一种适用于濒死信道的无速率编码传输方法技术

本发明专利技术涉及通信领域，尤其涉及一种适用于濒死信道的无速率编码传输方法。本发明专利技术建立了具有随机信道生存时间且信道质量服从随马尔可夫状态转移的时变删除濒死信道模型，并提供一种适用于濒死信道的无速率编码传输方法，通过启发式度分布设计和最优码字长度的分析和优化，验证了在不完全可靠传输的场景下该传输策略在恢复概率和吞吐量方面的性能，从而解决了在信道具有随机“死亡”中断场景下的数据有效传输问题。本发明专利技术提升了无速率编码在极端通信环境下的信息传输和恢复能力，能够应用于陆地作战传感器网络、灾害救援、地质勘探等场景下的通信系统中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及通信领域，尤其设及一种适用于溯死信道的无速率编码传输方法。
技术介绍
-、溯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。在运种情况下 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。在运种 情况下，信道的长度变得随机且不确定，将运样的信道模型定义为"溯死"信道。溯死信道的典型应用场景有W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，且运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W上特殊环境下的数据通信，如何在链路短暂维持杨通的情况下，尽快将信 息传输到需要接收的用户终端，是溯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，使得在运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W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，W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溯死信道下进 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，运样才可W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，运样才可W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W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，运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W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=代移动通信技术合作项目 0rdGenerationPartnershipProject, 3GPF0 关于多媒体广播 / 多播服务（Multimedia Broadcast/MulticastSe;rvice，MB]VB)的3G标准中。同时，Raptor码也被便携式数字电视 广播服务值igitalVideoRroadcasting-Han化eld,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 W很高的概率恢复出全部数据，译码的可靠性较高。然而在溯死信道中，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。在运种情况下，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。 除此之外，溯死信道下的原始数据包长度同样需要考虑。由于增大输入码长意味 着需要传输的原始数据包数增多，平均吞吐量（单位时间内译码端能够正确恢复的原始数 据包数量）必然得到提高；然而由于能够传输的数据总量的限制增大原始码长意味着必然 会减少编码冗余，导致译码可靠性降低，传输效率下降。因此，原始数据包长度的选择是一 个折衷优化问题。 综上所述，如何设计溯死信道下较为合理的无速率编码策略是值得深入研究的问 题，能够为信道频繁随机中断环境下的信息传输提供较为合理的通信方案。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷或不足，本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种适 用于溯死信道的无速率编码传输方法，通过启发式度分布设计和最优码字长度的分析和优 化，验证了在不完全可靠传输的场景下该传输策略在恢复概率和吞吐量方面的性能，从而 解决了在信道具有随机"死亡"中断场景下的有效数据传输问题。 为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为提供一种用于溯死信道的无速率编 码传输方法，包括W下步骤： A、建立半马尔可夫溯死删除信道模型，本模型用于模拟数据包在应用层或传输层 上进行传输时，信道发生"死亡"中断的过程； B、建立半马尔可夫溯死删除信道模型的无速率编码策略；C、进行启发式度分布设计，基于与-或树分析技术对半马尔可夫溯死删除信道模 型中的无速率编码度分布进行优化，并求解出适合该信道的线性组合次优度分布； D、对码字长度进行优化，建立优化问题并对其求解。 作为本专利技术的进一步改进，所述建立半马尔可夫溯死删除信道模型的具体步骤如 下：AU先对半马尔可夫溯死删除信道模型中的各个参数进行定义：在发送端，原始数 据包被封装在长度为K的数据块内，T:每个数据包的单位发送时间，Kx:每个数据块的发 送时间，P:溯死信道的删除概率，P=Pe或P=Pe:"好"和"坏"的两种状态；A2、信道的状态服从半马尔可夫过程，每个状态的停留时间服从均匀分布，即每个 数据块长度相等，状态转移矩阵P为 r〇〇28lp_「巧研巧巧SI巧]_「1-心Ael LUUZ8」 L巧巧刮巧刮凸心[心1-如[002引其中AG为信道状态由好变坏的概率，AB为该信道状态由坏变好的概率；A3、信道的"死亡"随机发生，一旦"死亡"，随后发送的数据包全部丢失，且发送端 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；A4、定义信道生存时间也就是每数据块的信道长度为T(T《Kx),并服从期 望为1/A的指数分布，或期望为ii、方差为曰2的非负高斯分布，即T~E(A)或T= T' |，T'~N(y，〇2);两种分布函数分别准确描述了信道由于设备电力耗尽而"死亡"的 泊松过程，W及信道受到自然灾害等因素的随机攻击而"死亡"的高斯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于濒死信道的无速率编码传输方法，其特征在于：包括以下步骤：A、建立半马尔可夫濒死删除信道模型，本模型用于模拟数据包在应用层或传输层上进行传输时，信道发生“死亡”中断的过程；B、建立半马尔可夫濒死删除信道模型的无速率编码策略；C、进行启发式度分布设计，基于与‑或树分析技术对半马尔可夫濒死删除信道模型中的无速率编码度分布进行优化，并求解出适合该信道的线性组合次优度分布；D、对码字长度进行优化，建立优化问题并对其求解。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张钦宇，顾术实，王洋，焦健，欧阳任耕，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44