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喷泉码编译码技术与应用研究

朱宏杰  
【摘要】: 近年来,以数字喷泉技术为基础的广播/组播解决方案凭借其技术优势,受到学术界和产业界的广泛关注。本论文以数字喷泉技术中使用的喷泉编码为研究对象,结合多媒体通信和深空通信等应用,在喷泉码编码设计、译码性能改进、应用方案设计等方面进行了研究,为喷泉码从理论走向实际应用作出了一定的贡献。主要研究成果包括如下四个部分: 首先,从编码器的角度出发,针对传统喷泉码码长较长的问题,研究了短码长喷泉码的设计。在传统喷泉码编译码算法的框架下,通过优化编码度分布函数,得到了码长为103量级的实用短码长喷泉码,从而减小了译码端的译码延迟,降低了对缓存空间的要求,扩展了喷泉码在实时多媒体应用和存储资源受限系统中的应用。 其次,从译码器的角度出发,提出了一种改进的BP译码算法。该算法通过更充分地利用传统译码器失败之后的剩余有用信息,提高了译码性能。仿真结果表明,与传统BP译码算法相比,对于典型的开销为5%码长为104的LT码,该算法可将译码成功率提升18.3%,达到98.2%,接近最大似然译码的译码成功率,有效提高了数字喷泉系统的通信可靠性。由于该算法保留了迭代译码的算法框架,因此仍然保留了低复杂度的优点。 再次,针对高差错、无反馈、低冗余的通信应用环境,提出了一种具有UEP能力的喷泉码,将它与信源分层编码相结合,实现了一种增量喷泉传输方案。该方案根据信源信息重要性的差别,调整信息的发送比例,以提高整体用户满意度的方式改善了通信有效性。针对所提的具有UEP能力的喷泉码,研究了控制信息发送比例的调度方案的优化方法,给出了分别以最大化用户满意度和最小化系统开销为目标的两个最优化模型与求解方法。仿真表明,该UEP喷泉码可提升10%~15%的用户满意度。 最后,针对深空通信具有功率限制和编码增益要求的特殊应用,研究了喷泉码的实用选择方法。通过考察喷泉码的引入对编码增益带来的影响,提出了喷泉码特征斜率的概念,据此给出了为任意给定物理层编码选择可用喷泉码码型的方法。研究结果表明,采用良好的喷泉码能够带来一定的编码增益,可以满足深空通信的应用要求。


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