CN107222294A - 一种改进的喷泉码度分布算法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种改进的喷泉码度分布算法，属于通信技术领域。该算法将MBRSD度分布算法与插值算法进行有机结合，通过优化可译集大小来进一步优化度分布函数，得到一种性能更优的IMBRSD度分布算法。改进的IMBRSD度分布算法减少了成功译码需要的编码包数，并且降低了系统的误码率，使喷泉码能够更好的应用在各个通信领域。

Description

一种改进的喷泉码度分布算法
技术领域
本发明涉及一种改进的喷泉码度分布算法，是关于信息通信领域中利用喷泉码对信号进行编码时所使用的编码度分布的构造方法，属于通信技术领域。
背景技术
基于TCP/IP协议的ARQ是基于反馈通道的传输机制，然而很多通信系统如广播系统并不存在反馈信道，这在资源有限的情况下是一种极大的浪费。在数据传输方案中，接收端如果接收不到足够多的编码数据包，或者在仅差一个数据包的情况下，采用ARQ机制的传输方案就需要对编码包进行重新获取，直到接收的数据包数量达到要求。为了解决大规模的数据传送及可靠广播等问题，Michael Luby等人于1998年提出了数字喷泉码(DigitalFountain) 的概念。
2002年Luby提出了第一种现实可行的喷泉码-LT码(Luby Transform)。LT码具有无固定码率、鲁棒性、高效性、较低的编译码复杂度、无需反馈信道来确保传输的可靠性和适应实时变化的信道等优点。其编码过程为：发送端原始数据由k个数据包组成，根据某一编码度分布随机产生每个编码数据包的度d，然后从k个原始数据包中任意地选择d个数据包，再将这d个数据包进行异或运算，从而生成一个编码数据包。编码器重复操作这个过程就可以产生无限长的编码数据包流。LT码的译码一般采用置信传播译码算法，其过程为将接收到的一定数量的编码数据包与源数据包建立对应的双向图，任意地选取一个度为1的数据包开始进行译码。由于度为1数据包就是对源数据包的复制，所以通过简单的复制运算，就能恢复源数据包。然后，对已经恢复的源数据包，将它与其有关联的所有编码数据包进行异或运算，更新这些编码数据包的值，再将恢复的源数据包和与它有关联的编码数据包在Tanner图中所对应的边删除，使这些编码数据包的度数减1。以此循环下去直到恢复所有原始数据为止。
常用的编码度分布为：
1、理想孤波度分布(Ideal Soliton Distribution)
理想孤波度分布理论上使每一个编码数据包在每一次译码迭代中释放的概率相同，保证在每次迭代过程中有且只有一个度为1的编码数据包出现，完成每一次迭代恢复一个源数据包，同时又有一个度为1的编码数据包出现。其度分布函数为：
理想孤波度分布是一种设计优良的概率分布函数。然而这种度概率分布只存在于理想状态下，在实际应用中，译码性能会受到干扰噪声的影响。具体影响表现在，如果在译码过程中受到轻微扰动，那么将无法寻找到度为1的编码包符号，从而出现译码终止的情况。
2、鲁棒孤波度分布(Robust Soliton Distribution)
鲁棒孤波度分布引入了两个参数c和δ用来保证译码过程中度为1编码包的个数。
表示度为1编码包个数的平均值。
定义
鲁棒孤波度分布为
其中，
式中，参数δ是概率约束参数，该参数值决定了编译码的失败概率大小；参数c是大小可调的常数。在实际应用中，可通过调节c的不同取值以此获得较优的译码性能性能。
采用鲁棒孤波度分布进行编码时，产生的编码数据包多为度较大的编码数据包，具有较高的覆盖性，但因此增加了冗余度，造成译码效率的降低，而且产生度1和其他小度编码数据包的数量较少。
发明内容
本发明的目的在于给出一种改进的喷泉码度分布算法，以得到一种有较好性能的度分布。
本发明的技术方案如下：
基于以上内容，本发明具体包括以下步骤:
步骤1，结合源信息的度分布与编码包的度分布(RSD)，在LT(Luby Transform)码编码器中，将RSD度分布(Robust Soliton Distribution，鲁棒孤波度分布)中度为1的编码包与瞬时度值最大的源信息包相连，优化了可译集大小从而得到MBRSD度分布；
步骤2，在MBRSD度分布的基础上运用插值算法，即MBRSD度分布(Memory-Based RSD，记忆性的鲁棒孤波度分布)中等距离地插入少量度值为1的编码包，通过分别调整编码包度值为1所占概率η和度值非1所占概率来改善译码性能，其中得到改进的IMBRSD 度分布；
步骤3，根据IMBRSD度分布对源信息进行编码发送，直到收到接收端发送的确认信息。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：
采用LT码编码器与自适应编码器相结合的方式，不仅没有增加系统编码的时间，而且提高了译码效率。
本方法将MBRSD度分布算法与插值算法进行有机结合，通过优化可译集合值来进一步优化度分布函数，得到IMBRSD度分布。运用IMBRSD度分布对源数据进行喷泉编码，可以减少译码开销，提高译码效率，使喷泉码能够更好地应用在各个通信领域。
附图说明
图1是自适应LT码编码器结构；
图2是LT码的二分图(k＝4)；
图3是恢复边数快慢与译码步骤的关系图；
图4是译码冗余与误码率关系图；
图5是不同删除概率下的译码性能；
图6是不同度分布下的可译集大小译码步骤的关系。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：
本发明提出一种改进的喷泉码度分布算法，其首先控制度为1编码包与源信息包的连接方式，使LT码编码器与自适应编码器采用串行工作方式，其中在整个过程中只添加了一个自适应编码器，如图1所示。采用LT编码器与自适应编码器相结合的方式，不仅没有增加系统编码的时间，而且提高了译码效率，优化了可译集大小从而减少了译码时间得到MBRSD度分布。
其次，由于MBRSD度分布算法中缺少度为1的编码包且其分布不均匀，通过把增加度为1编码包的插值算法与MBRSD度分布算法相结合，提出了IMBRSD度分布算法。
改进的IMBRSD度分布算法，包括以下步骤：
步骤1，在LT(Luby Transform)码编码器中，将RSD度分布(Robust SolitonDistribution，鲁棒孤波度分布)中度为1的编码包与瞬时度值最大的源信息包相连，优化了可译集大小从而得到MBRSD度分布。随着译码的进行，每次都有新的元素加入和旧的元素被删除来维持这个可译集的大小直到译码结束。译码开始时，可译集仅仅由度为1的编码包组成。很明显，与度为1编码包相连的源信息包可以直接译出，因为度为1编码包的值和其对应的源信息包是相等的，此时可译集被直接译出，这些度为1的编码包对应的源信息包重新组成可译集集合。
步骤2，在MBRSD度分布(Memory-Based RSD，记忆性的鲁棒孤波度分布)中等距离地插入少量度值为1的编码包，通过分别调整编码包度值为1所占概率η和度值非1所占概率来改善译码性能，其中得到改进的IMBRSD度分布。
具体地，在RSD中随机选取度d；
如果d＝1，那么选择瞬时度值最大的源信息包与该编码包相连；
如果d≠1，在源信息中随机地选取d个源信息与之相连；
把选取的d个源信息包进行异或，得到编码包(其中ci是第i个编码包， ui,1表示第i个编码包时，源信息包1被选中参与编码)。
统计并记录输出编码包的度值大小，如果在连续接收M个编码包后仍然没有度为1的编码包，那么就插入一个度为1的编码包，插入编码包的值可以是组成第M个编码包的某个源信息，以此完成至少一次的译码迭代过程；
在图2二分图中，清晰地描述MBRSD度分布的编码过程，当出现度为1的编码包时，如图中的cn，则将其与此时度值最大的源信息包相连，如图中的u1。(其中c是编码包，u是源信息包)
步骤3，根据IMBRSD度分布对源信息进行编码发送，直到收到接收端发送的确认信息。
图3模拟了二分图中解码边数释放快慢的理论最大值，并仿真了RSD、MBRSD以及IMBRSD 度分布下的LT码的解码边数与译码步骤的关系。以RSD度分布下的LT码译码性能作对比，发现改进后的IMBRSD度分布译码速度更快，减少了译码的时间。
以k＝1024，M＝100为例，对其进行仿真。
图4、5和6是对RSD、MBRSD以及IMBRSD三种度分布下的LT码译码性能的仿真，其中，图4是译码冗余与误码率关系图；图5是不同删除概率下的译码性能；图6是不同度分布下的可译集大小译码步骤的关系。由图可知，相同条件下，改进的度分布算法IMBRSD的误码率比MBRSD、RSD下的误码率更低、需要的译码包最少、译码速度更快，使喷泉码能够更好的应用在各个通信领域。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种改进的喷泉码度分布算法，包括以下步骤：
步骤1，在LT（Luby Transform）码编码器中，将RSD度分布（Robust SolitonDistribution，鲁棒孤波度分布）中度为1的编码包与瞬时度值最大的源信息包相连，优化了可译集大小从而得到MBRSD度分布；
步骤2，MBRSD度分布（Memory-Based RSD，记忆性的鲁棒孤波度分布）中等距离地插入 少量度值为1的编码包，通过分别调整编码包度值为1所占概率<math display = 'block'> <mrow> <mi>&amp;eta;</mi> </mrow> </math>和度值非1所占概率<math display = 'block'> <mrow> <mover> <mi>&amp;eta;</mi> <mtext>：</mtext> </mover> </mrow> </math>来 改善译码性能，其中<math display = 'block'> <mrow> <mi>&amp;eta;</mi> <mo>+</mo> <mover> <mi>&amp;eta;</mi> <mtext>：</mtext> </mover> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> </math>，得到改进的IMBRSD度分布；
步骤3，根据IMBRSD度分布对源信息进行编码发送，直到收到接收端发送的确认信息。
2.根据权利要求1所述的喷泉码度分布算法，其特征在于：所述步骤2的方法是：如果遇到连续M个编码包其度值均不为1的情况，则在第M个编码包后面安插一个度为1的编码包，插入编码包的值可以是组成第M个编码包的某个源信息，以此完成至少一次的译码迭代过程。
3.根据权利要求2所述的喷泉码度分布算法，其特征在于：所述源信息长度为1024，M取值100。
4.根据权利要求1所述的喷泉码度分布算法，其特征在于：所述LT码编码器与自适应编码器是串行工作方式，其在整个过程中只添加了一个自适应编码器。
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