一种喷泉码的译码方法及喷泉码的水声通信传输方法

摘要

本发明提供了一种喷泉码的译码方法；所述方法包括：接收端收到发送端发送的第n个生成矢量Gn和编码矢量Tn时，对秩为j的生成矩阵G(j)和生成矢量Gn构成的矩阵进行高斯消去法处理得到中间矩阵G′，如果G′的秩与G(j)的秩相比增加，令G(j+1)＝G′，并对编码矩阵T(j)和编码矢量Tn构成的矩阵进行高斯消去法处理得到编码矩阵T(j+1)，反复进行上述过程，直至生成矩阵的秩j等于发送数据块数K，则信息矩阵为T(K)，译码结束。采用本发明的喷泉码译码方法能够降低译码延迟，同时保持低的冗余帧比例；基于该喷泉码的译码方法，本发明还提供了一种喷泉码的水声通信传输方法；该传输方法能够有效地避免了反馈信息传播时间对信道利用率的影响，提高信道的利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及水声通信技术，特别涉及一种喷泉码的译码方法及喷泉码的水声通信传输方法。

背景技术

水声通信是水下进行无线信息传输的重要手段。然而，水声信道时间频率选择性衰落严重，传播延迟大，且带宽低，造成传输质量下降。水下大量数据的可靠传输在海洋环境实时观测、水下潜水器的数据回传等方面有着重要的应用需求。考虑到水声信道自身的时变性，通信机与其它声学设备共享水声信道，及通信机的存储处理能力有限等限制因素，一次传输过程一般在10秒钟以内，同时由于信道的通信速率受限，在一次传输过程中所传输的比特有限，因此需要将数据进行分帧传输，并采用合理的帧间纠错机制。

为了克服信道恶化造成的数据帧传输失效，传统方法为自动回传机制(ARQ)，如选择性重传机制(S-ARQ)。然而水声传播速度低，约1500m/s，采用ARQ方式将造成信道反馈等待过程占据大量的时间。喷泉码可以显著地降低反馈信道开销。喷泉码(无速率码)是一种应对删除信道的有效方法。理想的无速率特性主要体现在两个方面：一是对有限数量的信源块进行编码，可产生无限数量的编码块，因而不需要事先知道信道的删除错误概率，二是对解码所需要块的数目尽可能接近信源块的数目，即译码冗余接近0。喷泉码方法在无线通信中已有应用，降低了无线通信中信道反馈的开销，提高了大数据包在分帧传输时的信道利用率。

然而，喷泉码用于水声通信还存在一些问题。水声通信带宽窄，通信比特速率低，如中程水声通信距离为5km，其通信速率一般在5kbps以下，所以一个包的帧数较小，一般为1000以下。而无线通信通常采用的包的数据量较大，一包可拆成的帧数在10000量级，在无线通信中采用和积算法译码的Luby码、Raptor码具有较好的性能和快速处理性能，而对于帧数少的数据包，Luby码和Raptor码所需冗余帧比例一般超过50％，冗余过大。随机线性编码对于帧数少的数据包能够保持低的冗余帧比例，但传统的高斯消去法译码计算量大，译码延迟过大，导致译码等待时间过大。

此外，由于水声通信信道为半双工信道，如果不利用信道传播时间，在每帧发送完成后数据包发送端进行包成功标志的检测，检测等待的时间为双向传播时间，造成信道利用率低。

发明内容

本发明的目的在于克服目前喷泉码传输过程中存在的上述问题，首先先给出一种喷泉码的逐行累增高斯消去译码方法，该方法能够降低译码延迟，同时保持低的冗余帧比例；在此基础上本发明还给出一种降低反馈信道传输延迟的喷泉码传输方法；该方法能够利用信道传播时间设置合理的包成功标志发射时隙，有效地避免了反馈信息传播时间对信道利用率的影响。

为了实现上述目的，本发明提供了一种喷泉码的译码方法；所述方法包括：接收端收到发送端发送的第n个生成矢量G_n和编码矢量T_n时，对秩为j的生成矩阵G^(j)和生成矢量G_n构成的矩阵进行高斯消去法处理得到中间矩阵G′，如果G′的秩与G^(j)的秩相比增加，令G^(j+1)＝G′，并对编码矩阵T^(j)和编码矢量T_n构成的矩阵进行高斯消去法处理得到编码矩阵T^(j+1)，反复进行上述过程，直至生成矩阵的秩j等于发送数据块数K，则信息矩阵为T^(K)，译码结束。

上述技术方案中，所述方法具体包括：

步骤S1)对译码进行初始化：构造生成零矩阵G⁽⁰⁾和编码零矩阵T⁽⁰⁾，令j＝0，n＝1；

步骤S2)接收第n个生成矢量G_n和编码矢量T_n；

步骤S3)将进行高斯消去法处理，高斯消去的处理矩阵记为F^(j)，计算中间矩阵

步骤S4)判断G′的秩是否等于G^(j)的秩，如果判断结果是肯定的，令n＝n+1，转入步骤S2)；否则，转入步骤S5)；

步骤S5)令G^(j+1)＝G′，并将高斯消去的处理过程F^(j)应用于计算矩阵令j＝j+1，转入步骤6)；

步骤S6)判断j＝K是否成立，如果判断结果是肯定的，转入步骤S7)；否则，令n＝n+1，转入步骤S2)；所述参数K为发送端发送的数据包分块的个数；

步骤S7)译码成功，信息矩阵为T^(K)。

根据上述喷泉码的译码方法，本发明还提供了一种喷泉码的水声通信传输方法，该方法包括：

步骤T1)将待发送的数据包拆成若干个数据帧，通过喷泉码编码得到编码帧；

步骤T2)根据发送端到接收端的距离，计算发送端到接收端的信号传播时间τ；

步骤T3)设置发送端发送完一个编码帧后的等待接收包成功信号的时间间隔为T_flag，T_flag为包成功标志波形持续时间；

步骤T4)发送端发送编码帧，接收端在接收到若干个正确编码帧后，利用上述喷泉码的译码方法对接收到的编码帧进行译码；

步骤T5)当接收端在接收到第N个编码帧后，译码成功，则接收端根据传播延迟时间调整包成功信号的发送时间为t₁，使得该信号到达发送端时，发送端处于等待状态；

步骤T6)发送端在t₁+τ时刻检测到包成功信号，停止发送编码帧。

上述技术方案中，所述步骤T5)中发送时间t₁取值为：

其中，T_frame为每个编码帧的波形持续时间。

本发明的优点在于：

1、采用本发明的喷泉码译码方法能够降低译码延迟，同时保持低的冗余帧比例；

2、本发明的喷泉码水声通信传输方法能够有效地避免了反馈信息传播时间对信道利用率的影响，提高信道的利用率。

附图说明

图1为本发明的喷泉码传输中波形时序图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

将一个完整的数据包进行分块，每块含M个比特，共K个数据块，第k个数据块中第m个比特记为S_k,m(1≤k≤K,1≤m≤M)；第n个编码块中第m个元素记为T_n,m(1≤n≤N,1≤m≤M)，则

其中G_n,k为生成矩阵，其元素取值为0或者1，二进制随机取值；

编码过程写成矩阵的形式为：

T＝GS

其中T为编码矩阵，G为生成矩阵，S为输入信息矩阵。

生成矩阵的秩为K，通过高斯消去法将增广矩阵[G T]化简得到行最简形矩阵其中I为单位矩阵，0为零矩阵。行最简形矩阵包含了信息矩阵，因而完成了译码过程。

本发明的喷泉码的译码方法是对高斯消去法进行了改进，该方法在每收到一个编码块T_n时对生成矩阵G_n进行高斯消去法处理，并根据生成矩阵秩的增加进行编码矩阵处理，当生成矩阵的秩为K时，译码结束。

一种喷泉码的译码方法；所述方法包括：

步骤S1)对译码进行初始化：构造生成零矩阵G⁽⁰⁾和编码零矩阵T⁽⁰⁾，令j＝0，n＝1；

步骤S2)接收第n个生成矢量G_n和编码矢量T_n；

步骤S3)将进行高斯消去法处理，高斯消去的处理矩阵记为F^(j)，计算中间矩阵

步骤S4)判断G′的秩是否等于G^(j)的秩，如果判断结果是肯定的，令n＝n+1，转入步骤S2)；否则，转入步骤S5)；

步骤S5)令G^(j+1)＝G′，并将高斯消去的处理过程F^(j)应用于计算矩阵令j＝j+1，转入步骤6)；

步骤S6)判断j＝K是否成立，如果判断结果是肯定的，转入步骤S7)；否则，令n＝n+1，转入步骤S2)；所述参数K为发送端发送的数据包分块的个数；

步骤S7)译码成功，信息矩阵为T^(K)。

基于上述喷泉码的译码方法，本发明还提供了一种喷泉码的水声通信传输方法，该方法能够降低反馈信道传输延迟；具体包括：

步骤T1)将待发送的数据包拆成若干个数据帧，通过喷泉码编码得到编码帧；

将一个完整的数据包进行分块，每块含M个比特，共K个数据块，第k个数据块中第m个比特记为S_k,m(1≤k≤K,1≤m≤M)；第n个编码块中第m个元素记为T_n,m(n≥1,1≤m≤M)，则

其中G_n,k为编码矩阵，其元素取值为0或者1，二进制随机取值；

编码过程写成矩阵的形式为：

T＝GS

其中T为编码矩阵，G生成矩阵，S信息矩阵；随机线性喷泉码是一种基本的喷泉码，最佳译码时所需冗余很小，且冗余块数和数据块数无关，在块数小的情况下有很好的优势。

步骤T2)根据发送端到接收端的距离，计算发送端到接收端的信号传播时间τ；

步骤T3)设置发送端发送完一个编码帧后的等待接收包成功信号的时间间隔为T_flag，T_flag为包成功标志波形持续时间；

步骤T4)发送端发送编码帧，接收端在接收到若干个正确编码帧后，利用上述喷泉码的译码方法对接收到的编码帧进行译码；

步骤T5)当接收端在接收到第N个编码帧后，译码成功，则接收端根据传播延迟时间调整包成功信号的发送时间为t₁，使得该信号到达发送端时，发送端处于等待状态；

如图1所示，t₁取值为：

其中，T_frame为每个编码帧的波形持续时间；

当接收端在t₁时刻发送包成功标志，到达发送端的时刻为：t₁+τ；由于：

NT_frame+(N-1)T_flag+τ≤t₁＝iT_frame+(i-1)T_flag-τ

因此，这个时刻处于发送端发送完第i帧的时刻：iT_frame+(i-1)T_flag；

步骤T6)发送端在t₁+τ时刻检测到包成功信号，停止发送编码帧。

由于水声通信信道为半双工信道，现有方法检测等待的时间为双向传播时间，其信道利用率为：

本发明提出的传输方案的信道利用率为

由于水声通信中信源块数目K一般为100～1000，且发送端在接收到包成功标志时已发送的编码帧数远大于信源块数目，即N＞＞α，所以上式可简化为

因而，在帧数足够大的情况下，信道利用率与路径传播时间无关。在水声通信中，假设N＝108，T_frame＝2s，τ＝3s，接收端发射的应答信号采用线性调频信号形式T_flag＝30ms，可得：η₁＝0.25及η₂＝0.96。可以看出本发明的方法显著提高了信道利用率。