CN110191248A

CN110191248A - 一种基于反馈的Bats Code的无人机图像传输方法

Info

Publication number: CN110191248A
Application number: CN201910524818.6A
Authority: CN
Inventors: 王臣玺; 史治平; 孙红霞; 张茜
Original assignee: Public Security And Fire Fighting Forces Academy; Tianfu New Area Research Institute Of Southwest Jiao Tong University
Current assignee: Public Security And Fire Fighting Forces Academy; Tianfu New Area Research Institute Of Southwest Jiao Tong University
Priority date: 2019-06-07
Filing date: 2019-06-07
Publication date: 2019-08-30
Anticipated expiration: 2039-06-07
Also published as: CN110191248B

Abstract

本发明属于无人机通信技术领域，涉及一种基于反馈的Bats Code的无人机图像传输方法。本发明是基于反馈的低复杂度网络编码(Bats Code)在无人机图像传输上的一种应用设计，适用于网络层及其上层。Bats Code可靠性高且复杂度低，但其存在系数开销大且在译码后期译码开销大等缺点，使得实际应用起来存在各种问题。因此，本发明针对这两个主要缺点提出了一种基于反馈的Bats Code的无人机图像传输方案。该方案同直接传输相比，提高了传输的可靠性；同传统的Bats Code相比，能通过一定次数的反馈使得译码成功率得到进一步提升的同时降低了系数开销，提高传输效率。

Description

一种基于反馈的Bats Code的无人机图像传输方法

技术领域

本发明属于无人机通信技术领域，涉及一种基于反馈的Bats Code的无人机图像传输方法。

背景技术

在日趋复杂的电磁环境的影响下，图像传输作为无人机通信系统的关键部分，其抗干扰性能的好坏直接影响着无人机效能的发挥。目前大多数无人机的通信距离为5～10km，通信距离的限制导致无人机间或无人机与地面接收机无法直接进行远距离通信，从而通过中继加以实现。因此，远距离无人机通信系统通常由无人机、中继(无人机或者其它设备)和地面接收机或者无人机构成。考虑到无人机通信所要求的信道编码算法简单，复杂度低、可靠性高和实时性高等特点，研究和分析适合远距离无人机通信的信道编码方案，设计切实可行的无人机图像传输方法，对于提高无人机在无线信道中传输信号的可靠性，改善无人机通信系统的性能具有非常重要的作用和意义。

目前，无人机与地面接收机之间的信道编码常采用Turbo码、LDPC码等。但Turbo码和LDPC码存在复杂度高、实时性差、硬件成本高等问题。对于远距离通信，在中继节点采用直接存储转发的方式会造成数据丢失的累积，从而使译码性能较差。因此，有人提出了一种基于LDPC码和物理层网络编码的联合信道编码方案，解决了中继节点处数据丢失累积的问题。但此方案存在复杂度高、系数开销大且LDPC码在高信噪比下会出现错误平层的问题。而批量稀疏码(Bats Code)作为基于喷泉码和网络编码的联合编码方案，不仅可以解决上述问题，还具有无码率、复杂度低、吞吐量高、安全性高等优点，但将其应用到无人机通信中还面临着诸多问题。其中最主要的问题是系数开销较大，导致传输效率低。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出一种基于反馈的Bats Code的无人机图像传输方案，适用于网络层及其上层。

为了便于理解，首先对本发明采用的部分技术原理进行如下说明。

Bats Code是一种将喷泉码和网络编码相结合的一种新型编译码方案，由内码和外码构成。其中，外码为喷泉码编码，内码为随机线性网络编码。其基本思想是在发送端把将要传送的信息数据分成特定长度的源信息包，根据度分布函数选出源信息包并对其进行喷泉码编码，生成以batch为单位的数据包在信道上进行传输。在中间节点，对接收到的batch进行batch内部的随机线性网络编码后，再传输到接收端。在经过信道传输后，接收端不需要考虑信道条件只要保证接收到足够数量的batch，就一定可以成功译码从而恢复要传送的源信息。下面将主要介绍Bats Code基本的编译码形式。

1.Bats Code编码

Bats Code编码分为外码编码和内码编码。外码编码为喷泉码编码，在信源节点处进行；内码编码为随机线性网络编码，在中间节点进行。Bats Code的整个编码过程的如图1所示。

外码编码生成一个batch的过程，可以表示为：

X_i＝B_iG_i

其中B_i为根据度分布随机选出的d个数据包，G_i为生成矩阵，维度为d×M，X_i为生成的batch。

内码编码采用随机网络编码，即中间节点将接收到的属于同一个batch的编码包再次进行随机线性组合，从而生成新的数据包。编码过程表示为：

Y_i＝X_iH_i＝B_iG_iH_i

上式中，H_i为随机生成的转移矩阵，维度为m×M，m为中间节点接收到的编码包的个数；Y_i为重新编码后生成的新的batch。

2.Bats Code译码

Bats Code译码采用一种迭代算法。在译码的每一步，译码器都在接收到的batch中寻找度等于其系数矩阵的秩的batch，这些batch组成的集合称为输出可译集。它们连接的信息包组成的集合称为输入可译集。在此之后，译码器将每一个译出的信息包与跟它相连的所有编码包分别进行线性组合，计算结果取代对应编码包原来的值，完成之后删去与它们之间的连接关系。重复上述过程直至不存在度等于其系数矩阵的秩的batch为止。如果所有数据包都被恢复则译码成功，否则译码失败。

BP译码算法本质上是一种低复杂度的矩阵求逆法。假设发送数据包和收到的编码包矢量分别为X＝[x₁，x₂，...，x_k]^T和Y＝[y₁，y₂，...，y_n]^T。接收端可以根据某种协议(如包头信息)重构出Bats Code的系数编码矩阵G*H。因此有

Y＝G·H·X

如果能计算出(GH)^-1，则可以通过X＝(GH)^-1·Y计算出原始数据包矢量X，这可以获得最大似然译码的效果，译出最多的数据。

本发明提出的一种基于反馈的Bats Code的无人机图像传输方案，目的在于克服传统网络编码复杂度高、系数开销大的缺点，并在有限次数的反馈下提高接收端译码成功率。其中减小系数开销主要是通过固定发送端、中继、接收端三点处伪随机序列发生器的初始状态，避免对系数向量、关联包号等参数的传输从而实现。反馈的主要思想是：发送端根据信道情况发送一定数量的Bats Code编码包，接收端在接收完成后开始译码。若未译码成功，接收端在未译出的信息包中选出度最大的包，并将其包号反馈到发送端。发送端接收到反馈的包号但未接收到ACK时，除了继续发送Bats Code编码包，还将反馈对应的原始数据包以度为1的batch的形式直传到接收端。若译码成功，则接收端反馈ACK信号，传输结束。

设计方案的具体步骤如下：

1.发送端：

a.对获取的图像进行分割、组包。假设待发送的图像RGB三维数据为D_1(N，T，L)，将原始信息等分为K，即T*N个信息包，每个数据包含有L个符号，符号数值在有限域2^q范围内。其中，K称为此编码方案的码长。

b.判断是否有反馈信息。若有且反馈信息为ACK信号，则停止编码和发送；若无反馈信息或者反馈信息为一个信息包包号(1～K)，则按照下列步骤对信息包进行喷泉码编码(外码编码)，生成N_j(第j次编码生成batch的数目)个batch并传输。对于反馈信息为包号的情况，除了传输N_j-1个batch之外，还要将反馈包号对应的信息包以度为1的batch的形式进行直传，不参与Bats Code编码。上述步骤如图2所示。

(1)在1～K范围内按某一分布Ω(称为编码度分布)随机选取一个整数d。编码度分布Ω＝[Ω₁，Ω₁，…，Ω_D]表示随机选到度为i的概率为Ω_i。其中D为最大的度，一般不会超过码长K，度分布也可以用函数的形式来表示，即：

Ω(x)＝Ω₁x+Ω₂x²+…+Ω_dx^D

把此函数称为度分布函数，其中x的指数表示选择的度，Ω_i表示概率。

(2)在K个信息包中均匀随机地选取d个不同包；

(3)在有限域2^q范围内随机产生一个(d，M)的系数矩阵G(生成矩阵)，根据矩阵G中的列信息对d个包中的符号进行线性组合，生成M个编码包，组成一个batch。其中，M为batch的长度，d称为该batch的度。

外码编码包结构如图3所示。外码编码包由批号(Batch ID)、包号(Packet ID)、度(Degree)、码字(Code)以及奇偶校验位(Parity digit)组成。

Batch ID：batch的编号，标明编码包所属batch的序号。

Packet ID：编码包的包号。对于编码包，其标明编码包在batch中的位置，即1～M；对于直传包，对应的是其信息包号，即1～K。

Degree：编码包的度，说明编码包所在batch的度的大小。

Parity digit：奇校验位，用于保证编码包在传输过程中的正确性。

上述第(2)、(3)步骤中的随机选包和系数矩阵的生成通过一个伪随机序列发生器实现。

2.中继：

a.对接收到的编码包进行奇偶校验，若校验错误，则丢弃该编码包。

b.根据batch ID将接收到的编码包划分到以batch为单位的分组中。

c.在每一个batch中，根据Packet ID对从信源到中继阶段中丢失的编码包做统计，并把丢包情况以符号Flag symbol记录在batch内的所有编码包中。统计与记录过程如下：用一个长度为M的数组Flag_loss1去记录batch内编码包的丢包情况，第i个编码包丢失，则Flag_loss1(i)＝0，否则Flag_loss1(i)＝1。将这8位二进制数转化为十进制，记为Flag symbol，存放于内码编码包中。对于编码batch，操作如上；对于直传batch，直接将Flag symbol置为0。

d.对同属于一个batch内的编码包进行随机线性网络编码(或内码编码)，如图4所示。通过伪随机序列发生器随机产生一个(k，M)的转移矩阵H对batch中的编码包进行线性组合，生成M个编码包。其中，k为batch内正确接收到的编码包的个数。编码之后对奇偶校验比特进行更新。对于直传batch，不进行随机线性网络编码和奇偶校验比特的更新。

内码编码包结构如图5所示。内码编码包在外码编码包的基础上添加了一个符号，即Flag symbol，使信源到中继阶段的丢包情况能够传递到信宿。

3.信宿

b.根据batch ID将接收到的编码包划分到以batch为单位的分组中，通过辨认符号Flag symbol将直传batch与编码batch分离。。

c.对于编码batch，模拟其系数矩阵过信道的过程。

(1)根据编码包包头的符号Flag symbol对batch内从信源到中继阶段中的丢包情况进行恢复，即将Flag symbol由十进制转为M位的二进制数，存放在数组Flag_loss1中。

(2)根据Packet ID对batch内从中继到信宿阶段中的丢包情况进行统计，并用一个长度为M的数组Flag_loss2去记录，第i个编码包丢失，则Flag_loss2(i)＝0，否则Flag_loss2(i)＝1。

(3)对每一个batch，将伪随机序列发生器的初始状态分别设置为信源和中继处的伪随机序列发生器的初始状态，从而得到与信源处相同的生成矩阵G和关联包号Pos，与中继处相同的转移矩阵H。其中，Pos指的是在外码编码时，参与该batch编码的原始数据包的包号，用于BP译码。

(4)模拟过信道。在删除信道中，若编码包丢失则其携带的包括系数向量在内所有信息也将丢失。因此，第j个batch系数矩阵过信道的过程可视为：G_j·e_1j·H_j·e_2j。其中，e_1j、e_2j分别是以Flag_loss1和Flag_loss2为对角线元素的单位阵。

d.接收端在接收到N_j个batch后，开始进行BP译码。译码具体步骤(图6)如下：

1、判断是否接收到了直传数据包，若有则将该包视为已译出的数据包，进行第3步；若无，则寻找系数矩阵的秩与度相同(rank(G_j·e_1j·H_j·e_2j)＝d_j)的batch；若寻找到一个满足条件的batch，则进入第2步；否则译码结束；

2、通过高斯消元法求解线性方程组进行译码；

3、根据Pos，对与已译出的信息包相关联的batch进行更新。若译出的packet i与batch j有关，则依次进行以下三个步骤对batch j进行更新：

1)将batch j的度减1；

2)消除batch j中未译出的包与pabket i的相关性；

3)将batch j的系数矩阵G_j·e_1j·H_j·e_2j中packet i所对应的行消去。

4、更新结束后，重复第1步，直至译码结束。

e.反馈。若译码成功，则反馈ACK信号；若失败，则在未译出的信息包中，寻找度最大的一个包，并将其包号反馈到发送端。

本发明的有益效果在于，同直接传输相比，提高了传输的可靠性；同传统的BatsCod相比，通过使用伪随机序列，避免系数向量等参数的传输，降低了系数开销，提高传输效率同时通过一定次数的反馈使得译码成功率得到进一步。

附图说明

图1为Bats Code编码示意图；

图2、图4、图6分别为发送端、中继和接收端的数据处理流程图，分别对应外码编码、内码编码以及BP译码和反馈；

图3、图5、图7分别是外码编码包、内码编码包和直传包的结构示意图；

图8为冗余与译码成功率的曲线关系图。

具体实施方式

发明内容部分已经对本发明的技术方案做了详细描述，下面结合图8，描述本发明技术方案的效果。

假设信息长度K＝10000，信息包长度L＝60，batch长度M＝8，删除信道的丢包率e＝0.2，有限域256。

首先，根据信息长度K、信道状态e和batch长度M计算度分布Ψ。根据K＝10000，M＝8，e＝0.2计算的度分布如下表1：

表1 度分布

i	8	11	14	16	23	27	38	41
									Ψ<sub>i</sub>	0.3698	0.1636	0.035	0.1326	0.0711	0.0504	0.0295	0.0394
i	62	64	103	104	178	358	359
									Ψ<sub>i</sub>	0.0138	0.0305	0.0137	0.0152	0.0192	0.0087	0.0074

根据度分布和已知参数，计算得到直传数据包(如图7)携带数据501bit，有效数据为480bit；Bats Code编码包(如图3、5)平均携带数据520bit，有效数据为480bit。

其次，确定信源和中继处的伪随机序列发生器的初始状态。对于每一个batch，信源和中继处的伪随机序列发生器各对应一个初始状态。例如若发送的batch总数N＝2000，则信源和中继各存储2000个随机数作为伪随机序列发生器的初始状态，而信宿则需存储这4000个随机数以便于译码。

随后，根据信道情况估计第一次发送batch的数目N1(不能使译码成功率太高或太低)，以便于反馈起到较明显的正向作用。发送端编码并发送N1个batch，接收端接收完成后进行译码并反馈未译出的信息包中度最大的包号。发送端接收到反馈后，除了将反馈包号对应的信息包直传，还将发送N_i(i≥2)个编码batch。接收端接收后再进行译码和反馈。如此循环进行，直至反馈次数达到上限或译码成功。

在仿真设计中，以冗余r为0.62，N1＝1876作为第一次发送的batch数，反馈次数上限值设为1，即只反馈一次。通过增大冗余(即第2次发送的batch数N2)来分析反馈对译码的影响。在上述参数的条件下，对20帧图像进行仿真，取平均成功率得到如图8所示的曲线关系。由图8可以看出，传统的Bats Code在冗余较低(r≤0.67)时，译码成功率不如直传。但在冗余高于0.67后，传统的Bats Code译码成功率要比直传好，且两者间的差距随着冗余的增大而增大，最高能达到15％。由此可知，在码率较低的情况下，使用Bats Code进行无人机图像传输的性能比直传好。随后，对比带反馈的Bats Code和传统Bats Code的译码性能。由图8可以看出，带反馈的Bats Code的译码性能在冗余为0.62～0.72之间都比传统Bats Code好，且两者之间的差距与冗余几乎呈现凸函数的关系，其中在0.66～0.67间达到峰值，相差12％。由于只反馈了一次，且只反馈了一个包号，因此造成的时延几乎可以忽略。因此可知，在码率较低的情况下，将基于反馈的Bats Code作为无人机图像传输中的信道编码方案，不仅复杂度低、可靠性高和安全性高，而且能通过一定次数的反馈使得译码成功率得到进一步提升的同时降低了系数开销，提高传输效率。

Claims

1.一种基于反馈的Bats Code的无人机图像传输方法，所述Bats Code为将喷泉码和网络编码相结合的编译码方案，其特征在于，所述图像传输方法包括以下步骤：

a.将无人机A的摄像头采集的图像由三维数据转换为二维数据并进行分装组包，即D_(L，T，N)→D′_(L，K)，其中K＝T*N，表示二维数据的列数；N表示三原色的数目，等于3；L、T分别表示每种颜色所对应子矩阵的行数和列数；将得到的二维数据按列分装组包，从而得到K个长度为L的原始信息包；根据估计的信道状况、信息包的数目K以及batch的长度M，计算出相应的度分布；随后进行第1次编码传输，使用伪随机序列生成器产生生成矩阵G以及参与编码的信息包包号，将被选择的信息包进行喷泉码编码，以M个编码包为单位组成一个batch，其中，第i个batch的生成过程表示如下：

X_i＝B_i·G_i

其中B_i为根据度分布随机选出的d个信息包，G_i为生成矩阵，维度为d×M，X_i为生成的batch；

无人机A按照上述编码方法，根据信道估计情况，将一定数量的编码包广播出去；

b.中继无人机B将接收到的编码包并进行奇偶校验后，以batch为单位进行分组；分组后，首先在batch内统计信源到中继阶段的丢包信息，记为Flag symbol；然后，使用伪随机序列生成器产生转移矩阵H，通过对batch内编码包的线性组合实现随机线性网络编码，重新生成M个编码包；第i个batch的内码编码过程表示如下：

Y_i＝X′_i·H_i＝(B_i·G_i)·E_{loss 1}·H_i

其中X′_i为中继接收到的第i个batch，E_{loss 1}为对角线元素为Flag symbol的单位阵，H_i为转移矩阵，维度为dim(X′_i，2)×M，Y_i为重新生成的batch；

c.地面接收机或无人机C接收编码包并进行奇偶校验后，以batch为单位进行分组；然后，在batch内统计中继到接收机阶段的丢包信息，记为Flag loss；随后，将伪随机序列发生器的初始状态分别设置为信源和中继处的伪随机序列发生器的初始状态，产生与信源处相同的生成矩阵G、关联包信息Pos，与和中继处相同的转移矩阵H；根据Flag symbol和Flagloss，模拟系数矩阵过信道的过程；第i个batch的系数矩阵GH_i表示如下

GH_i＝G_i·E_{loss 1}·H_i·E_{loss 2}

其中，E_{loss 2}为对角线元素为Flag loss的单位阵；

在接收完发送的编码包后，地面接收机或接收无人机开始BP译码，即寻找秩等于度的batch，找到后通过高斯消元进行译码，随后将已译出的信息包带入与其相关联的其余batch中进行消除更新；更新后，再次执行步骤c，直至找不到满足秩等于度的batch，译码结束；

译码结束后，将译出的信息包的数据由二维数据转换为三维数据，恢复图像；若图像完全恢复，则反馈ACK信号到无人机A；若图像未完全恢复，地面接收机或接收无人机在未译出的信息包中寻找度最大的，并将其包号反馈给无人机A；

d.无人机A若收到反馈的ACK信号，则停止编码和发送编码包；若收到的是包号，则进行第2次编码传输：将该信息包以度为1的batch的形式，连同一定数量的新的编码包广播出去；对于第i(i≥2)次传输的编码包，中继接收机B对其的处理过程与步骤b一致；而对直传batch进行奇偶校验后，直接转发，不进行内码编码；而地面接收机或无人机C对其的接收处理过程与步骤c的操作一致，但译码时，首先将接收到的直传数据包视为已译出的信息包，连同之前已译出的信息包，对接收到的batch先进行一次消除更新，然后再进行BP译码；译码后再按照步骤c中的原则进行反馈；按照上述步骤一直循环进行，直至无人机A收到ACK信号或者反馈次数到达设定的上限值。