CN101252606A - 深空通信中基于低密度奇偶校验码-喷泉码的编译方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深空通信***中基于低密度奇偶校验码－喷泉码合成级联码的编译码方法。所述方法包括步骤一、将待发送的信息分割成若干个第一级信息单元；步骤二、将第一级信息单元通过喷泉码进行编码，得到第二级信息单元；步骤三、将第二级信息单元通过低密度奇偶校验码进行编码，得到第三级信息单元；步骤四、将第三级信息单元通过深空通信信道进行传送；步骤五、将接收到的第三级信息单元通过低密度奇偶校验码进行译码，将译码成功的信息单元组成第四级信息单元；步骤六、将第四级信息单元通过喷泉码进行译码还原。本发明不需要反馈重传，通过后续信息单元的接收就可以恢复原始信息和在不同的信道条件下达到恒定的通信***所要求的误码率的目的。

Description

深空通信中基于低密度奇偶校验码-喷泉码的编译方法

技术领域

本发明涉及数字通信***中的编译码方法，具体涉及一种在深空通信***中基于低密度奇偶校验码-喷泉码合成级联码的编译码方法。

背景技术

深空通信信道可以建模为较为理想的信道，其频带资源相对充足，而有限的星上设备总量、尺寸、长传输距离使得其功率资源严重受限。因此深空通信数据传输信道可视为功率受限而带宽丰裕信道，是典型的以有效性换取可靠性的传输信道。

作为深空通信的一项关键技术，信道编译码技术是保证信息传输准确性的必要手段。

深空通信的信道与地面网络和卫星网络中的信道类型不同，深空通信信道(自由空间段)是一种很理想的信道：深空通信信道与无记忆的高斯信道(AWGN：Additive White Gaussian Noise)非常相似，而这种信道正是编码理论的理想信道模型之一，这使得信道编码的理论和仿真效果与实践相差不大。深空通信信道的频带带宽较为丰富，允许使用低频带利用率的编码和二进制的调制方案。但是深空通信中存在以下缺点：一、延时大、航天器存储容量和处理能力有限；二、通信中握手过程效率低；三、确认重传效率低；四、拥塞控制策略导致吞吐量降低；五、发送与接收信息速率的不对称；六、当有多个接收者时，大量冗余数据浪费通信资源、反馈***。

喷泉码的概念是由M.Luby等人于1998年首次提出。2002年，M.Luby提出了第一种可以实现的喷泉码LT码。而后D.J.C.MacKay基于LT码提出了Raptor码。在学术理论日渐完善的同时，喷泉码也日益受到产业界的关注，获得了越来越多的实际应用。1998年，M.Luby、A.Shokrollahi等人联合创立了Digital Fountain公司，以推广数字喷泉概念的实际应用。目前，一种由Digital Fountain公司设计的***Raptor码也已经被DVB-H标准和3GPP组织的MBMS标准采用，并且正在参与其他多项国际标准的制定。

喷泉编码从低密度奇偶校验码(LDPC：LOW DEDSITY PARITYCHEDK)码和Tornado码演化而来，是一种以删除信道为背景的稀疏图编码。喷泉码是一种***率码，“***率”的概念，即从信息部分可以获得任意数量的编码符号，因此接收者只要能够获得足够多的编码符号，就能够成功地还原信息符号。喷泉编码利用整个文件依照相应的算法产生数据报，传输者向接收者“喷射”数据报而不知道哪一个被接收，像喷泉一样，如果接收者成功接收了N个数据报，而且接收到的数据报个数N仅比原文件的K个数据报稍稍多一些，就能够恢复出整个文件。

发明内容

为了解决现有技术中存在的在深空通信中延时大、航天器存储容量和处理能力有限；通信中握手过程效率低；确认重传效率低；拥塞控制策略导致吞吐量降低；发送与接收信息速率的不对称；当有多个接收者时，大量冗余数据浪费通信资源、反馈***等技术问题，本发明提供了一种深空通信中基于低密度奇偶校验码-喷泉码的编译方法。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案为：提供一种深空通信中基于低密度奇偶校验码-喷泉码的编译方法，所述深空通信中基于低密度奇偶校验码-喷泉码的编译方法包括步骤：一、将待发送的信息分割成若干个第一级信息单元；二、将所述第一级信息单元通过喷泉码进行编码，得到第二级信息单元；三、将所述第二级信息单元通过低密度奇偶校验码进行编码，得到第三级信息单元；四、将所述第三级信息单元通过深空通信信道进行传送；五、将接收到的所述第三级信息单元通过低密度奇偶校验码进行译码，将译码成功的信息单元组成第四级信息单元；六、将所述第四级信息单元通过喷泉码进行译码还原。

根据本发明的一优选实施例：所述步骤一中将所述待发送的信息进行分割时采用了级别概率分布，所述级别概率分布为鲁棒孤波分布。

根据本发明的一优选实施例：所述步骤二和步骤三中的编码通过编码器实现；所述步骤五和步骤六中的译码通过译码器实现。

根据本发明的一优选实施例：所述步骤五中所述低密度奇偶校验码译码中使用了最小和译码算法。

根据本发明的一优选实施例：所述步骤五中所述低密度奇偶校验码译码过程包括步骤：(一)、根据接收到的所述第三级信息单元计算初始信道信息；(二)、根据校验节点的更新规则对校验节点的值进行更新；(三)、根据变量节点的更新规则对变量节点的值进行更新；(四)、基于后验概率的硬判决，如果校验等式成立，则译码结束，否则跳到第(二)步直至满足校验等式或超过最大迭代次数为止。

根据本发明的一优选实施例：所述步骤六中将所述第四级信息单元通过喷泉码进行译码还原时采用了MP译码算法。

本发明利用喷泉码的特性，在深空通信信道中，采用内码为LDPC码，外码为喷泉码的级联码编译码方式具有较高的编译码性能和与码长成线性关系的译码复杂度，能够极大的减少反馈，从而极大的改善了信息传输效率，提高了通信资源的利用率，能够通过改变喷泉码输出信息单元的数量，实现在不同的信道条件下达到恒定的通信***所要求的误码率，从而实现在不同的信道条件下具有几乎相同的传输时延。如果喷泉码输出信息单元的数量足够多，可以达到极低的误码率。同时，随着LDPC码的码长和喷泉码的输入信息单元数的增大整个级联码的性能会进一步提高。另外，深空通信数据传输信道可视为功率受限而带宽丰裕信道，是典型的以有效性换取可靠性的传输信道，所以可以通过增加喷泉码输出信息单元的数量，极大的提高深空通信数据传输信道的可靠性。

附图说明

图1.本发明深空通信中基于低密度奇偶校验码-喷泉码的编译方法中低密度奇偶校验码-喷泉码的框架结构示意图；

图2.本发明深空通信中基于低密度奇偶校验码-喷泉码的编译方法中低密度奇偶校验码-喷泉码的编译码流程示意图；

图3.LT码的编码结构示意图；

图4.LT码的译码结构示意图；

图5.低密度奇偶校验码-喷泉码与内码低密度奇偶校验码码以及(3，6)规则低密度奇偶校验码(512，256)码的误码率性能比较示意图；

图6.当Pe＝1×10^-5时级联码的R^-1(码率倒数)示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

请参阅图1本发明深空通信中基于低密度奇偶校验码-喷泉码的编译方法中低密度奇偶校验码-喷泉码的框架结构示意图。如图1所示对喷泉码来说，图中的虚线框是一个虚拟的删除编码信道，这样就可以实现以删除信道为背景的喷泉码在深空通信中的使用。喷泉码是一种以删除信道为背景的编码，目前在Internet通信中典型的删除信道中得到应用，但是在非删除信道中，这种传统的喷泉码就无法使用了。为了实现了喷泉码在深空通信信道中应用，提出了利用LDPC码的LDPC-喷泉码这种级联码的编译码方法。其中，内码的作用是在深空通信信道中对信息单元就行编译码，即内码译码失败，丢失该信息单元，译码成功，接收该信息单元，实现对外码(喷泉码)来说，图中的虚线框是一个虚拟的删除信道，相当于，接收端以一定的概率p(内码译码失败概率为1-p)接收正确的信息单元，即为一个二元的删除信道。为了保证接收到的信息单元最大概率的正确性，所以选用逼近香农限的好码LDPC码。外码的作用是(1)在接收到的构成整个文件的信息单元有错误时，不需要通过反馈重传，因为在深空通信中延时极大，反馈重传效率低，而通过外码的编码，只需要接收到比原文件的信息单元数稍多的正确的信息单元就可以恢复整个文件，极大降低了反馈重传的概率，如果能够保证接收到正确的信息单元的数目足够多，甚至可以不需要反馈信道。而且目前，深空通信中下行链路(从卫星到地球)的传输速率是2.6Mbps，下行链路(从地球到卫星)的传输速率是0.004Mbps，而且深空通信中的传输时延非常大，如火星到地球的平均单程传输时延就为760s。可以看出在深空通信信道的条件下为了降低反馈量以及降低传输时延而增加下行链路的传输数据量是完全可行的。(2)通过改变喷泉码输出信息单元的数量，可以实现在不同的信道条件下达到恒定的所要求的误码率，如果喷泉码输出信息单元的数量足够多，可以达到极高的误码率，从而实现在不同的信道条件下具有几乎相同的传输时延。

请参阅图2本发明深空通信中基于低密度奇偶校验码-喷泉码的编译方法中低密度奇偶校验码-喷泉码的编译码流程示意图。如图2所示，所述编译码流程示意图主要包括步骤：一、将待发送的信息分割成若干个等长的第一级信息单元s₁，s₂...s_k；二、将所述第一级信息单元通过喷泉码进行编码，得到第二级信息单元t1、t2......tn；三、将所述第二级信息单元通过低密度奇偶校验码进行编码，得到第三级信息单元u1、u2......un；四、将所述第三级信息单元进行调制后通过深空通信信道进行传送；五、将接收到的所述第三级信息单元通过低密度奇偶校验码进行译码，将译码成功的信息单元组成第四级信息单元t1、t2、......tm；六、将所述第四级信息单元通过喷泉码进行译码还原。

图3为LT码的编码示意图。假定原文件具有若干个数据报，按照一定的概率分布ρ(d)从原文件数据报中得到若干数据报，并将它们逐位异或运算，得到一个新的数据报，依此类推，编码步骤是：(1)选择概率分布ρ(d)中的一个值d(degree)。(2)从原数据报中按照d选取出数据报s₁，s₂...s_k，并标记为

(3)将选出的数据报逐位异或运算得到新的数据报t_n。

其中，概率分布ρ(d)为鲁棒孤波分布，其概率分布为：

$\mathrm{\μ}\left(i\right)=\frac{\mathrm{\ρ}\left(i\right)+\mathrm{\τ}\left(i\right)}{\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ρ}\left(i\right)+\mathrm{\τ}\left(i\right)}---\left(1\right)$

其中

$\mathrm{\τ}\left(i\right)=\begin{array}{cc}\frac{R}{\mathrm{iK}}& i=1\·\·\·K/R-1\\ \frac{R\log R/\mathrm{\δ}}{K}& i=K/R\\ 0& i=K/R+1\·\·\·K\end{array}---\left(2\right)$

其中 $R=c\·\log (K/\mathrm{\δ})\·\sqrt{K},$ c＞0是δ是接收到K’个数据报后不能正确译码的概率。

另外，在随机选取信息单元的同时，通过采取措施保证所有的信息单元被选取。如令矩阵U＝[1，2......k]，对U的元素顺序进行随机化排列得到新的U，然后按照d顺序选取出U的序号数，然后对应该序号选出对应的数据报，直到U中的元素被选完，然后继续按照LT码的编码步骤进行生成喷泉码输出信息单元。

图2中的LDPC编码器即实现u_i＝s_i*G其中G为LDPC码的生成矩阵，u_i为编码后的信息单元，s_i为编码前的信息单元，i＝1，2......k。其中的LDPC译码器使用最小和译码算法，迭代译码过程就是校验节点和信息节点之间数据的传递和更新。采用BPSK调制方式，译码过程如下：

(一)初始化：对接收到的i个信息，计算初始信道信息：

L(g_ij)＝L(c_i)＝2y_i/σ²    (3)

式中，y_i为接收到的混有噪声的信息，σ²为噪声平均功率。

(二)校验节点的更新规则

$L\left(h_{\mathrm{ji}}\right)=\left(\underset{i^{\′}\∈N_f\left(j\right)\backslash \left\{i\right\}}{\mathrm{\Π}}{a}_{i^{\′}j}\right)\underset{i^{\′}}{\min }{\mathrm{\β}}_{i^{\′}j}---\left(4\right)$

式中，a_ij＝sign(L(g_ij))，β_ij＝|L(g_ij)|。

(三)变量节点的更新规则

$L\left(g_{\mathrm{ij}}\right)=L\left(c_i\right)+\underset{j^{\′}\∈N_x\left(i\right)\backslash \left\{j\right\}}{\mathrm{\Π}}L\left(h_{j^{\′}i}\right)---\left(5\right)$

(四)步骤三类似的修正为：

$L\left(Q_i\right)=L\left(c_i\right)+\underset{j\∈N_x\left(i\right)}{\mathrm{\Π}}L\left(h_{\mathrm{ji}}\right)---\left(6\right)$

(五)最后对有：

如果 $\hat{c}{H}^T=0$ 成立，则译码结束，否则跳到第2步直至满足校验等式或超过最大迭代次数为止。

其中，H表示编码的校验矩阵，g_ij表示从信息节点x_i传递到校验节点f_j的信息值，h_ji表示从检验节点f_j传递到信息节点x_i的信息值，N_f(j)＝{i：H_ji＝1}表示参与第j个校验节点的信息节点的集合，N_f(j)\{i}＝{i′：H_ji′＝1}\{i}表示N_f(j)与第i个比特的差集，同样，N_x(i)＝{j：H_ji＝1}表示参与第i个信息节点的校验节点的集合，N_x(i)\{j}＝{j′：H_j′i＝1}\{j}表示N_x(j)与第j校验节点的差集。

图4为LT码的译码(MP译码算法)示意图。译码步骤是：(1)在输出数据报中找到d＝1的那个数据报，即找到一个t_n，它只有一条连接线连接s_k，k＝1，2...k。如果没有这样的数据报，继续接收直到找到为止。(2)找到这样的t_n后，令s_k＝t_n。(3)与s_k连接的其他接收到的数据报，有t_i＝s_k t_i，i≠n。(4)将s_k和输出数据报之间的连接线删除。(5)重复上述步骤，直到全部s_i得以恢复。

图5为LDPC-喷泉码与内码LDPC码以及(3，6)规则LDPC(512，256)码的误码率性能比较。LDPC-喷泉码的内码LDPC码的码率为3/4，32bits码长的(3，6)LDPC码，译码算法采用最小和算法；外码采用码率为2/3，500个输入信息单元的LT码，译码算法采用MP算法，总的级联码是一个(24000，12000)的二进制码。从图中可以看出加上喷泉码为外码后对性能有非常显著的提高，并且该级联码在10^-4时，比(3，6)LDPC(512，256)码具有1.5dB左右的增益，可以看出该级联码具有较为优秀的性能。

喷泉码的一个特性就是信息被分散在各个编码信息单元内，不需要重传，可通过后续信息单元的接收恢复原始信息。显然在深空通信***中不可能通过无限制的接收后续信息单元而达到不需要反馈重传的目的，但是能够通过改变喷泉码输出信息单元的数量，可以实现在不同的信道条件下达到恒定的通信***所要求的误码率，如果喷泉码输出信息单元的数量足够多，可以达到极高的误码率。图6为保证误码率在不同的比特信噪比下恒为1*10^-5时该级联码的R^-1(码率倒数)值，LDPC-喷泉码的的内码采用码率为3/4，32bits码长的(3，6)LDPC码，译码算法采用最小和算法；外码采用500个输入信息单元，输出信息单元数随比特信噪比的改变而变化的LT码示意图，译码算法采用MP算法。

本发明利用喷泉码的特性，在深空通信信道中，采用内码为LDPC码，外码为喷泉码的级联码编译码方式具有较高的编译码性能和与码长成线性关系的译码复杂度，能够极大的减少反馈，从而极大的改善了信息传输效率，提高了通信资源的利用率，能够通过改变喷泉码输出信息单元的数量，实现在不同的信道条件下达到恒定的通信***所要求的误码率，从而实现在不同的信道条件下具有几乎相同的传输时延。如果喷泉码输出信息单元的数量足够多，可以达到极低的误码率。同时，随着LDPC码的码长和喷泉码的输入信息单元数的增大整个级联码的性能会进一步提高。另外，深空通信数据传输信道可视为功率受限而带宽丰裕信道，是典型的以有效性换取可靠性的传输信道，所以可以通过增加喷泉码输出信息单元的数量，极大的提高深空通信数据传输信道的可靠性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1. 一种深空通信中基于低密度奇偶校验码-喷泉码的编译方法，其特征在于：所述深空通信中基于低密度奇偶校验码-喷泉码的编译方法包括步骤：

A1：将待发送的信息分割成若干个第一级信息单元；

A2：将所述第一级信息单元通过喷泉码进行编码，得到第二级信息单元；

A3：将所述第二级信息单元通过低密度奇偶校验码进行编码，得到第三级信息单元；

A4：将所述第三级信息单元通过深空通信信道进行传送；

A5：将接收到的所述第三级信息单元通过低密度奇偶校验码进行译码，将译码成功的信息单元组成第四级信息单元；

A6：将所述第四级信息单元通过喷泉码进行译码还原。

2. 根据权利要求1所述深空通信中基于低密度奇偶校验码-喷泉码的编译方法，其特征在于：所述步骤A1中将所述待发送的信息进行分割时采用了级别概率分布，所述级别概率分布为鲁棒孤波分布。

3. 根据权利要求1所述深空通信中基于低密度奇偶校验码-喷泉码的编译方法，其特征在于：所述步骤A2和步骤A3中的编码通过编码器实现；所述步骤A5和步骤A6中的译码通过译码器实现。

4. 根据权利要求1所述深空通信中基于低密度奇偶校验码-喷泉码的编译方法，其特征在于：所述步骤A5中所述低密度奇偶校验码译码中使用了最小和译码算法。

5. 根据权利要求4所述深空通信中基于低密度奇偶校验码-喷泉码的编译方法，其特征在于：所述步骤A5中所述低密度奇偶校验码译码过程包括步骤：

A51：根据接收到的所述第三级信息单元计算初始信道信息；

A52：根据校验节点的更新规则对校验节点的值进行更新；

A53：根据变量节点的更新规则对变量节点的值进行更新；

A54：基于后验概率的硬判决，如果校验等式成立，则译码结束，否则跳到第A52步直至满足校验等式或超过最大迭代次数为止。

6. 根据权利要求1所述深空通信中基于低密度奇偶校验码-喷泉码的编译方法，其特征在于：所述步骤A6中将所述第四级信息单元通过喷泉码进行译码还原时采用了MP译码算法。

Images