CN106533614B - 一种基于部分信息反馈的分布式卢比变换编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于多信源单中继通信系统基于部分信息反馈的分布式卢比变换(LT)编码方法。使用该编码方法的通信系统，其接收端向发送端反馈已知信息包数n，每个信源获取反馈信息后根据n值同时调整分布式LT码编码分布并发送到中继端。中继端将各信源编码数据重构成一个优化的LT编码。在本发明方法中，接收端已经恢复部分信源信息，将已正确接收的部分信息状态反馈给信源，可以降低各信源发送端后续编码的不确定度，减少接收端恢复剩余信息所需的整体编码数据包数量，改进了传统分布式LT码的性能。
Description
技术领域
本发明涉及分布式通信系统的编码技术领域，尤其是一种基于部分信息反馈的分布式卢比变换编码方法。
背景技术
卢比变换码(Luby Transform Codes，简称LT码)是第一种高效实用的数字喷泉码，喷泉码主要机制为通过产生无码率限制的编码数据，只要在接收端获取到略多于原始数据数量的编码数据后就可以以极高的概率恢复出原传输数据，这种机制使得喷泉码特别适合于某些场景，如：无反馈链路的系统，广播多播数据，深空通信等。
删除信道可视作按包传输数据系统的网络层描述，Intemet就是删除信道的典型实例，其他通信系统，如现在发展最为迅速的移动通信系统，若下层(物理层)通过纠错编码或自动请求重传后仍然没能正确恢复所传输的数据包，此时就相当于将数据包删除，因此也可视作删除信道。
LT码的编码方案为若需要发送K个源数据包，首先通过一个度数分布函数，产生一个随机的度数值d，然后随机地从K个源数据包中选出d个，它们的异或值即为该编码数据包，且其度数为d；解码采用置信传播(BP)算法，首先从接收到的编码数据包中查找度数为1的数据包，恢复与之相连的唯一一个源数据包，将该源数据包异或加至与之相连的所有编码数据包，重复上述步骤，直至全部K个源数据包恢复。
LT码所采用的较优的度数分布为RSD(Robust Soliton Distrubution，鲁棒孤波分布)，能够达到在解码过程中度数为1的编码数据包的数量趋于合理，对于需要发送K个源数据包的情况，RSD函数为：
μ(d)＝[p(d)+τ(d)]/β，[d＝1，2，…，K/m]
其中β、ρ(d)和τ(d)分别为归一化因子、LT的理想孤波分布函数和修正函数，其中：
式中，c，δ为可调参数，满足c＞0，δ∈[0，1]；Z为每轮解码中度数为1的编码符号数。
分布式LT码所用的度数分布函数解卷积孤波函数qDSD(d)(DSD，DeconvolvedDolion Distribution)通过对RSD函数μ(d)反卷积分解获得，满足是可实现的，即在定义范围内不能有负数值；满足在中继经过简单操作(主要是异或)后，所得的编码数据包的度数分布近似于RSD函数，即文献“The Design andPerformance of Distributed LT Codes”中通过对RSD合理改动，使得分解之后的度数分布函数满足这两个条件，其构建过程如下：
首先将对RSD函数分解为两部分，其中，μ2(d)中包含了RSD中导致不能直接解卷积的部分，β2＝β-β1是归一化因子，
其中
对μ1(d)反卷积分解，得到
若令可以得到DSD函数为：
p(d)＝λf(d)+(1-λ)μ2(d)
但是这种方案的不足之处在于：如果接收端已经恢复部分信源信息，DSD中度数较低的度将会编出冗余的编码包，这无助于解码。而且接收端恢复出的信息包数越多，DSD越容易编出冗余的编码包，编码信息大大下降，所以这时需要对DSD进行改进。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，降低各信源发送端后续编码的不确定度，减少接收端恢复剩余信息所需的整体编码数据包数量，本发明提出一种基于部分信息反馈的分布式卢比变换编码方法。
技术方案：为实现上述技术效果，本发明提供的技术方案为：一种基于部分信息反馈的分布式卢比变换编码方法，适用于多信源单中继通信系统；所述多信源单中继通信系统包括中继节点R，信宿节点E和信源节点Sj，j＝[1，2，…，m]；设所有信源节点需要与信宿节点E交互的源数据包共计为K个；Sj到R的信道删除概率为pj；该方法包括步骤：
S101：信宿端将已正确接收的源数据包数量n反馈到信源节点Sj；
S102：源节点Sj判断是否满足n≤K-m；若判断结果为满足，则转入步骤S103；否则，转入步骤S104；
S103：Sj根据反馈的n值采用转移解卷积孤波分布函数PSDSD(d)[d＝1，2，…，K/m]随机产生一个度数值d＝dj；转入步骤S105；
S104：Sj产生度数值转入步骤S105；
S105：从Sj的K/m个源数据包中选出d个源数据包，并进入步骤S106；
S106：Sj对步骤S105选出的源数据包进行编码：设选出的源数据包为生成编码数据包 为异或符号；转入步骤S107；
S107将步骤S106生成的编码数据包发送至中继节点R，中继节点R将各信源节点生成的编码数据包重构生成卢比变换编码。
进一步的，所述步骤S103中构建转移解卷积孤波分布函数PSDSD(d)的方法为：对Sj的解卷积孤波分布函数qDSD(d)做转移处理得到函数PSDSD(d)，包括步骤：
S201：输入信宿端反馈的以正确接收信息包数n；
S202：将PSDSD(d)(d＝1，2，…，K/m)全部初始化为0；
S203：令x＝0；
S204：令x＝x+1；
S205：令x′＝x/(1-n/K)；
S206：令d＝floor(x)，其中floor()是向下取整函数；
S207：令α＝x′-d；
S208：令pSDSD(d)＝pSDSD(d)+(1-α)qDSD(x)；
S209：令pSDSD(d+1)＝pSDSD(d+1)+αqDSD(x)；
S210：判断是否满足x＝K/m，若满足，则进入步骤S211；否则，转入步骤S204；
S211：将pSDSD(d)归一化为合法的概率密度函数PSDSD(d)；
S212：输出PSDSD(d)。
进一步的，所述步骤S211中将pSDSD(d)归一化为合法的概率密度函数PSDSD(d)的方法为：
S301：求出
S302：令PSDSD(d)＝pSDSD(d)/S，(d＝1，2，…，K/m)。
进一步的，所述Sj的解卷积弧波分布函数qDSD(d)的构建方法包括步骤：
S401：构建Sj的鲁棒弧波分布函数：μ(d)＝[ρ(d)+τ(d)]/β；其中，
式中，β、ρ(d)和τ(d)分别为归一化因子、卢比变换的理想孤波分布函数和修正函数：c，δ为可调参数，c＞0，δ∈[0，1]；Z为每轮解码中度数为1的编码符号数；
S402：对μ(d)做m次反卷积分解，得到解卷积孤波分布函数qDSD(d)，qDSD(d)与μ(d)的关系式为：
进一步的，所述步骤S103中通过函数PSDSD(d)产生度数值d的步骤为：
S501：根据概率密度函数PSDSD(d)计算其概率分布函数pSDSD(d)；
S502：利用计算机产生一个[0，1]区间内的随机数r；
S503：令d＝0；
S504：令d＝d+1；
S505：判断r＜pSDSD(d)是否成立，若判断结果为是，则转入步骤S506；否则，转入步骤S504；
S506：输出d。
有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优势：
本发明提供的技术方案中，接收端反馈已正确接收的信息包数n到各信源节点，只需要非常少量的反馈信息，即可大幅度减少接收端恢复剩余信息所需的接收包数，改进传统LT码的性能
附图说明
图1为多信源单中继通信系统结构图；
图2为本发明的实施例流程图；
图3为实施例中产生PSDSD(d)函数的流程图；
图4为实施例中根据PSDSD(d)函数产生一个随机的度数d的流程图；
图5为实施例所提供的编码方案与DSD编码方法的仿真结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为实施例中的多信源单中继通信系统结构图，包括中继节点R，信宿节点E和信源节点Sj，j＝[1，2，…，m]；设所有信源节点需要与信宿节点E交互的源数据包共计为K个；Sj到R的信道删除概率为pj。
为简化说明，本实施例中，取m＝2，即有两个信源节点S1、S2。S1、S2别通过R与E通信，每个信源节点各发送K/2个源数据包，总体上需要传送K个源数据包至信宿节点E，通过反馈获取信宿已知的信息包数n，中继节点R至信宿节点E的信道删除率p。对任意一个信源Sj，j＝1，2其编码步骤如下：
(1)获得接收端已知信息包数n，用于确定采用哪个度数分布函数；
(2)比较已知信息包数n和K-2的大小；
(3)若步骤(2)中n≤K-2，则采用转移分布式LT码的SDSD度数分布函数pSDSD(d)(d＝1，2…K/m)产生随机的度数值dj；
(4)若步骤(2)中n＞K-2，则产生度dj＝K/2；
(5)从Sj的K/m个源数据包中随机地选择dj个，记为：
(6)根据步骤(5)中选出的源数据包，计算生成的编码包为：
(7)将步骤(6)生成的编码包发送至中继R。
信宿端利用BP解码算法，对来自信源S1和S2经中继R传输的数据解码，此时信源S1和S2的源数据包是同时开始恢复。
图5所示为本实施例所提供的编码方案与DSD编码方法的仿真结果对比图。仿真时，取K＝1000，m＝2，即每个信源需要发送500个源数据包，中继到信宿有着删除率p。以接收端已知的信息包数为横坐标，分别采用DSD(分布式LT码的度数分布函数qDSD(d))和本发明提出的基于部分信息反馈的分布式LT码的编码方法，仿真解码所需要编码数据包数(成功恢复全部的K＝1000所需要的编码包数)，每个点至少仿真了100帧。可以看出本发明提出的方案解码所需的编码数据包数更少，性能好于传统的LT码。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于部分信息反馈的分布式卢比变换编码方法，适用于多信源单中继通信系统；其特征在于，所述多信源单中继通信系统包括中继节点R，信宿节点E和信源节点Sj，j＝[1，2，…，m]；设m个信源节点需要与信宿节点E交互的源数据包总个数为K；Sj到R的信道删除概率为pj；该方法包括步骤：
S101：信宿端将已正确接收的源数据包数量n反馈到信源节点Sj；
S102：源节点Sj判断是否满足n≤K-m；若判断结果为满足，则转入步骤S103；否则，转入步骤S104；
S103：Sj根据反馈的n值采用转移解卷积弧波分布函数PSDSD(d)[d＝1，2，…，K/m]随机产生一个度数值d＝dj；转入步骤S105；
S104：Sj产生度数值转入步骤S105；
S105：从Sj的K/m个源数据包中选出d个源数据包，并进入步骤S106；
S106：Sj对步骤S105选出的源数据包进行编码：设选出的源数据包为生成编码数据包 为异或符号；转入步骤S107；
S107将步骤S106生成的编码数据包发送至中继节点R，中继节点R将各信源节点生成的编码数据包重构生成卢比变换编码。
2.根据权利要求1所述的一种基于部分信息反馈的分布式卢比变换编码方法，其特征在于，所述步骤S103中构建转移解卷积弧波分布函数PSDSD(d)的方法为：对Sj的解卷积弧波分布函数qDSD(d)做转移处理得到函数PSDSD(d)，包括步骤：
S201：输入信宿端反馈的以正确接收信息包数n；
S202：将PSDSD(d)(d＝1，2，…，K/m)全部初始化为0；
S203：令x＝0；
S204：令x＝x+1；
S205：令x′＝x/(1-n/K)；
S206：令d＝floor(x)，其中floor()是向下取整函数；
S207：令α＝x′-d；
S208：令pSDSD(d)＝pSDSD(d)+(1-α)qDSD(x)；
S209：令pSDSD(d+1)＝pSDSD(d+1)+αqDSD(x)；
S210：判断是否满足x＝K/m，若满足，则进入步骤S211；否则，转入步骤S204；
S211：将pSDSD(d)归一化为合法的概率密度函数PSDSD(d)；
S212：输出PSDSD(d)。
3.根据权利要求2所述的一种基于部分信息反馈的分布式卢比变换编码方法，其特征在于，所述步骤S211中将pSDSD(d)归一化为合法的概率密度函数PSDSD(d)的方法为：
S301：求出
S302：令PSDSD(d)＝pSDSD(d)/S，(d＝1，2，…，K/m)。
4.根据权利要求2所述的一种基于部分信息反馈的分布式卢比变换编码方法，其特征在于，所述Sj的解卷积弧波分布函数qDSD(d)的构建方法包括步骤：
S401：构建Sj的鲁棒弧波分布函数：μ(d)＝[ρ(d)+τ(d)]/β；其中，
式中，β、ρ(d)和τ(d)分别为归一化因子、卢比变换的理想弧波分布函数和修正函数：c，δ为可调参数，c＞0，δ∈[0，1]；Z为每轮解码中度数为1的编码符号数；
S402：对μ(d)做m次反卷积分解，得到解卷积弧波分布函数qDSD(d)，qDSD(d)与μ(d)的关系式为：
5.根据权利要求2所述的一种基于部分信息反馈的分布式卢比变换编码方法，其特征在于，所述步骤S103中通过函数PSDSD(d)产生度数值d的步骤为：
S501：根据概率密度函数PSDSD(d)计算其概率分布函数pSDSD(d)；
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S504：令d＝d+1；
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S506：输出d。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |