空间通信分布式动态网络拓扑的不等保护纠删编码方法技术

本发明专利技术提供了一种空间通信分布式动态网络拓扑的不等保护纠删编码方法，会话传输过程包括两个阶段：第一阶段：信源

Unequal protection erasure coding method for space communication distributed dynamic network topology

The invention provides a unequal protection erasure coding method for a space communication distributed dynamic network topology, and the session transmission process comprises two stages

【技术实现步骤摘要】
空间通信分布式动态网络拓扑的不等保护纠删编码方法
本专利技术涉及通信方法，尤其涉及一种空间通信分布式动态网络拓扑的不等保护纠删编码方法。
技术介绍
喷泉码又称为无码率编码，所谓“无码率”是指发送端无需预知链路质量，可以以广播的形式持续向外“喷射”编码符号，因此对于码速率没有固定的要求，而接收端只需接收到足够多地任意编码符号，即可大概率地恢复出发送端的原始信息，其性能通过输出度分布函数决定。喷泉码这种对于码速率无固定要求的特性，使其在删除信道下的性能非常优越。此外，作为长纠删码的一种，喷泉码无需持续的反馈重传，而仅需要在最后的译码过程中反馈一个确认(ACK)信号，避免了反馈信道占用资源，降低了网络负载，同时也节省了反馈所需的传输时延。在分布式通信系统中，多个独立的分布式信源各自具有不同的原始数据信息，当目的节点需要进行多源下载或数据存储/调用时，需要将多个信源的数据信息进行汇聚。当分布式网络中存在中间节点时，多路数据信息将通过中间节点的存储转发进行数据分发。网络编码技术的基本思想是给网络中的一个或几个中继节点增加编码功能，取代了传统路由中继节点只负责存储转发而不处理数据的模式。通过中继节点将多路信息压缩，在信宿节点译码恢复。这样的数据传输方式可以增加单次传输的信息量，显著提升信息流在多播网络中传输的吞吐量。网络编码与分布式编码在分布式通信系统中均有较为广泛的应用。由于喷泉码和网络编码的基本操作都是“异或”操作，且均无需考虑信道质量，只要保证信宿获得足够多的数据组合结构就能够大概率地译码恢复原始信息。因此，将喷泉码与网络编码相结合，能够在保持原有无码率特性的同时，通过中继节点的网络编码获得吞吐量的提升，提高分布式网络的传输效率，分布式喷泉码的思想由此提出。通过在中间节点的网络编码操作，进一步提升多路喷泉编码包的译码性能，研究重点是在中继节点的操作处理。分布式喷泉码首次在文献[S.Puducheri,J.Kliewer,andT.E.Fuja,“ThedesignandperformanceofdistributedLTcodes,”IEEETrans.Inf.Theory,vol.53,no.10,pp.3740-3754,Oct.2007]中被提出，将标准的鲁棒孤波度分布通过反卷积计算，拆分成两个编码度分布提供给两个信源使用，被称为反卷积孤波度分布。但该方案只适用于偶数个信源、单个中继的Y型网络。而且当其中一条信源链路中断时，中间节点的操作无法再保证信宿接收到的编码包服从鲁棒孤波分布，鲁棒性不佳，应用受到限制。文献[Liau,S.YousefiandIl-M.Kim,“Binarysoliton-likeratelesscodingfortheY-network,”IEEETrans.Commun.,vol.59,no.12,pp.3217-3222,Dec.2011]提出了一种度分布称为类孤波孤波度分布的分布式网络喷泉码，其中间节点按照既定概率进行转发和异或操作，对接收的编码包进行二次编码，使编码后的数据在信宿端近似服从孤波分布，降低了信宿的译码冗余。并且，该方案针对某条信源链路中断的状况做出了补偿调度，能够保证信宿节点处的编码包度分布仍然具有较好的译码性能。但该方案并没有深入研究其他的信源度分布情况，普适性及灵活性较差。文献[BaikJ,SuhY,RahnavardN,etal.GeneralizedUnequalErrorProtectionRatelessCodesforDistributedWirelessRelayNetworks[J].IEEETransactionsonCommunications,2015,63(12):4639-4650]针对Y网模型通信场景，初步设计了能够获得定量UEP增益的度分布与中继转发异或操作概率，为分布式喷泉码的研究提供了新的拓展空间。以上各分布式网络喷泉码方案均是在Y型网络下进行讨论的，其主要思路是通过中间节点的网络编码操作将多个喷泉编码码块合并为一个码块，以减少中继节点到目的节点信道上的冗余开销。然而，面对更为复杂网络模型，如何将喷泉码的度分布和中间节点的网络编码操作进行有机的结合，甚至对多路信息提供倾向性地保护，仍是一个值得探索的问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供了一种空间通信分布式动态网络拓扑的不等保护纠删编码方法。本专利技术提供了一种空间通信分布式动态网络拓扑的不等保护纠删编码方法，会话传输过程可以分为两个阶段：第一阶段：信源S1和S2将原始信息m1和m2(长度分别为k1和k2)利用喷泉编码生成C1'和C2'，并将C1'和C2'发送至D；第二阶段：S1和S2将m1和m2利用喷泉编码生成C1和C2，并将C1和C2发送至R，R对接收到的C1和C2利用中继节点的网络编码法则P将其合成为CR并发送至D；由于中继节点不仅对C1和C2进行异或，也可能对其直接转发，因此CR中仍包含部分C1和C2。两阶段传输过程结束后，D即可将收到的五种长度相等的码块C1'、C2'、C1、C2和CR。通过译码算法译出m1和m2，并立即反馈一个确认信息用以停止这个传送会话过程。作为本专利技术的进一步改进，针对不同链路的特点，S1和S2在不同链路中采用不同的LT码度分布，直连链路为中继链路为作为本专利技术的进一步改进，在阶段2，中继R的网络编码阶段中，中继利用网络编码法则将来自信源的编码符号二次编码：按照概率p1转发来自S1的数据包；按照概率p2转发来自S2的数据包；按照概率p3将两条路径上收到的数据包异或后再转发给D。作为本专利技术的进一步改进，在D处采用置信传播联合译码算法，从收到五类编码符号中恢复处原始信息符号。作为本专利技术的进一步改进，设信源内部信息分为重要(记作MIB)和次要(记作LIB)两部分，占的比重分别为π1和π2，编码选择权重分别为w1和w2。基于与或树分析，设定每个MIB类型的或节点有i个子节点的概率为δi,MIB，每个LIB类型的“或”节点有i个子节点的概率为δi,LIB，每个“与”节点有i个子节点的概率为βi。对于“与”节点B，其子节点是CMIB的概率为w1，是CLIB的概率为w2。将该模型带入与或树公式中，可以获得任意一个根节点被赋值为0的概率，也是经过l次译码迭代后一个原始信息符号(变量节点)恢复失败的概率，如公式(3)和(4)所示。yl,MIB＝δMIB(1-β(w1yl-1,MIB-w2yl-1,LIB))(3)yl,LIB＝δLIB(1-β(w1yl-1,MIB-w2yl-1,LIB))(4)。进一步可得到分布式动态网络模型下不同重要等级符号的渐近译码失败概率，其中m,n∈{1,2}：其中，ψm(x)为直连链路上各信源对应的输出边分布，其中λm为输出平均度；δm(x)为直连链路上各信源对应的输入边分布，其中αm为输入平均度；ωm(x)为中继链路上各信源对应的输出边分布，其中μm为输出平均度；τm(x)为中继链路上各信源对应的输入边分布，其中βm为输入平均度，m∈{1,2}。ω3,i和ω4,i分别表示CR节点有i个X2子节点或X1子节点的概率，可表示为ω3,i＝Ω2,i，ω4,i＝Ω2,i。此外，P1和P3分别代表一个X1根节点所连接的C’本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间通信分布式动态网络拓扑的不等保护纠删编码方法，其特征在于，会话传输过程包括两个阶段：第一阶段：信源S1和S2将长度为k1的原始信息m1和长度为k2的原始信息m2利用喷泉编码生成C1'和C2'，并将C1'和C2'发送至D；第二阶段：信源S1和S2将原始信息m1和m2利用喷泉编码生成C1和C2，并将C1和C2发送至R，R对接收到的C1和C2利用中继节点的网络编码法则P，将其直接转发、或异或合成为CR，然后发送至D；其中，由于中继节点不仅对C1和C2进行异或，也对其直接转发，因此CR中包含部分直接转发的C1和C2，以及异或生成的C3，两阶段传输过程结束后，D即可将收到的五种长度相等的码块C1'、C2'、C1、C2和C3，通过译码算法译出m1和m2，并立即反馈一个确认信息用以停止这个传送会话过程。

【技术特征摘要】
1.一种空间通信分布式动态网络拓扑的不等保护纠删编码方法，其特征在于，会话传输过程包括两个阶段：第一阶段：信源S1和S2将长度为k1的原始信息m1和长度为k2的原始信息m2利用喷泉编码生成C1'和C2'，并将C1'和C2'发送至D；第二阶段：信源S1和S2将原始信息m1和m2利用喷泉编码生成C1和C2，并将C1和C2发送至R，R对接收到的C1和C2利用中继节点的网络编码法则P，将其直接转发、或异或合成为CR，然后发送至D；其中，由于中继节点不仅对C1和C2进行异或，也对其直接转发，因此CR中包含部分直接转发的C1和C2，以及异或生成的C3，两阶段传输过程结束后，D即可将收到的五种长度相等的码块C1'、C2'、C1、C2和C3，通过译码算法译出m1和m2，并立即反馈一个确认信息用以停止这个传送会话过程。2.根据权利要求1所述的空间通信分布式动态网络拓扑的不等保护纠删编码方法，其特征在于：信源S1和S2在不同链路中采用不同的LT码度分布，直连链路为中继链路为3.根据权利要求1所述的空间通信分布式动态网络拓扑的不等保护纠删编码方法，其特征在于：在第二阶段中，中继R的网络编码阶段中，中继利用网络编码法则将来自信源的编码符号二次编码：按照概率p1转发来自S1的数据包；按照概率p2转发来自S2的数据包；按照概率p3将两条路径上收到的数据包异或后再转发给D。4.根据权利要求1所述的空间通信分布式动态网络拓扑的不等保护纠删编码方法，其特征在于：在D处采用置信传播联合译码算法，从收到五类编码符号中恢复处原始信息符号。5.根据权利要求1所述的空间通信分布式动态网络拓扑的不等保护纠删编码方法，其特征在于：设信源内部信息分为重要和次要两部分，重要的信源内部信息记作MIB，次要的信源内部信息记作LIB，MIB和LIB占的比重分别为π1和π2，编码选择权重分别为w1和w2。在译码端，基于与或树分析，设定每个MIB类型的或节点有i个子节点的概率为δi,MIB，每个LIB类型的“或”节点有i个子节点的概率为δi,LIB，每个“与”节点有i个子节点的概率为βi，对于“与”节点B，其子节点是CMIB的概率为w1，是CLIB的概率为w2，将该模型代入与或树公式中，可以获得任意一个根节点被赋值为0的概率，也是经过l次译码迭代后一个原始信息符号(变量节点)恢复失败的概率，如公式(3)和(4)所示：yl,MIB＝δMIB(1-β(w1yl-1,MIB-w2yl-1,LIB))(3)yl,LIB＝δLIB(1-β(w1yl-1,MIB-w2yl-1,LIB))(4)。6.根据权利要求5所述的空间通信分布式动态网络拓扑的不等保护纠删编码方法，其特征在于：进一步可得到分布式动态网络模型下不同重要等级符号的渐近译码失败概率，其中m,n∈{1,2}：其中，ψm(x)为直连链路上各信源对应的输出边分布，其中λm为输出平均度；δm(x)为直连链路上各信源对应的输入边分布，其中αm为输入平均度；ωm(x)为中继链路上各信源对应的输出边分布，其中μm为输出平均度；τm(x)为中继链路上各信源对应的输入边分布，其中βm为输入平均度，m∈{1,2}；ω3,i和ω4,i分别表示CR节点有i个X2子节点或X1子节点的概率，可...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦健，杨轶，冯博文，顾术实，吴绍华，张钦宇，
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