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基于有限长LT码的不等错误保护方法

摘要

本发明提供一种基于有限长LT码的不等错误保护方法,首先将传输的数据序列中的K个输入符号分成T个保护组,保护组τ中有k

著录项

  • 公开/公告号CN102932107A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2013-02-13

    原文格式PDF

  • 申请/专利权人 林子怀;刘扬;

    申请/专利号CN201210448420.7

  • 发明设计人 岳婧;林子怀;刘扬;

    申请日2012-11-08

  • 分类号

  • 代理机构无锡华源专利事务所;

  • 代理人孙力坚

  • 地址 江苏省无锡市滨湖区太湖西大道2188号工业设计园8层高楼303室

  • 入库时间 2024-02-19 18:08:11

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2015-03-04

    授权

    授权

  • 2013-03-20

    实质审查的生效 IPC(主分类):H04L1/00 申请日:20121108

    实质审查的生效

  • 2013-02-13

    公开

    公开

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域,更具体的讲,涉及无线通信中数据的不等错误 保护。

背景技术

不等错误保护(Unequal Error Protection,UEP)码由B。Masnick和J.Wolf 于1967年首次提出。不等错误保护码非常适合用于部分数据比其他数据更加 重要,并且需要更高保护等级的应用环境,例如语音和图像传输。

不同的应用环境对不等错误保护的要求也不尽相同。一些应用要求重点保 护部分传输数据,如MPEG(Moving Picture Experts Group)流中的I帧和P 帧,而另外一些应用要求优先恢复部分传输数据,如视频点播系统,数据流需 要按顺序重构。不等错误保护无码率码(rateless codes)提供了一种可以同时 满足不等错误保护和不等恢复时间(Unequal Recovery Time,URT)需求的有 效方法。

无码率码是一类递增冗余码,它可以在给定的有限长信息序列基础上产生 任意长的校验比特。无码率码原本是为二进制删除信道(Binary Erasure  Channels,BECs)上的数据广播而设计的,被称作数字喷泉吗(Digital Fountain  Code)。典型的无码率码包括LT(Luby Transform)码、Raptor码和Online码。 无码率码不要求已知信道状态信息,并且能够连续产生编码数据直到接收端译 码成功。同时,无码率码与LDPC(Low Density Parity Check)码一样,具有 简单的编码和译码算法。

LT码是第一个可实现的无码率码,实现LT码的不等错误保护方法主要有 两种,即加权和扩展窗(Expanding Window,EW)方法。与扩展窗方法相比, 加权方法更加简单。加权方法的主要思想是根据不同的保护要求将传输数据分 成多个不同的保护组,然后通过为每个保护组分配合适的保护加权重量来获得 多个保护等级。例如,文献“N.Rahnavard,B.N.Vellambi and F.Fekri,“Rateless  codes with unequal error protection property,”IEEE Trans.Inform.Theory,vol.53, no.4,pp.1521-1532,Apr.2007.”提出了一种加权不等错误保护方法。然而,上 述文献所提及的加权不等错误保护方法仅能为这些保护组提供有限的保护等 级。文献“B.Schotsch and R.Lupoaie,“Finite length lt codes over fq for unequal  error protection with biased sampling of input nodes,”in Proc.of IEEE Int.Symp. Inf.Theory,Aachen,Germany,Jul.2012,pp.1772-1776.”中给出了一种基于偏采 样(Biased Sampling)的连续保护方案,但该方案的复杂度相对较高。在现有 的文献中,大多仅考虑二进制删除信道,然而在大量实际应用中,传输信道经 常被建模成瑞利衰落信道(Rayleigh Fading Channel)。

发明内容

本发明借助加权不等错误保护的思想,提出一种基于有限长LT码的不等 错误保护方法,以实现不同保护组的不等错误保护和对所有传输数据的连续错 误保护。

本发明的技术方案如下:

一种基于有限长LT码的不等错误保护方法,包括以下步骤:

步骤1:将传输的数据序列中的K个输入符号分成T个保护组;保护组τ中 有kττK个输入符号,其中ατ代表保护组τ的相关大小,1≤τ≤T;相关大小ατ满足条件0≤ατ≤1和

步骤2:根据每个保护组的重要等级,为每个保护组选择合适的目标加权 重量ωτ

步骤3:从保护组τ中选择dτ个输入符号连接到一个度为d的校验节点上;

其中,表示对x下取整,表示对x上取整;Pc和Pf满足限制条件 和Pf+Pc=1;概率Pf和Pc可以通过以下准则获 得:

如果ατωτd是整数, 则Pfd,Pc=0(或者Pf=0, Pcd);

如果ατωτd不是整数,则

步骤4:保护组τ的目标加权重量ωτ的门限值标记为Γ, Γ=[Γd1,…,Γdi,…,ΓdD],并且Γd1≥…≥Γdi≥…≥ΓdD;对于度分布μ(x)的第i项,目标 加权重量受限于不等式ατωτdi≤min{di,kτ};保护组τ的度分布μ(x)第i项的目标 加权重量门限是Γdiτ=min{K/di,1/ατ};是Γτ的第ρ项,并且Γτ=mini{1,...,D}{Γdiτ};

这些门限值将所有的目标加权重量分成了D-ρ+1个子区域,D代表度分布 中不同度值的个数;在这些子区域中,保护组τ的度分布通过以下过程获得:

情况1:ωτ[0,Γτ]

如果ατωτdi是整数,则概率为

如果ατωτdi不是整数,则概率为 概率为

情况2:其中j∈{ρ,ρ+1,…,D-1}

如果i∈{1,...,j},操作与情况1相同;

如果i∈{j+1,…,D},分为以下两种情况:

如果ατωτdi是整数,则概率为

如果ατωτdi不是整数,则概率为 概率为

情况3:ωτ=Γτ

如果ατωτdi是整数,则概率为

如果ατωτdi不是整数,则概率为 概率为

则,保护组τ的有效加权重量为:

ωτeff=μ_τατμ_=Σi=1Dμdi,1τdi,1τ+μdi,2τdi,2τατμ_

其中,是保护组τ度分布的平均度,是保护组τ度分布的有效平均度。

本发明的有益技术效果是:

本发明基于有限长LT码的不等错误保护方法,能够实现不同保护组的不 等错误保护和对所有传输数据的连续不等错误保护,避免传统加权不等错误保 护方法中存在的不连续保护问题。与基于偏采样的连续保护方法相比,本发明 所提出的不等错误保护方案更易于实现。本发明进一步推导了基于有限长LT 码的不等错误保护方法在瑞利衰落信道上采用最大似然译码的比特错误比的 上界和下界。仿真结果表明本发明推导出的上、下界渐近逼紧,同时本发明方 案具有很强的不等错误保护性能,能够以比传统方案更低的复杂度实现无限保 护等级。

本发明附加的方面和优点将在下面具体实施方式部分的描述中给出,部分 将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是LT码二部图。

图2是K=100,ατ=0.1时,本发明中保护组τ的目标加权重量ωτ的门限。

图3(a)是T=2,αH=0.1,αL=0.9,K=100时,本发明中保护组τ的有 效加权重量

图3(b)是T=2,αH=0.1,αL=0.9,K=300时,本发明中保护组τ的有 效加权重量

图3(c)是T=2,αH=0.1,αL=0.9,K=700时,本发明中保护组τ的有 效加权重量

图4(a)是T=2,K=100,αH=0.1时,保护组HEP采用本发明,在Eb/N0=9dB 时的BER上界和下界。

图4(b)是T=2,K=100,αL=0.9时,保护组LEP采用本发明,在Eb/N0=9dB 时的BER上界和下界。

图5是保护组HEP和LEP采用发明,在T=2,K=100,η=2.0,αH=0.1, αL=0.9,ωH=1.2,ωL=0.9778,Eb/N0=0-16dB时的BER上界和下界。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

一、LT码和不等错误保护LT码

首先,回顾传统的LT码构造过程。假设传输的数据序列包含K个输入符 号,G为LT码的生成矩阵。则用μ(x)=Σiμixi来描述G的度分布,其中μi代表K 个输入符号中有i个被选中的概率。编码过程分为两个阶段:

a、从分布μ(x)中随机的选择一个度d;

b、从K个输入符号中等概率的选择d个,对这d个输入符号进行异或 (XOR)操作,形成一个输出符号。

这个构造输出符号的过程反复进行,直到接收端收到足够的输出符号并成 功完成译码。输出符号的总数是N=ηK,其中η称为开销(Overhead)。输入输 出符号的关系可以用如图1所示的LT码二部图来描述。输入符号对应图1中 的变量节点,输出符号对应图1中的校验节点。简便起见,假设所提到的符号 均为二进制符号。显然,以上所描述的传统LT码构造方案是一个等错误保护 (Equal Error Protection,EEP)方案,即所有的输入符号具有相同的错误保护 等级。

文献“N.Rahnavard,B.N.Vellambi and F.Fekri,“Rateless codes with  unequal error protection property,”IEEE Trans.Inform.Theory,vol.53,no.4,pp. 1521-1532,Apr.2007.”所提供的不等错误保护方案,其不等错误保护LT码的 构造过程可以通过三个步骤实现,即:

步骤1:根据输入符号的保护要求,将K个输入符号分成T个保护组。保 护组τ中有kττK个输入符号。其中ατ代表保护组τ的相关大小,1≤τ≤T。相 关大小参数ατ满足两个限制条件,即0≤ατ≤1和

步骤2:根据每个保护组的重要等级,为每个保护组选择合适的目标加权 重量ωτ(注:此步骤参见文献“N.Rahnavard,B.N.Vellambi and F.Fekri, “Rateless codes with unequal error protection property,”IEEE Trans.Inform. Theory,vol.53,no.4,pp.1521-1532,Apr.2007.”);

步骤3:从保护组τ中选择dτ个输入符号连接到一个度为d的校验节点上。 dτ=min{[ατωτd],kτ},其中[x]表示就近取整(Rounding)。有效加权重量为

ωτeff=μ_τατμ_=Σd=1Dμdmin{[ατωτd],kτ}ατμ_---(1)

其中,是给定度分布μ(x)的平均度,是保护组τ的有效平均 度,D=dmax。显而易见,有效加权重量是目标加权重量ωτ的函数。

从以上传统加权不等错误保护方法的实现过程可以看到,尽管目标加权重 量ωτ是从一个连续集合中选择的,但由于在形成dτ过程中对ατωτd就近取整数, 所有的有效加权重量仅能形成一个离散集合。不连续的有效加权重量意味 着这些保护组不能获得他们所要求的全部保护等级。

二、基于有限长LT码的不等错误保护方案

为了解决上述传统加权不等错误保护方法中有效加权重量的不连续问 题,本发明提出了基于有限长LT码的不等错误保护方案,描述如下:

将公式(1)中的对ατωτd就近取整操作替换成分别以概率Pf和Pc对ατωτd下 取整(Flooring)和上取整(Ceiling),即:

其中,表示对x下取整,表示对x上取整。Pc和Pf满足限制条件 和Pf+Pc=1。概率Pf和Pc可以通过以下准则获 得:

如果ατωτd是整数,则Pfd,Pc=0(或者Pf=0, Pcd);

如果ατωτd不是整数,则

保护组τ的目标加权重量ωτ越大,所获得的保护性能就越好,但是目标加 权重量不能无限的大。根据不等错误保护码的参数,例如输入符号的个数kτ、 相关大小ατ和度分布,可以获得目标加权重量的门限值,标记为Γ, Γ=[Γd1,…,Γdi,…,ΓdD],并且Γd1≥…≥Γdi≥…≥ΓdD。对于度分布μ(x)的第i项,目标 加权重量受限于不等式ατωτdi≤min{di,kτ}。因此,保护组τ的度分布μ(x)第i项 的目标加权重量门限是是Γτ的第ρ项,并且 Γτ=mini{1,...,D}{Γdiτ}.

这些门限值将所有的目标加权重量分成了D-ρ+1个子区域,D代表度分布 中不同度值的个数。在这些子区域中,保护组τ的新的度分布可以通过以下过 程获得:

情况1:ωτ[0,Γτ]

如果ατωτdi是整数,则概率为

如果ατωτdi不是整数,则概率为 概率为

情况2:其中j∈{ρ,ρ+1,…,D-1}

如果i∈{1,...,j},操作与情况1相同;

如果i∈{j+1,…,D},分为以下两种情况:

如果ατωτdi是整数,则概率为

如果ατωτdi不是整数,则概率为 概率为

情况3:ωτ=Γτ

如果ατωτdi是整数,则概率为

如果ατωτdi不是整数,则概率为 概率为

因此,保护组τ的有效加权重量为:

ωτeff=μ_τατμ_=Σi=1Dμdi,1τdi,1τ+μdi,2τdi,2τατμ_---(2)

考虑K=100,ατ=0.1和文献“N.Rahnavard,B.N.Vellambi and F.Fekri, “Rateless codes with unequal error protection property,”IEEE Trans.Inform. Theory,vol.53,no.4,pp.1521-1532,Apr.2007.”中给出的度分布,即

μ(x)=0.007969x+0.493570x2+0.166220x3+0.072646x4+0.082558x5

    +0.056058x8+0.037229x9+0.055590x19+0.025023x65+0.003135x66。

保护组τ的目标加权重量ωτ的门限如图2所示。由图2可见,目标加权重 量的门限值随着输入符号长度K的增加而变大。对于度分布的不同项,门限值 不尽相同。当其他参数保持不变时,在所有门限值中总是最小的一个,也 就是说需要最大的输入符号个数来达到最大门限值当 K=190和650时,和可以达到最大门限值然而,要求 输入符号个数为K=660。

图3(a)~(c)是T=2,αH=0.1,αL=0.9时,基于有限长LT码的不等错 误保护方案中保护组τ的有效加权重量

当K=100,300和700时的有效加权重量分别如图3(a)、图3(b)和 图3(c)所示。无论采用哪种操作,如就近取整、下取整或上取整,有效加权 重量的不连续问题总是存在。由图3(a)可见,当K=100,ωτ=1.6667和1.6669 时,采用就近取整操作,获得的有效加权重量分别为和1.535,1.19和 1.535之间的保护等级是通过传统加权方法无法达到的。而采用本发明所提出的 不等错误保护方案则可以避免上述不连续问题。同时,由图3(a)和图3(b) 可见,当输入符号长度从K=100增加到K=300,变得更加贴近ωτ。如果输 入符号长度足够大,有效加权重量将等于目标加权重量ωτ,如图3(c)中所 示的K=700。这是因为当输入符号长度增加,对于度分布的每一项所对应的目 标加权重量的限制就越宽松,因而有效加权重量渐近目标加权重量。

三、基于有限长LT码的不等错误保护方案的比特错误比上界和下界

在上述基础上,推导基于有限长LT码的不等错误保护方案在瑞利衰落信 道上采用极大似然(Maximum-Likelihood,ML)译码的比特错误比(Bit Error  Rate,BER)的上界(Upper Bound)和下界(Lower Bound)。

简单起见,选择T=2,在两个保护组中,一个保护组获得较高的错误保护 (High Error Protection,HEP),另一个保护组获得较低的错误保护(Low Error  Protection,LEP)。

以下给出标记和定义:s=[s1,s2,...,sK]表示输入符号,v=[v1,v2,...,vN]表示输 出符号。输出符号通过瑞利衰落信道传递到接收端。N=ηK代表接收端收到符 号个数。输出符号还可以表示为v=sG,其中G是K×N的二进制矩阵。如果输 入符号si用于产生输出符号vj,那么G(i,j)=1,否则G(i,j)=0。μH(x)和μL(x)分 别代表保护组HEP和LEP的度分布。

不失一般性,假设传输全零序列,即s=0。

1、BER上界

考虑一个参数为μ(x),μH(x),μL(x),K,N,αH,αL,kH,kL和η的不 等错误保护LT码。保护组HEP在瑞利衰落信道上采用ML译码的BER性能 的上界为ξU<min{1,ξULT},其中为:

ξULT=ΣK=1K12KΣK=max{0,K-kL}min{K,kH}KkHkHKkLK-K

+Σt=1N1π()tNβK,Kt(1-βK,Kt)N-t0π2(1/(1+ϵτtN0sin2(θ)))t}

其中,

·Pr(eLcL=0,w(e)=K,w(eH)=K|w(cH))

+Pr(eHcH=1,w(e)=K,w(eH)=K|w(cH))

·Pr(eLcL=1,w(e)=K,w(eH)=K|w(cH))

Pr(epcp=0,w(e)=K,w(eH)=K|w(cH))=Σϵ=even,ϵmin{Kp,w(cp)}Kpϵkp-Kpw(cp)-ϵkpw(cp),

Pr(epcp=1,w(e)=K,w(eH)=K|w(cH))=Σϵ=odd,ϵmin{Kp,w(cp)}Kpϵkp-Kpw(cp)-ϵkpw(cp),

其中,p代表保护组HEP或LEP的标号,w(·)表示汉明重量(Hamming  Weight)。e是错误信息序列,eH和eL是e的子序列,对应保护组HEP和LEP 的输入符号的位置,并且eL=e\eH。c代表G的一列,cH和cL是c的子序列,对 应保护组HEP和LEP的输入符号的位置,并且cL=c\cH。代表GF(2)上的向 量乘法。

2、BER下界

考虑一个参数为μ(x),μH(x),μL(x),K,N,αH,αL,kH,kL和η的不 等错误保护LT码。保护组HEP在瑞利衰落信道上采用ML译码的BER性能 的下界为ξL>max{0,ξLLT},其中为:

ξLLT=12ΣK=max{0,1-kL}min{1,kH}KkHkHKkL1-K

+Σt=1N1π()tNβ1,Kt(1-β1,Kt)N-t0π2(1/(1+ϵτtN0sin2(θ)))t}

四、仿真结果

以下给出本发明基于有限长LT码的不等错误保护方案的仿真结果。

考虑K=100,αH=0.1,αL=0.9,EEP情况下ωE=1.0,UEP情况下ωH=1.2, 1.5,ωL=(1-αHωH)/(1-αH)=0.9778,0.9444。注意ωH=1.2,ωL=0.9778和ωH=1.5, ωL=0.9444是通过传统加权方法无法获得的保护等级。评估保护组HEP和LEP 的比特错误概率的上界和下界,采用极大似然译码和度分布μH(x)、μL(x)。这 些度分布是通过对文献“A.Shokrollahi,“Raptor codes,”IEEE Trans.Inform. Theory,vol.52,no.6,pp.2551-2567,Jun.2006.”中给出的度分布应用本发明提 出的不等错误保护方案获得的。

当ωH=1.2,ωL=0.9778时,保护组HEP和LEP的度分布为:

μH(x)=0.5615x0+0.3510x+0.043x2+0.0156x3+0.0082508x7+0.0199x8

μL(x)=0.000095628x0+0.1255x+0.4349x2+0.1413x3+0.0873x4

       +0.033x5+0.0568x7+0.0363x8+0.0156x16+0.04x17

       +0.0017x56+0.008x57+0.0029x58+0.0002508x59

当ωH=1.5,ωL=0.9444时,保护组HEP和LEP的度分布为:

μH(x)=0.4934x0+0.3986x+0.0325x2+0.0473x3+0.0103135x9+0.0178x10

μL(x)=0.0012x0+0.1549x+0.4203x2+0.135x3+0.091x4+0.0206x5

    +0.0112x6+0.0578x7+0.0242x8+0.0473x16+0.0083x17

    +0.015x54+0.01x55+0.0028x56+0.0003135x57

图4(a)~(b)是T=2,K=100时,基于有限长LT码的不等错误保护方 案在瑞利衰落信道上采用极大似然译码的BER性能对比。其中,图4(a)所 示为保护组HEP,αH=0.1,采用基于有限长LT码的不等错误保护方案,在 Eb/NO=9dB时的BER上界和下界。图4(b)所示为保护组LEP,αL=0.9,采 用基于有限长LT码的不等错误保护方案,在Eb/N0=9dB时的BER上界和下界。 由图4(a)~(b)可见,本发明所推导的上界和下界随着overhead的增加而 渐近逼紧。保护组HEP的BER性能比EEP情况好,特别是在保护加权重量变 大时,如图4(a)中ωH=1.5时。由图4(b)可见,保护组LEP的BER性能 只比EEP情况差一点。由此可知本发明所提出的基于有限长LT码的不等错误 保护方案具有理想的不等错误保护性能。

图5是T=2,K=100,η=2.0,αH=0.1,αL=0.9时,基于有限长LT码的 不等错误保护方案在瑞利衰落信道上采用极大似然译码的BER性能对比。图5 中示出了保护组HEP和LEP采用基于有限长LT码的不等错误保护方案,在 K=100,η=2.0,ωH=1.2,ωL=0.9778,Eb/N0=0-16dB时的BER上界和下界。 由图5可见,本发明所推导的上界和下界随着Eb/N0的增加而渐近逼紧。在所 有信噪比区域保护组HEP的BER性能比保护组LEP的性能更好。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式,本发明不限于以上实施例。可以 理解,本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到 的其他改进和变化,均应认为包含在本发明的保护范围之内。

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