基于中速数据流的二元网络传输编码调制研究

杨 浏，许 毅

(1.国家无线电监测中心成都监测站 监测业务一室，四川 成都 610000；2.电子科技大学 计算机科学与工程学院，四川 成都 610000)

基于中速数据流的二元网络传输编码调制研究

杨 浏1，许 毅2

(1.国家无线电监测中心成都监测站 监测业务一室，四川 成都 610000；2.电子科技大学 计算机科学与工程学院，四川 成都 610000)

由于移动通信技术的特性，在数据传输过程中，信道干扰因素非常强烈，从而导致网络数据传输的可靠性大大降低。而当前网络编码调制技术主要采用了单一的网络编码矢量量化技术，不仅忽略了信道干扰因素，而且对全部的中速数据采用等级保护模式，在传输过程误码率性能不强。对此，设计了基于移动信道中速数据流的高健壮性二元网络传输编码调制方案，引入信道干扰因素和分级保护思想，提出了联合最佳准则ROBS-C(Rule of Based Source and Channel)+分级保护DLP(Divided Level of Protection)的调制方案，兼顾了量化性能和误码性能两个方面。仿真实验表明：本文方案在低信道扰码的场合下量化性能优良，且在强信道扰码情况下，比单一因素的时候误码率低，能够更好地适应移动通信的要求。

二元网络传输编码；矢量量化；信道干扰因素；分级保护思想；误码率

随着移动通信技术的不断发展，移动网络中数据流的存量及流量也呈现日趋增加的趋势[1-2]。在以LTE技术为代表的第四代移动通信技术的推动之下，传统语音、视频等低速数据流业务也逐渐向中速化的方向不断演进，目前这些数据业务平均传输速率可以达到2 048kbit/s左右。为了保障在高业务带宽下中速数据业务的有效传输，当前研究热点由以往的无损传输技术逐渐转向低损传输技术之上，其核心思想就是希望通过牺牲一定的次要流量来保障整体传输质量。

在低损传输技术中，基于矢量量化的网络编码调制技术被广泛用于第三代移动通信系统的网络数据传输中[3]。不过，传统的基于矢量量化的网络编码调制技术存在复杂程度高、移动抗扰性差等特点。为改善这些问题，Chaplot A[4]等人提出了针对移动信源扰码的码源递归准则，该准则能够将信源编码的误差控制在设定的任意误码率之下。但其技术得到的递归码源集在低信道扰码下的量化性能较差。Soon-Hong Kwon[5]等人提出可以采用扰码码源索引优化的方式，在传输时候对码源索引进行分配，将矢量量化的最小汉明距离的码字欧氏距离最小化，最大限度地减少了传输编码中的量化误差，从而提高了网络数据传输的健壮性。然而，这种基于扰码码源索引的优化方案仅适用于低信道扰码的场合。孙圣和等[6]提出针对移动信道的信道干扰随机且极端情况较多的情况下，可以采取正交化的方法，将发送信号首先进行正交化，利用正交化后的矢量信号特性最大限度地降低信道干扰。

在移动信道中，数据传输的性能是由移动信源和移动信道的抗扰能力综合决定的。但是上述编码调解机制，都是仅从单一因素上进行了考虑，不仅忽略了信道干扰因素，而且对全部的中速数据采用等级保护模式，在移动信道中速数据传输过程误码率性能不强，无法满足在实际移动信道下，低 /高信道扰码交替的信道状况，因此当前的编码调制方案的适用场合及条件受到很大限制[4]。

对此，本文将信道干扰因素和分级保护思想引入单一编码调制技术中，提出了一种基于移动信道中速数据流的高健壮性二元网络传输编码调制算法。并在实际移动信道条件下的中速数据流传输环境下，进行了仿真实验。

1 单一网络编码的矢量量化抗干扰原理

网络数据传输中的基于矢量量化的网络编码调制技术核心是将信道中的一部分冗余资源抽取出来换取量化的成功，其原理见图1。将信源数据流通过一定的数字编码递归为一个码源集合，在这个得到的集合中匹配与实际数据源最近的矢量，把这个矢量在码源集合中的索引通过信道传输到解码端，在解码时，只要进行索引的查询工作就可以得到对应的矢量，从而反推出码源集合[7]。在这个过程中，解码端只需要保存码源集合，然后根据索引查询的结果就可以得到发送端发送的数据。在整个通信的过程中传的是依据码源集合得到的索引，因此在数据流较大时，通过移动信道传输数据的效率可以得到极大的提高[5]。这种矢量量化的传输性能与码源集合的递归过程的效率紧密相连。

图1 基于单一网络编码的矢量量化抗干扰示意图

基于单一网络编码的矢量量化单元S的递归过程可以使用码源集合C以及正交扰码集N表示，其中码源集合C和正交扰码集N都是一个可量化的矢量集合，即

C={C1,C2,…,Cn}

(1)

N={N1,N2,…,Nn}

(2)

式中：C为信号发送端产生的码源集合; Ci代表码源集合C中的第i个元素；n为发送信号时信号发送端对待编码的信源信号的提前修正数量；N代表正交扰码集。

首先令

S(Xi)=CiX∈N

(3)

其对应的码源误差计算公式为

(4)

式中：D_Error为码源误差；f(X)是发送信号矢量X的随机分布函数;d(X,Ci)是发生信号矢量X与码源集合C之间的误差。

如果发生信号是数字信号，则使用平方差函数加以表示，即

(5)

式中：Ci为码源集合对应部分的元素，两者之间的差值就是发送信号在接收端发送信号在分量上的误差，进行线性加和之后就是总误差。

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

(6)

对此，为了解决上述不足，本文通过考虑信道干扰因素和分级保护思想，提出了一种基于移动信道中速数据流的高健壮性二元网络传输编码调制方案。

2 本文高健壮性二元网络编码调制方案设计

由于通信信道中不可避免地充斥背景干扰因素，这些干扰因素往往是按噪声信号的形式加以表现[10]。为了最大限度地降低通信信道干扰噪声对传输信号的影响，将信道因素引入基于单一网络编码的矢量量化抗干扰机制中，提出联合最佳准则(RuleofBasedSourceandChannel，ROBS-C)。该准则主要在ROBS的基础之上，增加分级保护机制和信道优化因素。

2.1 分级保护机制的引入

2.2 信道优化因素的引入

首先基于ROBS准则，将该准则中的信源编码部分根据n个不同的保障程度进行划分，这更符合移动信道中速数据流的实际情况。然后基于信道引入优化因素，提出ROBS-C准则。

(7)

(8)

在确定最优的码源集合索引元素Cvalue条件下，其源码误差为

(9)

同理，可以求得最佳正交扰码集Nvalue确定为

d(X,Cj)，∀i≠value}

(10)

码源集合的递归策略按照式(1)、式(2)的方式进行，具体调制办法按照式(8)、式(9)进行调制，在调制的过程中，因移动信道中速数据流基本上是数字信号形式，而数字信号是有限信号，因此式(8)可以具体表示为

(11)

3 仿真实验

为了验证本文高健壮性二元网络编码调制方案的有效性，在基于移动信道中速数据流传输系统中采取5组不同的参数和方案数据进行比对。由于当前在3G、LTE等主流移动通信技术中广泛采取的是将不同保障要求的数据按照LSP(Line Spectrum Pair)技术进行分类[13]。并设置对照组：在LSP技术的基础之上，将参数采取不同的矢量量化以及不同的信道保障策略，对于其他的发送信号参数使用同一化的策略。对于LSP参数，本文采取多级量化策略，依次分配的量化比特数为9,6,3,1，比特数越多，信道保障要求就越高。仿真参数如下：

1)发送信号数据：主要使用一个长度为30min语音数据递归库，这个库事先加以录制，包括不同口音、地域、语族的不同风格的语音数据；

2)测试信号数据：使用6段时长为15min的语音数据递归库外数据，同样包括事先录制好的不同口音、地域、语族的不同风格的语音数据；

3)数据编码方式：重要参数如码率、时长等采取LSP技术指标，信源速率为2 048kbit/s；

4)信道编码：采用RCPC码作为信道编码标准，保障方式按照等级保护(Equal Level of Protection，ELP)和分级保护(Divided Level of Protection，DLP)两种方式进行，码源速率为1 024kbit/s；

5)测试标准与性能评估：采取控制误码率的方式[0%，8%]在解码端合成语音采取平均意见评估(Mean Opinion Score，MOS)。由于对于其他的发送信号参数使用同一化的策略[13]，本文对于LSP参数采取多级量化策略，因此在解码端采用MOS评估方式就可以反映引入ROBS-C准则之后的基于本文高健壮性二元网络编码调制算法性能的好坏。

实验分组的详细情况如下：

1)ROBS准则+ELP：信源部分的处理策略按照LSP技术分四级采取ROBS准则，递归码源集合按照文献[2]中的方式重排扰码索引；信源部分的处理策略使用1/3的卷积编码技术对LSP参数实施ELP方案。

2)ROBS-C准则+ELP：信源部分的处理策略按照LSP技术分四级采取ROBS-C准则，递归的码源集合按照控制误码率上限的方式进行递归操作；信源部分的处理策略使用1/3的卷积编码技术对LSP参数实施ELP方案。

3)ROBS准则+DLP：信源部分的处理策略按照DLP技术分四级采取ROBS准则，递归的码源集合按照文献[2]中的方式进行扰码索引的重排；信道部分的处理策略使用1/3的卷积编码技术对LSP的前两级参数实施DLP方案，LSP参数的后两级则不处理。

4)ROBS-C准则+DLP方案1：该方案是本文设计的高健壮性二元网络编码调制算法的核心实现部分。信源部分的处理策略按照LSP技术前两级采取ROBS-C准则；而后两级采取ROBS准则。递归的码源集合按照控制误码率上限的方式对LSP的四级参数分级进行递归操作；信道部分的处理策略使用3/4的卷积编码技术对LSP的四级参数实施DLP方案。

5)ROBS-C准则+DLP方案2：该方案是本文高健壮性二元网络编码调制方案的核心实现部分的验证对比。信源部分的处理策略按照LSP技术分四级采取ROBS-C准则，递归的码源集合按照控制误码率上限的方式进行递归操作；信道部分的处理策略使用3/4的卷积编码技术对LSP的四级参数实施DLP方案。

仿真结果如图2、图3所示。从图2中可知，ROBS准则+ELP的方案仅仅在信道误码较低(即MOS水平较高)的情况下性能才有一定的优势，然而在MOS质量迅速下降时(这种情况在移动信道里非常普遍)，其性能迅速下降成最不具备优势的一个。将ROBS准则演进为ROBS-C准则之后，其性能有所改善，但是在信道误码高的时候也不具备优势。但是在引入DLP方案以后，无论是ROBS准则还是ROBS-C准则，在改善信道干扰上的性能都得到很大的改进。尤其是本文设计的高健壮性二元网络编码调制方案的核心实现部分ROBS-C准则+DLP方案1，在[6%，10%]的区间之内对改善信道干扰的效果最好，在最大误码率为10%的情况下较之有了最大0.62的提高，这大大增加了方案的抗信道干扰能力。

图2 实验对比结果1

图3 实验对比结果2

另外，在[2%，5%]的区间之内ROBS准则+ELP的方案性能有稍许优势，这是因为1/3的卷积编码技术基本涵盖了四级LSP参数，而ROBS-C准则+DLP方案1中采取的是分级保护机制，一部分LSP参数在1/3的卷积编码技术覆盖范围之外。不过在实际情况下，随着信道误码率的不断增加，ROBS-C准则+DLP方案1中的分级保护的机制的优势也越发明显。

从图3可以看到，在高信道干扰情况[7.5%，10%]下，ROBS-C准则+DLP方案1和ROBS-C准则+DLP方案2的性能基本相当，这说明信道部分实施DLP方案可以对发送信号的LSP参数提供足够的保护。而在低信道干扰情况[0%，8%]下，ROBS-C准则+DLP方案1具有明显的优势。这是因为在ROBS-C准则下首先对信源部分使用分级保护的策略，由于采取的是3/4的卷积编码技术，故可有效地降低信道误码，提高信号传输质量。

4 结论

为了解决单一的网络编码矢量量化技术，不仅忽略了信道干扰因素，而且对全部的中速数据采用等级保护模式，在移动信道中速数据传输过程误码率性能不强等不足，本文引入信道干扰因素和分级保护思想，设计了基于移动信道中速数据流的高健壮性二元网络传输编码调制方案，并借助仿真技术，测试本文方案的性能。结果表明：本文方案在低信道扰码的场合下量化性能优良；且在强信道扰码情况下，比单一因素的误码率低，从而可以有效地面对实际的移动信道下低 /高信道扰码交替的信道状况，能够更好地适应移动通信的要求。

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杨 浏(1982— )，硕士，工程师，主研无线电监测、通信技术、卫星通信；

许 毅(1975— )，博士，副教授，主研通信技术、计算机科学与技术。

责任编辑：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

【本文献信息】杨浏，许毅.基于中速数据流的二元网络传输编码调制研究[J].电视技术,2015，39(3).

四川省青年基金项目(09ZQ026-032)；四川省教育厅青年基金项目(11ZB132)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(12NYZYSO5)

TP393

A

10.16280/j.videoe.2015.03.023

2014-07-21