CN102664639B - 一种分布式lt码的编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布式LT码的编码方法，包括以下步骤：设置信源S₁、信源S₂、中继r和目的节点t，信源S₁产生并发送编码包X₁，X₁的度为d₁，信源S₂产生并发送编码包X₂，X₂的度为d₂，所述编码包X₁与编码包X₂使用LT编码方案根据反卷积弱鲁棒孤波分布进行编码；定义信源S₁、信源S₂所发出的编码分组为NDLT-2码；信源S₁、S₂所发出的编码分组经中继r异或操作生成NMLT-2码并发送至目的节点t。

Description

一种分布式LT码的编码方法

技术领域

本发明涉及一种分布式LT码的编码方法。

背景技术

删除信道是一种重要的通信信道模型，在这种信道模型下错误是通过删除来描述的。在打包数据传输中，例如深空通信的科学数据传输，如果目的节点没有接收到相应的数据包，这就意味着该包被删除。为了恢复在文件传输中丢失的包，一种前向纠错码，即喷泉码被提出。Luby Transform(简称LT码)是第一种被实现的喷泉码，LT码使用鲁棒孤波分布进行编码。Raptor码是一种改进的LT码，它包括预编码和LT编码两个过程。Raptor码采用预编码作为第一层编码，LT编码作为第二层编码，从而比LT码具有更好的译码效率。Raptor码的编码步骤如下，输入信息包通过预编码过程得到中间节点，然后中间节点通过LT编码过程得到编码包。

在深空探测中，有这样的场景，目标星探测器有多个，目标星轨道器很少，要进行目标星到地球的通信，就需要由多个目标星探测器向比较少的轨道器发送信息，再由轨道器把信息发送到地球。为了保证多个信源通过有限的中继向目的节点传输包的效率，并提高中继卫星的使用效率，本发明针对如图1所示的两个信源、一个中继和一个目的节点的网络模型进行研究。

LT码分解为两个DLT码的方法主要是通过反卷积分解RSD(RSD，Robust.Soliton Distribution，鲁棒孤波分布)得到DSD(Deconvolution Robust.SolitonDistribution，反卷积鲁棒孤波分布)，两信源根据DSD进行编码，把所得的编码分组发送到中继，经过中继的选择传输方案，传输到目的节点，在目的节点接收到的编码分组近似的服从RSD。但构造的DLT码有大的冗余、编码复杂度和较大的译码失败概率。文献中提出了密度进化方法，它是为了在如图1所示的网络模型中，找到信源和中继处的最优度分布来进行编码。在文献中介绍了(Soliton-like rateless coding)类似孤波无码率编码，它在Y网络下使用喷泉码和网络编码两种编码方案的结合，但这种方法在中继的操作复杂度比文献中的要大很多。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种分布式LT码的编码方法，包括以下步骤：

设置信源S₁、信源S₂、中继r和目的节点t，信源S₁产生并发送编码包X₁，X₁的度为d₁，信源S₂产生并发送编码包X₂，X₂的度为d₂，所述编码包X₁与编码包X₂使用LT编码方案根据反卷积弱鲁棒孤波分布进行编码；

定义信源S₁、信源S₂所发出的编码分组为NDLT-2码；

信源S₁、S₂所发出的编码分组经中继r异或操作生成NMLT-2码并发送至目的节点t。

本发明的进一步改进为，所述d₁、d₂服从相同的度分布。

本发明的进一步改进为，所述d₁、d₂服从反卷积分解弱鲁棒孤波分布。

本发明的进一步改进为，所述NMLT-2码的度服从近似的弱鲁棒孤波分布。

本发明的进一步改进为，所述分布式LT码的编码方法进一步包括以下步骤：

所述NMLT-2码近似的服从弱鲁棒孤波分布R(·)，将R(·)分解为R1(·)和R2(·)，所述R1(·)为光滑的易反卷积分解的度分布；通过反卷积分解R1(·)，定义函数且使用和R2(·)去构造新的DLT码在信源处的度分布。

相较于现有技术，在恢复指定比例原始信息的情况下，传统分布式LT码比新的分布式LT码的译码失败概率大。NDLT码可以仅恢复一定比例的原始信息，剩下比例的原始信息可以由预编码过程恢复。仿真结果给出当NDLT恢复超过99％原始信息时，译码失败概率比DLT的略大。但如果NDLT码在恢复98％以下原始信息时，译码失败概率远小于DLT码。因此，针对要恢复的比例，本发明可以适当的选择预编码，从而能更有效的恢复出全部原始信息，且NDLT可以应用在一些特定的只要求恢复固定比例原始信息的场景。

附图说明

图1是本发明分布式LT码的编码方法的中继网络模型示意图。

图2是本发明参数为ε＝0.04的WRSD和在目的节点接收到的编码分组所服从的度分布的比较示意图。

图3是本发明的DWSD与DSD从1到最大度的概率值对比示意图。

图4是本发明的NDLT码和DLT码的中继选择方案所使用的只有度1和度2的度分布示意图。

图5是本发明在恢复99％、98％和97％原始信息的条件下，传统的和新的分布式LT码的冗余和译码失败概率对比示意图。

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，本发明提供了一种分布式LT码的编码方法，包括以下步骤：

设置信源S₁、信源S₂、中继r和目的节点t，信源S₁产生并发送编码包X₁，X₁的度为d₁，信源S₂产生并发送编码包X₂，X₂的度为d₂，所述编码包X₁与编码包X₂使用LT编码方案根据反卷积弱鲁棒孤波分布进行编码；

定义信源S₁、信源S₂所发出的编码分组为NDLT-2码；

信源S₁、S₂所发出的编码分组经中继r异或操作生成NMLT-2码并发送至目的节点t；所述NMLT-2码服从近似的弱鲁棒孤波分布R(·)，

在本实施例中，中继r选择方案如文献：S.Puducheri，J.Kliewer，and T.E.Fuja，“Distributed LT codes”，in Proc.IEEE Int.Symp.Information Theory，Seattle，WA，Jul.2006，pp.987-991.所述。

针对将来的多个探测器可以同时通过一个轨道器返回科学数据的空间网络场景，本发明在两个信源S₁、S₂、单中继r和单目的节点t的条件下，设计了一个分布式LT码(简称NDLT)的编码方法。NDLT能提高从信源到目的节点包传输的效率和可靠性。本发明提出将一个分解弱鲁棒孤波分布(简称WRSD)为两个反卷积弱鲁棒孤波分布(简称DWSD)的方法。两个信源S₁、S₂使用DWSD进行编码，并将得到的编码分组发送到中继节点r，经过中继r简单的操作形成的编码分组发送到目的节点，这时的编码分组服从近似的WRSD。由于DWSD比传统的以反卷积分解鲁棒孤波分布(简称RSD)得到的反卷积鲁棒孤波分布(简称DSD)有更小的平均度，因此两信源S₁、S₂使用DWSD进行编码与传统的方法相比，在信源节点有更低的编码操作复杂度。而且在中继节点由于只包括简单的异或操作，这也使中继有较低的复杂度。本发明给出了提出的分布式LT码和传统的分布式LT码的编码复杂度的分析结果。仿真结果表明，在目的节点t恢复一定比例原始信息的条件下，提出的NDLT比DLT具有更低的译码失败概率。在一些具有特殊数据完整性场景要求的太空任务中可以选择使用NDLT码，能更有效的完成任务。

在两个信源S₁、S₂、单中继r和单目的节点t的深空通信网络场景下，本发明提出了反卷积分解WRSD且通过构造一个特殊的函数得到DWSD的方法，从而使构造的DWSD具有最大度D+1，这能消耗较少的编码包去覆盖原始信息包。

(1)反卷积WRSD为DWSD。如图1所示，本发明考虑两个信源S₁和S₂通过中继r发送编码包到目的节点，每个信源需要编k/2个原始信息包。在如图所示的网络模型中，信源到中继链路无删除，所有的删除都在中继到目的节点的链路。本发明把X₁定义为由S₁产生的编码包，它的度用d₁表示；X₂是S₂产生的编码包，它的度用d₂表示。d₁和d₂服从相同的度分布，d₁、d₂服从反卷积分解弱鲁棒孤波分布，且中继的选择操作方案与文献：S.Puducheri，J.Kliewer，and T.E.Fuja，“Distributed LT codes”，in Proc.IEEE Int.Symp.Information Theory，Seattle，WA，Jul.2006，pp.987-991.中的相同，本发明希望的度是一组随机变量，且其服从于WRSD。因为WRSD比RSD有更低的平均度，且在恢复一定比例原始信息的条件下，WRSD具有更低的译码失败概率。本发明把上面的问题定义为：(p*p)(·)＝R(·)

上式中d₁和d₂都服从分布p(·)，d₁+d₂服从近似的弱鲁棒孤波分布。

直接分解WRSD可以得到p(·)，然而与文献：S.Puducheri，J.Kliewer，and T.E.Fuja，“Distributed LT codes”，in Proc.IEEE Int.Symp.Information Theory，Seattle，WA，Jul.2006，pp.987-991.类似，直接分解WRSD不能产生一个有效的概率分布。为了避免直接分解，本发明尝试把WRSD的R(·)分解为两部分R1(·)和R2(·)。其中R2(·)是关于WRSD的有问题的部分(包括度为1和最大度D+1)，R1(·)是光滑的易反卷积分解的度分布；

直接反卷积分解R1(·)，且使用这个结果去构造新的DLT码在信源处的度分布。从下式中可以看出，(f*f)(i)＝R1(i)，直接分解上式中的R1(·)得到f(·)，且可知f(·)的自变量取值是从1到如果定义度分布p(i)＝λ·f(i)+(1-λ)·R2(i)，那么p(i)能获得最大度在中继不改变低复杂度的操作的情况下，这不能使得在中继到目的节点的度分布近似于最大度为D+1的WRSD。因此，在没有改变中继操作复杂度的基础上，本发明希望在中继能选择的最大度D+1的概率变大；

本发明定义它在1到与f(·)完全相同，只是把f(·)根据递推公式扩展到D+1，且本发明定义了一个由和R2(·)构成的度分布使用和R2(·)去构造新的DLT码在信源处的度分布；

并通过命题1证明了本发明得到的它满足概率分布的条件 $\hat{f}=\underset{i=1}{\overset{D+1}{\mathrm{\Σ}}}\widehat{f\left(i\right)}\≈1,$ 且这个定义是合理的 $(\hat{f}*\hat{f})\left(i\right)=\widehat{R1}\left(i\right)\≈R1\left(i\right),$ forl≤i≤k.

在如图1所示网络模型中，两信源S₁、S₂根据DWSD进行编码，本发明定义由每个信源发出的编码分组称为NDLT-2码，且两编码分组经过中继r简单的处理，发送到目的节点的编码分组称为NMLT-2码。

中继的选择方案如文献：S.Puducheri，J.Kliewer，and T.E.Fuja，“DistributedLT codes”，in Proc.IEEE Int.Symp.Information Theory，Seattle，WA，Jul.2006，pp.987-991.所示，在目的节点所得到的NMLT-2码服从近似的弱鲁棒孤波分布R(·)。

观察图2，可以看到通过中继的选择方案得到的编码分组所服从的度分布近似于WRSD。WRSD和目的节点接收到的度分布具有相同的波形，与理论分析所得结果相同。在具有相同原始信息包个数时，WRSD比RSD具有更小的平均度。在目的节点要求恢复一定比例原始信息的情况下，使用WRSD比RSD具有更低的译码失败概率。

在一些有低复杂度要求的特殊场景中，例如深空通信中，开销、译码失败概率和编码复杂度都是测量编码算法的重要因素。本文中的编码复杂度的算法与文献^[3]中相同。

传统分布式LT码的编码复杂度计算公式如下， $2n\·\underset{i=1}{\overset{k/2}{\mathrm{\Σ}}}i\widehat{p\left(i\right)}+n\·(2\·\frac{{\mathrm{\β}}^{\′}}{\mathrm{\β}}+1\·(1-\frac{{\mathrm{\β}}^{\′}}{\mathrm{\β}}))$

新分布式LT码的编码复杂度计算公式如下， $2n\·\underset{i=1}{\overset{D+1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ip}\left(i\right)+n(2b_1+1\·(1-b_1))$

本发明设原始信息包数量k＝500,800,1000，DSD带有参数c＝0.05和DWSD带有参数ε＝0.04。

图3给出DWSD和DSD从1到最大度的概率值，并且给出了不同原始信息包数量下的平均度a1。可以看出DWSD的平均度远比DSD的小，从而如图所示NDLT码在信源处的编码复杂度为3.1102×n，且DLT码的编码复杂度为4.4985×n。

图4给出了NDLT码和DLT码的中继选择方案所使用的只有度1和度2的度分布，且表的最后给出了度分布的平均度a2。从图中可以看出NDLT码的比DLT码的略大一点。

从而，合并信源处和中继处的编码复杂度可得到，新分布式LT码的总编码复杂度为

3.1102×2n+1.9707×n＝4.2497×n。

且传统分布式LT码的总编码复杂度为

4.4985×2n+·1.9464×n＝7.0506×n。

从上面的计算可以很容易看出，在相同数量的编码包情况下NDLT码的编码复杂度比传统分布式LT码的小很多。在例如深空通信的特殊应用场景中，为了节约能量的开销通信过程要求低的编码复杂度，所以使用NDLT码能提高探测器到地球信息传输的效率。

在目的节点只恢复一定比例的原始信息的条件下，NDLT码比DLT码具有更低的译码失败概率。

在下面的仿真中，两信源分别使用DWSD和DSD进行编码，且目的节点使用BP译码算法。如果目的节点没有恢复所有原始信息或是没有恢复指定比例的原始信息，则称译码失败。译码开销是指要求译码所需要的超过k的数据包个数与k的比例，计算公式为(K-k)/k。

图5给出了DLT和NDLT的冗余和译码失败概率的关系，从图可以看出在恢复指定比例原始信息的情况下，传统分布式LT码比新的分布式LT码的译码失败概率大。NDLT码可以仅恢复一定比例的原始信息，剩下比例的原始信息可以由预编码过程恢复。仿真结果给出当NDLT恢复超过99％原始信息时，译码失败概率比DLT的略大。但如果NDLT码在恢复98％以下原始信息时，译码失败概率远小于DLT码。因此，针对要恢复的比例，本发明可以适当的选择预编码，从而能更有效的恢复出全部原始信息，且NDLT可以应用在一些特定的只要求恢复固定比例原始信息的场景。

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)

1.一种分布式LT码的编码方法，其特征在于：包括以下步骤：

设置信源S₁、信源S₂、中继r和目的节点t，信源S₁产生并发送编码包X₁，X₁的度为d₁，信源S₂产生并发送编码包X₂，X₂的度为d₂，所述编码包X₁与编码包X₂使用LT编码方案根据反卷积弱鲁棒孤波分布进行编码；

定义信源S₁、信源S₂所发出的编码分组为NDLT-2码；

信源S₁、S₂所发出的编码分组经中继r异或操作生成NMLT-2码并发送至目的节点t。

2.根据权利要求1所述分布式LT码的编码方法，其特征在于：所述d₁、d₂服从相同的度分布。

3.根据权利要求1所述分布式LT码的编码方法，其特征在于：所述d₁、d₂服从反卷积分解弱鲁棒孤波分布。

4.根据权利要求1所述分布式LT码的编码方法，其特征在于：所述NMLT-2码的度服从近似的弱鲁棒孤波分布。

5.根据权利要求1所述分布式LT码的编码方法，其特征在于：所述分布式LT码的编码方法进一步包括以下步骤：

所述NMLT-2码的度近似的服从弱鲁棒孤波分布R(·)，将R(·)分解为R1(·)和R2(·)，所述R1(·)为光滑的易反卷积分解的度分布；通过反卷积分解R1(·)，定义函数且使用和R2(·)去构造新的DLT码在信源处的度分布。