CN112929131A - 一种基于加权编辑距离的标记码传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加权编辑距离的标记码传输方法，包括：1)二进制信息序列b经二进制LDPC码的编码器，生成长度为N_L的编码序列d；2)将标记码w均匀地插入到编码序列d中，生成长度为N_c的发送码字x并输出；3)发送码字x经插入/删节‑替代信道产生长度为

的接收序列y；4)基于加权编辑距离的符号级同步恢复器，纠正接收序列y中的插入/删节错误，输出似然比序列l；5)利用l初始化二进制LDPC译码器，采用对数域置信度传播译码算法进行译码，输出信息序列的估计

本发明提升了传统DM系统的性能，并增强了算法的灵活性。

Description

一种基于加权编辑距离的标记码传输方法

技术领域

本发明涉及数字通信差错控制编码领域，尤其涉及一种基于加权编辑距离的标记码传输方法。

背景技术

在通信系统中，传输序列将会受到插入、删节错误的影响，这是由于采样时钟速率不稳定引起的。大量的插入/删节和替代错误将会造成灾难性的后果，即收发序列长度不一致且存在大量的突发性替代错误，进而导致系统发生失同步，降低系统性能；同时，以往的针对无记忆信道设计的差错控制编码技术很少能被直接采用。因此，如何设计一种有效的用于纠正接收序列中的插入/删节错误的编译码算法是本领域需要长期研究的问题。

早期的恢复同步并纠正插入/删节错误的Davey-MacKay(DM)结构采用级联结构，即内码水印级联外码多进制低密度奇偶校验(LDPC)码的编码方案，获得了优越的纠错性能。但是，DM结构中的同步方法仅适用于水印码，并且同步和纠错能力仍有待提升。

随后，基于DM结构，Briffa设计了一种考虑LDPC码本信息的符号级同步算法，显著降低了传统DM结构的误块率。但是，该符号级同步算法同样面临仅适用于水印码的问题，并且符号级的前向/后向度量值的计算仍需建立在比特级算法的基础上。

发明内容

本发明提供了一种基于加权编辑距离的标记码传输方法。本发明选取标记码作为内码，并将标记码均匀地插入到二进制LDPC码中，同时提出基于WED的符号级同步算法以纠正接收序列的长度。与传统DM方案相比，虽然本发明采用了性能较劣的外码，即二进制LDPC码，但却获得了优异的插入/删节纠错能力，可有效地纠正大量插入和删节错误；同时，与传统的符号级同步方案相比，本发明所设计的基于WED的符号级同步算法不局限于内外码的级联方式，可灵活地应用于采用标记码或水印码的系统中，增强了算法的灵活性，详见下文描述。

一种基于加权编辑距离的标记码传输方法，所述方法包括以下步骤：

1)二进制信息序列b经二进制LDPC码的编码器，生成长度为N_L的编码序列d；

2)将标记码w均匀地插入到编码序列d中，生成长度为N_c的发送码字x并输出；

3)发送码字x经插入/删节-替代信道产生长度为

的接收序列y；

4)基于加权编辑距离的符号级同步恢复器，纠正接收序列y中的插入/删节错误，输出似然比序列l；

5)利用l初始化二进制LDPC译码器，采用对数域置信度传播译码算法进行译码，输出信息序列的估计

其中，所述步骤2)包括：

将二进制LDPC码d分成N个符号，每个符号具有m个比特，其中N＝N_L/m；

内部编码器随机产生长度为N×λ的标记码w，将标记码w分为N个长度为λ的子序列，将标记码w的每个子序列插入到二进制LDPC码d的每个符号前，生成长度为N_c的发送码字x。

进一步地，所述步骤4)包括：

计算符号级前向概率；计算符号级后向概率；根据符号级前向概率、后向概率计算对数似然比。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明在二进制插入/删节-替代信道模型的基础上，提出采用标记码作为内码，并将标记码均匀地插入到二进制LDPC码中，进一步提高了传统DM方案的纠错性能；

2、本发明设计了一种基于WED的符号级同步算法，提高了译码模块的可移植性，使其不局限于内外码的级联方式，能够灵活地运用于标记码或水印码系统中。

附图说明

图1为一种基于加权编辑距离的标记码传输方法的流程图；

图2为发送码字的结构图；

图3为插入/删节-替代信道的模型图；

其中，(a)为信道模型的状态转移图；(b)为收发序列发生插入/删节及替代错误的示例图。

图4为本发明的性能仿真图。

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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例拟在DM结构的框架下，设计一种基于加权编辑距离的标记码传输方法，与传统方案相比，本发明实施例作了以下几点修改：

第一、内码与外码的级联方式为嵌入式，不再是传统的异或级联，获得了性能提升；

第二、外码的构造为二进制LDPC码，不再是多进制LDPC码，降低了编译码的复杂度；

第三、提出真正意义上的符号级同步算法，灵活度高。

与传统DM方案相比，虽然本发明实施例采用了性能较劣的外码，即二进制LDPC码，但却获得了优异的插入/删节纠错能力，可有效地纠正大量插入和删节错误；同时，与传统的符号级同步方案相比，本发明设计的基于WED的符号级同步算法不局限于内外码的级联方式，可灵活地应用于采用标记码或水印码的系统中。

下面结合附图对本发明实施例提供的一种基于加权编辑距离的标记码传输方法做出详细说明，详见下文描述：

如图1所示，该方法包括以下五个步骤：

(1)二进制信息序列b经外码，即二进制LDPC码的编码器，生成长度为N_L的编码序列d；

(2)将内码，即标记码w均匀地插入到编码序列d中，生成长度为N_c的发送码字x，并输出发送码字x；

(3)发送码字x经过插入/删节-替代信道产生长度为

的接收序列y；

(4)基于加权编辑距离的符号级同步恢复器，纠正接收序列y中的插入/删节错误，输出似然比序列l；

其中，该步骤(4)包括：

(4.1)计算符号级前向概率；

(4.2)计算符号级后向概率；

(4.3)计算对数似然比。

(5)通过l初始化二进制LDPC译码器，利用对数域置信度传播进行译码，输出信息序列的估计

以下分别介绍上述五个步骤的具体实施过程：

如图2所示，令λ＝1，步骤(2)中的生成长度为N_c的发送码字x的步骤包括：

(2.1)将二进制LDPC码d分成N个符号，每个符号具有m个比特，其中N＝N_L/m；

(2.2)内部编码器随机产生长度为N的标记码w，将标记码w分为N个长度为1的子序列，将标记码w的每个子序列插入到二进制LDPC码d的每个符号前，生成长度为N_c的发送码字x，图中，N_c＝N_L+N。

如图3所示，步骤(3)中的发送码字x经过插入/删节-替代信道产生长度为

的接收序列y的步骤包括：

发送码字x_i通过插入/删节-替代信道，参数P_i，P_d和P_s分别表示信道的插入、删节和替代概率。传输概率P_t＝1-P_i-P_d。

步骤(4.1)中计算符号级前向概率x的步骤具体为：

(4.1.1)初始化i＝0时刻的前向度量值：

令i＝1，

t_i为第i时刻漂移量t_i＝N_i-N_d，也即网格图的状态，N_i为i时刻前发生插入错误的数目，N_d为i时刻前发生删节错误的数目，T＝2t_max+1为每个时刻的状态数，其中

为d中第i个长度为m比特的子序列对应的符号值。

(4.1.2)计算第i时刻条件概率

其中，序列

s _i-1表示第i-1个发送子序列，

N_i、N_d、N_s为与已知序列s _i-1相比，序列y′中存在的插入、删节及替代错误的数目；P_i、P_d、P_s、P_t是信道参数，分别是插入概率、删节概率、替代概率及传输概率；c为第i-1时刻的漂移量，τ为第i时刻漂移量，w_λi-1为第λi-1个标记比特，d_m(i-1)为第m(i-1)个LDPC码比特，y为接收比特；WED(s _i-1,y′)是子序列s _i-1与y′之间的加权编辑距离，由动态规划法(本领域技术人员所公知)计算得到。

(4.1.3)计算第i时刻前向概率：

第i时刻偏移量为τ的前向度量值，

其中，0≤i＜N，

为d中第i-1个长度为m比特的子序列对应的符号值，t_i＝τ表示第i时刻的偏移量为τ，t_i-1＝c表示第i-1时刻的偏移量为c，y₀表示第0个接收比特。

(4.1.4)i＝i+1，若i＜N，重复步骤(4.1.2)至(4.1.4)；若i＞N，跳至步骤(4.2)。

步骤(4.2)中计算符号级后向概率具体为：

(4.2.1)令i＝N，

-t_max≤τ≤t_max，i＝i-1；B_N为第N时刻的后向度量值。

(4.2.2)计算第i时刻条件概率

其中，子序列y″＝(y_(m+λ)×i+τ,…,y_{(m+λ)×(i+1)+b-1})，s _i表示第i个发送子序列，-t_max≤b≤t_max，

N_i、N_d、N_s为与已知序列s _i相比，y″中存在的插入、删节及替代错误的数目；P_i、P_d、P_s、P_t是信道参数，分别是插入概率、删节概率、替代概率及传输概率；WED(s _i,y”)是子序列s _i与y”之间的加权编辑距离，由动态规划法计算得到。

(4.2.3)计算第i时刻偏移量为τ的后向度量值：

其中，0≤i＜N，

与前向度量中分支度量的计算公式一致，

为d中第i个长度为m比特的子序列对应的符号值，t_i＝τ表示第i时刻的偏移量为τ，t_i+1＝b表示第i+1时刻的偏移量为b。

(4.2.4)i＝i-1，若i≥0，重复步骤(4.2.2)至(4.2.4)；若i＜0，跳至步骤(4.3)。

步骤(4.3)计算对数似然比：

(4.3.1)计算中间度量：

其中，0≤a＜2^m，

s _i＝(w_λi,…,w_λ×(i+1)-1,d_mi,…,d_m×(i+1)-1)，WED(s_i ,y ⁰)表示子序列s_i 与y ⁰之间的加权编辑距离。

(4.3.2)计算符号级对数似然比：

其中，0≤k＜N_L，

a为漂移量，M(·)为中间度量。

步骤(5)二进制LDPC译码器利用l完成迭代译码，输出信息序列的估计

的步骤包括，将l送入二进制LDPC译码器；采用二进制LDPC码的对数域BP译码算法(本领域技术人员所公知)进行译码；重复上述译码步骤，直至达到预设的最大迭代次数δ_max。

具体实施例

本发明实施例选取码长N_c为3456比特，码率为0.33的级联码为一个特例，介绍一种基于加权编辑距离的标记码传输方法。仿真中采用伪随机序列作为内部标记码、二进制LDPC码作为外码，其中λ＝1，m＝2，N_L＝2304，R_L＝1/2，

信道中每个比特发生最大插入错误的数目I为5，P_i＝P_d，二进制LDPC码的译码器采用对数域置信度传播译码算法，最大迭代次数为20次。

图4给出了不同替代概率下系统的误块率随插入/删节概率变化的曲线，其中，误块率等于错误帧的数目除以发送帧的数目。随着P_s的减小，误块率降低，性能增强。进一步，当P_s不变时，随着P_i或P_d的减小，误块率降低，性能增强。以误块率等于10^-4为例，与码长N_c为4002比特，码率为1/2的传统DM级联码相比，当P_s＝0.001时，本发明提出的方案每帧可纠正约96个插入错误，96个删节错误及3个替代错误，而传统方案每帧仅纠正约40个插入错误，40个删节错误。可知，本发明所提出的方案比传统方案每帧多纠正56个插入错误及56个删节错误，共计112个同步错误，获得了明显的性能增益。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (6)

1.一种基于加权编辑距离的标记码传输方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)二进制信息序列b经二进制LDPC码的编码器，生成长度为N_L的编码序列d；

2)将标记码w均匀地插入到编码序列d中，生成长度为N_c的发送码字x并输出；

3)发送码字x经插入/删节-替代信道产生长度为

的接收序列y；

4)基于加权编辑距离的符号级同步恢复器，纠正接收序列y中的插入/删节错误，输出似然比序列l；

5)利用似然比序列l初始化二进制LDPC译码器，利用对数域置信度传播译码算法进行译码，输出信息序列的估计

2.根据权利要求1所述的一种基于加权编辑距离的标记码传输方法，其特征在于，所述步骤2)包括：

将二进制LDPC码d分成N个符号，每个符号具有m个比特，其中N＝N_L/m；

内部编码器随机产生长度为N×λ的标记码w，将标记码w分为N个长度为λ的子序列，将标记码w的每个子序列插入到二进制LDPC码d的每个符号前，生成长度为N_c的发送码字x。

3.根据权利要求1所述的一种基于加权编辑距离的标记码传输方法，其特征在于，所述步骤4)包括：

计算符号级前向概率；计算符号级后向概率；根据符号级前向概率、后向概率计算对数似然比。

4.根据权利要求3所述的一种基于加权编辑距离的标记码传输方法，其特征在于，所述计算符号级前向概率的步骤具体为：

初始化i＝0时刻的前向度量值；

计算第i时刻条件概率

其中，序列y′＝(y_{(m+λ)×(i-1)+c},…,y_{(m+λ)×i+τ-1})，-t_max≤τ≤t_max，-t_max≤c≤t_max，

s _i-1表示第i-1个发送子序列，

N_i、N_d、N_s为与已知序列s _i-1相比，序列y′中存在的插入、删节及替代错误的数目；P_i、P_d、P_s、P_t是信道参数，分别是插入概率、删节概率、替代概率及传输概率；c为第i-1时刻的漂移量，τ为第i时刻漂移量，w_λi-1为第λi-1个标记比特，d_m(i-1)为第m(i-1)个LDPC码比特，y为接收比特；WED(s _i-1,y′)是子序列s _i-1与y′之间的加权编辑距离；

计算第i时刻前向概率，

第i时刻偏移量为τ的前向度量值，

其中，0≤i＜N，

为d中第i-1个长度为m比特的子序列对应的符号值，t_i＝τ表示第i时刻的偏移量为τ，t_i-1＝c表示第i-1时刻的偏移量为c，y₀表示第0个接收比特。

5.根据权利要求3所述的一种基于加权编辑距离的标记码传输方法，其特征在于，所述计算符号级后向概率的步骤具体为：

令i＝N，

-t_max≤τ≤t_max，i＝i-1；B_N为第N时刻的后向度量值；

计算第i时刻条件概率

其中，子序列y″＝(y_(m+λ)×i+τ,…,y_{(m+λ)×(i+1)+b-1})，s _i表示第i个发送子序列，-t_max≤b≤t_max，

N_i、N_d、N_s为与已知序列s _i相比，y″中存在的插入、删节及替代错误的数目；P_i、P_d、P_s、P_t是信道参数，分别是插入概率、删节概率、替代概率及传输概率；WED(s _i,y”)是子序列s _i与y”之间的加权编辑距离；

计算第i时刻偏移量为τ的后向度量值，

其中，0≤i＜N，

与前向度量中分支度量的计算公式一致，

为d中第i个长度为m比特的子序列对应的符号值，t_i＝τ表示第i时刻的偏移量为τ，t_i+1＝b表示第i+1时刻的偏移量为b。

6.根据权利要求3所述的一种基于加权编辑距离的标记码传输方法，其特征在于，所述根据符号级前向概率、后向概率计算对数似然比具体为，

计算中间度量，

其中，0≤a＜2^m，

s _i＝(w_λi,…,w_λ×(i+1)-1,d_mi,…,d_m×(i+1)-1)，WED(s _i,y ⁰)表示子序列s_i 与y ⁰之间的加权编辑距离；

计算符号级对数似然比，

其中，0≤k＜N_L，

a为漂移量，M(·)为中间度量。

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