適用於無線廣播系統的噴泉碼解碼方法
2023-09-16 16:53:15
專利名稱：適用於無線廣播系統的噴泉碼解碼方法
技術領域：
本發明涉及噴泉碼，具體地，涉及適用於無線廣播系統的噴泉碼解碼方法。
背景技術：
噴泉碼是一類無碼率碼(Rateless Codes),它可以從給定的源符號(Source Symbols)集中產生無限多個編碼符號(Ecoding Symbol),並且源符號可以從任意編碼符號子集中恢復出來，只要這個子集具有和源符號集有相同的大小。假如，在編碼端有U = [U1, U2,, uK]需要傳輸，通過噴泉碼編碼產生C= [C1, C2, , cN]並發送到信道中，使得只要接收端從信道中獲取C = [C1, C2,, cN]的任意大小為K的子集就能能夠成功解碼。
2005年，Luby等人提出LT(Luby Transform)碼，其性能上逼近噴泉碼。採用這種編碼方式，接收端只需要從信道種抓獲取N』個編碼符號，其中N'稍微大於K，就可以使得接收端以極大的概率Psu_ss成功解碼。
運用LT碼的無線廣播系統中具有明顯的優越性。在廣播過程中，基站源源不斷地編碼產生編碼符號，並將通過無線信道廣播。當C = [C1, C2, , CN]足夠大，保證每個接收端都能接收到稍微大於K個編碼符號，那麼就可以保證每個接收端以極大的概率PslKxess成功解碼U=Iiu1, u2, . . .，uK]。這種廣播機制避免了自動重傳請求(Automatic Repeat-reQuest, ARQ)的使用，因而不需要反饋信道,提高了頻譜利用率。並且，LT碼可以通過調整編碼符號集的大小N來適應用戶信道質量的不同。
現有技術中公開的相關技術方案有
現有技術1:2005年Hrvoje Jenkac等提出一種適用於無線廣播傳輸系統的LT碼解碼方法，提供無錯誤的數據 廣播服務。其原理模型如圖1所示。
在該廣播系統中，有Iv發送端和多個接收端。在發送端中，彳目息[U1, U2, ...，uK,] 首先通過循環冗餘校驗(Cyclic Redundancy Checks, CRC)模塊加上冗餘比特變成U_ C= [U1, u2, , uK]。隨後，對U_c進行LT碼編碼輸出為C，C為具有任意長度的比特流。將 C切割成多個固定長度的S。S進入卷積碼信道編碼模塊，再次加入冗餘信息輸出X。X經過調製後通過無線信道廣播到多個接收端。
當接收端正確接收足夠多的分組後，接收端的噴泉碼解碼模塊用信息迭代 (MessagePassing)算法進行解碼。當解碼出來的信息通過循環冗餘校驗時，則解碼成功並結束解碼過程。
其中需要注意的是，在接收端經過卷積碼信道解碼模塊後仍然有殘餘錯誤的分組 X』，這些分組被丟棄並認為在信道中「擦除」。
該現有技術I提供的解碼算法具有比較明顯的缺點在接收端經過卷積碼信道解碼模塊後仍然有殘餘錯誤的分組X』會被丟棄。當無線信道的狀況較差時，將會有大量的分組受到嚴重的噪聲幹擾，從而未能通過信道解碼模塊而被丟棄，從而造成了資源的浪費。
現有技術2 :為了提聞LT碼的傳輸效率，Hrvoje Jenkac等提出基於和積 (Sum-Product, SP)軟解的LT解碼算法,其原理模型如圖2所示。
在該技術方案下，發射端的編碼和調製過程和現有技術I中一致。在接收端，經過解調製模塊後得到每個調製符號的LLR值(log likelihood ratio, LLR)，並將其輸入到卷積碼解碼模塊中進行解碼，輸出LLR』。這些值通過組合模塊進行收集。當接收端接收到足夠多的LLR』之後，則進行LT碼的和積軟解碼。當LT碼和積軟解碼模塊輸出的比特流通過 CRC校驗，則認為解碼成功，並停止解碼；否則繼續從無線信道中接收更多的調製符號，再進行解碼嘗試，直到解碼成功為止。
該現有技術2中LT和積軟解碼算法本質上是一種最大似然概率迭代算法，雖然相對於技術一提高了傳輸效率，具有非常高的複雜度。
綜上所述，現有的LT碼解碼算法主要有兩種，現有技術I中的基於擦除信道模型的信息迭代算法，有較低的複雜度，但是傳輸效率較低；現有技術2中的和積軟解碼算法， 有較高的傳輸效率，但是複雜度高。發明內容
針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種新型適用於無線廣播系統的噴泉碼解碼方法，在保證提高頻譜利用率的同時，有效低降低接收端的解碼複雜度。
根據本發明的一個方面，提供一種適用於無線廣播系統的噴泉碼解碼方法，包括如下步驟
步驟1:在接收端，用於對信號解碼，並將解碼後的 信號分類為有殘餘錯誤的分組和無殘餘錯誤的分組；
步驟2 :對於所述無殘餘錯誤的分組，將所述無殘餘錯誤的分組的對應比特為O的軟信息(LLR)值置為一個很大的正數(比如正無窮)，將所述無殘餘錯誤的分組的對應比特為I的軟信息值置為一個很小的負數(比如負無窮)，並將所述無殘餘錯誤的分組的編碼符號的軟信息值收集起來作為具有確定信息的編碼符號，從而使這些具有確定信息的編碼符號在隨後的解碼過程起到糾正錯誤信息的作用；對於所述有殘餘錯誤的分組，也將所述無殘餘錯誤的分組的編碼符號的軟信息值收集起來參與到噴泉碼的解碼過程；因為沒有丟棄有殘餘錯誤的分組，本發明的解碼算法具有較高的頻譜效率。
步驟3 :利用噴泉碼的解碼器通過所述具有確定信息的編碼符號的硬迭代嘗試解碼全部的源符號集(這種迭代具有較小的複雜度，我們稱之為硬解碼階段)，在迭代的同時在比特域和軟信息域更新噴泉編碼的二部圖；如果在硬解碼階段全部的源符號都成功解碼，那麼停止整個解碼過程；否則，基於更新噴泉編碼二部圖進行和積軟解碼，以解碼整個源符號集。因此，本發明有較低的解碼複雜度。
優選地，在所述步驟2中，將所述無殘餘錯誤的分組的對應比特為O的軟信息值置為一個很大的正數(比如正無窮)，將所述無殘餘錯誤的分組的對應比特為I的軟信息值置為一個很小的負數(比如負無窮)。
優選地,所述噴泉編碼為LT碼、或者Raptor碼。
優選地，所述步驟3中，從軟信息確定並且度為I的編碼符號開始，進行硬解碼階段的解碼。
根據本發明的另一個方面，還提供一種適用於無線廣播系統的噴泉碼解碼系統， 包括如下裝置
信道解碼模塊，用於將從無線信道中接收到信號進行將經過解調和解碼器處理後的信號的分組分類為有殘餘錯誤的分組和無殘餘錯誤的分組，其中對於所述無殘餘錯誤的分組，將所述無殘餘錯誤的分組的對應比特為O的軟信息值置為一個很大的正數(比如正無窮)，對應比特為I的軟信息值置為一個很小的負數(比如負無窮)，並將所述無殘餘錯誤的分組的編碼符號的軟信息值收集起來作為具有確定信息的編碼符號，從而使這些具有確定信息的編碼符號在隨後的解碼過程起到糾正錯誤信息的作用；對於所述有殘餘錯誤的分組，也將所述無殘餘錯誤的分組的編碼符號的軟信息值收集起來參與到噴泉碼的解碼過
組合模塊，用於將所述有殘餘錯誤的分組的軟信息值和無殘餘錯誤的分組的軟信息值進行收集；
噴泉碼解碼模塊，用於在接收到足夠多的軟信息值之後進行噴泉碼解碼；若噴泉碼解碼模塊輸出的比特流通過CRC校驗，則認為解碼成功，並停止解碼；否則繼續從無線信道中接收更多的調製符號，再進行解碼嘗試，直到解碼成功為止，其中通過所述具有確定信息的編碼符號的硬迭代嘗試解碼全部的源符號集，在迭代的同時在比特域和軟信息域更新噴泉編碼的二部圖。
優選地，所述信道解碼模塊，將所述無殘餘錯誤的分組的對應比特為O的軟信息值置為一個很大的正數(比如正無窮)，將所述無殘餘錯誤的分組的對應比特為I的軟信息值置為一個很小的負數(比如負無窮)。
優選地,所述噴泉編碼為LT碼、或者Raptor碼。
優選地，所述噴泉碼解碼模塊，從軟信息確定並且度為I的編碼符號開始，進行硬解碼階段的解碼。
與現有技術相比，本發明因為沒有丟棄有殘餘錯誤的分組，因此本發明的解碼算法具有較高的頻譜效率，並且本發明的迭代具有較小的複雜度，因此，本發明還具有有較低的解碼複雜度的特點。
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、 目的和優點將會變得更明顯
模型；
型；
圖1為基於現有技術I的LT信息迭代(Message Passing)解碼算法的無線廣播圖2為基於現有技術2的LT和積(Sum-Product，SP)軟解碼算法的無線廣播模圖3為基於本發明的無線廣播系統；圖4為本發明新型LT解碼算法二部圖；圖5為應用本發明的LT解碼算法解碼更新後的二部圖；圖6為根據本發明提供的第一實施例；圖7為依照所述第一實施例基於AWGN信道的性能對比圖；圖8為依照所述第一實施例基於AWGN信道實的LT解碼複雜度對比圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。
如下為本發明中部分技術屬於的中英文對照
AffGN Additive White Gaussian Noise 加性白高斯噪聲
ARQ Automatic Repeat-reQuest 自動重傳請求
CRC Cyclic Redundancy Checks 循環冗餘校驗
LDPC Low Density Parity Check Codes 低密度奇偶校驗碼
LT Code s Luby Trans form Code s LT 碼
LLR Log Likelihood Ratio 對數域的似然比
QPSK Quadrature Phase Shift Keying 四相移鍵控
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例對本發明方法的具體步驟和特徵作進一步的詳細描述。
圖3示出基於本發明的無線廣播系統，在這個廣播系統中，有一個發送端和多個接收端。在發送端中，信息[U1, U2,, Uk.]首先通過循環冗餘校驗(Cyclic RedundancyChecks, CRC)模塊加上冗餘比特變成ILc=Iiu1, U2, , uK]。隨後,對U_c進行噴泉碼編碼輸出為C，C為具有任意長度的比特流。將C切割成多個固定長度的分組S。S進入信道編碼模塊，再次加入冗餘信息輸出分組X。X經過調製後通過無線信道廣播方式 傳輸到多個接收端。
經過解調製得到每個調製符號的LLR值，並將其輸入到信道解碼模塊中進行信道解碼。經過信道解碼後，接收端進行以下操作
如果一個分組通過信道解碼後無殘餘錯誤，那麼我們將這個分組的對應比特為O 的LLR值置為一個很大的正數(比如正無窮)，對應比特為I的LLR值置為一個很小的負數 (比如負無窮)，這些分組被視為無殘餘錯誤並具有確定的LLR值；
如果經過信道解碼模塊後分組仍然具有殘餘錯誤，那麼這個分組的LLR值被認為是不確定的。但是，無論分組在經過信道解碼模塊後是否具有殘餘錯誤，它們的LLR值都通過組合模塊進行收集。當接收端接收到足夠多的LLR值之後，則進行噴泉碼解碼。當噴泉碼解碼模塊輸出的比特流通過CRC校驗，則認為解碼成功，並停止解碼；否則繼續從無線信道中接收更多的調製符號，再進行解碼嘗試，直到解碼成功為止。
其中，本發明的噴泉碼解碼過程為
以下以一個代表性的例子介紹本發明的噴泉碼解碼算法。如圖4所示，接收機從無線信道中一共接收到N個分組，其中的i個分組通過信道解碼模塊後無殘餘錯誤，它們的LLR值被確定為正負無窮；其餘的N-1個分組通過信道解碼模塊後仍然具有殘餘錯誤，其 LLR值為不確定的。(注為了闡述方便和原理圖的簡明，圖中只畫出編碼符號一部分的邊， 剩餘的用虛線表示)
在LLR確定的分組中，我們發現節點Cu的度為1，那麼U1的值即為Clil的值，這樣我們首先可以將U1的值解出來，並將連到U1的邊刪除，同時在比特域更新二部圖。
U1 = c1；1,
Cl，M』 = c1；1+c1；M,
Ciu 』 = cia+cNa.
同時，可以在等價的LLR域來更新二部圖。「 , LUUc, ') , UMci,] , LLRic,)
tanh(-:-) = tanh-x tanh-2 2 2IJMc.,.,')1.1.RU:., ；) LIMcs i ')
tanh(——-^) = tanh ——^ x tanh ——2 2 2
經過更新後的二部圖如圖5所示。
在圖5中，我們發現Cl，M』具有確定的LLR值，並且度為I。所以，我們對C1,M』重複和Clil 一樣的解碼過程，我們稱以上過程為新型解碼算法中的硬解碼階段。可以發現二部圖在硬解碼過程中不斷地簡化。我們不斷重複以上硬解碼階段的解碼過程，直到在接收到的分組中不存在具有確定的LLR值，並且度為I的節點。
在經過硬解碼階段之後，假如硬解碼過程成功地解出了 [Ul，U2, , uK]，那麼我們即認為解碼過程成功；否則我們在簡化了的二部圖上使用更新後的LLR值進行和積軟 (Sum-Product, SP)解碼，以解出所有的源符號。
以上就是新型噴泉碼解碼過程，可以總結為以下幾點
(I)根據分組通過信道解碼模塊後是否仍然有殘餘錯誤，將分組分類為具有確定的LLR值或不確定的LLR值的分組，並且將確定的LLR值置為一個很大的正數/負數(比如正/負無窮)；
(2)從LLR確定並且度為I的編碼符號開始，進行硬解碼階段的解碼，同時在比特域和LLR域更新二部(3)假如在硬解碼階段已經成功解出[Ul，U2, , uK]，那麼結束解碼過程；否則到步驟4 ;
(4)基於更新的二部圖和LLR值進行軟解碼。
圖6為根據本發明提供的第一實施例的編碼調製方法示意圖。本領域技術人員可以將圖6示出的第一實施例理解為圖3所示系統的一個具體實施方式
。具體地
1.在本實施例中，噴泉碼編碼模塊使用LT碼編碼，信道編碼模塊使用LDPC編碼， 並且使用QPSK調製。
2.在發送端,信息[u1； U2, ···，％』]首先通過循環冗餘校驗(Cyclic Redundancy Checks, CRC)模塊加上冗餘比特變成U_c=[Ul，u2, , uK]。U_c就是LT編碼的源符號集 [ui，u2，...，uK]。隨後，對U_c進行LT編碼模塊產生編碼符號集C，C為具有任意長度的比特流。將C切割成多個固定長度的分組S。每個S進入碼率為R的LDPC編碼模塊，輸出編碼後信息X。這些X通過QPSK調製後通過無線信道進行廣播。
3.在接收端，QPSK解調器得到每個調製符號的LLR值，並將其輸入到LDPC信道解碼模塊中進行解碼。
如果一個分組通過LDPC解碼後滿足LDPC的校驗方程，即HX = 0，我們將該分組稱之為無殘餘錯誤。那麼我們將這個無殘餘錯誤分組的對應比特為O的LLR值置為一個很大的正數(比如正無窮)，對應比特為I的LLR值置為一個很小的負數(比如負無窮)，即該分組被視為具有確定的LLR值；
如果經過LDPC信道解碼模塊後分組仍然具有殘餘錯誤，即HX Φ 0，那麼這個分組的LLR值被認為是不確定的。
4.無論分組在經過LDPC信道解碼模塊後是否具有殘餘錯誤，它們的LLR值都通過組合模塊進行收集。當接收端接收到足夠多的LLR值之後，則進行新型LT碼解碼。
5.當LT碼解碼模塊輸出的比特流通過CRC校驗，則認為解碼成功，並停止解碼； 否則繼續從無線信道中接收更多的調製符號分組，再進行解碼嘗試，直到解碼成功為止。
由上述第一實施例可以看出，本發明所提供的適用於無線廣播系統的噴泉碼解碼方法既大幅度降低了解碼複雜度，又保持了高的頻譜效率。
我們通過比較成功解碼[U1，U2，...，UK，]需要的額外分組個數N。—和LT碼解碼複雜度，來衡量現有廣播系統和解碼算法和本發明提出的廣播系統和解碼算法的性能。其中，定義額外分組個數(overhead packets)為N減去源符號集的分組數,也就是為了成功恢復出發送端所廣播的源信息[U1, U2, , ur]的所需要的最少的額外包數。因此我們可以看出，所需要的額外包數越少，意味著頻譜效率越高。
圖7是AWGN信道中各個解碼算法需要額外分組個數對比圖。從圖中我們可以清楚地看到，基於本發明的解碼算法的頻譜效率和現有技術2的算法持平，但遠遠高於現有技術I的頻譜效率。
圖8是AWGN信道中各個LT解碼算法的歸一化平均複雜度比較。從圖中，我們可以看出現有技術2的解碼複雜度最高，現有技術I的複雜度最低。基於本發明的解碼算法的複雜度隨著SNR的提高而迅速降低，在高SNR處(大於IdB)具有接近於現有技術一的算法複雜度。
綜合以上仿真，對比現有技術I和現有技術2，我們可以看出本發明所提出的噴泉碼解碼基於低複雜度高頻譜效率的·特點。
本發明也可以應用到其他的噴泉碼裡面，比如Raptor碼。本發明也可以應用到其他無線通信系統，比如LTE, ffimax> WiFi等。
以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。
權利要求
1.一種適用於無線廣播系統的噴泉碼解碼方法，其特徵在於，包括如下步驟 步驟1:在接收端，將經過解調和解碼器處理後的信號分類為有殘餘錯誤的分組和無殘餘錯誤的分組； 步驟2 :對於所述無殘餘錯誤的分組，將所述無殘餘錯誤的分組的對應比特為O的軟信息值置為一個很大的正數，將所述無殘餘錯誤的分組的對應比特為I的軟信息值置為一個很小的負數，並將所述無殘餘錯誤的分組的編碼符號的軟信息值收集起來作為具有確定信息的編碼符號，從而使這些具有確定信息的編碼符號在隨後的解碼過程起到糾正錯誤信息的作用；對於所述有殘餘錯誤的分組，也將所述無殘餘錯誤的分組的編碼符號的軟信息值收集起來參與到噴泉碼的解碼過程； 步驟3 :利用噴泉碼的解碼器通過所述具有確定信息的編碼符號的硬迭代嘗試解碼全部的源符號集，在迭代的同時在比特域和軟信息域更新噴泉編碼的二部圖；如果在硬解碼階段全部的源符號都成功解碼，那麼停止整個解碼過程；否則，基於更新噴泉編碼二部圖進行和積軟解碼，以解碼整個源符號集。
2.根據權利要求1所述的適用於無線廣播系統的噴泉碼解碼方法，其特徵在於，在所述步驟2中，將所述無殘餘錯誤的分組的對應比特為O的軟信息值置為正無窮，將所述無殘餘錯誤的分組的對應比特為I的軟信息值置為負無窮。
3.根據權利要求1所述的適用於無線廣播系統的噴泉碼解碼方法，其特徵在於，所述噴泉編碼為LT碼、或者Raptor碼。
4.根據權利要求1所述的適用於無線廣播系統的噴泉碼解碼方法，其特徵在於，所述步驟3中，從軟信息確定並且度為I的編碼符號開始，進行硬解碼階段的解碼。
5.一種適用於無線廣播系統的噴泉碼解碼系統，其特徵在於，包括如下裝置 信道解碼模塊，用於對信號解碼，並將解碼後的信號分類為有殘餘錯誤的分組和無殘餘錯誤的分組，其中對於所述無殘餘錯誤的分組，將所述無殘餘錯誤的分組的對應比特為0的軟信息值置為一個很大的正數，對應比特為I的軟信息值置為一個很小的負數，並將所述無殘餘錯誤的分組的編碼符號的軟信息值收集起來作為具有確定信息的編碼符號，從而使這些具有確定信息的編碼符號在隨後的解碼過程起到糾正錯誤信息的作用；對於所述有殘餘錯誤的分組，也將所述無殘餘錯誤的分組的編碼符號的軟信息值收集起來參與到噴泉碼的解碼過程； 組合模塊，用於將所述有殘餘錯誤的分組的軟信息值和無殘餘錯誤的分組的軟信息值進行收集； 噴泉碼解碼模塊，用於在接收到足夠多的軟信息值之後進行噴泉碼解碼；若噴泉碼解碼模塊輸出的比特流通過CRC校驗，則認為解碼成功，並停止解碼；否則繼續從無線信道中接收更多的調製符號，再進行解碼嘗試，直到解碼成功為止，其中通過所述具有確定信息的編碼符號的硬迭代嘗試解碼全部的源符號集，在迭代的同時在比特域和軟信息域更新噴泉編碼的二部圖。
6.根據權利要求5所述的適用於無線廣播系統的噴泉碼解碼系統，其特徵在於，所述信道解碼模塊，用於信號解碼，並將所述解碼後的無殘餘錯誤的分組的對應比特為0的軟信息值置為正無窮，將所述解碼後的無殘餘錯誤的分組的對應比特為I的軟信息值置為負無窮。
7.根據權利要求5所述的適用於無線廣播系統的噴泉碼解碼系統，其特徵在於，所述 噴泉編碼為LT碼、或者Raptor碼。
8.根據權利要求5所述的適用於無線廣播系統的噴泉碼解碼系統，其特徵在於，所述噴泉碼解碼模塊，從軟信息確定並且度為I的編碼符號開始，進行硬解碼階段的解碼。
全文摘要
本發明提供了一種適用於無線廣播系統的噴泉碼解碼方法，包括步驟步驟1在接收端，將經過信道解碼器後的信號分類為有殘餘錯誤的分組和無殘餘錯誤的分組；步驟2對於所述無殘餘錯誤的分組，將其對應比特為0的軟信息(LLR)值置為一個很大的正數(比如正無窮)，對應比特為1的LLR值置為一個很小的負數(比如負無窮)；對於所述有殘餘錯誤的分組也將其LLR值收集起來參與到噴泉碼的解碼過程；步驟3通過所述具有確定信息的編碼符號的硬迭代嘗試解碼全部的源符號集，在迭代的同時在比特域和LLR域更新噴泉編碼的二部圖。本發明因為沒有丟棄有殘餘錯誤的分組，因此具有較高的頻譜效率，並且本發明還具有有較低的解碼複雜度的特點。
文檔編號H04L1/00GK103001739SQ201210488580
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月27日 優先權日2012年11月27日
發明者王孔濤, 陳智勇, 劉輝 申請人:上海交通大學