑時連續發送S個分組，接收端收到N/P個分組后開始恢復報文，用戶一次成功通信的感知次數期望為X1，感知結果為“閑”的信道數目期望為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）。

要達到提高系統能量利用率，需要對能量分配上找到一個最優比例，即能滿足從用戶對主用戶的干擾概率小于系統設定的條件，又要保證接收端成功譯碼的概率足夠高。發送時長S值的確定就至關重要。

4 結語

無線通信的每次升級都意味著傳輸速率的大幅提升，無速率編碼因為具備良好的編碼增益和自適應信道 ，在多媒體信息傳輸中得以廣泛應用。在無速率編碼通信過程中，在時間上把信道分割成多個等長的時隙，信道 “忙”與“閑”的轉換以馬爾可夫過程在各個時隙進行。從用戶周期性地對信道進行感知，以判斷信道是否被占用，然后根據感知結果決定是否發送無速率編碼包。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。而選用合適的發送時長，能有效地提高系統的能量利用率，優化通信吞吐量。

參考文獻

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