数字喷泉码在无人机航拍数据回传上的应用

摘要：随着无人机航拍技术的风靡与发展，对于航拍的视频数据回传的质量要求也逐渐提升，传统的视频传输技术在恶劣的信道条件下不能保证视频的传输质量，由此提出了基于喷泉码的数据传输优化方案。本文在介绍喷泉码（LT码和Raptor码）原理的基础上，阐述数字喷泉码（LT码和Raptor码）在无人机航拍数据回传上的应用。

关键词：无人机 数据回传 数字喷泉码 LT码 Raptor码

中图分类号：TN919.3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0087-02

1 引言

航拍是小型无人机在民用领域里的主要应用，良好的航拍体验要求航拍画面实时、清晰、流畅，对数据传输系统的性能提出了极高的要求。

小型无人机数据传输系统的主要任务是把经过压缩的视频数据可靠、有效地传输到地面应用。而在实际应用时，无人机经常需要在会场、楼宇之间、城市道路、工厂附近、深山峡谷等信道条件非常恶劣的环境工作，在这些环境下要求视频传输清晰和流畅是对无人机数据传输系统非常严峻的挑战。另外，无人机的飞行高度可达数百米，飞行距离可达数公里，无线信道中信号的强度随距离的增加呈指数递减，导致无人机飞行得越高越远视频传输质量越差。因此，研究提高视频传输质量的方法具有非常重要的意义。

数字喷泉码作为一种应用于提高传输质量的技术，能够兼顾信道纠错和自适应信道两种功能，最早由Michael Luby 等人提出。其基本思想是：编码端将原始的数据分组通过随机编码产生理论上无限长的编码包，解码端只需接收略大于原始数据分组数目的编码包，即可以高概率重构原始文件[1]，且与具体接收到哪些编码包无关。数字喷泉码能够在最大限度地减少反馈信息的情况下更高效完成数据可靠传输。本文主要介绍两种有效的数字喷泉码：LT（Luby Transform）码和Raptor码在无人机数据回传上的应用。

2 数字喷泉码原理

所谓数字喷泉，就是将原始待编码的数据块切分成一定数量的更小的数据包，或者称为输入符号，按照某种分布从这些数据包中随机选择不固定数量的数据包，根据某种相关运算编码成编码数据包，或者称为输出符号，此编码数据包类似喷泉喷出的一滴水，喷泉码编码器则类似水喷泉。接收端只要接收到足够数量的编码包而不关心具体接收到哪些编码包也不关心接收到的编码包的顺序，就能够按照相应的相关运算以高概率完成解码恢复原始数据，这类似使用杯子接收足够的水而不关心具体接收哪些水滴。

2.1 LT码编译码原理

2002年Luby提出了一类非常适用于网络数据分布的编码方案-LT（Luby Transform）码[2]。编码以一个待传送的原始数据作为输入，以一个编码包流作为输出，每一个编码包都按照如下算法独立生成：

（1）把原始数据等分为k个输入符号，在1～k范围内按照某个分布（编码器的度分布）随机选取一个整数d（编码包的度）；（2）从k个输入符号中随机地选取d个不同的输入符号；（3）对这d个输入符号做异或运算，产生一个输出符号。

上述编码原理可以用图2-1来表示。

当接收端根据接收的编码包恢复原始数据时，需要知道每个编码包所对应的度和邻接关系，通常把度和邻接关系作为编码包的包头构成新的数据包来传送。

LT码的译码过程采用了一种迭代算法——信息传递法（Message Passing，MP），其过程（可用图2-2描述）如下：

（1）接收端接收到略大于k个编码包后，根据编码符号的度和编码符号与输入符号的邻接关系建立双向图；（2）从双向图中选择度为1的编码符号，此符号就是输入符号，即与度为1的编码符号对应的输入符号可以直接恢复。如果接收的编码包中不存在度为1的编码符号，译码以失败停止；（3）将所有与已经恢复的输入符号邻接的编码符号和这个已经恢复的输入符号进行异或运算，用异或运算的结果替代原编码符号，把这个已恢复符号和编码符号之间的边从图中删除，并把这些编码符号的度减1。（4）返回步骤2直到译码结束。假如能够恢复所有输入符号，则译码以成功结束；否则译码以失败结束，此时也可以继续接收更多的编码包再进行译码。

2.2 Raptor码编译码原理

Raptor码是由Shokrollahi提出的迄今为止最有效的一类数字喷泉码[1]，是在LT码的基础上发展而来的。Raptor码编码由高速预编码和LT码编码过程组成[3]，Raptor码的编码过程如下：

（1）由K个长为T字节的源符号C[0]，C[1]，…，C[K-1]进行预编码，产生L（L>K）个长为T字节的中间符号C[0]，C[1]，…，C[L-1]；

（2）由中间符号进行LT编码产生源符号和修复符号。

Raptor码的译码也就比较简单，先采用LT码的译码方法译出中间符号的数据包，再采用预编码对应的译码方法译出中间数据包所对应的所有数据内容。

3 数字喷泉码在航拍数据回传上的应用

无人机航拍技术不仅可用于民用，还可以用于军事上。它的发展潜力巨大，人们对于航拍技术的各方面要求将会越来越高。在满足了硬件方面的条件之后，在软件部分，如何提高传输质量就成为了研究的重点。

从之前介绍的数字喷泉码的概念和原理可以看出，喷泉码实际上是一种面向分组的前向纠错编码（FEC）技术，与其他可靠性保障机制相比，喷泉码具有一些明显的优势：

（1）可扩展性强。在喷泉码方案的接收端，译码器只要收到足够的数据就可以恢复数据，反馈机制不是必须提供的，与自动请求重传（ARQ）相比，避免了反馈信号的往返延时和广播、多播应用中可能出现的反馈风暴以及网络拥塞造成的传输带宽受抑制的问题。（2）能够适用复杂多变信道状况。喷泉码编码器可以源源不断地输出编码包，码长不固定或者码长趋于无穷，码率不固定或者无码率。喷泉码的这个特点使得发送端可以根据网络状况调整编码码率来适应复杂多变的信道，充分利用信道容量。（3）编译码算法的复杂度低。理论上，喷泉码编码器产生一个输出符号所需的运算是与输入符号数量k无关的常数，译码器译得k个原始数据包所需运算量是关于k的线性函数，即具有线性复杂度。（4）对异质网络友好，支持并行下载、分层组播等应用。基于喷泉码无固定码率的特性，网络状况不同的用户可以依据自己的网络状况自由调整接收数据的多少，系统无需为劣质网络用户的接收质量而影响其他用户信息的发送，从而支持并行下载和分层组播等应用。

我们常用的两种数字喷泉码：LT码的编译码方法简单，编译码算法复杂度低，译码开销小；Raptor码因为设计和优化具有高速和高效率的特点，所以使其编译码的速度很快[4]。

正是由于数字喷泉码拥有了这样的一些优点，在数据传输的信道中，采用喷泉码制作的编译码器就能够保證让航拍到的视频数据高质量回传，从而得到原始的清晰、流畅的视频内容。

4 结语

本文通过对数字喷泉码（主要是LT码和Raptor码）的编译码原理的简单介绍，我们可以发现，喷泉码之所以能够应用在无人机航拍技术上，是源于它所具有的显著优势可以让航拍视频数据高质量回传。近几年， 关于数字喷泉码的研究已经取得了不少令人振奋的结果，数字喷泉码被认为是适用于可靠多播传输、多源下载、数据存储和无线协作传输等应用的最有前途的编码技术[5]。当然，随着无人机航拍技术的不断发展，喷泉码技术也将会不断进步，从而更好的应用到航拍技术以及其他更多 更广的技术中去。

参考文献

[1]Shokrollahi A. Raptor Codes[J].IEEE Transactions on Informatio Theory， 2006，52（6）：2551-2567.

[2]M Luby.LT Codes[A].In ：Proceedings of the 43rd Annu.IEEE.Symp Foundations of Computer Science（FOCS）[C].Canada：Vancouver，Nov.2002.71-280.

[3]唐崇彦，李建平，蔡时.TANG Chong-yan.LI Jian-ping.CAI Chao-shi Raptor码的原理及应用前景-通信市场.2008（1）.

[4]姜博，晏坚，蒋卫东.喷泉码及其在通信网络中的应用-数字通信世界，2007（10）.

[5]慕建君，焦晓鹏，曹训志.数字喷泉码及其应用的研究进展与展望[J].电子学报，2009（07）.

收稿日期：2016-08-30

作者简介：周滟（1989—），女，汉，四川广元人，大学本科，研究方向：数据传输，就职于四川信息职业技术学院。