本發(fā)明涉及數(shù)字信息傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于聯(lián)合矩陣短環(huán)消除的raptor碼編碼方法。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類進(jìn)入移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，個(gè)人通信的需求越來(lái)越高，不僅要求在“任何時(shí)間、任何地點(diǎn)與任何人”進(jìn)行通話，而且要求通信技術(shù)“寬帶化、實(shí)時(shí)化及多媒體化”；“編解碼”技術(shù)作為通信技術(shù)中的重要組成部分，同樣面臨著更高的要求；為了能夠在廣播和多播中保證大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕琹uby等人于1998年提出了數(shù)字噴泉碼的概念，這是一種基于刪除信道的無(wú)碼率的糾錯(cuò)碼。其主要思想為：在發(fā)送端將原始數(shù)據(jù)分為任意數(shù)量k的編碼分組，而接收方只要收到其中任意n個(gè)編碼分組就可以高概率恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，而無(wú)需知道所接收到的分組具體是哪些。一般情況下，n略大于k，同時(shí)我們定義譯碼開(kāi)銷ε＝ν/k-1。

luby在2002年首次提出了實(shí)用的可變碼率數(shù)字噴泉碼——lt(lubytransform)碼。lt碼編譯碼復(fù)雜度不高且編碼采用隨機(jī)編碼方式，從而能夠滿足不同用戶的需求和變化的信道條件。但lt碼存在譯碼成功恢復(fù)原始數(shù)據(jù)所需的運(yùn)算量與原始數(shù)據(jù)長(zhǎng)度k無(wú)法滿足線性關(guān)系等局限性。為了改善lt碼的局限性，shakrollahi提出了一種性能更佳的數(shù)字噴泉碼——raptor碼。raptor碼將一種性能良好的傳統(tǒng)信道編碼如ldpc碼與lt碼級(jí)聯(lián)，從而提高了其譯碼效率。raptor碼編碼時(shí)首先進(jìn)行預(yù)編碼，再對(duì)于預(yù)編碼生成的中間碼進(jìn)行l(wèi)t編碼，如圖2所示。而raptor碼譯碼時(shí)預(yù)編碼的糾錯(cuò)能力可以輔助lt碼譯碼，從而提高了譯碼性能，同時(shí)，引入預(yù)編碼也使得raptor碼的編譯碼運(yùn)算量與原始編碼長(zhǎng)度保持線性關(guān)系。

raptor碼中l(wèi)t編碼生成矩陣的短環(huán)消除一直是研究者們重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，現(xiàn)有的有關(guān)raptor碼編碼的短環(huán)消除算法都是針對(duì)lt編碼生成矩陣中的短環(huán)而提出，或者是針對(duì)預(yù)編碼矩陣中的短環(huán)。而raptor碼作為一種預(yù)編碼與lt碼結(jié)合的級(jí)聯(lián)碼，短環(huán)存在的矩陣不止于預(yù)編碼或者lt碼獨(dú)立的矩陣，而可能同時(shí)會(huì)存在于其他矩陣中。因此，我們需要繼續(xù)挖掘raptor碼的性能空間，提出一種性能更佳的raptor碼短環(huán)消除的編碼方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明提供一種基于聯(lián)合矩陣短環(huán)消除的raptor碼編碼方法。

本發(fā)明針對(duì)raptor碼編碼中預(yù)編碼的校驗(yàn)矩陣和lt碼的生成矩陣結(jié)合而成的聯(lián)合矩陣如圖3所示，對(duì)聯(lián)合矩陣中的短環(huán)進(jìn)行消除。

如圖3所示，本發(fā)明的關(guān)注點(diǎn)為聯(lián)合矩陣中“1”的分布情況，進(jìn)行raptor碼中的lt編碼聯(lián)合矩陣中的短環(huán)c進(jìn)行消除，而不考慮預(yù)編碼校驗(yàn)矩陣中的短環(huán)a和le碼生成矩陣g中的短環(huán)b,進(jìn)行raptor碼中的lt編碼時(shí)每一列的“1”的位置生成都要提取相關(guān)列并對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，若隨機(jī)選擇的“1”的位置使得聯(lián)合矩陣中產(chǎn)生了短環(huán)，則重新隨機(jī)選擇“1”的位置并繼續(xù)檢測(cè)，直到完成所有l(wèi)t編碼。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于聯(lián)合矩陣短環(huán)消除的raptor碼編碼方法，包括如下步驟：

s1raptor預(yù)編碼，具體為對(duì)k個(gè)輸入符號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼，生成k個(gè)中間符號(hào)；

s2構(gòu)建k行n列的全0矩陣g，根據(jù)度分布函數(shù)隨機(jī)生成一個(gè)度d，d≥1，如果d＝1，則在矩陣g中的相應(yīng)列隨機(jī)選取一個(gè)位置寫入“1”，重復(fù)s2，否則進(jìn)入s3；

s3在矩陣g的第一列中隨機(jī)選取一個(gè)位置寫入“1”，并記錄“1”的行位置為s1；

s4構(gòu)建預(yù)編碼的校驗(yàn)矩陣h，并查找第s1行中元素為“1”的所在列b1，b2，b3…并存進(jìn)數(shù)組r1中；

s5在預(yù)編碼的校驗(yàn)矩陣h查找第b1，b2，b3…列中元素為“1”的所在行a1，a2，a3…并存進(jìn)數(shù)組r2中；

s6在矩陣g的第一列中隨機(jī)選取第二個(gè)行位置s2，并將s2與r2中a1，a2，a3…進(jìn)行比較，如果s2與a1，a2，a3…其中一個(gè)相等，則重復(fù)s6；

如果s2與a1，a2，a3…任何一個(gè)都不相等，則在矩陣g的第一列中第s2行寫入“1”，進(jìn)入s7；

s7重復(fù)s4-s6，將剩下的d-2個(gè)“1”都寫入矩陣g的第一列上；

s8重復(fù)步驟s2-s6，將剩下的n-1列對(duì)應(yīng)的位置上寫入“1”。

所述校驗(yàn)矩陣h具有m行k列，其中m＝k-k，k表示信息比特的長(zhǎng)度，k表示碼字長(zhǎng)度即中間符號(hào)的個(gè)數(shù)。

所述數(shù)組r1為連續(xù)存儲(chǔ)數(shù)組，每次執(zhí)行s4則r1刷新一次；所述的數(shù)組r2為連續(xù)存儲(chǔ)數(shù)組，每完成一列的“1”寫入r2刷新一次。

raptor編碼方法首先對(duì)k個(gè)輸入符號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼，生成k個(gè)中間符號(hào)，再將生成的中間符號(hào)經(jīng)過(guò)lt編碼后生成長(zhǎng)度為n的raptor；

聯(lián)合矩陣具體為raptor碼編碼中預(yù)編碼的校驗(yàn)矩陣h和lt碼生成的矩陣g結(jié)合而成的聯(lián)合矩陣。

所述度分布函數(shù)為泊松度分布函數(shù)。

短環(huán)為長(zhǎng)度是4的短環(huán)。

本發(fā)明的工作原理：

raptor碼編碼矩陣中類似于4環(huán)等短環(huán)的存在導(dǎo)致譯碼時(shí)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳出的信息經(jīng)過(guò)短環(huán)后又回到原節(jié)點(diǎn)，破壞了節(jié)點(diǎn)之間信息傳遞的獨(dú)立性，最終導(dǎo)致編譯碼性能的下降。通過(guò)raptor碼編碼過(guò)程中對(duì)短環(huán)的消除可以大大提升編譯碼性能?，F(xiàn)有的有關(guān)raptor碼編碼的短環(huán)消除算法都是針對(duì)lt編碼生成矩陣g中的短環(huán)如圖3中的短環(huán)b而提出，或者是針對(duì)預(yù)編碼矩陣h中的短環(huán)(如圖3中的短環(huán)a。而raptor碼作為一種預(yù)編碼與lt碼結(jié)合的級(jí)聯(lián)碼，短環(huán)存在的矩陣不止于預(yù)編碼或者lt碼獨(dú)立的矩陣，同時(shí)存在于raptor碼編碼中預(yù)編碼的校驗(yàn)矩陣和lt碼的生成矩陣結(jié)合而成的聯(lián)合矩陣中如圖3中的短環(huán)c。本發(fā)明針對(duì)raptor碼編碼中聯(lián)合矩陣中的短環(huán)，對(duì)聯(lián)合矩陣中的短環(huán)進(jìn)行消除，進(jìn)行raptor碼中的lt編碼，從而進(jìn)一步提高了raptor碼的性能。

本發(fā)明的有益效果：

(1)該編碼算法相比于原算法(無(wú)短環(huán)消除)提升了0.5～1.5db的編碼增益，對(duì)規(guī)則碼、非規(guī)則碼，長(zhǎng)碼、短碼均有效果。

(2)該發(fā)明的核心是針對(duì)聯(lián)合矩陣的短環(huán)檢測(cè)方法，計(jì)算復(fù)雜度不高，硬件實(shí)現(xiàn)方便。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的工作流程圖；

圖2為本發(fā)明中raptor碼編碼過(guò)程示意圖；

圖3為本發(fā)明中raptor碼的聯(lián)合矩陣中短環(huán)分布示意圖；

圖4為本發(fā)明的仿真驗(yàn)證圖：以碼率50％的(1008,504)非規(guī)則ldpc碼作為raptor碼預(yù)編碼時(shí)誤塊率對(duì)比示意圖；

圖5為本發(fā)明的仿真驗(yàn)證圖：以碼率為90％的(1000,900)規(guī)則ldpc碼作為raptor碼預(yù)編碼時(shí)誤塊率對(duì)比示意圖；

圖6為本發(fā)明的仿真驗(yàn)證圖：以碼率為95％的(5000,4750)規(guī)則ldpc碼作為raptor碼預(yù)編碼時(shí)誤塊率對(duì)比示意圖；

圖7為本發(fā)明的仿真驗(yàn)證圖：以碼率為90％的(5000,4500)非規(guī)則ldpc碼作為raptor碼預(yù)編碼時(shí)誤塊率對(duì)比示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例

如圖1-圖3所示，一種基于聯(lián)合矩陣短環(huán)消除的raptor碼編碼方法，所述raptor碼編碼方法過(guò)程中預(yù)編碼選用(k，k)ldpc碼，其中k表示碼字長(zhǎng)度，k表示信息比特長(zhǎng)度，碼率r＝k/k。設(shè)定h是ldpc碼的校驗(yàn)矩陣，即由0和1構(gòu)成的m行n列的矩陣，其中m＝k-k，同時(shí)設(shè)定lt編碼后生成長(zhǎng)度為n的raptor碼編碼輸出符號(hào)。

本發(fā)明中的聯(lián)合矩陣是指raptor碼編碼中預(yù)編碼的校驗(yàn)矩陣h和lt碼生成的矩陣g結(jié)合而成的聯(lián)合矩陣。

lt碼的生成矩陣是一個(gè)稀疏矩陣，即矩陣中的“1”的數(shù)量遠(yuǎn)小于“0”的數(shù)目，矩陣中的每一列的“1”的數(shù)量表示生成一個(gè)碼字所需要的原始數(shù)據(jù)包的數(shù)目，其數(shù)目稱為度(degree)，度所服從的概率函數(shù)稱為度分布函數(shù)，常用的有理想孤波分布、魯棒孤波分布和泊松度分布等等，生成矩陣中“1”的位置表示選取哪些原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行異或操作。lt碼編碼過(guò)程就是根據(jù)度分布函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)度數(shù)d，然后完全隨機(jī)地從長(zhǎng)度為k的原始數(shù)據(jù)包中選出其中d個(gè)進(jìn)行異或運(yùn)算產(chǎn)生一個(gè)生成碼字，如此循環(huán)。故lt碼的生成矩陣的結(jié)構(gòu)直接影響lt碼的性能。若生成矩陣中有四個(gè)位置的“1”兩兩位于相同行不同列或相同列不同行，則這四個(gè)“1”構(gòu)成了一個(gè)長(zhǎng)度為4的短環(huán)如圖3中的短環(huán)b。類似于4環(huán)等短環(huán)的存在導(dǎo)致譯碼時(shí)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳出的信息經(jīng)過(guò)短環(huán)后又回到原節(jié)點(diǎn)，破壞了節(jié)點(diǎn)之間信息傳遞的獨(dú)立性，最終導(dǎo)致編譯碼性能的下降。

根據(jù)現(xiàn)有的raptor碼編碼方法，本實(shí)施例中我們選用泊松度分布函數(shù)，具體的短環(huán)消除方法，包括如下步驟：

s1raptor預(yù)編碼，具體為對(duì)k個(gè)輸入符號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼，生成k個(gè)中間符號(hào)；

s2構(gòu)建k行n列的全0矩陣g，根據(jù)度分布函數(shù)隨機(jī)生成一個(gè)度d，d≥1，如果d＝1，則在矩陣g中的相應(yīng)列隨機(jī)選取一個(gè)位置寫入“1”，重復(fù)s2，否則進(jìn)入s3；

s3在矩陣g的第一列中隨機(jī)選取一個(gè)位置寫入“1”，并記錄“1”的行位置為s1；

s4構(gòu)建預(yù)編碼的校驗(yàn)矩陣h，并查找第s1行中元素為“1”的所在列b1，b2，b3…并存進(jìn)數(shù)組r1中；

s5在預(yù)編碼的校驗(yàn)矩陣h查找第b1，b2，b3…列中元素為“1”的所在行a1，a2，a3…并存進(jìn)數(shù)組r2中；

s6在矩陣g的第一列中隨機(jī)選取第二個(gè)行位置s2，并將s2與r2中a1，a2，a3…進(jìn)行比較，如果s2與a1，a2，a3…其中一個(gè)存儲(chǔ)的行位置相等，則重復(fù)s6；

如果s2與a1，a2，a3…任何一個(gè)都不相等，則在矩陣g的第一列中第s2行寫入“1”，進(jìn)入s7；

s7重復(fù)s4-s6，將剩下的d-2個(gè)“1”都寫入矩陣g的第一列上；

s8重復(fù)步驟s2-s6，將剩下的n-1列對(duì)應(yīng)的位置上寫入“1”。

所述數(shù)組r1為連續(xù)存儲(chǔ)數(shù)組，每次執(zhí)行s4則r1刷新一次；所述的數(shù)組r2為連續(xù)存儲(chǔ)數(shù)組，每完成一列的“1”寫入r2刷新一次。

由于環(huán)存在的矩陣不止于預(yù)編碼或者lt碼獨(dú)立的矩陣，同時(shí)存在于raptor碼編碼中預(yù)編碼的校驗(yàn)矩陣h和lt碼的生成矩陣g結(jié)合而成的聯(lián)合矩陣中(如圖3)，所以我們可以通過(guò)對(duì)raptor碼編碼中聯(lián)合矩陣中的短環(huán)進(jìn)行消除，進(jìn)行raptor碼中的lt編碼，提高raptor碼的性能。

在高斯白噪聲(awgn)信道及bpsk調(diào)制的情況下，采用raptor碼的bp全局迭代譯碼算法。以碼率50％的(1008,504)非規(guī)則ldpc碼、碼率為90％的(1000,900)規(guī)則ldpc碼、碼率為95％的(5000,4750)規(guī)則ldpc碼、碼率為90％的(5000,4500)非規(guī)則ldpc碼作為raptor碼預(yù)編碼為例，對(duì)比原算法與本發(fā)明提出的新算法——基于聯(lián)合矩陣短環(huán)消除的raptor碼編碼算法的性能。

在本發(fā)明的仿真實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)短環(huán)消除的輸出符號(hào)所對(duì)應(yīng)的度已經(jīng)經(jīng)過(guò)一定選擇和優(yōu)化，這使得raptor碼的最終性能達(dá)到更佳。

(1)如圖4所示：對(duì)于以碼率50％的(1008,504)非規(guī)則ldpc碼作為raptor碼預(yù)編碼，編碼后raptor碼的碼率設(shè)置為1/3，在誤塊率為10^-1附近，雖然采用碼率較低的預(yù)編碼存在錯(cuò)誤平臺(tái)，但加入聯(lián)合矩陣短環(huán)消除算法相比原算法仍有0.5db增益，性能提升比較明顯。

(2)如圖5所示：對(duì)于以碼率為90％的(1000,900)規(guī)則ldpc碼作為raptor碼預(yù)編碼，編碼后raptor碼的碼率設(shè)置為2/3，采用碼率高的預(yù)編碼，隨著信噪比的增加，誤塊率迅速下降。在誤塊率為10^-3附近，加入聯(lián)合矩陣短環(huán)消除算法相比原算法有1.5db增益，性能得到大幅度提升。

(3)如圖6所示：對(duì)于以碼率為95％的(5000,4750)規(guī)則ldpc碼作為raptor碼預(yù)編碼，編碼后raptor碼的碼率設(shè)置為2/3，對(duì)于長(zhǎng)碼來(lái)說(shuō)，raptor碼的性能比較良好。在誤塊率為10^-3附近，加入聯(lián)合矩陣短環(huán)消除算法相比原算法有0.3db增益，性能一定程度的提升。

(4)如圖7所示：對(duì)于以碼率為90％的(5000,4500)非規(guī)則ldpc碼作為raptor碼預(yù)編碼，編碼后raptor碼的碼率設(shè)置為2/3，對(duì)于預(yù)編碼采用非規(guī)則的長(zhǎng)碼來(lái)說(shuō)，raptor碼的性能良好。在誤塊率為10^-3附近，加入聯(lián)合矩陣短環(huán)消除算法相比原算法有0.5db增益，性能提升比較明顯。

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)采用不同碼率的，規(guī)則或非規(guī)則的長(zhǎng)、短預(yù)編碼時(shí)，該編碼算法相比于原算法(無(wú)短環(huán)消除)提升了0.5～1.5db的編碼增益，當(dāng)采用高碼率碼作為預(yù)編碼時(shí)性能提升比較明顯。該發(fā)明的核心是針對(duì)聯(lián)合矩陣的短環(huán)檢測(cè)方法，計(jì)算復(fù)雜度不高，硬件實(shí)現(xiàn)方便。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。