CN102195743B - 动态实时喷泉码编码方案 - Google Patents

Abstract

本发明的动态实时喷泉码编码方法包括：在数据源(s)对K个原始符号通过喷泉码编码生成任意多个编码符号，通过具有丢包率(e)的数据链路(L)传输至客户端(C)，且客户端(C)需要通过解码恢复出所述K个原始符号的情况下；根据数据在所述数据源处产生的顺序，将所述K个原始符号分别编号为1:K，其中，当在准备生成第i个编码符号时所述数据源处已存在的原始符号的数量m_i有m_i＝K时，确定所述数据源处已存在完整的待编码数据分组，并采用与传统喷泉码一致的编码方式；当m_i＜K时，采用度选择策略以及符号选择策略，以使得在所述数据源处刚刚产生完毕K个原始符号的时刻已经完成的编码符号所实际实现的度频率分布逼近于传统LT码采用的度分布d(x)且每个所述原始符号被选择的频率也近似相等。

Description

动态实时喷泉码编码方案

技术领域

本发明涉及动态实时喷泉码编码方案，包括信道编码、可靠数据传输、前向纠错码、喷泉码。

背景技术

数据通过信道进行传输时，由于噪声、干扰的存在或信道本身的不稳定性，使得数据接收方接收到的数据有可能与数据发送方发出的原始数据不完全一致，即误码。在这种情况下，如果直接发送原始数据而不进行任何保护，数据接收方将无法获得原始数据的全部信息。为了弥补信道内在的误码特性，保证数据接收方能够通过接收到的数据完全正确地恢复原始数据，需要采用信道编码对数据进行保护。

喷泉码是一种用来解决数据在二进制删除信道中可靠传输问题的无比率前向纠错码。喷泉码以符号作为最小数据单元，K个原始符号构成一个数据分组，其中K称为分组长度。一个数据分组的K个原始符号经喷泉码编码可以生成无穷个编码符号，用以在信道中传输。对于理想喷泉码概念，任一数据接收者只需成功接收到任意K个相异的编码符号，即可成功解码恢复出整个数据分组。

LT码是第一个实用的对于理想喷泉码的近似。LT码的每个编码符号都是通过以下步骤生成的：首先根据度分布随机选取一个度d，然后在K个原始符号中随机选取d个，并将这d个原始符号进行按位异或运算生成编码符号。出于运算复杂度的考虑，LT码的解码方法常常采用置信传播迭代算法。Raptor码在LT码的基础上做了一定改进。在Raptor码中，首先对原始符号使用LDPC码进行预编码生成中间符号，再对中间符号应用LT码生成编码符号。

传统的喷泉码编码方案，无论是LT码还是Raptor码，都需要分组长度K较大时才能获得较好的性能，因此，在使用传统喷泉码进行编码时，往往要积攒一定数量的待编码数据后才开始进行编码。而在有些实际应用中，编码端的数据是随时间逐渐产生的，如本地实时生成，或以流的形式从网络中接收而得。在这些情形下，如果每次都等待生成整个待编码数据分组后，才开始进行喷泉码编码和数据发送，将会引入较大的延时。尤其对于独占信道，在这段等待时间内信道将会闲置，从而降低了信道利用率。

发明内容

针对传统喷泉码编码方案的缺陷，本发明提出一种动态实时喷泉码编码方案，其主要特点是可以在待编码数据产生的过程中实时地利用已有数据进行喷泉码编码，并通过设计合适的度选取策略以及符号选取策略，达到比传统喷泉码更优的延时性能。

根据本发明的一个方面，提供了一种动态实时喷泉码编码方法，其特征在于：

在数据源对K个原始符号通过喷泉码编码生成任意多个编码符号，通过具有丢包率(e)的数据链路传输至客户端，且客户端需要通过解码恢复出所述K个原始符号的情况下，

根据数据在所述数据源处产生的顺序，将所述K个原始符号分别编号为1:K，其中

当在准备生成第i个编码符号时所述数据源处已存在的原始符号的数量m_i有m_i＝K时，确定所述数据源处已存在完整的待编码数据分组，并采用与传统喷泉码一致的编码方式；

当m_i＜K时，采用度选择策略以及符号选择策略，以使得在所述数据源处刚刚产生完毕K个原始符号的时刻已经完成的编码符号所实际实现的度频率分布逼近于传统LT码采用的度分布d(x)且每个所述原始符号被选择的频率也近似相等。

根据本发明的一个进一步的方面，当m_i＜K时的所述度选取策略包括确定一个基于度的期望符号数C_d(x)，该期望符号数表述若此次选取的度为x₀，则至少需要总共生成C_d(x₀)个编码符号，才能使得实际实现的度频率分布中度x₀的频率等于所述传统LT码采用的度分布d(x)。

根据本发明的一个进一步的方面，所述动态实时喷泉码编码方法进一步包括选取

$\mathrm{deg}\left(i\right)=\arg \left[\underset{1\≤x\≤m_i}{\min }{C}_d\left(x\right)\right]$

作为当前编码所使用的度。

根据本发明的一个进一步的方面，所述基于度的期望符号数数C_d(x)具有诸如下式的形式

$C_d\left(x\right)=\frac{n_d\left(x\right)+1}{d\left(x\right)},x=\mathrm{1,2},K,m_i$

其中n_d(x)表示在已经生成的编码符号中，每个度被选择的次数，且x＝1，2，K，m_i。

根据本发明的一个进一步的方面，所述动态实时喷泉码编码方法当m_i＜K时的所述符号选取策略包括：使得每个原始符号以近似相等的频率被选取。

根据本发明的一个进一步的方面所述使得每个原始符号以近似相等的频率被选取的处理包括：

当此次使用的度为deg(i)时，选取{n_s(x)，x＝1，2，K，m_i}中最小的deg(i)个值所对应的原始符号，作为此次生成编码符号所使用的原始符号，其中用n_s(x)表示在已经生成的编码符号中每个原始符号被选择的次数。

附图说明

图1显示了根据本发明的一个实施例的应用场景。

图2显示了根据本发明的一个实施例的编码方案的设计流程。

图3显示了根据本发明的一个实施例的动态实时喷泉码编码方案与传统LT编码的延时性能比较。

图4显示了不同的丢包率下，对于动态实时喷泉码编码方案和传统LT编码，客户端处已解码恢复的原始符号数量与时间的关系。

具体实施方式

针对传统喷泉码编码方案的缺陷，本发明提出一种动态实时喷泉码编码方法，其主要特点是可以在待编码数据产生的过程中实时地利用已有数据进行喷泉码编码，并通过设计合适的度选取策略以及符号选取策略，达到比传统喷泉码更优的延时性能。

场景描述

设有数据源S，客户端C，S与C之间存在数据链路L。S需要将一定量的数据通过L传输至C，并使用喷泉码作为信道编码。S处的数据是随时间逐渐产生的，如本地实时生成，或以流的形式从网络中接收而得。喷泉码的原始符号与编码符号大小均为B，P个编码符号组成一个数据包，即每个数据包的大小为P×B。L对于大小为P×B的数据包的丢包率为e。喷泉码的分组长度为K，S需要传输的数据量为N个喷泉码数据分组。整个应用场景如图1所示。

方案设计

根据本发明的一个实施例，考虑一个喷泉码数据分组，S对K个原始符号通过喷泉码编码生成任意多个编码符号，通过丢包率为e的L传输至C，C需要通过解码恢复出K个原始符号。用d(x)表示传统LT码采用的度分布，即可靠孤波分布，其中x＝1，2，K，K。

根据数据在S处产生的顺序，将K个原始符号分别编号为1:K。m_i表示在准备生成第i个编码符号时，S处已存在的原始符号数量。当m_i＝K时，表示S处已存在完整的待编码数据分组，此时采用与传统喷泉码一致的编码方式；当m_i＜K时，采用本发明的度选择策略以及符号选择策略，其设计目标是使得在S处刚刚产生完毕K个原始符号的时刻，已经完成的编码符号所实际实现的度频率分布逼近于d(x)，每个原始符号被选择的频率也近似相等。下面介绍m_i＜K时的度选取策略以及符号选取策略。

●m_i＜K时的度选取策略

用n_d(x)表示在已经生成的编码符号中，每个度被选择的次数，其中x＝1，2，K，m_i。C_d(x)称为基于度的期望符号数，由下式计算而得

$C_d\left(x\right)=\frac{n_d\left(x\right)+1}{d\left(x\right)},x=\mathrm{1,2},K,m_i$

C_d(x)的意义是，若此次选取的度为x₀，那么至少需要总共生成C_d(x₀)个编码符号，才能使得实际实现的度频率分布中度x₀的频率等于d(x₀)。因此C_d(x)越小，表示此时度x的频率与d(x)差距越大。因此，选取

$\mathrm{deg}\left(i\right)=\arg \left[\underset{1\≤x\≤m_i}{\min }{C}_d\left(x\right)\right]$

作为此次使用的度。

●m_i＜K时的符号选取策略

用n_s(x)表示在已经生成的编码符号中，每个原始符号被选择的次数。由于目标是使得每个原始符号以近似相等的频率被选取，因此若此次使用的度为deg(i)，只需选取{n_s(x)，x＝1，2，K，m_i}中最小的deg(i)个值所对应的原始符号，作为此次生成编码符号所使用的原始符号。

除上述度选取策略以及符号选取策略的改进之外，本专利提出的动态实时喷泉码编码方案的其他方面，如由原始符号生成编码符号的计算方法，以及喷泉码解码方法，与传统LT码均一致。整个编码方案的流程如图2所示。

本节中通过仿真实验的方式，给出了本专利提出的动态实时喷泉码编码方案的一种具体实施方式，并将其延时性能与传统LT编码进行比较。其中，延时定义为从S开始生成待编码数据开始，到C成功解码恢复出全部数据为止，所需的时间。在本例中，假设S以恒定的编码间隔进行编码，因此，延时用编码间隔的倍数表示。对于动态实时喷泉码编码方案，延时即为C成功解码恢复出全部数据前，S共发送的编码符号数；对于传统LT编码，延时还包括S处等待生成整个待编码数据分组，即K个原始符号所花费的时间。忽略链路L的传输延时以及喷泉码编解码本身耗费的时间。

仿真实验中各变量设置如下。喷泉码的原始符号与编码符号大小B＝1字节，每个数据包包含的编号符号数P＝1。链路L的丢包率从0％～90％依次变化。喷泉码的分组长度K＝5000，S需要传输的喷泉码数据分组数N＝1。

动态实时喷泉码编码方案与传统LT编码的延时性能如图3所示。其中，延时对喷泉码分组长度K作了归一化。从图3中可以看出，在各种丢包率下，动态实时喷泉码编码方案都具有比传统LT编码更小的延时。随着丢包率的增加，二者变得越来越接近，这是由于丢包率越高，在S处产生完整的待编码分组之前生成的编码符号中能够由S通过L成功传输至C的越少，动态实时喷泉码编码方案与传统LT编码的差异性就越小。

表1给出了不同的丢包率下，动态实时喷泉码编码方案的延时性能，相对于传统LT编码的改善程度。

丢包率

0％

10％

20％

30％

40％

50％

60％

70％

80％

90％

改善程度

51.4％

38.9％

37.2％

35.0％

33.0％

29.9％

26.3％

20.9％

16.6％

8.9％

表1  动态实时喷泉码编码方案的延时性能相对于传统LT编码的改善程度

图4给出了不同的丢包率下，对于动态实时喷泉码编码方案和传统LT编码，C处已解码恢复的原始符号数量与时间的关系，其中时间用编码间隔的倍数表示，并且时间和已解码恢复的原始符号数量都对喷泉码分组长度K作了归一化。

Claims (5)

1.一种动态实时喷泉码编码方法，其特征在于：

在数据源（s）对K个原始符号通过喷泉码编码生成任意多个编码符号，通过具有丢包率（e）的数据链路（L）传输至客户端（C），且客户端（C）需要通过解码恢复出所述K个原始符号的情况下，

根据数据在所述数据源处产生的顺序，将所述K个原始符号分别编号为1～K，其中

当在准备生成第i个编码符号时所述数据源处已存在的原始符号的数量m_i有m_i=K时，确定所述数据源处已存在完整的待编码数据分组，并采用与传统喷泉码一致的编码方式；

当m_i<K时，采用度选择策略以及符号选择策略，以使得在所述数据源处刚刚产生完毕K个原始符号的时刻已经完成的编码符号所实际实现的度频率分布逼近于传统LT码采用的度分布d(x)且每个所述原始符号被选择的频率也近似相等，

当m_i<K时的所述度选择策略包括：确定一个基于度的期望符号数C_d(x)，该期望符号数表述若此次选取的度为x₀，则至少需要总共生成C_d(x₀)个编码符号，才能使得实际实现的度频率分布中度x₀的频率等于所述传统LT码采用的度分布d(x₀)。

2.根据权利要求1所述的动态实时喷泉码编码方法，其特征在于进一步包括选取

$\mathrm{deg}\left(i\right)=\arg \left[\underset{1\&le;x\&le;m_i}{\min }{C}_d\left(x\right)\right]$

作为当前编码所使用的度。

3.根据权利要求1所述的动态实时喷泉码编码方法，其特征在于所述基于度的期望符号数C_d(x)具有下式的形式

$C_d\left(x\right)=\frac{n_d\left(x\right)+1}{d\left(x\right)},x=\mathrm{1,2},...,m_i$

其中n_d(x)表示在已经生成的编码符号中，每个度被选择的次数，且x=1,2,…,m_i。

4.根据权利要求2所述的动态实时喷泉码编码方法，其特征在于当m_i<K时的所述符号选择策略包括：使得每个原始符号以近似相等的频率被选取。

5.根据权利要求4所述的动态实时喷泉码编码方法，其特征在于所述使得每个原始符号以近似相等的频率被选取的处理包括：

当此次使用的度为deg(i)时，选取{n_s(x),x=1,2,…,m_i}中最小的deg(i)个值所对应的原始符号，作为此次生成编码符号所使用的原始符号，其中用n_s(x)表示在已经生成的编码符号中每个原始符号被选择的次数。

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