CN101826940A - 一种对喷泉码中预译码集优化的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对喷泉码中预译码集优化的方法，所述方法包括：发送端在喷泉编码生成的前k个编码分组中，对度为2编码分组的原始输入的编码分组进行替换处理并进行传输，其中，k是选择的编码分组个数；在接收端进行译码，如果所有原始输入的编码分组都被译出，则译码结束，否则接收端对无法进行译码的两个编码分组进行异或处理并赋值给后一个编码分组，然后继续进行译码，直至译码结束。本发明还同时公开了一种针对喷泉码中预译码集优化的系统，通过上述方法和系统，能够保证译码时的预译码集的大小更为稳定，并且提供更大的预译码集。

Description

一种对喷泉码中预译码集优化的方法和系统

技术领域

本发明涉及通信系统中信道编码领域，特别是指一种对喷泉(LubyTransform，LT)码中预译码集优化的方法和系统。

背景技术

喷泉码是一种在删除信道下性能优良的无几率纠删码，在1998年由Michael Luby首次提出，喷泉码的编码器能够源源不断地产生无数个编码数据分组。通常，在编码器的编码过程中，先将源文件分为K个原始分组。假设源文件大小为K×L比特，其中，K是原始分组个数，L是每个原始分组带有的比特数，再根据度值随机并且均匀的选取原始分组作为原始输入的编码分组，根据原始输入的编码分组生成编码分组，最后将编码分组发送给接收端进行译码恢复源文件。一般接收端能够接收到N个编码分组就能够恢复源文件，其中，N＝K(1+ε)，ε是完全恢复源文件所需要的冗余开销。

在喷泉码的应用中，Michael Luby提出了第一个实例Luby Transform码，即LT码；Raptor码是LT码的改进版，Raptor码首先对原始信息进行预编码，然后采用一个弱化的LT码对数据进行编码并发送。上述两种喷泉码编码方法通常情况下统称为LT码。

D.J.C.MacKay在《Fountain codes》一文中对喷泉码的各种实例进行了介绍；Luby在《LT codes》一文中也对LT码的编译码原理进行了详尽的阐述，作者在文章中介绍了LT码中最重要的部分在于产生生成矩阵的度分布函数。因为在译码过程中决定译码性能好坏的关键因素是预译码集的波动情况和预译码集的大小，所以，如果波动很小并且预译码集的大小保持足够大，则LT码的性能比较好。其中，预译码集的波动很大程度是由度分布函数决定的。文章中介绍了两种度分布函数：理想孤波分布与鲁棒孤波分布函数，其中理想孤波分布是一种在理论上最理想的度分布，然而在现实的环境中却并不适用，很容易在译码过程中出现预译码集大小为0的情况，无法正常进行译码；所以在此基础上提出了鲁棒孤波分布函数，进一步扩大了预译码集的大小，使得译码成功率维持在一个较高的水平。然而，在现实的无线传输环境中，由于随机丢包情况多变，对于编码结构的破坏比较严重，使得在利用鲁棒孤波分布函数编码后进行译码时的预译码集并没有理论上分析的那么完美，因此，有必要对LT码进行进一步的优化。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种对LT码中预译码集优化的方法和系统，能够保证译码时的预译码集的大小更为稳定，并能提供更大的预译码集。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种对喷泉码中预译码集优化的方法，所述方法包括：

发送端在喷泉(LT)码生成的编码分组中，对度为2编码分组的原始输入的编码分组进行替换处理，并进行传输；

在接收端进行译码，如果所有原始输入的编码分组都被译出，则译码结束，否则接收端对无法进行译码的两个编码分组进行异或处理，并赋值给后一个编码分组，然后继续进行译码，直至译码结束。

其中，所述发送端在LT编码生成的编码分组之前，该方法还包括：

发送端在使用鲁棒孤波分布函数进行LT编码时，先对鲁棒孤波分布函数中度为1的编码分组的概率进行修改，改为

其中，K是原始分组个数。

其中，所述对度为2编码分组的原始输入的编码分组进行替换处理的具体包括：

发送端在LT编码生成的前k个编码分组中，寻找度为1的编码分组，并记录所找到编码分组的原始输入的编码分组；

发送端在LT编码生成的前k个编码分组中，寻找度为2的编码分组；

其中，k是选择的编码分组个数；

随机抽取部分度为2的编码分组，用度为1的编码分组的原始输入的编码分组对所述抽取出的度为2的编码分组的一个原始输入的编码分组进行随机替换，得到最终的编码分组。

其中，所述随机抽取部分度为2的编码分组，具体包括：

在前k个编码分组中寻找到的度为2的编码分组集合中，随机抽取个数为k*P2个编码分组，其中，k是选择的编码分组个数；P2为根据译码所需预译码集大小设定的一个百分比。

其中，所述寻找度为1的编码分组，并记录所找到编码分组的原始输入的编码分组和所述寻找度为2的编码分组，具体在接收到全部编码分组后进行，或者在LT码的编码过程中同步进行。

本发明还提供了一种对喷泉码中预译码集优化的系统，所述系统包括：LT编码模块、处理发送模块、接收译码模块和译码处理模块，其中，

所述LT编码模块，用于使用鲁棒孤波分布函数来进行LT编码，将编码分组发送给处理发送模块；

所述处理发送模块，用于在LT编码生成的前k个编码分组中，对度为2编码分组的原始输入的编码分组进行替换处理，并将处理后的数据发送给接收译码模块，其中，k是选择的编码分组个数；

所述接收译码模块，用于对接收到的编码分组进行译码，所有原始输入的编码分组都被译出时，输出译出的原始输入的编码分组；所有原始输入的编码分组未都被译出，将无法译出的编码分组发送给译码处理模块；

所述译码处理模块，用于对无法进行译码的两个编码分组进行异或处理，并赋值给后一个编码分组，然后将处理后的编码分组发送给所述接收译码模块继续进行译码。

其中，所述LT编码模块，具体用于在使用鲁棒孤波分布函数进行LT编码时，先对鲁棒孤波分布函数中度为1的编码分组的概率进行修改，改为

其中，K是原始分组个数。

其中，所述处理发送模块还包括：编码分组分析子模块和编码分组替换子模块，其中，

所述编码分组分析子模块，用于在LT编码生成的前k个编码分组中寻找度为1的编码分组，并记录所找到编码分组的原始输入的编码分组，并且寻找度为2的编码分组，将结果发送给编码分组替换子模块，其中，k是选择的编码分组个数；

所述编码分组替换子模块，用于随机抽取部分度为2的编码分组，用度为1的编码分组的原始输入的编码分组对所述抽取出的度为2的编码分组的一个原始输入的编码分组进行随机替换，得到最终的编码分组，并将最终的编码分组发送给接收译码模块。

本发明所提供的对LT码中预译码集优化的方法和系统，在发送端对度为2的编码分组的原始输入的编码分组进行替换处理，使得预译码集的大小更为稳定，并能提供更大的预译码集，并且在接收端通过对无法进行译码的两个编码分组进行异或处理，去掉冗余数据，进而降低译码所需的数据冗余，进一步提高LT码的译码成功率。

附图说明

图1为本发明对喷泉码中预译码集的优化方法的流程示意图；

图2为本发明对无法进行译码的编码分组进行处理的第一种情况示意图；

图3为本发明对无法进行译码的编码分组进行处理的第二种情况示意图；

图4为本发明发送端对度为2的编码分组进行处理的具体流程示意图；

图5为本发明对喷泉码中预译码集优化的系统结构示意图；

图6为本发明对喷泉码中预译码集优化的系统详细结构示意图。

具体实施方式

本发明的基本思想是：发送端在LT编码生成的前k个编码分组中，对度为2的编码分组的原始输入的编码分组进行替换处理，并进行传输；在接收端进行译码，如果所有原始输入的编码分组都被译出，则译码结束，否则接收端对无法进行译码的两个编码分组进行异或处理，并赋值给后一个编码分组，然后继续进行译码，直至译码结束。其中，k是选择的编码分组个数。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。

图1为本发明对喷泉码中预译码集的优化方法的流程示意图，如图1所示，本发明对喷泉码中预译码集的优化方法具体包括以下步骤：

步骤101，发送端在使用鲁棒孤波分布函数来进行LT编码时，提高度为1的编码分组的概率进行编码；

具体的，发送端在使用鲁棒孤波分布函数来进行LT编码时，先对鲁棒孤波分布函数中度为1的编码分组的概率进行修改，改为

其中，K是原始分组个数，然后进行LT编码。本步骤能够进一步提升度为1的编码分组出现的概率，即进一步扩大预译码集，在本发明中是可选步骤。

步骤102，发送端在LT编码生成的前k个编码分组中，对度为2的编码分组的原始输入的编码分组进行替换处理，并进行传输；

具体的，由于喷泉码可以生成无限多个编码分组，因此，在实际操作中仅选择前k个编码分组进行替换处理，其中k的取值根据所需要的替换处理速度和译码效果设定，k的取值越大，替换处理速度越慢，但是译码效果越好，相应的，k的取值越小，替换处理速度越快，但是译码效果会相对变差。通常情况下k的取值可以选择原始分组个数K。

发送端利用度为1的编码分组中的原始输入的编码分组，对度为2的编码分组中的一个原始输入的编码分组进行随机替换，目的是保证替换后的度为2的编码分组的两个原始输入的编码分组中，具备至少一个度为1的编码分组的原始输入的编码分组。例如，A1、A2、A3、A4、A9......都是度为1的编码分组中的原始输入的编码分组，度为2的编码分组包括：S1、S2、S3......，其中，S1由原始输入的编码分组A6异或A7得到；S2由原始输入的编码分组A9异或A10得到；S3由原始输入的编码分组A1异或A8得到。在随机替换后，S1由原始输入的编码分组A2异或A7得到；S2由原始输入的编码分组A9异或A3得到；S3由原始输入的编码分组A4异或A8得到。通过替换处理可以提高在接收端译码过程中度为1的编码分组出现的概率。

步骤103，在接收端使用置信传播(Belief Propagation，BP)算法进行译码，如果所有原始输入的编码分组都被译出，则译码结束，否则执行步骤104；

具体的，使用BP算法进行译码中，利用度为1的编码分组进行译码操作，如果数据包没有出现丢失，或者丢失数量很少的情况下，可以直接译出所有原始输入的编码分组；如果没有度为1的编码分组，则无法继续进行译码处理，此时执行步骤104。

步骤104，接收端对无法进行译码的编码分组进行去除冗余数据的处理，继续进行译码，直至译码结束。

具体的，所述处理具体是指，对接收到的两个编码分组进行异或处理，并赋值给后一个编码分组，进而去掉冗余数据；最终目的是重新得到度为1的编码分组，使得译码能够继续进行。

具体包括以下两种情况：图2为本发明对无法进行译码的编码分组进行处理的第一种情况示意图，如图2所示，其中，S_n、S_n+1、S_n+2......表示接收到的连续的编码分组；A1、A2、A3......表示原始输入的编码分组。在变换前S_n与A1和A2相联系，S_n+1也与A1、A2相联系，同时还与A3相联系，在这种情况下，A1和A2与S_n+1相联系，则是冗余数据。通过将S_n与S_n+1异或后的值赋值给S_n+1，变换得到了S_n∧S_n+1仅与A3相联系，即又出现了度为1的编码分组，可以继续进行译码。

图3为本发明对无法进行译码的编码分组进行处理的第二种情况示意图，如图3所示，其中，S_n、S_n+1、S_n+2......表示接收到的连续的编码分组；A1、A2、A3......表示原始输入的编码分组。在变换前S_n与A1和A2相联系，S_n+1也与A1、A2相联系，同时还与A3、A4相联系，在这种情况下，A1和A2与S_n+1相联系，则是冗余数据。通过将S_n与S_n+1异或后的值赋值给S_n+1，变换得到了S_n∧S_n+1与A3和A4相联系。第二种情况中，并不能直接继续进行译码，但是在处理完图4的情况后，再与另外的编码分组执行去除冗余数据的处理时，可能会出现图3的情况，因此，图4的处理也能使编码分组被释放的概率得到提升，也就是说，可以间接提高LT码的译码的性能。

进一步的，图4为本发明发送端对度为2的编码分组进行处理的具体流程示意图，如图4所示，所述方法具体包括：

步骤401，发送端在LT编码生成的前k个编码分组中，寻找度为1的编码分组，并记录所找到的编码分组的原始输入的编码分组；

具体的，发送端是在LT编码生成的前k个编码分组中，寻找度为1的编码分组，并记录其原始输入的编码分组A1、A2、A3、A4、A9......这些原始输入的编码分组的集合是集合1。

步骤402，发送端在LT编码生成的前k个编码分组中，寻找度为2的编码分组；

具体的，发送端在LT编码生成的前k个编码分组中，寻找度为2的编码分组，这些编码分组的集合是集合2。

进一步的，步骤401和步骤402可以在接收到全部编码分组后进行，或者在LT码的编码过程中同步进行。相比较而言，在LT码的编码过程中同步进行，更符合实际操作，并且效率更高。

步骤403，随机抽取部分度为2的编码分组，用度为1的编码分组的原始输入的编码分组，对所述抽取出的度为2的编码分组的一个原始输入的编码分组进行随机替换，得到最终的编码分组。

具体的，在集合2中随机抽取个数为k*P2个编码分组，其中，k是选择的编码分组个数；P2为根据译码所需预译码集大小设定的一个百分比，例如，k为1000、P2为0.05，则表示在集合2中随机抽取50个编码分组。通过试验仿真可知，k设定为原始分组个数K和P2取0.05时，LT码的性能会比较好；然后，将这些抽取出的度为2的编码分组中的一个原始输入的编码分组，随机替换为集合1中的原始输入的编码分组，得到最终的编码分组。

图5为本发明对喷泉码中预译码集优化的系统结构示意图，如图5所示，所述系统具体包括：LT编码模块51、处理发送模块52、接收译码模块53和译码处理模块54，其中，

所述LT编码模块51，用于使用鲁棒孤波分布函数来进行LT编码，将编码分组发送给处理发送模块52；

具体的，LT编码模块51在使用鲁棒孤波分布函数来进行LT编码时，先对鲁棒孤波分布函数中度为1的编码分组的概率进行修改，改为

其中，K是原始分组个数，然后进行LT编码。所述修改能够进一步提升度为1的编码分组出现的概率，即进一步扩大预译码集，在本发明中是可选模块。

所述处理发送模块52，用于在LT编码生成的前k个编码分组中，对度为2的编码分组的原始输入的编码分组进行替换处理，并将处理后的数据发送给接收译码模块53；

具体的，由于喷泉码可以生成无限多个编码分组，因此，在实际操作中仅选择前k个编码分组进行替换处理，其中k的取值根据所需要的替换处理速度和译码效果设定，k的取值越大，替换处理速度越慢，但是译码效果越好，相应的，k的取值越小，替换处理速度越快，但是译码效果会相对变差。通常情况下k的取值可以选择原始分组个数K。

处理发送模块52利用度为1的编码分组中的原始输入的编码分组，对度为2的编码分组中的原始输入的编码分组进行替换，以提高在接收端译码过程中度为1的编码分组出现的概率。

所述接收译码模块53，用于使用BP算法进行译码，如果所有原始输入的编码分组都被译出，则输出译出的原始输入的编码分组，否则将无法译出的编码分组发送给译码处理模块54；

具体的，所述接收译码模块53使用BP算法进行译码中，利用度为1的编码分组进行译码操作，如果数据包没有出现丢失，或者丢失数量很少的情况下，可以直接译出所有原始输入的编码分组。当没有度为1的编码分组，则无法继续进行译码处理，此时将无法译出的编码分组发送给译码处理模块54。

所述译码处理模块54，用于对无法进行译码的两个编码分组进行异或处理，并赋值给后一个编码分组，然后将处理后的编码分组发送给所述接收译码模块53继续进行译码。

具体的，所述处理具体是指，对接收到的两个编码分组进行异或处理并赋值给后一个编码分组，进而去掉冗余数据。具体包括图3和图4两种情况。

进一步的，图6为本发明对喷泉码中预译码集优化的系统详细结构示意图，如图6所述，所述处理发送模块52还包括：编码分组分析子模块61和编码分组替换子模块62，其中，

所述编码分组分析子模块61，用于在LT编码生成的前k个编码分组中寻找度为1的编码分组，并记录所找到编码分组的原始输入的编码分组，并且寻找度为2的编码分组，将结果发送给编码分组替换子模块62；

具体的，所述编码分组分析子模块61在LT编码生成的前k个编码分组中，寻找度为1的编码分组，并记录原始输入的编码分组A1、A2、A3、A4、A9......这些原始输入的编码分组的集合是集合1；在LT编码生成的前k个编码分组中，寻找度为2的编码分组，这些编码分组的集合是集合2。进一步的，所述编码分组分析子模块61完成的操作可以在接收到全部编码分组后进行，或者在LT码的编码过程中同步进行。相比较而言，在LT码的编码过程中同步进行，更符合实际操作，并且效率更高。

所述编码分组替换子模块62，用于随机抽取部分度为2的编码分组，用度为1的编码分组的原始输入的编码分组对所述抽取出的度为2的编码分组的一个原始输入的编码分组进行随机替换，得到最终的编码分组，并将最终的编码分组发送给接收译码模块53。

具体的，所述编码分组替换子模块62在集合2中随机抽取个数为k*P2个编码分组，其中，k是选择的编码分组个数；P2为根据译码所需预译码集大小设定的一个百分比，通过试验仿真可知，k设定为原始分组个数K和P2取0.05时，LT码的性能会比较好。然后将这些抽取出的度为2的编码分组中的一个原始输入的编码分组，随机替换为集合1中的原始输入的编码分组，得到最终的编码分组。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种对喷泉码中预译码集优化的方法，其特征在于，所述方法包括：

发送端在喷泉(LT)码生成的编码分组中，对度为2编码分组的原始输入的编码分组进行替换处理，并进行传输；

在接收端进行译码，如果所有原始输入的编码分组都被译出，则译码结束，否则接收端对无法进行译码的两个编码分组进行异或处理，并赋值给后一个编码分组，然后继续进行译码，直至译码结束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发送端在LT编码生成的编码分组之前，该方法还包括：

发送端在使用鲁棒孤波分布函数进行LT编码时，先对鲁棒孤波分布函数中度为1的编码分组的概率进行修改，改为

其中，K是原始分组个数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述对度为2编码分组的原始输入的编码分组进行替换处理的具体包括：

发送端在LT编码生成的前k个编码分组中，寻找度为1的编码分组，并记录所找到编码分组的原始输入的编码分组；

发送端在LT编码生成的前k个编码分组中，寻找度为2的编码分组；

其中，k是选择的编码分组个数；

随机抽取部分度为2的编码分组，用度为1的编码分组的原始输入的编码分组对所述抽取出的度为2的编码分组的一个原始输入的编码分组进行随机替换，得到最终的编码分组。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述随机抽取部分度为2的编码分组，具体包括：

在前k个编码分组中寻找到的度为2的编码分组集合中，随机抽取个数为k*P2个编码分组，其中，k是选择的编码分组个数；P2为根据译码所需预译码集大小设定的一个百分比。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述寻找度为1的编码分组，并记录所找到编码分组的原始输入的编码分组和所述寻找度为2的编码分组，具体在接收到全部编码分组后进行，或者在LT码的编码过程中同步进行。

6.一种对喷泉码中预译码集优化的系统，其特征在于，所述系统包括：LT编码模块、处理发送模块、接收译码模块和译码处理模块，其中，

所述LT编码模块，用于使用鲁棒孤波分布函数来进行LT编码，将编码分组发送给处理发送模块；

所述处理发送模块，用于在LT编码生成的前k个编码分组中，对度为2编码分组的原始输入的编码分组进行替换处理，并将处理后的数据发送给接收译码模块，其中，k是选择的编码分组个数；

所述接收译码模块，用于对接收到的编码分组进行译码，所有原始输入的编码分组都被译出时，输出译出的原始输入的编码分组；所有原始输入的编码分组未都被译出，将无法译出的编码分组发送给译码处理模块；

所述译码处理模块，用于对无法进行译码的两个编码分组进行异或处理，并赋值给后一个编码分组，然后将处理后的编码分组发送给所述接收译码模块继续进行译码。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述LT编码模块，具体用于在使用鲁棒孤波分布函数进行LT编码时，先对鲁棒孤波分布函数中度为1的编码分组的概率进行修改，改为

其中，K是原始分组个数。

8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述处理发送模块还包括：编码分组分析子模块和编码分组替换子模块，其中，

所述编码分组分析子模块，用于在LT编码生成的前k个编码分组中寻找度为1的编码分组，并记录所找到编码分组的原始输入的编码分组，并且寻找度为2的编码分组，将结果发送给编码分组替换子模块，其中，k是选择的编码分组个数；

所述编码分组替换子模块，用于随机抽取部分度为2的编码分组，用度为1的编码分组的原始输入的编码分组对所述抽取出的度为2的编码分组的一个原始输入的编码分组进行随机替换，得到最终的编码分组，并将最终的编码分组发送给接收译码模块。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述编码分组替换子模块，具体用于在度为2的编码分组的集合中，随机抽取个数为k*P2个编码分组，其中，k是选择的编码分组个数；P2为根据译码所需预译码集大小设定的一个百分比。

10.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述LT编码模块，具体用于在LT编码完成后，将编码分组发送给所述处理发送模块，或者在LT编码过程中，同步发送编码分组给所述处理发送模块。

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