基于中速數據流的二元網絡傳輸編碼調制研究

楊 瀏，許 毅

(1.國家無線電監測中心成都監測站 監測業務一室，四川 成都 610000；2.電子科技大學 計算機科學與工程學院，四川 成都 610000)

基于中速數據流的二元網絡傳輸編碼調制研究

楊 瀏1，許 毅2

(1.國家無線電監測中心成都監測站 監測業務一室，四川 成都 610000；2.電子科技大學 計算機科學與工程學院，四川 成都 610000)

由于移動通信技術的特性，在數據傳輸過程中，信道干擾因素非常強烈，從而導致網絡數據傳輸的可靠性大大降低。而當前網絡編碼調制技術主要采用了單一的網絡編碼矢量量化技術，不僅忽略了信道干擾因素，而且對全部的中速數據采用等級保護模式，在傳輸過程誤碼率性能不強。對此，設計了基于移動信道中速數據流的高健壯性二元網絡傳輸編碼調制方案，引入信道干擾因素和分級保護思想，提出了聯合最佳準則ROBS-C(Rule of Based Source and Channel)+分級保護DLP(Divided Level of Protection)的調制方案，兼顧了量化性能和誤碼性能兩個方面。仿真實驗表明：本文方案在低信道擾碼的場合下量化性能優良，且在強信道擾碼情況下，比單一因素的時候誤碼率低，能夠更好地適應移動通信的要求。

二元網絡傳輸編碼；矢量量化；信道干擾因素；分級保護思想；誤碼率

隨著移動通信技術的不斷發展，移動網絡中數據流的存量及流量也呈現日趨增加的趨勢[1-2]。在以LTE技術為代表的第四代移動通信技術的推動之下，傳統語音、視頻等低速數據流業務也逐漸向中速化的方向不斷演進，目前這些數據業務平均傳輸速率可以達到2 048kbit/s左右。為了保障在高業務帶寬下中速數據業務的有效傳輸，當前研究熱點由以往的無損傳輸技術逐漸轉向低損傳輸技術之上，其核心思想就是希望通過犧牲一定的次要流量來保障整體傳輸質量。

在低損傳輸技術中，基于矢量量化的網絡編碼調制技術被廣泛用于第三代移動通信系統的網絡數據傳輸中[3]。不過，傳統的基于矢量量化的網絡編碼調制技術存在復雜程度高、移動抗擾性差等特點。為改善這些問題，Chaplot A[4]等人提出了針對移動信源擾碼的碼源遞歸準則，該準則能夠將信源編碼的誤差控制在設定的任意誤碼率之下。但其技術得到的遞歸碼源集在低信道擾碼下的量化性能較差。Soon-Hong Kwon[5]等人提出可以采用擾碼碼源索引優化的方式，在傳輸時候對碼源索引進行分配，將矢量量化的最小漢明距離的碼字歐氏距離最小化，最大限度地減少了傳輸編碼中的量化誤差，從而提高了網絡數據傳輸的健壯性。然而，這種基于擾碼碼源索引的優化方案僅適用于低信道擾碼的場合。孫圣和等[6]提出針對移動信道的信道干擾隨機且極端情況較多的情況下，可以采取正交化的方法，將發送信號首先進行正交化，利用正交化后的矢量信號特性最大限度地降低信道干擾。

在移動信道中，數據傳輸的性能是由移動信源和移動信道的抗擾能力綜合決定的。但是上述編碼調解機制，都是僅從單一因素上進行了考慮，不僅忽略了信道干擾因素，而且對全部的中速數據采用等級保護模式，在移動信道中速數據傳輸過程誤碼率性能不強，無法滿足在實際移動信道下，低 /高信道擾碼交替的信道狀況，因此當前的編碼調制方案的適用場合及條件受到很大限制[4]。

對此，本文將信道干擾因素和分級保護思想引入單一編碼調制技術中，提出了一種基于移動信道中速數據流的高健壯性二元網絡傳輸編碼調制算法。并在實際移動信道條件下的中速數據流傳輸環境下，進行了仿真實驗。

1 單一網絡編碼的矢量量化抗干擾原理

網絡數據傳輸中的基于矢量量化的網絡編碼調制技術核心是將信道中的一部分冗余資源抽取出來換取量化的成功，其原理見圖1。將信源數據流通過一定的數字編碼遞歸為一個碼源集合，在這個得到的集合中匹配與實際數據源最近的矢量，把這個矢量在碼源集合中的索引通過信道傳輸到解碼端，在解碼時，只要進行索引的查詢工作就可以得到對應的矢量，從而反推出碼源集合[7]。在這個過程中，解碼端只需要保存碼源集合，然后根據索引查詢的結果就可以得到發送端發送的數據。在整個通信的過程中傳的是依據碼源集合得到的索引，因此在數據流較大時，通過移動信道傳輸數據的效率可以得到極大的提高[5]。這種矢量量化的傳輸性能與碼源集合的遞歸過程的效率緊密相連。

圖1 基于單一網絡編碼的矢量量化抗干擾示意圖

基于單一網絡編碼的矢量量化單元S的遞歸過程可以使用碼源集合C以及正交擾碼集N表示，其中碼源集合C和正交擾碼集N都是一個可量化的矢量集合，即

C={C1,C2,…,Cn}

(1)

N={N1,N2,…,Nn}

(2)

式中：C為信號發送端產生的碼源集合; Ci代表碼源集合C中的第i個元素；n為發送信號時信號發送端對待編碼的信源信號的提前修正數量；N代表正交擾碼集。

首先令

S(Xi)=CiX∈N

(3)

其對應的碼源誤差計算公式為

(4)

式中：D_Error為碼源誤差；f(X)是發送信號矢量X的隨機分布函數;d(X,Ci)是發生信號矢量X與碼源集合C之間的誤差。

如果發生信號是數字信號，則使用平方差函數加以表示，即

(5)

式中：Ci為碼源集合對應部分的元素，兩者之間的差值就是發送信號在接收端發送信號在分量上的誤差，進行線性加和之后就是總誤差。

E{d(X,Cj)}=E{d(X,Ci)}+E{d(Cj,Ci)}

(6)

對此，為了解決上述不足，本文通過考慮信道干擾因素和分級保護思想，提出了一種基于移動信道中速數據流的高健壯性二元網絡傳輸編碼調制方案。

2 本文高健壯性二元網絡編碼調制方案設計

由于通信信道中不可避免地充斥背景干擾因素，這些干擾因素往往是按噪聲信號的形式加以表現[10]。為了最大限度地降低通信信道干擾噪聲對傳輸信號的影響，將信道因素引入基于單一網絡編碼的矢量量化抗干擾機制中，提出聯合最佳準則(RuleofBasedSourceandChannel，ROBS-C)。該準則主要在ROBS的基礎之上，增加分級保護機制和信道優化因素。

2.1 分級保護機制的引入

2.2 信道優化因素的引入

首先基于ROBS準則，將該準則中的信源編碼部分根據n個不同的保障程度進行劃分，這更符合移動信道中速數據流的實際情況。然后基于信道引入優化因素，提出ROBS-C準則。

(7)

(8)

在確定最優的碼源集合索引元素Cvalue條件下，其源碼誤差為

(9)

同理，可以求得最佳正交擾碼集Nvalue確定為

d(X,Cj)，?i≠value}

(10)

碼源集合的遞歸策略按照式(1)、式(2)的方式進行，具體調制辦法按照式(8)、式(9)進行調制，在調制的過程中，因移動信道中速數據流基本上是數字信號形式，而數字信號是有限信號，因此式(8)可以具體表示為

(11)

3 仿真實驗

為了驗證本文高健壯性二元網絡編碼調制方案的有效性，在基于移動信道中速數據流傳輸系統中采取5組不同的參數和方案數據進行比對。由于當前在3G、LTE等主流移動通信技術中廣泛采取的是將不同保障要求的數據按照LSP(Line Spectrum Pair)技術進行分類[13]。并設置對照組：在LSP技術的基礎之上，將參數采取不同的矢量量化以及不同的信道保障策略，對于其他的發送信號參數使用同一化的策略。對于LSP參數，本文采取多級量化策略，依次分配的量化比特數為9,6,3,1，比特數越多，信道保障要求就越高。仿真參數如下：

1)發送信號數據：主要使用一個長度為30min語音數據遞歸庫，這個庫事先加以錄制，包括不同口音、地域、語族的不同風格的語音數據；

2)測試信號數據：使用6段時長為15min的語音數據遞歸庫外數據，同樣包括事先錄制好的不同口音、地域、語族的不同風格的語音數據；

3)數據編碼方式：重要參數如碼率、時長等采取LSP技術指標，信源速率為2 048kbit/s；

4)信道編碼：采用RCPC碼作為信道編碼標準，保障方式按照等級保護(Equal Level of Protection，ELP)和分級保護(Divided Level of Protection，DLP)兩種方式進行，碼源速率為1 024kbit/s；

5)測試標準與性能評估：采取控制誤碼率的方式[0%，8%]在解碼端合成語音采取平均意見評估(Mean Opinion Score，MOS)。由于對于其他的發送信號參數使用同一化的策略[13]，本文對于LSP參數采取多級量化策略，因此在解碼端采用MOS評估方式就可以反映引入ROBS-C準則之后的基于本文高健壯性二元網絡編碼調制算法性能的好壞。

實驗分組的詳細情況如下：

1)ROBS準則+ELP：信源部分的處理策略按照LSP技術分四級采取ROBS準則，遞歸碼源集合按照文獻[2]中的方式重排擾碼索引；信源部分的處理策略使用1/3的卷積編碼技術對LSP參數實施ELP方案。

2)ROBS-C準則+ELP：信源部分的處理策略按照LSP技術分四級采取ROBS-C準則，遞歸的碼源集合按照控制誤碼率上限的方式進行遞歸操作；信源部分的處理策略使用1/3的卷積編碼技術對LSP參數實施ELP方案。

3)ROBS準則+DLP：信源部分的處理策略按照DLP技術分四級采取ROBS準則，遞歸的碼源集合按照文獻[2]中的方式進行擾碼索引的重排；信道部分的處理策略使用1/3的卷積編碼技術對LSP的前兩級參數實施DLP方案，LSP參數的后兩級則不處理。

4)ROBS-C準則+DLP方案1：該方案是本文設計的高健壯性二元網絡編碼調制算法的核心實現部分。信源部分的處理策略按照LSP技術前兩級采取ROBS-C準則；而后兩級采取ROBS準則。遞歸的碼源集合按照控制誤碼率上限的方式對LSP的四級參數分級進行遞歸操作；信道部分的處理策略使用3/4的卷積編碼技術對LSP的四級參數實施DLP方案。

5)ROBS-C準則+DLP方案2：該方案是本文高健壯性二元網絡編碼調制方案的核心實現部分的驗證對比。信源部分的處理策略按照LSP技術分四級采取ROBS-C準則，遞歸的碼源集合按照控制誤碼率上限的方式進行遞歸操作；信道部分的處理策略使用3/4的卷積編碼技術對LSP的四級參數實施DLP方案。

仿真結果如圖2、圖3所示。從圖2中可知，ROBS準則+ELP的方案僅僅在信道誤碼較低(即MOS水平較高)的情況下性能才有一定的優勢，然而在MOS質量迅速下降時(這種情況在移動信道里非常普遍)，其性能迅速下降成最不具備優勢的一個。將ROBS準則演進為ROBS-C準則之后，其性能有所改善，但是在信道誤碼高的時候也不具備優勢。但是在引入DLP方案以后，無論是ROBS準則還是ROBS-C準則，在改善信道干擾上的性能都得到很大的改進。尤其是本文設計的高健壯性二元網絡編碼調制方案的核心實現部分ROBS-C準則+DLP方案1，在[6%，10%]的區間之內對改善信道干擾的效果最好，在最大誤碼率為10%的情況下較之有了最大0.62的提高，這大大增加了方案的抗信道干擾能力。

圖2 實驗對比結果1

圖3 實驗對比結果2

另外，在[2%，5%]的區間之內ROBS準則+ELP的方案性能有稍許優勢，這是因為1/3的卷積編碼技術基本涵蓋了四級LSP參數，而ROBS-C準則+DLP方案1中采取的是分級保護機制，一部分LSP參數在1/3的卷積編碼技術覆蓋范圍之外。不過在實際情況下，隨著信道誤碼率的不斷增加，ROBS-C準則+DLP方案1中的分級保護的機制的優勢也越發明顯。

從圖3可以看到，在高信道干擾情況[7.5%，10%]下，ROBS-C準則+DLP方案1和ROBS-C準則+DLP方案2的性能基本相當，這說明信道部分實施DLP方案可以對發送信號的LSP參數提供足夠的保護。而在低信道干擾情況[0%，8%]下，ROBS-C準則+DLP方案1具有明顯的優勢。這是因為在ROBS-C準則下首先對信源部分使用分級保護的策略，由于采取的是3/4的卷積編碼技術，故可有效地降低信道誤碼，提高信號傳輸質量。

4 結論

為了解決單一的網絡編碼矢量量化技術，不僅忽略了信道干擾因素，而且對全部的中速數據采用等級保護模式，在移動信道中速數據傳輸過程誤碼率性能不強等不足，本文引入信道干擾因素和分級保護思想，設計了基于移動信道中速數據流的高健壯性二元網絡傳輸編碼調制方案，并借助仿真技術，測試本文方案的性能。結果表明：本文方案在低信道擾碼的場合下量化性能優良；且在強信道擾碼情況下，比單一因素的誤碼率低，從而可以有效地面對實際的移動信道下低 /高信道擾碼交替的信道狀況，能夠更好地適應移動通信的要求。

[1]熊箭，陸靖侃，歸琳.適用于高鐵的混合廣播與無線通信網絡技術[J].電視技術, 2013, 37(18): 43-47.

[2]趙偲為，羅濤，尹長川.TD-HSDPA系統中改進的CQI預測方法[J].電視技術, 2013, 37(1): 113-117.

[3]袁泉，符杰林，王玫.高容量微波傳輸系統中調制編碼方案設計[J].電視技術, 2013, 37(11): 163-165.

[4]CHAPLOTA.Neuralnetworkbasedlearningschemesforcognitiveradiosystems[J].ComputerCommunications, 2013, 31(14): 3394-3404.

[5]KWONMH,KOHSJ,UMTW.MobileSCTPwithBicastingforverticalhandover[J].ConvergenceandHybridInformationTechnology, 2008, 11(8): 123-125.

[6]孫圣和，陸哲明.矢量量化技術及應用[M].北京: 科學出版社，2014.

[7]郭強，朱潔，徐祥華.一種基于信道編碼的傳輸方案研究[J].清華大學學報，2014, 38(12):2026-2029.

[8]BEYGIL,AGRELLE,KAHNJM.Rate-adaptivecodedmodulationforfiber-opticcommunications[J].JournalofLightwaveTechnology, 2013，32(3): 333-343.

[9]ALIM,STEWARTB.G.CongestionadaptivemultipathroutingforloadbalancinginmobileAdHocnetworks[J].InnovationsinInformationTechnology(IIT), 2012, 10(5): 305-309.

[10]RAICIUC,BARRES,PLUNTKEC.ImprovingdatacenterperformanceandrobustnesswithmultipathTCP[J].ACM, 2011, 8(3): 266-277.

[11]DJORDJEVICIB,WANGT.Orthogonalpolynomialsbasedhybridcoded-modulationformulti-Tb/sopticaltransport[J].OpticalFiberCommunication, 2013, 34(3):2240-225

[12]REDDYB,LAKSHMIB.AdaptivemodulationandcodinginCOFDMforWiMAXusingLMSchannelestimator[J].JournalofLightWaveTechnology, 2013, 23(11):361-365.

[13]羅守山，楊文川，蕭薔.基于矢量安全傳輸評估的模型及研究[J].北京郵電大學學報, 2013,31(3):5-9.

楊 瀏(1982— )，碩士，工程師，主研無線電監測、通信技術、衛星通信；

許 毅(1975— )，博士，副教授，主研通信技術、計算機科學與技術。

責任編輯：薛 京

Binary Coded Modulation Scheme of Transmission Network Based on Middle Speed Data Stream Channel

YANG Liu1，XU Yi2

(1.MonitoringBusinessSectionI,ChengduMonitoringStationofSRMC,Chengdu610000,China;2.SchoolofComputerScience&Engineering,UniversityofElectronicScienceandTechnology,Chengdu610000,China)

The low reliability of network data transmission is induced by the strong channel interference factor during transmission dates because of characteristics of mobile communications technology.However, the traditional network coding modulation technique to solve the main-vector quantization technology based on single network coding does not consider the channel interference factors, and the level of protection mode of intermediate data all of the mobile channel, in the medium speed data transmission error rate can not strong.The robustness of binary network transmission code modulation algorithm based on medium speed data mobile channel flow is focused on, and the channel interference factors and protection idea are introduced to propose the modulation scheme of ROBS-C criterion + DLP scheme, which can have the two aspects of quantitative performance.Simulation results show this scheme proposed in this paper has better quantization performance under the condition of low channel scrambling.Compared with scheme based on single factor, the lower symbol error rate is reflected under the condition of high channel scrambling to fit the conditions of mobile communication effectively.

binary networks transmission coded; vector quantization; channel interference factor; DLP; symbol error rate

【本文獻信息】楊瀏，許毅.基于中速數據流的二元網絡傳輸編碼調制研究[J].電視技術,2015，39(3).

四川省青年基金項目(09ZQ026-032)；四川省教育廳青年基金項目(11ZB132)；中央高校基本科研業務費專項資金項目(12NYZYSO5)

TP393

A

10.16280/j.videoe.2015.03.023

2014-07-21