面向水声网络可靠传输的FDR编解码算法.docx
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2022-05-31
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1 引言
随 着 海 洋 逐 渐 成 为 人 们 维 持 可 持 续 发 展 的 第 二 领 域 ， 水 声 通 信
（UAC,underwater acoustic communication ）
[1
,2
,3
,4
,5
]
以其水下远距离传输的独
特优势和巨大的社会效益而备受关注。陆地上的互联网通信中，不仅应用种类
很多，数据量还很庞大。而对于水声通信，基本的数据传输很难保障，但是人
类赖以生存的环境与海洋息息相关，人类不得不了解海洋以达到科学利用海洋
的目的。克服水声通信中窄带宽、长时延、高误码率、多普勒频移、噪声及时
变性的困难，通过数字喷泉码提高水下数据传输的可靠性对构建高稳健性水声
网络具有重要意义
[6
,7
,8
,9
]
。
目前，水声网络可靠传输技术分为 3 类，分别是基于重传、纠错、纠错和
重传的可靠传输算法。数字喷泉码属于基于纠错的可靠传输算法。较早的面向
水声网络可靠传输的机制有很多，例如，Guo 等
[10
]
将网络编码和多径路由相结
合提出了网络编码机制； Liu 等
[11
]
提出了包级的前向纠错（ FEC,forward error
correction），用于可靠传输；Xie 等
[12
]
提出了一种分段数据可靠传输方案；Liu
等
[13
]
提 出 了 最 初 的 自 适 应 可 靠 传 输 协 议 （ ARTP,adaptive reliable transport
protocol），根据节点间的距离找到合适的 FEC 组合，实现水下数据的可靠传
输；Mo 等
[14
]
提出了一种基于编码的多跳协调可靠数据传输机制。
数字喷泉码对中间编码信息的出错并不敏感，只关注接收端最终是否能成
功译码，并且即使传输过程发生个别信息丢失也不会进行频繁的数据重传
[17
,18
]
是
一种基于数字喷泉码的递归 LT 码，其采用递归思想改进了 LT 码的编码算法。
RLT 解码算法依赖度为 1 的编码分组，如果度为 1 的编码分组在信道传播过程
中发生丢失或误码，则解码极有可能会失败。如果在解码时从编码分组之间异
或的角度出发，只要生成矩阵中 2 个编码分组对应的列存在“严格短环”，那么二
者即可进行异或运算。
对此，本文提出一种过滤式降维（FDR,filtering dimension reduction）译
码算法，对 RLT 码译码算法做出改进，弥补 RLT 码的译码缺陷，提高译码成功
率。FDR 算法利用生成矩阵中构成严格短环的编码分组之间的异或操作，产生
度为 1 的编码分组或者将高度数编码分组进行“降维”处理，使其度数降低。不会
像 RLT 译码算法那样，FDR 译码算法不仅解除了对来自发送端编码器产生的
度为 1 的编码分组的依赖，还可以快速降低高度数编码分组的度数，从而进一
步降低译码复杂度。此外，本文提出了一种与 FDR 译码算法相结合的优化度分
布函数，在保证度为 1 的编码分组数量适当的前提下，增大了高度数编码分组
的选取概率，从而增加了一次降维即可得到度为 1 的编码分组的概率，加快了
译码进度。
本文的贡献如下。
1) 对 RLT 码中存在的短环问题进行数学分析，在此基础上定义、分析严格
短环问题，进一步对严格短环加以利用，提出 FDR 算法，解决了对度为 1 的编
码分组的依赖。
2) 提出一种与 FDR 算法相结合的优化度分布函数，增加了 FDR 算法在进
行解码时一次降维即可得到度为 1 的编码分组的概率。
3) 将 FDR 算法和 RLT 码在 NS3 仿真平台上进行大量测试，经对比分析，
实验结果验证了 FDR 算法的有效性和稳健性。
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