CN109510687A - 一种基于卫星通信的喷泉码编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于卫星通信的喷泉码编码方法,包括步骤A):对发送的文件进行分割,形成若干个原始信息分组;步骤B):对原始信息分组进行喷泉码编码,形成编码分组;步骤C):编码分组通过卫星链路发送给接收端,接收端接收到足够数据包后进行喷泉码译码;步骤D):如未能恢复出全部原始信息分组,将需要重传的数据块编号以及卫星链路的质量状况,反馈给发送端;如果恢复出全部原始信息分组,则不启动反馈机制;步骤E):发送端若接收到反馈信息,根据卫星链路的质量状况,实时动态调整喷泉码编码参量,并启动重传机制。其优点在于:有效的降低了编码冗余开销,避免多次反馈重传,针对性解决了卫星通信中误码率高,传输时延长等问题。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信领域,尤其涉及一种基于卫星通信的喷泉码编码方法。
背景技术
卫星通信是现代通信技术的重要成果,它是在地面微波通信和空间技术的基础上发展起来的,具有通信覆盖区域大,通信距离远,通信频段宽,容量大等优点,但是也存在传输时延长,信号易衰减,误码率大等缺点。因此,采用传统的文件传输方案,需要仰赖发送端以及接收端持续性的双向沟通,在实际应用中显然不是十分理想。
近年来,利用数字喷泉码编码来提高传输的可靠性是一个比较热门的课题,它是由LDPC码和Tornado码演化而来的,是一种以删除信道为背景的稀疏图编码。所谓数字喷泉码,指这种编码的发送端随机编码,由K个原始分组生成任意数量的编码分组,源节点在不知道这些数据包是否被成功接收的情况下,持续发送数据包。而接收端只要接收到K(1+ε)个编码分组的任意子集,即收到一个稍微大于K值的N,就可通过译码以高概率成功地恢复全部原始分组。该编码方式以其***率特性在卫星通信数据传输中具有显著优势,通过对节点间信息的充分利用,有效解决了卫星链路中由于部分节点消亡、链路不可靠传输等造成的信息丢失、通信失败等问题。
喷泉码可以分为随机线性喷泉码、LT码、Raptor码和RaptorQ码。传统的LT码,在发送端首先根据一定的度分布函数从原始信息分组中选出d个源数据包,然后对所选取的源数据包进行异或运算,得到一个编码包并发送;接收端只需要收到略大于K个编码包后,就可以一定概率恢复出原始信息分组。LT码是第一种实用型的喷泉码,但是其生成的编码包中需要有少量连接度很高的包,用来保证对所有数据包的良好覆盖,从而保证译码的完整性,然而这些高连接度包的存在消耗了很多编译码异或操作,同时也降低了低连接度包的比例,从而减小了译码过程中可译集的大小,降低了译码成功率。
基于对LT码的认识,Raptor码采用两步编码的方式,先对原始信息分组用一个分组码进行预编码,再采用一个弱化的LT码对数据进行编码发送。相比于LT码,Raptor码通过联合优化弱化LT码和预编码的码率和参数,可以获得更低的编译码复杂度和在相同译码开销下更高的译码成功率。而RaptorQ码是一种定义在伽罗华域GF(256)上的Raptor码,它继承了所有Raptor码的基本属性和编解码处理流程,同时可以实现将成功译码所需的译码开销大大降低。
采用喷泉码编码的方式进行卫星通信,需要在通信开始阶段设定好原始信息分组K、小包长度L以及编码冗余度β等编码参量。如果编码参量设计的巧妙,将大大提高编解码效率以及译码成功率。但是如果编码冗余度β设定的过低,在一定的丢包率下,接收端收到的数据包个数N可能会小于原始信息分组数K,使译码成功率降低,从而增加重传次数;如果编码冗余度β设定的过高,虽然能保证译码成功率得到提高,但是译码开销将大大增加。现有技术中的编码参量设定的不恰当,喷泉码在卫星通信中的优势较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实时动态调整喷泉码编码参量,降低喷泉码编译码开销,提高译码成功率的基于卫星通信的喷泉码编码方法。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种基于卫星通信的喷泉码编码方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤A):对发送的文件进行分割,形成原始信息分组;
步骤B):对原始信息分组进行喷泉码编码,形成编码分组;
步骤C):编码分组通过卫星链路发送给接收端,接收端接收到足够数据包后进行喷泉码译码;
步骤D):如果未能恢复出全部原始信息分组,则将需要重传的数据块编号以及卫星链路的质量状况,反馈给发送端;如果恢复出全部原始信息分组,则不启动反馈机制;
步骤E):发送端若接收到反馈信息,根据卫星链路的质量状况,实时动态调整喷泉码编码参量,并启动重传机制。
2.根据权利要求书1所述的一种基于卫星通信的喷泉码编码方法,其特征在于,步骤B中的编码过程包括以下步骤:
步骤B1):根据实时编码参量中的码长K以及小包长度L,构造满秩矩阵A;
步骤B2):通过对构造矩阵A进行逆变换,对原始信息分组进行预编码,获得中间编码分组C;
步骤B3):使用编码发生器对中间编码分组C进行编码,获得待发送的编码分组。
进一步的,所述步骤D还包括,在接收端创建一个最多存储M个数据的队列,用于存储每个数据块的丢包率;该队列被设置为,如果数据接收完后未能完全恢复原始信息分组,则计算卫星链路的平均丢包率其中,Pi表示第i个数据块的丢包率,N表示数据块个数,最大为M;将需要重传的数据块编号以及代表卫星链路质量状况的实时丢包率Pt一起反馈给发送端。
进一步的,所述步骤E中发送端接收到反馈信息后,获取到代表实时卫星链路质量状况的丢包率Pt,再根据公式计算分析得到实时的喷泉码编码冗余,其中,β为喷泉码编码冗余度,β’表示在允许的译码失败概率下的喷泉码编码冗余;计算分析得到实时的喷泉码编码冗余后,对喷泉码编码参量进行实时调整,并对需要重传的数据块进行编码重传。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明通过将RaptorQ码编码方式引入卫星通信中,并且能够保持原有喷泉码性能,根据实时反馈的代表卫星链路质量状况的丢包率,计算分析得到相应的喷泉码编码参量,实时动态调整,从而使新文件传输或文件重传都是按照最新的卫星链路质量状况进行喷泉码编码。本发明针对性的解决了卫星链路传输时延长、信号易衰落、误码率高的问题,大大地降低了喷泉码编译码开销,提升了译码成功率。
附图说明
图1是本发明喷泉码编码方法流程图;
图2是本发明中接收端记录卫星链路质量状况流程图。
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,所描述的实施例仅仅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。
如图1-2所示,本具体实施方式披露了一种基于卫星通信的喷泉码编码方法,步骤如下:
步骤A):对待发送的文件进行分割,形成若干个原始信息分组;
步骤B):对原始信息分组进行喷泉码编码,形成编码分组;
步骤C):编码分组通过卫星链路发送给接收端,接收端接收到足够数据包后进行喷泉码译码;
步骤D):如果未能恢复出全部原始信息分组,则将需要重传的数据块编号以及卫星链路的质量状况,反馈给发送端;如果恢复出全部原始信息分组,则不启动反馈机制;
步骤E):发送端若接收到反馈信息,根据卫星链路的质量状况,实时动态调整喷泉码编码参量,并启动重传机制。
基于背景知识中的介绍,本发明中的步骤B中选择了性能更加好的RaptorQ码进行喷泉码编码,具体的编码步骤如下:
步骤B1):根据实时编码参量中的码长K以及小包长度L,构造满秩矩阵A;
步骤B2):通过对构造矩阵A进行逆变换,对原始信息分组进行预编码,获得中间编码分组C;
步骤B3):根据实时编码参量中的编码冗余,使用编码发生器对中间编码分组C进行编码,获得待发送的编码分组。
参阅图2,本发明提供的一种基于卫星通信的喷泉码编码方法中,在文件传输开始阶段,接收端会接收到文件信息帧,其中包括原始信息分组K、小包长度L以及编码数据包数量Nenc。
接收到文件信息帧后,接收端会在本地建立一个存储数据的队列,为了保持数据的实时性,队列的大小n=M,即队列为Queue(P1,P2,P3……PM)。
每次接收完一个文件块,记录数据包的数量Nrecv,并根据信息帧信息计算丢包率,即记录在队列中。根据先入先出的特性,更新队列中的数据,保持记录的是最新的卫星链路状况。
文件接收完毕后,如果未能全部恢复出原始信息分组,则根据队列Queue(P1,P2,P3……PM)中记录的数据,计算出实时的卫星链路状况其中,Pi表示第i个数据块的丢包率,N表示数据块个数,最大为M。最后将需要重传的数据块编号以及代表卫星链路质量状况的实时丢包率Pt一起反馈给发送端。
参阅图1,发送端接收到反馈信息后,获取到代表实时卫星链路质量状况的丢包率Pt以及需求重传的文件块编号。
根据公式计算分析得到实时的喷泉码编码冗余,其中,β为喷泉码编码冗余度,β’表示在允许的译码失败概率下的喷泉码编码冗余。计算分析得到实时的喷泉码编码冗余后,对喷泉码编码参量进行实时调整,并对需要重传的数据块进行编码重传。
传统的喷泉码编码方式,采用固定编码参量的方式进行编码。如果初始设定的冗余过低,面对卫星链路信号易衰减、误码率大的情况,将会出现严重的丢包情况,接收端接收到的数据包数量Nrecv将很难大于原始信息分组数K,导致译码失败,进而需要进行多次文件重传才能全部译出原始信息分组;如果初始设定的冗余过高,面对卫星链路时延长的情况,传输完一个文件的时间将大大增加,虽然接收端译码成功率很高,但是文件传输效率极低。
相比于传统的喷泉码编码方式,本发明提出的一种基于卫星通信的喷泉码编码方法,根据接收端反馈的卫星链路状况,实时获取卫星链路的丢包率Pt,并计算分析得到适合的喷泉码冗余β,实时动态调整喷泉码编码参量,并将新的编码参量应用于文件重传以及新文件的传输。采用本发明的喷泉码编码方法,一般只需要一次重传甚至不需要重传,即可在接收端完全恢复原始信息分组,一定程度上降低了编码冗余,提高了卫星通信中的文件传输效率。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,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 (4)
1.一种基于卫星通信的喷泉码编码方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤A):对发送的文件进行分割,形成原始信息分组;
步骤B):对原始信息分组进行喷泉码编码,形成编码分组;
步骤C):编码分组通过卫星链路发送给接收端,接收端接收到足够数据包后进行喷泉码译码;
步骤D):如果未能恢复出全部原始信息分组,则将需要重传的数据块编号以及卫星链路的质量状况,反馈给发送端;如果恢复出全部原始信息分组,则不启动反馈机制;
步骤E):发送端若接收到反馈信息,根据卫星链路的质量状况,实时动态调整喷泉码编码参量,并启动重传机制。
2.根据权利要求书1所述的一种基于卫星通信的喷泉码编码方法,其特征在于,步骤B中的编码过程包括以下步骤:
步骤B1):根据实时编码参量中的码长K以及小包长度L,构造满秩矩阵A;
步骤B2):通过对构造矩阵A进行逆变换,对原始信息分组进行预编码,获得中间编码分组C;
步骤B3):使用编码发生器对中间编码分组C进行编码,获得待发送的编码分组。
3.根据权利要求书1所述的一种基于卫星通信的喷泉码编码方法,其特征在于,所述步骤D还包括,在接收端创建一个最多存储M个数据的队列,用于存储每个数据块的丢包率;该队列被设置为,如果数据接收完后未能完全恢复原始信息分组,则计算卫星链路的平均丢包率其中,Pi表示第i个数据块的丢包率,N表示数据块个数,最大为M;将需要重传的数据块编号以及代表卫星链路质量状况的实时丢包率Pt一起反馈给发送端。
4.根据权利要求书1所述的一种基于卫星通信的喷泉码编码方法,其特征在于,所述步骤E中发送端接收到反馈信息后,获取到代表实时卫星链路质量状况的丢包率Pt,再根据公式计算分析得到实时的喷泉码编码冗余,其中,β为喷泉码编码冗余度,β’表示在允许的译码失败概率下的喷泉码编码冗余;计算分析得到实时的喷泉码编码冗余后,对喷泉码编码参量进行实时调整,并对需要重传的数据块进行编码重传。
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