CN109005010B - 一种用于深空衰落信道环境的lt码编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于深空衰落信道环境的LT码编码方法，能够提高深空衰落信道环境中LT码的性能。所述方法包括：在发送端，将待传输的原始数据等分为K个数据包，作为K个信源符号；确定编码符号服从的度分布函数，其中，所述度分布函数为：将弱鲁棒孤子分布与全1度分布相结合构造的部分弱鲁棒孤子分布；基于确定的度分布函数，对信源符号进行LT编码，形成编码符号。本发明涉及深空通信技术领域。

Description

一种用于深空衰落信道环境的LT码编码方法

技术领域

本发明涉及深空通信技术领域，特别是指一种用于深空衰落信道环境的LT码编码方法。

背景技术

深空通信是深空探测的重要手段，通过深空通信可以实现对航天器的引导和控制，同时航天器才能将探测得到的科学数据传回地球。而深空通信具有距离远、高延时、能量衰减严重等特点，因此寻求一种保证传输可靠性的信道纠错码技术是深空通信研究的一个重要内容。

从上个世纪五十年代开始，深空通信先后采用了卷积码、Reed-Muller、Golay码、RS码组成的级联码、Turbo码以及LDPC码，其中Turbo码和LDPC码的先后出现，使得深空通信有了很大的进步。但是以上这些码字都是采用自动反馈重传机制(Automatic RepeatRequest，ARQ)来实现纠错，提高传输可靠性。而深空通信环境复杂恶劣，具有通信距离远、时延长、误码率高、通信往返时间长、电磁波传播衰减严重、链路易中断等特点。如果利用自动反馈重传机制来可靠传输，将会面临如下问题：

第一，反馈传机制需要建立反馈信道，在深空环境中成本较高；

第二，通信距离远，反馈时间长，会降低数据传输效率；

第三，空间环境中，缓存资源有限，长反馈时延会给中继存储资源造成巨大浪费。而且，由于深空通信环境链路复杂多变，固定码率的纠删码技术的灵活性难以满足多变的多链路状态，中继卫星必须逐一解码恢复，造成系统设计复杂。

喷泉码是1988年首次提出的基于分组的前向纠错的编码方法。首先将原始数据分解成若干的分组，对这些数据分组进行编码。喷泉码可以源源不断的产生并发送编码符号，接收端只要接收到足够的信息码字就能够成功译码，恢复原始数据。它具有良好的编译码性能，能够减轻硬件设备的压力。其次，由于接收码字的数量并不确定，因此喷泉码是一种无码率码。它独特的无码率特性，能够灵活地适应多变的信道状态。最后，喷泉码不需要反馈信道确认信息来完成信息的可靠传输，因此可以避免反馈时延。因此相比其他反馈重传编码和固定码率的编码，LT码(Luby Transform Codes)作为第一种实用的喷泉码，因为其良好的编译码性能，可以解决传统深空通信高延迟的问题，提高了实时性和可靠性，非常适用于延时长、误码率大、衰减大的深空通信信道。

在莱斯衰落信道下，由于接收到的信号的信噪比较低，传统LT码性能较差，有较高的误码率，不能满足深空通信环境下对传输可靠性和缓存资源的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于深空衰落信道环境的LT码编码方法，以解决现有技术所存在的LT码在深空衰落信道环境中传输时误码率高的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种用于深空衰落信道环境的LT码编码方法，包括：

在发送端，将待传输的原始数据等分为K个数据包，作为K个信源符号；

确定编码符号服从的度分布函数，其中，所述度分布函数为：将弱鲁棒孤子分布与全1度分布相结合构造的部分弱鲁棒孤子分布；

基于确定的度分布函数，对信源符号进行LT编码，形成编码符号。

进一步地，确定的编码符号服从的度分布函数p(d)表示为：

其中，α表示两种度分布中全1分布所占的比重，K为信源符号个数，N为生成的编码符号个数，d代表某个编码符号的度数大小，Ω(x)为弱鲁棒孤子分布。

进一步地，Ω(x)表示为：

Ω(x)＝0.00797x+0.49357x²+0.16622x³+0.07265x⁴+0.08255x⁵

+0.05606x⁸+0.03723x⁹+0.05559x¹⁹+0.02502x⁶⁵+0.00314x⁶⁶

其中，x表示信源符号。

进一步地，所述基于确定的度分布函数，对信源符号进行LT编码，形成编码符号包括：

步骤B1，构造包含K个信源符号节点和N个编码符号节点的Tanner图，根据度分布函数p(d)，随机产生N个数d，作为N个编码符号的度数；

步骤B2，对于任一编码符号t_i，如果为其随机选择的度数等于1，则在当前Tanner图中选取连接边最多/度数最大且不属于集合Γ中的信源符号节点并连接，将选取的信源符号节点添加到集合Γ中，其中，Γ是一个初始为空的集合；

步骤B3，将选取的信源符号进行异或，得到对应编码符号的值。

进一步地，所述B2还包括：

对于任一编码符号t_i，如果为其随机选择的度数不等于1，则在当前Tanner图中选取连接边最少/度数最小的信源符号节点并连接，作为t_i的第一条边，并将t_i已连接的信源符号节点添加到树中，连接t_i与各个信源符号节点，作为树的第0层，将本层中信源符号节点所连接的所有编码符号节点添加到下一层，并将这些编码符号节点连接的所有信源符号节点加入到下一层，作为第l层，将第l层中所包含的信源符号节点集合定为

判断其是否满足

而

或者集合

包含节点的数目不再继续增加但仍小于K，则在集合

中选择选择最少连接边/度数最小的信源符号节点进行连接，否则继续执行该步骤，直到所有边选择完成后，执行步骤B3。

进一步地，所述在当前Tanner图中选取连接边最多/度数最大且不属于集合Γ中的信源符号节点并连接，将选取的信源符号节点添加到集合Γ中包括：

在当前Tanner图中选取连接边最多/度数最大且节点下标不属于集合Γ中的信源符号节点并连接，并将所述连接节点的下标添加到集合Γ中。

进一步地，在基于确定的度分布函数，对信源符号进行LT编码，形成编码符号之后，所述方法还包括：

对形成的编码符号进行二进制相移键控调制后通过深空环境信道发送至接收端，以便接收端对接收到的编码符号采用软迭代译码，恢复出发送端的信源符号。

进一步地，所述接收端对接收到的编码符号采用软迭代译码包括：

将接收端接收到的编码符号y的对数似然比L(y)作为软信息来进行译码。

进一步地，L(y)表示为：

其中，x表示经过LT编码和二进制相移键控调制后±1的信号，即经过0→-1，1→1的映射；h表示复衰落系数；n表示加性高斯白噪声，σ_n ²表示方差；u_c表示衰落系数，

n_c表示噪声，

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，在发送端，将待传输的原始数据等分为K个数据包，作为K个信源符号；确定编码符号服从的度分布函数，其中，所述度分布函数为：将弱鲁棒孤子分布与全1度分布相结合构造的部分弱鲁棒孤子分布；基于确定的度分布函数，对信源符号进行LT编码，形成编码符号。这样，从度分布角度，将弱化的鲁棒孤子分布和全1度分布结合，增加度为1的编码符号的概率，解决深空软译码时信息迭代更新慢或不更新而造成的误码传播和译码失败的问题，从而保证LT码在深空衰落信道环境中的可靠传输。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于深空衰落信道环境的LT码编码方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的用于深空衰落信道环境的LT码编码方法的详细流程示意图；

图3为本发明实施例提供的度为1的编码符号邻居节点选择过程的Tanner示意图；

图4为本发明实施例提供的编码符号节点展开树示意图；

图5为本发明实施例提供的深空衰落信道环境下信息传递流程示意图；

图6为本发明实施例提供的LT码与传统LT码在数据包长度K＝1000条件下各信噪比对应的误码率对比示意图；

图7为本发明实施例提供的LT码与传统LT码在数据包长度K＝1000条件下各译码开销对应的误码率对比示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的LT码在深空衰落信道环境中传输时误码率高的问题，提供一种用于深空衰落信道环境的LT码编码方法。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的用于深空衰落信道环境的LT码编码方法，包括：

S101，在发送端，将待传输的原始数据等分为K个数据包，作为K个信源符号；

S102，确定编码符号服从的度分布函数，其中，所述度分布函数为：将弱鲁棒孤子分布与全1度分布相结合构造的部分弱鲁棒孤子分布；

S103，基于确定的度分布函数，对信源符号进行LT编码，形成编码符号。

本发明实施例所述的用于深空衰落信道环境的LT码编码方法，在发送端，将待传输的原始数据等分为K个数据包，作为K个信源符号；确定编码符号服从的度分布函数，其中，所述度分布函数为：将弱鲁棒孤子分布与全1度分布相结合构造的部分弱鲁棒孤子分布；基于确定的度分布函数，对信源符号进行LT编码，形成编码符号。这样，从度分布角度，将弱化的鲁棒孤子分布和全1度分布结合，增加度为1的编码符号的概率，解决深空软译码时信息迭代更新慢或不更新而造成的误码传播和译码失败的问题，从而保证LT码在深空衰落信道环境中的可靠传输。

在前述用于深空衰落信道环境的LT码编码方法的具体实施方式中，进一步地，确定的编码符号服从的度分布函数p(d)表示为：

其中，α表示两种度分布中全1分布所占的比重，0≤α≤1，K为信源符号个数，N为生成的编码符号个数，d代表某个编码符号的度数大小，Ω(x)为弱鲁棒孤子分布。

本实施例中，α的大小与译码迭代次数有关，例如，选择译码迭代次数η＝10，比重系数α＝20％来构造度分布函数p(d)，则度分布函数p(d)表示为：

在前述用于深空衰落信道环境的LT码编码方法的具体实施方式中，进一步地，Ω(x)表示为：

Ω(x)＝0.00797x+0.49357x²+0.16622x³+0.07265x⁴+0.08255x⁵

+0.05606x⁸+0.03723x⁹+0.05559x¹⁹+0.02502x⁶⁵+0.00314x⁶⁶

其中，x表示信源符号。

如图2所示，所述基于确定的度分布函数，对信源符号进行LT编码，形成编码符号包括：

步骤B1，构造包含K个信源符号节点s＝(s₁，s₂，...，s_k)和N个编码符号节点t＝(t₁,t₂,...,t_n)的Tanner图，根据度分布函数p(d)，随机产生N个数d，作为N个编码符号的度数，即编码符号节点所需连接的信源符号的个数，然后执行步骤B2开始编码，其中，Tanner图是研究低密度奇偶校验码的重要工具；

步骤B2，对于任一编码符号t_i(i＝1，2，…，N)，如果为其随机选择的度数等于1，则在当前Tanner图中选取连接边最多/度数最大且不属于集合Γ中的信源符号节点并连接，将选取的信源符号节点添加到集合Γ中，其中，Γ是一个初始为空的集合；

步骤B3，将选取的信源符号进行异或，得到对应编码符号的值，如果所有编码符号编码完成，则结束编码，否则返回步骤B2。

本实施例中，图3为步骤B2中所述度为1的编码符号的编码方式示意图。图3可以直观地解释度为1的编码符号的编码方式，具体的：当为t₅选择邻居节点(邻居节点，就是编码符号周边相邻的节点)时，此时各信源符号的度数分别为3、3、2、2，Γ＝Φ，所以此时选取度数最高的且下标不在集合Γ中的信源符号来参与编码，即从s₁和s₂中选取，这里随机选取s₁作为t₅的邻居节点。然后更新各信源符号的度数，分别为4、3、2、2，Γ＝{1}。然后为t₆选择邻居节点时，此时s₁度数最高，但Γ已包含1，所以不再选取s₁，而是选取除s₁之外的度数最高且下标不在Γ中的信源符号，即s₂，然后更新各信源符号的度数，分别为4、4、2、2，Γ＝{1,2}。

本实施例中，上述所述的度为1的编码符号的邻居信源符号的选择方式，能够提高度为1的编码符号的利用率来增加译码波动集，并改善因随机编码方式造成的Tanner图中出现过多短环的问题，提高软信息传递的有效性，降低译码复杂度，从而保证深空衰落信道环境中信息的可靠传输。

步骤B3中，通过公式

运算后得到的值即为编码符号节点t_i的值。

如图4所示，在前述用于深空衰落信道环境的LT码编码方法的具体实施方式中，进一步地，所述B2还包括：

对于任一编码符号t_i，如果为其随机选择的度数不等于1，则在当前Tanner图中选取连接边最少/度数最小的信源符号节点并连接，作为t_i的第一条边，，然后选取该编码符号节点的其他边，具体的：将t_i已连接的信源符号节点添加到树中，连接t_i与各个信源符号节点，作为树的第0层，将本层中信源符号节点所连接的所有编码符号节点添加到下一层，并将这些编码符号节点连接的所有信源符号节点加入到下一层，作为第l(l＞＝1)层，将第l层中所包含的信源符号节点集合定为

判断其是否满足

而

或者集合

包含节点的数目不再继续增加但仍小于K，则在集合

中选择选择最少连接边/度数最小的信源符号节点进行连接，否则继续执行该步骤，直到所有边选择完成后，执行步骤B3。

在前述用于深空衰落信道环境的LT码编码方法的具体实施方式中，进一步地，所述在当前Tanner图中选取连接边最多/度数最大且不属于集合Γ中的信源符号节点并连接，将选取的信源符号节点添加到集合Γ中包括：

在当前Tanner图中选取连接边最多/度数最大且节点下标不属于集合Γ中的信源符号节点并连接，并将所述连接节点的下标添加到集合Γ中。

如图5所示，在前述用于深空衰落信道环境的LT码编码方法的具体实施方式中，进一步地，在基于确定的度分布函数，对信源符号进行LT编码，形成编码符号之后，所述方法还包括：

对形成的编码符号进行二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)调制后通过深空环境信道发送至接收端，以便接收端对接收到的编码符号采用软迭代译码，恢复出发送端的信源符号。

在前述用于深空衰落信道环境的LT码编码方法的具体实施方式中，进一步地，所述接收端对接收到的编码符号采用软迭代译码包括：

将接收端接收到的编码符号y的对数似然比L(y)作为软信息来进行译码。

在前述用于深空衰落信道环境的LT码编码方法的具体实施方式中，进一步地，L(y)表示为：

其中，x表示经过LT编码和BPSK调制后±1的信号，即经过0→-1，1→1的映射；h表示复衰落系数；n表示加性高斯白噪声，σ_n ²表示方差；u_c表示衰落系数，

n_c表示噪声，

本实施例中，h＝h_I+jh_Q，其幅度

呈莱斯分布；n＝n_I+jn_Q，方差σ_n ²＝N₀/2，N₀表示噪声功率谱密度。

图6和图7通过1000次仿真对比了本发明的LT码与传统LT码的性能，其中深空莱斯信道的莱斯因子设定为1dB，码长取1000。图6为改进前后LT码的信噪比与误码率的仿真结果，其中译码开销设为0.5。随着信噪比的增大，LT码的误码率降低，但本发明中的LT码误码率明显低于传统LT码，当达到同一误码率时，本发明中的LT码能带来2dB左右的编码增益。图7为改进前后LT码的译码开销与误码率的仿真结果，其中信噪比设为5dB。随着译码开销的增大，LT的误码率降低，但本发明中的LT码误码率明显低于传统LT码，当达到同一误码率时，本发明中的LT码能节约10％左右的译码开销。

本发明实施例所述的用于深空衰落信道环境的LT码编码方法：一是从度分布角度，将弱化的鲁棒孤子分布和全1度分布结合，增加度为1的编码符号的概率，解决在深空通信信道中软译码时信息迭代更新慢或不更新而最终造成的误码传播和译码失败的问题；二是确定度为1的编码符号的邻居信源符号的选择方式，提高度为1的编码符号的利用率来增加译码波动集，并改善因随机编码方式造成的Tanner图中出现过多短环的问题，提高软信息传递的有效性，降低译码复杂度。上述两方面的改进能够提高LT码在深空衰落信道环境下的性能，提高信息传输的可靠性，降低编译码复杂度，从而保证深空衰落信道环境中信息的可靠传输。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于深空衰落信道环境的LT码编码方法，其特征在于，包括：

在发送端，将待传输的原始数据等分为K个数据包，作为K个信源符号；

确定编码符号服从的度分布函数，其中，所述度分布函数为：将弱鲁棒孤子分布与全1度分布相结合构造的部分弱鲁棒孤子分布；

基于确定的度分布函数，对信源符号进行LT编码，形成编码符号；

其中，确定的编码符号服从的度分布函数p(d)表示为：

其中，α表示两种度分布中全1分布所占的比重，K为信源符号个数，N为生成的编码符号个数，d代表某个编码符号的度数大小，Ω(x)为弱鲁棒孤子分布；

其中，Ω(x)表示为：

Ω(x)＝0.00797x+0.49357x²+0.16622x³+0.07265x⁴+0.08255x⁵+0.05606x⁸+0.03723x⁹+0.05559x¹⁹+0.02502x⁶⁵+0.00314x⁶⁶

其中，x表示信源符号；

其中，所述基于确定的度分布函数，对信源符号进行LT编码，形成编码符号包括：

步骤B1，构造包含K个信源符号节点和N个编码符号节点的Tanner图，根据度分布函数p(d)，随机产生N个数d，作为N个编码符号的度数；

步骤B2，对于任一编码符号t_i，如果为其随机选择的度数等于1，则在当前Tanner图中选取连接边最多/度数最大且不属于集合Γ中的信源符号节点并连接，将选取的信源符号节点添加到集合Γ中，其中，Γ是一个初始为空的集合；

步骤B3，将选取的信源符号进行异或，得到对应编码符号的值；

其中，所述在当前Tanner图中选取连接边最多/度数最大且不属于集合Γ中的信源符号节点并连接，将选取的信源符号节点添加到集合Γ中包括：

在当前Tanner图中选取连接边最多/度数最大且节点下标不属于集合Γ中的信源符号节点并连接，并将所述连接节点的下标添加到集合Γ中。

2.根据权利要求1所述的用于深空衰落信道环境的LT码编码方法，其特征在于，所述B2还包括：

对于任一编码符号t_i，如果为其随机选择的度数不等于1，则在当前Tanner图中选取连接边最少/度数最小的信源符号节点并连接，作为t_i的第一条边，并将t_i已连接的信源符号节点添加到树中，连接t_i与各个信源符号节点，作为树的第0层，将本层中信源符号节点所连接的所有编码符号节点添加到下一层，并将这些编码符号节点连接的所有信源符号节点加入到下一层，作为第l层，将第l层中所包含的信源符号节点集合定为

判断其是否满足

而

或者集合

包含节点的数目不再继续增加但仍小于K，则在集合

中选择选择最少连接边/度数最小的信源符号节点进行连接，否则继续执行该步骤，直到所有边选择完成后，执行步骤B3。

3.根据权利要求1所述的用于深空衰落信道环境的LT码编码方法，其特征在于，在基于确定的度分布函数，对信源符号进行LT编码，形成编码符号之后，所述方法还包括：

对形成的编码符号进行二进制相移键控调制后通过深空环境信道发送至接收端，以便接收端对接收到的编码符号采用软迭代译码，恢复出发送端的信源符号。

4.根据权利要求3所述的用于深空衰落信道环境的LT码编码方法，其特征在于，所述接收端对接收到的编码符号采用软迭代译码包括：

将接收端接收到的编码符号y的对数似然比L(y)作为软信息来进行译码。

5.根据权利要求4所述的用于深空衰落信道环境的LT码编码方法，其特征在于，L(y)表示为：

其中，x表示经过LT编码和二进制相移键控调制后±1的信号，即经过0→-1，1→1的映射；h表示复衰落系数；n表示加性高斯白噪声，σ_n ²表示方差；u_c表示衰落系数，

n_c表示噪声，

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