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文檔簡介
1、,CCCN2010報告混沌在網(wǎng)絡傳輸應用層的數(shù)字噴泉編碼技術中的應用,報告人:陳增強 單位:南開大學 2010年10月,混 沌 簡 介,混沌是確定性非線性系統(tǒng)所表現(xiàn)的隨機行為的總稱 它的軌道有界;但卻不是固定點,周期軌,極限環(huán)或是準周期軌 具有對初始條件敏感,內隨機性,遍歷性等特征 出現(xiàn)在自然科學和社會科學的幾乎各個領域,數(shù)字噴泉碼產(chǎn)生的背景 數(shù)字噴泉碼實現(xiàn)的各個發(fā)展階段 數(shù)字噴泉碼的研究現(xiàn)狀 混沌在數(shù)字噴泉碼中的應用研究的意義和主要工作,混沌在數(shù)字噴泉碼中的應用研究,數(shù)字噴泉碼產(chǎn)生的背景,因特網(wǎng)上數(shù)據(jù)的可靠傳輸已成為人們研究的一個熱點問題. 目前, 大多數(shù)網(wǎng)絡通訊通過運用合適的通訊協(xié)議來保證
2、傳輸?shù)目煽啃? 例如TCP/IP協(xié)議 TCP協(xié)議把數(shù)據(jù)處理成有序的數(shù)據(jù)包,并利用發(fā)送確認信息和重傳丟失的數(shù)據(jù)包的方法來保證傳輸質量。 引發(fā)的問題:服務器的負荷過重, 網(wǎng)絡擁塞,在有些情況下, 網(wǎng)絡根本沒有發(fā)送反饋信息的條件, 例如有些無線網(wǎng)絡和衛(wèi)星通訊網(wǎng)絡,什么是數(shù)字噴泉碼?,數(shù)字噴泉碼的編碼方法可以由原始數(shù)據(jù)包生成任意數(shù)量的編碼包, 而接收方只要收到其中任意 m 個編碼包, 即可通過解碼以高概率成功恢復全部原始數(shù)據(jù)包。一般情況下, 這里的 m 略大于 k , k是原始數(shù)據(jù)的長度。,數(shù)字噴泉碼的特點,單向傳輸,不受丟包率影響,糾錯能力強 快速編碼和解碼算法,具有線性編解碼復雜度的新型隨機編碼方
3、式。 與碼率無關 ,由原始數(shù)據(jù)包生成任意數(shù)量的編碼包 支持異步接入,且與多種編碼技術和傳輸協(xié)議兼容,應用:多播,并行下載,視頻流,無線網(wǎng)絡等領域,數(shù)字噴泉碼的發(fā)展,J. Byers, M. Luby 1等人于1998 年首次提出數(shù)字噴泉的概念, 但當時并沒有給出現(xiàn)實可行的噴泉碼設計方案。 M. Luby、A. Shokrollahi 等人聯(lián)合創(chuàng)立了Digital Fountain 公司, 以推廣數(shù)字噴泉概念的實際應用。,2002 年, M. Luby 2 提出了第一種現(xiàn)實可行的噴泉碼LT (Luby transform) 碼。在學術理論日漸完善的同時, 噴泉碼也日益受到產(chǎn)業(yè)界的關注, 獲得了越
4、來越多的實際應用。,目前, 一種由Digital Fountain 公司設計的系統(tǒng)Raptor 碼 3 已經(jīng)被DVB- H 標準和3GPP 組織的 MBMS 標準采用, 并且正在參與其他多項國際標準的制定。,數(shù)字噴泉碼實現(xiàn)的各個階段,Reed-Solomn (RS)碼:編碼在有限域上的操作限制了生成的編碼的數(shù)目;對于數(shù)目較大的 k 和 m,其編碼算法的復雜性令人望而卻步,Tornado 碼(1998年):從嚴格意義上講還不是數(shù)字噴泉碼,因為其每次編碼生成的包的數(shù)目是事先確定并固定不變的,這與噴泉碼的初衷相悖。但是它以其稀疏不規(guī)則隨機二分圖和以異或操作來定義邊的思想成為了后來的 LT 碼和Rap
5、tor 碼的先驅。,LT 碼(2002年):M. Luby 提出的 LT 碼是第一種實用的數(shù)字噴泉碼, 具有簡單的編譯碼方法以及較小的解碼開銷和編解碼復雜度, 為噴泉碼的進一步發(fā)展奠定了基礎。,Raptor 碼(2006年):A. Shokrollahi 設計的 Raptor 碼是目前數(shù)字噴泉碼的最好的實現(xiàn)。生成每個編碼包需要的運算量是一個與 k 無關的常數(shù), 而成功解碼 m 個編碼包獲得 k 個原始數(shù)據(jù)包需要的運算量是一個關于 k 的線性函數(shù)。,數(shù)字噴泉碼的研究現(xiàn)狀,研究工作主要分為兩個方面:,一方面致力于從理論上分析和提高噴泉碼的性能,例如: 提出嚴格分析LT碼的模型6 。 設計了一種優(yōu)化
6、算法的方法來尋找使LT碼性能最好的度分布7 從解碼算法入手,利用接收到的編碼包所含的冗余信息,來提高LT碼的成功解碼概率 從理論上驗證了用偽隨機數(shù)發(fā)生器實現(xiàn)的LT碼的性能和理論上差別不大9 分析在更現(xiàn)實的通信信道環(huán)境下,LT碼和Raptor碼的糾刪率與編碼包長度之間的依賴關系10 。,數(shù)字噴泉碼的研究現(xiàn)狀(續(xù)),研究工作主要分為兩個方面:,另一方面致力于數(shù)字噴泉碼的應用研究 ,例如: Raptor codes在無線廣播系統(tǒng)中的可靠下載12和手機廣播網(wǎng)絡中的多媒體可靠下載13中的應用 將基于數(shù)字噴泉碼的協(xié)議與基于TCP協(xié)議在擁塞情況下的通信效果進行比較 存儲系統(tǒng)14, 視頻編碼15,流媒體技術1
7、6,無線傳感網(wǎng)絡17等領域的應用,混沌在數(shù)字噴泉碼中的應用的研究意義和主要工作,將混沌應用到數(shù)字噴泉碼中是一個創(chuàng)新性的想法,目前還沒有這方面的研究工作。 選題依據(jù): 目前數(shù)字噴泉碼的編碼實現(xiàn)過程中需要用到偽隨機數(shù)發(fā)生器來選擇編碼包的度和鄰居; 混沌本身就是一種復雜的類似噪聲的行為,且具有如下特性:(1)時域上為類似隨機過程;(2)頻域上為寬帶非對稱連續(xù)譜;(3)對初始值的敏感依賴性;(4)具有分形結構?;煦绲倪@些特征非常適合用來設計形式簡單,性能好的偽隨機數(shù)發(fā)生器,因此,可以用混沌系統(tǒng)的這些特性來幫助確定編碼包的度和鄰居信息,混沌在數(shù)字噴泉碼中的應用的研究意義和主要工作(續(xù)),混沌在數(shù)字噴泉碼
8、中的應用的優(yōu)勢: 混沌系統(tǒng)的遍歷性的特征,可以幫助編碼過程中的原始數(shù)據(jù)包以更均勻的概率被隨機選擇,使解碼的成功概率更高,減小解碼開銷。 由于混沌偽隨機數(shù)發(fā)生器形式簡單且生成的時間序列是確定性的,可使發(fā)送方在向接收方發(fā)送了混沌系統(tǒng)的方程和初始條件之后,通過接收雙方的同步,使接收方自動推算出接收到的各個編碼包的度和鄰居信息,這樣就不需要在編碼包中放入度和鄰居信息,尤其在原始數(shù)據(jù)包數(shù)目大的情況下,可以極大減少傳輸?shù)南?,提高信道容量的利用率?目前混沌加密的研究已有良好的基礎,如果將數(shù)字噴泉碼的混沌編碼和混沌加密巧妙的結合起來,就可以同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸和保密通信。,混沌在數(shù)字噴泉碼中的應用的研究
9、意義和主要工作,研究工作將從形式簡單的LT碼的實現(xiàn)入手,以減少解碼開銷為目標,選擇合適的混沌系統(tǒng)利用到LT碼的編碼過程中,在解碼過程中利用混沌減少解碼成功需要的編碼包的數(shù)目。,噴泉碼:一種迥異于TCP/IP的新穎的信道編碼技術;更可靠,更省時;丟包率更小,混沌在數(shù)字噴泉編碼技術中的應用,發(fā)送方:像水龍頭 不需要區(qū)分各個接收者 接收方:像杯子 不關心接包的順序,只關心接收的數(shù)據(jù)包的數(shù)目,研究背景,混沌在數(shù)字噴泉編碼技術中的應用,LT碼: 第一種真正意義上的噴泉碼,現(xiàn)實可行,具有簡單的編譯碼方法以及較小的解碼開銷和編解碼復雜度,編碼過程:,LT 碼的每個編碼包的生成步驟: (1)按照事先確定的度分
10、布(d) 為該編碼包隨機抽樣選擇度d的值。 (2)以均勻概率從構成源文件的k個數(shù)據(jù)包中隨機選擇d個不同的包作為該編碼包的鄰居。 (3)把這d個鄰居的值進行異或操作,得到的值作為該編碼包的值。,我們提出了基于Kent 混沌映射的LT 碼的編解碼算法,巧妙利用混沌序列的隨機性和遍歷性的特性來替代傳統(tǒng)的偽隨機數(shù)發(fā)生器,滿足LT 碼編碼過程中對隨機的要求。,混沌在數(shù)字噴泉編碼技術中的應用,一種基于混沌的LT碼的編解碼算法,Kent 混沌映射:,LT 碼的每個編碼包的生成步驟: (1)按照 (2)以,特點:(1)對初始條件非常敏感; (2)均勻一致分布,混沌在數(shù)字噴泉編碼技術中的應用,一種基于混沌的LT
11、碼的編解碼算法,編碼算法原理,(1)編碼包的度值的確定: 假設構成源文件的輸入符號的數(shù)目為k ,按照Robust Soliton 度分布函數(shù)將(0,1) 這個區(qū)間劃分成k 個不重疊的長度不等的子區(qū)間,并且使每個子區(qū)間對應一個度值j (1 j k )。由于Kent 混沌映射的時間序列的值在(0,1)區(qū)間內均勻分布,因此該序列的每個值都會落在其中的某個子區(qū)間中,這個子區(qū)間對應的度值就可作為一個編碼包的度值。,(2)編碼包的鄰居的選取; 設已經(jīng)確定一編碼包的度值為d,我們取Kent 映射的一時間序列Y(n)(1 n k ),其長度應為輸入符號構成的輸入向量的長度,即輸入符號的數(shù)目k。找出序列Y(n)
12、的前d 個最大值,記錄它們在序列中的位置,那么輸入向量中與它們位置相同的d 個輸入符號就作為該編碼包的d 個鄰居。,混沌在數(shù)字噴泉編碼技術中的應用,一種基于混沌的LT碼的編解碼算法,由偽隨機數(shù)發(fā)生器實現(xiàn)的LT碼的傳輸效率,由混沌序列實現(xiàn)的LT碼的傳輸效率,混沌在數(shù)字噴泉編碼技術中的應用,仿真研究結果,源文件長度k=1000,源文件長度k=2000,混沌在數(shù)字噴泉編碼技術中的應用,一種基于混沌的LT碼的編解碼算法,仿真研究結果,由偽隨機數(shù)發(fā)生器實現(xiàn)的LT碼的傳輸效率,由混沌序列實現(xiàn)的LT碼的傳輸效率,源文件長度k=5000,提出了一種基于混沌的LT碼的編解碼算法,巧妙使用了混沌序列的隨機性,遍歷性特征為編碼包選擇度值和鄰居。 仿真結果發(fā)現(xiàn)在編碼中使用混沌序列替代傳統(tǒng)的偽隨機數(shù)發(fā)生器能夠提高LT碼的傳輸效率。 并且基于混沌的LT碼能夠使發(fā)送方和接收方更方便有效的通信編碼包的度和鄰居信息,減小傳輸消耗。,混沌在數(shù)字噴泉編碼技術中的應用,一種基于混沌的LT碼的編解碼算法,結論:,在改進的Robust Soliton 分布中,我們將原度分布中的(i) 和(i) 結合起來,并取消了允許失敗概率參數(shù)。依據(jù)是在仿真研究
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