CN106254030A - 无速率Spinal码的双向编译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无速率Spinal码的双向编译码方法，主要解决现有无速率Spinal码的编译码方法传输速率低、误帧率高、硬件设计困难的问题，实现步骤为：信息序列分段；利用哈希函数对分段序列从前到后依次映射，同时对分段序列从后到前依次映射；利用映射函数产生编码序列；将编码序列发送至信道；设置译码器参数；搜索前向译码树，更新前向候选列表；搜索后向译码树，更新后向候选列表；根据更新后的后向候选列表，更新前向候选列表，若存在多种译码结果，重新进行搜索，否则输出译码结果。本发明的编码序列携带有分段序列的全部信息，译码时更容易纠正错误，同时译码的计算量少，硬件设计简单，可用于通信过程中的错误纠正。

Description

无速率Spinal码的双向编译码方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种无速率Spinal码的编译码方法，具体涉及一种无速率Spinal码的双向编译码方法，可用于通信过程中的错误纠正。

背景技术

无线通信网络的主要问题就是在时变信道的噪声、干扰和衰落的影响下找到一种高吞吐量的传输协议。目前广泛应用的是以Turbo码和低密度奇偶校验码(low densityparity-check code，LDPC)为代表的编码技术，但是这些固定速率码通常难以适应具有复杂时变的信道。一种理想的解决方法就是使用无速率编码，不限制发送端发送信息数量，而是根据信道状况进行调整。

LT码以及在其基础上提出的Raptor码是最早实用的无速率编码，但是这类编码本质上是针对理想的删除信道，并不能直接应用于实际的底层信道进行传输。要最大化挖掘信道的传输能力，理想的无速率编码应该是能实现底层信道的近容量限传输。Spinal码是一种在BSC、AWGN信道均能实现近容量限传输的无速率码，其核心是对输入信息比特连续使用伪随机哈希函数结合星座点映射函数来产生传输符号信息，哈希函数的伪随机特性使得Spinal码在低信噪比时仍然保持较优的抗干扰性能。Spinal码是一种逼近香农容量限适于无线通信的好码。

现有的Spinal码编码方法为单向编码，其实现过程如图1所示，该方法通过连续使用伪随机哈希函数结合星座点映射函数，将输入信息序列依次进行编码产生源源不断的符号序列。但是，通过该编码方法得到的符号序列无法携带输入信息序列的全部信息，而Spinal码的误帧率性能和传输速率由Spinal短码决定，即C_spinal(n,k,l)的误帧率性能和传输速率下界由Spinal短码C_spinal(k,k,l)所决定，因此，该编码方法的误帧率性能较差，传输速率低。

现有的Spinal码译码方法，采用基于树搜索的最大似然译码算法的Bubble译码。最大似然译码器从编码器初始哈希状态所代表的根节点开始扩展译码树，遍历每个节点的所有输入，获得该节点的所有子节点，在搜索到树的所有叶子节点之后，能够得到最优路径。Bubble译码方法不搜索树的所有节点，在每一层搜索结束后，只保留最优的B个节点作为下一层搜索的母节点，因此，Bubble译码方案只搜索部分节点，扩展的树也只是部分树。但是，Spinal码的每一个节点的子节点数目较大，而Bubble译码方案中，每一层需要保留固定长度的节点，因此，该译码方法的计算复杂度随着信息位长度和信息分段长度的增加而急剧增大，存储需求增大，导致硬件设计困难。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种无速率Spinal码的双向编译码方法，用于解决现有无速率Spinal码的编译码方法中存在的传输速率低、误帧率高、硬件设计困难的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种无速率Spinal码的双向编译码方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对输入的信息序列进行分段，得到分段序列m＝{m₁,m₂,...,m_i,...,m_D}，其中m_i表示第i段信息序列，D表示分段序列的总段数，1≤i≤D；

(2)编码器对分段序列m进行双向编码，得到前向编码序列x^f和后向编码序列x^b，实现步骤为：

(2a)设置编码器的前向编码初始状态为后向编码初始状态为

(2b)编码器利用哈希函数h，从前到后依次对分段序列m中的每一段序列与该段序列对应的前一个前向编码状态分别进行映射，得到前向状态其中，为通过将分段序列m中第一段序列与前向编码初始状态进行映射得到的第一个前向编码状态，表示第j个前向编码状态，1≤j≤D；

(2c)编码器利用哈希函数h，从后到前依次对分段序列m中的每一段序列与该段序列对应的前一个后向编码状态分别进行映射，得到后向状态其中，为通过将分段序列m中最后一段序列与后向编码初始状态进行映射得到的第一个后向编码状态，表示第t个后向编码状态，1≤t≤D；

(2d)编码器利用映射函数f，对前向状态s^f进行映射，得到前向编码序列同时对后向状态s^b进行映射，得到后向编码序列其中，表示第e个前向符号序列，表示第r个的符号，表示第e个后向符号序列，表示第w个的符号，N表示符号序列的总长度，且1≤e≤D，1≤r≤N，1≤w≤N；

(3)发送端将前向编码序列x^f和后向编码序列x^b中的符号序列发送至信道，直到接收端接收到足够多的信息以完成正确的译码为止，实现步骤为：

(3a)令当前发送端向信道发送符号序列的次数为p，最大发送次数为L，并对当前发送端向信道发送符号序列的次数p进行初始化，得到p＝1；

(3b)发送端将前向编码序列x^f或后向编码序列x^b中任意一个通道的符号序列发送至信道，得到信道输出序列y_p；

(3c)接收端采用双向迭代译码算法，对接收到的所有信道输出序列y＝(y₁,y₂,...,y_p)进行译码；

(3d)译码器判断译码是否正确，若是，停止发送，同时输出译码结果，否则，当p<L时，发送端发送第p+1个通道的符号序列，并执行步骤(3c)，当p＝L时，发送结束。本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明由于在对无速率Spinal码进行编码的过程中，编码器利用哈希函数h，从前到后依次对分段序列的每一段序列和前一个前向编码状态进行分别映射，得到前向状态，同时从后到前依次对分段序列的每一段序列和前一个后向编码状态进行分别映射，得到后向状态；再利用映射函数f对前向状态和后向状态分别进行映射，得到前向编码序列和后向编码序列，并且编码序列携带所有分段序列的信息，在译码过程中能够更好的进行错误纠正，与现有的无速率Spinal码编译码方法相比，当在相同信道条件下传输时，具有更高的传输速率，当在相同速率下传输时，具有更低的误帧率。

2.本发明由于在对无速率Spinal码进行译码的过程中，采用最大似然译码算法，先遍历前向译码树的部分节点，更新前向候选列表M，利用更新后的前向候选列表M，初始化后向候选列表M'，再遍历后向译码树的部分节点，更新初始化后的后向候选列表M'，并利用更新后的后向候选列表M'，更新前向候选列表M，从而找到最优路径，在每次遍历过程中，由于搜索的节点数目少，降低了计算复杂度，减少存储需求，与现有的无速率Spinal码的译码方法相比，有效地简化了硬件设计。

附图说明

图1是现有无速率Spinal码的编码方法实现流程图；

图2是本发明的实现流程框图；

图3是本发明与现有无速率Spinal码的编译码方法的误帧率性能仿真对比图；

图4是本发明与现有无速率Spinal码的编译码方法的传输速率仿真对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明：

参照图2，本发明包括如下步骤：

步骤1，信息序列分段：

信源节点发送长度为n的信息序列，从前到后将信息序列平均分成长度相同的D段序列，每段序列长度为k，得到分段序列m＝{m₁,m₂,...,m_i,...,m_D}，其中m_i表示第i段信息序列，D表示分段序列的总段数，n表示信息序列总长度，1≤i≤D，本实施例的信息序列总长度n为64，分段序列的总段数D为16，每段序列长度k为4；

步骤2，编码器对分段序列m进行双向编码，实现步骤为：

步骤2a，设置编码器的前向编码初始状态为后向编码初始状态为

步骤2b，编码器利用哈希函数h:{0,1}^v×{0,1}^k→{0,1}^v，从前到后依次对分段序列m中的每一段序列与该段序列对应的前一个前向编码状态分别进行映射，得到前向状态其中，为通过将分段序列m中第一段序列与前向编码初始状态进行映射得到的第一个前向编码状态，表示第j个前向编码状态，v表示哈希状态长度，1≤j≤D，本实施例的哈希状态长度v为32；

步骤2c，由于对分段序列从前到后进行映射，得到的前向状态s^f只携带有分段序列的部分信息，译码器因为信息不全而导致其纠错能力差，为了克服纠错能力差的问题，编码器利用哈希函数h:{0,1}^v×{0,1}^k→{0,1}^v，从后到前依次对分段序列m中的每一段序列与该段序列对应的前一个后向编码状态分别进行映射，得到后向状态通过两次映射过程得到的前向状态s^f和后向状态s^b将携带有分段序列的全部信息，其中，为通过将分段序列m中最后一段序列与后向编码初始状态进行映射得到的第一个后向编码状态，表示第t个后向编码状态，1≤t≤D；

步骤2d，编码器利用映射函数f:对前向状态s^f进行映射，得到前向编码序列由于前向编码同时对后向状态s^b进行映射，得到后向编码序列其中，表示第e个前向符号序列，表示第r个的符号，表示第e个后向符号序列，表示第w个的符号，N表示符号序列的总长度，c表示星座点映射长度，且1≤e≤D，1≤r≤N，1≤w≤N，本实施例的星座点映射长度c为1；

步骤3，发送端将前向编码序列x^f和后向编码序列x^b中的符号序列发送至信道，直到接收端接收到足够多的信息以完成正确的译码为止，实现步骤为：

步骤3a，令当前发送端向信道发送符号序列的次数为p，最大发送次数为L，并对当前发送端向信道发送符号序列的次数p进行初始化，得到p＝1；

步骤3b，发送端将前向编码序列x^f或后向编码序列x^b中任意一个通道的符号序列发送至信道，得到信道输出序列y_p；

步骤3c，接收端采用双向迭代译码算法，对接收到的所有信道输出序列y＝(y₁,y₂,...,y_p)进行译码，实现步骤为：

步骤3c1，设置译码器参数：当前迭代次数为l、最大迭代次数为l_max、前向译码初始状态为后向译码初始状态为迭代中每次树搜索的最大搜索节点数目为B、前向候选列表为M和后向候选列表为M'，其中，l的初始值为1，本实施例的最大迭代次数l_max为10，迭代中每次树搜索的最大搜索节点数目B为8196；

步骤3c2，对前向候选列表M＝(M₁,M₂,...,M_q,...,M_D)进行初始化，并令M_q＝(0,1,2,...,2^k-1)，其中，M_q表示分段序列m_i的候选译码结果，1≤q≤D；

步骤3c3，利用最大似然译码方法，将前向译码初始状态初始化为前向译码树的根节点状态，将后向译码初始状态初始化为后向译码树的根节点状态，为了减少搜索过程中的搜索节点数目，译码器在整个搜索过程中只搜索B个节点；

步骤3c4，译码器利用最大似然译码方法，对前向译码树进行搜索，得到与所有信道输出序列y相同的节点，并利用与所有信道输出序列y相同的节点上的候选译码结果更新前向候选列表M，得到更新后的前向候选列表M＝(M₁,M₂,...,M_D)；

步骤3c5，更新后的前向候选列表M，对后向候选列表M'进行初始化，得到初始化后的后向候选列表M'＝(M_D,M_D-1,...,M₁)；

步骤3c6，译码器利用最大似然译码方法，对后向译码树进行搜索，得到与所有信道输出序列y相同的节点，并利用与所有信道输出序列y相同的节点上的候选译码结果更新初始化后的后向候选列表M'，得到更新后的后向候选列表M'＝(M'_D,M'_D-1,...,M'₁)；

步骤3c7，利用更新后的后向候选列表M'，更新前向候选列表M，得到M＝(M'_D,M'_D-1,...,M'₁)，通过前向搜索和后向搜索，译码器充分利用所有信道输出序列y＝(y₁,y₂,...,y_p)携带的分段序列的信息，能够更好的进行纠正错误，若前向候选列表M中只存在一种译码结果，译码器停止译码，同时输出保存在前向候选列表M中的译码信息，否则，当l<l_max时，l＝l+1，并执行步骤(3c3)，当l＝l_max时，停止译码，并等待下一个通道的符号序列发送。

步骤3d，译码器判断译码是否正确，若是，停止发送，同时输出译码结果，否则，当p<L时，发送端发送第p+1个通道的符号序列，并执行步骤(3c)，当p＝L时，发送结束。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1.仿真条件

采用Visual Studio 2013进行计算机软件仿真，通信模型为点对点无线通信模型，信源节点发送长度为64的分段序列，编码器对分段序列进行双向编码得到长度为64的编码序列，发送端将编码序列中任意一个通道的符号序列，发送至二元删除信道，得到长度为64的信道输出序列，译码器利用当前接收到的所有信道输出序列，采用双向迭代译码算法，迭代次数为10次，恢复出信源发送的消息；若无法恢复则等待下一个通道的信息发送。

2.仿真内容及结果分析

仿真1，对本发明和现有无速率Spinal码的编译码方法的误帧率性能进行仿真对比，其结果如图3所示。

仿真2，对本发明和现有无速率Spinal码的编译码方法的传输速率进行仿真对比，其结果如图4所示。

参照图3，横坐标表示BEC信道的删除概率，纵坐标表示误帧率，图3中各曲线表示的意义如下：

以小圆圈标记的曲线，即“Original spinal code”代表的是现有的Spinal码编译码方法的误帧率性能；

以小三角标记的曲线，即“Two-way spinal code”代表的是本发明的误帧率性能；

以点划线标记的曲线，即“Shannon limit”代表的是香农门限；

从曲线对比可以看出，当误帧率为10^-4时，本发明提出的Spinal码与香农门限之间的删除概率差距仅为0.05；与现有的Spinal码相比，本发明提出的Spinal码的误帧率性能明显提高，例如当误帧率为10^-4时，现有的Spinal码与本发明提出的Spinal码之间的删除概率差距为0.36，本发明的误帧率性能更好。

参照图4，横坐标表示BEC信道的删除概率，纵坐标表示传输速率，图4中各曲线表示的意义如下：

以小方块标记的曲线，即“Original spinal code”代表的是现有的Spinal码编译码方法的传输速率；

以小三角标记的曲线，即“Two-way spinal code”代表的是本发明的传输速率；

以点划线标记的曲线，即“Capacity”代表的是信道容量曲线；

从曲线对比可以看出，当信道删除概率为0.75时，本发明提出的Spinal码的传输速率为0.22比特/信道符号，而现有的Spinal码的传输速率为0.16比特/信道符号，本发明的传输速率比现有的Spinal码高0.06比特/信道符号。

Claims (4)

1.一种无速率Spinal码的双向编译码方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对输入的信息序列进行分段，得到分段序列m＝{m₁,m₂,...,m_i,...,m_D}，其中m_i表示第i段信息序列，D表示分段序列的总段数，1≤i≤D；

(2)编码器对分段序列m进行双向编码，得到前向编码序列x^f和后向编码序列x^b，实现步骤为：

(2a)设置编码器的前向编码初始状态为后向编码初始状态为

(2b)编码器利用哈希函数h，从前到后依次对分段序列m中的每一段序列与该段序列对应的前一个前向编码状态分别进行映射，得到前向状态其中，为通过将分段序列m中第一段序列与前向编码初始状态进行映射得到的第一个前向编码状态，表示第j个前向编码状态，1≤j≤D；

(2c)编码器利用哈希函数h，从后到前依次对分段序列m中的每一段序列与该段序列对应的前一个后向编码状态分别进行映射，得到后向状态其中，为通过将分段序列m中最后一段序列与后向编码初始状态进行映射得到的第一个后向编码状态，表示第t个后向编码状态，1≤t≤D；

(2d)编码器利用映射函数f，对前向状态s^f进行映射，得到前向编码序列同时对后向状态s^b进行映射，得到后向编码序列其中，表示第e个前向符号序列，表示第r个的符号，表示第e个后向符号序列，表示第w个的符号，N表示符号序列的总长度，且1≤e≤D，1≤r≤N，1≤w≤N；

(3)发送端将前向编码序列x^f和后向编码序列x^b中的符号序列发送至信道，直到接收端接收到足够多的信息以完成正确的译码为止，实现步骤为：

(3a)令当前发送端向信道发送符号序列的次数为p，最大发送次数为L，并对当前发送端向信道发送符号序列的次数p进行初始化，得到p＝1；

(3b)发送端将前向编码序列x^f或后向编码序列x^b中任意一个通道的符号序列发送至信道，得到信道输出序列y_p；

(3c)接收端采用双向迭代译码算法，对接收到的所有信道输出序列y＝(y₁,y₂,...,y_p)进行译码；

(3d)译码器判断译码是否正确，若是，停止发送，同时输出译码结果，否则，当p<L时，发送端发送第p+1个通道的符号序列，并执行步骤(3c)，当p＝L时，发送结束。

2.根据权利要求1所述的无速率Spinal码的双向编译码方法，其特征在于，步骤(3c)中所述的接收端采用双向迭代译码算法，对接收到的所有信道输出序列y＝(y₁,y₂,...,y_p)进行译码，按如下步骤进行：

(3c1)设置译码器参数：当前迭代次数为l、最大迭代次数为l_max、前向译码初始状态为后向译码初始状态为迭代中每次树搜索的最大搜索节点数目为B、前向候选列表为M和后向候选列表为M'，其中，l的初始值为1；

(3c2)对前向候选列表M＝(M₁,M₂,...,M_q,...,M_D)进行初始化，并令M_q＝(0,1,2,...,2^{k -1})，其中，M_q表示分段序列m_i的候选译码结果，1≤q≤D；

(3c3)利用最大似然译码方法，将前向译码初始状态初始化为前向译码树的根节点状态，将后向译码初始状态初始化为后向译码树的根节点状态；

(3c4)译码器利用最大似然译码方法，对前向译码树进行搜索，得到与所有信道输出序列y相同的节点，并利用与所有信道输出序列y相同的节点上的候选译码结果更新前向候选列表M，得到更新后的前向候选列表M＝(M₁,M₂,...,M_D)；

(3c5)利用更新后的前向候选列表M，对后向候选列表M'进行初始化，得到初始化后的后向候选列表M'＝(M_D,M_D-1,...,M₁)；

(3c6)译码器利用最大似然译码方法，对后向译码树进行搜索，得到与所有信道输出序列y相同的节点，并利用与所有信道输出序列y相同的节点上的候选译码结果更新初始化后的后向候选列表M'，得到更新后的后向候选列表M'＝(M'_D,M'_D-1,...,M'₁)；

(3c7)利用更新后的后向候选列表M'，更新前向候选列表M，得到M＝(M'_D,M'_D-1,...,M'₁)，若前向候选列表M中只存在一种译码结果，译码器停止译码，同时输出保存在前向候选列表M中的译码信息，否则，当l<l_max时，l＝l+1，并执行步骤(3c3)，当l＝l_max时，停止译码，并等待下一个通道的符号序列传输。

3.根据权利要求1所述的无速率Spinal码的双向编译码方法，其特征在于，步骤(2b)和步骤(2c)中所述的哈希函数h，其表达式为：

h:{0,1}^v×{0,1}^k→{0,1}^v

其中，v表示哈希状态长度，k表示每段信息序列长度。

4.根据权利要求1所述的无速率Spinal码的双向编译码方法，其特征在于，步骤(2d)中所述的映射函数f，其表达式为：

其中，c表示星座点的映射长度。