姚渭箐，易本順

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，武漢 430072)

1 引言

隨著無線通信業(yè)務(wù)需求日益增加以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，當(dāng)前普遍采用的固定頻譜分配方案已致使頻譜資源匱乏，從而使新興無線技術(shù)的應(yīng)用出現(xiàn)新的瓶頸。在此背景下，可以對(duì)頻譜進(jìn)行重復(fù)利用的認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。認(rèn)知無線電是一個(gè)智能無線電通信系統(tǒng)，它通過與外界環(huán)境的交互而進(jìn)行多維度頻譜探測(cè)，在不對(duì)主用戶(Primary User，PU)也即授權(quán)用戶(Licensed User，LU)造成干擾的情況下，通過自適應(yīng)調(diào)整發(fā)射機(jī)參數(shù)而實(shí)現(xiàn)與主用戶的頻譜共享。

采用認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Network，CRN)，可以利用環(huán)境認(rèn)知來獲取環(huán)境信息，并對(duì)信息進(jìn)行挖掘處理與學(xué)習(xí)，為智能決策提供依據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)無線環(huán)境的動(dòng)態(tài)適應(yīng)［1］。

認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，可靠的數(shù)據(jù)傳輸是研究的重點(diǎn)。在點(diǎn)到多點(diǎn)傳輸、在嚴(yán)重?fù)p壞的信道上進(jìn)行傳輸(質(zhì)量很差的無線或衛(wèi)星鏈路)或者在傳輸距離太長(zhǎng)的時(shí)候，傳統(tǒng)的協(xié)議很難保證傳輸?shù)目煽啃?，因此，需要?gòu)造可靠的傳輸方案［2－3］。

噴泉碼是一種基于分組的信道編碼方法。發(fā)送端通過編碼算法，將原始分組序列轉(zhuǎn)換為理論上無限長(zhǎng)的編碼分組序列，而接收端只需從中接收略大于原始分組數(shù)的分組，即能以很高的概率譯碼成功，幾乎無需反饋重傳，且適用于分組刪除信道，特別適用于單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信［4］。

將噴泉碼用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)鏈路建立和數(shù)據(jù)傳輸中，可有效縮短鏈路的時(shí)延，提高傳輸?shù)目煽啃裕ＷC通信質(zhì)量;噴泉碼可用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)子信道間的可靠協(xié)同數(shù)據(jù)傳輸，有效彌補(bǔ)主用戶的突然接入而引起的數(shù)據(jù)丟失，從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

針對(duì)該研究領(lǐng)域，本文首先簡(jiǎn)介了數(shù)字噴泉碼和認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí)，然后詳細(xì)介紹數(shù)字噴泉碼在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)鏈路建立、認(rèn)知通信以及資源分配中的具體應(yīng)用，并剖析了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的相關(guān)研究工作，最后討論了噴泉碼應(yīng)用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的開放性問題，為未來的研究指出可能的方向和重點(diǎn)。

2 噴泉碼介紹

所謂數(shù)字噴泉碼，是指由k個(gè)原始數(shù)據(jù)分組可以編碼產(chǎn)生無限數(shù)量的編碼分組，而接收端只要接收其中的任意n個(gè)編碼分組，即可通過譯碼以高概率成功地恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)分組，其中n 略大于k，且n=k(1 +ε)，ε 稱為冗余開銷。該編碼過程如同噴泉(編碼器)源源不斷產(chǎn)生水滴(編碼分組)，而用戶只需用杯子(譯碼器)接收到足夠數(shù)量的水滴，便能達(dá)到飲用(成功譯碼)的目的，而不必關(guān)心是哪一滴水流入杯中。所以，這種編碼被稱為數(shù)字噴泉碼(Digital Fountain Code)。

與Turbo 碼［5］、低密度奇偶校驗(yàn)(LDPC)碼［6］或是Reed－Solomon(RS)碼［7］等常用的編碼方式相比，數(shù)字噴泉碼的碼率不受限，且編譯碼復(fù)雜度低，不需要任何反饋信道或信道估計(jì)來保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。因此，噴泉碼更加適用于高寬帶、長(zhǎng)延時(shí)、高衰耗的通信網(wǎng)絡(luò)中。

目前，噴泉碼的主流研究方向主要集中于LT碼和Raptor 碼。2002 年，Michael Luby 提出了第一個(gè)噴泉碼的具體實(shí)現(xiàn)方案——LT 碼［8］。2004 年，Amin Shokrollahi 提出Raptor 碼［9］，這是基于LT 碼的次優(yōu)級(jí)聯(lián)方案。隨后，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者又陸續(xù)提出新型的噴泉碼。Raptor 碼中，最突出的是Ratpor 10(R10)和Raptor Q(RQ)，其中Ratpor 10 是第一種適用于不同標(biāo)準(zhǔn)的噴泉碼;Raptor Q 碼是一種伽羅華域GF(256)上的Raptor 碼［10］。2006 年，Jenkac等人通過對(duì)Turbo 碼進(jìn)行改造產(chǎn)生無限長(zhǎng)的編碼分組，構(gòu)成Turbo 噴泉碼(Turbo－Fountain Code)［11］。2009 年，黃誠以中國(guó)剩余定理的數(shù)學(xué)特性為基礎(chǔ)，提出基于素?cái)?shù)模運(yùn)算分解的中國(guó)變換碼——CT 碼(Chinese Transform Codes)［12］。2013 年，Mahyar 提出一種模擬噴泉碼(Analog Fountain Code，AFC)，與數(shù)字噴泉碼不同的是，模擬噴泉碼中每一個(gè)編碼符號(hào)均為實(shí)數(shù)值，是d個(gè)隨機(jī)選擇的信息位的加權(quán)和，其中，d 和權(quán)重系數(shù)從預(yù)定義的概率質(zhì)量函數(shù)隨機(jī)選擇［13］。

3 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)介紹

為了解決頻譜利用率不均衡的問題，認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其基本思想是次級(jí)用戶(Secondary User，SU)也即認(rèn)知用戶(Cognitive User，CU)，通過檢測(cè)授權(quán)頻段用戶的使用情況，機(jī)會(huì)地接入授權(quán)頻段，并且保證不影響主用戶的通信。而這種認(rèn)知能力要求次級(jí)用戶通過學(xué)習(xí)、理解等方式，自適應(yīng)地調(diào)整無線傳輸參數(shù)(如功率、載波調(diào)制和編碼等)來適應(yīng)外部無線環(huán)境，自主尋找和使用空閑頻譜［14］。

認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)則是認(rèn)知無線電的網(wǎng)絡(luò)化，其本質(zhì)是將認(rèn)知特性納入到無線通信網(wǎng)絡(luò)的整體中去。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)具有認(rèn)知無線電收發(fā)器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以自組織的形式組建而成的無線網(wǎng)絡(luò)。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)能夠從根本上改善無線頻譜資源利用不均勻的現(xiàn)狀，是未來無線通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，正逐漸通過標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)入產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域［15］。

4 數(shù)字噴泉碼在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

作為一種無碼率信道編碼技術(shù)，噴泉碼能有效地抵抗認(rèn)知無線電中來自主用戶的突發(fā)干擾，且無需反饋重傳，從而為認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)提供了一種有效的信道編碼方案，該方案能顯著提高通信的吞吐量，而傳統(tǒng)的信道編碼和ARQ 技術(shù)則無法比擬。

目前，國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)開始嘗試對(duì)噴泉碼進(jìn)行改進(jìn)，研究其作為信道編碼技術(shù)在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，目的是提高系統(tǒng)的傳輸性能，保證通信質(zhì)量，并進(jìn)行了理論分析和相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)。典型的研究工作可歸納如下:

(1)基于噴泉碼的CRN 鏈路建立與數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。在不對(duì)授權(quán)用戶造成干擾的同時(shí)，確保認(rèn)知用戶通信鏈路的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)、實(shí)時(shí)、可靠傳輸;

(2)有效地對(duì)現(xiàn)有的噴泉碼進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。將噴泉碼的特性和CRN 中認(rèn)知用戶通信有機(jī)結(jié)合起來，能夠獲得高質(zhì)量的認(rèn)知通信方案，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性和吞吐量;

(3)基于噴泉碼特性的認(rèn)知無線電系統(tǒng)資源分配算法，以便提高系統(tǒng)的資源利用效率。

4.1 在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)鏈路建立中的應(yīng)用

噴泉碼是一類現(xiàn)代誤差控制編碼，由于噴泉碼具有低復(fù)雜度和能夠漸進(jìn)達(dá)到信道容量的特點(diǎn)，則可適用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)鏈路建立。

4.1.1 在分組接入機(jī)制中的應(yīng)用

在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)通信鏈路建立之初，由于各種原因，發(fā)射機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)分組無法到達(dá)接收機(jī)的可能性較大，存在比較嚴(yán)重的分組丟失現(xiàn)象。不同于以往采用ARQ 機(jī)制實(shí)現(xiàn)鏈路差錯(cuò)控制的方法，可利用噴泉碼自適應(yīng)干擾避免的特性來對(duì)抗認(rèn)知建鏈中難以避免的分組丟失。

基于噴泉碼的分組接入中，發(fā)射機(jī)不停發(fā)送數(shù)據(jù)分組，當(dāng)接收機(jī)成功譯碼時(shí)，最終回復(fù)一個(gè)簡(jiǎn)單的反饋信號(hào)告知發(fā)射機(jī)譯碼成功，則發(fā)射機(jī)結(jié)束傳輸。這種方式將反饋的需求量降到了極限，亦可稱為無反饋的方式。

在實(shí)際認(rèn)知鏈路建立過程中，仍有采用反饋的必要。這是由于建鏈之初收發(fā)雙方?jīng)]有或只有很少的先驗(yàn)知識(shí)，在這種情況下，發(fā)射機(jī)的接入策略必然不夠理想，若發(fā)射機(jī)不管接收機(jī)接收的情況盲目一味發(fā)送，將導(dǎo)致沖突頻繁，不僅資源利用效率低下，最終的建鏈時(shí)延也必然增大?？紤]采用DATA－ACK 的握手機(jī)制［16］，通過ACK 為發(fā)射機(jī)提供當(dāng)前信道狀態(tài)及用戶競(jìng)爭(zhēng)情況信息，從而優(yōu)化接入策略，如圖1 所示。

圖1 基于噴泉碼分組接入DATA－ACK 握手工作機(jī)制Fig.1 DATA－ACK handshake mechanism based on fountain code packet access

基于噴泉碼的分組接入中，ACK 消息的可靠性只影響接入控制的有效性，而不會(huì)對(duì)譯碼造成致命影響，因而采用這種方法降低了對(duì)于公共控制信道的依賴性，相較于ARQ 機(jī)制更適合于在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施。

4.1.2 在通信鏈路建立及維護(hù)中的應(yīng)用

利用噴泉碼的自適應(yīng)速率適配能力可以有效解決鏈路刪除和數(shù)據(jù)包丟失問題，實(shí)現(xiàn)通信鏈路的建立和維護(hù)，并充分利用噴泉碼所需的反饋應(yīng)答時(shí)隙。應(yīng)用該方法不需要主從用戶之間存在額外的公共控制信道進(jìn)行“譜圖交換”。

基于噴泉碼的認(rèn)知無線電通信鏈路的建立和維護(hù)方法包括認(rèn)知用戶發(fā)送端鏈路的建立方法、認(rèn)知用戶發(fā)送端鏈路的維護(hù)方法、認(rèn)知用戶接收端鏈路的建立方法以及認(rèn)知用戶接收端鏈路的維護(hù)方法［17－18］。

在通信鏈路建立之前，認(rèn)知用戶的收發(fā)兩端對(duì)彼此的頻譜感知情況以及要采用的信道編碼、調(diào)制映射方式等必要的信息均一無所知，必須在通信鏈路建立的過程中將這些信息傳遞給對(duì)方。認(rèn)知用戶發(fā)送端鏈路的建立以及維護(hù)方法中按照噴泉碼的編碼方式對(duì)信息包進(jìn)行編碼并組幀。

當(dāng)頻譜共享無線通信環(huán)境下收發(fā)兩端并不完全確知對(duì)方的信道狀態(tài)而造成發(fā)送包丟失或者由于頻譜感知不夠準(zhǔn)確而受主用戶信號(hào)干擾時(shí)，不僅可以利用噴泉碼編譯碼技術(shù)完成鏈路的建立，而且也可以基于噴泉碼自適應(yīng)地逼近認(rèn)知信道容量的特性來獲得較大的編碼增益。

利用噴泉碼自適應(yīng)干擾避免的特性來對(duì)抗認(rèn)知建鏈中分組丟失、鏈路刪除和數(shù)據(jù)包丟失問題，降低了對(duì)于公共控制信道的依賴性，能有效縮短鏈路的時(shí)延，提高傳輸?shù)目煽啃?，相?duì)于ARQ 機(jī)制更適合于在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施。

4.2 在認(rèn)知通信中的應(yīng)用

將噴泉碼的特性和CRN 中認(rèn)知用戶通信有機(jī)結(jié)合起來，可實(shí)現(xiàn)可靠高效的認(rèn)知通信。將噴泉碼差錯(cuò)控制機(jī)制應(yīng)用到認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中繼協(xié)同中，則基于噴泉碼的協(xié)助機(jī)制可獲得與高復(fù)雜度、高代價(jià)的重傳機(jī)制類似的性能;通過基于前向映射算法(Map and Forward，MF)的噴泉碼網(wǎng)絡(luò)編碼，能降低差錯(cuò)傳輸?shù)母怕?利用噴泉碼靈活的度分布來調(diào)節(jié)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)譯碼延時(shí)的長(zhǎng)短，可以平衡在多跳中繼節(jié)點(diǎn)之間處理數(shù)據(jù)包速度之間的差異。

4.2.1 在中繼選擇機(jī)制中的應(yīng)用

2011 年，Shahrasbi B 等學(xué)者研究了噴泉碼差錯(cuò)控制機(jī)制在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中繼協(xié)同中的作用，認(rèn)為基于噴泉碼的協(xié)助機(jī)制可獲得與高復(fù)雜度、高代價(jià)的重傳機(jī)制類似的性能［19］。

由于噴泉碼擁有不同于傳統(tǒng)的差錯(cuò)控制編碼的特性，十分適用于協(xié)作方案。建立一個(gè)由主用戶對(duì)(PU Pair)和次級(jí)用戶對(duì)(SU Pair)組成的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)模型，包括主發(fā)射機(jī)(PT)、主接收機(jī)(PR)，次級(jí)發(fā)射機(jī)(ST)和次級(jí)接收機(jī)(SR)。當(dāng)PT“閑”時(shí)，ST有機(jī)會(huì)進(jìn)入信道。假設(shè)主用戶活動(dòng)時(shí)，ST可作為一個(gè)中繼，參與PU 的傳輸。通常，在一對(duì)PT和PR的附近，可能存在不止一個(gè)次級(jí)用戶對(duì)，需要利用一個(gè)最佳中繼選擇方案選擇最佳中繼節(jié)點(diǎn)，并且，采用排隊(duì)論模型來描述系統(tǒng)參數(shù)，如圖2 所示。

圖2 次級(jí)發(fā)射機(jī)的協(xié)作中繼認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)模型Fig.2 Cognitive radio network with cooperative relaying at the secondary transmitter

下面采用噴泉碼差錯(cuò)控制機(jī)制，分析認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作中繼的性能。主發(fā)射機(jī)(PT)信息的平均延時(shí)Dt可表達(dá)為

式中，DPq和DPSq分別為在QP和QPS數(shù)據(jù)包排隊(duì)接受服務(wù)的時(shí)間，NPS和NSP分別為從PT傳輸?shù)絊T和從ST傳輸?shù)絇R所需數(shù)據(jù)包的數(shù)量。應(yīng)用噴泉碼的編碼協(xié)作，可得到E [NPS]和E [NSP]計(jì)算公式，并能在忽略誤差的情況下對(duì)該式進(jìn)行近似計(jì)算。

同時(shí)，基于噴泉碼差錯(cuò)控制機(jī)制，使用一種低復(fù)雜度分布式中繼選擇算法，可找到最佳中繼節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)SU 節(jié)點(diǎn)間的最短距離通信。噴泉碼的特性則可保證，一個(gè)擁有到PT最佳信道的SU 在其他節(jié)點(diǎn)前接收數(shù)據(jù)包。通過這種方法，SU 節(jié)點(diǎn)可作出決定是否能在PU 傳輸中進(jìn)行協(xié)作。定義一個(gè)“期望集”(位于期望區(qū)域里的一個(gè)SUs 的集合)，在每個(gè)SU中，可通過偷聽到PUs 的RTS/CTS 信號(hào)估計(jì)，一個(gè)中繼能通過到PT和PR的相關(guān)距離來判斷其是否屬于期望集［20］。如果一個(gè)SU 節(jié)點(diǎn)不屬于一個(gè)特定的PU“發(fā)射機(jī)－接收機(jī)”對(duì)的期望集，它將丟棄從PT接收到的數(shù)據(jù)包。因此，位于期望集里的某個(gè)SU將第一個(gè)完全接收噴泉碼包，并發(fā)送一個(gè)ACK 信息。所以，其他SUs 和PT實(shí)現(xiàn)了信息在期望的中繼或在PR上的傳輸。

4.2.2 基于噴泉碼的機(jī)會(huì)多播的原子碎片法

CR 網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)基站(BS)和若干移動(dòng)的SU 組成，并且SU 在網(wǎng)絡(luò)中均勻分布。

Polacek P 等人指出，由于一個(gè)用于碎片傳輸?shù)膖iles 的容量(tile 表示一個(gè)時(shí)隙中的一個(gè)次級(jí)信道SC)和被浪費(fèi)碎片的大小之間的矛盾，碎片大小直接影響資源使用率。結(jié)合噴泉碼前向差錯(cuò)控制(FEC)保護(hù)，應(yīng)用一種數(shù)據(jù)分裂算法將數(shù)據(jù)分裂為原子級(jí)單位，達(dá)到資源利用最大化［21］。通過分裂算法和使用噴泉碼向前差錯(cuò)控制，BS 在傳輸前對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

當(dāng)調(diào)度數(shù)據(jù)碎片到備選的tiles 中，任何tile 都能夠完全填滿，不會(huì)浪費(fèi)容量。當(dāng)碎片大小時(shí)不變且依賴于系統(tǒng)設(shè)置，碎片的數(shù)量以及FEC 開銷都是固定的。相對(duì)于可能的tile 容量，碎片越小，用作FEC 開銷的數(shù)據(jù)量也同樣降低，原子分裂法的零損耗特性越顯著。

基于tiles 的傳輸效率，對(duì)tiles 進(jìn)行排序，其中容量較高的tiles 將被優(yōu)先選出，再通過選擇碰撞概率較低的tiles 進(jìn)一步優(yōu)化。

每個(gè)FEC 塊中的用戶設(shè)置都取決于單個(gè)用戶的碎片傳輸接收率，該接收率通過一個(gè)基于指數(shù)加權(quán)遞推的公式定義，具有一個(gè)平均窗，即用于最后一個(gè)FEC 塊的tiles 的數(shù)量，通過接收率能輕松發(fā)現(xiàn)瓶頸用戶［22］。

4.2.3 基于噴泉碼的MF 算法

圖3 所示是一個(gè)由兩個(gè)PU、一個(gè)BS 和若干個(gè)SU 組成的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)模型，通過次級(jí)用戶和主用戶間協(xié)作傳輸?shù)姆椒ㄒ胫欣^技術(shù)來提高認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的性能［23］，并采用噴泉碼網(wǎng)絡(luò)編碼策略來保證主網(wǎng)絡(luò)可靠通信。

圖3 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)協(xié)作傳輸模型Fig.3 A cooperative transmission model in cognitive networks

Chen X 等人針對(duì)中繼處單純采用放大前傳(Amplify and Forward，AF)和譯碼前傳(Decode and Forward，DF)的不足，結(jié)合AF 和DF 的優(yōu)勢(shì)，在一個(gè)認(rèn)知BS 中，采用一種基于向前映射算法(Map and Forward，MF)的噴泉碼網(wǎng)絡(luò)編碼，幫助PU1 和PU2 之間進(jìn)行信息交換。特別是，在第一個(gè)時(shí)隙中，PU1 和PU2 同時(shí)傳輸噴泉碼符號(hào)給一個(gè)認(rèn)知BS。接收到混合的編碼符號(hào)并使用空間自由度之后，根據(jù)給定的標(biāo)準(zhǔn)，例如邏輯OR 或AND 標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)知BS映射混合信號(hào)到映射表中一個(gè)特殊的符號(hào)。在第二個(gè)時(shí)隙中，認(rèn)知BS 廣播映射符號(hào)。每個(gè)主用戶檢測(cè)它接收的符號(hào)，然后從另一邊根據(jù)同樣的映射標(biāo)準(zhǔn)，恢復(fù)它想要的噴泉碼符號(hào)。一旦一個(gè)用戶接收足夠多的編碼符號(hào)，它就能夠成功解碼源信號(hào)?；趪娙a的MF 算法有雙重優(yōu)點(diǎn):無需上行鏈路信道狀態(tài)信息，簡(jiǎn)化了自干擾消除過程;認(rèn)知BS 采用MF 模式，MF 是一個(gè)軟判決方式，能降低差錯(cuò)傳輸概率。

4.2.4 基于噴泉碼的度分布的中繼方案

2011 年，Wang X 等人針對(duì)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)頻譜不穩(wěn)定、頻譜環(huán)境異質(zhì)、信號(hào)能量受限等惡劣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，就如何解決獲得可靠和有效的傳輸這一問題，提出了一種靈活噴泉碼中繼(Agile Rateless Coded Relaying，ARCOR)方案，該方案利用噴泉碼靈活的度分布來調(diào)節(jié)中繼節(jié)點(diǎn)譯碼延時(shí)的長(zhǎng)短，以平衡在多跳中繼節(jié)點(diǎn)之間處理數(shù)據(jù)包速度之間的差異［24］。

考慮一個(gè)由一個(gè)信源、一個(gè)信宿和一組DF(Decode－and－Forward)中繼組成的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)。異構(gòu)頻譜環(huán)境下，使用分頻雙工(Frequency－Division Duplex，F(xiàn)DD)中繼，以便“信源－中繼”以及“中繼－信宿”鏈路能夠在不同頻帶接入頻譜空穴，并利用離散時(shí)間的馬爾科夫鏈對(duì)PU 信道占用狀態(tài)進(jìn)行建模。

一個(gè)中繼解碼一個(gè)信息所需的時(shí)間為，用于傳輸足夠編碼包的整個(gè)“閑”時(shí)隙與解碼前經(jīng)歷的整個(gè)“忙”時(shí)隙之和。

為得到用于傳輸足夠編碼包的整個(gè)“閑”時(shí)隙的表達(dá)式，首先需要對(duì)噴泉碼的譯碼開銷ε 進(jìn)行估計(jì)分析。ε 服從泊松分布，其概率質(zhì)量函數(shù)的參數(shù)通過期望最大化算法(Expectation－ Maximization，EM)［25－26］給出。通過仿真，為噴泉碼選取合適的原始分組的數(shù)量和度分布參數(shù)。當(dāng)授權(quán)信道“閑”時(shí)，由于一個(gè)誤報(bào)將限制信源傳輸，因此，會(huì)忽略一個(gè)頻譜機(jī)會(huì)。接著，根據(jù)誤報(bào)概率以及在無PU 下一個(gè)中繼解碼一個(gè)信息所需時(shí)間，得到解碼一個(gè)信息所需的平均“閑”時(shí)隙。最后，基于離散時(shí)間的馬爾科夫鏈信道模型，推廣到第一跳所需的平均傳輸時(shí)間(信源－中繼)。

類似地，可得到信宿解碼一個(gè)來自L個(gè)解碼中繼的信息所需的時(shí)間，即第二跳傳輸時(shí)間(中繼－信宿)。第一跳和第二跳的平均傳輸時(shí)間都取決于解碼中繼閾值，一個(gè)合適的閾值可用來平衡第一跳和第二跳，提高端到端的吞吐量，可通過一種低復(fù)雜度塊搜索優(yōu)化算法來搜索最佳的解碼中繼閾值。

4.2.5 其他應(yīng)用

許多學(xué)者針對(duì)噴泉碼在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的具體應(yīng)用也作了如下一些探索。

在一個(gè)頻譜共享廣播信道中，BS 使用噴泉碼編碼數(shù)據(jù)包，廣播給所有用戶，并采用ST協(xié)助BS 廣播的策略，實(shí)現(xiàn)能量－延時(shí)－吞吐量的平衡［27］。Aziz A 等人考慮認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作頻譜感知，采用一種高效的噴泉碼編碼中繼與用戶選擇機(jī)制相結(jié)合的協(xié)作感知方案，以便減少能量和延時(shí)的開銷［28］。

在多中繼認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，Chaoub A 等人利用噴泉碼將傳輸數(shù)據(jù)分布于兩跳，并使用CORVUS方法建立次級(jí)鏈接。信源節(jié)點(diǎn)廣播編碼流到一組中繼節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)從同一噴泉傳送不同的數(shù)據(jù)包到共同的目的地。認(rèn)知中繼之間無需協(xié)調(diào)，并且避免信宿接收重復(fù)數(shù)據(jù)包［29］。

而在瑞利衰落信道中，Duy T T 等人基于噴泉碼采用次級(jí)中繼方法實(shí)現(xiàn)次級(jí)頻譜接入認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)。主發(fā)射機(jī)使用噴泉碼傳輸數(shù)據(jù)到主接收機(jī)，而在次級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，次級(jí)發(fā)射機(jī)協(xié)助主發(fā)射機(jī)向前傳輸數(shù)據(jù)到主接收機(jī)，以便能找到機(jī)會(huì)傳輸它們自己的數(shù)據(jù)［30］。

綜上所述，數(shù)字噴泉碼差錯(cuò)控制機(jī)制、優(yōu)化度分布以及算法結(jié)合等方法應(yīng)用于認(rèn)知用戶通信，尤其是基于多跳、多用戶、中繼協(xié)同的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)模型中，能夠有效彌補(bǔ)授權(quán)用戶的突然接入而引起的數(shù)據(jù)丟失，從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

4.3 在資源分配中的應(yīng)用

Chen X 等人提出，在有限反饋的多用戶多輸入多輸出(MU－MIMO)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，基于噴泉碼特性，可得到網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和延遲要求之間的內(nèi)在聯(lián)系，并采用一種啟發(fā)式算法最小化反饋，同時(shí)滿足干擾約束和QoS 需求，來實(shí)現(xiàn)高效的資源分配［31］。引入噴泉碼具有雙重優(yōu)點(diǎn):一是為無線服務(wù)提供延遲保障;二是能夠反映出延遲約束和反饋量之間的關(guān)系，以便對(duì)于一個(gè)給定的延遲約束，可以獲得其所需的最小反饋需求。

文獻(xiàn)［32］中，為最大化認(rèn)知系統(tǒng)能量利用率，利用信道的馬爾可夫特性限制從用戶對(duì)主用戶通信的干擾，引入具有優(yōu)異特性的噴泉碼和周期頻譜感知模型，提出可以快速實(shí)現(xiàn)的能量分配算法，顯著降低了多信道認(rèn)知無線電環(huán)境下從用戶發(fā)送端的能量消耗，為無速率編碼在認(rèn)知無線電的應(yīng)用提供了新穎的研究角度。

可以看出，通過算法實(shí)現(xiàn)高效的資源分配，能夠顯著降低基于噴泉碼的認(rèn)知無線電系統(tǒng)的能耗，提高能量利用率。

5 結(jié)束語

盡管數(shù)字噴泉碼應(yīng)用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的研究已取得一些可喜成果，但是目前所進(jìn)行的研究大部分停留在理論研究和工程應(yīng)用仿真方面，很少通過實(shí)際硬件平臺(tái)驗(yàn)證。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)將噴泉碼引入到認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的研究才剛剛開始，如何有效地對(duì)現(xiàn)有的噴泉碼進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，將噴泉碼的特性和認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的特性有機(jī)結(jié)合起來，以便提高認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的通信可靠性和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，還需要做大量深入的研究工作，可從以下幾個(gè)方面著手:

(1)從構(gòu)造新型噴泉碼的途徑來進(jìn)一步提高認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的頻譜利用率，建立新型噴泉碼的具體編譯碼實(shí)現(xiàn)算法，提高認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量;

(2)鏈路建立主要完成次級(jí)用戶之間基本信息的協(xié)商，傳輸數(shù)據(jù)量較小，可利用短碼長(zhǎng)噴泉碼提高認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路建立的效率，同時(shí)可結(jié)合一些算法優(yōu)化短碼長(zhǎng)噴泉碼的度分布，構(gòu)建具有最短時(shí)延特性的噴泉碼實(shí)現(xiàn)算法;

(3)將噴泉碼用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用，例如多媒體傳輸，能有效地提高認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的多媒體服務(wù)質(zhì)量;

(4)由于軟件無線電可以通過增加軟件模塊來增加新的功能，而且硬件也可以隨著器件的發(fā)展而不斷地升級(jí)，可以基于一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用軟件無線電平臺(tái)，將數(shù)字噴泉碼在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的各種應(yīng)用效果通過軟件模塊化來進(jìn)行驗(yàn)證。

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