CN102523072A

CN102523072A - 具有检错纠错功能的lt码编译码方法

Info

Publication number: CN102523072A
Application number: CN2011104308643A
Authority: CN
Inventors: 裴玉奎; 邢艳玲; 葛宁; 胡海洋
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: CN102523072B

Abstract

本发明涉及数字信息传输技术领域，公开了一种具有检错纠错功能的LT码编译码方法，包括步骤：S1、将原始数据等分为K个源包，对每个源包进行校验；S2、选取特定的度函数对所述K个源包进行LT编码；S3、设编码包序列为T、由源包组成的源包序列为S、源包出错指示序列为ES、源包成功译码时源包的源头指示序列为ST、从编码包译码时编码包的源头指示序列组合为TS、出错编码包序列为TE；S4、根据序列T和LT码的生成矩阵G进行BP译码；S5、根据ES、ST和TS查找出错误的编码包；S6、根据ES和TS恢复被错误的源包异或的编码包；S7、根据已译出的正确的源包、正确且度不为0的编码包和新接收的编码包进行BP译码。本发明能降低LT码译码过程中误码扩散的影响。

Description

具有检错纠错功能的LT码编译码方法

技术领域

本发明涉及数字信息传输技术领域，尤其涉及一种具有检错纠错功能的LT码编译码方法。

背景技术

喷泉码是一种基于稀疏矩阵的纠删码，通过对数据进行随机编码，可以产生半无限长的编码序列。假设文件等分成K个数据包，当接收端接收到任意N(N比K稍大)个数据包，就能恢复源文件。采用设计完善的度函数，可以使喷泉码具有线性编译码复杂度，在基于包通信的系统中有接近理想的纠删性能。喷泉码的主要码字有随机线性码、LT码和Raptor码等。目前，一种Raptor码已经被3GPP标准采用，应用于3G网络的多媒体广播多播服务(MBMS)中。

由Luby M发明的LT(Luby Transform)码是第一种实用的喷泉码，具有简单的编译码方法、较小的译码开销以及编译码复杂度，为喷泉码的发展奠定了基础。

现有技术中，LT码的编码过程可以生成任意长度的编码数据流，每个编码包都按下列算法产生：

1.将原始数据等分为K个数据包，在1～k范围内按某一分布Ω(称为编码度分布)随机选取一个整数d，其中k为该码的码长，d称为编码包的度；

2.在数据包中均匀地随机选取d个不同的包；

3.对这d个包求异或，得到一个编码包。

4.重复步骤2、步骤3，直至编码完成。

而现有技术中，LT码的译码采用一种迭代算法，在译码的每一步，译码器都在编码包集合中找出度为1的编码包，将该值赋给与之相连的源包，并删除连接，此源包即可被译出。译码器将译出的源包与跟它相连的所有编码包进行异或，并删除它们之间的连接关系。重复上述过程，直到不存在度为1的编码包为止。如果所有源包都被成功译出则译码成功，否则译码失败。该过程称为喷泉码的BP(置信传播或置信度传播)译码过程。图1给出了一个译码实例，其中“○”代表源包，“●”代表编码包。源包和编码包的长度均为1比特。实际应用中包长可以根据需要设成任意的比特长度。

在通信中采用喷泉码作为应用层编码，可以解决信道环境恶劣时，采用ARQ(自动重传请求)方式出现“反馈风暴”而显著降低信道传输效率的问题。但作为一种纠删码，喷泉码严重依赖底层信道编码的纠错性能和检错能力。传递到应用层的数据在某些情况下会存在不可避免的错误，主要包括以下两种情况：

一是在空天通信等应用环境下，由于存在辐射影响带来的单粒子翻转等问题，即使采用如LDPC(低密度奇偶校验码)码等高性能信道纠错编码和校验，也不能完全保证信道译码后的正确数据可靠地传递到应用层；

二是对于一般信道环境下采用的信道编码，由于校验本身的缺陷可能存在不可检错误，导致错误数据传递到应用层。

根据喷泉码的迭代译码原理，如果接收到来自底层的错误编码包，将会引起严重的误码扩散，从而导致不可预知的源包错误。喷泉码的误码扩散可以从其生成矩阵的特性看出，如图2所示为码长k为20时的生成矩阵(a)和其逆矩阵(b)。该生成矩阵为稀疏矩阵，随着码长的增长，生成矩阵相应就越稀疏，通常码长的典型值为200～500之间，稀疏性非常明显。而解码矩阵由生成矩阵的求逆获得，为稠密矩阵，矩阵中的元素1占了矩阵元素中的大多数。而且，由于典型值码长下的生成矩阵越稀疏，对应的解码矩阵就越稠密，一旦稠密矩阵中某一行对应的编码包出现了错误，那么将会造成大部分解码包失效，在矩阵中就体现为某一列矩阵元素中为1的对应的解码包都会出错，从而导致解码失效，严重时还会使设备无法正常工作。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是：如何降低LT码译码过程中误码扩散的影响。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有检错纠错功能的LT码编译码方法，包括以下步骤：

S1、将原始数据等分为K个源包，并对每个源包添加校验值；

S2、选取特定的度函数对所述K个源包进行LT编码；

S3、设由编码包组成的编码包序列为T、由源包组成的源包序列为S、源包出错指示序列为ES、源包成功译码时源包的源头指示序列为ST、从编码包译码时编码包的源头指示序列组合为TS、出错编码包序列为TE；然后根据接收到的编码包为序列T赋值，并将序列ES中的元素均赋值为0，且将序列ST、序列组合TS以及序列TE均置为空；

S4、根据序列T和LT码的生成矩阵G进行BP译码，译码过程中，对所述生成矩阵G进行降度处理，同时对序列T中的元素进行迭代更新，为序列ST和序列组合TS中的元素赋值，并在译码完成后根据步骤S1的校验值对源包进行校验，根据结果为序列ES中的元素赋值；

S5、根据序列ES、序列ST和序列组合TS查找出错误的编码包，并将错误的编码包丢弃；

S6、根据序列ES和序列组合TS恢复被错误的源包异或的编码包；

S7、根据已译出的正确的源包、正确且度不为0的编码包和新接收的编码包进行BP译码，得到最终的译码结果。

优选地，步骤S1中，对每个源包添加校验值具体为：将CRC校验值放在每个源包的末尾。

优选地，步骤S3中，序列ES中的元素取值为0、1或2，值0表示对应的源包未译出，值1表示对应的源包已译出但出错，值2表示对应的源包已译出且正确；序列ST中的元素ST_i表示最终译出源包的编码包的编号；序列组合TS中的元素TS_i表示译码时参与异或的第i个编码包的源包编号序列；序列TE中的元素表示出错的编码包编号。

优选地，步骤S4与步骤S5之间包括步骤：根据源包中的校验码对源包进行校验，以查找出错误的源包。

优选地，步骤S4的译码过程中，对于度为1的编码包，将其赋值为唯一与其相连的源包，此源包即为新译出的源包，将该编码包的度置为0，并将该编码包的编号赋值给所述新译出的源包的源头；对于度大于1且与新译出的源包相连的编码包，将其与新译出的源包进行异或，同时将其度减1，并将新译出的源包的编号记录进该编码包的源头序列；循环进行此BP译码过程，直至所有源包均被译出。

优选地，步骤S5中，若序列ES中所有元素的取值均为2，表示已正确译码；若序列ES中有取值为1的元素，则在序列ST中查找对应的编码包的源头序列，若所述源头序列中源包所对应的序列ES中的元素都为2，则所述对应的编码包为出错的编码包。

优选地，步骤S6中，对于任一个编码包，记编号为i，查找其源头序列TS_i中包含源包所对应序列ES中的元素，若元素中有值为1，则将此编码包和对应的源包进行异或，并增加相应的度连接。

优选地，步骤S7中，利用已译出的正确的源包对新接收的编码包进行异或，同时进行降度处理，利用新接收的编码包和经步骤S6后度不为0的编码包进行BP译码。

优选地，所述编码包比源包长校验码所占的比特长度。

优选地，所述特定的度函数为鲁棒孤立波分布。

(三)有益效果

本发明通过在编码时引入一定的校验冗余，在译码时通过采用两次BP译码和校验机制，丢掉出错的编码包，正确译出所有源包，实现了LT码对单个错误编码包的检错纠错功能，从而降低了误码扩散的影响。在采用合适的度函数和校验机制的情况下，可以以99％以上的概率成功译码。本发明的方法复杂度低、收敛快，仅通过增加少量的喷泉码编码包的接收数量，无需反馈即可对单个编码包错误的情况进行纠错译码。

附图说明

图1是现有技术中LT码的译码过程示意图；

图2是现有技术中喷泉码的码长k为20时的生成矩阵与逆矩阵；

图3是依据本发明实施例的LT码编译码方法的流程图；

图4是BP译码过程图示；

图5是查找错误编码包过程图示；

图6是恢复被出错源包异或的编码包以及增量BP译码图示。

具体实施方式

下面对于本发明所提出的一种具有检错纠错功能的LT码编译码方法，结合附图和实施例详细说明。

如图3所示，本发明实施例提供了一种具有检错纠错功能的LT码编译码方法，包括以下步骤：

S1、将原始数据等分为K个源包，并对每个源包添加校验值；

S2、选取特定的度函数对所述K个源包进行LT编码；

步骤S1的编码准备流程和步骤S2的编码过程详细描述如下(步骤A～步骤D)：

步骤A：将原始数据等分为K个源包。将每个源包的CRC校验码拼接在各源包末尾对每个源包进行CRC校验，在1～k范围内按鲁棒孤立波分布(是现有技术，即在下面描述的度函数μ(d))随机选取一个整数d，其中k为LT码的码长，d为编码包的度。

对于LT码，设符号长度为250字节，K＝500。首先定义函数：

其中，

需要保证在每一次解码循环中度为1的检验码的数目为s个，而不是1个，s≠1，参量δ是接收到N个确知的编码包t_n后无法解码的概率的极限，参量c取常量1。则度函数μ(d)定义如下：

μ (d) = \frac{ρ (d) + τ (d)}{Z}

其中：

Z＝∑_dρ(d)+τ(d)

ρ (d) = \{\begin{matrix} \frac{1}{K} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot d = 1; \\ \frac{1}{d (d - 1)} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot d = 2,3, \cdot \cdot \cdot K; \end{matrix}

ρ(d)为理想孤立波分布。

设源包和编码包矢量分别为S＝[S₁，S₂，......S_K]^T和T＝[T₁，T₂，......T_N]^T，上标T表示转置，N表示编码包的个数，LT码编码过程即为T＝G·S。G为生成矩阵，大小为N×K，G中每个元素值为0或1，0表示源包和编码包无连接，1表示源包和编码包有连接。源包S_i可以为任意比特长度，编码包T_i比源包S_i长校验码所占的比特长度。

步骤B：在源包中均匀随机地选取d个；

步骤C：对这d个源包求异或，得到一个编码包，表示为：

t_{n} = Σ_{k = 1}^{K} G_{nk} \times s_{k}

其中t_n表示一个编码包，n表示编码包的编号。G_nk表示生成矩阵G中的元素，若步骤B中选取了相应的源包，则元素值为1，否则为0。s_k表示一个源包。

步骤D：重复步骤B和步骤C，直到译码结束或达到预设的编码包数目。

步骤S3的译码准备流程、步骤S4的译码过程以及步骤S5的查找编码包的步骤详细描述如下：

首先，设源包出错指示序列为ES＝[ES₁，ES₂，......ES_K]，取值为0、1或2(0表示对应源包未译出，1表示对应源包已译出但出错，2表示对应源包已译出且正确)，设源包成功译码时源包的源头指示序列为ST＝[ST₁，ST₂，......ST_K](ST_i指最终译出源包的编码包编号)，设译码时编码包的源头序列组合为TS＝[TS₁，TS₂，......TS_N](其中TS_i指BP译码时参与异或的第i个编码包的源包编号序列)，设出错编码包序列为TE，其包含出错的编码包编号，为不定长序列。然后执行步骤A’～D’：

步骤A’：初始化。根据接收到的编码包，为T赋值，并将序列ES中的元素均赋值为0，且将序列ST、序列组合TS以及序列TE均置为空。

步骤B’：根据LT码的生成矩阵G和序列T进行BP译码，并为ST和TS赋值，其过程如图4所示。

第一步：置初始计数值p＝0；

第二步：按行遍历G，计算编码包的度，如果d(T_m)＝1并且G_mj＝1，则令G_mj＝0，ST_j＝m，S_j＝T_m。令Gc为一列矢量，大小为N，并将G的第j列赋值给Gc。如果此轮遍历中无度为1的编码包存在，则译码失败，退出程序；

第三步：从1～N扫描列矢量Gc，如果Gc的一个元素Gc(i)＝1，那么令TS_i＝[TS_i，j]，

表示异或操作。

第四步：将G中第j列的各元素置0；

第五步：令p＝p+1，如果p＜k，跳转至第二步，否则执行下面的步骤C’。

其中，d(T_m)表示编码包T_m的度，m为编码包的编号，TS_i＝[TS_i，j]表示在编码包T_i的源头序列中增加源包编号j，j的取值范围从1到K，i的取值范围从1到N。

步骤C’：查找错误源包。根据源包中的校验码对源包进行校验。如果有校验不通过，置相应源包出错指示序列中的元素ES_i＝1，否则，令ES_i＝2。校验完成后，如果所有源包的校验均通过，则已成功译码，输出源包，退出程序；否则执行下面的步骤D’。

步骤D’：查找错误的编码包，过程如图5所示。遍历ES，如果ES_j＝1，令t＝ST_j，遍历编码包T_t的源头序列TS_t，如果TS_t中包含源包所对应的序列ES值均为2，则将t值加入出错编码包序列TE中，遍历ES中下一个成员。ES遍历完成后，TE即为出错的编码包编号序列，由于本发明只对单个编码包纠错进行设计，如果TE中有一个以上的编号，则译码失败，退出程序；否则丢掉出错的编码包，执行下面的步骤E’。

下面的步骤E’、步骤F’和步骤G’恢复被出错源包异或的编码包，并结合新接收的编码包进行增量BP译码，过程如图6所示：

步骤E’：恢复被出错源包异或的编码包，并基于ES和TS更新G和T，过程如下：

第一步：遍历TS，针对某个TS中的元素TS_t，遍历序列TS_t，设x为TS_t中的某个源包编号，如果ES_x＝1，令

G_tx＝1；如果ES_x＝2，不执行任何操作。按此过程遍历完成TS的所有元素；

第二步：遍历ES，如果ES_j＝1，令t＝ST_j，G_tj＝1；

第三步：将ES中指示出错的源包全部丢掉，并且标识置为未译出，即对任意ES_i＝1，令ES_i＝0。

步骤F’：增量BP译码过程。

第一步：继续接收新的编码包，更新G和T；

第二步：设新接收编码包为T_m，遍历G的第m行，如果G_mj＝1并且ES_j＝2，令G_mj＝0；

第三步：如果G的第m行所有元素为全0，丢弃T_m，重新执行第一步；否则执行第四步；

第四步：根据G和T执行的BP译码，如果所有源包全部译出，执行步骤G’；否则重新执行第一步。

步骤G’：译码完成。通过校验包对步骤F’译出的所有源包进行CRC校验，如果这些源包的均通过CRC校验，则已成功译码，输出源包，退出程序。否则，指示译码失败，退出程序。

图4～图6中，“○”代表源包，“●”代表编码包，

为出错的编码包。

由以上实施例可以看出：

1)利用LT码的BP译码过程特点和基于源包的校验机制，可以唯一确定出错的编码包，并根据LT码自身的纠删特性，将错误编码包丢弃，实现了LT码的检错纠错过程。

2)通过利用已译出的正确源包和正确编码包，额外接收少量编码包进行增量BP译码，加速算法收敛过程，提高了译码效率。

3)查找定位出错编码包的过程简单，利用译码过程信息和编码结构特点，仅需增加少量存储空间，进行简单查找，即可完成。

本发明的设计思想对有编码包错误时的喷泉码设计具有普适性，尤其适用于空天通信信道环境复杂等喷泉码的应用情况，可以预测，若应用于实际情况，将极大地提高深空通信利用喷泉码进行数据传输信道的有效性和可靠性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种具有检错纠错功能的LT码编译码方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将原始数据等分为K个源包，并对每个源包添加校验值；

S2、选取特定的度函数对所述K个源包进行LT编码；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，对每个源包添加校验值具体为：将CRC校验值放在每个源包的末尾。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，序列ES中的元素取值为0、1或2，值0表示对应的源包未译出，值1表示对应的源包已译出但出错，值2表示对应的源包已译出且正确；序列ST中的元素ST_i表示最终译出源包的编码包的编号；序列组合TS中的元素TS_i表示译码时参与异或的第i个编码包的源包编号序列；序列TE中的元素表示出错的编码包编号。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4与步骤S5之间包括步骤：根据源包中的校验码对源包进行校验，以查找出错误的源包。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4的译码过程中，对于度为1的编码包，将其赋值为唯一与其相连的源包，此源包即为新译出的源包，将该编码包的度置为0，并将该编码包的编号赋值给所述新译出的源包的源头；对于度大于1且与新译出的源包相连的编码包，将其与新译出的源包进行异或，同时将其度减1，并将新译出的源包的编号记录进该编码包的源头序列；循环进行此BP译码过程，直至所有源包均被译出。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，若序列ES中所有元素的取值均为2，表示已正确译码；若序列ES中有取值为1的元素，则在序列ST中查找对应的编码包的源头序列，若所述源头序列中源包所对应的序列ES中的元素都为2，则所述对应的编码包为出错的编码包。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S6中，对于任一个编码包，记编号为i，查找其源头序列TS_i中包含源包所对应序列ES中的元素，若元素中有值为1，则将此编码包和对应的源包进行异或，并增加相应的度连接。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S7中，利用已译出的正确的源包对新接收的编码包进行异或，同时进行降度处理，利用新接收的编码包和经步骤S6后度不为0的编码包进行BP译码。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述编码包比源包长校验码所占的比特长度。

10.如权利要求1～9中任一项所述的方法，其特征在于，所述特定的度函数为鲁棒孤立波分布。