CN104994388B - 改进的不等差错保护喷泉码构造方法 - Google Patents

改进的不等差错保护喷泉码构造方法 Download PDF

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Abstract

一种改进的不等差错保护喷泉码构造方法，具体步骤为：步骤一、对多媒体信源进行分层编码；步骤二、对基本层和增强层数据采用不同码率的低率LDPC码进行编码产生相应的虚拟扩展分组；数据重要性越高，其对应的LDPC码率越低；步骤三、直接对步骤二得到的虚拟扩展分组采用ISRR度分布进行LT编码，得到编码分组，完成编码过程。本发明通过改进传统的虚拟扩展喷泉码构造方法而减少编译码复杂度的同时能够取得很好的译码性能。

Description

改进的不等差错保护喷泉码构造方法
技术领域
本发明涉及一种在通信网络中实现可靠多媒体传输的新方法，属于通信编码技术领域。
背景技术
在多媒体数据广播中，通常采用对数据进行分层编码的方式来减少信道错误对接收数据完整性的破坏，如可伸缩性视频编码(Svalable Video Coding,SVC)方案，(见“Overview of Scalable Video Coding Extension of the H.264/AVC Standard”,IEEETransactions on Circuits and Systems for Video Technology，Vol.17,No.9,September 2007)。该编码方案将数据分成若干层进行传输，基本层(Base Layer)数据提供一个基本的图像质量，增强层(Enhancement Layer)数据在基本层数据基础上通过增量的方式对图像质量进行改善。这样，接收机就可根据信道质量接收不同层数的数据。
喷泉码是一种应用于删除信道的纠删码技术。喷泉码的典型应用包括组播和广播业务、分布式网络存储等。喷泉码的基本思想是，在发送端使用无比率编码方法将K个信源分组编成半无穷编码分组序列进行发送。每一个接收点正确接收到K个编码分组(或者略大于K个编码分组)即可解出原发送的K个信源分组。接收机正确译出所发送的K个信源分组后，即向发送端发送单次确认信号，结束此次通信。目前，一种系统Raptor码已被3GPP组织的MBMS标准所采纳。
在采用SVC方案的视频文件传输中，部分数据需要更高的可靠性，传统的喷泉码只能提供等差错保护(EqualError Protection,EEP)特性,其已不能满足SVC方案的视频传输需求，这时需要研究具有不等差错保护(Unequal Error Protection,UEP)特性的喷泉码。Rahnavard等人在文章“Rateless codes with unequal error protection property”(IEEE Transactions on Information Theory,Vol.53,No.4,April 2007)中提出了加权类UEP喷泉码。随后Sejdinovic等人又提出了一种更加灵活新颖的UEP喷泉码设计方法，这种码被命名为扩展窗喷泉(Expanding Window Fountain,EWF)码(见“Expanding WindowFountain Codes for Unequal Error Protection”，IEEE Transactions onCommunications,Vol.57,No.9,September 2009)。2011年，Ahmad等人提出了一种虚拟扩展喷泉码(见“Unequal Error Protection Using Fountain Codes With Applications toVideo Communication”,IEEE Transactions on Multimedia,Vol.13,No.1,February2011)来实现UEP的性能，仿真结果显示此种码性能优于加权类UEP喷泉码和EWF码，但是其编译码复杂度高于其他两种方案。
传统的虚拟扩展喷泉码方法为假定有K个信源分组要在删除信道中传输，信源分组根据要求的保护级别被划分成了r类，其大小分别为s1,s2,L,sr，其中s1+s2+L+sr＝K。最前面的s1个信源分组代表最重要的信息，紧接着的s2个信源分组代表第二级别重要信息，依次类推得到r类，即如果i＞j的话，则si的重要性高于sj。对每个si安排一个虚拟扩展因子RFi，如果i＞j，则RFi＞RFj来实现UEP，在获得虚拟扩展源后，再通过另一个整数扩展因子EF对前面得到的虚拟扩展源进行进一步的扩展，从而达到改善整个码性能的目的，最后，其编码过程按照原始的LT码过程进行编码，其度分布为鲁棒孤波(Robust Soliton)分布。附图1展示了一个r＝2、RF1＝2、RF2＝1和EF＝2的虚拟扩展喷泉码示例。
发明内容
本发明提供了一种改进的不等差错保护喷泉码构造方法，通过改进传统的虚拟扩展喷泉码构造方法而减少编译码复杂度的同时能够取得很好的译码性能。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的，
一种改进的不等差错保护喷泉码构造方法，具体步骤如下：
步骤一、对多媒体信源进行分层编码；
如对一段视频信号采用SVC方案进行编码，产生一个基本层数据和若干个增强层数据；
步骤二、对基本层和增强层数据采用不同码率的低率LDPC码进行编码产生相应的虚拟扩展分组；数据重要性越高，其对应的LDPC码率越低；
步骤三、直接对步骤二得到的虚拟扩展分组采用ISRR度分布进行LT编码，得到编码分组，完成编码过程。
传统虚拟扩展喷泉码的虚拟扩展因子RFi只能是整数，而且由于虚拟扩展过程相当于重复编码，其编码性能较差，本发明采用LDPC码进行虚拟扩展，其性能优于重复码，并且本发明采用LDPC码进行虚拟扩展能够使得RFi为任意实数值，显然本发明设计更加灵活方便。如果信源分组si的重要性高于sj，则si对应的LDPC码率Ri必须低于sj对应的LDPC码率Rj，si对应的LDPC码率Ri为1/RFi。
不同于传统虚拟扩展喷泉码，本发明不再进行整数扩展因子EF的二次扩展。不同于传统虚拟扩展喷泉码，本发明进行LT编码时，不再采用Robust Soliton度分布，而是采用了Talari等人在文章“On the Intermediate Symbol Recovery Rate of RatelessCodes”(IEEE Transactions onCommunications,Vol.60,No.5,May 2012)中提出的具有很好的中间分组恢复能力的ISRR度分布。本发明之所以不采用整数扩展因子EF进行二次扩展的原因为：通过理论分析和仿真发现如果采用固定度分布进行LT编码，整数扩展因子EF＞1将会恶化整个码的性能，而ISRR度分布正是一种固定度分布，所以整数扩展因子EF＞1导致译码性能恶化。图2通过仿真验证了EF＝2时传统EEPLT码性能差于EF＝1时的EEP LT码，其中横坐标表示接收机收到(1+ε)K(其中，K＝4000信源分组)个编码分组，ε称为译码开销，纵坐标表示译码后的比特错误率(Bit ErrorRate,BER),ISRR度分布为Ω1(x)＝0.1452x+0.8548x2。由于ISRR度分布是一种固定度分布，其平均度值远小于Robust Soliton度分布的平均度值，所以本发明的编译码复杂度远低于传统虚拟扩展喷泉码，能实现线性时间编译码。
本发明有益效果：
附图3展示了一个r＝2、R1＝1/RF1＝1/2、R2＝1/RF2＝1的改进UEP喷泉码构造方法示例。经此方法处理，与传统虚拟扩展喷泉码相比，本方法不仅能降低编译码复杂度，而且能够获得更好的译码性能。传统虚拟扩展喷泉码采用Robust Soliton度分布，其编译码复杂度不是随着信源分组数目K线性增大，而采用ISRR度分布，由于其是一种最大度值较小，且其最大度值不随信源分组数目K变化的固定度分布，从而能够实现线性时间编译码。本发明也未采用文章“Raptor Codes”(IEEE Transactions onInformation Theory,Vol.52,No.6,June 2006)中给出的固定度分布，此种固定度分布虽然能够实现线性时间编译码，但是不具有很好的中间分组恢复能力，从而使得其在本发明提出的方法中具有比较差的性能,见图4所示。图4中的RaptorCodes度分布Ω2(x)为：
Ω2(x)＝0.007969x+0.49357x2+0.16622x3+0.072646x4+0.082558x5
+0.056058x8+0.037229x9+0.05559x19+0.025023x65+0.003135x66
由于Ω2(x)也是固定度分布，所以整数扩展因子EF＞1同样也导致译码性能恶化，见图2。本发明利用性能优异的LDPC码取代重复码实现UEP，从而使得本发明能在保证低编译码复杂度的同时，取得优异的性能。图4的仿真条件为，r＝2，MIB代表s1＝400个基本层信源分组，LIB代表s2＝3600个增强层信源分组，采用度分布Ω2(x)的改进方案的MIB性能优于传统虚拟扩展喷泉码的MIB性能，采用度分布Ω1(x)的改进方案的MIB性能优于采用度分布Ω2(x)的改进方案的MIB性能。
利用本发明生成的UEP喷泉码对所有采用分层编码方案的信源都能起到很好的保护作用。
附图说明
图1为传统虚拟扩展喷泉码的图示；
图2为验证整数扩展因子EF性能的仿真结果；
图3为本发明构造方法图示；
图4为两类保护级别情况下，本发明与各种编码方案性能仿真结果；
图5为三类保护级别情况下，本发明提出的UEP喷泉码的仿真结果；
图6为四类保护级别情况下，本发明提出的UEP喷泉码的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种改进的不等差错保护喷泉码构造方法，具体步骤如下：
步骤一、对一段视频进行SVC分层编码，产生一个基本层数据D1比特和一个增强层数据D2比特。
步骤二、对基本层和增强层数据采用不同码率的LDPC码编码产生中间虚拟分组
将每m个比特组成一个信源分组，基本层数据组成s1个基本层信源分组，同理，增强层数据得到s2个增强层信源分组，然后根据UEP性能需要将这s1和s2个信源分组分别进行码率为R1和R2的LDPC编码。因为基本层数据重要性高于增强层数据，所以R1＜R2。
步骤三、对步骤二得到的虚拟分组采用ISRR度分布进行LT编码，得到编码分组,ISRR度分布为Ω1(x)＝0.1452x+0.8548x2。
实施例1
一种改进的不等差错保护喷泉码构造方法，具体步骤如下：
步骤一、对一段视频进行H.264编码，产生一个基本层数据160000比特和一个增强层数据1360000比特。
步骤二、对基本层和增强层数据采用不同码率的LDPC码编码产生中间虚拟分组
将每400个比特组成一个信源分组，基本层数据组成400个信源分组，采用码率R1＝1/2的规则(3,6)LDPC码进行编码，同理，增强层数据得到3400个信源分组，采用码率R2＝1的LDPC码进行编码，即增强层数据不编码。
步骤三、对步骤二得到的虚拟分组采用ISRR度分布进行LT编码，得到编码分组。ISRR度分布为Ω1(x)＝0.1452x+0.8548x2。
步骤四、接收机通过置信传播译码算法恢复原始视频信息。
按照实施例1的过程我们进行了10000次仿真，采用ISRR度分布Ω1(x)的改进UEP喷泉码构造方法在ε＝-0.16时就能使得MIB的BER小于10-2，而采用Raptor码度分布Ω2(x)的改进UEP喷泉码构造方法和传统的虚拟扩展喷泉码构造方法则需要在ε＝0.18时才能使得基本层信源分组的BER小于10-2。由此可见，本发明具有更好的基本层信源分组译码性能。采用ISRR度分布Ω1(x)的改进UEP喷泉码构造方法会恶化增强层信源分组的译码性能，可以通过降低码率R2来改善增强层信源分组的译码性能。
实施例2
一种改进的不等差错保护喷泉码构造方法，具体步骤如下：
步骤一、对一段视频进行H.264编码，产生一个基本层数据160000比特和两个增强层数据1360000比特，其中第一个增强层数据为120000比特，第二个增强层数据为1240000比特。
步骤二、对基本层和增强层数据采用不同码率的LDPC码编码产生中间虚拟分组
将每400个比特组成一个信源分组，基本层数据组成400个信源分组，采用码率R1＝1/3的规则(4,6)LDPC码进行编码，同理，第一个增强层数据得到300个信源分组，采用码率R2＝1/2的规则(3,6)LDPC码进行编码，第二个增强层数据得到3100个信源分组，采用码率R3＝1的LDPC码进行编码，即不编码。
步骤三、对步骤二得到的虚拟分组采用ISRR度分布进行LT编码，得到编码分组。ISRR度分布为Ω1(x)＝0.1452x+0.8548x2。
步骤四、接收机通过置信传播译码算法恢复原始视频信息。
按照实施例2的过程我们进行了10000次仿真，图5为其仿真的比特错误率结果。由图5可以看出，本发明构造的UEP喷泉码对基本层和第一个增强层数据只需要很少的译码开销就能成功译码，本发明构造的喷泉码有很明显的UEP特性。
实施例3
一种改进的不等差错保护喷泉码构造方法，具体步骤如下：
步骤一、对一段视频进行H.264编码，产生一个基本层数据160000比特和三个增强层数据1360000比特，其中第一个增强层数据为120000比特，第二个增强层数据为70000比特，第三个增强层数据为1170000比特。
步骤二、对基本层和增强层数据采用不同码率的LDPC码编码产生中间虚拟分组
将每400个比特组成一个信源分组，基本层数据组成400个信源分组，采用码率R1＝1/4的规则(3,4)LDPC码进行编码，同理，第一个增强层数据得到300个信源分组，采用码率R2＝1/3的规则(4,6)LDPC码进行编码，第二个增强层数据得到175个信源分组，采用码率R3＝1/2的规则(3,6)LDPC码进行编码，第三个增强层数据得到2925个信源分组，采用码率R4＝1的LDPC码进行编码，即不编码。
步骤三、对步骤二得到的虚拟分组采用ISRR度分布进行LT编码，得到编码分组。ISRR度分布为Ω1(x)＝0.1452x+0.8548x2。
步骤四、接收机通过置信传播译码算法恢复原始视频信息。
按照实施例3的过程我们进行了10000次仿真，图6为其仿真的比特错误率结果。由图6可以看出，本发明构造的UEP喷泉码对基本层和前两个增强层数据只需要很少的译码开销就能成功译码，第三个增强层数据需要较大的译码开销来实现成功译码。

Claims (1)

1.一种改进的不等差错保护喷泉码构造方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、对多媒体信源进行分层编码
如对一段视频信号采用SVC方案进行分层编码，产生一个基本层数据和若干个增强层数据；
步骤二、对基本层和增强层数据采用不同码率的低率LDPC码进行编码产生相应的虚拟扩展分组；数据重要性越高，其对应的LDPC码率越低；
步骤三、直接对步骤二得到的虚拟扩展分组采用ISRR度分布进行LT编码，得到编码分组，完成编码过程。
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