CN107257244A - 一种基于广播环境下的喷泉码编码方法 - Google Patents

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CN107257244A
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fountain
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李宗艳
随秀玲
单宝玲
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China University of Mining and Technology CUMT
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M13/00—Coding, decoding or code conversion, for error detection or error correction; Coding theory basic assumptions; Coding bounds; Error probability evaluation methods; Channel models; Simulation or testing of codes
    • H03M13/37—Decoding methods or techniques, not specific to the particular type of coding provided for in groups H03M13/03 - H03M13/35
    • H03M13/3761—Decoding methods or techniques, not specific to the particular type of coding provided for in groups H03M13/03 - H03M13/35 using code combining, i.e. using combining of codeword portions which may have been transmitted separately, e.g. Digital Fountain codes, Raptor codes or Luby Transform [LT] codes

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Abstract

本发明提供一种基于广播环境下的喷泉码编码方法，属于通信技术领域。其包括以下步骤，步骤A：对待发送的信息比特进行分割，形成若干个原始信息分组；步骤B：对原始信息分组进行喷泉码编码，形成编码分组；步骤C：编码分组通过删除信道发送至接收端；步骤D：获得足够编码分组后进行喷泉译码，恢复全部原始信息分组。本发明针编码矩阵不满秩引起无法完全译码的问题，通过优化编码矩阵，针对性地解决了喷泉码在发送之前就无法译码的问题，提高了广播环境中的译码成功率。

Description

一种基于广播环境下的喷泉码编码方法
技术领域，
本发明涉及一种喷泉码编码方法，尤其涉及一种基于广播环境下的喷泉码编码方法，属于通信技术领域。
背景技术
基于TCP/IP协议的ARQ是基于反馈通道的传输机制，然而很多通信系统如广播系统并不存在反馈信道，并且广播环境具有多用户特性，这在资源有限的情况下是一种极大的浪费。构造适合广播环境，编译码复杂度较低，逼近香农极限的信道编码一直是广播环境下的一项重要研究内容。
喷泉码是一种基于删除信道的信道编码技术，主要用于保障传输的可靠性。传统的前向纠错技术是在经典的LDPC码和RS码基础上展开研究的，然而这两种码的应用都是基于固定的信道模型，在传输数据之前预先确定码长和码率等传输参数。发送端将要传送的信息数据分成特定长度的原始信息分组，根据度分布函数选出原始信息分组并对其进行异或操作来获得不定数量的编码分组。在经过信道传输后，接收端不需要考虑信道条件只要保证接收到足够数量的编码分组，就一定可以成功译码从而恢复要传送的原始信息。在这个过程中，接收端并不关心接收到的是编码分组中的哪些数据以及编码分组的顺序。喷泉编码的信息被分散在各个编码分组内，可通过后续信息分组的接收恢复原始信息而不需要频繁的重传和确认过程，且编译码复杂度较小，能够提高传输效率。同时，喷泉码具有能够以任意概率逼近香农极限的特点，有利于降低接收系统对于信噪比的要求。这些特点使得喷泉码作为一种前向纠错编码传输技术应用到广播环境中来。
喷泉码的编码算法非常简单，主要在于度分布的选择。度分布函数是指编码分组的度取某一数值所服从的概率分布函数。喷泉码的编码算法定义了一个连接原始信息分组和编码分组的二分图，一般情况下，可通过设计编码二分图来构造性能良好的喷泉码。喷泉码可以分为随机线性喷泉码、LT（Luby Transform）码和Raptor码。LT码是第一种具有实用性能的喷泉编码方案，以LT码的编译码方法为例：将要传送的信息等分成个原始信息分组（为了凑成等分，可把最后一个包补0凑成等分），再使用预先选择的度分布函数，随机地产生编码分组的度；在源信息符号构成的集合中，随机等概率地抽取个不同的源信息包；把抽取出来的个源信息包进行模二和运算，生成一个编码分组；不断重复以上步骤，直到编码完成。接收端只需要接收略多于K个编码就能够以不低于的概率恢复出源信息。（为不可恢复概率）。
LT码采用经典的置信传播译码算法（Belief Propagation，BP）。对于BP译码算法，接收端在接收到一定编码分组后尝试第一次译码。可用二分图表示原始信息分组和编码分组的连接关系：译码开始时，译码器首先找到输出可译集，此时可译集仅仅由度为1的编码分组组成。很明显，与度为1编码分组相连的原始信息分组可以直接译出，因为度为1编码分组的值和其对应的原始信息分组是相等的，此时输出可译集被直接译出，这些度为1的编码分组对应的原始信息组成输入可译集集合。然后，将恢复的原始信息分组和与其相连的编码分组进行异或产生新的度为1的编码分组，同时删除它们之间的连接边并不断重复以上步骤。若恢复了所有的原始信息分组则译码成功，否则译码失败。
编码矩阵中的每一个列向量都对应一个编码分组，然而并不是所有的原始信息分组都能被编码分组覆盖，因此发送端生成的编码矩阵具有一定概率的不可逆性，这在一定程度上增加了译码失败概率。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于广播环境下的喷泉码编码方法，通过优化编码矩阵使其在发送前满秩。
如果编码矩阵不满秩，那么即使接收到的编码分组数大于原始信息分组也无法完全恢复原始信息。为了减少成功译码所需要的编码分组数，提高原始信息的译码成功率，本文对编码矩阵进行优化。在发送之前，对编码矩阵进行预处理从而达到编码矩阵满秩的目的。
本发明的目的是这样实现的：
本发明是一种基于广播环境下的优化喷泉码编码方法，包括以下步骤：
步骤A：对待发送的信息比特进行分割，形成若干个原始信息分组；
步骤B：对原始信息分组进行喷泉码编码，包括如下步骤：
步骤B1：对根据原始信息分组和度分布函数生成的编码矩阵G进行满秩判断，其中G是由各编码分组构成的编码矩阵；
步骤B2：若编码矩阵G满秩，则编码发送；若不满秩则进行步骤B3；
步骤B3：在编码矩阵G后面增加一个大小为 K的单位矩阵，得到增广矩阵，将增广矩阵化简为最简形式，找出使增广矩阵满秩对应的列；
步骤B4：根据满秩矩阵进行编码生成编码分组；
步骤C：编码分组通过删除信道发送至接收端；
步骤D：获得足够编码分组后进行喷泉码译码，恢复全部原始信息分组。
优选地，在步骤B中，按照鲁棒孤波度分布均匀随机地选取若干个原始信息分组。
优选地，每一次编码发送的编码矩阵都是满秩的。
优选地，在步骤B中，所述编码通过编码器实现。
优选地，在步骤D中，所述译码通过译码器实现。
本发明是基于广播环境下的喷泉码编码方法应用于信道编码。本发明采用对初始生成的编码矩阵进行补充少量列向量使编码矩阵满秩，该算法在没有增加编码复杂度的情况下，仅仅对编码矩阵补充少量列向量，也就是增加少量编码包就降低了喷泉码译码失败概率。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：
相较于现有编码矩阵不满秩技术，本发明的基于广播环境下的喷泉码编译方法在保持原有低复杂度的前提下，改进了传统的编码方式，设计了编码矩阵满秩优化算法，解决了发送前无法译码的问题，增加了译码成功率。
附图说明
图1是本发明一种基于广播环境下的喷泉码编码方法的流程图；
图2是本发明一种基于广播环境下的喷泉码编码方法的优化算法与LT码的性能比较示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
请参阅图1，本发明提供了一种基于广播环境下的喷泉码编译方法，包括以下步骤：
步骤A：对待发送的信息比特进行分割，形成若干个原始信息分组。
步骤B：采用鲁棒孤波度分布均匀随机地选取若干个原始信息分组，通过编码器对原始信息分组进行编码。
具体地，该喷泉码编码过程包括步骤，
步骤B1：对根据原始信息分组和度分布函数生成的编码矩阵G进行满秩判断，其中G是由各编码分组构成的编码矩阵；
步骤B2：若编码矩阵G满秩，则编码发送；若不满秩则进行步骤B3；
步骤B3：在编码矩阵G后面增加一个大小为 K的单位矩阵，得到增广矩阵，将增广矩阵化简为最简形式，找出使增广矩阵满秩对应的列；
步骤B4：根据满秩矩阵进行编码生成编码分组。
因此，在完成步骤B时，每一次编码发送的编码矩阵G都是满秩的。
步骤C：编码分组通过删除信道发送至接收端。
步骤D：获得足够编码分组后通过译码器进行喷泉码译码，恢复全部原始信息分组。
图2是一种基于广播环境下的喷泉码编码方法的优化算法与LT码的性能比较示意图，随着接收编码包个数的增加，满秩编码矩阵优化算法对译码失败率的影响越来越小。因为当发送较多的编码包时，矩阵满秩的概率大大增加。因此，在发送较少编码时，满秩矩阵下LT码的译码失败率更低。满秩优化的编码矩阵通过解决发送前无法译码的问题，增加了译码成功率，因而降低了广播环境中信息无法被完全恢复的概率。
本文提出了一种基于广播环境下的喷泉码编码方法，主要是对编码矩阵进行满秩优化。其针对广播环境的特点，通过在编码发送前优化编码矩阵，使其满秩后再编码发送，减少了能量的消耗，降低了收端无法译码的概率。在降低译码失败概率的同时，减少了译码冗余开销，提高了数据传输的可靠性。该方法不仅适用于广播环境，也适用于其他应用环境中，如深空通信等。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于广播环境下的喷泉码编码方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：对待发送的信息比特进行分割，形成若干个原始信息分组；
步骤B：对原始信息分组进行编码，包括如下步骤：
步骤B1：对根据原始信息分组和度分布函数生成的编码矩阵G进行满秩判断，其中G是由各编码分组构成的编码矩阵；
步骤B2：若编码矩阵G满秩，则编码发送；若不满秩则进行步骤B3；
步骤B3：在编码矩阵G后面增加一个大小为K的单位矩阵，得到增广矩阵<math display = 'block'> <mrow> <mover> <mi>G</mi> <mo>:</mo> </mover> </mrow> </math>，将增广矩阵<math display = 'block'> <mrow> <mover> <mi>G</mi> <mo>:</mo> </mover> </mrow> </math>化简为最简形式，找出使增广矩阵<math display = 'block'> <mrow> <mover> <mi>G</mi> <mo>:</mo> </mover> </mrow> </math>满秩对应的列；
步骤B4：依据满秩矩阵进行编码生成编码分组；
步骤C：编码分组通过删除信道发送至接收端；
步骤D：获得足够编码分组后进行喷泉码译码，恢复全部原始信息分组。
2.根据权利要求1所述的基于广播环境下的喷泉码编码方法，其特征在于，在步骤B中，按照鲁棒孤波度分布均匀随机地选取若干个原始信息分组。
3.根据权利要求1所述的基于广播环境下的喷泉码编码方法，其特征在于，每一次编码发送的编码矩阵G都是满秩的。
4.根据权利要求1所述的基于广播环境下的喷泉码编码方法，其特征在于，在步骤B中，所述编码通过编码器实现。
5.根据权利1要求所述的基于广播环境下的喷泉码编码方法，其特征在于，在步骤D中，所述译码通过译码器实现。
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