基于无速率码的无线传输机制研究

肖衡++潘玉霞++龙草芳

摘要：本文对无速率编码的特性进行了分析，介绍了两种经典的无速率编码技术，并对无速率编码的传输通信进行建模，发送方通过信道感知的结果决定是否发送数据，接收方在收到足够多的报文进行译码恢复数据。分析了通信过程中影响无速率编码吞吐量的制约因素、传输粒度对抗干扰的影响、发送时长对能量消耗的影响。

关键词：无速率编码 信道感知 传输粒度 吞吐量

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）12-0029-02

无线网络技术的高速发展对人们的工作与生活产生了巨大的影响，在任何通信信号覆盖的地区，终端用户都能随时随地相互通信。特别是随着智能终端的发展与普及，用户对数据的需示已不再仅局限于语音通信，数据业务及多媒体业务占通信业务的比重越来越高。数据显示，2014年移动数据业务比上年增长22.3%，占通信服务收入比43.5%，其中无线上网业务收入达到人民币1，539亿元，比上年增长42.2%。2015年，中国移动数据业务收入规模首次超过语音业务，占通信服务收入比达到52.0%，无线上网收入达到人民币2，009亿元，较上年增长30.5%。预计2017年底，移动业务的增速将会超过每月11.2Eb，为当前业务量的十多倍，这就意味着用户可以体验更为丰富的多媒体业务，同时这也是无线通信的巨大挑战。无线通信受能量和基站的限制，通信具有一定的不稳定性和开放性，在通信过程中会出衰落，对于这些制约限制，提出了协作中继技术、多接入中继信道等技术来进行解决，同时采用相应的信道编码来对抗信道的噪声和干扰。应用于移动多媒体广播系统的无速度编码具有码率自适应信道状态传输的特点，为高效、可靠的多用户无线通信提供了一种新的方向。

1 无速率码特性

无速率编码，也称数字喷泉码，本质是向前纠错码，因其码率不固定而得名。最初无速率编码是针对广播通信和时延敏感业务而设计出来的。由于网络信道具有时变性，发送方和接收方的网络信道质量不同，对于质量较差的信道链路需要使用低码率的编码以保证传输的可靠性，而高质量的信道则需采用高码率的编码来提高传输效率，这就会造成传输的浪费。为避免这种传输浪费，具有自适应匹配特性的无速率编码被设计出来，利用它实现高效而可靠的传输。

传统无线网络中信息编码先通过测量信道来估计信道的实际状态参数，再根据参数设计一个固定的编码速率，但是信道质量是变化的，信道估计很难确定，信道利用率不高。而无速率编码在发送点不设固定编码速率，而是根据输入的待编码数据包，采用无速率编码算法，源源不断地向接收点发送码字，当收到接收点的ACK（acknowledge）后停止发送。实际的传输码率由实际发送的编码包数目和当时的信道状况决定。

基于固定编码速率的无线网络中，一旦不同的发送点发送的数据报文在接收点碰撞时，接收点无法解码，所有的报文都需要重传，会浪费许多的信道资源。而无速率编码的网络中，接收點收到报文后，一旦解码失败，可以再继续接收更多的编码后再尝试解码。

2 经典无速率编码技术

2.1 LT码

LT码（Luby Transform codes）是Luby在2002年提出的第一种实用数字喷泉码，在编码时不需要事先确定码率。发送点进行数据分组传输时，先将长度为L的文件分割成k个数据分组（encoded micro-packet），随机取一个在1～k的整数d，其中k称为该码的码长，d称为编码分组的度，在数据分组中均匀地随机选取d个不同包，按照对应的比特进行异或运算，得到编码包。原始数据包作为编码的输入符号，编码包作为编码的输出符号，参与编码运算的数据包个数称为度数。

接收点收到编码包时，译码器先找度数为1的编码包，若没找到，则暂停译码，继续接收寻找。若找到，则通过简单运算，将与之相连的唯一原始分组恢复出来，并将消去之间的连接关系，相应的编码分组的度数也将减1。当某个编码分组的度数减少到1时，该编码分组则被“释放”。不断重复这一过程，直到译码停止。若所有原始分组均被恢复，则译码成功，否则表示译码失败，需要接收更多的编码分组才能继续进行译码。

2.2 Raptor码

Raptor码是Shokrollahi于2006年提出的一种改进的无速率码，降低了编码译码复杂度。Raptor码采用串行级联码思想，采用两层的编码结构：预编码和内码。首先对原始信息的分组进行预编码（LDPC码和IRA码），然后对预编码得到的中间码字采用弱化的LT码进行编码，以产生源源不断的编码包。弱化指的是生成的编码包没有高连接度包，平均度数更低，单独使用时不能完全译出原始数据，但可以恢复大部分源符号。

译码时，Raptor码先采用置信传播算法（Belief Propagation， BP）对接收到的数据进行正常译码，大部分的源符号会被弱化LT码高概率恢复，剩下小部未能解码的数据通过预编码的纠错能力进行恢复。这种级联结构中，LT码部分的纠错要求被放宽，编码包的平均度数降低，可以使Raptor可以获得更低的编译码复杂度，预编码部分可以进一步纠正LT码的译码中的差错，能实现更高的译码成功率。

3 无速率编码的传输性能

基于MATLAB来评估无速率编码通信的性能，设定网络有一群主用户和一个从用户，主用户之间的活动性相互独立，主用户与从用户之间相互独立。从用户周期性感知频谱资源，若空闲，则传输无速率编码包。在发送端，将原始报文P分拆为多个编码分组（encoded micro-packet），分组的数目N，即无速率通信的传输粒度（transmission granularity）。发送端以编码后的分组为单元开始传输，这时每个分组的传输都需要首先传输前导码 （preamble）。在收到ACK之前，发送端持续发送编码分组。

接收端不需知道哪些编码包丢失或出错，一旦接收到足够多的编码包，则进行译码。接收端将将正确的分组累积起来，出错的分组丢弃，直到恢复出正确的原始报文P。此时，接收端通过专用信道向发送端回送ACK （acknowledge）信号。发送端则停止发送当前编码包，转而对下一个数据包进行编码发送。

3.1 通信吞吐量分析

无速率编码在进行数据传输时，主要的开销代价是每个分组的前导码。假定前导码和报文内容都采用相同速率进行传输，原始报文长为L，分成N个分组，传输速率为V，传输过程中分组的丢包概率为P，若接收端接收到N/P个分组后开始恢复报文，那么无速率通信的吞吐量为：

在信道质量较好的时候，直接传输报文时丢包概率较低，数据通信吞吐量能得到保障，控制开销会少于无速率通信。但当信道质量较差的时候，直接传输报文的丢包概率增大，会造成重传数据量的增加，此时无速率编码通信的优势就会非常明显。无速率编码能减少不必要的重传，使得通信性能远远高于直接传输。

3.2 抗干扰分析

从用户发送编码包的情况有两种：一是感知结果是“闲”，信道实际状态为也“闲”；二是感知结果是“闲”，但信道实际状态却为“忙”。在从用户感知信道是“闲”时，连续发送编码包的过程中，主用户可能会在某些时隙重新占用信道，此时数据将会发生碰撞，对主用户的通信产生干扰，这种情况我们称为“误检”。在实际的传输过程中，由于存在“误检”，，从用户感知信道的准确率会受影响，从而对主用户通信造成干扰。

在无速率通信过程中，利用信道的马尔可夫性分析从用户对主用户造成的干扰。若一个时隙可传输K个分组，只考虑在干扰情况下造成的丢包，设一次攻击的持续时间为一个分组的传输时间，，在一个信道为“闲”的时隙，可完成N1个分组的传输，丢包率为0；在感知为“闲”，实际为“忙”的攻击期内可传输N2个分组，丢包率为P，传输过程受到攻击的分组数量则为PN2，干扰攻击下的丢包率P1应为

通过分析可以看出在无速率编码通信中传输粒度N对网络性能起到了决定性因素，需根据当前网络的状况来进行设置。当网络中攻击概率较低的时候，无速率编码通信的吞吐量会随传输粒度的增大发生变化。当N较小时，单个分组在整体性能中的占重较小，可削弱干扰的影响，通信性能较好。而N变大，前导码的开销也会增大，使得无速率编码的通信性能下降，但是随着干扰攻击概率增大，无速率编码的通信优势又逐步增大，这就体现出无速率编码良好的抗干扰能力了。故而当网络中存在干扰攻击时，要充分发挥无速率编码的效能，应根据攻击的严重程度不同，自适应地选择最优的传输粒度。

3.3 能耗分析

在無速率编码无线通信中，系统能量消耗主要分为两部分，一是感知信道产生的能耗，一是数据传输产生的能耗。感知信道的频率越高，感知结果的时效性就越强，产生的冲突干扰就越少，但相应地消耗的能量也会越多。而降低感知频率，减少频谱感知能量，增大数据传输能量，则可以让接收端接收更多的编码包，主用户会以高概率占用信道，相应地从用户对主用户的干扰概率就会增大，造成能量浪费。

假定发送方在每个时隙感知m条信道，感知一条信道需要消耗能量Ec，发送一个分组消耗能量Et，在信道闲时连续发送S个分组，接收端收到N/P个分组后开始恢复报文，用户一次成功通信的感知次数期望为X1，感知结果为“闲”的信道数目期望为X2，则消耗在频谱感知上的能量为Ec*N*X1。一次成功通信消耗的总能量为E=（Ec*m+Et*S*X2）。

要达到提高系统能量利用率，需要对能量分配上找到一个最优比例，即能满足从用户对主用户的干扰概率小于系统设定的条件，又要保证接收端成功译码的概率足够高。发送时长S值的确定就至关重要。

4 结语

无线通信的每次升级都意味着传输速率的大幅提升，无速率编码因为具备良好的编码增益和自适应信道 ，在多媒体信息传输中得以广泛应用。在无速率编码通信过程中，在时间上把信道分割成多个等长的时隙，信道 “忙”与“闲”的转换以马尔可夫过程在各个时隙进行。从用户周期性地对信道进行感知，以判断信道是否被占用，然后根据感知结果决定是否发送无速率编码包。通过分析从用户对主用户的干扰造成的丢包率、通信吞吐量及能量消耗，得出在信道较差的情况下，无速率通信具有较好的抗干扰攻击能力。而选用合适的发送时长，能有效地提高系统的能量利用率，优化通信吞吐量。

参考文献

[1]吕绍和，廖林冰，李雯，张以维，王晓东，周兴铭.无线网络抗干扰攻击的自适应无速率通信[J].计算机工程与科学，2015，37（3）：479-485.

[2]吴可镝.无线通信系统中无速率码的编译码技术与应用研究[D].杭州：浙江大学，2011：3-6.

[3]周毅刚，赵天婵.LT码和RS-LT级联码的性能研究[J].科学技术与工程， 2009，9（21）：6343-6347.

[4]吴可摘，张朝阳，黄慧，杨胜天.基于无速率码的认知无线电通信链路的建立和维护方法[Z].专利号：zLZoosloo637lo.3，2008.

[5]S. Chen，Z. Zhang，L. Zhu，K. Wu，X. Chen.Accumulate Rateless Codes and Their Performances over Additive White Gaussian Noise Channel[J]. IET Communications.2013.

[6]楼文涛.基于无速率编码的认知无线电系统传输机制的设计与研究[D].杭州：浙江大学，2012：36-46.