CN111050291A - 一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法，属于信道编码、喷泉码以及无线广播技术领域。包括：1)初始化；2)产生第一类编码符号并发送；3)接收并处理第一类编码符号；4)重复步骤2)和3)直到第一类编码符号发送数达设定参数；5)译码器统计恢复比例并产生反馈；6)产生第二类编码符号并发送；7)接收并处理第二类编码符号；8)处理度值为1的编码符号；9)处理度值为2的编码符号；10)重复步骤5)至9)直到所有接收端译码器完成译码。所述方法在广播信道接收端异构且并非都配备有译码器的情况下有效减少了喷泉码解码时的反馈重传次数，降低了信道状态较好和较差用户的译码开销，提高了系统吞吐量。

Description

一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法

技术领域

本发明涉及一种无线广播方法，特别涉及一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法，属于信道编码、喷泉码以及无线广播技术领域。

背景技术

无线广播可将信息从一个发送器传递到多个接收机，它广泛用于许多场景，例如数字视频广播和蜂窝数据广播。同时，无线广播也面临一些独特的挑战，例如，接收机通常是异构的、具有不同的计算能力和信道质量，而信道质量最差的设备对广播协议的影响最大。

喷泉码作为适用于广播业务的一类纠错码，为上述挑战提供了解决方案。喷泉码可以从固定数量的信源符号中生成无限数量的编码符号，而每个接收端在接收到足够数量的编码符号之后，可以通过复杂度较低的译码算法恢复整个信源符号。Luby变换(Lubytransform Code)码是第一个实际使用的喷泉编码方案。随后，为提高错误平层性能，引入了Raptor码，并在许多广播协议(例如MBMS和DVB-H)中被广泛使用。

作为一种更加灵活的喷泉码，在线喷泉码于《IEEE Transactions onInformation Theory》2015年第61卷第6期，题目为：“Online fountain codes with lowoverhead”的文章中被首次提出。在线喷泉码引入了有限数量的反馈，其编码方式可以根据信道状态改变，码率也可以根据信道状态自适应地调整。此外，在线喷泉码还具有编译码复杂度低、可靠性强、实时译码性能好等优势。然而，在线喷泉码的编码策略随着译码状态而改变，在广播场景下，存在多个信道状态不同的接收端，因而存在多个译码状态。如果根据其中一个译码状态确定编码策略，则这个编码策略对其他接收端不是最优的；如果根据所有译码状态寻找全局最优编码策略，那么这个编码策略对每个接收端都不是最优的。因此，在线喷泉码在广播场景中的应用存在问题。

发明内容

本发明的目的在于克服在线喷泉码应用在广播场景中产生的不同译码状态互相影响导致译码性能下降的问题，提出了一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法，在保证可靠性的同时，提高了传输效率。

所述基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法依托的系统包括发送端、信道和接收端；

其中，发送端包括信源和编码器，信源共有k个信源符号，记为X₁,X₂,X₃,...,X_k；信道为二元删除信道；接收端的数量为M个，其序号分别为1,2,3,...,i,...M；i为接收端的序号，取值范围为1到M；每个接收端又包括译码器和信宿；

所述基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法，包括如下步骤：

步骤1：初始化发送端和接收端，具体为：

每个接收端初始化两个空集合：集合B_i和集合T_i，并初始化存储空间MC_i，MS_i，MD_i和MM_i为空，初始化m'_i＝0；发送端初始化l＝0和集合Q为空；

其中，i为接收端的序号，取值范围为1,2,3,...,M；集合B_i是第i个接收端所有已经完成译码的信源符号的序号的集合，集合T_i是第i个接收端待处理的编码符号的序号的集合；存储空间MC_i用于在第i个接收端存储编码符号和相应的序号列，存储空间MS_i用于在第i个接收端存储译码器处理得到的序号列集合，存储空间MD_i用于在第i个接收端存储完成译码的信源符号和相应的序号，存储空间MM_i用于在第i个接收端存储等待译码的编码符号和相应的序号；m'_i是对第i个接收端最优的编码符号度值，l是记录已发送编码符号个数的计数器；集合Q是发送端存储接收端反馈信息的集合；

步骤2：编码器产生第一类编码符号并发送到译码器，具体为：

步骤2.1令l＝l+1，编码器选择第l个信源符号作为第一类编码符号，即赋值CB1_l＝X_l；

其中，CB1_l为第l个第一类编码符号，X_l为第l个信源符号；

步骤2.2将步骤2.1输出的第一类编码符号和其对应的序号l发送给接收端；

步骤3：接收端i译码器接收、存储步骤2发出的第一类编码符号，并进行相应处理；

其中，M个接收端中的每个接收端操作相同，此共同的操作为步骤3到步骤10；

步骤3具体为：

译码器将编码符号CB1_l作为序号l对应的信源符号，与序号l一同存储在MD_i中；

步骤4：判断l是否等于k，若是跳至步骤5，否则跳至步骤2；

步骤5：接收端译码器统计恢复比例并产生反馈，具体为：

步骤5.1接收端i译码器统计恢复比例β_i，再依据下述公式(1)，由β_i计算m_i：

其中，β_i是在线喷泉码译码端得到的信源符号占全部信源符号的比例；m_i表示对信源符号进行在线喷泉码编码时，理论上最优的所需信源符号的个数；

步骤5.2判断MM_i是否为空，若为空，则跳至步骤6，若MM_i非空，则判断m'_i与m_i的关系，并进行如下操作：

5.2A若m_i≠m'_i，将MM_i中的任意一个序号列作为新的N2_j，其对应的编码数据包作为新的第二类编码符号CB2_j，跳至步骤7；

5.2B若m_i＝m'_i，M个接收端将译码器端计算的m_i值分别反馈给发送端编码器；

步骤6：发送端编码器产生第二类在线喷泉码编码符号并发送，具体为：

步骤6.1编码器利用接收到的反馈信息m_i(i＝1,2,...,M)更新序列Q，记其中最大的m_i为m_max；

步骤6.2编码器选择m_max个信源符号异或得到第二类编码符号；

其中，m_max个信源符号异或运算结果记为CB2_j，进行异或运算的m_max个信源符号对应的序号列记为

下标j表示第j个第二类编码符号；

步骤6.3将步骤6.2输出的第二类编码符号CB2_j和其对应的序号列N2_j发送给译码器；

步骤7：译码器接收并处理步骤6发送的第二类编码符号，具体为：

步骤7.1接收端i译码器计算集合B_i和序号列N2_j的交集Y_ij，从N2_j中减去Y_ij得到序号列N2’_ij，计算N2’_ij中序号的个数；

步骤7.2对N2’_ij中序号的个数进行判断，若序号的个数为0，则跳至步骤6；否则若序号的个数不为0，则Y_ij中的所有序号所对应的信源符号依次与CB2_j进行异或运算，得到CB2’_ij并进行进一步判断N2’_ij中的元素个数，操作如下：

7.2A若N2’_ij中的元素个数为1，则N2’_ij中只有一个序号n2_j，其所对应的编码符号为CB2’_ij，CB2’_ij是一个度值为1的编码符号，跳至步骤8；

7.2B若N2’_ij中的元素个数为2，则N2’_ij中存在两个序号即N2’_ij＝{n3_g1,n3_g2}，其所对应的编码符号为CB2’_ij，记CB2’_ij是一个度值为2的编码符号，跳至步骤9；

7.2C若N2’_ij中的元素个数不为1或2，则将数据编码符号CB2’_ij与其对应的序号N2’_ij存储在MM_i中，跳至步骤10；

步骤8：接收端i译码器存储并处理度值为1的编码符号，具体为：

步骤8.1译码器将编码符号CB2’_ij作为序号n2_j对应的信源符号存储到MD_i中；

步骤8.2查找MC_i中的序号列，将所有含有序号n2_j的序号列对应的编码符号依次与CB2’_ij进行异或运算，每次运算的结果作为此序号列中另一序号n3_gx对应的编码符号的译码结果，存储到MD_i中；将所有译码结果对应的序号存入集合T_i中，从MC_i中删除译码的序号列和编码符号；

其中，n3_gx对应n3_g1或n3_g2，记N3_g＝{n3_g1,n3_g2}为度值为2的编码符号所对应的序号列，n3_g1和n3_g2的范围为1到k；度值为2的编码符号由两个信源符号异或得到；

步骤8.3将集合T_i中的任意一个序号作为新的n2_j，将这个序号从T_i中删除，将对应的信源符号作为新的CB2’_ij；

步骤8.4执行步骤8.2，再判断集合T_i是否为空集，若集合T_i为空集，则跳至步骤8.5，否则若集合T_i非空，跳至步骤8.3；

步骤8.5译码器查找MS_i中的集合，对序号n2_j进行判断，若序号n2_j属于MS_i中的某一集合，则将这个集合中的全部序号存入集合B_i中；否则若序号n2_j不属于MS_i中的任一集合，则将序号n2_j存入集合B_i中，跳至步骤10；

步骤9：接收端i译码器存储并处理度值为2的编码符号，具体为：

步骤9.1接收端i译码器将编码符号CB3_g和序号列N3_g＝{n3_g1,n3_g2}存储在MC_i中；

其中，CB3_g记为第三类编码符号，由两个原始信息编码数据包异或得到，下标g表示第g个第三类编码符号；

步骤9.2对步骤9.1中存储的N3_g中的两个序号进行判断，并进行相应操作：

9.2A若N3_g中的序号n3_g1和n3_g2不属于MS_i中的任何一个序号列的集合，则将N3_g存储在MS_i中；

9.2B若N3_g中的一个序号属于MS_i中某一序号列集合，则将另一个序号也放入该集合中；

9.2C若N3_g中的两个序号分属MS_i中的两个序号列集合，则将这两个集合合并；

步骤10：计算并判断所有接收端译码器恢复比例β_i(i＝1,2,3...,M)是否都等于1，若是，结束本方法，否则跳至步骤5；

至此，从步骤1到步骤10，完成了一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法。

有益效果

本发明提出了一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法，与其他基于传统在线喷泉码或系统在线喷泉码的广播方法相比，具有如下有益效果：

1.本方法引入系统在线喷泉码作为编码方案，减少所有用户完成译码所需要发送的编码符号数量，在广播信道接收端异构且并非都配备有译码器的情况下提升了系统的吞吐量；

2.本方法将高度值的编码符号存储，有效减少了喷泉码解码时的反馈重传次数；

3.本方法利用存储的高度值编码符号进行后续解码，降低了不同译码状态的接收端之间的互相影响，同时降低了信道状态较好和较差用户的译码开销，提高了系统吞吐量。

附图说明

图1为本发明一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法及实施例1中所依托的系统组成框图；

图2为本发明一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法及实施例1中的流程图；

图3为本发明一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法及实施例1中的仿真对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施过程对本发明及若干实施例进行进一步详细说明。

实施例1

图1为本发明一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法原理图；由图中可以看出：一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法所依托的系统包括发送端和多个接收端，其中发送端又包括信源和编码器，接收端又包括译码器和信宿。

图2为本发明一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法及实施例1中的流程图。

本实施例具体阐述了本发明实施过程中，各步骤的具体情况，主要依据说明书主体中的步骤1到步骤9；

其中，待编码的信源符号的个数为k＝1000，其序号分别为1,2,3,...,1000；广播信道共有M＝3个接收端，其序号分别为1,2,3，对应的信道擦除率为ε₁＝0.1，ε₂＝0.3，ε₃＝0.5；

一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法，其流程图为：

步骤A：初始化，具体到本实施例中参数：每个接收端初始化两个空集合：集合B_i和集合T_i，并初始化存储空间MC_i，MS_i，MD_i和MM_i为空，初始化m'_i＝0，其中i取值为1,2,3；发送端初始化l＝0和序列Q；

步骤B：产生和发送第一类编码符号，各接收端译码器接收并处理第一类编码符号；

步骤C：重复步骤B，直到发送端成功无重复发送共k＝1000个第一类编码符号；

步骤D：各接收端统计恢复比例β₁，β₂，β₃，依据公式(1)在各接收端计算最优编码度m₁，m₂，m₃并反馈到编码器端；

若在步骤D中m₁，m₂，m₃更新且MM_i中存储有高度值编码符号，则先跳至步骤E中译码器处理模块进行高度值编码符号的解码；

步骤E：编码器选择m_max＝max{m₁，m₂，m₃}作为最优编码度，产生第二类编码符号并发送，译码器接收并处理第二类编码符号；

若在步骤E中译码器处理模块出现高度值编码符号，则先将其存储于MM_i中，留待后续译码；

步骤F：重复步骤D和步骤E，直到β₁＝β₂＝β₃＝1；

至此，从步骤A到步骤E，完成了本实施例一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法。

图3为本发明一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法实施例1中本方法与按照删除概率最大的用户度值进行编码的一种基于权重分配的系统在线喷泉码方法(Weight-Based Broadcast Scheme for Systematic Online Fountain Codes,WB-SOFC)、文献“Rateless coding with feedback”中的移位LT码(Shifted Luby TransformCode)方法、文献“Fountain codes with nonuniform selection distributions throughfeedback”中量化距离方法的仿真对比图，其中信道参数设置如实施例1中所示，WB-SOFC的权重分配分别为ω₁＝ω₂＝0，ω₃＝1，设置量化距离方案的参数c＝0.9，s＝50、SLT码的参数δ＝0.1。从图2可见，本发明提出的基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法(High-Degree Broadcast Scheme for Systematic Online Fountain Codes,HB-SOFC)在所有仿真方案中具有最佳的全译码性能且几乎不受多状态影响。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和优点益处都进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法依托的系统包括发送端、信道和接收端；其中，发送端包括信源和编码器，信源共有k个信源符号，记为X₁,X₂,X₃,...,X_k；信道为二元删除信道；接收端的数量为M个，其序号分别为1,2,3,...,i,...M；i为接收端的序号，取值范围为1到M；每个接收端又包括译码器和信宿；所述高编码符号度值广播方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：初始化发送端和接收端，具体为：

每个接收端初始化两个空集合：集合B_i和集合T_i，并初始化存储空间MC_i，MS_i，MD_i和MM_i为空，初始化m'_i＝0；发送端初始化l＝0和集合Q为空；

其中，i为接收端的序号，取值范围为1,2,3,...,M；集合B_i是第i个接收端所有已经完成译码的信源符号的序号的集合，集合T_i是第i个接收端待处理的编码符号的序号的集合；

步骤2：编码器产生第一类编码符号并发送到译码器；

步骤3：接收端i译码器接收、存储步骤2发出的第一类编码符号，并进行相应处理，具体为：

译码器将编码符号CB1_l作为序号l对应的信源符号，与序号l一同存储在MD_i中；

步骤4：判断l是否等于k，若是跳至步骤5，否则跳至步骤2；

步骤5：接收端译码器统计恢复比例并产生反馈，具体为：

步骤5.1接收端i译码器统计恢复比例β_i，再依据下述公式(1)，由β_i计算m_i：

其中，β_i是在线喷泉码译码端得到的信源符号占全部信源符号的比例；m_i表示对信源符号进行在线喷泉码编码时，理论上最优的所需信源符号的个数；

步骤5.2判断MM_i是否为空，若为空，则跳至步骤6，若MM_i非空，则判断m'_i与m_i的关系，并进行如下操作：

5.2A若m_i≠m'_i，将MM_i中的任意一个序号列作为新的N2_j，其对应的编码数据包作为新的第二类编码符号CB2_j，跳至步骤7；

5.2B若m_i＝m'_i，M个接收端将译码器端计算的m_i值分别反馈给发送端编码器；

步骤6：发送端编码器产生第二类在线喷泉码编码符号并发送，具体为：

步骤6.1编码器利用接收到的反馈信息m_i(i＝1,2,...,M)更新序列Q，记其中最大的m_i为m_max；

步骤6.2编码器选择m_max个信源符号异或得到第二类编码符号；

其中，m_max个信源符号异或运算结果记为CB2_j，进行异或运算的m_max个信源符号对应的序号列记为

下标j表示第j个第二类编码符号；

步骤6.3将步骤6.2输出的第二类编码符号CB2_j和其对应的序号列N2_j发送给译码器；

步骤7：译码器接收并处理步骤6发送的第二类编码符号，具体为：

步骤7.1接收端i译码器计算集合B_i和序号列N2_j的交集Y_ij，从N2_j中减去Y_ij得到序号列N2’_ij，计算N2’_ij中序号的个数；

步骤7.2对N2’_ij中序号的个数进行判断，若序号的个数为0，则跳至步骤6；否则若序号的个数不为0，则Y_ij中的所有序号所对应的信源符号依次与CB2_j进行异或运算，得到CB2’_ij并进行进一步判断N2’_ij中的元素个数，操作如下：

7.2A若N2’_ij中的元素个数为1，则N2’_ij中只有一个序号n2_j，其所对应的编码符号为CB2’_ij，CB2’_ij是一个度值为1的编码符号，跳至步骤8；

7.2B若N2’_ij中的元素个数为2，则N2’_ij中存在两个序号即N2’_ij＝{n3_g1,n3_g2}，其所对应的编码符号为CB2’_ij，记CB2’_ij是一个度值为2的编码符号，跳至步骤9；

7.2C若N2’_ij中的元素个数不为1或2，则将数据编码符号CB2’_ij与其对应的序号N2’_ij存储在MM_i中，跳至步骤10；

步骤8：接收端i译码器存储并处理度值为1的编码符号，具体为：

步骤8.1译码器将编码符号CB2’_ij作为序号n2_j对应的信源符号存储到MD_i中；

步骤8.2查找MC_i中的序号列，将所有含有序号n2_j的序号列对应的编码符号依次与CB2’_ij进行异或运算，每次运算的结果作为此序号列中另一序号n3_gx对应的编码符号的译码结果，存储到MD_i中；将所有译码结果对应的序号存入集合T_i中，从MC_i中删除译码的序号列和编码符号；

其中，n3_gx对应n3_g1或n3_g2，记N3_g＝{n3_g1,n3_g2}为度值为2的编码符号所对应的序号列，n3_g1和n3_g2的范围为1到k；度值为2的编码符号由两个信源符号异或得到；

步骤8.3将集合T_i中的任意一个序号作为新的n2_j，将这个序号从T_i中删除，将对应的信源符号作为新的CB2’_ij；

步骤8.4执行步骤8.2，再判断集合T_i是否为空集，若集合T_i为空集，则跳至步骤8.5，否则若集合T_i非空，跳至步骤8.3；

步骤8.5译码器查找MS_i中的集合，对序号n2_j进行判断，若序号n2_j属于MS_i中的某一集合，则将这个集合中的全部序号存入集合B_i中；否则若序号n2_j不属于MS_i中的任一集合，则将序号n2_j存入集合B_i中，跳至步骤10；

步骤9：接收端i译码器存储并处理度值为2的编码符号，具体为：

步骤9.1接收端i译码器将编码符号CB3_g和序号列N3_g＝{n3_g1,n3_g2}存储在MC_i中；

其中，CB3_g记为第三类编码符号，由两个原始信息编码数据包异或得到，下标g表示第g个第三类编码符号；

步骤9.2对步骤9.1中存储的N3_g中的两个序号进行判断，并进行相应操作：

9.2A若N3_g中的序号n3_g1和n3_g2不属于MS_i中的任何一个序号列的集合，则将N3_g存储在MS_i中；

9.2B若N3_g中的一个序号属于MS_i中某一序号列集合，则将另一个序号也放入该集合中；

9.2C若N3_g中的两个序号分属MS_i中的两个序号列集合，则将这两个集合合并；

步骤10：计算并判断所有接收端译码器恢复比例β_i(i＝1,2,3...,M)是否都等于1，若是，结束本方法，否则跳至步骤5。

2.根据权利要求1所述的一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法，其特征在于：步骤1中存储空间MC_i用于在第i个接收端存储编码符号和相应的序号列，存储空间MS_i用于在第i个接收端存储译码器处理得到的序号列集合，存储空间MD_i用于在第i个接收端存储完成译码的信源符号和相应的序号，存储空间MM_i用于在第i个接收端存储等待译码的编码符号和相应的序号；m'_i是对第i个接收端最优的编码符号度值，l是记录已发送编码符号个数的计数器；集合Q是发送端存储接收端反馈信息的集合。

3.根据权利要求1所述的一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法，其特征在于：步骤2具体为：

步骤2.1令l＝l+1，编码器选择第l个信源符号作为第一类编码符号，即赋值CB1_l＝X_l；

其中，CB1_l为第l个第一类编码符号，X_l为第l个信源符号；

步骤2.2将步骤2.1输出的第一类编码符号和其对应的序号l发送给接收端。

4.根据权利要求1所述的一种基于系统在线喷泉码的高编码符号度值广播方法，其特征在于：M个接收端中的每个接收端操作相同，此共同的操作为步骤3到步骤10。

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