CN102227103B - 一种基于不等差错保护喷泉码的信道编码传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于不等差错保护喷泉码的信道编码传输方法，包括：将信源按重要性分为等级；按照扩展因子对各r层数据进行虚拟扩展；将得到的虚拟扩展层数据，分别划入各窗中；对窗数据使用与或树算法进行渐进分析；根据鲁棒孤波度分布进行LT编码和索引替换；得到编码码字；传输；译码。本发明既能够对重要性数据的加强保护，同时又不减弱各级次重要性数据的保护，从而保证数据的可靠传输。

Description

一种基于不等差错保护喷泉码的信道编码传输方法

技术领域

本发明涉及喷泉码和信道编码方法，属于通信领域。

背景技术

近几年来，数字喷泉码以其无固定码率，能够适应更多的信道，而且编解码均采用线性运算，运算复杂度较低，作为一种前向纠错码，数字喷泉码无需反馈的特性吸引了越来越多的关注。M.Luby于1998年提出了喷泉码的概念，并于2002年提出了第一种高效现实可行的喷泉码——LT码。其后，Shokrollahi等人针对喷泉码编译码耗时性能进一步改进，提出了一种新型喷泉码Raptor码。

喷泉码被广泛用互联网，无线网，移动网及卫星网上提供进行文件，数据，多媒体传输。原始的喷泉码是均等保护，在某些情况中，例如视频传输中，一部分比较重要，需要加强保护，即添加更多的保护信息，要求信道编码提供不等差错保护功能。现有的具有不等差错保护特性的喷泉码，例如Nazanin Rahnavard提出的基于一种基于LT码的UEP方案和D.Sejdinovic提出的扩展窗喷泉码（EWF,Expanding Window Fountain）。这两种方案能够加强对重要性数据的保护，但是大幅减弱了对次重要性数据的保护。因此需要寻找有一种有效的，可靠的编码方式，用以确保既能够对重要性数据的加强保护，又不减弱次重要性数据的保护，从而用于视频，图像，数据等方面的可靠传输。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有不等差错保护传输特性的信道编码传输方法，本发明既能够对重要性数据的加强保护，同时又不减弱各级次重要性数据的保护，从而保证数据的可靠传输，可以适用所有有线或无线通信环境，可用于所有需要不等差错保护的通信系统。

一种基于不等差错保护喷泉码的信道编码传输方法，包括以下几个方面：

（1）将信源K个数据，按重要性分为r个重要性等级，即s₁,s₂,...,s_r-1,s_r，其中第i层的数据长度k_i＝a_i·K，a_i代表第i层数据占原始信源数据的比重，

（2）对经（1）得到的r层数据的每一层都进行虚拟扩展，设第i层对应扩展因子RF_i，其中RF₁＞RF₂...＞RF_i＞...＞RF_r，得到虚拟扩展层数据：s′₁,s′₂,...,s′_r-1,s′_r,其中，第i层虚拟扩展数据长度为k′_i＝k_i·RF_i，第i层虚拟扩展数据比重 $a_i^{\′}=\frac{k_i\·{\mathrm{RF}}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^r{k}_i\·{\mathrm{RF}}_i}=\frac{a_i\·{\mathrm{RF}}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^r{a}_i\·{\mathrm{RF}}_i},$ $\underset{i=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^{\′}=1,$ i∈(1,r)，虚拟扩展层数据总和 $K^{\′}=\underset{i=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i^{\′};$

(3)将经(2)得到的虚拟扩展层数据s′₁，s′₂，...，s′_r-1，s′_r，分别划入r个窗中，即第一个窗w₁＝s′₁，第二个窗w₂＝s′₁+s′₂，第i个窗

i∈（1，r），w_i的虚拟总数据为 $K_i=\underset{l=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{k}_l\·{\mathrm{RF}}_l;$

（4）对窗w₁,w₂,...,w_i,...,w_r分别采用鲁棒孤波度分布Ω⁽¹⁾,Ω⁽²⁾,...，Ω⁽ⁱ⁾，...，Ω^(r)，根据r层虚拟扩展层数据占总数据的比重，使用与或树算法进行渐进分析，设定r个窗的选择概率，设第i窗w_i的选择概率Γ_i，

（5）选取第i窗w_i的鲁棒孤波度分布Ω⁽ⁱ⁾(k,c,δ)，其中增大到其中i∈(1，r)；

（6）进行LT编码，索引替换：首先随机生成一个数ξ，ξ∈[0,1]，当

时，即选择第i个窗，i∈(1，r)，由度分布Ω⁽ⁱ⁾产生度d_i，从w_i虚拟数据中随机选择d_i个数据，j代表w_i虚拟数据

中的索引，

m代表原始

的索引

通过下列公式的转换，由j得到索引m，式中，mod为取模运算，

（7）对索引替换得到d_i个数据符号进行异或操作，得到编码码字，重复第6步，直至得到所需的编码码字；

（8）将进过信道编码的数据通过有线或无线形式进行传输；

（9）设ε为译码开销，接收端接收数据时，在判断接收到的数据数目大于(1+ε)·K时，对接收到的编码码字，进行置信传播译码。

作为优选实施方式，上述信道编码传输方法，译码开销ε＞0.15。

本发明能够根据数据的重要性进行不等差错保护，使重要的数据得到更多的保护，从而提高了传输的可靠性。在确保对重要性数据加强保护的同时，通过适当增加译码开销，大幅提高各级次重要性数据的抗误码特性。由于本发明是以软件方式现实，速度非常快，且是前向纠错码，没有了TCP的网络时延影响吞吐量，适用于互联网，无线网，移动网及卫星网通信，同时本发明具有喷泉码不固定码流特性，适用于多播、组播等传输方式，又因能提供不等差错保护特性，特别适用于数据，多媒体等需要不等差错保护的传输系统中。

附图说明

图1本发明发送端信道编码框图。

图2划分两个窗时发送端信道编码流程图。

图3接收端信道译码流程图。

图4本发明与扩展窗喷泉码的误码率性能比较示意图。

具体实施方式

本发明提出一种新的信道编码方法，利用扩展因子，虚拟增加度分布大小，再采用EWF（Expanding Window Fountain）码，结合分窗技术，实现不等差错保护，对比其余的喷泉码，所提出发明具有明显的不等差错保护以及抗误码特性。本发明分为信道编码、传输、信道译码三部分。本发明采用的编码技术如下：

1)信道编码：

1.如图1所示，将信源K个数据，按重要性分为r个重要性等级，即s₁,s₂,...，s_r-1，s_r，其中第i层的数据长度为k_i＝a_i·K，a_i代表第i层数据占原始信源数据的比重，

i∈(1,r)；

2.对经（1）得到的r层数据，对每层都进行虚拟扩展，第i层对应扩展因子RF_i，其中RF₁＞RF₂…＞RF_i＞…＞RF_r，得到虚拟扩展层数据：s′₁，s′₂，...，s′_r-1，s′_r，其中，第i层虚拟扩展数据长度为k_i′＝k_i·RF_i，第i层虚拟扩展数据比重，

i∈(1,r)，虚拟扩展层数据总和

3.将经（2）得到的虚拟扩展层数据，s′₁,s′₂,...，s′_r-1，s′_r，划入r个窗中，即第一个窗w₁＝s′₁，第二个窗w₂＝s′₁+′s，第i个窗

w_i的虚拟总数据为 $K_i=\underset{l=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{k}_l\·{\mathrm{RF}}_l.$

4.对w₁,w₂,...，w_i，...W_r分别采用鲁棒孤波度分布函数Ω⁽¹⁾,Ω⁽²⁾,...,Ω⁽ⁱ⁾,...,Ω^(r),根据r层虚拟扩展层数据占总数据的比重，使用与或树算法进行渐进分析，选择r个窗的选择概率，设第i窗w_i的选择概率Γ_i，

5.将第i窗w_i的度分布Ω⁽ⁱ⁾(k,c,δ)，其中

增大到

其中i∈(1，r)。

6.进行LT编码，索引替换：随机生成一个数ξ，其中ξ∈[0,1]。当

时，即选择第i个窗，i∈(1，r)，由度分布Ω⁽ⁱ⁾产生度d_i，从w_i虚拟数据中随机选择d_i个数据。j代表w_i虚拟数据

中的索引，

m代表原始

的索引

通过下列转换，由j得到索引m：

对索引替换得到d_i个数据符号进行异或操作，得到编码码字，重复第6步，直至得到足够的编码码字。

下面对信道编码和传输例举两个重要性等级r=2的情况进行说明，详细流程见图2。

1)将信源K个数据，按重要性分为2个重要性等级，即s₁,s₂，设s₁为最重要部分MIB,s₂为最不重要部分LIB,a₁,a₂分别为s₁,s₂占总数据比重，s₁,s₂对应数据长度分别为k₁＝a₁·K，k₂＝a₂·K，a₁+a₂＝1；

2)对经（1）得到的第两层数据，按扩展因子RF₁，RF₂进行扩展，其中RF₁＞RF₂，得到虚拟扩展层数据：s′₁,s′₂,其中，k′₁,k′₂,a₁,a₂分别是s′₁,s′₂数据长度及占虚拟扩展数据的比重，k′₁＝k₁·RF₁，k′₂＝k₂·RF₂， $a_1^{\′}=\frac{a_1\·{\mathrm{RF}}_1}{a_1\·{\mathrm{RF}}_1+a_2\·{\mathrm{RF}}_2},$ $a_2^{\′}=\frac{a_2\·{\mathrm{RF}}_2}{a_1\·{\mathrm{RF}}_1+a_2\·{\mathrm{RF}}_2},$ 虚拟扩展层数据总和：K′＝k′₁+k′₂。

3)将经（2）得到的虚拟扩展层数据，s′₁,s′₂,划入2个窗中，即w₁＝s′₁，w₂＝s′₁+s′₂，，w₁的虚拟总数据为K_i＝k₁·RF₁，w₂的虚拟总数据为K_i＝K′.

4)将第一个窗w₁的度分布从k₁增大到K₁，第二个窗w₂的度分布从K增大到K′，采用鲁棒孤波分布Ω_rs(k,c,δ)，其概率分布分别为：

$\mathrm{\μ}\left(i\right)=\frac{\mathrm{\ρ}\left(i\right)+\mathrm{\τ}\left(i\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k(\mathrm{\ρ}\left(i\right)+\mathrm{\τ}\left(i\right))}$ $\mathrm{\ρ}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}1/k& i=1\\ 1/i\·(i-1)& i=2,...,k\end{array}\right.$

其中： $\mathrm{\τ}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R}{i\·k}& i=1...k/R-1\\ \frac{R\log R/\mathrm{\δ}}{k}& i=k/R\\ 0& i=k/R+1...k\end{array}\right.R=c\·\log (k/\mathrm{\δ})\·\sqrt{k}$

c＞0，δ是译码失败的概率。这里c＝0.1,δ＝0.5，对w₁,w₂分别采用鲁棒孤波分布函数Ω⁽¹⁾(K₁,c,δ)，Ω⁽²⁾(K′,c,δ)。

5)根据其占总数据的比重a′₁，a′₂，使用And-Or Tree渐进分析算法，选择第1窗w₁的选择概率Γ₁，w₂的选择概率Γ₂＝1-Γ₁。

6)LT编码，索引替换：

(一)随机生成一个数ξ，当0＜ξ≤Γ₁即选择第1窗w₁时，由度分布Ω⁽¹⁾产生度d₁，从w₁虚拟数据中随机选择d₁个数据。j代表w₁虚拟数据k₁·RF₁中的索引，j∈{0,...,k₁·RF₁-1},m代表原始k₁的索引m∈{0,...,k₁-1},通过下列转换，由j得到索引m＝jmodk₁  0≤j≤k₁·RF₁-1；

(二)当Γ₁＜ξ≤1即选择第2窗w₂时，由度分布Ω⁽²⁾产生度d₂，从w₂虚拟数据中随机选择d₂个数据。j代表w₂虚拟数据(k₁·RF₁+k₂·RF₂)中的索引，j∈{0,...,k₁·RF₁+k₂·RF₂-1}，m代表原始k₂的索引m∈{0,...,K-1}，通过下列转换，由j得到索引m:

7)索引m得到原始符号进行异或操作，得到编码码字，重复第6步，直至得到足够的编码码字。

经过信道编码的数据通过有线或无线形式，传输到互联网或客户端，依据喷泉码的前向纠错特性以及无固定码率特性，可以采用单播或多播的形式进行传输，在接收端进行译码，如图3所示：

1)接收端接收数据包，进行BPSK解调，送入译码器进行译码。

2)由于无线信道附加高斯白噪声，所以，不采用硬判决，而是基于软判决，采用Judea Pearl于1982提出的置信传播（BP，Belief Propagation）译码算法，进行译码。

3)判断接收到得数据是否大于或等于(1+ε)K数据时(ε为喷泉码译码开销),是则可成功译码。不然的话，返回第一步，继续接收数据。

例如选取K＝5000,MIB,LIB数据各为500，4500，即a₁＝0.1,a₂＝0.9，将MIB,LIB分别扩展RF₁＝8,RF₂＝4倍，进行仿真。同时选择扩展窗喷泉码作对比实验，仿真条件为10000次传输分组。

它们随译码开销的误码率曲线如图4所示。在译码开销较小时ε∈(0,0.15)，扩展窗喷泉码性能优于本发明，但是增大译码开销ε＞0.15，本发明中MIB性能要优于扩展窗喷泉码的MIB，更加值得注意的是，本发明中，大幅降低了LIB的误码率，相比于扩展窗喷泉码降低了10^-4，明显优于扩展窗喷泉码。

Claims (2)

1.一种基于不等差错保护喷泉码的信道编码传输方法，包括以下几个方面：

（1）将信源K个数据，按重要性分为r个重要性等级，即s₁,s₂,...，s_r-1，s_r，其中第i层的数据长度k_i＝a_i·K，a_i代表第i层数据占原始信源数据的比重，

（2）对经（1）得到的r层数据的每一层都进行虚拟扩展，设第i层对应扩展因子RF_i，其中RF₁＞RF₂...＞RF_i＞...＞RF_r，得到虚拟扩展层数据：s′₁,s′₂,...,s′_r-1,s′_r,其中，第i层虚拟扩展数据长度为k′_i＝k_i·RF_i，第i层虚拟扩展数据比重 $a_i^{\′}=\frac{k_i\·{\mathrm{RF}}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^r{k}_i\·{\mathrm{RF}}_i}=\frac{a_i\·{\mathrm{RF}}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^r{a}_i\·{\mathrm{RF}}_i},$ $\underset{i=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^{\′}=1,$ i∈(1,r)，虚拟扩展层数据总和 $K^{\′}=\underset{i=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i^{\′};$

(3)将经（2）得到的虚拟扩展层数据s′₁,s′₂,...,s′_r-1,s′_r,分别划入r个窗中，即第一个窗w₁＝s′₁，第二个窗w₂＝s′₁+s′₂，第i个窗

w_i的虚拟总数据为 $K_i=\underset{l=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{k}_l\·{\mathrm{RF}}_l;$

（4）对窗w₁,w₂,...,w_i,...,w_r分别采用鲁棒孤波度分布Ω⁽¹⁾,Ω⁽²⁾,...，Ω⁽ⁱ⁾,...，Ω^(r)，根据r层虚拟扩展层数据占总数据的比重，使用与或树算法，来选择r个窗的选择概率，设第i窗w_i的选择概率Γ_i，

（5）选取第i窗w_i的鲁棒孤波度分布Ω⁽ⁱ⁾(k,c,δ)，其中

增大到

其中i∈(1，r)，δ是译码失败的概率，c＝0.1,δ＝0.5；

（6）进行LT编码，索引替换：首先随机生成一个数ξ，ξ∈[0,1]，当

时，即选择第i个窗，i∈(1，r)，由度分布Ω⁽ⁱ⁾产生度d_i，从w_i虚拟数据中随机选择d_i个数据，j代表w_i虚拟数据

中的索引，代表原始

的索引

通过下列公式的转换，由j得到索引m，式中，mod为取模运算，

（7）对索引替换得到d_i个数据符号进行异或操作，得到编码码字，重复第6步，直至得到所需的编码码字；

（8）将进过信道编码的数据通过有线或无线形式进行传输；

（9）设ε为译码开销，接收端接收数据时，在判断接收到的数据数目大于(1+ε)·K时，对接收到的编码码字，进行置信传播译码。

2.根据权利要求1所述的基于不等差错保护喷泉码的信道编码传输方法，其特征在于，译码开销ε＞0.15。

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