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改善LT码性能的预译码集优化方法研究

研究与开发

改善LT码性能的预译码集优化方法研究?

刘峰1,吕晓鹏1。夏宏飞2,许建国2

(1.南京邮电大学图像处理与图像通信江苏省重点实验室南京210003;

2.中兴通讯股份有限公司南京210012)

1引言喷泉码是第一种与码率无关的编码方式。LT码是在删除信道下性能优异的稀疏随机线性喷泉码。与传统编码相比,大大降低了编译码的复杂度。通过分析影响LT码性能的预译码集,提出了优化LT码预译码集的方法。主要在编码端改变初始预译码集大小以及修改度为2的生成矩阵,在译码端利用编码冗余情况来破解译码停止集,同时消除短环。大量的数据仿真结果表明本文方法对译码性能有明显的改善。

,关键词喷泉码;纠删码;删除信道;预译码集?

随着InV、流媒体的广泛应用。喷泉码I-I常被运用在多媒体数据传输网络中的应用层或者传输层.以便提供更好的QoS保证。它是针对删除信道来设计的一类分组前向纠删技术。与传统的LDPC或者RS码相比.有着更高的编译码效率。喷泉码作为第一种与码率无关的编码方式。解决了原先使用Rs码或者LDPC时存在的问题——需预先知道信道的一些先验信息,然而信道又存在时变性.获得的先验信息随时都有可能发生变化,导致这些传统编码技术效率比较低下。目前,喷泉码已经被3GPP组织的MBMS业务和DVB.H标准所采用口1。

喷泉码是第一种在删除信道下性能优良的无几率纠删码,1998年由MichaelLuby首次提出。用喷泉来比喻喷泉码的编码器。就像喷泉喷涌能够源源不断地产生

?江苏省高校自然科学重大基础研究项目(No.07KJA51006),中兴通讯基金资助项目(No.2008外45)无数多个编码数据包。假设源文件大小为KxLbit,每一个编码数据包带有£bit的编码信息,想要恢复这个源文件只要能接收到比K数量多一点的编码数据包Ⅳ-K(1竹),占代表了完全恢复源文件所需要的冗余开销。由MichaelLuby提出的LT码13l是喷泉码的第一个实例.后来在LT码基础上通过增加预编码提出的Raptor码14J。也属于喷泉码的范畴。

2LT码编译码原理

2.1编译码原理

假设源文件lc(S1,.”,&)包含个大小相同的数据包,则每个生成的LT编码数据包可用如下步骤完成151。

步骤l,通过事先选定的度分布函数p(d)确定生成的编码数据包的度数d(1。k),这里LT码的度分布函数由Luby提出。

步骤2,通过确定的d确定度数d,从k个原始数据包中随机选择d个数据包。

步骤3.将这d个数据包逐个异或得到编码数据包。

童囊垩:曼

I堕窭兰墨垄

图l编码过程

图2译码过程

编码过程如图1所示。

假设译码端接收到t。个编码数据包,并且知道每个编码数据包的度数d。译码过程如下阎。

步骤1,找到一个度为1的编码数据包为t。,即该编码数据包只与一个原始数据包相关,此时就可恢复出这个原始数据。如果没发现度为1的情况.则译码过程将被终止.否则只能通过接收更多的数据包来使得度为l的情况出现,然后开始译码过程。

步骤2,令Sk=t。,将所有与鼠有联系的编码数据包与&异或,并且去除所有与ls。有联系的边。

步骤3,重复以上步骤直至所有k个数据包被恢复。

译码过程如图2所示。

基曩珏兰兰2.2度分布函数

度分布函数设计的好坏在很大程度上决定了译码的成功率。一个好的度分布函数既要保证编码器输出中含有一小部分d与%差不多大的数据包,这样才能保证所有的源数据参与到最终的编码。同时,又要包含许多d较小的数据包.这样才能保证译码的过程不会因为预译码集的消失而使译码被终止。下面主要描述鲁棒孤波分布I,1。

Ripplet31指那些度为1的编码数据包.称之为预译码集。所期望的Ripple值能够在译码过程中保持足够大而不会突然消失.理想孤波分布在理论上有较理想的表现。

理想孤波分布见式(1):

电信科学2009年第12燧

P(回=}捌

㈩志2≤挺|i}

然而,这样一种理想度分布在现实的环境中却并不适用。Luby在理想分布的基础上提出了鲁棒孤波分布【3I。

鲁棒孤波分布见式(2):

7.(d)=

kd

—s..Is(s/8)托

其中s=cln(k/8)、/F131,c取一适当的常数c>O。6是接收到K个确认的数据包后无法解码的概率的极限,其中

K:J|2+0(、厄ln2陋俗))131。将理想孤波分布p(田加上f(却就生成了鲁棒孤渡分布肛(由。

“句:(p(由+7(d))够d=l,2,…,k(3)I

卢=乞lp(d)+f(回(4)d=l

Luby在参考文献【3】的分析中指出,在使用鲁棒孤波分布的情况下,能够使用接近最小的编码数据包来恢复所有的原始数据.LT码译码成功率至少为1刁。但经过多次实验发现.使用该分布函数的LT码仍然效率不高,稳定性也较差。

文中描述的BP译码算法,至关重要的一环就是在每完成一轮译码进行下一轮译码时,预译码集的大小必须保持稳定或者足够大,这样才会使译码失败的概率降低。但事实上由于诸多原因.比如在现实网络中传输时会出现丢包、初始预译码集太小(也就是度为1的概率极低)以及在编码端编码时不可避免地会出现短环等,都会使译码成功率下降。

3编码器性能改进算法

由于LT码编码时总会面临全选问题,尤其是当输入数据包个数很大时,被全选的概率会很小161。而LT码的性能会随着输入数据包个数的增大而变得更好.所以为了取得较高的译码成功率,会选择使用较大的数据包个数作为输入。此时,解决全选问题就变得很重要。为此,本文采取优化的全选方法.即依次选取输入数据包来参与编码。当所有的输人数据包被选完一遍后,再采用随机选取的方法来接着编码。采用这种方法的好处是它操作简单,并且当丢包率不是很高时,能基本保证达到全选的目的。3.1修改度为2的生成矩阵

由于采用鲁棒孤波分布.它在一定程度能很好地保证在每一次译码循环中度为1的检验码的数目s:ch(kla)、/J}。在现实网络环境中.由于丢包会破坏其中某些编码数据包,特别是丢包比较严重时,很难保证检验码的数目s还能维持在一个稳定的水平。一旦s较小时,就有可能导致在某一次译码循环完成后s变为O(即预译码集大小变为0),译码过程被终止。针对这种情况,提出了一种在编码端优化预译码集的方法.通过修改度为2的生成矩阵,从而达到在网络丢包比较严重时仍可以使s保持在一个较为稳定的水平。具体的做法是:寻找度为1的编码数据包.将参与这些编码数据包的原始输入数据包都记录下来,这些数据包称为recordI;然后,搜索出所有度为2的编码数据包,这些数据包称为record2。在record2中取出数据包数为S柚?S。正(S枷为编码后总的数据包数目,S。也为一百分比),将岛?S。也中每一个编码数据包中的一个原始参与输入数据包用recordl中的一个数据包随机替换。并且在替换时,对于那些涉及到全选问题的数据包,不进行替换。通过这样的过程。实际上在不改变度分布的前提下.人为改变了--d'部分参与编码的原始输入数据包(即修改了部分度为2的生成矩阵)。假设源文件大小为k,则LT码的编译码复杂度为s=ln(k/6)kt31,所以总的被替换掉的原始输入数据包的个数占所有参与编码的数据包的百分比为:

妒=警=蒜㈣

俨—_瓦忑(后万一一郦酉¨7调换的原始输入数据包对于整个编码过程的影响是非常小的。

用q(i.L1表示度数为i的编码分组在还有L个输入分组未被处理时被释放的概率。币,L)W(O?鲋,助表示为还有L个输入分组未被处理时度为i编码分组被选中并且被释放的概率,编码分组释放概率I3l为:

q(1,∞=l

雄一1弘1lk电+1)0

ga,L)=——■}—一(戡,…,k,L=k-i+l,…,1)

1lkq

』=O

q(i,朋=0其他i与工(6)其中q(2,L)=2L/(k一1)由于随着译码过程的深入,L的

至—孽三

%一j1

七一~一。∥;抖《砖

研究与开发

值会不断变小,则度为2的编码分组被释放的概率会越来越小.从而影响到预译码集的大小。假设当L的值从l到Ii}一l变化时,经过采用编码端改进的方法后,度为2的编码分组被释放的个数提升了:

t—lI一1

艺.s枷?[p(2)-S蒯/2]2.q(2,L)+Is山?s枷一乞s-lI‘

二=lL=I

p(2)/2)2。q(2,L)(7)为了简化计算,使用了平均值来代替p(2)这一变量,经过计算后为:

钆。s,嘲d2?(1+S,,础/4-p(2)/2)(8)假设预译码集的大小为S,还有L个输入分组未被处理。因为每一个输入分组被处理完后,Js的值会减1,为了保证在下一个循环译码过程中S的大小不变,需要一个新的输入分组添加到预译码集中。根据参考文献【3】中给出的结论:一个被释放的编码分组所对应的输入分组不在预译码集中的概率为三一肌。所以要使一个新的输入分组落在预译码集中需释放的编码分组数目为L/L一5。随着£值的减小.每次需要释放的编码分组数目会越来越多。采用以上的方法,可以使得在译码过程中多出S皿?S蒯?(1+S.。也/4叩(2),2)个编码分组被释放的可能性,这样译码失败的概率就降低了.并且不影响其他编码分组被释放的概率。

3.2改变初始预译码集大小

在使用鲁棒孤波分布函数来编码时.发现初始预译码集S的大小非常小.这就给译码成功带来了隐患,一旦在网络传输过程中这几个度为1的数据分组连续丢失将给译码带来灾难性的结果.所以通过加大初始预译码集可以缓解这种情况的发生。同时,发现在加大S的时候,己化一S的值也会随之增加(意味着译码难度加大),因此设置恰当的预译码集很有必要。参考文献【7】中

三疆鲢的设定S=2+2?V|i},通过多次实验,发现可以很好地缓解这一矛盾。

4译码端改进算法

对于编码过程中形成的短环影响译码成功率的问题,参考文献[81提出了相关列提取法来消去短环,提高了译码成功率.但同时也增加了编码端的编码复杂度,尤其是在网络丢包比较严重时,需要生成更多的编码数据包,对于复杂度的提高是明显的。本文将在译码端对短环进行处理.利用HillaryTams等人提出的方法|9】:使用编码端产生的冗余来提高译码成功率.可以认为是处理短环中的一种特殊情况,这在一定程度上降低了由短环造成的影响,并且可很好地控制其复杂度。其主要思想是当译码端的正常译码过程并没有将源文件完全恢复出来的情况下.利用特殊冗余情况继续译码.如图3所示。图3(a)中“与&和&+。相联系,“+1也与&和&+l相联系(此时是一个4环的情况),同时还与&+:相联系,即&和&+。是冗余数据包。然后按图3㈣所示的方法,将&和&n断开与t。。联系,并与k异或,此时就出现了度为1的情况,正常的译码又可以重新开始。如果找不到度为2与度为3相联系的情况.可以继续寻找度为3与度为4相联系的情况,但需注意复杂度的问题。由于在编码端产生的度数为2的数据包占总的数据包的50%左右,所以产生4环的可能性远远大于其他各种情况.为了降低复杂度.只对4环或6环这样的短环进行处理。本文在HillaryTarus等人基础上进行了一定的改进,如果在图3中k。还与&柏相联系,当出现这种情况时,仍然让t叭与t。异或,并将&和乳。断开与t。。的联系,这样k。的度数就由4变为2,存在的短环也被消除,相应地根据参考文献[3】中的结论,它被释放的概率也会提高。但复杂度不会有什么提升。

图3冗余情况

?‘o_-_?‘’_?_-’。■’_?。-_-_。-?_。-‘-_-‘。‘-。’。’‘’。-‘’‘。。_‘。_。‘。‘1。’。。’‘’。。’‘。‘。—’—。。。—。’—。—’。—’。7———’。—’。—。’—1。—’—2—09

电信科学年第12糕

5仿真结果与分析

通过VC编程来测试提出的算法,并给出仿真结果。通过一组实验数据来得出,要替换掉record2中数据包的百分比。在同一随机BEC信道条件下,删除概率67为10%,采用鲁棒孤波分布。c=o.01、8---0.5、冗余占观2,分别测试源文件个数为100与500时的译码成功率,如图4所示。

从仿真结果图中发现,当源文件个数较小时(即100),5一的取值越高译码成功率越高,但提高很小。当源文件个数较大时(即500),S蒯的取值越小译码成功率反而越高。由于LT码的本身性能决定:当源文件个数较小时.译码成功率本来就比较低,也就是说此时编码数据包之间的相互联系性并不好,S。蒯值越大,预译码集的大小也随之增加,译码成功率自然得到提高,但提高有限;但是在源文件个数较大时情况却并不如此,主要是因为此时本身的译码成功率比较高,在此基础上如果将&础值设得过高,将会破坏原有的编译码结构(编码数据包之间的相互联系性)。也就是破坏了编码的随机性,Shannon在信道编码定理的证明中引用的一个基本条件就是要采取随机编码的方式it01.所以译码成功率不增反降。

为了避免破坏编码的随机性,在仿真中设&。萨O.05。未

窿

垃改进算法指编码端使用鲁棒孤波分布函数进行编码。译码端使用HinaryTams等人的方法进行增强译码。图5显示了源文件分组个数为100,c=O.01、8=0.5、冗余6,=0.1,采取不同编译码方法在不同冗余情况下取得的译码成功率。当采取本文提出的算法时,在不同的冗余值处译码成功率都有不同提高。图6显示了当源文件分组个数取不同值时.平均译码成功冗余对比。从图6可以看出,当分组个数为2000时。平均译码成功冗余能达到0.075。图7显示了当源文件个数为l000,在不同丢包率情况下的平均译码成功冗余对比。当丢包率从O.03到0.1变化时,改进算法后的平均译码成功冗余稳定在O.1以下。而且,在测试中发现未改进算法的每次译码成功概率波动较大,无法稳定在一个固定值左右。

6结束语

本文通过对影响LT码性能的预译码集的分析.提出了优化LT码预译码集的方法。仿真结果发现:不管是对于源文件分组个数较小或者较大时.译码成功率都有不同程度的提高。尤其是当源文件分组个数比较大时。译码成功率能提升到一个较高的水平。

由于采用了随机的BEC信道。与现实的网络信道状

—1.卜t=100—●卜^=500

1.0

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0.2

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图4采用不同替换百分比时译码性能

--41'--未改进算法-"ll'-改进后的算法

冗余

,u脚’

图5改进算法后的译码成功率

研究与开发

娟硬蕾镫留瞪霹*

0.20

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媚0.16

硬0.14

墓o.12器o.10

灶0.08

签o.06

0.040.02

—◆一未改进算法

+改进后的算法

l000

I500

分组个数k

图6平均译码成功冗余对比

—◆一未改进算法—■一改进后的算法

!f

_一L…、

l一……寸…一:

丢包概率

图7不同丢包概率下的平均译码成功冗余对比

况会有一定的差别.所以还需要针对其他各种信道进行

进一步的研究。面对不同状况要选择最优的.s一。由于

在编码端进行了一定的改动。并且采用了利用冗余译码的方法,使得编译码复杂度都有了一定的提升,但这与译码性能的提升相比还是值得的。最后,在图7的仿真结果中发现,当译码出的数据包占全部数据包的90%以上时,通过再多接收一些数据包来达到完全译码的效果并不如

预想的好.因为很多再接收到的编码数据包对于译码端来说是一种冗余,它们完全是已经译码出来的数据,不存在实际的帮助价值。为了进一步降低开销,可以考虑在LT码前面增加预编码的过程.通过预编码来恢复全部的源文件,这就是Raptor码。通过对Raptor码的研究,来进一步降低U’码度分布概率的复杂度,提升编译码性能。

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x仉Zhang

Qinyu,LiHui,et以Littlecycleeliminationoffountain

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using

distillingcorrelativecolumns.In:Proceedings-lst

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Image

andsightProees,sing.2008

9HillaryTams,JohnBush,James

lrvine,et吐Exploitingrodundaneiesto

improve

performanceofLT

decoding.In:Proceedings

of

the

6th

AnnualCommunieationNetworksand

Servie∞Research

¨佗

m噼嘶

OOOnOO

研究与开发

云计算:从概念到平台

吴吉义忙。平玲娣1,潘雪增1。李卓1

(1.浙江大学计算机科学与技术学院杭州310027;2.杭州市电子商务与信息安全重点实验室杭州310036)

云计算是以虚拟化技术为基础,以网络为载体提供基础架构、平台、软件等服务为形式,整合大规模可扩展的计算、存储、数据、应用等分布式计算资源进行协同工作的超级计算模式。作为一种全新的互联网应用模式.云计算将成为未来人们获取服务和信息的主导方式。针对当前云计算概念混杂的现状,提出了一个较综合的参考性定义.并分析了云计算与分布式计算、网格计算、并行计算、效用计算等相关计算形式的联系与区别。对目前主流的云计算平台实例进行了概括性介绍,从云平台的层次更深刻地剖析云计算的本质。

关键词云计算;概念;平台

㈤言

萋霎黧妻鬻攀絮:嵩;嚣嚣

潲(cloud

computin曲因清晰的商业模式而受到广泛

computing)","按需计算(on-demandcomparing)”、“效用计算

C叽de陀nce,NovaScotia,Canada,2008

10ShannonCEAmathematicaltheoryofcommunication.Reprinted

With

Corrections

From

the

Bell

System

Technical

Journal,

1948,27:379-423,623-6

Research

on

theRipple

OptimizingMethodstoImprove

Perform蜀LnceofLTC

odeermanceOe

LiuFen91,LvXiaopen91,XiaHongfei2,XuJiangu02

(1.NUPrImageProcessingandImageCommunicationI.abomtoryofJiangsuProvince,Naming210003,China;

2.ZTE

TelecomCo.,Ltd.,Nanjing210012,China)

Abstract

LTcodeshaveoutstandingperformance

aSa

sparserandom

linearfountaincodoin

erasure

channels.Comparedwith

traditionalcodes,theygreatlyreducethecomplexityofencodinganddecodingprocess.Withanalysisofthetipplewhich

influencestheperformanceofLTcodes,thispaperpropesedaapproachtooptimizedietipplethroughchangingtheinitialsize

of

tipple,modifyinggeneratinginat—xesofdegree2,andexploitingredundancies

to

crackstopping

set,meanwhileiteliminates

shortcycle.Keywords

fountaincode,el,-aSUl屯controlcode,erasurechannel,tipple

(收稿日期:2009—11—18)

三j强三i

改善LT码性能的预译码集优化方法研究

作者:刘峰, 吕晓鹏, 夏宏飞, 许建国, Liu Feng, Lv Xiaopeng, Xia Hongfei, Xu Jianguo

作者单位:刘峰,吕晓鹏,Liu Feng,Lv Xiaopeng(南京邮电大学图像处理与图像通信江苏省重点实验室,南京,210003), 夏宏飞,许建国,Xia Hongfei,Xu Jianguo(中兴通讯股份有限公司,南京

,210012)

刊名:

电信科学

英文刊名:TELECOMMUNICATIONS SCIENCE

年,卷(期):2009,25(12)

被引用次数:0次

参考文献(10条)

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3.本文对基于低密度奇偶校验(LDPC)码其二部图的树结构展开形式,提出了一种LDPC码的短环计数算法,该算法能对任意给定长度的短环进行计数,相对灵活且有较低的复杂度,应用该算法,对一些典型的LDPC码的短环进行统计,并分析了短环对LDPC码性能的影响。

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4.学位论文潘秋琴数字喷泉码在MBMS中的应用2008

喷泉码是删除信道(如Internet)稀疏图形码的一个突破,它是一种无码率的纠删码,能够源源不断地向接收端发送编码信息,保证每一个接收端接收到足够的信息并且成功译码。本文主要介绍了两种性能优异的喷泉码——LT码和Raptor码,在任意信道数据包丢失情况下,它们都具有低的冗余度

(overhead)和线性的编译码复杂度,并且Raptor码在BEC信道上的性能接近于理想的喷泉码。由于它们具有这些特性,LT码和Raptor码很适合在点对多的传输大容量数据给多种多样移动性用户的系统中应用,有效地解决自动重传技术(ARQ)的带宽资源浪费和时间延迟等问题,提高数据传输的可靠性和实时性。

文章首先介绍了一种可靠的点对多的服务系统——MBMS(Multimedia Broadcast and Multicast Service),包括它的结构、工作模式、传输方式、协议以及关键技术,并且将喷泉码做为其应用层的前向纠错码。然后通过仿真,测得对于不同的参数LT码有不同的冗余度,选择合适的参数,LT码对于大容量数据传输非常有效;而对于系统Raptor码,其冗余度很小并且相对固定,编译码复杂度低与Tornado码一样,其性能与理想的删除码非常接近。最后文章总结分析了基于喷泉码的MBMS的一些优点:理想的扩展性、适应时交信道、支持异步接入等。

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喷泉码是一种新颖的基于图的纠删码技术,在工程应用上有广阔的前景.本文针对几种典型分布数字喷泉码的编码方式进行综合比较和规律总结,同时对喷泉码的两类译码方式和适用范围进行了分析与探讨,通过仿真数据和图形比较了不同分布编码方式的性能差异和不同译码方式的优缺点所在.

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本文从实际应用出发,以LDPC编码作为研究重点,针对删除信道和流星突发信道这两类特殊的实际信道,研究了其中的编码算法,获得了一些成果。主要内容包括:

在针对删除信道的编码研究方面:

(1)对低密度纠删码和数字喷泉码进行了系统的介绍,对数字喷泉码的网络应用进行了说明,分析了存在的问题和展望。

(2)对系统规则RA码和CT码的渐进性能界进行了计算分析,从理论和仿真结果两个方面说明“度”的选取对系统规则RA码的性能影响很大,而对系统规则CT码的性能影响相对较小。

(3)对低密度纠删码(Two-Column-Trornado码)的度序列表示进行了介绍,给出了低密度纠删码的删除错误恢复算法成功译码的条件,在此基础上

,提出了一种新的满足成功译码条件的度分布序列。

(4)对SR-LDPC码从一致校验矩阵和图模型表示两个方面进行了说明,给出了SR-LDPC码的码率不受限特性,证明了其在广义删除信道中逼近容量限的特性,并通过仿真分析,证明了所得结论,并给出了其和LT码、Raptor码的性能比较图。在针对流星突发信道的编码研究方面:

(5)分析了流星突发通信中现有的几种信道编码方法。在此基础上,将现代信道编码方式(Turbo码,LDPC码)应用到流星突发通信中,并进行了性能比较。分析结果表明,现代信道编码方式可以适用于流星突发信道。给出了LDPC码应用于流星突发信道的一些原则和结论。

(6)从流星突发信道的特性出发,提出了一种基于流星突发信道的LDPC码的设计方法,通过理论和仿真分析证明了该方法的可行性。

(7)根据欠密类流星突发信道的特性,参照IDMA系统结构,提出了自适应多层编码体系应用在流星突发传输的想法,并进行了简单的仿真。

本文链接:https://www.wendangku.net/doc/3a4708632.html,/Periodical_dxkx200912005.aspx

授权使用:太原科技大学(tykjdx),授权号:bfac9caa-8dac-44ad-ab04-9e2b00ac3c2a

下载时间:2010年11月11日

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