喷泉码在认知无线电网络中可靠数据传输的应用研究

Aim at the problem that the occupancy of radio channel of primary users is time variant in cognitive radio network, which results in the link instable and packet loss of cognitive users, especially for realtime multimedia data transmission. In addition, the traditional ARQ scheme and error-correcting code can not guarantee the reliability and efficiency of data transmission in severe channel environments.For these reasons,we plan to employ fountain codes for link setup and data transmission, and to establish an experimental model for link setup of cognitive radio network. Based on the model, the mechanism of link setup of cognitive radio network will be researched and analyzed in detail. The short length fountain code suitable for link setup of cognitive radio will be designed and optimized. We try to seek an optimization scheme for multimedia streaming transmission over cognitive radio network using fountain codes. Above this foundation, we'll do research on how to realize and optimize the new algorithm of coding and decoding of novel fountain code based on modular arithmetic in order to decrease efficiently the delay of link setup of cognitive radio system, and to increase the reliability of data transmission and throughput of the network. The accomplishment of this project will provide some practical data and technical solution to the bottleneck of present cognitive radio communication.

本项目针对认知无线电网络中授权用户对信道占用的时变性，易造成认知用户通信链路的不稳定性，导致数据的丢失，尤其对于实时多媒体流这种大数据量的传输，则更为严重，而传统的ARQ机制和纠错码在认知无线电恶劣的信道环境下，难以有效地保证数据的可靠传输，为此拟在其链路建立、数据传输等方面引入喷泉码技术，以期有效抵抗因授权用户随机接入引起的干扰。本项目构建一种喷泉码用于认知无线电链路的实验模型，并在该模型上研究分析认知无线电网络的链路工作机理，构造并优化适于认知无线电链路建立的短码长喷泉码，提出一种编码冗余小的基于模运算的新型喷泉码编译码算法，对其进行优化，用以进一步有效地减少认知无线电系统链路建立的时延，并最大极限地提高数据传输的可靠性与网络吞吐量，同时寻求一种基于喷泉码的认知无线网络多媒体流的最佳传输方案。本项目的完成将可为解决现有认知无线电网络传输技术瓶颈提供实用的实验数据及解决方案。

认知无线电网络作为一种智能频谱共享方案能有效提高频谱利用率，但授权用户对信道占用的时变性，易造成认知用户通信链路的不稳定性，导致数据的丢失。本课题基于喷泉码，对认知无线电网络中的链路建立与保持、可靠数据传输等关键问题展开了研究，旨在提高无线通信的可靠性及改善网络服务质量。四年来的主要研究内容归纳为如下方面：（1）设计并优化了适用于认知无线电网络链路建立与保持的短码长喷泉码，项目组成员对短码长喷泉码度分布设计与优化做了大量的研究工作，旨在降低短码长喷泉码的编译码复杂度，提高其编译码性能；（2）优化了适用于认知无线电网络的基于模运算的新型喷泉码的编译码算法，提高了译码成功率。另外，改进了基于反馈的on-line新型喷泉码编译码算法，提升了传统短码长喷泉码的数据恢复概率；（3）利用喷泉码解决了认知无线电NC-OFDM系统功率峰均比（PAPR）过高的问题；（4）利用喷泉码不等差错保护算法对多媒体重要数据加以更强的保护，设计了一种基于喷泉码的多媒体流的传输方案，提升了图像传输质量，改善了多媒体服务质量。.课题基本按项目预定的计划进行，达到了项目预期的目标，并完成了项目预期的研究成果。在该项目资助下，先后在IEEE Communications Letters、IET Communications、Multimedia Tools and Applications、电子学报、电子与信息学报等国内外期刊和2017 IEEE International Conference on Big Data and Cloud Computing等国际会议上发表论文13篇，其中SCI索引5篇，EI索引6篇；申请专利2项；指导了4名博士生、6名硕士生顺利毕业。.本项目的研究为认知无线电网络中的数据传输技术提供了一种有效而可靠的实施途径，使无线通信频谱资源的利用更加高效，对我国未来无线宽带多媒体通信的广泛应用具有重要的现实意义。