楊 瀏，許 毅

(1.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心成都監(jiān)測(cè)站 監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)一室，四川 成都 610000；2.電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610000)

基于中速數(shù)據(jù)流的二元網(wǎng)絡(luò)傳輸編碼調(diào)制研究

楊 瀏1，許 毅2

(1.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心成都監(jiān)測(cè)站 監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)一室，四川 成都 610000；2.電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610000)

由于移動(dòng)通信技術(shù)的特性，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，信道干擾因素非常強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃源蟠蠼档?。而?dāng)前網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制技術(shù)主要采用了單一的網(wǎng)絡(luò)編碼矢量量化技術(shù)，不僅忽略了信道干擾因素，而且對(duì)全部的中速數(shù)據(jù)采用等級(jí)保護(hù)模式，在傳輸過(guò)程誤碼率性能不強(qiáng)。對(duì)此，設(shè)計(jì)了基于移動(dòng)信道中速數(shù)據(jù)流的高健壯性二元網(wǎng)絡(luò)傳輸編碼調(diào)制方案，引入信道干擾因素和分級(jí)保護(hù)思想，提出了聯(lián)合最佳準(zhǔn)則ROBS-C(Rule of Based Source and Channel)+分級(jí)保護(hù)DLP(Divided Level of Protection)的調(diào)制方案，兼顧了量化性能和誤碼性能兩個(gè)方面。仿真實(shí)驗(yàn)表明：本文方案在低信道擾碼的場(chǎng)合下量化性能優(yōu)良，且在強(qiáng)信道擾碼情況下，比單一因素的時(shí)候誤碼率低，能夠更好地適應(yīng)移動(dòng)通信的要求。

二元網(wǎng)絡(luò)傳輸編碼；矢量量化；信道干擾因素；分級(jí)保護(hù)思想；誤碼率

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的存量及流量也呈現(xiàn)日趨增加的趨勢(shì)[1-2]。在以LTE技術(shù)為代表的第四代移動(dòng)通信技術(shù)的推動(dòng)之下，傳統(tǒng)語(yǔ)音、視頻等低速數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)也逐漸向中速化的方向不斷演進(jìn)，目前這些數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)平均傳輸速率可以達(dá)到2 048kbit/s左右。為了保障在高業(yè)務(wù)帶寬下中速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的有效傳輸，當(dāng)前研究熱點(diǎn)由以往的無(wú)損傳輸技術(shù)逐漸轉(zhuǎn)向低損傳輸技術(shù)之上，其核心思想就是希望通過(guò)犧牲一定的次要流量來(lái)保障整體傳輸質(zhì)量。

在低損傳輸技術(shù)中，基于矢量量化的網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制技術(shù)被廣泛用于第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中[3]。不過(guò)，傳統(tǒng)的基于矢量量化的網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制技術(shù)存在復(fù)雜程度高、移動(dòng)抗擾性差等特點(diǎn)。為改善這些問(wèn)題，Chaplot A[4]等人提出了針對(duì)移動(dòng)信源擾碼的碼源遞歸準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則能夠?qū)⑿旁淳幋a的誤差控制在設(shè)定的任意誤碼率之下。但其技術(shù)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(yōu)化的方式，在傳輸時(shí)候?qū)Υa源索引進(jìn)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(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕研?。然而，這種基于擾碼碼源索引的優(yōu)化方案僅適用于低信道擾碼的場(chǎng)合。孫圣和等[6]提出針對(duì)移動(dòng)信道的信道干擾隨機(jī)且極端情況較多的情況下，可以采取正交化的方法，將發(fā)送信號(hào)首先進(jìn)行正交化，利用正交化后的矢量信號(hào)特性最大限度地降低信道干擾。

在移動(dòng)信道中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅苁怯梢苿?dòng)信源和移動(dòng)信道的抗擾能力綜合決定的。但是上述編碼調(diào)解機(jī)制，都是僅從單一因素上進(jìn)行了考慮，不僅忽略了信道干擾因素，而且對(duì)全部的中速數(shù)據(jù)采用等級(jí)保護(hù)模式，在移動(dòng)信道中速數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程誤碼率性能不強(qiáng)，無(wú)法滿足在實(shí)際移動(dòng)信道下，低 /高信道擾碼交替的信道狀況，因此當(dāng)前的編碼調(diào)制方案的適用場(chǎng)合及條件受到很大限制[4]。

對(duì)此，本文將信道干擾因素和分級(jí)保護(hù)思想引入單一編碼調(diào)制技術(shù)中，提出了一種基于移動(dòng)信道中速數(shù)據(jù)流的高健壯性二元網(wǎng)絡(luò)傳輸編碼調(diào)制算法。并在實(shí)際移動(dòng)信道條件下的中速數(shù)據(jù)流傳輸環(huán)境下，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

1 單一網(wǎng)絡(luò)編碼的矢量量化抗干擾原理

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中的基于矢量量化的網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制技術(shù)核心是將信道中的一部分冗余資源抽取出來(lái)?yè)Q取量化的成功，其原理見(jiàn)圖1。將信源數(shù)據(jù)流通過(guò)一定的數(shù)字編碼遞歸為一個(gè)碼源集合，在這個(gè)得到的集合中匹配與實(shí)際數(shù)據(jù)源最近的矢量，把這個(gè)矢量在碼源集合中的索引通過(guò)信道傳輸?shù)浇獯a端，在解碼時(shí)，只要進(jìn)行索引的查詢工作就可以得到對(duì)應(yīng)的矢量，從而反推出碼源集合[7]。在這個(gè)過(guò)程中，解碼端只需要保存碼源集合，然后根據(jù)索引查詢的結(jié)果就可以得到發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)。在整個(gè)通信的過(guò)程中傳的是依據(jù)碼源集合得到的索引，因此在數(shù)據(jù)流較大時(shí)，通過(guò)移動(dòng)信道傳輸數(shù)據(jù)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(guò)程的效率緊密相連。

圖1 基于單一網(wǎng)絡(luò)編碼的矢量量化抗干擾示意圖

基于單一網(wǎng)絡(luò)編碼的矢量量化單元S的遞歸過(guò)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(gè)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(hào)發(fā)送端產(chǎn)生的碼源集合; Ci代表碼源集合C中的第i個(gè)元素；n為發(fā)送信號(hào)時(shí)信號(hào)發(fā)送端對(duì)待編碼的信源信號(hào)的提前修正數(shù)量；N代表正交擾碼集。

首先令

S(Xi)=CiX∈N

(3)

其對(duì)應(yīng)的碼源誤差計(jì)算公式為

(4)

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

如果發(fā)生信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，則使用平方差函數(shù)加以表示，即

(5)

式中：Ci為碼源集合對(duì)應(yīng)部分的元素，兩者之間的差值就是發(fā)送信號(hào)在接收端發(fā)送信號(hào)在分量上的誤差，進(jìn)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(duì)此，為了解決上述不足，本文通過(guò)考慮信道干擾因素和分級(jí)保護(hù)思想，提出了一種基于移動(dòng)信道中速數(shù)據(jù)流的高健壯性二元網(wǎng)絡(luò)傳輸編碼調(diào)制方案。

2 本文高健壯性二元網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方案設(shè)計(jì)

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(hào)的形式加以表現(xiàn)[10]。為了最大限度地降低通信信道干擾噪聲對(duì)傳輸信號(hào)的影響，將信道因素引入基于單一網(wǎng)絡(luò)編碼的矢量量化抗干擾機(jī)制中，提出聯(lián)合最佳準(zhǔn)則(RuleofBasedSourceandChannel，ROBS-C)。該準(zhǔn)則主要在ROBS的基礎(chǔ)之上，增加分級(jí)保護(hù)機(jī)制和信道優(yōu)化因素。

2.1 分級(jí)保護(hù)機(jī)制的引入

2.2 信道優(yōu)化因素的引入

首先基于ROBS準(zhǔn)則，將該準(zhǔn)則中的信源編碼部分根據(jù)n個(gè)不同的保障程度進(jìn)行劃分，這更符合移動(dòng)信道中速數(shù)據(jù)流的實(shí)際情況。然后基于信道引入優(yōu)化因素，提出ROBS-C準(zhǔn)則。

(7)

(8)

在確定最優(yōu)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(jìn)行，具體調(diào)制辦法按照式(8)、式(9)進(jìn)行調(diào)制，在調(diào)制的過(guò)程中，因移動(dòng)信道中速數(shù)據(jù)流基本上是數(shù)字信號(hào)形式，而數(shù)字信號(hào)是有限信號(hào)，因此式(8)可以具體表示為

(11)

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文高健壯性二元網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方案的有效性，在基于移動(dòng)信道中速數(shù)據(jù)流傳輸系統(tǒng)中采取5組不同的參數(shù)和方案數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。由于當(dāng)前在3G、LTE等主流移動(dòng)通信技術(shù)中廣泛采取的是將不同保障要求的數(shù)據(jù)按照LSP(Line Spectrum Pair)技術(shù)進(jìn)行分類[13]。并設(shè)置對(duì)照組：在LSP技術(shù)的基礎(chǔ)之上，將參數(shù)采取不同的矢量量化以及不同的信道保障策略，對(duì)于其他的發(fā)送信號(hào)參數(shù)使用同一化的策略。對(duì)于LSP參數(shù)，本文采取多級(jí)量化策略，依次分配的量化比特?cái)?shù)為9,6,3,1，比特?cái)?shù)越多，信道保障要求就越高。仿真參數(shù)如下：

1)發(fā)送信號(hào)數(shù)據(jù)：主要使用一個(gè)長(zhǎng)度為30min語(yǔ)音數(shù)據(jù)遞歸庫(kù)，這個(gè)庫(kù)事先加以錄制，包括不同口音、地域、語(yǔ)族的不同風(fēng)格的語(yǔ)音數(shù)據(jù)；

2)測(cè)試信號(hào)數(shù)據(jù)：使用6段時(shí)長(zhǎng)為15min的語(yǔ)音數(shù)據(jù)遞歸庫(kù)外數(shù)據(jù)，同樣包括事先錄制好的不同口音、地域、語(yǔ)族的不同風(fēng)格的語(yǔ)音數(shù)據(jù)；

3)數(shù)據(jù)編碼方式：重要參數(shù)如碼率、時(shí)長(zhǎng)等采取LSP技術(shù)指標(biāo)，信源速率為2 048kbit/s；

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

5)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與性能評(píng)估：采取控制誤碼率的方式[0%，8%]在解碼端合成語(yǔ)音采取平均意見(jiàn)評(píng)估(Mean Opinion Score，MOS)。由于對(duì)于其他的發(fā)送信號(hào)參數(shù)使用同一化的策略[13]，本文對(duì)于LSP參數(shù)采取多級(jí)量化策略，因此在解碼端采用MOS評(píng)估方式就可以反映引入ROBS-C準(zhǔn)則之后的基于本文高健壯性二元網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制算法性能的好壞。

實(shí)驗(yàn)分組的詳細(xì)情況如下：

1)ROBS準(zhǔn)則+ELP：信源部分的處理策略按照LSP技術(shù)分四級(jí)采取ROBS準(zhǔn)則，遞歸碼源集合按照文獻(xiàn)[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(shù)對(duì)LSP參數(shù)實(shí)施ELP方案。

2)ROBS-C準(zhǔn)則+ELP：信源部分的處理策略按照LSP技術(shù)分四級(jí)采取ROBS-C準(zhǔn)則，遞歸的碼源集合按照控制誤碼率上限的方式進(jìn)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(shù)對(duì)LSP參數(shù)實(shí)施ELP方案。

3)ROBS準(zhǔn)則+DLP：信源部分的處理策略按照DLP技術(shù)分四級(jí)采取ROBS準(zhǔn)則，遞歸的碼源集合按照文獻(xiàn)[2]中的方式進(jìn)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(shù)對(duì)LSP的前兩級(jí)參數(shù)實(shí)施DLP方案，LSP參數(shù)的后兩級(jí)則不處理。

4)ROBS-C準(zhǔn)則+DLP方案1：該方案是本文設(shè)計(jì)的高健壯性二元網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制算法的核心實(shí)現(xiàn)部分。信源部分的處理策略按照LSP技術(shù)前兩級(jí)采取ROBS-C準(zhǔn)則；而后兩級(jí)采取ROBS準(zhǔn)則。遞歸的碼源集合按照控制誤碼率上限的方式對(duì)LSP的四級(jí)參數(shù)分級(jí)進(jìn)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(shù)對(duì)LSP的四級(jí)參數(shù)實(shí)施DLP方案。

5)ROBS-C準(zhǔn)則+DLP方案2：該方案是本文高健壯性二元網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方案的核心實(shí)現(xiàn)部分的驗(yàn)證對(duì)比。信源部分的處理策略按照LSP技術(shù)分四級(jí)采取ROBS-C準(zhǔn)則，遞歸的碼源集合按照控制誤碼率上限的方式進(jìn)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(shù)對(duì)LSP的四級(jí)參數(shù)實(shí)施DLP方案。

仿真結(jié)果如圖2、圖3所示。從圖2中可知，ROBS準(zhǔn)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(yōu)勢(shì)，然而在MOS質(zhì)量迅速下降時(shí)(這種情況在移動(dòng)信道里非常普遍)，其性能迅速下降成最不具備優(yōu)勢(shì)的一個(gè)。將ROBS準(zhǔn)則演進(jìn)為ROBS-C準(zhǔn)則之后，其性能有所改善，但是在信道誤碼高的時(shí)候也不具備優(yōu)勢(shì)。但是在引入DLP方案以后，無(wú)論是ROBS準(zhǔn)則還是ROBS-C準(zhǔn)則，在改善信道干擾上的性能都得到很大的改進(jìn)。尤其是本文設(shè)計(jì)的高健壯性二元網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方案的核心實(shí)現(xiàn)部分ROBS-C準(zhǔn)則+DLP方案1，在[6%，10%]的區(qū)間之內(nèi)對(duì)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(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果1

圖3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果2

另外，在[2%，5%]的區(qū)間之內(nèi)ROBS準(zhǔn)則+ELP的方案性能有稍許優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)?/3的卷積編碼技術(shù)基本涵蓋了四級(jí)LSP參數(shù)，而ROBS-C準(zhǔn)則+DLP方案1中采取的是分級(jí)保護(hù)機(jī)制，一部分LSP參數(shù)在1/3的卷積編碼技術(shù)覆蓋范圍之外。不過(guò)在實(shí)際情況下，隨著信道誤碼率的不斷增加，ROBS-C準(zhǔn)則+DLP方案1中的分級(jí)保護(hù)的機(jī)制的優(yōu)勢(shì)也越發(fā)明顯。

從圖3可以看到，在高信道干擾情況[7.5%，10%]下，ROBS-C準(zhǔn)則+DLP方案1和ROBS-C準(zhǔn)則+DLP方案2的性能基本相當(dāng)，這說(shuō)明信道部分實(shí)施DLP方案可以對(duì)發(fā)送信號(hào)的LSP參數(shù)提供足夠的保護(hù)。而在低信道干擾情況[0%，8%]下，ROBS-C準(zhǔn)則+DLP方案1具有明顯的優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)樵赗OBS-C準(zhǔn)則下首先對(duì)信源部分使用分級(jí)保護(hù)的策略，由于采取的是3/4的卷積編碼技術(shù)，故可有效地降低信道誤碼，提高信號(hào)傳輸質(zhì)量。

4 結(jié)論

為了解決單一的網(wǎng)絡(luò)編碼矢量量化技術(shù)，不僅忽略了信道干擾因素，而且對(duì)全部的中速數(shù)據(jù)采用等級(jí)保護(hù)模式，在移動(dòng)信道中速數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程誤碼率性能不強(qiáng)等不足，本文引入信道干擾因素和分級(jí)保護(hù)思想，設(shè)計(jì)了基于移動(dòng)信道中速數(shù)據(jù)流的高健壯性二元網(wǎng)絡(luò)傳輸編碼調(diào)制方案，并借助仿真技術(shù)，測(cè)試本文方案的性能。結(jié)果表明：本文方案在低信道擾碼的場(chǎng)合下量化性能優(yōu)良；且在強(qiáng)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(duì)實(shí)際的移動(dòng)信道下低 /高信道擾碼交替的信道狀況，能夠更好地適應(yīng)移動(dòng)通信的要求。

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楊 瀏(1982— )，碩士，工程師，主研無(wú)線電監(jiān)測(cè)、通信技術(shù)、衛(wèi)星通信；

許 毅(1975— )，博士，副教授，主研通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。

責(zé)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(xiàn)信息】楊瀏，許毅.基于中速數(shù)據(jù)流的二元網(wǎng)絡(luò)傳輸編碼調(diào)制研究[J].電視技術(shù),2015，39(3).

四川省青年基金項(xiàng)目(09ZQ026-032)；四川省教育廳青年基金項(xiàng)目(11ZB132)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(12NYZYSO5)

TP393

A

10.16280/j.videoe.2015.03.023

2014-07-21