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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