基于复杂网络理论的高性能中短码长无码率码研究

The application of short and medium length rateless codes in real-time and high reliable multimedia data transmission over time-varying channels has become a hot topic in the field of rateless codes. Starting from the disabilities in the probability of successful decoding of existing short and medium length rateless codes, this proposal designs short and medium length rateless codes by drawing the lessons from complex network theories. Moreover, short-cycle elimination strategies and an unequal error protection scheme are proposed. By analyzing the relations between the characteristics of complex networks and the performance of LT codes, an algorithm for constructing complex network model of LT codes with high performance is proposed. Meanwhile, benefiting from overlapping community detection algorithms, we design the mapping from complex networks to Tanner graphs and construct an LT code. Furthermore, to further improve the probability of successful decoding, the structural properties of short-cycles are analyzed and the mapping rules will be updated. With these works, we investigate the relations between the key nodes and the most important bits using propagation dynamics theories on complex networks. In the light of this relationship, a rateless code provided desirable unequal protection property is proposed. The proposal responds to the urgent needs of multimedia data transmission with low-latency and high reliability over time-varying channel and instantaneous interrupt channel, and will also shed light for the research of rateless codes.

使用中短码长无码率码支持多媒体信息在时变信道中的低时延、高可靠传输已经成为无码率码领域研究的热点。本课题从现有研究在译码成功概率方面的不足出发，借鉴复杂网络分析技术，设计基于复杂网络的中短码长无码率码，并研究低复杂度短环规避策略和基于复杂网络传播动力学的不等差错保护方案，实现高性能的中短码长无码率码。为此，本课题分析LT码的复杂网络结构特性与其编/译码性能间的关系，给出高性能LT码的复杂网络模型构造算法；借鉴复杂网络的可重叠社区发现算法，设计复杂网络到Tanner图的映射，进而构建无码率码编码方案；根据短环在复杂网络上的结构特征，更新映射规则，改进译码成功概率；在此基础上，采用复杂网络传播动力学的分析方法，建立关键节点与重要数据部分的关系，构建不等差错保护方案。本课题的研究即针对当前多媒体信息在时变信道和瞬时中断信道中的低时延、高可靠传输的迫切需求，也将为无码率码编码方案研究提供新的思路。

无码率码潜在能够实现数据在时变信道及质量较差信道中的可靠传输，而已有无码率在码率较短时，译码冗余度较高。针对这一问题，本项目（1）以输入符号为节点，度为2的编码符号相连的输入符号间存在连边，构造LT码的译码图结构，深入研究了即时可译编码符号在译码图中的结构特征，改进在线码的完善阶段，并加入预建立阶段，提出一种即时译码概率较高的基于复杂网络理论的在线喷泉码编码方案。仿真结果表明该方法在译码过程的任意时刻所得译码成功概率均高于传统LT码和在线码，并且所需反馈次数明显低于传统在线码。该改进在线码能够有效降低译码冗余和译码时延，为5G场景中等差错保护数据的传输提供了参考。（2）针对传统基于权重、基于重复策略的不等差差错无码率码存在固有的错误平层问题，引入不同码率的LDPC码分别对不同重要级别的输入符号进行预编码，并借鉴比特移位和符号间异或操作在zigzag喷泉码的优势，对预编码符号根据不同重要级别分别采用不同权重/重复度和最大移位比特数的移位与异或操作，在保证次要符号满足质量要求前提下，提高重要输入符号的译码成功概率。（3）进一步将重要符号和非重要符号看成是网络中两个互斥消息，那么具有不等差错保护特性的无码率码译码过程就可以看作是这两类符号在网络中的传递过程。以此为基础，本项目以博弈理论为基础，研究了网络中节点接收和拒绝两类互斥消息的收益及邻居节点对其决策的影响，给出了两类互斥消息在社交网络中的传播模型。仿真结果表明不同社会网络拓扑结构对两类互斥消息传播范围存在影响，为进一步提高不等差错无码率码的编译码性能提供了借鉴。本项目的实施潜在可实现5G网络中视频数据的低时延、高可靠分级传输。