CN105720993A - 一种短码长Raptor码构造方法 - Google Patents

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袁磊
万毅
李华安
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M13/00—Coding, decoding or code conversion, for error detection or error correction; Coding theory basic assumptions; Coding bounds; Error probability evaluation methods; Channel models; Simulation or testing of codes
    • H03M13/37—Decoding methods or techniques, not specific to the particular type of coding provided for in groups H03M13/03 - H03M13/35
    • H03M13/3761—Decoding methods or techniques, not specific to the particular type of coding provided for in groups H03M13/03 - H03M13/35 using code combining, i.e. using combining of codeword portions which may have been transmitted separately, e.g. Digital Fountain codes, Raptor codes or Luby Transform [LT] codes

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Abstract

本发明公开了无线通信系统中一种短码长Raptor码构造方法，首先在发送端根据实时性要求将信源信息划分为长度为K的信源比特信息块，然后用低码率纠错码对产生的信息块的K个信源比特进行预编码,产生中间比特，再对中间比特进行LT编码，其度分布采用具有中间比特恢复能力的ISRR度分布，最后发送到相应的传输信道中。在接收端，译码器采用置信传播算法译码成功后发送确认信号给发射机，发射机发送下一个信息块。本发明构造的Raptor码在短信息字长度时比传统方法构造的Raptor码具有更为优异的译码性能。

Description

一种短码长Raptor码构造方法
技术领域
本发明涉及一种在无线通信网络中构造Raptor码的新方法，属于通信编码技术领域。
背景技术
喷泉码是一种新型纠错码技术。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个信源比特编成半无穷编码比特序列进行发送。每一个接收点正确接收到K个编码比特（或者略大于K个编码比特）即可解出信源发送的K个信源比特。接收机正确译出所发送的K个信源比特后，即向发送端发送单次确认信号，结束此次通信。喷泉码最初是针对删除信道设计的，目前也已被扩展到了噪声信道中。LT码和Raptor码是目前最主要的两类喷泉码。相比于LT码，Raptor码能实现线性时间编译码复杂度。一种系统Raptor码已被3GPP组织的MBMS标准所采用，(见“ReliableMultimediaDownloadDeliveryinCellularBroadcastNetworks”,IEEETransactionsonBroadcasting，Vol.53,No.1,March2007)。
传统的Raptor码(见“RaptorCodes”，IEEETransactionsonInformationTheory,Vol.52,No.6,June2006)由高码率LDPC预编码（其码率一般大于0.9）和固定度分布的LT码级联构成，其在大的信息字长度情况下比较有效，但是，针对实时通信的需要，实际中经常需要在短的信息字长度情况下构造Raptor码，传统的Raptor码构造方法在短信息字长度情况下将导致整个译码性能严重恶化，研究适合短信息字长度的Raptor码构造方法是有必要的。
发明内容
本发明提出了一种短码长Raptor码构造方法，相比于传统方法构造的Raptor码，本发明方法构造的Raptor码在短码长时具有更为优异的译码性能。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的，其具体步骤如下：
步骤一、发射机根据实时性要求将信源信息划分为长度为K的信源比特信息块；
步骤二、用小于等于0.5的低码率纠错码对步骤一产生的信息块的K个信源比特进行预编码,产生中间比特。
传统的Raptor码构造方法采用高码率LDPC码做预编码（其码率一般大于0.9,码率越高译码性能越好）。当信息字长度比较短时，构造的高码率LDPC码（如用PEG算法构造，见“RegularandIrregularProgressiveEdge-GrowthTannerGraphs”，IEEETransactionsonInformationTheory,Vol.51,No.1,January2005）的校验矩阵将存在很多4环，大量4环的存在将导致高码率LDPC码的性能严重恶化。本发明用低码率LDPC码来改善短信息字长度时预编码的性能。
步骤三、对中间比特进行LT编码，其度分布采用具有中间比特恢复能力的ISRR度分布。
本发明进行LT编码时，不再采用传统的Raptor码固定度分布(见“RaptorCodes”，IEEETransactionsonInformationTheory,Vol.52,No.6,June2006)，如：
。
传统的Raptor码固定度分布存在“雪崩效应”（AvalancheEffect，见“FountainCodes”，IEEProceedingsofCommunications,Vol.152,No.6,December2005）。如果采用传统Raptor码度分布的LT码和低码率LDPC码级联构成Raptor码，由于“雪崩效应”，构造的Raptor码性能将严重恶化。因此，本发明提出LT码的度分布采用文章“OntheIntermediateSymbolRecoveryRateofRatelessCodes”（IEEETransactionsonCommunications,Vol.60,No.5,May2012）中提出的具有中间比特恢复能力的ISRR度分布，如。本发明提出低码率LDPC码和采用ISRR度分布的LT码级联构成Raptor码，在短信息字长度时（小于2000比特），相比于传统的Raptor码，本发明方法构造的码将有更好的译码性能。
步骤四、译码器采用置信传播（BeliefPropagation,BP）算法译码成功后发送确认信号给发射机，发射机发送下一个信息块。
本发明提供的新型Raptor码构造方法，能应用于实时无线通信系统中，相比于传统方法构造的Raptor码，本方法构造的Raptor码在短信息字长度情况下，具有更好的译码性能。
附图说明
图1为本发明的构造图；
图2为K=855时二进制删除信道下的仿真结果；
图3为K=855时AWGN信道下的仿真结果；
图4为K=1710时二进制删除信道下的仿真结果；
图5为K=4000时二进制删除信道下的仿真结果。
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。
一种短码长Raptor码构造方法，具体步骤如下：
步骤一、对信源数据分块传输，每个数据块由K个信源比特构成，K的大小取决于传输系统对实时性的要求，实时传输系统的K值较小。
步骤二、对数据块的K个信源比特采用低码率（小于等于0.5）的LDPC码进行预编码，产生K+M个中间比特（其中M个中间比特为LDPC码的校验比特）。
步骤三、对预编码产生的中间比特进行LT编码。LT码采用具有中间比特恢复能力的ISRR度分布，产生Raptor码的编码比特。
步骤四、编码比特发送到相应的信道进行传输。
步骤五、接收机接收到足够多的Raptor编码比特后，采用全局迭代BP译码算法译码，(见“Fixed-RateRaptorCodesOverRicianFadingChannels”,IEEETransactionsonVehicularTechnology，Vol.57,No.6,November2008)。译码成功后发送确认信号，发射机接收到确认信号后发送下一个信息块。
实施例1，一种短码长Raptor码构造方法，具体步骤如下：
步骤一、对传输的信源数据进行分块传输，每个数据块包含855个比特。
步骤二、采用码率0.5的（3,6）规则LDPC码（其校验矩阵由PEG算法生成）对855个信源比特进行预编码，产生1710个中间比特。
步骤三、对步骤二得到的中间比特采用ISRR度分布进行LT编码，得到Raptor码的编码比特。
步骤四、编码比特发送到二进制删除信道进行传输。
步骤五、接收机接收到足够多的Raptor码的编码比特后，采用全局迭代删除BP译码算法译码。译码成功后发送确认信号，发射机接收到确认信号后发送下一个信息块。
传统的Raptor码由码率0.95的（3,60）规则LDPC码和采用度分布的LT码级联构成。我们也给出了由码率0.5的（3,6）规则LDPC码和采用度分布的LT码级联构成的Raptor码的性能。按照实施例的过程我们进行了1000000次仿真，图2为仿真结果。相比于传统构造方法，本发明提出的构造方法在K为855的短信息字长度情况下，要到达给定的比特删除率10-3，需要较少的译码开销。译码开销表示接收机收到()K个Raptor码的编码比特开始译码。在上述三种Raptor码中，低码率的（3,6）规则LDPC码和采用度分布的LT码级联构成的Raptor码的性能最差。
实施例2，一种短码长Raptor码构造方法，具体步骤如下：
步骤一、对传输的信源数据进行分块传输，每个数据块包含855个比特。
步骤二、采用码率0.5的（3,6）规则LDPC码（其校验矩阵由PEG算法生成）对855个信源比特进行预编码，产生1710个中间比特。
步骤三、对步骤二得到的中间比特采用ISRR度分布进行LT编码，得到Raptor码的编码比特。
步骤四、编码比特经过BPSK调制发送到方差为0.5的AWGN信道进行传输。
步骤五、接收机接收到足够多的Raptor编码比特后，采用全局迭代软BP译码算法译码。译码成功后发送确认信号，发射机接收到确认信号后发送下一个信息块。
传统的Raptor码由码率0.95的（3,60）规则LDPC码和采用度分布的LT码级联构成。按照实施例的过程我们进行了1000000次仿真，图3为仿真结果。在AWGN信道下，相比于传统方法构造的Raptor码，本发明方法构造的Raptor码在短信息字长度情况下，需要较少的译码开销就可以达到指定的比特错误率10-3。
实施例3，一种短码长Raptor码构造方法，具体步骤如下：
步骤一、对传输的信源数据进行分块传输，每个数据块包含1710个比特。
步骤二、采用码率0.5的（3,6）规则LDPC码（其校验矩阵由PEG算法生成）对1710个信源比特进行预编码，产生3420个中间比特。
步骤三、对步骤二得到的中间比特采用ISRR度分布进行LT编码，得到Raptor码的编码比特。
步骤四、编码比特发送到二进制删除信道进行传输。
步骤五、接收机接收到足够多的Raptor编码比特后，采用全局迭代删除BP译码算法译码。译码成功后发送确认信号，发射机接收到确认信号后发送下一个信息块。
传统的Raptor码由码率0.95的（3,60）规则LDPC码和采用度分布的LT码级联构成。按照实施例的过程我们进行了1000000次仿真，图4为仿真结果。相比于传统构造方法，本发明提出的构造方法在K不超过2000的短信息字长度情况下，要到达一个给定的比特删除率10-3，需要较少的译码开销。
实施例4，一种短码长Raptor码构造方法，具体步骤如下：
步骤一、对传输的信源数据进行分块传输，每个数据块包含4000个比特。
步骤二、采用码率0.5的（3,6）规则LDPC码（其校验矩阵由PEG算法生成）对4000个信源比特进行预编码，产生8000个中间比特。
步骤三、对步骤二得到的中间比特采用ISRR度分布进行LT编码，得到Raptor码的编码比特。
步骤四、编码比特发送到二进制删除信道进行传输。
步骤五、接收机接收到足够多的Raptor编码比特后，采用全局迭代删除BP译码算法译码。译码成功后发送确认信号，发射机接收到确认信号后发送下一个信息块。
传统的Raptor码由码率0.95的（3,60）规则LDPC码和采用度分布的LT码级联构成。按照实施例的过程我们进行了1000000次仿真，图5为仿真结果。相比于传统构造方法，本发明提出的构造方法在K大于4000的信息字长度情况下，要到达一个给定的比特删除率10-3，需要较多的译码开销。因此，本发明提出的构造方法仅在短信息字长度情况下优于传统方法构造的码。

Claims (1)

1.一种短码长Raptor码构造方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、发射机根据实时性要求将信源信息划分为长度为K的信源比特信息块；
步骤二、用小于等于0.5的低码率纠错码对步骤一产生的信息块的K个信源比特进行预编码,产生中间比特；
步骤三、对中间比特进行LT编码，其度分布采用具有中间比特恢复能力的ISRR度分布；
步骤四、译码器采用置信传播算法译码成功后发送确认信号给发射机，发射机发送下一个信息块。
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