[发明专利]一种适用于濒死信道的无速率编码传输方法

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种适用于濒死信道的无速率编码传输方法。

背景技术

一、濒死信道的特点及应用场景

无论是AWGN信道还是衰落信道，发送端通常对信道长度具有先验知识，且信道长度通常确定(有限长或无限长)。然而，在某些特定的通信场景中，通信过程常常被诸如随机发生的物理攻击而被迫中断，如系统突发性毁坏，电磁干扰，能源耗尽等。在这种情况下信道的长度不再是定值，而是无法预知，好像信道“死亡”了一样。一旦信道发生“死亡”，随后发送的数据包将全部丢失，且发送端也无法收到来自接收端关于丢包或实时的信道状态信息的反馈。除此之外，一旦信道的质量随时间变化时，通信的可靠性将更难保证。在这种情况下，信道的长度变得随机且不确定，将这样的信道模型定义为“濒死”信道。

濒死信道的典型应用场景有以下几种：

1、陆地移动战斗环境的无线传感器网络，传感器节点可能会由于诸如火灾、爆炸或能量耗尽的因素损毁，从而造成信道突发性中断；

2、在带有机会式频谱共享的认知无线电网络中，当信道被主传输占用时，次级链路就会突然中断，且这种中断通常不可预知；

3、在海洋通信系统中，由于海洋环境复杂多变，一旦海底电缆切断极有可能导致信道中断而无法恢复。

4、在火山、地震等自然灾害的环境下进行紧急救援的数据通信，链路随时会受到不确定因素的攻击，而造成信道彻底中断。

5、在生物细胞内存在的综合通信系统，一旦细胞内环境变化，该系统极有可能突然中断而无法恢复。

面临以上特殊环境下的数据通信，如何在链路短暂维持畅通的情况下，尽快将信息传输到需要接收的用户终端，是濒死信道下数据传输亟待解决的问题。

二、无速率编码方法

无速率编码最初是针对删除信道模型而提出的一种编码方法。由于其无速率特性，使得在这种方法下只要接收端收到的数据包个数比原始数据多一点，即可以很高的概率恢复出全部数据。无速率编码无需额外的反馈开销，且能够自适应信道删除概率的变化，在多媒体、流媒体等要求实时传输的业务，以及删除概率变化或未知的信道中得到了广泛应用。无速率编码的自适应特性，亦非常适合在状态时变且发生随机中断的濒死信道下进行数据传输与恢复。

典型的无速率码有LT码和Raptor码。LT码是第一种可实现的无速率编码方法，同时具有较小的译码开销和编译码复杂度，为无速率编码的发展奠定了基础。LT码不仅编译码方法简单直观，而且性能相当优良，其性能好坏的关键是设计一种相对合理的度分布。一方面应该使平均度数较小，这样才可以减小生成每个编码分组需要的运算量；另一方面又应该给予较大度数一定的选取概率，这样才可以通过编码分组覆盖所有的原始分组。

Raptor码是LT码的基础上发展出来的改进版。Raptor码提出采用两步编码的方式进行编码。首先对原始信息用一个分组码进行预编码，然后采用弱化的LT码对数据进行编码并发送。Raptor码译码时，先用置信传播算法对数据进行正常译码。由于弱化的LT码能够以很高的概率恢复出大多数数据包，因此剩下未被译码的数据包所占的比例被控制在一个很小的范围内，这些未被译码的数据利用预编码的纠错能力进行恢复。通过联合优化弱化LT码和预编码的码率和参数，Raptor可以获得更低的编译码复杂度，而在相同译码开销下能实现更高的译码成功率。

Raptor码作为一种应用层前向纠错技术，被写进第三代移动通信技术合作项目(3rd Generation Partnership Project，3GPP)关于多媒体广播/多播服务(Multimedia Broadcast/Multicast Service，MBMS)的3G标准中。同时，Raptor码也被便携式数字电视广播服务(Digital Video Broadcasting-Handheld，DVB-H)列为标准所采纳。

在传统的无速率码中，只要接收端收到的编码包个数比原始数据包多一点，即可以很高的概率恢复出全部数据，译码的可靠性较高。然而在濒死信道中，由于通信过程很可能受到随机的攻击(如突然断电、电磁干扰、火灾或爆炸等)而被迫中断，使得接收端无法获取足够量的编码包，甚至接收到的编码包可能小于原始数据包的数量。此时，由于传统无速率编码译码过程中的“瀑布效应”，导致在冗余比例较低的情况下译码器无法启动译码，能够正确恢复的原数据包比例极低，通信系统的效率严重下降。在这种情况下，无速率编码的度分布需要重新根据信道特性进行详细设计。