CN113114276A - 一种基于循环移位的网络编解码方法、装置及相关组件 - Google Patents

一种基于循环移位的网络编解码方法、装置及相关组件 Download PDF

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CN113114276A CN202110436270.7A CN202110436270A CN113114276A CN 113114276 A CN113114276 A CN 113114276A CN 202110436270 A CN202110436270 A CN 202110436270A CN 113114276 A CN113114276 A CN 113114276A
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Abstract

本发明公开了一种基于循环移位的网络编解码方法、装置及相关组件，该方法包括：基于(n，k)参数和预设的编码准则构造一基矩阵；通过对基矩阵进行循环移位构造得到移位矩阵；获取原始数据，并将原始数据划分为k个源包；将k个源包作为系统包，同时按照移位矩阵对k个源包进行m次移位和编码，得到m个校验包；结合系统包和校验包，得到n个编码包，其中，n＝k+m；解码过程包括：在n个编码包中随机选取k个编码包，然后在k个编码包中查找具有暴露位的编码包，并获取暴露位，再将暴露位回代至其他编码包中，然后按照预设的运算方法消除暴露位；以此类推，直至k个编码包中的所有暴露位被消除。本发明通过增量差分和循环移位可有效减少编解码开销。

Description

一种基于循环移位的网络编解码方法、装置及相关组件
技术领域
本发明涉及计算机软件技术领域，特别涉及一种基于循环移位的网络编解码方法、装置及相关组件。
背景技术
分布式系统的核心思想是通过编码来获得(n，k)组合特性(CombinationProperty，CP)，即将k个原始独立的任务编码成n个(n≥k)，在这n个任务结果中，任意k个就可以恢复原始k个存储或者计算结果。移位加编码(Shift-and-Add，SA)只包含移位与加法运算，避免了线性编码阶段大量的乘法运算，减少了计算复杂度。与SA相对应的是锯齿解码(Zigzag Decoding，ZD)，ZD可以避免乘法和除法等大量的复杂运算，只需要简单的回代算法，极大地减少了计算负担。此外，将同时拥有CP性质和可以ZD的码叫做CP-ZD码。现阶段CP-ZD码的发展现状如下：
1.2013年，一种拥有ZD性质的编码方案被提出，此编码称为Inc-Diff，此码证明了增加差异性是ZD的必要条件，基于这个条件，第一个同时具有CP和ZD特性被创立，称之为CP-ZD。这个编码的优点是可以快速解码，它的时间复杂度与L线性相关为o(k2L)。但此编码仍然存在一些缺点，Inc-Diff编码不对称并且在n与k比较接近的时候，其存储开销比较大，其存储开销为m(k-1)，其中m＝n-k。
2.2017年，拥有较小开销的ZD性质的编码方案-循环移位置换矩阵编码被提出，将这种编码称之为Cyc-Shift，这种码具有较低的编解码复杂度，其存储开销较Inc-Dif要小，为
Figure BDA0003033267260000011
但此码只能应用于n≤2k的场景，不具有一般性。
3.2019年，Base-Shift码被提出。相较于之前的Inc-Diff、Cyc-Shift来说，它的开销较小，为
Figure BDA0003033267260000012
其中
Figure BDA0003033267260000013
符号表示向上取整。Base-Shift码可以适用于任何(n，k)的场景，然而，在m/k比例越大时，此码的开销也很大,仍然给通信成本带来很大的负担。
现有CP-ZD码的缺陷是开销整体较大，在编码包m越大时，开销增长越快，通信成本很高，不符合大规模分布式系统的应用。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于循环移位的网络编解码方法、装置、计算机设备及存储介质，旨在减少现有CP-ZD码在编解码时的开销。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于循环移位的网络编解码方法，包括：
基于(n，k)参数和预设的编码准则构造一基矩阵；
通过对所述基矩阵进行循环移位构造得到移位矩阵；
获取原始数据，并将所述原始数据划分为k个源包；
将所述k个源包作为系统包，同时按照所述移位矩阵对所述k个源包进行m次移位和编码，得到m个校验包；
结合所述系统包和校验包，得到n个编码包，其中，n＝k+m；
所述解码过程包括：
在所述n个编码包中随机选取k个编码包，然后在所述k个编码包中查找具有与其他位没有加法运算的暴露位的编码包，并获取所述暴露位，再将所述暴露位回代至其他编码包中，然后按照预设的运算方法消除所述暴露位；
以此类推，直至k个编码包中的所有暴露位被消除。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于循环移位的网络编解码装置，包括编码模块和解码模块，所述编码模块包括：
基矩阵构造单元，用于基于(n，k)参数和预设的编码准则构造一基矩阵；
移位矩阵构造单元，用于通过对所述基矩阵进行循环移位构造得到移位矩阵；
划分单元，用于获取原始数据，并将所述原始数据划分为k个源包；
移位和编码单元，用于将所述k个源包作为系统包，同时按照所述移位矩阵对所述k个源包进行m次移位和编码，得到m个校验包；
第一结合单元，用于结合所述系统包和校验包，得到n个编码包，其中，n＝k+m；
所述解码模块包括：
第一消除单元，用于在所述n个编码包中随机选取k个编码包，然后在所述k个编码包中查找具有与其他位没有加法运算的暴露位的编码包，并获取所述暴露位，再将所述暴露位回代至其他编码包中，然后按照预设的运算方法消除所述暴露位；
第二消除单元，用于以此类推，直至k个编码包中的所有暴露位被消除。
第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面所述的基于循环移位的网络编解码方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的基于循环移位的网络编解码方法。
本发明实施例提供了一种基于循环移位的网络编解码方法、装置、计算机设备及存储介质，该方法包括：基于(n，k)参数和预设的编码准则构造一基矩阵；通过对所述基矩阵进行循环移位构造得到移位矩阵；获取原始数据，并将所述原始数据划分为k个源包；将所述k个源包作为系统包，同时按照所述移位矩阵对所述k个源包进行m次移位和编码，得到m个校验包；结合所述系统包和校验包，得到n个编码包，其中，n＝k+m；所述解码过程包括：在所述n个编码包中随机选取k个编码包，然后在所述k个编码包中查找具有与其他位没有加法运算的暴露位的编码包，并获取所述暴露位，再将所述暴露位回代至其他编码包中，然后按照预设的运算方法消除所述暴露位；以此类推，直至k个编码包中的所有暴露位被消除。本发明实施例基于增量差分和循环移位进行网络编解码，可以有效减少编解码开销。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述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为本发明实施例提供的一种基于循环移位的网络编解码方法中编码过程的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于循环移位的网络编解码方法中解码过程的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于循环移位的网络编解码方法中的示例示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于循环移位的网络编解码方法中的另一示例示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于循环移位的网络编解码装置中编码模块的示意性框图；
图6为本发明实施例提供的一种基于循环移位的网络编解码装置中解码模块的示意性框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
下面请参见图1和图2，图1和图2是本发明实施例提供的一种基于循环移位的网络编解码方法的流程示意图，该网络编解码方法包括编码过程和解码过程，所述编码过程包括：步骤S101～S105。
S101、基于(n，k)参数和预设的编码准则构造一基矩阵；
S102、通过对所述基矩阵进行循环移位构造得到移位矩阵；
S103、获取原始数据，并将所述原始数据划分为k个源包；
S104、将所述k个源包作为系统包，同时按照所述移位矩阵对所述k个源包进行m次移位和编码，得到m个校验包；
S105、结合所述系统包和校验包，得到n个编码包，其中，n＝k+m；
所述解码过程包括：步骤S201～S202。
S201、在所述n个编码包中随机选取k个编码包，然后在所述k个编码包中查找具有与其他位没有加法运算的暴露位的编码包，并获取所述暴露位，再将所述暴露位回代至其他编码包中，然后按照预设的运算方法消除所述暴露位；
S202、以此类推，直至k个编码包中的所有暴露位被消除。
本实施例中，在进行编码操作时，首先基于(n，k)参数和预设的编码准则构造所述基矩阵，并由此构造得到所述移位矩阵，然后基于移位矩阵对源包进行移位和编码，得到校验包，再将所述校验包与系统包(即未进行移位和编码的源包)结合作为最终的编码包(n，k)系统的编码是将k个源包进行SA编码得到n个编码包。在进行解码操作时，由于基于(n，k)参数构造基矩阵，并进一步构造移位矩阵，故在n个编码包中随机选取k个编码包，然后基于ZD解码将在k个编码包中查找获取到的暴露位回代至其他编码包中，并利用运算方法消除所述暴露位。
本实施例提供的网络编解码基于增量差分(Increaseing Difference，ID)和循环移位(Cyclic Shift，CS)，因此称之为ID-CS码。与Inc-Diff码不同的是，ID-CS码的移位值是在竖直方向依次增加，而不是水平方向。同时，Cyc-Shift循环移位的是一个基向量，而本实施例则是构造一个基矩阵，并在此基础上，通过循环移位构造得到所述移位矩阵。ID(即增量差分)的性质可以保证移位增量的差异性，满足锯齿解码的必要性，而基矩阵的循环移位相对于基向量来说，可以增加循环次数，即可以减少开销。
本发明实施例的应用领域为编码分布式系统，具体为编码分布式存储(CDS)系统和编码分布式计算(CDC)系统。私有信息检索(Private information retrieval，PIR)是属于编码分布式存储系统的典型应用。传统的PIR方案离不开降低通信成本和减小计算复杂度的研究。CP-ZD码在PIR的应用就是一个很大的突破，而本发明实施例提供的ID-CS码在PIR领域的应用对减少开销和降低计算复杂度有了很大的提升。而在编码分布式计算系统中，例如机器学习，边缘计算等领域在实际中应用得非常广泛。现有CDC计算方案都是通过基于线性组合(LC)提供独立性来实现CP，编码过程包含了大量的乘法运算。事实上，编码过程引入的乘法运算的数量是原始计算任务的N倍，这意味着编码会在计算过程中造成很大的计算负担。与之相对应，在解码阶段首先要对系数矩阵求逆(包含了计算成本极高的除法运算)，然后进行矩阵乘法。总而言之，现有基于LC的CDC方案在编码阶段和解码阶段引入了大量的乘法与除法运算，使得整个CDC系统的计算负担很高。而在CP-ZD码的编码阶段，采用了在实数域上进行移位加编码的方式实现线性独立。SA只包含移位与加法运算。在解码阶段，采用了与SA相对应的锯齿解码ZD，ZD只需要简单的反向回代。可见，本实施例提供的网络编解码方法完全移除了在编解码阶段引入的大量乘法与除法运算，极大地减少了计算负担和计算复杂度。CP-ZD码开销的大小是与编解码矩阵维度成正比的，开销越大，矩阵的维度就越大，即计算的复杂度越高。而本实施例提供的ID-CS码，则对降低开销、降低计算复杂度是一个很好的应用。
在一具体实施例中，将(n，k)参数具体设置为(4，2)，即进行(4，2)编码。结合图3，首先将原始数据均分为k＝2个源包，分别表示为s1、s2。假设源包的长度L＝4，si,j表示源包si的第j位，i∈{1,2}，j∈{1,2,3,4}。将源包s1、s2不经编码作为编码包c1、c2，即所述系统包。然后将源包s1、s2分别右移0位和1位后，对应位相加得到一个新数据包，即是编码包c3。将源包s1、s2分别右移0位和2位后，对应位相加得到编码包c4。进行移位后得到的编码包(即所述校验包)的长度会增加，如c3、c4的长度分别为5和6。
在二元域上进行ZD解码时，从选取的k个编码包的左侧开始，寻找第一个与其他位没有加法运算的暴露位，例如图3中c3中的s1,1。然后将该暴露位回代到其他编码包中，在对应位置进行异或操作，即在该位置上消去了该暴露位。接着继续寻找下一暴露位，并重复以上的过程，直至选取的k个编码包的所有数据都得到了或者无法再找到暴露位。
在一实施例中，所述步骤S101包括：
设置一大小为r×k的基矩阵TB；其中，所述基矩阵TB定义为：
TB＝[ti,j]＝[J1,J2,…,Jk]
式中，
Figure BDA0003033267260000071
Jj表示TB的第j列；
按照下式确定所述基矩阵TB行的大小r：
Figure BDA0003033267260000072
式中，n为n个编码包，k为k个系统包，m为m个校验包，
Figure BDA0003033267260000073
表示向上取整；
结合预设的编码准则将所述基矩阵TB中的元素构造为：
Figure BDA0003033267260000074
其中，
Figure BDA0003033267260000075
将所述基矩阵TB的第一列全部设置为0，并从第二列开始，每列j中各个元素ti,j与前一列j-1中的元素ti,j-1的差
Figure BDA0003033267260000076
从1开始逐次增加1，以倒N字形逐次增加，以此构造得到所述基矩阵TB。
本实施例中，在构造所述基矩阵时，首先设置基矩阵TB的大小为r×k，由于需要m＝n-k个编码包，所以移位矩阵T要有m行，又因为移位矩阵T是由基矩阵TB循环移位得到的，因此TB有k列，即可以被移位k次，由此可以根据上述r的计算公式计算得到基矩阵的行大小，从而可以确定所述基矩阵的大小。
同时，将基矩阵定义为TB＝[ti,j]＝[J1,J2,…,Jk]，其中
Figure BDA0003033267260000077
Figure BDA0003033267260000078
Jj表示TB的第j列。并构造所述基矩阵TB中的元素
Figure BDA0003033267260000079
其中
Figure BDA00030332672600000710
需要说明的是，
Figure BDA00030332672600000711
各自代表的含义分别等同于i∈{1,2,…,r}、j∈{1,2,…,k}、{1,2,…,m}。
然后将基矩阵TB的第一列(j＝1)全部设置为0，即第一列的元素为：J1＝[0,0,0,…,0]T；
从第二列开始，j∈{2,…,k}，每列j中各个元素ti,j与前一列j-1中的元素ti,j-1的差
Figure BDA00030332672600000712
从1开始逐次增加1，以倒N字形逐次增加，如图4所示，
即第二列中的
Figure BDA00030332672600000713
可知第二列的元素为：
J2＝[1,2,3,…,r]T
第三列中的
Figure BDA00030332672600000714
可知第三列的元素为：
J3＝[r+2,r+4,r+6,…,3r]T
依次类推，第k列中的
Figure BDA00030332672600000715
Figure BDA00030332672600000716
第k列的元素为：
Figure BDA0003033267260000081
在一实施例中，所述步骤S101包括：
将基矩阵TB中的列向量J1、J2、J3、…、Jk分别往右循环移位一位和二位，移位后分别得到目标矩阵T1和T2：
T1＝[Jk,J1,J2,…,Jk-1]
T2＝[Jk-1,Jk,J1,…,Jk-2]；
依此对所述基矩阵TB共循环右移k-1次后，得到k-1个目标矩阵T1、T2、…、Tk-1，且其中Tk-1矩阵为：
Tk-1＝[J2,J3,…,Jk,J1]；
将所述基矩阵TB和所述k-1个目标矩阵垂直链接得到一大小为rk×k的链接矩阵Tc；
在所述链接矩阵中选取前m行构成所述移位矩阵T。
本实施例中，在基矩阵构造完成后，将基矩阵TB中的列向量J1、J2、J3、…、Jk分别往右循环移位一位和二位，得到所述目标矩阵，并依此一共循环右移k-1次后，总计可得到k-1个目标矩阵T1、T2、…、Tk-1。
然后将基矩阵TB和所述目标矩阵垂直链接可得到一个rk×k的矩阵Tc，即所述链接矩阵。在所述链接矩阵选取前m行即可构造得到大小为m×k的所述移位矩阵T。所述链接矩阵Tc如下所示：
Figure BDA0003033267260000091
举例来说，若(n，k)＝(12，4)，则说明存在4个系统包，那么可以确定校验包为8个，因此需要构造一个8×4的移位矩阵。首先计算按照基矩阵构造步骤计算得到基矩阵TB的行大小
Figure BDA0003033267260000092
再构造基矩阵TB为
Figure BDA0003033267260000093
然后按照移位矩阵构造步骤可得移位矩阵
Figure BDA0003033267260000094
在一实施例中，所述编码准则为任意两个源包在不同编码包中的移位需相对不同。
本实施例中，在进行编码时，需要满足任意两个源包在不同编码包中的移位要相对不同，而这一性质可以称为相对不同移位性。因为在解码过程中可能存在系统包，系统包即等于是要求解的源包，所以可以直接从校验包中消除该系统包，然后用消除了已知系统包的校验包进行解码。
另外，可能会出现一种极端情况是在消除系统包后，待解码的校验包就只剩下是两个源包的SA(即移位加编码)，而若这两个源包的相对移位在校验包中相同时，则无法找到暴露位，故无法进行ZD。其中，源包的移位值是移位矩阵T中的元素，所以可以将校验包中两个源包的相对移位定义为：
Figure BDA0003033267260000101
则满足相对不同移位行需要满足公式：
Figure BDA0003033267260000102
其中，p,q∈{1,2,…,m}，i,j∈{1,2,…,k}，并且p≠q，i≠j。
在一实施例中，所述步骤S104包括：
设置第i个源包si的长度为L，且L位数据分别表示为si,1、…、si,L，i∈{1,2,…,k}，其中si的编码形式为：
Figure BDA0003033267260000103
式中，z表示为移位，z的指数表示移位的位数；
基于第i个源包si的编码形式，将m个校验包中的第i个校验包的编码形式表示为：
Figure BDA0003033267260000104
式中，
Figure BDA0003033267260000105
表示对应源包的移位位数，i∈{1,2,…,m}，j∈{1,2,…,k}。
本实施例中，在按照所述移位矩阵对所述k个源包进行m次移位和编码时，将移位矩阵T的每一行为一个校验包的移位量，而移位矩阵的大小为m×k，故可以生成m个校验包。同时，移位矩阵T中的第(i,j)个元素Tij为生成ck+i时sj相应的移位量，i∈{1,2,…,m}，j∈{1,2,…,k}。
故本实施例设置第i个源包si的长度为L，L位数据分别表示为si,1、…、si,L，i∈{1,2,…,k}。进一步的，si的编码形式可以用多项式表示为：
Figure BDA0003033267260000106
其中，z表示为移位，z的指数表示移位的位数。
同样地，第i个校验包ck+i表示成多项式的形式为：
Figure BDA0003033267260000107
其中，
Figure BDA0003033267260000111
表示对应源包的移位位数，i∈{1,2,…,m}，j∈{1,2,…,k}。
在一实施例中，所述步骤S104包括：
将所述系统包和校验包进行结合，得到n个编码包的编码形式为：
c(z)＝A(z)s(z)
式中，c(z)是长度为n的列向量，s(z)是长度为k的列向量，
Figure BDA0003033267260000112
是大小为n×k的矩阵，其中Ik是大小为k×k的单位矩阵，T(z)是大小为m×k的多项式移位矩阵。
本实施例中，将所述系统包和所述校验包结合在一起，得到的n编码包的编码可表示为：c(z)＝A(z)s(z)。
c(z)是长度为n的列向量，其中ci(z)是c(z)第i个元素，s(z)是长度为k的列向量，sj(z)是s(z)第j个元素，i∈{1,2,…,n}，j∈{1,2,…,k}。
Figure BDA0003033267260000113
是大小为n×k的矩阵，其中Ik是大小为k×k的单位矩阵，T(z)是大小为m×k的多项式移位矩阵，
Figure BDA0003033267260000114
并用矩阵T表示T(z)中元素的指数。
在一实施例中，所述步骤S201包括：
当在二元域上进行解码操作时，则在将所述暴露位回代至其他编码包中后，按照异或运算方法对所述暴露位进行消除；
当在实数域上进行解码操作时，则在将所述暴露位回代至其他编码包中后，按照减法运算方法对所述暴露位进行消除。
线性编码的解码过程是解线性方程组。解线性方程组的方法一般是对系数矩阵进行初等行变换后，再进行回代。其中，初等行变换的计算复杂度是O(k3)，回代的计算复杂度是O(k2)。相对来说涉及立方级的计算复杂度是比较高的，因此本实施例中采用锯齿码ZD进行解码，ZD解码是进行一系列的回代操作，不需要立方级复杂度的行变换操作，计算复杂度是O(k2L)，L是待解码数据包的长度。同时，对于二元域和实数域来说，在进行解码操作时，对所述暴露位的处理方式并不相同，即在二元域上，采用异或运算方法消除所述暴露位，而在实数域上，则采用减法运算方法消除所述暴露位。
举例来说，结合图3，首先在c3、c4中寻找得到c3暴露位s1,1()和c4暴露位s1,1、s1,2，将s1,1、s1,2分别为得到的第一位暴露位和第二位暴露位。然后将s1,2代入c3中的，可以得到对应位的s2,1，同时s2,1为得到的第三位暴露位。将s2,1代入c4中的，可以得到对应位的s1,3，s1,3为得到的第四位暴露位。依此类推，直到s1、s2的全部位都得到，图3中“()”的数字即表示数据位得到的顺序。
本发明实施例在现有的CP-ZD的基础上，结合了Inc-Diff和Cyc-Shift的优点，构建一种基于增量差分ID和循环移位CS的新型锯齿码ID-CS，该新型锯齿码ID-CS在保留CP-ZD性质的同时，使其编码和解码复杂度低，也大大减少了通信开销。具体的，4种CP-ZD码的开销对比如下：
Inc-Diff的开销为OHInc-Diff＝m(k-1)；
Cyc-Shift的开销为
Figure BDA0003033267260000121
Base-Shift的开销为
Figure BDA0003033267260000122
本实施例提供的ID-CS码的开销为
Figure BDA0003033267260000123
由以上四种码的开销对比可知，本实施例提供的ID-CS码在大部分的情况下拥有最小的开销，因而对大规模分布式系统具有良好的适用性。
如图5和图6所示，本发明实施例提供的一种基于循环移位的网络编解码装置，包括编码模块500和解码模块600，所述编码模块500包括：
基矩阵构造单元501，用于基于(n，k)参数和预设的编码准则构造一基矩阵；
移位矩阵构造单元502，用于通过对所述基矩阵进行循环移位构造得到移位矩阵；
划分单元503，用于获取原始数据，并将所述原始数据划分为k个源包；
移位和编码单元504，用于将所述k个源包作为系统包，同时按照所述移位矩阵对所述k个源包进行m次移位和编码，得到m个校验包；
第一结合单元505，用于结合所述系统包和校验包，得到n个编码包，其中，n＝k+m；
所述解码模块600包括：
第一消除单元601，用于在所述n个编码包中随机选取k个编码包，然后在所述k个编码包中查找具有与其他位没有加法运算的暴露位的编码包，并获取所述暴露位，再将所述暴露位回代至其他编码包中，然后按照预设的运算方法消除所述暴露位；
第二消除单元602，用于以此类推，直至k个编码包中的所有暴露位被消除。
在一实施例中，所述基矩阵构造单元501包括：
基矩阵设置单元，用于设置一大小为r×k的基矩阵TB；其中，所述基矩阵TB定义为：
TB＝[ti,j]＝[J1,J2,…,Jk]
式中，
Figure BDA0003033267260000131
Jj表示TB的第j列；
确定单元，用于按照下式确定所述基矩阵TB行的大小r：
Figure BDA0003033267260000132
式中，n为n个编码包，k为k个系统包，m为m个校验包，
Figure BDA0003033267260000133
表示向上取整；
结合构造单元，用于结合预设的编码准则将所述基矩阵TB中的元素构造为：
Figure BDA0003033267260000134
其中，
Figure BDA0003033267260000135
逐次增加单元，用于将所述基矩阵TB的第一列全部设置为0，并从第二列开始，每列j中各个元素ti,j与前一列j-1中的元素ti,j-1的差
Figure BDA0003033267260000136
从1开始逐次增加1，以倒N字形逐次增加，以此构造得到所述基矩阵TB。
在一实施例中，所述移位矩阵构造单元502包括：
第一右循环移位单元，用于将基矩阵TB中的列向量J1、J2、J3、…、Jk分别往右循环移位一位和二位，移位后分别得到目标矩阵T1和T2：
T1＝[Jk,J1,J2,…,Jk-1]
T2＝[Jk-1,Jk,J1,…,Jk-2]；
第二右循环移位单元，用于依此对所述基矩阵TB共循环右移k-1次后，得到k-1个目标矩阵T1、T2、…、Tk-1，且其中Tk-1矩阵为：
Tk-1＝[J2,J3,…,Jk,J1]；
垂直链接单元，用于将所述基矩阵TB和所述k-1个目标矩阵垂直链接得到一大小为rk×k的链接矩阵Tc；
选取单元，用于在所述链接矩阵中选取前m行构成所述移位矩阵T。
在一实施例中，所述编码准则为任意两个源包在不同编码包中的移位需相对不同。
在一实施例中，所述移位和编码单元504包括：
长度设置单元，用于设置第i个源包si的长度为L，且L位数据分别表示为si,1、…、si,L，i∈{1,2,…,k}，其中si的编码形式为：
Figure BDA0003033267260000141
式中，z表示为移位，z的指数表示移位的位数；
编码表示单元，用于基于第i个源包si的编码形式，将m个校验包中的第i个校验包的编码形式表示为：
Figure BDA0003033267260000142
式中，
Figure BDA0003033267260000143
表示对应源包的移位位数，i∈{1,2,…,m}，j∈{1,2,…,k}。
在一实施例中，所述第一结合单元505包括：
第二结合单元，用于将所述系统包和校验包进行结合，得到n个编码包的编码形式为：
c(z)＝A(z)s(z)
式中，c(z)是长度为n的列向量，s(z)是长度为k的列向量，
Figure BDA0003033267260000144
是大小为n×k的矩阵，其中Ik是大小为k×k的单位矩阵，T(z)是大小为m×k的多项式移位矩阵。
在一实施例中，所述第一消除单元601包括：
异或运算单元，用于当在二元域上进行解码操作时，则在将所述暴露位回代至其他编码包中后，按照异或运算方法对所述暴露位进行消除；
减法运算单元，用于当在实数域上进行解码操作时，则在将所述暴露位回代至其他编码包中后，按照减法运算方法对所述暴露位进行消除。
由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，该计算机程序被执行时可以实现上述实施例所提供的步骤。该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，可以包括存储器和处理器，存储器中存有计算机程序，处理器调用存储器中的计算机程序时，可以实现上述实施例所提供的步骤。当然计算机设备还可以包括各种网络接口，电源等组件。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种基于循环移位的网络编解码方法，包括编码过程和解码过程，其特征在于，所述编码过程包括：
基于(n，k)参数和预设的编码准则构造一基矩阵；
通过对所述基矩阵进行循环移位构造得到移位矩阵；
获取原始数据，并将所述原始数据划分为k个源包；
将所述k个源包作为系统包，同时按照所述移位矩阵对所述k个源包进行m次移位和编码，得到m个校验包；
结合所述系统包和校验包，得到n个编码包，其中，n＝k+m；
所述解码过程包括：
在所述n个编码包中随机选取k个编码包，然后在所述k个编码包中查找具有与其他位没有加法运算的暴露位的编码包，并获取所述暴露位，再将所述暴露位回代至其他编码包中，然后按照预设的运算方法消除所述暴露位；
以此类推，直至k个编码包中的所有暴露位被消除。
2.根据权利要求1所述的基于循环移位的网络编解码方法，其特征在于，所述基于(n，k)参数和预设的编码准则构造一基矩阵包括：
设置一大小为r×k的基矩阵TB；其中，所述基矩阵TB定义为：
TB＝[ti,j]＝[J1,J2,…,Jk]
式中，
Figure FDA0003033267250000011
Jj表示TB的第j列；
按照下式确定所述基矩阵TB行的大小r：
Figure FDA0003033267250000012
式中，n为n个编码包，k为k个系统包，m为m个校验包，
Figure FDA0003033267250000013
表示向上取整；
结合预设的编码准则将所述基矩阵TB中的元素构造为：
Figure FDA0003033267250000014
其中，
Figure FDA0003033267250000015
将所述基矩阵TB的第一列全部设置为0，并从第二列开始，每列j中各个元素ti,j与前一列j-1中的元素ti,j-1的差
Figure FDA0003033267250000016
从1开始逐次增加1，以倒N字形逐次增加，以此构造得到所述基矩阵TB。
3.根据权利要求2所述的基于循环移位的网络编解码方法，其特征在于，所述通过对所述基矩阵进行循环移位构造得到移位矩阵包括：
将基矩阵TB中的列向量J1、J2、J3、…、Jk分别往右循环移位一位和二位，移位后分别得到目标矩阵T1和T2：
T1＝[Jk,J1,J2,…,Jk-1]
T2＝[Jk-1,Jk,J1,…,Jk-2]；
依此对所述基矩阵TB共循环右移k-1次后，得到k-1个目标矩阵T1、T2、…、Tk-1，且其中Tk-1矩阵为：
Tk-1＝[J2,J3,…,Jk,J1]；
将所述基矩阵TB和所述k-1个目标矩阵垂直链接得到一大小为rk×k的链接矩阵Tc；
在所述链接矩阵中选取前m行构成所述移位矩阵T。
4.根据权利要求2所述的基于循环移位的网路编解码方法，其特征在于，所述编码准则为任意两个源包在不同编码包中的移位需相对不同。
5.根据权利要求1所述的基于循环移位的网络编解码方法，其特征在于，所述同时按照所述移位矩阵对所述k个源包进行m次移位和编码，得到m个校验包，包括：
设置第i个源包si的长度为L，且L位数据分别表示为si,1、…、si,L，i∈{1,2,…,k}，其中si的编码形式为：
Figure FDA0003033267250000021
式中，z表示为移位，z的指数表示移位的位数；
基于第i个源包si的编码形式，将m个校验包中的第i个校验包的编码形式表示为：
Figure FDA0003033267250000022
式中，
Figure FDA0003033267250000023
表示对应源包的移位位数，i∈{1,2,…,m}，j∈{1,2,…,k}。
6.根据权利要求5所述的基于循环移位的网络编解码方法，其特征在于，所述结合所述系统包和校验包，得到n个编码包，包括：
将所述系统包和校验包进行结合，得到n个编码包的编码形式为：
c(z)＝A(z)s(z)
式中，c(z)是长度为n的列向量，s(z)是长度为k的列向量，
Figure FDA0003033267250000024
是大小为n×k的矩阵，其中Ik是大小为k×k的单位矩阵，T(z)是大小为m×k的多项式移位矩阵。
7.根据权利要求1所述的基于循环移位的网络编解码方法，其特征在于，所述在所述n个编码包中随机选取k个编码包，然后在所述k个编码包中查找具有与其他位没有加法运算的暴露位的编码包，并获取所述暴露位，再将所述暴露位回代至其他编码包中，然后按照预设的运算方法消除所述暴露位，包括：
当在二元域上进行解码操作时，则在将所述暴露位回代至其他编码包中后，按照异或运算方法对所述暴露位进行消除；
当在实数域上进行解码操作时，则在将所述暴露位回代至其他编码包中后，按照减法运算方法对所述暴露位进行消除。
8.一种基于循环移位的网络编解码装置，包括编码模块和解码模块，其特征在于，所述编码模块包括：
基矩阵构造单元，用于基于(n，k)参数和预设的编码准则构造一基矩阵；
移位矩阵构造单元，用于通过对所述基矩阵进行循环移位构造得到移位矩阵；
划分单元，用于获取原始数据，并将所述原始数据划分为k个源包；
移位和编码单元，用于将所述k个源包作为系统包，同时按照所述移位矩阵对所述k个源包进行m次移位和编码，得到m个校验包；
第一结合单元，用于结合所述系统包和校验包，得到n个编码包，其中，n＝k+m；
所述解码模块包括：
第一消除单元，用于在所述n个编码包中随机选取k个编码包，然后在所述k个编码包中查找具有与其他位没有加法运算的暴露位的编码包，并获取所述暴露位，再将所述暴露位回代至其他编码包中，然后按照预设的运算方法消除所述暴露位；
第二消除单元，用于以此类推，直至k个编码包中的所有暴露位被消除。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的基于循环移位的网络编解码方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的基于循环移位的网络编解码方法。
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Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980048402

Denomination of invention: A network encoding and decoding method, device, and related components based on cyclic shift

Granted publication date: 20220805

License type: Common License

Record date: 20231127

Application publication date: 20210713

Assignee: Shenzhen Ruibotong Technology Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980048397

Denomination of invention: A network encoding and decoding method, device, and related components based on cyclic shift

Granted publication date: 20220805

License type: Common License

Record date: 20231127

Application publication date: 20210713

Assignee: SHENZHEN LIHAI HONGJIN TECHNOLOGY CO.,LTD.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980048392

Denomination of invention: A network encoding and decoding method, device, and related components based on cyclic shift

Granted publication date: 20220805

License type: Common License

Record date: 20231127

Application publication date: 20210713

Assignee: Shenzhen Lingyu Technology Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980048332

Denomination of invention: A network encoding and decoding method, device, and related components based on cyclic shift

Granted publication date: 20220805

License type: Common License

Record date: 20231124

Application publication date: 20210713

Assignee: Matrix Origin (Shenzhen) Information Technology Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980048322

Denomination of invention: A network encoding and decoding method, device, and related components based on cyclic shift

Granted publication date: 20220805

License type: Common License

Record date: 20231124

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20210713

Assignee: LIVEFAN INFORMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980049494

Denomination of invention: A network encoding and decoding method, device, and related components based on cyclic shift

Granted publication date: 20220805

License type: Common License

Record date: 20231201

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20210713

Assignee: JIUZHOU YANGGUANG POWER SUPPLY (SHENZHEN) CO.,LTD.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980050235

Denomination of invention: A network encoding and decoding method, device, and related components based on cyclic shift

Granted publication date: 20220805

License type: Common License

Record date: 20231206

Application publication date: 20210713

Assignee: Shenzhen Huike Energy Technology Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980050230

Denomination of invention: A network encoding and decoding method, device, and related components based on cyclic shift

Granted publication date: 20220805

License type: Common License

Record date: 20231206

Application publication date: 20210713

Assignee: Shenzhen Huike Storage Technology Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980050228

Denomination of invention: A network encoding and decoding method, device, and related components based on cyclic shift

Granted publication date: 20220805

License type: Common License

Record date: 20231205

Application publication date: 20210713

Assignee: Shenzhen Youyou Internet Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980049890

Denomination of invention: A network encoding and decoding method, device, and related components based on cyclic shift

Granted publication date: 20220805

License type: Common License

Record date: 20231204

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20210713

Assignee: SHENZHEN HUIKE PRECISION INDUSTRY Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980052469

Denomination of invention: A network encoding and decoding method, device, and related components based on cyclic shift

Granted publication date: 20220805

License type: Common License

Record date: 20231214

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20210713

Assignee: Luoding Zhongda Technology Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2024980000187

Denomination of invention: A network encoding and decoding method, device, and related components based on cyclic shift

Granted publication date: 20220805

License type: Common License

Record date: 20240105