CN103944678A - 一种带反馈的具有不等差错保护能力的喷泉码的编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带反馈的具有不等差错保护能力喷泉码的编码方法。某些应用场景下有部分数据集需要优先译码。本发明方法首先采用伯努利随机试验，依序处理所有的输入符号；然后编码器以标准LT码的编码方法对输入符号开始编码；当译码器接收到的码字序号大于等于输入符号的个数时，将其恢复的高重要性数据的个数和低重要性数据的个数反馈给编码器；根据反馈信息设计高重要渐增度生成器取代标准度生成器对高重要性数据进行编码，设计低重要渐增度生成器取代标准度生成器对低重要性数据进行编码。本发明方法改进标准LT码的编码结构，对不同重要性的数据采用不同的编码方法，实现了对重要数据的优先恢复。

Description

一种带反馈的具有不等差错保护能力的喷泉码的编码方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体是信道编码中的纠删码领域，涉及一种具有不等差错保护能力的喷泉码的编码方法。

背景技术

随着时代的不断发展，通信业务需求的多样化成为未来的主要趋势。电子邮件、即时通信服务、电话会议，以及移动多媒体通信等其他各种业务都取得了迅速的发展。为满足不同的网络应用场景下，用户对数据传输可靠性和有效性的要求，编码算法必须更加高效、简单、灵活。同时业务需求的多样性也导致各项业务的数据在即时性、可靠性等方面有不同的需求，而针对不同等级的付费用户也需要有差别的服务质量，因此为数据提供不等差错的保护将是编码技术的一个重要发展方向。

不等差错保护编码的概念最初由Masnick等人与1967提出，其主要核心思想在于将数据符号的重要性纳入编码考虑，依据数据符号的不同重要程度，而对其提供不同的信道差错控制机制，即对重要数据提供更多的保护。UEP编码虽然会降低对非重要数据的保护程度，但对整个系统的抗误码性能有重要的提升。传统的UEP编码一般采用不同码率的编码对不同重要程度的数据符号进行编码，即给重要数据提供更多的冗余，以提高其译码成功的概率。然而对于这种编码方式，码率的不同导致各个编码的生成方式存在差异，接收端无法使用一个译码器对其进行译码，这会大大增加系统设计的复杂度和成本。

相对于传统的编码方式，数字喷泉码本身就具有实现不等差错保护的能力，并且只需要单一的编译码器即可实现，极大的简化了系统结构。

发明内容

本发明的目的是基于存在反馈信道这一事实，设计一种带反馈的不等差错保护数字喷泉码的编码方法。该方法能够有效的利用少量的反馈信息来降低恢复重要数据的译码开销，实现了对其的优先恢复，同时也基本保证了非重要数据的传输可靠性。

本发明方法中带反馈的不等差错保护数字喷泉码是指编码器将全部输入符号分为高重要性数据符号(Most Important Bits,MIB)和低重要性数据符号(Least Important Bits,LIB)两种类型，其中MIB符号为需要优先译码的符号，LIB符号为全部输入符号中除MIB符号外的其他输入符号。利用本方法，在实时译码的条件下，译码器只需要通过接收前面一部分码字符号就可以较快的恢复出较多的重要数据信号。

本发明的喷泉码的编码方法具体步骤是：

步骤(1)：编码器将全部输入符号分为高重要性数据符号(MostImportant Bits,MIB)和低重要性数据符号(Least Important Bits,LIB)两种类型，其中MIB符号为需要优先译码的符号，LIB符号为全部输入符号中除MIB符号外的其他输入符号；对每一个MIB符号做一次参数为λ_M的伯努利随机试验，对每一个LIB符号做一次参数为λ_L的伯努利随机试验；对于每一次试验，如果试验结果成功，则将这一个输入符号通过一次复制的符号操作，赋值给下一个码字符号传输给译码器，如果试验结果不成功，不做任何操作，其中λ_M≥λ_L；直到全部输入符号均被处理，这一阶段的编码过程结束；

步骤(2)：编码器以标准LT码的编码方法对MIB符号进行编码操作，具体步骤是：

a1.由标准度生成器中随机产生一个度s；

b1.从所有k个MIB符号中随机的选取s个输入符号；

c1.将所有s个输入符号异或在一起，作为一个码字，该码字的编号为k；

d1.标准度生成器不断随机产生新的度，重复步骤b1和c1，生成的码字从k+1开始编号；

步骤(3)：当译码器接收到一个码字，其序号大于等于k时，即向编码器反馈其已恢复的MIB符号个数m_M和LIB符号个数m_L；编码器在接收到这一反馈信息后，停止步骤(2)，同时利用值m_M和m_L在MIB符号集合的基础上产生高重要渐增度生成器以取代LT码的标准度生成器；

所述的高重要渐增度生成器产生方法具体是：

①从LT码的标准度生成器中产生一个度d；

②渐增的常数增量α从零开始，在渐增度生成器开始工作之后，每产生ω_M,α个码字，α的值加1；

${\mathrm{\ω}}_{M,\mathrm{\α}}=b_M\frac{({\mathrm{\π}}_{M}k-m_M)\ln \left({\mathrm{\π}}_{M}k\right){\mathrm{\π}}_{M}k}{d_{{\mathrm{\ω}}_{M,\mathrm{\α}}}}\·\frac{{\mathrm{\λ}}_M{\mathrm{\π}}_{M}k+{\mathrm{\λ}}_L{\mathrm{\π}}_{L}k}{m_M+m_L}---\left(1\right)$

其中π_M为输入符号中MIB符号所占的比例，π_L为输入符号中LIB符号所占的比例，b_M为窗口调整系数，为每一个窗口中码字符号的度数，

${d_{\mathrm{\ω}}}_{M,\mathrm{\α}}=\underset{i=1}{\overset{{\mathrm{\π}}_{M}k}{\mathrm{\Σ}}}i\·\mathrm{\μ}\left(i\right)+\mathrm{\α}---\left(2\right)$

式中μ(i)为两个孤子分布标准化得到健壮性的孤子分布，两个孤子分布分别为ρ(i)和τ(i)；

$\mathrm{\ρ}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}1/k& i=1\\ 1/i(i-1)& i=\mathrm{2,3},\·\·\·,k\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\mathrm{\τ}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}R/\mathrm{ik}& i=\mathrm{1,2},\·\·\·,k/R-1\\ R\ln (R/\mathrm{\δ})/k& i=k/R\\ 0& i=k/R+1,\·\·\·,k\end{array}\right.---\left(4\right)$

公式中ρ(i)为理想孤子分布，τ(i)为调整孤子分布；i表示度的取值，R表示度为1的码字个数的期望值，其中c为调整系数，1＞c＞0,δ为允许的译码器译码失败的概率；

将以上两个孤子分布标准化得到健壮性的孤子分布μ(i)：

$\mathrm{\μ}\left(i\right)=(\mathrm{\ρ}\left(i\right)+\mathrm{\τ}\left(i\right))/{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k(\mathrm{\ρ}\left(i\right)+\mathrm{\τ}\left(i\right))---\left(5\right);$

③从高重要渐增度生成器中得到度d′，d′＝d+α；

步骤(4)：编码器基于高重要渐增度生成器对MIB符号进行编码操作，具体步骤是：

a2.由高重要渐增度生成器中产生一个度s′；

b2.从所有k个MIB符号中随机的选取s′个输入符号；

c2.将所有s′个输入符号异或在一起，作为一个码字；

d2.高重要渐增度生成器不断产生新的度，重复步骤b2和c2，生成n_M个码字后这一阶段的编码过程结束；n_M是基于具体信道条件估计的译码器对所有MIB符号成功译码需要的符号个数；

步骤(5)：利用已恢复的LIB符号个数m_L在LIB符号集合的基础上产生低重要渐增度生成器以取代LT码的标准度生成器；

步骤(6)：编码器以基于低重要渐增度生成器对LIB符号进行编码操作，具体步骤是：

a3.由低重要渐增度生成器中产生一个度s′′；

b3.从所有k′个LIB符号中随机的选取s′′个输入符号；

c3.从MIB符号中随机选取τs′′π_M/π_L个符号，其中τ为常数；

d3.将步骤b3和步骤c3中选取的所有符号异或在一起，作为一个码字发送给译码器；

e3.低重要渐增度生成器不断产生新的度，重复步骤a3、b3、c3、d3，直到译码器返回译码成功信息为止；

所述的低重要渐增度生成器和高重要渐增度生成器产生方法相同。

本发明方法相较于标准LT码的编码结构，只引入一次反馈，以极小的代价，在保证编码有效性的前提下，降低了恢复重要数据的译码开销，实现了对其的优先恢复，同时也基本保证了非重要数据的传输可靠性。

附图说明

图1为标准LT码的编码结构(以k₁=5为例)。

图2为图1中的标准LT码的解码过程。

图3为带反馈的不等差错数字喷泉码的编码结构(以k₂=7，3个MIB符号，4个LIB符号为例)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

图1所示为标准LT码的编码方法示意图，以输入符号个数，k₁=5，为例。

编码器的操作具体是：

(1)基于健壮性的孤子分布从标准度生成器中随机选取一个度，s₁。如图1中的第一个码字，其取到的度为2；

(2)从输入符号中随机选取s₁个输入符号,如图1中选择了输入符号0和2；

(3)将选取的输入符号全部异或，得到第一个码字，并给此码字编号0。如图1中的第一个码字，由输入符号0和2相异或得到；

(4)标准度生成器不断产生新的度，重复步骤(2)和(3)，生成的码字从1开始编号。

译码器不断接收码字，当接收码字个数达到某一个约定的数目(比如1.2×k个)时，即可开始解码，图2所示为对图1中编码的解码过程：

(1)搜索所有码字，找到度为1的码字，则与其相关联的输入符号可迅速恢复，如图2(a)中，度为1的码字为2和4，则其相关联的输入符号4和1可直接恢复；

(2)在其他剩余的码字中找出与(1)中恢复的输入符号相关联的码字，并将这些输入符号通过异或操作从码字中删除，如图2(b)中，从码字3中可以通过异或操作删除码字3和输入符号1、4之间的关联。

(3)重复步骤(1)和(2)，直到不存在度为1的码字或者全部输入符号均解码成功为止。

若不存在度为1的码字，并且至少还有1个输入符号未解码，说明此次解码失败，还需要接收更多的码字才能解码成功。而在所有输入符号均译码成功后，译码器反馈给编码器一个译码成功的信息，编码器结束这一块数据的编码。

图3所示为本发明的编码方法的示意图，以输入符号个数k₂=7，其中3个MIB符号，4个LIB符号为例。编码器的操作具体是：

步骤(1)：编码器对每一个MIB符号做一次参数为λ_M的伯努利随机试验，对每一个LIB符号做一次参数为λ_L的伯努利随机试验；对于每一次试验，如果试验结果成功，则将这一个输入符号通过一次复制的符号操作，赋值给下一个码字符号传输给译码器，如果试验结果不成功，不做任何操作，其中λ_M≥λ_L；直到全部输入符号均被处理，这一阶段的编码过程结束；

如图3中，输入符号0，2，5作为码字被直接发送给译码器，对应的码字序号分别为0，2，5

步骤(2)：编码器以标准LT码的编码方法对MIB输入符号进行编码操作，具体步骤是：

a1.由标准度生成器中随机产生一个度s；

b1.从所有k个MIB符号中随机的选取s个输入符号；

c1.将所有s个输入符号异或在一起，作为一个码字，该码字的编号为k；

d1.标准度生成器不断随机产生新的度，重复步骤b1和c1，生成的码字从k+1开始编号；

如图3中，码字6为步骤（2）生成的码字；

步骤(3)：当译码器接收到一个码字，其序号大于等于k时，即向编码器反馈其已恢复的MIB符号个数m_M和LIB符号个数m_L；编码器在接收到这一反馈信息后，停止步骤(2)，同时利用值m_M和m_L在MIB符号集合的基础上产生高重要渐增度生成器以取代LT码的标准度生成器；

如图3中，生成码字6之后产生高重要渐增度生成器；

步骤(4)：编码器基于高重要渐增度生成器对MIB输入符号进行编码操作，具体步骤是：

a2.由高重要渐增度生成器中产生一个度s′；

b2.从所有k个MIB符号中随机的选取s′个输入符号；

c2.将所有s′个输入符号异或在一起，作为一个码字；

d2.高重要渐增度生成器不断产生新的度，重复步骤b2和c2，生成n_M个码字后这一阶段的编码过程结束；n_M是基于具体信道条件估计的译码器对所有MIB符号成功译码需要的符号个数；

如图3中，码字7为步骤（4）生成的码字；

步骤(5)：利用已恢复的LIB符号个数m_L在LIB符号集合的基础上产生低重要渐增度生成器以取代LT码的标准度生成器；

步骤(6)：编码器以基于低重要渐增度生成器对LIB输入符号进行编码操作，具体步骤是：

a3.由低重要渐增度生成器中产生一个度s′′；

b3.从所有k′个LIB符号中随机的选取s′′个输入符号；

c3.从MIB符号中随机选取τs′′π_M/π_L个符号，其中τ为常数；

d3.将步骤b3和步骤c3中选取的所有符号异或在一起，作为一个码字发送给译码器；

e3.低重要渐增度生成器不断产生新的度，重复步骤a3、b3、c3、d3，直到译码器返回译码成功信息为止；

如图3中，码字8，9为步骤（6）生成的码字。

本发明中的编码方法的解码过程与标准LT码的解码过程相同。

Claims (1)

1.一种带反馈的具有不等差错保护能力的喷泉码的编码方法，其特征在于该方法具体步骤是：

步骤(1)：编码器将全部输入符号分为MIB符号和LIB符号，其中MIB符号为需要优先恢复的高重要性数据符号，LIB符号为低重要性数据符号，是全部输入符号中除MIB符号外的其他输入符号；对每一个MIB符号做一次参数为λ_M的伯努利随机试验，对每一个LIB符号做一次参数为λ_L的伯努利随机试验；对于每一次试验，如果试验结果成功，则将这一个输入符号通过一次复制的符号操作，赋值给下一个码字符号传输给译码器，如果试验结果不成功，不做任何操作，其中λ_M≥λ_L；直到全部输入符号均被处理，这一阶段的编码过程结束；

步骤(2)：编码器以标准LT码的编码方法对MIB输入符号进行编码操作，具体步骤是：

a1、由标准度生成器中随机产生一个度s；

b1、从所有k个MIB符号中随机的选取s个输入符号；

c1、将所有s个输入符号异或在一起，作为一个码字，该码字的编号为k；

d1、标准度生成器不断随机产生新的度，重复步骤b1和c1，生成的码字从k+1开始编号；

步骤(3)：当译码器接收到一个码字，其序号大于等于k时，即向编码器反馈其已恢复的MIB符号个数m_M和LIB符号个数m_L；编码器在接收到这一反馈信息后，停止步骤(2)，同时利用值m_M和m_L在MIB符号集合的基础上产生高重要渐增度生成器以取代LT码的标准度生成器；

所述的高重要渐增度生成器产生方法具体是：

①从LT码的标准度生成器中产生一个度d；

②渐增的常数增量α从零开始，在渐增度生成器开始工作之后，每产生ω_M,α个码字，α的值加1；

${\mathrm{\ω}}_{M,\mathrm{\α}}=b_M\frac{({\mathrm{\π}}_{M}k-m_M)\ln \left({\mathrm{\π}}_{M}k\right){\mathrm{\π}}_{M}k}{d_{{\mathrm{\ω}}_{M,\mathrm{\α}}}}\·\frac{{\mathrm{\λ}}_M{\mathrm{\π}}_{M}k+{\mathrm{\λ}}_L{\mathrm{\π}}_{L}k}{m_M+m_L}---\left(1\right)$

其中π_M为输入符号中MIB符号所占的比例，π_L为输入符号中LIB符号所占的比例，b_M为窗口调整系数，为每一个窗口中码字符号的度数，

${d_{\mathrm{\ω}}}_{M,\mathrm{\α}}=\underset{i=1}{\overset{{\mathrm{\π}}_{M}k}{\mathrm{\Σ}}}i\·\mathrm{\μ}\left(i\right)+\mathrm{\α}---\left(2\right)$

式中μ(i)为两个孤子分布标准化得到健壮性的孤子分布，两个孤子分布分别为ρ(i)和τ(i)；

$\mathrm{\ρ}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}1/k& i=1\\ 1/i(i-1)& i=\mathrm{2,3},\·\·\·,k\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\mathrm{\τ}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}R/\mathrm{ik}& i=\mathrm{1,2},\·\·\·,k/R-1\\ R\ln (R/\mathrm{\δ})/k& i=k/R\\ 0& i=k/R+1,\·\·\·,k\end{array}\right.---\left(4\right)$

公式中ρ(i)为理想孤子分布，τ(i)为调整孤子分布；i表示度的取值，R表示度为1的码字个数的期望值，其中c为调整系数，1＞c＞0,δ为允许的译码器译码失败的概率；

将以上两个孤子分布标准化得到健壮性的孤子分布μ(i)：

$\mathrm{\μ}\left(i\right)=(\mathrm{\ρ}\left(i\right)+\mathrm{\τ}\left(i\right))/{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k(\mathrm{\ρ}\left(i\right)+\mathrm{\τ}\left(i\right))---\left(5\right)$

③从高重要渐增度生成器中得到的度d′，d′＝d+α；

步骤(4)：编码器以基于高重要渐增度生成器对MIB符号进行编码操作，具体步骤是：

a2、由高重要渐增度生成器中产生一个度s′；

b2、从所有k个MIB符号中随机的选取s′个输入符号；

c2、将所有s′个输入符号异或在一起，作为一个码字；

d2、高重要渐增度生成器不断产生新的度，重复步骤b2和c2，生成n_M个码字后这一阶段的编码过程结束；n_M是基于具体信道条件估计的译码器对所有MIB符号成功译码需要的符号个数；

步骤(5)：利用已恢复的LIB符号个数m_L在LIB符号集合的基础上产生低重要渐增度生成器以取代LT码的标准度生成器；

步骤(6)：编码器以基于低重要渐增度生成器对LIB符号进行编码操作，具体步骤是：

a3、由低重要渐增度生成器中产生一个度s′′；

b3、从所有k′个LIB符号中随机的选取s′′个输入符号；

c3、从MIB符号中随机选取τs′′π_M/π_L个符号，其中τ为常数；

d3、将步骤b3和步骤c3中选取的所有符号异或在一起，作为一个码字发送给译码器；

e3、低重要渐增度生成器不断产生新的度，重复步骤a3、b3、c3、d3，直到译码器返回译码成功信息为止；

所述的低重要渐增度生成器和高重要渐增度生成器产生方法相同。