CN110247732B - 多播环境中基于混合译码的喷泉码的编码设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多播环境中基于混合译码的喷泉码的编码设计方法，包括以下步骤：1)将原始文件划分成k个等长的原始信息包；2)发射机将k个等长的原始信息包进行喷泉编码，其中，存在0.2k数量的编码包使用局部增强的概率分布进行编码；3)发射机将喷泉编码得到的编码包广播给全部接收机；4)各接收机接收发射机广播的编码包，再寻找局部满秩矩阵进行局部高斯消元译码，当恢复出全部原始文件时，则发射反馈信号给发射机，发射机将该反馈信号存入反馈集合F_i中；5)发射机利用反馈集合F_i判断全部接收机是否已解码，当全部接收机已解码时，则停止发送编码包，该方法能够有效的降低喷泉码的译码冗余，提高喷泉码的编译码效率。

Description

多播环境中基于混合译码的喷泉码的编码设计方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种多播环境中基于混合译码的喷泉码的编码设计方法。

背景技术

近几年来，随着科技与互联网的快速发展，无线传输已经成为了日常生活中最主要的通信方式，而根据调查无线传输的主要业务为移动多媒体业务，如视频直播、游戏、微博微信等，其通信场景大多是多个用户同时接收同一个信息，因此具有一发多收特性的无线多播技术为移动多媒体业务提供了良好的发展方向。

对于无线通信系统中的多播通信，主要是利用无线信道的广播特性，每个接收机都可以通过无线信道接收到发射机发射的信息，但是由于每个接收机所处的位置不同，因此信息包的传输受到了信道质量的制约，在信道中会随机发生信息包丢失的情况。为了保障数据传输的可靠性，传统的编码传输方法中若接收机判定出现丢包，则接收机需要反馈一个信号，而发射机收到反馈信号后重新发送这个丢失的信息包给所有的接收机，直到所有的接收机都完成数据的接收后这个过程才终止。传统的反馈重传机制在多播中很容易造成“反馈风暴”，导致传输效率降低，而喷泉码作为无需反馈的无码率新型编码，在多播系统中有着广泛的应用前景。

近年来，喷泉码被越来越多的学者重视，喷泉码的编码方式与传统的编码不同，其基本思想为：在发送机将原始信息分成k个长度相同的原始数据包，对原始数据包进行编码，生成的编码数据包是根据某种分布随机选择的若干个数据包异或的结果，将编码数据包进行发送，接收机只需要收到N个数据包(N略大于k)，就可以恢复出全部的原始信息，接收端正确恢复出原始信息时不需要知道收到了哪些编码数据包，也不需要按顺序接收，因此这种编码方式不需要设定码率，极其适合多播的传输环境。

在多播的环境中，发射机的传输效率是重要的指标之一，而优化喷泉码的编码与译码方案可以提高发射机的传输效率并降低喷泉码的译码冗余。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种多播环境中基于混合译码的喷泉码的编码设计方法，该方法能够有效的降低喷泉码的译码冗余，提高喷泉码的编译码效率。

为达到上述目的，本发明所述的多播环境中基于混合译码的喷泉码的编码设计方法，所述多播环境中包含一个发射机和M个接收机，信号按帧进行传输，包括以下步骤：

1)发射机将原始文件划分成k个等长的原始信息包(s₁,s₂,…,s_k)，其中，当无法构成k个等长的原始信息包时，则在最后一个原始信息包处补零；

2)发射机将k个等长的原始信息包(s₁,s₂,…,s_k)进行喷泉编码，其中，在喷泉编码中，存在0.2k数量的编码包使用局部增强的概率分布进行编码；

3)发射机将喷泉编码得到的编码包广播给全部接收机；

4)各接收机接收发射机广播的编码包，再寻找局部满秩矩阵进行局部高斯消元译码，其中，满秩的秩为R＝3，然后使用迭代译码算法进行译码；

其中，当第M_i个接收机成功译码恢复出全部原始文件时，i表示第i个接收机，则发射反馈信号给发射机，发射机接收到所述反馈信号时，则将该反馈信号存入反馈集合F_i中；

5)发射机利用反馈集合F_i判断全部接收机是否已解码，当全部接收机已解码时，则停止发送编码包，并记录最终的译码冗余；当全部接收机没有解码时，则继续发送编码包，直至全部接收机已解码为止。

步骤2)中发射机将k个等长的原始信息包(s₁,s₂,…,s_k)进行喷泉编码的具体操作为：

21)当发射机的传输次数N≤0.8k或N>k时，则利用鲁棒孤波度分布随机选取一个度，该度表示待生成的编码包由多少个原始信息包异或得到，再通过均匀分布选择出需要进行喷泉码异或编码的序号，并将该序号记录在生成矩阵G中，其中，所述生成矩阵G为k×N阵，N为发射机的编码传输次数，且该生成矩阵G按列记录，g_ij∈{0,1}，g_ij∈G，g_ij＝0代表在第j次传输时第i个原始信息包没有参与异或，g_ij＝1代表在第j次传输时第i个原始信息包参与异或；

22)当发射机的传输次数N处于0.8k<N≤k的区间时，则先利用鲁棒孤波度分布随机选取一个度，再通过局部增强的概率分布选择出需要进行喷泉码异或编码的序号，并将该序号记录在生成矩阵G中。

步骤22)中通过局部增强的概率分布选择出需要进行喷泉码异或编码的序号的具体过程为：

a)产生D个由局部增强概率分布选择出喷泉码的编码包，D为选择出的度为3的编码包的数量，其中，

b)寻找步骤21)内生成矩阵G中度为3的编码包的列数，并将其按列依次记录在统计矩阵P中，统计矩阵P的列数为n，当n<D，则只有10n个编码包使用步骤c)中的编码方式进行编码，其余编码包使用步骤21)中的编码方式进行编码，当n≥D，则转至步骤c)；

c)将统计矩阵P中的内容按列进行提取，并将各列中值为1所在的行标记录为A，其中，A∈{a₁,a₂,a₃}，在之后的10个编码包中，先根据鲁棒孤波度分布选择出度，再增加行标a₁,a₂,a₃所对应的原始信息包的概率选择出需要异或的原始信息包k的序号，其中，行标a₁,a₂,a₃所对应的原始信息包序号的概率为

其余的原始信息包的概率均为

将编码出来的编码包按列记录在生产矩阵G中并发送给接收机，将上述过程循环D次，以此增加生成矩阵G中局部满秩的概率。

步骤4)中各接收机接收发射机广播的编码包，再寻找局部满秩矩阵进行局部高斯消元译码，其中，满秩的秩为R＝3，然后使用迭代译码算法进行译码的具体操作为：

41)截止当前传输次数，在第i个接收机接收到的所有编码包

中，寻找度为3的编码包

即该编码包

与三个原始信息包相连，q为第q个编码包的度值为3，s为选择异或的原始信息包；再找出度为2的编码包

其中，w∈{1,2,3},e∈{1,2,3},w≠e，f为度为2的编码包的序号，即找出与度为3的编码包只有一个异或序号不同且度为2的编码包，当没有找到该编码包

时，则转至步骤43)；当找到该编码包

时，则转至步骤42)；

42)当度为2的编码包

的数目为多个时，则将两个度为2的编码包

和一个度为3的编码包

进行高斯消元译码，并将局部的满秩生成矩阵求逆，以解码出三个原始信息包，当度为2的编码包

的数目为1个时，则通过编码包异或解出一个原始信息包

其中，r∈{1,2,3},r≠w,r≠e，然后删除生成矩阵中所有编码包与解出来的原始信息包之间的联系；

43)寻找接收到的编码包中度为1的编码包，即该编码包只与一个原始信息包s_n相连，n表示原始信息包的序号，当不存在度为1的编码包时，则译码终止；若存在度为1的编码包时，则直接解出该编码包对应的原始信息包s_n，并将该原始信息包s_n与所有和该原始信息包s_n有联系的其他编码包进行异或，然后删除所有编码包与该原始信息包s_n之间的联系；

44)重复步骤41)至步骤43)，直到所有的原始信息包都被译码出来为止。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的多播环境中基于混合译码的喷泉码的编码设计方法在具体操作时，发射机在编码过程中，加入局部增强的概率分布方案，在保证编码随机性的前提下，增加生成矩阵中局部满秩矩阵的概率，以降低喷泉码的译码冗余，提高接收机的译码效率，另外，接收机在译码过程中，使用高斯消元译码与迭代译码的混合译码方法，实现译码复杂度与译码效率的统一。

附图说明

图1为本发明的系统模型图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明在原始信息包数量变化时与两种基准方案的译码冗余对比图；

图4为本发明在用户数变化时与两种基准方案的译码冗余对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1及图2，本发明所述的多播环境中基于混合译码的喷泉码的编码设计方法，所述多播环境中包含一个发射机和M个接收机，信号按帧进行传输，包括以下步骤：

1)发射机将原始文件划分成k个等长的原始信息包(s₁,s₂,…,s_k)，其中，当无法构成k个等长的原始信息包时，则在最后一个原始信息包处补零；

2)发射机将k个等长的原始信息包(s₁,s₂,…,s_k)进行喷泉编码，其中，在喷泉编码中，存在0.2k数量的编码包使用局部增强的概率分布进行编码；

3)发射机将喷泉编码得到的编码包广播给全部接收机；

4)各接收机接收发射机广播的编码包，再寻找局部满秩矩阵进行局部高斯消元译码，其中，满秩的秩为R＝3，然后使用迭代译码算法进行译码；

其中，当第M_i个接收机成功译码恢复出全部原始文件时，i表示第i个接收机，则发射反馈信号给发射机，发射机接收到所述反馈信号时，则将该反馈信号存入反馈集合F_i中；

5)发射机利用反馈集合F_i判断全部接收机是否已解码，当全部接收机已解码时，则停止发送编码包，并记录最终的译码冗余；当全部接收机没有解码时，则继续发送编码包，直至全部接收机已解码为止。

步骤2)中发射机将k个等长的原始信息包(s₁,s₂,…,s_k)进行喷泉编码的具体操作为：

21)当发射机的传输次数N≤0.8k或N>k时，则利用鲁棒孤波度分布随机选取一个度，该度表示待生成的编码包由多少个原始信息包异或得到，再通过均匀分布选择出需要进行喷泉码异或编码的序号，并将该序号记录在生成矩阵G中，其中，所述生成矩阵G为k×N阵，N为发射机的编码传输次数，且该生成矩阵G按列记录，g_ij∈{0,1}，g_ij∈G，g_ij＝0代表在第j次传输时第i个原始信息包没有参与异或，g_ij＝1代表在第j次传输时第i个原始信息包参与异或；

22)当发射机的传输次数N处于0.8k<N≤k的区间时，则先利用鲁棒孤波度分布随机选取一个度，再通过局部增强的概率分布选择出需要进行喷泉码异或编码的序号，并将该序号记录在生成矩阵G中。

步骤22)中通过局部增强的概率分布选择出需要进行喷泉码异或编码的序号的具体过程为：

a)产生D个由局部增强概率分布选择出喷泉码的编码包，D为选择出的度为3的编码包的数量，其中，

b)寻找步骤21)内生成矩阵G中度为3的编码包的列数，并将其按列依次记录在统计矩阵P中，统计矩阵P的列数为n，当n<D，则只有10n个编码包使用步骤c)中的编码方式进行编码，其余编码包使用步骤21)中的编码方式进行编码，当n≥D，则转至步骤c)；

c)将统计矩阵P中的内容按列进行提取，并将各列中值为1所在的行标记录为A，其中，A∈{a₁,a₂,a₃}，在之后的10个编码包中，先根据鲁棒孤波度分布选择出度，再增加行标a₁,a₂,a₃所对应的原始信息包的概率选择出需要异或的原始信息包k的序号，其中，行标a₁,a₂,a₃所对应的原始信息包序号的概率为

其余的原始信息包的概率均为

将编码出来的编码包按列记录在生产矩阵G中并发送给接收机，将上述过程循环D次，以此增加生成矩阵G中局部满秩的概率。

步骤4)中各接收机接收发射机广播的编码包，再寻找局部满秩矩阵进行局部高斯消元译码，其中，满秩的秩为R＝3，然后使用迭代译码算法进行译码的具体操作为：

41)截止当前传输次数，在第i个接收机接收到的所有编码包

中，寻找度为3的编码包

即该编码包

与三个原始信息包相连，q为第q个编码包的度值为3，s为选择异或的原始信息包；再找出度为2的编码包

其中，w∈{1,2,3},e∈{1,2,3},w≠e，f为度为2的编码包的序号，即找出与度为3的编码包只有一个异或序号不同且度为2的编码包，当没有找到该编码包

时，则转至步骤43)；当找到该编码包

时，则转至步骤42)；

42)当度为2的编码包

的数目为多个时，则将两个度为2的编码包

和一个度为3的编码包

进行高斯消元译码，并将局部的满秩生成矩阵求逆，以解码出三个原始信息包，当度为2的编码包

的数目为1个时，则通过编码包异或解出一个原始信息包

其中，r∈{1,2,3},r≠w,r≠e，然后删除生成矩阵中所有编码包与解出来的原始信息包之间的联系；

43)寻找接收到的编码包中度为1的编码包，即该编码包只与一个原始信息包s_n相连，n表示原始信息包的序号，当不存在度为1的编码包时，则译码终止；若存在度为1的编码包时，则直接解出该编码包对应的原始信息包s_n，并将该原始信息包s_n与所有和该原始信息包s_n有联系的其他编码包进行异或，然后删除所有编码包与该原始信息包s_n之间的联系；

44)重复41)至43)，直到所有的原始信息包都被译码出来为止。

在喷泉码的编译码方案中，传统的LT译码方案有两种：高斯消元译码及迭代译码，高斯消元译码方案译码冗余较低，但是高斯消元译码通过生成矩阵求逆来恢复原始信息包的信息，因此其译码时间复杂度O(N³)较高，其中，N表示接收到编码包的数量，迭代译码的译码复杂度O(Nlog₂(N))较低，但是在短码长时译码冗余较高，因此将高斯消元译码与迭代译码结合起来，可以做到译码复杂度和译码冗余的相统一，得到最优的性能。

参考图3，在接收机数M＝1时，随着原始数据包k的增加，本发明在译码冗余方面与两个基准方案的对比图，在接收机数M＝1时，不设置丢包率，可以看出，本发明在译码冗余方面远优于传统LT喷泉编码方法和改进度分布的LT码编码方法，并且随着原始数据包k的增加，译码冗余在不断下降。

参考图4，设置每个接收机的丢包率为0.1，在原始数据包k＝100时，随着接收机数M的增加，本发明在译码冗余方面与两个基准方案的对比图，对比方案采用传统LT喷泉编码和改进度分布的LT码编码方法。

Claims (3)

1.一种多播环境中基于混合译码的喷泉码的编码设计方法，所述多播环境中包含一个发射机和M个接收机，信号按帧进行传输，其特征在于，包括以下步骤：

1)发射机将原始文件划分成k个等长的原始信息包(s₁,s₂,…,s_k)；

2)发射机将k个等长的原始信息包(s₁,s₂,…,s_k)进行喷泉编码，其中，在喷泉编码中，存在0.2k数量的编码包使用局部增强的概率分布进行编码；

3)发射机将喷泉编码得到的编码包广播给全部接收机；

4)各接收机接收发射机广播的编码包，再寻找局部满秩矩阵进行局部高斯消元译码，其中，满秩的秩为R＝3，然后使用迭代译码算法进行译码；

其中，当第M_i个接收机成功译码恢复出全部原始文件时，i表示第i个接收机，则发射反馈信号给发射机，发射机接收到所述反馈信号时，则将该反馈信号存入反馈集合F_i中；

5)发射机利用反馈集合F_i判断全部接收机是否已解码，当全部接收机已解码时，则停止发送编码包，并记录最终的译码冗余；当全部接收机没有解码时，则继续发送编码包，直至全部接收机已解码为止；

步骤2)中发射机将k个等长的原始信息包(s₁,s₂,…,s_k)进行喷泉编码的具体操作为：

21)当发射机的传输次数N≤0.8k或N>k时，则利用鲁棒孤波度分布随机选取一个度，该度表示待生成的编码包由多少个原始信息包异或得到，再通过均匀分布选择出需要进行喷泉码异或编码的序号，并将该序号记录在生成矩阵G中，其中，所述生成矩阵G为k×N阵，N为发射机的编码传输次数，且该生成矩阵G按列记录，g_ij∈{0,1}，g_ij∈G，g_ij＝0代表在第j次传输时第i个原始信息包没有参与异或，g_ij＝1代表在第j次传输时第i个原始信息包参与异或；

22)当发射机的传输次数N处于0.8k<N≤k的区间时，则先利用鲁棒孤波度分布随机选取一个度，再通过局部增强的概率分布选择出需要进行喷泉码异或编码的序号，并将该序号记录在生成矩阵G中。

2.根据权利要求1所述的多播环境中基于混合译码的喷泉码的编码设计方法，其特征在于，步骤22)中通过局部增强的概率分布选择出需要进行喷泉码异或编码的序号的具体过程为：

a)产生D个由局部增强概率分布选择出喷泉码的编码包，D为选择出的度为3的编码包的数量，其中，

b)寻找步骤21)内生成矩阵G中度为3的编码包的列数，并将其按列依次记录在统计矩阵P中，统计矩阵P的列数为n，当n<D，则只有10n个编码包使用步骤c)中的编码方式进行编码，其余编码包使用步骤21)中的编码方式进行编码，当n≥D，则转至步骤c)；

c)将统计矩阵P中的内容按列进行提取，并将各列中值为1所在的行标记录为A，其中，A∈{a₁,a₂,a₃}，在之后的10个编码包中，先根据鲁棒孤波度分布选择出度，再增加行标a₁,a₂,a₃所对应的原始信息包的概率选择出需要异或的原始信息包k的序号，其中，行标a₁,a₂,a₃所对应的原始信息包序号的概率为

其余的原始信息包的概率均为

将编码出来的编码包按列记录在生产矩阵G中并发送给接收机。

3.根据权利要求1所述的多播环境中基于混合译码的喷泉码的编码设计方法，其特征在于，步骤4)中各接收机接收发射机广播的编码包，再寻找局部满秩矩阵进行局部高斯消元译码，其中，满秩的秩为R＝3，然后使用迭代译码算法进行译码的具体操作为：

41)截止当前传输次数，在第i个接收机接收到的所有编码包

中，寻找度为3的编码包

即该编码包

与三个原始信息包相连，q为第q个编码包的度值为3，s为选择异或的原始信息包；再找出度为2的编码包

其中，w∈{1,2,3},e∈{1,2,3},w≠e，f为度为2的编码包的序号，即找出与度为3的编码包只有一个异或序号不同且度为2的编码包，当没有找到该编码包

时，则转至步骤43)；当找到该编码包

时，则转至步骤42)；

42)当度为2的编码包

的数目为多个时，则将两个度为2的编码包

和一个度为3的编码包

进行高斯消元译码，并将局部的满秩生成矩阵求逆，以解码出三个原始信息包，当度为2的编码包

的数目为1个时，则通过编码包异或解出一个原始信息包

其中，r∈{1,2,3},r≠w,r≠e，然后删除生成矩阵中所有编码包与解出来的原始信息包之间的联系；

43)寻找接收到的编码包中度为1的编码包，即该编码包只与一个原始信息包s_n相连，n表示原始信息包的序号，当不存在度为1的编码包时，则译码终止；若存在度为1的编码包时，则直接解出该编码包对应的原始信息包s_n，并将该原始信息包s_n与所有和该原始信息包s_n有联系的其他编码包进行异或，然后删除所有编码包与该原始信息包s_n之间的联系；

44)重复步骤41)至步骤43)，直到所有的原始信息包都被译码出来为止。

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