CN110233699B - 一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法和电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法和电子设备，所述方法包括：将待传输的数据划分成若干等长的数据块，以获得若干输入分组；设置输入分组的译码状态矢量为零向量；设置编码分组集合为空集；搜索获得编码分组的度；所述编码分组的度为组成一个编码分组所需的输入分组的个数；随机选择与所述编码分组的度相等数量的输入分组进行相应运算，得到编码分组；向接收端发送所述编码分组，并接收反馈信息。本发明能够在控制编码复杂度为线性的同时，保证译码能力不降低，同时提高单播和多播场景、删除和噪声信道下的译码性能。

Description

一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法和电子设备

技术领域

本发明涉及无线通讯领域，特别是指一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法和电子设备。

背景技术

目前，已有多种基于反馈的无速率编码方案，但是现存的编码方案只有少数考虑了编码的中途译码性能，并且考虑中途译码性能的编码其译码开销较大；降低译码算法复杂度的编码，其译码能力随之降低；此外，现存编码在多播信道和噪声信道下的译码性能不尽人意。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法和电子设备，将编码复杂度控制在线性范围内，以提高中途译码性能，同时提高在单播和多播场景、删除和噪声信道下的译码性能。

基于上述目的，本发明提供了一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法，所述方法包括：

将待传输的数据划分成若干等长的数据块，以获得若干输入分组；设置输入分组的译码状态矢量为零向量；设置编码分组集合为空集；

搜索获得编码分组的度；所述编码分组的度为组成一个编码分组所需的输入分组的个数；

随机选择与所述编码分组的度相等数量的输入分组进行相应运算，得到编码分组；

向接收端发送所述编码分组，并接收反馈信息；

若所述反馈信息显示所述接收端接收成功，则更新所述输入分组的译码状态矢量和将所述编码分组添加至所述编码分组集合；

若所述反馈信息显示所述接收端接收不成功，则不更新所述输入分组的译码状态矢量和不将所述编码分组添加至所述编码分组集合。

可选的，所述随机选择与所述编码分组的度相等数量的输入分组进行相应运算，包括：随机选择与所述编码分组的度相等数量的输入分组进行模2加法运算。

可选的，所述编码分组的度为：

Ω_k-r为k-r维RS分布，k为全部输入分组的数量，r为发送端认为已译出的输入分组的数量，Φ^d为当编码分组的度为d时接收端的结合分布，所述结合分布为结合分组的度分布，所述结合分组为所有残余分组加上发送端发送的编码分组组成的编码分组集合，所述残余分组为经过一次译码过程后，接收端中未被释放的编码分组，D(·||·)为相对熵函数，定义为：

可选的，所述搜索获得编码分组的度，包括：

其中，

Φ^d为当编码分组的度为d时接收端的结合分布；

n_if表示残余分组集合中度为f的残余分组的个数,

表示残余分组集合中所有残余分组的个数；搜索获得编码分组的度的复杂度为O((k-r)²)；

设定任意的d₁,d₂∈{1,2,...,k-r}，得到

和

对比

和

所述搜索获得编码分组的度的复杂度从O((k-r)²)降低到O(k-r)。

可选的，所述方法还包括：

将待传输的数据划分成若干等长的数据块；对多个接收端均设置输入分组译码状态矢量为零向量，设置编码分组集合为空集；

对所述多个接收端搜索编码分组的度；所述编码分组的度为组成一个编码分组所需的输入分组的个数；

根据每个接收端的所述译码状态矢量计算求得所述输入分组的选择概率向量；

根据所述选择概率向量随机选择与所述编码分组的度相等数量的输入分组进行相应运算，得到所述编码分组；

向所述多个接收端发送编码分组，并接收反馈信息；

若其中一个接收端反馈信息显示接收端接收成功，则更新对应接收端所述输入分组的译码状态矢量和将所述编码分组添加至所述编码分组集合；

若其中一个接收端反馈信息显示接收端接收不成功，则不更新对应接收端所述输入分组的译码状态矢量和不将所述编码分组添加至所述编码分组集合。

可选的，所述编码分组的度为：

其中，D'(·||·)是修正的相对熵函数，其定义为：

其中，j为接收端，j已译出的输入分组的数量为r_j，接收端j的下一个度的搜索范围为[1,k-r_j]，

表示当编码分组的度为d时接收端j的结合分布。

可选的，所述输入分组选择概率向量为：

P_select＝PV^ur/∑PV^ur；

其中，

表示接收端j未译出的输入分组的标记向量，其中

表示示性函数。

可选的，所述向接收端发送所述编码分组，并接收反馈信息之后，还包括：

若反馈信息显示所述接收端接收成功，则更新所述输入分组的译码状态矢量中对应的值为置信度B，更新所述编码分组集合中对应的值为1-B；

若反馈信息显示所述接收端接收不成功，则不更新所述输入分组的译码状态矢量中对应的值为置信度B，不更新所述编码分组集合中对应的值为1-B；

可选的，所述置信度B为一个输入分组比特的置信度，

定义为：

其中，s为比特取值，s∈[-1,1]，E_b表示比特能量，N₀/2表示噪声功率，y＝E_b+Z经过解调后的接收信号，表示高斯噪声经过滤波器的反应，其方差为N₀E_b/2。

本发明还提供了一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码的电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现所述受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法和电子设备，通过同步发送端与接收端的译码状态，将编码复杂度控制在线性范围内，提高编码的中途译码性能，保证译码能力不降低，同时提高在多播信道和噪声信道下的译码性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法流程示意图；

图2为本发明实施例中残余分组、残余分布、结合分组和结合分布的示意图；

图3为本发明实施例中BI-AWGN信道下REF码与LT码、RT码、D&C码，SLT码和QD码的性能仿真对比；

图4为本发明实施例提供的一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法在多播场景下应用流程示意图；

图5为本发明实施例中REF码与QD码在BEC多播场景下的性能对比。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法，如图1所示，为本发明实施例提出的一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法的流程示意图。该方法称为REF码，具体包括以下步骤：

S101，将待传输的数据划分成若干等长的数据块，以获得若干输入分组；设置输入分组的译码状态矢量为零向量；设置编码分组集合为空集；

需要说明的是，输入分组是发送端待传输的数据被划分为等长的数据块，最后一个数据块不足的补零。

S102，搜索获得编码分组的度；所述编码分组的度为组成一个编码分组所需的输入分组的个数；

REF码选择编码分组的度的主要思想为使结合分布尽可能地接近RS分布，以发挥RS分布的优秀性质。REF码适用相对熵作为结合分布与RS分布的度量，因此REF码的编码器在选择编码分组的度时，力求使结合分布与RS分布的相对熵最小，即：

Ω_k-r为k-r维RS分布，k为全部输入分组的数量，r为发送端认为已译出的输入分组的数量，Φ^d为当编码分组的度为d时接收端的结合分布，所述结合分布为结合分组的度分布，所述结合分组为所有的残余分组加上下一次发送的编码分组组成的编码分组集合。结合分组、结合分布的示意图。与REF码中根据最小相对熵产生编码分组度的准则称为最小相对熵准则，即Minimum relative entropy(MRE)准则。

在本实施例中，发送端能够通过反馈信道准确地获知接收端译码器的残余分组、残余分布的信息，进而根据这些信息对接下来发送的编码分组的度进行优化。需要说明的是，所述残余分组是指经过一次译码过程后，译码器中未被释放的编码分组；残余分布是指经过一次译码过程后，所有残余分组的度分布情况。

图2为本发明实施例中残余分组、残余分布、结合分组和结合分布的示意图。

S103，随机选择与所述编码分组的度相等数量的输入分组进行相应运算，得到编码分组；

所述相应运算为模2加法运算。相应的，编码分组即是由若干个输入分组进行模2加法得到的数据块，长度与输入分组相同。

S104，向接收端发送所述编码分组，并接收反馈信息；

在REF码中，当接收端成功接收到一个编码分组时，则向发送端反馈一个ACK(确认字符，在数据通信中，接收站发给发送站的一种传输类控制字符)；当编码分组中存在比特被删除时，则不反馈ACK。于是，发送端能够根据来自接收端的ACK信息进行同步译码，实时掌握接收端的译码状态。

S105，若所述反馈信息显示所述接收端接收成功，则更新所述输入分组的译码状态矢量和将所述编码分组添加至所述编码分组集合；

所述反馈信息显示所述接收端接收成功后，所述编码分组添加至所述编码分组集合，即发送端与接收端同步更新已接收的编码分组，进而同步已译出的输入分组，所述输入分组的译码状态矢量中对应的值更新为1；所述编码分组添加至所述编码分组集合，即发送端与接收端同步更新已译出的编码分组。

S106，若所述反馈信息显示所述接收端接收不成功，则不更新所述输入分组的译码状态矢量和不将所述编码分组添加至所述编码分组集合。

所述反馈信息显示所述接收端接收不成功，无编码分组添加至所述编码分组集合；所述输入分组的译码状态矢量不改变。

作为一个可选的实施例，前述实施例中的所述步骤S102还包括：

S102-1，

其中，

Φ^d为当编码分组的度为d时接收端的结合分布；

n_f表示残余分组集合中度为f的残余分组的个数,

表示残余分组集合中所有残余分组的个数；搜索获得编码分组的度的复杂度为O((k-r)²)；

S102-2，设定任意的d₁,d₂∈{1,2,...,k-r}，得到

和

S102-3，对比

和

根据相对熵的定义，对下一个编码分组的分布d_next进行搜索所需要的复杂度为O((k-r)²)。将相对熵看作一个二元函数，固定RS分布为其第一个元，结合分布为其第二个元，则相对熵能够很好地作为REF码中的度量，对最优度的搜索简化为：

对任意的d₁,d₂∈{1,2,...,k-r}，

和

在x≠d₁,d₂处具有相同的值，因此为对比d₁,d₂下的相对熵，只需对比

和

S102-4，所述搜索获得编码分组的度的复杂度从O((k-r)²)降低到O(k-r)。

本发明实施例中，所述步骤S104之后，还包括：

若反馈信息显示所述接收端接收成功，则更新所述输入分组的译码状态矢量中对应的值为置信度B，更新所述编码分组集合中对应的值为1-B；

若反馈信息显示所述接收端接收不成功，则不更新所述输入分组的译码状态矢量中对应的值为置信度B，不更新所述编码分组集合中对应的值为1-B；

需要说明的是，此步骤中，REF码在BI-AWGNC信道下进行了修正，原因在于，在BI-AWGNC信道中，ACK消息只能使发送端获知一个编码分组是否被成功接收，并不能知道其中的信息是否被正确传输。因此REF码在BI-AWGNC信道下的设计需要对REF码的基本编码原理上进行修正。

因为利用BPSK调制向发送端传输，发送比特取值s∈[-1,1]，且两种比特等概取值。令E_b表示比特能量，令N₀/2表示噪声功率，假设经过解调后的接收信号为y＝E_b+Z，其中Z表示高斯噪声经过滤波器的反应，其方差为N₀E_b/2。令B表示一个编码分组的比特的置信度，其定义为：

置信度指示一个比特被正确传输的概率，当每一个编码分组的比特均被正确传输时，发送端能够以概率1获知哪些输入分组被译出。事实上B不是一个输入分组比特被译出的概率，因为译码器具有一定的纠错手段，但在本发明中我们仍然用B表示一个输入分组比特的置信度。

在BI-AWGNC信道下，发送端仍然能掌握正确的编码分组的相关性结构，但由于噪声的存在不能正确地掌握译码的状态。因此，当一个输入分组能够通过发送端的相关性结构被译出时，它被译出的置信度为B。因此，所述若反馈信息显示所述接收端接收成功，则更新所述输入分组的译码状态矢量中对应的值为置信度B，更新所述编码分组集合中对应的值为1-B的步骤中，发送端的输入分组的译码状态矢量不是1而是B，一个输入分组和一个编码分组解除关系时，生成矩阵中对应的值变为1-B，而不再是0.

需要说明的是，在BI-AWGNC信道下，由于置信度的存在，残余分组的度不在总是整数。为了使BI-AWGNC信道下REF码的设计仍然遵守MRE准则，需要对残余分组的度进行处理。由于MRE准则是计算与RS分布相对熵最小的度，所以残余分组的度需要被处理为整数，再次假设一个残余分组的度为a.b，则被认为是0.b个度为a+1的编码分组和1-0.b个度为a的编码分组。非整数编码分组的个数不会影响MRE准则的使用。

图3表示本发明实施例中BI-AWGN信道下REF码与LT码、RT码D&C码，SLT码和QD码的性能仿真对比。

如图4所示，在本发明提供的一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法的另一实施例中，所述方法包括：

S201，将待传输的数据划分成若干等长的数据块；对多个接收端均设置输入分组译码状态矢量为零向量，设置编码分组集合为空集；

本实施例中，REF码被使用在1个发送端、m个接收端的场景中。

S202，对所述多个接收端搜索编码分组的度；所述编码分组的度为组成一个编码分组所需的输入分组的个数；

在多播场景中对度的调整依然服从最小相对熵准则。故下一个编码分组的度为：

其中D'(·||·)是修正的相对熵函数，其定义为：

由于对熵函数不能被直接用在多播场景下，故对相对熵函数进行修正，原因如下：

对于接收端i和j，假设他们已译出的输入分组的数量为r_i,r_j，且r_i＞r_j。对于接收端i，下一个度的搜索范围为[1,k-r_i]，即相对熵的计算范围为[1,k-r_i]。对于接收端j，相对熵的计算范围为[1,k-r_j]，此时进行搜索时，对于接收端i，从k-r_i+1到k-r_j的相对熵值是缺失的。为了使得在多播场景下能够正常搜索，需要对缺失的位置填充合适的数值。接下来考虑填充数值的意义，对于一个接收端，它缺少一个度的相对熵说明该度对其是无用的，所以对于这个接收端来说，这个度被选择概率应该很小，因此应该填充相比于

更大的值，故本发明选择log(k)作为填充的值。

S203，根据每个接收端的所述译码状态矢量计算求得所述输入分组的选择概率向量；

在多播场景下，当编码分组的度选定后，应该考虑选择哪些输入分组作为邻居。直觉上来说，当所有输入分组被平等对待时，信道质量较差的接收端会影响信道质量较好的接收端的性能。

因此，本发明实施例设计了一种输入分组非均匀选择方法来避免不同信道质量的接收端之间相互影响。由于较差信道质量的接收端会影响较好信道质量的接收端，因此本实施例所提出的非均匀选择方法的核心思想为增加好信道质量的接收端未译出的输入分组被选择的概率。令

表示接收端j未译出的输入分组的标记向量，其中

表示示性函数，当接收端j未译出第g个输入分组时,

当接收端j译出第g个输入分组时，

发送端能够通过ACK信息获知每个接收端的

向量。令

进一步地，令

最后输入分组选择概率向量P_select定义为PV^ur的归一化向量。所提方法的本质是对不同的输入分组被选择的概率进行加权。如果一个输入分组被少量接收端译出，则它被选择为邻居的概率应该较高，幂次运算即是对输入分组被选择的加权。

S204，根据所述选择概率向量随机选择与所述编码分组的度相等数量的输入分组进行相应运算，得到所述编码分组；

S205，向所述多个接收端发送编码分组，并接收反馈信息；

当1个接收端成功接收到一个编码分组时，向发送端反馈1个ACK信息。假设反馈信道完美，发送端根据接收到的ACK信息可完全获知接收端的译码状态，进而根据m个接收端的译码状态对编码分组的度进行调整。

S206，若其中一个接收端反馈信息显示接收端接收成功，则更新对应接收端所述输入分组的译码状态矢量和将所述编码分组添加至所述编码分组集合；

所述反馈信息显示所述接收端接收成功后，所述编码分组添加至所述编码分组集合，即发送端与接收端同步更新已接收的编码分组，进而同步已译出的输入分组，所述输入分组的译码状态矢量中对应的值更新为1；所述编码分组添加至所述编码分组集合，即发送端与接收端同步更新已译出的编码分组。

S207，若其中一个接收端反馈信息显示接收端接收不成功，则不更新对应接收端所述输入分组的译码状态矢量和不将所述编码分组添加至所述编码分组集合。

所述反馈信息显示所述接收端接收不成功，无编码分组添加至所述编码分组集合；所述输入分组的译码状态矢量不改变。图5为REF码与QD码在BEC多播场景下的性能对比。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法的电子设备，上述实施例的电子设备用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法，应用于发送端，其特征在于，包括：

将待传输的数据划分成若干等长的数据块，以获得若干输入分组；设置输入分组的译码状态矢量为零向量；设置编码分组集合为空集；

搜索获得编码分组的度；所述编码分组的度为组成一个编码分组所需的输入分组的个数；

随机选择与所述编码分组的度相等数量的输入分组进行相应运算，得到编码分组；

向接收端发送所述编码分组，并接收反馈信息；

若所述反馈信息显示所述接收端接收成功，则更新所述输入分组的译码状态矢量和将所述编码分组添加至所述编码分组集合；

若所述反馈信息显示所述接收端接收不成功，则不更新所述输入分组的译码状态矢量和不将所述编码分组添加至所述编码分组集合；

所述编码分组的度为：

Ω_k-r为k-r维RS分布，k为全部输入分组的数量，r为发送端认为已译出的输入分组的数量，Φ^d为当编码分组的度为d时接收端的结合分布，所述结合分布为结合分组的度分布，所述结合分组为所有残余分组加上发送端发送的编码分组组成的编码分组集合，所述残余分组为经过一次译码过程后，接收端中未被释放的编码分组，D(·||·)为相对熵函数，定义为：

2.根据权利要求1所述的一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法，其特征在于，所述随机选择与所述编码分组的度相等数量的输入分组进行相应运算，包括：随机选择与所述编码分组的度相等数量的输入分组进行模2加法运算。

3.根据权利要求1所述的一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法，其特征在于，所述搜索获得编码分组的度，包括：

其中，

Φ^d为当编码分组的度为d时接收端的结合分布；

n_f表示残余分组集合中度为f的残余分组的个数,

表示残余分组集合中所有残余分组的个数；搜索获得编码分组的度的复杂度为O((k-r)²)；

设定任意的d₁,d₂∈{1,2,...,k-r}，得到

和

对比

和

所述搜索获得编码分组的度的复杂度从O((k-r)²)降低到O(k-r)。

4.根据权利要求1所述的一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法，其特征在于，还包括：

将待传输的数据划分成若干等长的数据块；对多个接收端均设置输入分组译码状态矢量为零向量，设置编码分组集合为空集；

对所述多个接收端搜索编码分组的度；所述编码分组的度为组成一个编码分组所需的输入分组的个数；

根据每个接收端的所述译码状态矢量计算求得所述输入分组的选择概率向量；

根据所述选择概率向量随机选择与所述编码分组的度相等数量的输入分组进行相应运算，得到所述编码分组；

向所述多个接收端发送编码分组，并接收反馈信息；

若其中一个接收端反馈信息显示接收端接收成功，则更新对应接收端所述输入分组的译码状态矢量和将所述编码分组添加至所述编码分组集合；

若其中一个接收端反馈信息显示接收端接收不成功，则不更新对应接收端所述输入分组的译码状态矢量和不将所述编码分组添加至所述编码分组集合。

5.根据权利要求4所述的一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法，其特征在于，所述编码分组的度为：

其中，D'(·||·)是修正的相对熵函数，其定义为：

其中，j为接收端，j已译出的输入分组的数量为r_j，接收端j的下一个度的搜索范围为[1,k-r_j]，

表示当编码分组的度为d时接收端j的结合分布。

6.根据权利要求5所述的一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法，其特征在于，输入分组选择概率向量为：

P_select＝PV^ur/∑PV^ur；

其中，

表示接收端j未译出的输入分组的标记向量，其中

表示示性函数，当接收端j未译出第g个输入分组时，

当接收端j译出第i个输入分组时，

其中，P_select定义为PV^ur的归一化向量，m为接收端的个数，p＞1。

7.根据权利要求1所述的一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法，其特征在于，所述向接收端发送所述编码分组，并接收反馈信息之后，还包括：

若反馈信息显示所述接收端接收成功，则更新所述输入分组的译码状态矢量中对应的值为置信度B，更新所述编码分组集合中的编码分组的译码状态矢量对应的值为1-B；

若反馈信息显示所述接收端接收不成功，则不更新所述输入分组的译码状态矢量中对应的值为置信度B，不更新所述编码分组集合中的编码分组的译码状态矢量对应的值为1-B。

8.根据权利要求7所述的一种受限反馈下基于相对熵的无速率编码方法，其特征在于，所述置信度B为一个输入分组比特的置信度，

定义为：

其中，s为比特取值，s∈[-1,1]，E_b表示比特能量，N₀/2表示噪声功率，y＝E_b+Z经过解调后的接收信号，表示高斯噪声经过滤波器的反应，其方差为N₀E_b/2。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至8任意一项所述的方法。

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