CN110943801A - 基于关键信息反馈的数字喷泉码传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及基于关键信息反馈的数字喷泉码传输方法。本发明解决了反馈信息实时调整编码策略以提高对信道条件的适应性，实现了在信息可靠传输的前提下尽量降低编码冗余的目标和在通信过程中反馈次数过多的问题。本发明只对提取出的关键信源符号进行重传，并通过系统喷泉码编码重传使得一次重传后尽可能实现成功译码。本发明能进一步降低编码冗余，通过少量的反馈，可使得数字喷泉码能更好地根据信道条件自适应编码传输，从而在保证信息传输可靠性前提下提高取有效性。本发明能够降低译码复杂度，提高译码效率的基础上实现高效可靠的低冗余传输策略研究。

Description

基于关键信息反馈的数字喷泉码传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及基于关键信息反馈的数字喷泉码传输方法。

背景技术

随着通信技术的快速发展，无线通信已深入工业、商业以及国防建设等各领域，通信系统面临的检错纠错能力和传输效率的要求也越来越高。无线通信中信道受众多因素影响，信道条件不稳定，数据传输过程中容易出现误码和突发帧等问题，传统差错控制技术(FEC、ARQ和HARQ)在无线通信中容易出现因纠错能力有限而使得通信可靠性无法保证或大量的反馈重传导致通信效率低下等情况。为克服传统差错控制技术在无线通信中的局限性，对数字喷泉码相关传输技术进行研究，利用数字喷泉码的无码率编码在不同的信道条件下实现自适应传输。同时考虑到当信道条件变差时，突发帧问题加剧，需要产生大量的编码冗余才能保证可靠通信。因此在数字喷泉码传输过程中引入反馈机制，根据反馈信息实时调整编码策略以提高对信道条件的适应性，实现在信息可靠传输的前提下尽量降低编码冗余的目标。

发明内容

本发明的目的在于提供能够降低译码复杂度，提高译码效率的基础上实现高效可靠的低冗余传输策略研究的基于关键信息反馈的数字喷泉码传输方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：

步骤1：编码器进行LT编码并传输；

步骤2：译码器接收到译码起点个编码符号之后开始首次译码；

步骤3：判断所有信源符号是否均被解码成功；若所有信源符号均被解码成功，则译码器向编码器发送一个ACK信息，通知编码器结束编码；若未能成功将所有信源符号解码，则执行步骤4；

步骤4：译码器向编码器发送反馈信息；所述的反馈信息包括关键信源符号信息和信道删除概率；

步骤5：编码器根据反馈信息调整编码冗余，采用系统喷泉码对提取的关键信源信息进行编码重传；

步骤6：判断所有重传编码符号是否译码成功；若所有重传编码符号均被译码成功，则译码器向编码器发送一个ACK信息，通知编码器结束编码；若所有重传编码符号均已发送后仍未译码成功，则返回步骤4进入下一次反馈过程。

本发明还可以包括：

步骤4中所述的关键信源符号信息的提取方法具体为：

步骤2.1：定义S＝{s₁,......s_i......,s_n}为发送端所有信源符号的集合，S_U＝{s_k,1≤k≤n}为经过第一次译码后未译出的信源符号集合，S_KI为关键信源符号集合；

步骤2.2：在S_U中随机选取一个信源符号s_k，假设其为已译码的信源符号，开始一次译码。将译码成功的符号移出S_U，将s_k放入S_KI中；

步骤2.3：循环步骤2.2直到

此时S_KI即为关键信源符号信息；

只需要将集合S_KI中的元素反馈给发送端，保证集合S_KI中的信源符号在重传过程中被成功接收即可实现其他信源符号的成功恢复。

步骤4中所述的信道删除概率的计算方法为：

p_r＝1-n_r/n_s

其中，p_r为信道删除概率；n_r为解码器正确接收到的编码符号数目；n_s为编码器发送的编码符号数目。

步骤5所述的编码冗余具体为：要保证关键信源符号重传后能被成功译出，则重传后接收端收到的编码符号数不能低于n_k，采用系统喷泉码对提取的关键信源信息进行编码重传时编码冗余R满足下式：

本发明的有益效果在于：

本发明解决了反馈信息实时调整编码策略以提高对信道条件的适应性，实现了在信息可靠传输的前提下尽量降低编码冗余的目标和在通信过程中反馈次数过多的问题。本发明只对提取出的关键信源符号进行重传，并通过系统喷泉码编码重传使得一次重传后尽可能实现成功译码。本发明能进一步降低编码冗余，通过少量的反馈，可使得数字喷泉码能更好地根据信道条件自适应编码传输，从而在保证信息传输可靠性前提下提高取有效性。本发明能够降低译码复杂度，提高译码效率的基础上实现高效可靠的低冗余传输策略研究。

附图说明

图1是本发明系统喷泉码编码方式图。

图2是本发明的实施例1中关键信源符号提取示例图。

图3是本发明的总体流程图。

图4是译码失败信源符号个数与关键信源符号提取后需要重传符号数对比图。

图5是不同译码起点时译码成功所需编码符号数对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明属于无线通信技术领域。为解决反馈信息实时调整编码策略以提高对信道条件的适应性，实现在信息可靠传输的前提下尽量降低编码冗余的目标和在通信过程中反馈次数过多的问题，本发明提供了一种基于关键信息反馈的数字喷泉码传输方法，只对提取出的关键信源符号进行重传，并通过系统喷泉码编码重传使得一次重传后尽可能实现成功译码。

AR方案是基于LT码的一种反馈重传编码算法，其主要思想是依据译码器提供的反馈信息在编码器端将所有信源符号分为已解码和未解码两部分，只对未解码的信源符号进行重传编码，从而提升编码有效性。MU方案在AR方案的基础上根据反馈信息对信源符号的处理更加细化，只将对译码过程中最有用的信源符号作为反馈信息。在不同条件下对基于关键信息反馈的数字喷泉码传输方案与AR和MU的仿真结果表明，基于关键信息反馈的数字喷泉码传输方案在不同信道条件下均能有效降低编码冗余，只需略多于1次的反馈重传，在信息可靠传输的前提下尽量降低综合译码开销，提升了数字喷泉码对信道的适应性。相比于单独采用信道编码，LT码与信道编码级联的传输方案在无线信道下具有一定优势。

本发明能进一步降低编码冗余，通过少量的反馈，可使得数字喷泉码能更好地根据信道条件自适应编码传输，从而在保证信息传输可靠性前提下提高取有效性。本发明能够降低译码复杂度，提高译码效率的基础上实现高效可靠的低冗余传输策略研究。

基于关键信息反馈的数字喷泉码传输方法包括以下步骤：

1)编码器不断进行LT编码并传输，译码器接收到n_star(译码起点)个编码符号之后开始首次译码。

2)如果所有的信源符号均被解码成功，则译码器向编码器发送一个ACK信息，通知编码端结束编码。否则，译码器向编码器发送一个包含关键信源符号信息和信道丢包率(删除概率)的反馈信息，然后跳转至步骤3)。若所有重传编码符号均已发送后仍未译码成功，则进入下一次反馈过程。

3)当编码器接收到反馈信息后，根据反馈信息调整编码冗余，采用系统喷泉码对提取的关键信源信息进行编码重传。

4)另外考虑到信道条件对编译码结果的影响，论文将当前信道状态也作为反馈信息的一部分。在接收端可通过编码符号接收情况的统计结果计算出当前信道删除概率，并将此信息反馈给发送端，为确定重传编码冗余提供参考依据。假设发送端(即编码器)一共发送n_s个编码符号，接收端(即解码器)正确接收到n_r个编码符号，提取出的关键信源符号个数为n_k，则可估计信道删除概率p_r为：

p_r＝1-n_r/n_s (1-1)

要保证关键信源符号重传后能被成功译出，则重传后接收端收到的编码符号数不能低于n_k，设从重传编码冗余为R，则应满足式(1-3)

n_k·(1+R)·(1-p_r)≥n_k (1-2)

代入式(1-1)得

其中关键信息是指在译码中止时从生成矩阵中提取的影响译码结果的关键信源符号信息。通常反馈信息包括已解码/未解码信源符号数量和具体信源符号译码情况等相关信息。未译出的信源符号将是重传编码过程中的重点。而通过对译码中止时停止集中剩余生成矩阵结构进行分析发现，未译出的信源符号之间可能存在联系，只要其中一部分关键信源符号能被恢复，则剩余的信源符号也能被成功恢复。因此用从译码中止后生成矩阵中提取出的关键信源符号信息作为反馈信息内容。

现对关键信源符号提取过程进行说明。首先进行假设，如果某些信源符号已知就可以将剩下的信源符号全部译码出来，那么在假设已知的信源符号数最少情况下仍能实现译码成功的那些信源符号即为关键信源符号。关键信源符号提取过程描述如下：

(1)定义S＝{s₁,......s_i......,s_n}为发送端所有信源符号的集合。S_U＝{s_k,1≤k≤n}为经过第一次译码后未译出的信源符号集合。S_KI为关键信源符号集合。

(2)在S_U中随机选取一个信源符号s_k(1≤k≤n)，假设其为已译码的信源符号，开始一次译码。将译码成功的符号移出S_U，将s_k放入S_KI中。

(3)循环步骤(2)直到

S_KI即为关键信源符号集合。

经过关键信息提取后，只需要将集合S_KI中的元素反馈给发送端，保证集合S_KI中的信源符号在重传过程中被成功接收即可实现其他信源符号的成功恢复。只需将关键信源符号重传避免了对所有未解码的信源符号进行编码重传，从而实现降低编码冗余的目的。

实施例1：

1):发送端信源信息由{s₁,s₂,s₃,s₄,s₅,s₆,s₇,s₈,s₉,s₁₀}组成，假设接收端在接收到一定数量的编码符号后进行一次译码，译码后的生成矩阵如图2所示。对非零元素按行搜索，元素“1”所在行表示对应的信源符号未解码。

2)此次译码后，未译出来的信源符号有s₁,s₂,s₃,s₅,s₆,s₈,s₉,这些未译出来的信源符号与不同的编码符号之间存在着连接关系。从生成矩阵第一列开始，未解码信源符号有s₂和s₆，现假设s₂已知，则可解出s₆，然后根据s₂和s₆接着可解出s₁和s₅，紧接着s₉也可以被解码。

3)此时剩下s₃和s₈无法根据已知条件解码，需再次进行假设，假设s₃已知，则s₈也可顺利解码。因此，在这个例子中被提取的关键信源符号为s₂和s₃。原则上在某些情况下可以将不同的信源符号假设为已知，例如一开始示例中的s₂和s₆均可假设为已知，这里我们约定统一按照序号从小往大选取符合条件的信源符号。

4)初次译码失败后未译出来的信源符号为s₁,s₂,s₃,s₅,s₆,s₈,s₉,，而经过关键信息提取后，只需要将s₂和s₃反馈给发送端，保证这两个信源符号在重传过程中被成功接收即可实现其他信源符号的成功恢复。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于关键信息反馈的数字喷泉码传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：编码器进行LT编码并传输；

步骤2：译码器接收到译码起点个编码符号之后开始首次译码；

步骤3：判断所有信源符号是否均被解码成功；若所有信源符号均被解码成功，则译码器向编码器发送一个ACK信息，通知编码器结束编码；若未能成功将所有信源符号解码，则执行步骤4；

步骤4：译码器向编码器发送反馈信息；所述的反馈信息包括关键信源符号信息和信道删除概率；

步骤5：编码器根据反馈信息调整编码冗余，采用系统喷泉码对提取的关键信源信息进行编码重传；

步骤6：判断所有重传编码符号是否译码成功；若所有重传编码符号均被译码成功，则译码器向编码器发送一个ACK信息，通知编码器结束编码；若所有重传编码符号均已发送后仍未译码成功，则返回步骤4进入下一次反馈过程。

2.根据权利要求1所述的基于关键信息反馈的数字喷泉码传输方法，其特征在于：步骤4中所述的关键信源符号信息的提取方法具体为：

步骤2.1：定义S＝{s₁,......s_i......,s_n}为发送端所有信源符号的集合，S_U＝{s_k,1≤k≤n}为经过第一次译码后未译出的信源符号集合，S_KI为关键信源符号集合；

步骤2.2：在S_U中随机选取一个信源符号s_k，假设其为已译码的信源符号，开始一次译码。将译码成功的符号移出S_U，将s_k放入S_KI中；

步骤2.3：循环步骤2.2直到

此时S_KI即为关键信源符号信息；

只需要将集合S_KI中的元素反馈给发送端，保证集合S_KI中的信源符号在重传过程中被成功接收即可实现其他信源符号的成功恢复。

3.根据权利要求1或2所述的基于关键信息反馈的数字喷泉码传输方法，其特征在于：步骤4中所述的信道删除概率的计算方法为：

p_r＝1-n_r/n_s

其中，p_r为信道删除概率；n_r为解码器正确接收到的编码符号数目；n_s为编码器发送的编码符号数目。

4.根据权利要求3所述的基于关键信息反馈的数字喷泉码传输方法，其特征在于：步骤5所述的编码冗余具体为：要保证关键信源符号重传后能被成功译出，则重传后接收端收到的编码符号数不能低于n_k，采用系统喷泉码对提取的关键信源信息进行编码重传时编码冗余R满足下式：

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