CN102148665B - 一种lt码的译码方法 - Google Patents

Abstract

该发明属于通信传输技术领域中的LT码的译码方法。包括：信号接收及常规处理，帧的检测处理，译码处理及其接收编码帧并译出所有原始帧，以及译码结果的处理。该发明由于无需对系统发射机做任何改动，仅需要对接收机的译码方法进行改进的情况下，充分利用了接收到的错误帧，通过比特翻转方法找到出错位置、并将其纠正得到正确的帧，而不是把他们丢弃掉，从而有效地提高纠错能力。因而，该发明与传统LT码的译码方法相比具有信道传输中对错误帧进行纠正的能力强，信道传输差错率低，系统传输的可靠性高，有效提高了系统传输的容量、效率和通信质量等特点。

Description

一种LT码的译码方法

技术领域

本发明属于通信领域中的数据(信息)传输技术，特别是一种采用LT码为降低信道传输差错率的信道译码方法。

背景技术

在数据通信中，信号经常会由于受到噪声、衰落或其他原因的影响产生错误，为了确保通信质量和效率，必须对这些错误进行控制和纠正，常见的差错控制技术主要包括前向纠错(FEC)与反馈重传(ARQ)等技术。前向纠错是一种非常有效的方法，常见的前向纠错码、即信道编码，有里德-所罗门(Reed-Solomon)码、卷积码、turbo码以及低密度奇偶校验码(LDPC)等。前向纠错码、特别是近期快速发展的turbo码与LDPC码，其特点是单向传输、不需反馈，能根据码的规律性自动纠正错误，纠错迅速，纠错能力非常强；但前向纠错码的编、译码结构复杂，效率低，一般仅用在通信物理层作为帧内的比特级纠错。

由于仅采用前向纠错码难以保证经过译码后帧的正确性，因而一般在通信系统的上层还要采用帧级别的纠错技术以进一步提高传输的可靠性，而其中最常见的也是最简单的帧级别纠错技术就是ARQ技术。该技术的特点是结构简单，但需要反馈信道。而近期开发出的另外一类基于帧级别的被称为“无速率”码及网络编码的通信技术；其中，常见的无速率码有LT码、Raptor码以及二进制确定无速率码等，此类无速率码的特点就是“无速率”性，当使用无速率码作为差错控制时，发射端不断地发送帧级别的经过编码后的帧，接收端则对收到的帧进行译码，当接收端收到足够多的帧后，就能完全恢复出原信息帧，然后再反馈一个终止信号给发射端，发射端就停止继续发送；整个传输过程，接收端不像ARQ技术那样要经常反馈信息给发射端，除了终止信号，不需要再向发射端反馈其他的信息，比如信息包的丢包情况。

作为无速率码的代表，LT码是基于伪随机方法编码的，即：事先设定好一个概率分布、即度分布，其中的度是指参与一个编码帧编码的原始帧数目，根据此分布随机的选择某个确定数，然后从所有的原始帧中随机选择此数目的原始帧，并对这些帧进行异或处理，这样就得到一个编码帧，这些原始帧称为此编码帧的校验帧，重复进行，直到得到所有的编码帧。

在“M.Luby，《LT-codes(LT码)》in Proceedings of the 43rd Annual IEEE Symposium on theFoundations of Computer Science(STOC)，pp.271-280，2002”文献中公开了一种LT码的常规译码方法，其译码过程如下：接收机将收到的信号经过常规的解调、解交织处理后，进行帧检测，将帧检测结果为错误的编码帧丢弃掉，而将帧检测正确的编码帧送入译码模块进行译码处理：对于度为1即只有一个原始帧参与编码的编码帧，其原始帧的值等于该编码帧，这样恢复出一个原始帧，接着将该原始帧与有此原始帧参与编码的编码帧进行异或处理，得到这些编码帧的更新值，将这些编码帧的度减1；重复以上操作直到无法找到度为1的编码帧，则译码结束。从上述译码过程可看出，常规LT码译码方法是针对帧检测正确的编码帧进行译码，而将错误的编码帧直接丢弃掉。而实际上，被丢弃的帧中大部分错误帧错误的比特数非常少，如果能在接收端通过有针对性的技术处理、即将错误的具体位置找出并纠正，使其成为正确帧，从而就可有效地提高信道的传输能力，包括传输的可靠性以及传输的效率。因而，常规LT码译码方法存在对接收到的帧信息利用不足，不能对错误帧进行纠正，信道传输的差错率较高、传输效率低等缺陷。

发明内容

本发明的目的是在背景技术上，改进设计一种LT码的译码方法，以提高信道传输中对错误帧进行纠正的能力，降低信道传输差错率，确保系统传输的可靠性，有效提升系统传输的容量、传输的效率和通信质量等目的。

本发明的解决方案是从帧级别的译码角度出发。其基本译码过程如下：当收到的编码帧数目达到原始帧的数目后，首先按常规的LT译码方法进行译码，若成功译出全部的原始帧，就向发射机发送确认信号；若未能译出全部的原始帧，则根据常规的LT译码方法找出所有原始帧与编码帧的对应关系，若未能找齐(全)对应关系，则继续接收编码帧，直到找出所有原始帧与编码帧的对应关系止，若能译出所有原始帧、则向发射机发送确认信号；否则继续接收编码帧，并找出该编码帧同系统编码帧(即已经与原始帧有线性关系的编码帧)之间的线性关系，然后利用该线性关系式对此次接收的编码帧与有线性关系的系统编码帧两者进行异或处理，得到一个错误指示序列，然后利用该错误指示序列进行比特翻转处理，之后再采用常规LT译码方法进行译码，若能译出所有原始帧，则向发射机反馈确认信号；否则接收下一编码帧，直到译出所有原始帧，并向发射机反馈确认信号后\送入接收机信宿。

因此，本发明方法包括：

步骤1.信号接收及常规处理：接收机收到发射机发出的采用常规LT编码的信号后，经解调、解交织处理后，送入下一步骤；

步骤2.帧的检测处理：对经步骤1解调、解交织处理后的信号进行帧检测，每收到一个由发射机发出的编码帧，去掉其帧号后、按照原帧号的顺序将该编码帧保存在编码帧存储器中，然后根据帧校验序列检测该帧的对与错，并按照原帧号顺序将结果保存在帧质量缓存器中，若收到的编码帧数目达到原始帧数目时，转步骤3；

步骤3.译码处理：对经步骤2处理后、达到原始帧数目的编码帧按常规的LT译码方法进行译码，若译码成功，则转步骤4、并向发射机反馈确认信号；若未能译出全部的原始帧或在原始帧中还存在没找到(与之)有线性关系的编码帧的原始帧，则转步骤3_a处理；

步骤3_a.继续接收编码帧、译码：继续接收编码帧、并根据常规的LT译码方法找出所有与原始帧存在线性关系的编码帧、即系统编码帧，并对其进行检测，此时、若全部系统编码帧经检测都正确，则译码得出所有原始帧后转步骤4、同时向发射机反馈确认信号；若系统编码帧经检测有错，则转步骤3_b处理；

步骤3_b.继续接收编码帧并译出所有原始帧：继续接收编码帧、找出与该编码帧对应的系统编码帧之间的线性关系，并将两者(即该编码帧及与有线性关系的系统编码帧)进行异或处理，以得到一个错误指示序列，然后依次对有错误的(当前接收的)编码帧与对应系统编码帧的错误指示序列中指示为错误的位置、进行比特翻转处理，并将处理结果保存在帧质量缓存器中；接着对所有正确编码帧根据常规LT译码方法进行译码，若能译出所有原始帧，则转步骤4、同时向发射机反馈确认信号；否则继续接收下一编码帧，直到正确译出所有原始帧、再转步骤4处理；

步骤4.译码结果的处理：将以上步骤译码成功后转入的全部原始帧送入接收机信宿。

在步骤3_b中所述所接收的编码帧与有线性关系的系统编码帧之间的线性关系，是通过先找出所接收的编码帧与原始帧之间的线性关系，找出的原始帧与系统编码帧之间的线性关系，进而找出接收的编码帧与系统编码帧之间的线性关系。

在步骤3_b中，所述的错误指示序列中指示为错误的位置是指所接收的编码帧与有线性关系的系统编码帧进行异或处理后不为零的位置。

在步骤3_b中，所述的比特翻转处理是指：对每一个错误编码帧中错误指示序列值为“1”的位置进行比特翻转处理、处理后再检测所接收编码帧的对与错，处理过程一直重复到该编码帧正确或者翻转次数达到设定的上限；每次翻转比特的数目按照从小到大递增的方式进行，最小为1个，最大比特翻转数目为5～8个。

所述翻转次数达到设定的上限，即：当错误指示序列中“1”的个数为d、当前翻转的比特数为v、而翻转v个比特需要的翻转次数为

则处理每一个编码帧翻转的上限次数为：

${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^W{C}_d^i$

其中：

表示从d中任取v的组合数，W为最大比特翻转数目，而且W≤d。

本发明是在无需对系统发射机做任何改动，而仅需要对接收机的译码方法进行改进的情况下，充分利用了接收到的错误帧，通过比特翻转方法找到出错位置，并纠正得到正确的帧，而不是把他们丢弃掉，从而有效地提高纠错能力。因而，本发明与传统LT码的译码方法相比具有信道传输中对错误帧进行纠正的能力强，信道传输差错率低，系统传输的可靠性高，有效提高了系统传输的容量、传输的效率和通信质量等特点。

具体实施方式：

发射机按以下的常规方法发出信号：

步骤A.组帧：将信号源输入发出的长度为20000比特的原始数据送入组帧处理模块、进行组帧，组成200个每个长度为100的原始帧S_i，i＝1，2，...，200，组帧处理后转步骤B；

步骤B.常规LT编码处理：将步骤A送来的原始帧进行常规LT编码处理，即首先根据常规的LT码构造方法产生一个度分布，根据度分布的得到一个长为200的原始帧索引序列，根据此序列对原始帧进行帧异或处理，得到一个编码帧R_j，编码过程可用下式来表示，

$R_j={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{M_j}{S}_{j_i}\mathrm{mod}2$ 公式(1)

其中，M_j为常规LT码编码产生R_j的度分布中原始帧参与的个数，然后将编码帧送至步骤C；

步骤C.加入帧校验序列：将步骤B送来的编码帧加入16比特的循环冗余编码(CRC)序列，然后将加了帧校验序列的编码帧送至步骤D；

步骤D.加入帧识别号：将步骤C送来的编码帧进行加帧识别号处理，即在每一个帧中，增加一个唯一识别该帧的帧号，然后步骤E；

步骤E.信号处理及发送：经加帧识别号处理后的编码帧被送入常规信号处理模块，进行交织、调制处理后，送至信道发送；以上从步骤B到步骤E的过程循环进行，直至收到从接收端(机)反馈回来的确认信号为止；

本实施方式接收机处理步骤为：

步骤1.信号接收及常规处理：接收机收到发射机发出的采用常规LT编码的信号后，经解调、解交织处理后，送入步骤2；

步骤2.帧的检测处理：对经步骤2解调、解交织处理后的信号进行帧检测，每收到一个由发射机发出的编码帧，去掉其帧号后、按照原帧号的顺序将该编码帧保存在存储器中，然后根据帧校验序列检测该帧的对与错，并按照原帧号顺序将结果保存在帧质量缓存器中，至收到编码帧的数目达到原始帧的数目200时、转步骤3；

步骤3.译码处理：对经步骤2处理后的200个编码帧、首先按常规的LT译码方法进行译码，若译码成功，则转步骤4、并向发射机反馈确认信号；若未能译出全部的原始帧则转步骤3_a处理；

步骤3_a.继续接收编码帧、译码：继续接收编码帧、并根据常规的LT译码方法找出所有与原始帧存在线性关系的编码帧、即系统编码帧，用R_s，j来表示，这样，原始帧与系统编码帧之间的线性关系用下式来表示

$S_i={\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_i}{R}_{{s,i}_j}\mathrm{mod}2$ 公式(2)

其中，N_i为S_i对应的系统编码帧参与的个数；并对系统编码帧进行检测，此时、若全部系统编码帧经检测都正确，则译码得出所有原始帧后转步骤4、同时向发射机反馈确认信号；否则，转步骤3_b处理；

步骤3_b.继续接收编码帧并译出所有原始帧：继续接收编码帧R_r，t，根据公式(1)发射机编码关系有，

$R_{r,t}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{M_t}{S}_{t_i}\mathrm{mod}2$ 公式(3)

将公式(2)代入公式(3)可得，

$R_{r,t}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{P_t}{R}_{{s,t}_i}\mathrm{mod}2$ 公式(4)

其中，P_t为R_r，t对应的系统编码帧参与的个数；这样就找出了该编码帧与系统编码帧之间的线性关系，并将该编码帧与对应的有线性关系的系统编码帧、进行异或处理，得到一个错误指示序列，该错误指示序列中的错误个数为7个，然后依次对有错误的(当前接收的)编码帧和对应的错误系统编码帧中的错误指示序列中7个错误的位置进行比特翻转处理、本实施方式比特翻转个数最大为7个，而所对应的每一个编码帧翻转的上限次数则为128次；并将处理结果保存在帧质量缓存器中，接着对所有正确帧根据常规LT译码方法进行译码，若能译出所有原始帧，则转步骤4，否则接收下一编码帧，直到正确译码出所有原始帧，再转步骤4处理；

步骤4.译码结果处理：将译码得到的200个原始帧送至接收机信宿。

Claims (5)

1.一种LT码的译码方法，包括：

步骤1.信号接收及常规处理：接收机收到发射机发出的采用常规LT编码的信号后，经解调、解交织处理后，送入下一步骤；

步骤2.帧的检测处理：对经步骤1解调、解交织处理后的信号进行帧检测，每收到一个由发射机发出的编码帧，去掉帧号后、按照原帧号的顺序将该编码帧保存在编码帧存储器中，然后根据帧校验序列检测该帧的对与错，并按照原帧号顺序将结果保存在帧质量缓存器中，若收到的编码帧数目达到原始帧数目时，转步骤3；

步骤3.译码处理：对经步骤2处理后、达到原始帧数目的编码帧按常规的LT译码方法进行译码，若译码成功，则转步骤4、并向发射机反馈确认信号；若未能译出全部的原始帧或在原始帧中还存在没找到有线性关系的编码帧的原始帧，则转步骤3_a处理；

步骤3_a.继续接收编码帧、译码：继续接收编码帧、并根据常规的LT译码方法找出所有与原始帧存在线性关系的编码帧、即系统编码帧，并对其进行检测，此时、若全部系统编码帧经检测都正确，则译码得出所有原始帧后转步骤4、同时向发射机反馈确认信号；若系统编码帧经检测有错，则转步骤3_b处理；

步骤3_b.继续接收编码帧并译出所有原始帧：继续接收编码帧、找出与该编码帧对应的系统编码帧之间的线性关系，并将两者进行异或处理，以得到一个错误指示序列，然后依次对有错误的编码帧与对应系统编码帧的错误指示序列中指示为错误的位置、进行比特翻转处理，即对每一个错误编码帧中错误指示序列值为“1”的位置进行比特翻转处理、处理后再检测所接收编码帧的对与错，处理过程一直重复到该编码帧正确或者翻转次数达到设定的上限，并将处理结果保存在帧质量缓存器中；接着对所有正确编码帧根据常规LT译码方法进行译码，若能译出所有原始帧，则转步骤4、同时向发射机反馈确认信号；否则继续接收下一编码帧，直到正确译出所有原始帧、再转步骤4处理；

步骤4.译码结果的处理：将以上步骤译码成功后转入的全部原始帧送入接收机信宿。

2.按权利要求1所述LT码的译码方法，其特征在于在步骤3_b中所述接收的编码帧与有线性关系的系统编码帧之间的线性关系，是通过先找出所接收的编码帧与原始帧之间的线性关系，找出的原始帧与系统编码帧之间的线性关系，进而找出接收的编码帧与系统编码帧之间的线性关系。

3.按权利要求1所述LT码的译码方法，其特征在于在步骤3_b中所述的错误指示序列中指示为错误的位置，是指所接收的编码帧与有线性关系的系统编码帧进行异或处理后不为零的位置。

4.按权利要求1所述LT码的译码方法，其特征在于在步骤3_b中所述的比特翻转处理，每次翻转比特的数目按照从小到大递增的方式进行，最小为1个，最大比特翻转数目为5~8个。

5.按权利要求4所述LT码的译码方法，其特征在于所述翻转次数达到设定的上限，即：当错误指示序列中“1”的个数为d、当前翻转的比特数为v、而翻转v个比特需要的翻转次数为

则处理每一个编码帧翻转的上限次数为：

其中：

表示从d中任取v的组合数，W为最大比特翻转数目、且W≤d。