CN103793197A

CN103793197A - 一种喷泉码编译码方法及装置

Info

Publication number: CN103793197A
Application number: CN201310754350.2A
Authority: CN
Inventors: 曹旸; 陈金雷; 朱铁林; 王平
Original assignee: Tianjin Aerospace Zhongwei Date Systems Technology Co Ltd
Current assignee: Tianjin Aerospace Zhongwei Date Systems Technology Co Ltd
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2033-12-27
Also published as: CN103793197B

Abstract

本发明公开了一种喷泉码编码方法，包括：生成第一伪随机序列和第二伪随机序列；利用所述第一伪随机序列生成度值；利用所述第二伪随机序列产生与所述度值个数相同的多个不同的地址随机数；利用所述地址随机数读取信息符号并用于编码输出。同时公开了相应的喷泉码译码方法。本发明便于在FPGA或集成电路中实现严格的喷泉编码，且运算速度快，实现复杂度低。

Description

一种喷泉码编译码方法及装置

技术领域

本发明属于通信领域，涉及一种信道码编译码装置及编译码方法，特别涉及一种喷泉码编译码装置和编译码方法。

背景技术

随着人们对通信的更新、更高的要求，无线与移动通信应用的持续快速发展，研究和应用新技术以提高无线通信的频谱利用率，最大限度地利用各种资源，为未来需求提供大容量通信能力，是全球无线通信技术领域的研究热点。

数字喷泉的概念是Byers等学者于1998年率先提出的，即在无需反馈重传的情况下提供一种可靠的前向恢复机制。2002年，Luby提出了第一种实际的喷泉码。喷泉码是一类无码率的码字，即由编码分组中的信息符号能够持续地产生任意数量的编码符号。同时，接收端只需要接收到稍大于编码分组中编码符号数量k的编码数据包，便能够以很大的概率恢复原始的信源信息。因此喷泉码对所有删除信道来说都是最优的信道编码方案。但是，由于喷泉码的编码过程中度值及参与编码的信息符号地址均为随机生成，如何在FPGA或集成电路中实现严格的喷泉编码是一个难点，不能在FPGA或集成电路中实现喷泉编码，就无法实现喷泉码的高速编码和译码，这限制了喷泉码在工程中的应用。

发明内容

本发明为了解决上述至少一个问题和/或不足，并提供下述至少一种优点，相应的提供了一种喷泉码编码装置和编码方法。

一方面，在喷泉码编码方法中，包括：生成第一伪随机序列和第二伪随机序列；利用所述第一伪随机序列生成度值；利用所述第二伪随机序列产生与所述度值个数相同的多个不同的地址随机数；利用所述地址随机数读取信息符号并用于编码输出。

另一方面，在喷泉码编码装置中，包含，度值生成模块、地址生成模块、信息缓存模块，可实现对地址随机数的生成，进而可利用该地址随机数进行喷泉码编码。

该喷泉码编码方法或装置便于在FPGA或集成电路中实现严格的喷泉编码，且运算速度快，实现复杂度低。

再一方面，本发明的实施例提供了一种喷泉码编码方法或装置，利用第二伪随机序列和度值产生的地址随机数，随机特性好，且在输出是可采用一次输出d个地址随机数或连续输出地址随机数，因此，可对优化喷泉码的编码效率。

同时，在本发明的喷泉码译码方法和喷泉码译码装置中，可结合编码方法和装置进行设计，不仅可以便于在FPGA或集成电路中对喷泉码进行译码，且由于采用了同样生成的地址随机数，因此，也优化了喷泉码的译码效率。

采用本发明不仅保证了硬件设计的可行性，而且保证了编码的随机性，利用第二伪随机数控制产生编码符号的读取地址，也同时具有适于硬件实现和保证编码的随机性的优点。

附图说明

图1为喷泉码编码方法流程示意图；

图2为喷泉码编码方法中产生度值的一种实施例；

图3为喷泉码编码方法中产生度值的另一种实施例；

图4为喷泉码编码方法实现流程图；

图5为喷泉码编码装置示意图；

图6为喷泉码译码装置示意图；

图7为喷泉码译码方法流程示意图。

具体实施方式

在下文中，参照附图来更充分地描述本发明的实施例，附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明的实施例可以以许多不同的形式来实施，而不应该本解释为限于在此列出的实施例。相反，提供这些示例性实施例，使得本公开是彻底的，并且将本发明的范围充分传达给本领域技术人员，在附图中，为了清晰起见，可以夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。将省略对已知的功能和结构的详细描述以避免模糊实施例的主体问题。附图中相同的标号用来表示相同的元件。

应该理解的是，虽然术语第一、第二、第三等会在此使用以描述不同的元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不限于这些术语。这些术语只用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部分区别开。因此，以下讨论的第一元件、第一组件、第一区域、第一层或第一部分可被称作第二元件、第二组件、第二区域、第二层或第二部分而不脱离本发明的教导。

在此使用的术语只是为了描述具体的示例性实施例，而不是旨在限制本发明。如在此使用的，除非上下文清楚的指示，否则单数形式旨在包括复数形式。应该进一步理解，当在本说明中使用术语“包括”时，表明存在陈述的特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

在此参照剖视图来描述本发明的示例性实施例，所述剖视图是本发明的理想化的示例性实施例（和中间结构）的示意图。同样的，例如可预期作为制造技术和/或公差的结果的视图的形状的变形。因此，本发明的示例性实施例不应该被解释为限于在此示出的区域的特殊形式，而是可包括，例如，由制造导致的形状的差别。

除非另外定义，否则所有在此使用的术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所述领域的普通技术人员所通常理解的意思相同的意思。应该进一步理解，除非这里明确定义，否则术语（如在通用的字典中定义的术语）应该被解释为具有与在有关技术的上下文中的意思一致的意思，并不应该以理想化的或过于正式的意义来解释它们的意思。

在本说明书及实施例中，对可用到的技术术语首先进行统一说明，信息符号表示待进行编码的原始输入符号，结合本领域技术人员的通常理解，该信息符号可以为任何输入的二进制序列。编码符号为信息符号经编码后产生的对应符号。结合喷泉码的定义，编码符号的度值表示参与该编码符号编码的信息符号的数量，度分布表示不同的度值在所有的度值中所占的比例，不同的度分布决定了喷泉码具有不同的结构。

如下，结合图1～图4对本发明喷泉码编码方法进行说明。图1为喷泉码编码方法流程示意图；图2为喷泉码编码方法中产生度值的一种实施例；图3为喷泉码编码方法中产生度值的另一种实施例。

参考图1，在所述喷泉码编码方法中，利用第一伪随机序列中的伪随机数产生度值d。并利用第二伪随机序列和生成的度值产生多个不同的地址随机数，该地址随机数的个数与度值d相同。在本实施例中，第一伪随机序列和第二伪随机序列根据喷泉码定义确定，第一伪随机序列和第二伪随机序列均由所产生的相同和/或不相同的随机数组成，具体生成方法可参考喷泉码定义。利用生成的多个不同的地址随机数对输入的待编码的信息符号进行读取，并将读取的信息符号输出。在本实施例中，可对读取并输出的信息符号按照喷泉码的编码定义进行编码操作，编码后的信息符号可作为编码符号输出。在本实施例中，根据喷泉码编码定义的编码操作可为对信息符号的异或运算。

因此，在上述喷泉码编码方法中，基于第一伪随机序列和第二伪随机序列，生成读取信息符号的地址随机数，该地址随机数的数量与度值d相同，由于地址随机数的数值不同，因此其所指向的地址各不相同，进而可根据该地址随机数对信息符号读取以输出进行编码操作。上述第一伪随机序列中的随机数A的位宽根据度值d的生成方法所确定，第二伪随机序列中的随机数B的位宽至少为其中，k为喷泉码定义的编码分组长度。

上述实施例中，产生度值d的一种优选方式为，如果喷泉码中对度分布进行了定义，即在存储单元中存有2^N个度值，每个度值的数量为2^N×·a_d，其中N为正整数，a_d为度分布中定义的度值d的概率，将输入的第一伪随机序列中的伪随机数A作为地址，从存储单元中读出当前编码符号相对应的度值，在该实施例中，随机数A的位宽为N。如图2所示，一个度分布中有E种不同度值的随机度分布生成示意图。

作为上述产生度值d的优选方式的替换方式，如果喷泉码的编码方式为全随机编码，则还可通过下述方式产生，确定第一伪随机序列中随机数A的位宽至少为

生成的随机数A在经过模k运算和加1运算后直接得出度值d，其中，k为编码分组中信息符号的个数，如图3所示。

同时，在上述实施例中，作为产生地址随机数的一种优选方式为，对输入的第二伪随机序列中的随机数B对k进行取模运算，得到B1′，其中i为输入的伪随机数的序号，当新的度值d输入后，将第一个输入的随机数B₁′进行存储，从第二个输入的随机数B₂′开始需将新输入的随机数与此前存储的随机数进行比较，如果该随机数与存储的随机数都不相同，则将其存储，否则将该随机数丢掉，当已经存储有d个不同的、取值介于[1,k]之间的随机数时，将这组随机数确定为地址随机数并输出。

而作为上述产生地址随机数的另一种优选方式，则通过下述过程进行，对输入的第二伪随机序列的随机数B对k进行取模运算，得到B₁′，根据输入的度值d，对第一个输入的随机数B₁′进行存储，同时将B₁′输出至。从第二个输入的随机数B₂′开始需将新输入的随机数与此前存储的随机数进行比较，如果该随机数与存储的随机数都不相同，则将其存数，同时将其输出，否则将该数据丢掉。当已经存储有d个不同的、取值介于[1,k]之间的随机数时，将存储的随机数清空，并重新根据度值d进行存储。

图4为喷泉码编码方法实现流程图。结合图4，对上述喷泉码编码方法的具体操作过程做进一步描述。

参考图4，对输入信息符号的喷泉码编码操作，可按照下述主要过程进行。

步骤401，产生第一伪随机序列的随机数A。

步骤402，根据随机数A生成度值d。在该步骤402中，生成度值d的一种方式为，以随机数A为地址，对存储的2^N个度值进行读取，每个随机数对应一个度值。结合上述记载，可替换的另一种生成度值d的方式为（图中未示出），对随机数A在经过模k运算和加1运算后直接得出度值d。在该步骤402中，生成的度值d为当前编码符号的度值。在生成度值d时，同时设置计数器n，并令n=0。

步骤403，产生第二伪随机序列的随机数B。

步骤404，对步骤402中设置的计数器进行判断，若n>0，则转入步骤405，否则，转入步骤406。

步骤405，对步骤403中产生的随机数B进行读取，并判断当前读取的随机数B是否与之前已存储的随机数存在重复，若当前的随机数B与已经存储的随机数中至少一个重复，则返回步骤403，生成下一个随机数；否则，当前的随机数B与之前存储的不存在重复，则转入步骤406。

步骤406，存储转入该步骤的当前随机数B，并对计数器n进行加1运算。

步骤407，对计数器的计数值与度值d进行判断，判断n<d是否成立。若成立，则返回步骤403，并重复进行，以获取新的符合上述步骤405中判断条件的随机数。若不成立，则转入步骤408。

步骤408.，将经步骤407后存储的与度值数量相同的d个不同的随机数作为地址随机数输出，并清空存储的d随机数。并利用该地址随机数读取输入的信息符号，并对信息符号进行编码后输出编码符号。

尽管图4中未示出，但是作为对应于上述步骤407～408的替换方式，可在每次获取符合步骤405条件的随机数后，则转入步骤408，并在步骤408中作为地址随机数属于以用于读取信息符号，并进行编码。而在步骤408中，则在计数器达到度值d时，对存储的用于比较d个随机数进行清空。这样，不同于图4中所示出的地址随机数输出方式，可在获取每个符合条件的随机数时，立即产生地址随机数，从而提高对信息符号的读取和编码效率。

结合图5，对本发明喷泉码编码装置进行说明。其中，图5为喷泉码编码装置示意图。

参考图5，该喷泉码编码装置，可包括，度值生成模块，配置为根据第一伪随机序列生成度值d，地址生成模块，配置为根据输入的第二伪随机序列及度值d，产生与度值d数量相同的多个不同的随机数，作为地址随机数。信息缓存模块，配置为利用地址随机数，对输入并缓存的信息符号进行读取并输出以用于进行编码。

作为上述编码装置的扩展，还可进一步包括，随机数生成模块，配置为用于生成第一伪随机序列和第二伪随机序列，以及编码模块，配置为根据喷泉码编码定义对输入的信息符号进行编码获得并输出编码符号，其中对信息符号进行编码的操作可以是对信息符号进行异或的操作，但是并不限于该操作。

上述各模块内部的具体工作方式，可参考图1～图4中，用于产生对应功能的方法操作。

图6为本发明喷泉码译码装置示意图。该喷泉码译码装置与上述喷泉码编码装置相对应，用于在编码符号的接收端对编码符号进行译码从而还原出原始信息符号。

参考图6，该喷泉码译码装置，可包括，校验矩阵还原模块，配置为根据与地址随机数生成校验矩阵。译码模块，配置为根据生成的校验矩阵，对输入的编码符号进行译码，并输出信息符号。

在本发明实施例中，校验矩阵还原模块，可接收输入的地址随机数，该地址随机数的生成规则上述编码方法或装置中的生成规则相同。即，在该喷泉码译码装置中，还可包含用于进行译码的度值生成模块、地址生成模块，该度值生成模块和地址生成模块可用于配合产生与度值d数量相同的多个不同的随机数，并作为地址随机数输出至校验矩阵还原模块。

上述译码装置的实施例中，作为一种优选方式，校验矩阵还原模块，可将d个地址随机数作为校验矩阵对应行中的坐标，还原出校验矩阵的一行，对所有的编码符号执行以上操作，即还原出完整的校验矩阵；

译码模块，根据接收的编码符号和校验矩阵还原模块还原的校验矩阵，利用基于比特翻转的置信传播算法或基于符号与置信度的置信传播算法将信息符号还原并输出。

图7为与上述喷泉码译码装置相对应的喷泉码译码方法流程示意图。

参考图7，对编码符号进行译码的过程，可按下述步骤进行：

步骤701，产生随机数A，该伪随机数的产生方法可参考上述编码方法中的产生过程。

步骤702，根据随机数A生成度值d。在生成度值d时，同时设置计数器n，并令n=0。

步骤703，产生随机数B。

步骤704，对步骤702中设置的计数器进行判断，若n>0，则转入步骤705，否则，转入步骤706。

步骤705，对步骤703中产生的随机数B进行读取，并判断当前读取的随机数B是否与之前已存储的随机数存在重复，若当前的随机数B与已经存储的随机数中至少一个重复，则返回步骤703，生成下一个随机数；否则，当前的随机数B与之前存储的不存在重复，则转入步骤706。

步骤706，存储转入该步骤的当前随机数B，并对计数器n进行加1运算。；

步骤707，对计数器的计数值与度值d进行判断，判断n<d是否成立。若成立，则返回步骤703，并重复进行，以获取新的符合上述步骤705中判断条件的随机数。若不成立，则转入步骤708。

步骤708.将d个不同的随机数作为地址随机数，产生校验矩阵中新一行中1的位置，进而还原出校验矩阵中的一行，对所有编码符号执行该操作后，即还原出完整的校验矩阵。

步骤709，利用步骤708还原的校验矩阵，进行迭代译码运算，每次迭代运算完成，进入步骤710。

步骤710.判断是否满足迭代停止条件，若判断结果为是，则将译码结果输出，若判断结果为否，则返回步骤709。其中，迭代停止条件为满足以下二者之一：译码算法验证译码成功或迭代次数超出阈值。

上述图7所述译码过程中，步骤701～步骤707的具体操作与图4所示译码操作中步骤401～步骤407所对应的操作相同。从而根据步骤701～步骤707在步骤708中产生与编码操作相对应的校验矩阵。

虽然已经参照本发明的特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员将理解：在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可在其中做出形式和细节方面的各种改变。

Claims

1.一种喷泉码编码方法，其特征在于：

生成第一伪随机序列和第二伪随机序列；

利用所述第一伪随机序列生成度值；

利用所述第二伪随机序列产生与所述度值个数相同的多个不同的地址随机数；

利用所述地址随机数读取信息符号并用于编码输出。

2.一种喷泉码编码装置，其特征在于包括：

度值生成模块，配置为根据第一伪随机序列生成度值；

地址生成模块，配置为根据第二伪随机序列生成与所述度值个数相同的多个不同的地址随机数；

信息缓存模块，配置为利用所述地址随机数读取信息符号并用于编码输出。

3.如权利要求1所述喷泉码编码方法或权利要求2所述喷泉码编码装置，其特征在于：所述度值为以所述第一伪随机序列中的随机数为地址读取的预先存储的度值。

4.如权利要求1所述喷泉码编码方法或权利要求2所述喷泉码编码装置，其特征在于：所述度值为对第一伪随机序列的随机数经模k运算加1后生成，所述模k为编码分组中信息符号的个数。

5.如权利要求1所述喷泉码编码方法或权利要求2所述喷泉码编码装置，其特征在于：所述地址随机数为对所述第二伪随机序列中的随机数对k进行取模运算后得到。

6.一种喷泉码译码方法，其特征在于：生成第一伪随机序列和第二伪随机序列；

利用所述第一伪随机序列生成度值；

利用所述地址随机数产生用于译码的校验矩阵，其中，与所述度值个数相同的多个不同的地址随机数，用于产生所述校验矩阵的每一行；

利用所述校验矩阵对编码符号进行译码。

7.一种喷泉码译码装置，其特征在于，包括，

度值生成模块，配置为根据第一伪随机序列生成度值；

校验矩阵还原模块，配置为所述与所述度值个数相同的多个不同的地址随机数生成校验矩阵中的每一行，并还原校验矩阵；

译码模块，配置为利用所述校验矩阵对编码符号进行译码。

8.如权利要求6所述喷泉码译码方法或权利要求7所述喷泉码译码装置，其特征在于，所述度值为以所述第一伪随机序列中的随机数为地址读取的预先存储的度值。

9.如权利要求6所述喷泉码译码方法或权利要求7所述喷泉码译码装置，其特征在于，所述地址随机数为对所述第二伪随机序列中的随机数对k进行取模运算后得到。