CN110417507A - 单向通信中的面向整数据包出错的纠错编码调用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术中的纠错编码译码技术领域，特别涉及一种单向通信中的面向整数据包出错的纠错编码调用方法，首先，设定单个数据包的长度为m×N比特，将全部数据以每k个数据包作为一个待编码的数据包组，依次从数据包组的每个数据包中抽取第i个m比特，得到N个m×k比特；然后，对抽取之后的N个m×k比特依次调用纠错编码模块EnC，得到N个长为m×n比特的数据；将得到的N个长为m×n比特的数据发送给接收端；接收端调用纠错译码模块DeC对N个长为m×n比特的数据进行逐个处理，得到N个m×k比特的数据；最后，按照上述抽取过程的逆过程，还原得到k个数据包。该方法通用性好、可扩展性好以及实现简单高效。

Description

单向通信中的面向整数据包出错的纠错编码调用方法

技术领域

本发明属于通信技术中的纠错编码译码技术领域，特别是涉及一种可以用于卫星通信、深海、深井等单向通信场合的面向整数据包出错的纠错编码调用方法。

背景技术

前向纠错编码是在数据传输过程中进行误码控制的主要方法之一，前向纠错编码仅仅需要利用消息发送方向接收方传输信息的信道。因其编码、译码过程均不需要用到反向信道，因此在单向通信环境中应用尤其广泛。

为使前向纠错编码具有检错或纠错能力，发送方须对原码字增加多余的码元，以扩大码字之间的差异，即把原码字按某种规则变成具有一定信息冗余的码字，并使每个码字的码元之间满足制约关系。上述关系的建立称为编码。码字到达接收方后，可以根据编码规则是否满足以判定有无错误。当不能满足时，按一定规则确定错误所在位置并予以纠正。纠错并恢复原码字的过程称为译码。分组码是最著名的一类前向纠错码：将输入信息按照k个单位(一个单位可以是单个比特，数学上表示为{0,1}集合中的点；也可以根据需要选择为m比特，数学上表示对应为有限域GF(2^m)上的点)切分成一组进行编码输出。若输出的数据(长度为n个单位)仅与本次的输入数据(长度为k个单位)有关，则称这样的码为分组码。

当网络协议和信道仅支持以数据包为基本传输单元时，整个数据包的出错(特别是整个数据包的丢失)就构成了信息传输中最常见的错误情形。若利用现有的纠错编码理论设备，人们就需要将整个数据包为一个基本信息传输单位(即一个码元)再进行纠错编码，参见图1。

当以数据包(长度为mN比特)为基本码元进行纠错编码时，码元可以看做有限域GF(2^mN)上的元素，纠错编码的目的就是将k个mN比特的数据编成n(n≥k)个mN比特的数据(称为码字)。由此带来的问题有两个：一是在每次在新的网络协议下使用纠错编码时，由于数据包的长度是在变化的，因此每次都需要根据网络中传输数据包的大小来重新设计相应的纠错编码方案，这一过程需要手动完成或将所有可能的编码方案预制在计算机程序中，造成程序冗长或是程序通用性差；二是即使第一个问题能够得到满足，当单个数据包的长度mN较大时，我们在实现具体编码和译码方案所涉及的相关编码运算也会十分复杂，造成编码、译码效率低下。

因此现有的纠错编码理论与技术如果直接应用，不加任何改造，就很难解决单向通信环境中整数据包丢失这一特定的错误类型。

发明内容

针对单向通信环境中，整数据包出错这一问题，本发明提供一种单向通信中的面向整数据包出错的纠错编码调用方法，该方法通用性好、可扩展性好以及实现简单高效。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种单向通信中的面向整数据包出错的纠错编码调用方法，包括以下步骤：

步骤1，设定单个数据包的长度为m×N比特，将全部数据以每k个数据包作为一个待编码的数据包组，依次从数据包组的每个数据包中抽取第i个m比特，得到N个m×k比特；

步骤2，对抽取之后的N个m×k比特依次调用纠错编码模块EnC，故总共需要处理N次，得到N个长为m×n比特的数据；

步骤3，将步骤2得到的N个长为m×n比特的数据发送给接收端；

步骤4，接收端调用纠错译码模块DeC对N个长为m×n比特的数据进行逐个处理，故总共需要处理N次，得到N个m×k比特的数据；

步骤5，按照步骤1抽取过程的逆过程，还原得到k个数据包。

进一步地，所述EnC模块的每一次待编码的输入数据长度为m×k比特，编码之后的单个码字长度为m×n比特；DeC模块的每一次待译码的输入数据长度为m×n比特，译码之后的数据长度为m×k比特。

进一步地，所述步骤1的具体实现过程为：

步骤101，将全部数据以每k个数据包作为一个待编码的数据包组；

步骤102，对整数i从1递增至k，每次递增均执行一遍步骤103和104；

步骤103，依次从数据包组的每个数据包中抽取第i个m比特，总共有k个数据包，故抽取得到m×k比特；

步骤104，将步骤103抽取的m×k比特作为即将进入纠错编码模块EnC的第i个m×k比特的数据块，全部抽取完成后，得到N个m×k比特。

进一步地，在步骤3之后，还包括：接收端接收到长为N×m×n比特数据之后，将其分割为N个m×n比特的数据块。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、增强了面向整数据包纠错的技术通用性。

以往的技术每次在新的网络协议下使用纠错编码时，由于数据包长度是在变化的，因此每次都需要根据网络中传输数据包的大小来确定码元大小，并设计相应的纠错编码方案，这一过程需要手动完成或将所有可能的编码方案预制在计算机程序中，造成程序冗长或是程序通用性差；而本文提出的方案是通过“调用已有的纠错编码方案”解决数据包出错问题。因此在程序编制时，我们仅仅需要编写对纠错编码模块的调用方式即可，而具体的编码和译码模块可以直接采用既有的程序模块，因此极大增强了编码、译码程序编制和硬件设计上的通用性。

2、有效地提升了面向整数据包纠错的编码效率。

采用以往的技术，当单个数据包的长度较大时，我们在实现具体编码和译码方案所涉及的相关编码运算会十分复杂，庞大的实现代价将造成编码、译码效率十分低下。而使用我们的调用方案，能够将数据包纠错编码的问题转化成面向字节甚至比特的纠错编码问题，特别是在硬件实现时可以并行开展，因此该方案不会显著增加编码、译码难度。

3、本发明所设计的调用方案可扩展性好。

本发明并未对所需要调用的分组码具体形式有约束，任何一个分组码均可以用在本发明的框架之内，故对最先进的编码理论与技术成果可以兼容，因此本发明具有良好的可扩展性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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是以整数据包为基本码元进行编码的示意图；

图2是本发明的原理示意图。

具体实施方式

为了便于理解，对本发明中出现的部分名词作以下解释说明：

单向通信：两台通信设备间数据只能在一个方向上传送。在单向通信模式下，两台通信设备中一台固定为发送设备，另一台固定为接收设备。它们之间有一条通信链路存在即可。典型的例子有卫星、深井、深海数据传输。

数据包：在包交换网络里，单个消息被划分为多个数据块作为传输的基本单位，这些数据块称为数据包。

纠错编码：把信源待发的信息序列(以比特位单位，或以字节、字节的整数倍为单位，一个基本单位称之为一个码元)按其单位的k位一组划分成消息组，再将每一消息组独立变换成长为n(n>k)的二进制数字组，称为码字。把消息组变换成码字的过程称为编码，其逆过程称为译码。

实施例一，本实施例提供一种单向通信中的面向整数据包出错的纠错编码调用方法，为表述方便，约定以下的前提条件及符号：

(1)单个数据包的长度为m×N比特；

(2)存在供调用的纠错编码模块EnC，EnC模块的每一次待编码的输入数据长度为m×k比特，编码之后的单个码字长度为m×n比特；对应纠错译码模块命名为DeC，DeC模块实现的是EnC模块的逆，即每一次待译码的输入数据长度为m×n比特，译码之后的数据长度为m×k比特。

参见图2，该方法具体包括以下步骤：

步骤S101，将全部数据以每k个数据包作为一个待编码的数据包组，对每个待编码的数据包组(即k个数据包)依次进行下述操作；

步骤S102，对整数i从1递增至k，每次递增均执行一遍步骤S103和S104；

步骤S103，依次从数据包组的每个数据包中抽取第i个m比特，总共有k个数据包，故抽取得到m×k比特；

步骤S104，将步骤S103抽取的m×k比特作为即将进入纠错编码模块EnC的第i个m×k比特的数据块；

将步骤S102、S103和S104抽取过程称为数据包数据抽取。由于单个数据包的长度为m×N比特，根据步骤S101，总共有k个数据包，因此全部抽取完成后，得到N个m×k比特。

步骤S105，对抽取之后的N个m×k比特依次调用纠错编码模块EnC，调用完EnC模块之后，故总共需要处理N次，将得到N个长为m×n比特的数据；

步骤S106，将步骤S105得到的N个长为m×n比特的数据发送给接收端；

步骤S107，接收端接收到长为N×m×n比特数据之后，将其分割为N个m×n比特的数据块；

步骤S108，接收端调用纠错译码模块DeC对N个长为m×n比特的数据进行逐个处理，故总共需要处理N次，得到N个m×k比特的数据；

步骤S109，按照步骤S102、S103、S104抽取过程的逆过程，即得到k个数据包。

本发明并未对所需要调用的分组码具体形式有约束，任何一个分组码均可以用在本发明的框架之内。

下面结合两个具体实施例对本发明进一步详细描述：

实施例二，单个数据包长度为100字节，使用纠错编码方式为(7,4)系统汉明码。(7,4)系统汉明码为现有的纠错编码方案，该纠错编码方案的输入为4bit，输出为7bit，对应译码方案的输入为7bit，输出为4bit。

发方步骤：

步骤S201，首先把连续的4个数据包(因每个数据包为100字节，故有800比特)

p₁＝(p_1,1,p_1,2,…,p_1,800),p₂＝(p_2,1,p_2,2,…,p_2,800),p₃＝(p_3,1,p_3,2,…,p_3,800),p₄＝(p_4,1,p_4,2,…,p_4,800)

作为原始信息，这里的p_i,j表示第i个数据包p_i的第j比特；

步骤S202，对i从1到800，依次选择(p_1,i,p_2,i,p_3,i,p_4,i)，执行(7,4)系统汉明码，得到7比特数据(p_1,i,p_2,i,p_3,i,p_4,i,p_5,i,p_6,i,p_7,i)，由于执行的是系统汉明码，故得到的7比特数据中的前4比特就为原始输入的4比特，后3比特为(7,4)汉明码生成的新的校验数据；

步骤S203，利用校验数据产生数据包

p₅＝(p_5,1,p_5,2,…,p_5,800),p₆＝(p_6,1,p_6,2,…,p_6,800),p₇＝(p_7,1,p_7,2,…,p_7,800)，再利用固有的网络协议将全部数据包(p₁,p₂,...,p₇)发送给收方。

收方步骤：

步骤S204，在接收到数据时，首先根据数据包序号情况判断是否有数据包p_i丢失。为表述方便，我们可假设此处p₃丢失，收方正常收到了p₁,p₂,p₄,p₅,p₆,p₇；

步骤S205，强行假设p′₃＝(p′_3,1,p′_3,2,…,p′_3,800)＝(0,0,…,0)；

步骤S206，对i:1→800，依次抽取出(p_1,i,p_2,i,p′_3,i,p_4,i,p_5,i,p_6,i,p_7,i)，执行(7,4)系统汉明码解码过程，记录译码所得到的(p_1,i,p_2,i,p_3,i,p_4,i)；

步骤S207，收集全部译码结果，则如果错误类型为(p_1,i,p_2,i,p′_3,i,p_4,i,p_5,i,p_6,i,p_7,i)数据包仅有一个丢失，并且其余数据包正确的情况下，

p₁＝(p_1,1,p_1,2,…,p_1,800),p₂＝(p_2,1,p_2,2,…,p_2,800),p₃＝(p_3,1,p_3,2,…,p_3,800),p₄＝(p_4,1,p_4,2,…,p_4,800)即为正确的数据包。

实施例三，单个数据包长度为100字节，使用纠错编码方式为GF(2⁸)上的[15,11,3]系统码。GF(2⁸)上的[15,11,3]系统码为现有的纠错编码方案，该纠错编码方案的输入为11字节，输出为15字节，对应译码方案的输入为15字节，输出为11字节。

发方步骤：

步骤S301，首先把连续的11个数据包

p₁＝(p_1,1,p_1,2,...,p_1,100),p₂＝(p_2,1,p_2,2,...,p_2,100),...,p₁₁＝(p_11,1,p_11,2,...,p_11,100)作为原始信息，这里的p_i,j表示第i个数据包p_i的第j字节；

步骤S302，对i从1到100，依次选择(p_1,i,p_2,i,...,p_11,i)，执行GF(2⁸)上的[15,11,3]系统码，得到15字节数据(p_1,i,p_2,i,...,p_15,i)；由于执行的是系统码，故得到的15字节数据中的前11字节就为原始输入的11字节，后4字节为GF(2⁸)上的[15,11,3]系统码生成的新的校验数据；

步骤S303，根据步骤S302，构造新数据包

p₁₂＝(p_12,1,p_12,2,...,p_12,100),p₁₃＝(p_13,1,p_13,2,...,p_13,100),

p₁₄＝(p_14,1,p_14,2,...,p_14,100),p₁₅＝(p_15,1,p_15,2,...,p_15,100)

利用固有的网络协议将全部数据包(p₁,p₂,...,p₁₅)发送给收方。

收方步骤：

步骤S304，在接收到数据时，首先判断是否有数据包丢失或出错。为表述方便，我们可假设此处p₃出错，收方正常收到了p₁,p₂,p₄,...,p₁₅；

步骤S305，强行假设p′₃＝(p′_3,1,p′_3,2,...,p′_3,100)＝(0x0,0x0,...,0x0)；0x为16进制符号；

步骤S306，对i:1→100，依次抽取出15个字节(p_1,i,p_2,i,p′_3,i,p_4,i,...,p_15,i)，执行GF(2⁸)上的[15,11,3]系统码解码过程，记录译码所得到的(p_1,i,p_2,i,...,p_11,i)；

步骤S307，收集全部译码结果

p₁＝(p_1,1,p_1,2,...,p_1,100),

p₂＝(p_2,1,p_2,2,...,p_2,100),

...

p₁₁＝(p_11,1,p_11,2,...,p_11,100)

则以上数据即为原始正确的数据包。

在实施例二和实施例三中，我们选择了特定的数据切分方式和特定的编码方式，需要指出，本发明不仅仅适用于样例中给出的特殊情形，对于可逆的数据切分方式和任意的系统分组纠错码都是适用的。区别仅在于切分、纠错编码、译码的实现难度和纠错性能之上。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来讲是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (4)

1.一种单向通信中的面向整数据包出错的纠错编码调用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设定单个数据包的长度为m×N比特，将全部数据以每k个数据包作为一个待编码的数据包组，依次从数据包组的每个数据包中抽取第i个m比特，得到N个m×k比特；

步骤2，对抽取之后的N个m×k比特依次调用纠错编码模块EnC，故总共需要处理N次，得到N个长为m×n比特的数据；

步骤3，将步骤2得到的N个长为m×n比特的数据发送给接收端；

步骤4，接收端调用纠错译码模块DeC对N个长为m×n比特的数据进行逐个处理，故总共需要处理N次，得到N个m×k比特的数据；

步骤5，按照步骤1抽取过程的逆过程，还原得到k个数据包。

2.根据权利要求1所述的单向通信中的面向整数据包出错的纠错编码调用方法，其特征在于，所述EnC模块的每一次待编码的输入数据长度为m×k比特，编码之后的单个码字长度为m×n比特；DeC模块的每一次待译码的输入数据长度为m×n比特，译码之后的数据长度为m×k比特。

3.根据权利要求1所述的单向通信中的面向整数据包出错的纠错编码调用方法，其特征在于，所述步骤1的具体实现过程为：

步骤101，将全部数据以每k个数据包作为一个待编码的数据包组；

步骤102，对整数i从1递增至k，每次递增均执行一遍步骤103和104；

步骤103，依次从数据包组的每个数据包中抽取第i个m比特，总共有k个数据包，故抽取得到m×k比特；

步骤104，将步骤103抽取的m×k比特作为即将进入纠错编码模块EnC的第i个m×k比特的数据块，全部抽取完成后，得到N个m×k比特。

4.根据权利要求1所述的单向通信中的面向整数据包出错的纠错编码调用方法，其特征在于，在步骤3之后，还包括：接收端接收到长为N×m×n比特数据之后，将其分割为N个m×n比特的数据块。