CN101232346A - 低密度奇偶校验码译码方法和译码装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信领域中的纠错码技术，公开低密度奇偶校验码的译码方法，该方法包括：接收发送端重传的低密度奇偶校验码；根据接收到的低密度奇偶校验码和前次低密度奇偶校验迭代译码处理获得的信息确定本次译码的目标低密度奇偶校验码；对所述目标低密度奇偶校验码进行译码。本发明还提供低密度奇偶校验码的译码装置。从理论分析以及实验结果可以表明，本发明实施例提供的技术方案可以降低译码迭代次数，减少译码的运算量。

Description

低密度奇偶校验码译码方法和译码装置

技术领域

本发明涉及通信领域中的纠错码技术，尤其涉及低密度奇偶校验码的译码方法和译码装置。

背景技术

在现代通信系统中，由于传输路径中总有噪声存在，传输的数据可能会产生许多差错，在多数情况下，通过纠错码技术可以发现并纠正这些差错，使接收端得到正确的信息。目前，常用的纠错码主要包括卷积码、涡轮(Turbo)码和低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code，简称LDPC)等，卷积码性能相对较差，主要应用在要求不高的传统话音业务中；Turbo码具有出色的纠错性能，较多的应用在高质量、高速率业务中，其缺点是计算量较大，可能会引入较大的时延；LDPC是继Turbo码之后又一种性能较好的纠错码，由于可以进行并行解码，因而具有低复杂度、低延时的优点，在总体性能上要优于Turbo码。

采用纠错码技术可以大大提高数据的传输质量，在一定程度上保证信息的可靠性；然而，在利用纠错码技术对数据进行纠错后仍然无法达到系统对数据质量的要求的情况下，则需要引入重传技术进行数据的重传。目前较常见的重传技术包括前向纠错(Forward Error Correction，简称FEC)编码、自动重传请求(Auto Repeat Request，简称ARQ)和混合自动重传请求(HybridAuto Repeat Request，简称HARQ)；HARQ是将FEC编码和ARQ相结合的技术，其实现机制是：如果接收端接收到的数据包中的出错程度在FEC编码纠错能力之内，则错误被自行纠正；若数据包中的差错严重，超出FEC编码的纠错能力时，接收端自动通知发送端重发数据；HARQ技术可以避免FEC需要复杂的译码设备和ARQ方式信息连贯性差的缺点，且能够保证系统的低误码率。

纠错码技术和HARQ技术的结合是当今通信系统中的一个热点，如卷积码和HARQ技术的结合、Turbo码和HARQ技术的结合在宽带码分多址(简称WCDMA)、第三代合作伙伴计划长期演进(简称3GPP LTE)以及微波存取全球互通(简称Wimax)等系统中得到广泛应用，然而，如前面所述，卷积码和Turbo码具有其各自的局限性，在实际应用中不可避免的会对系统性能产生影响。另一方面，将性能上更为优越的LDPC码与HARQ技术加以结合则无疑会提升系统的性能，具有积极的意义。将LDPC码与HARQ技术相结合的主要难点之一在于在接收端如何以较小的运算量对重传的数据进行有效的纠错译码，现有技术中尚没有解决这一问题的方案。

发明内容

本发明的实施例要解决的技术问题是提供低密度奇偶校验码译码方法和译码装置，以较小的运算量对重传LDPC码进行译码。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供以下技术方案：

一种低密度奇偶校验码的译码方法，包括：

接收发送端重传的低密度奇偶校验LDPC码；

根据接收到的该重传的LDPC码和前次LDPC迭代译码处理获得的信息确定本次译码的目标LDPC码；

对所述目标LDPC码进行译码。

一种低密度奇偶校验码的译码装置，包括接收单元、存储单元、目标码生成单元和译码单元；其中：

接收单元用于接收发送端发送重传的LDPC码；

存储单元用于存储前次LDPC迭代译码处理中所获得的信息；

目标码生成单元用于根据传输单元接收的LDPC码和存储单元存储的信息确定本次译码的目标LDPC码；

译码单元用于对所述目标LDPC码进行译码。

从以上技术方案可以看出，接收端在对重传LDPC码进行译码时，利用了前次译码处理获得的信息；由于LDPC译码主要是通过迭代计算对差错数据进行纠错，随着迭代次数增加，纠错程度也就越高，因此，即使纠错并不是完全成功，每次译码处理所获得的信息仍然具有一定的导向作用；从上述分析以及实验结果可以表明，与只是根据重传码字进行译码相比，本发明实施例提供的技术方案可以降低译码迭代次数，减少译码的运算量。

附图说明

图1是本发明所提供校验矩阵实例的要素图；

图2是本发明实施例一低密度奇偶校验码的译码方法的流程图；

图3是本发明实施例三低密度奇偶校验码的译码装置的结构图。

具体实施方式

对应于不同的HARQ技术，发送端发送LDPC码也有所不同。主要可以通过穿孔和扩展两种方式实现，下面分别通过具体实例对这两种情况进行介绍，可以理解的，发送端发送LDPC码的方式的实现并不局限于所给出的具体实例。

一、穿孔的HARQ方式；

设码率兼容LDPC码表示为C＝{d₁d₂…d_sp}，其中d_i表示信息位，p表示校验位。发送端第一次发送信息位d₁d₂…d_s和校验位p后，若接收端对其译码不成功，则请求发送端进行重传，发送端在重传时将信息位减少为d_id_i+1…d_s，1＜i＜s，并由此构造校验位p′，重新发送信息位d_id_(i+1)…d_s和校验位p′。

二、扩展的HARQ方式；

设码率兼容LDPC码表示为C＝{dp₁p₂…p_s}，其中d表示信息位，p_i表示校验位。发送端第一次发送信息位d和校验位p₁后，若接收端对其译码不成功，则请求发送端进行重传；发送端在重传时发送校验位p₂。

接收端对目标LDPC码进行迭代译码后，若所获得的结果码满足 $H\hat{X}=0$ 时，译码成功；若

不满足上述条件，则译码失败，接收端向发送端发送重传请求，根据发送端重传的LDPC码进行下一次译码。在式 $H\hat{X}=0$ 中，H表示目标LDPC码的校验矩阵，该矩阵是一个稀疏矩阵，即由大量的0和少量的1组成；校验矩阵H与生成矩阵对偶，其结构可以用包括校验节点、信息节点以及连接校验节点和信息节点的边缘曲线的要素图来定义。下面通过一个具体实例对校验矩阵及其要素图加以说明，参考图1所示的要素图，本例中定义4个校验节点zi和8个信息节点xi，并定义校验节点和信息节点的约束关系如图中连线所示，则与其对应的校验矩阵H是一个8×4的矩阵，具体为：

$H=\left[\begin{array}{cccccccc}1& 1& 0& 1& 0& 1& 0& 0\\ 1& 0& 1& 0& 1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 0& 1& 0& 1& 1\\ 0& 1& 0& 1& 0& 1& 0& 1\end{array}\right]$

LDPC码的译码主要是通过校验节点消息和信息节点消息的更新和相互间的传递实现的，较通用的一种译码算法是置信传播(Belief Propagation，简称BP)算法。下面以BP算法为例，对本发明的具体实施例进行详细描述。

实施例一、一种低密度奇偶校验码的译码方法，本实施例中，采用扩展的HARQ方式；参考图2，包括以下步骤：

B1、接收发送端首次发送的LDPC码，根据该码字确定本次译码的目标LDPC码，并设置所述目标LDPC码为译码初始的信息节点消息；

发送端通过生成矩阵将信源输出信息编码成码元为{0，1}的LDPC码，其中包括信息比特和校验比特，然后将上述序列码映射调制成码元为{+1，-1}的LDPC码后发送；

若设发送端发送的LDPC码X＝{x₁x₂…x_N}，经过信道传输后，接收端接收到的码R＝{r₁r₂…r_N}，R＝X+v，v为零均值噪声向量，其功率谱密度为σ_n ²；可以采用下式(1)对每个i和j进行计算，确定本次译码的目标LDPC码(即初始的信息节点消息)：

$v_{i,j}={2r}_j/{\mathrm{\σ}}_n^2$ ----公式(1)

其中，v_i，j为信息节点xi传给校验节点zj的信息节点消息；

B2、根据信息节点消息计算校验节点消息；可以对每个i和j通过下式(2)计算校验节点消息：

$u_{i,j}=2{\tanh }^{-1}\left[\underset{k\∈N\left(j\right)\backslash i}{\mathrm{\Π}}\tanh (v_{i,k}/2)\right]$ ----公式(2)

其中，u_i，j是校验节点zi传给信息节点xj的校验节点消息；集合N(i)＝{j：hij＝1}表示校验节点zi约束的局部码元信息集，N(i)\j表示N(i)不包含j的子集；

B3、根据所述校验节点消息和所接收的LDPC码计算新的信息节点消息，并计算信息节点的信息值；可以对每个i和j通过下式(3)计算信息节点消息，对每个j通过下式(4)计算信息值：

$v_{i,j}={2r}_j/{\mathrm{\σ}}_n^2+\underset{k\∈M\left(j\right)\backslash i}{\mathrm{\Σ}}{u}_{k,j}$ ----公式(3)

$v_j={2r}_j/{\mathrm{\σ}}_n^2+\underset{k\∈M\left(j\right)}{\mathrm{\Σ}}{u}_{k,j}$ ----公式(4)

其中，v_j为信息节点xj的信息值；集合M(j)＝{i：hij＝1}表示信息节点xj参加的校验集，M(j)\i表示M(j)不包含i的子集；

B4、对所计算出的信息值进行硬判决；对硬判决结果进行校验，若校验结果满足预定要求，则对目标LDPC码的译码成功，以所述硬判决结果为译码结果进行输出，终止流程；否则，执行B5；

可以对每个j通过下式(5)对v_j进行硬判决；

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{x}}_j=0,v_j>0\\ {\hat{x}}_j=1,v_j\≤0\end{array}\right.$ ----公式(5)

若硬判决后的结果码

满足 $H\hat{X}=0,$ 则对目标LDPC码的译码成功，其中H表示目标LDPC码的校验矩阵。

B5、判断若已达到预设的最大迭代次数，执行B6；否则返回执行B2；

B6、向发送端发送重传请求，根据接收的重传LDPC码以及前次译码过程中最后一次迭代所计算出的信息节点消息确定本次重传译码的目标LDPC码，并设置该码字为本次重传译码初始的信息节点消息，返回执行B2重复上述译码过程，直至译码成功或达到预设的最大重传次数。

令接收的重传LDPC码R_t＝{r_t，1r_t，2…r_t，K}，重传译码的目标LDPC码的校验矩阵 $H_t={\left(h_{\mathrm{ij}}\right)}_{M_t\×N_t},$ t＝2，3，4，…s，t表示重传次数，根据扩展HARQ方式的特性，有M_t＞M，N_t＞N，t表示重传次数；集合M_t(j)、M_t(j)\i、N_t(j)、N_t(j)\i与H_t对应，分别代表与M(j)、M(j)\i、N(j)、N(j)\i相同的含义；在对重传后的目标LDPC码进行译码时，由r_t，j、M_t(j)、M_t(j)\i、N_t(j)、N_t(j)\i以及H_t分别代替首次迭代译码过程中的r_j、M(j)、M(j)\i、N(j)、N(j)\i以及H。

可以根据下式(6)确定本次重传译码的目标LDPC码：

----公式(6)

其中，v_i，j′为前次译码过程中最后一次迭代所计算出的信息节点消息；α为由信道参数确定的加权系数，它反映了前次译码所能提供给本次译码的信息量，可以由下式(7)确定：

$\mathrm{\α}=f\left(\sqrt{\frac{4}{{\mathrm{\σ}}_n^2}}\right)$ ----公式(7)

其中，f(x)可以由下式(8)确定，或者也可以通过下式(9)做近似计算：

$f\left(x\right)=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\frac{e^{{-\left(\frac{(t-x^2/2)}{{2\mathrm{\δ}}^2}\right)}^2}}{\sqrt{{2\mathrm{\πx}}^2}}\log [1+e^{-t}]\mathrm{dt}$ ----公式(8)

$f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_{\mathrm{1,1}}{x}^3+b_{\mathrm{1,1}}{x}^2+c_{\mathrm{1,1}}x,& 0\&le;x\&le;1.6363\\ 1-e^{a_{\mathrm{1,2}}{x}^3+b_{\mathrm{1,2}}{x}^2+c_{\mathrm{1,2}}x+d},& 1.6363<x\&le;10\\ 1,& x\&GreaterEqual;10\end{array}\right.$ ----公式(9)

公式(9)中，a_1，1＝-0.0421061，b_1，1＝0.29252，c_1，1＝-0.00640081

a_1，2＝0.00181491，b_1，2＝-0.142675，c_1，2＝-0.0822054，d＝0.0549608

实施例二、一种低密度奇偶校验码的译码方法，本实施例中，采用穿孔的HARQ方式，其译码方法与实施例一基本相同，区别之处在于在本实施例中，确定作为重传译码的目标LDPC码字采用与公式(6)不同的方法：

若令接收的重传LDPC码R_t＝{r_t，1r_t，2…r_t，L}，重传译码的目标LDPC码的校验矩阵 $H_t={\left(h_{\mathrm{ij}}\right)}_{M_t\&times;N_t},$ t＝2，3，4，…s，t表示重传次数，根据穿孔的HARQ方式的特性，有M_t＝M，N_t＜N；若设重传LDPC码中信息比特位于码序列前0～N_t-M_t位，可以采用下式(10)确定作为重传译的目标LDPC码：

----公式(10)

其中，v_i，j′和α的含义与实施例一相同，α可以采用与实施例一中相同的方法确定。

以下对本发明提供的低密度奇偶校验码的译码装置的推荐的实施例进行描述。

实施例三、一种低密度奇偶校验码的译码装置，参考图3，包括接收单元210、译码单元220、存储单元230目标码生成单元240；其中：

接收单元210用于接收发送端重传的LDPC码；

存储单元230用于存储前次译码过程中最后一次迭代所计算出的信息节点消息；

目标码生成单元240用于根据接收单元210接收的LDPC码和存储单元230存储的信息确定本次译码的目标LDPC码；

译码单元220用于对所述目标LDPC码进行译码；具体包括初始化单元2211、信息节点消息更新单元2212和信息值更新单元2213、校验节点处理单元222、判决单元223、校验单元224和控制单元225：

初始化单元2211用于设置目标码生成单元240确定的目标LDPC码为本次译码初值的信息节点消息，并将所述信息节点消息提供给校验节点处理单元222；

信息节点消息更新单元2212用于根据校验节点处理单元222提供的校验节点消息和接收单元210接收的LDPC码计算新的信息节点消息，并在接收到控制单元225发送的继续迭代译码的控制信号时将计算出的信息节点消息提供给校验节点处理单元222；

信息值更新单元2213用于根据校验节点处理单元222提供的校验节点消息和接收单元210接收的LDPC码计算信息节点的信息值，并将计算出的信息值提供给判决单元223；

校验节点处理单元222用于根据初始化单元2211或信息节点消息更新单元2212提供的信息节点消息计算校验节点消息，并将计算出的校验节点消息提供给信息节点消息更新单元2212和信息值更新单元2213；

判决单元223用于对信息值更新单元2213提供的信息值进行硬判决，并将判决结果传输到校验单元224；

校验单元224用于根据所述目标LDPC码的校验矩阵对判决单元223提供的硬判决结果进行校验，并向控制单元225输出校验结果；

控制单元225用于在所述校验结果是满足预定要求的情况下，确定对所述目标LDPC码的译码成功，以判决单元的硬判决结果为译码结果进行输出；在所述校验结果不满足预定要求的情况下，当还未达到预设的最大迭代次数时，向信息节点消息更新单元2212发送继续迭代译码的控制信号；当已达到预设的最大迭代次数且未达到预设的最大重传次数时，向发送端发送重传请求。

本发明还提供一种在计算机可读介质上实施的对低密度奇偶校验码进行译码的计算机程序，包括：

第一组指令，用于接收发送端重传的LDPC码，根据所述LDPC码和前次LDPC迭代译码处理获得的信息确定本次译码的目标LDPC码；

第二组指令，用于将目标LDPC码设置为本次译码初始的信息节点消息；

第三组指令，用于根据信息节点消息计算校验节点消息；

第四组指令，用于根据所述校验节点消息和所述目标LDPC码计算新的信息节点消息；

第五组指令，用于根据所述校验节点消息和所述目标LDPC码计算信息节点的信息值；

第六组指令，用于对所述信息值进行硬判决；

第七组指令，用于根据所述目标LDPC码的校验矩阵对所述硬判决的结果进行校验；

第八组指令，用于在所述校验的结果满足预定要求的情况下以所述硬判决结果为译码结果进行输出，停止上述各组指令的执行；在所述校验的结果不满足预定要求的情况下进一步判断若还未达到预定迭代次数，则控制第三组指令继续执行。

从以上技术方案可以看出，接收端在对重传LDPC码进行译码时，利用了前次译码处理获得的信息；由于LDPC译码主要是通过迭代计算对差错数据进行纠错，随着迭代次数增加，纠错程度也就越高，因此，即使纠错并不是完全成功，每次译码处理所获得的信息仍然具有一定的导向作用；从上述分析以及实验结果可以表明，与只是根据重传码字进行译码相比，本发明实施例提供的技术方案可以降低译码迭代次数，减少译码的运算量。

以上对本发明所提供的低密度奇偶校验码的译码方法和译码装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (13)

1.一种低密度奇偶校验码的译码方法，其特征在于，包括：

接收发送端重传的低密度奇偶校验LDPC码；

根据接收到的该重传的LDPC码和前次LDPC迭代译码处理获得的信息确定本次译码的目标LDPC码；

对所述目标LDPC码进行译码。

2.如权利要求1所述的低密度奇偶校验码的译码方法，其特征在于，所述对所述目标LDPC码进行译码具体包括：

A、设置所述目标LDPC码为本次译码初始的信息节点消息；

B、根据信息节点消息计算校验节点消息；

C、根据所述校验节点消息及所接收的目标LDPC码计算新的信息节点消息以及信息节点的信息值；

D、对所述信息值进行硬判决，根据所述目标LDPC码的校验矩阵对所述硬判决的结果进行校验；

E、若所述校验的结果满足预定要求，对所述LDPC码的译码成功，以所述硬判决结果为译码结果进行输出。

3.如权利要求2所述的低密度奇偶校验码的译码方法，其特征在于，所述根据所述目标LDPC码的校验矩阵对所述硬判决的结果进行校验后还包括：若所述校验的结果不满足预定要求，则在未达到预设的最大迭代次数的情况下，返回执行B。

4.如权利要求2所述的低密度奇偶校验码的译码方法，其特征在于，所述根据所述目标LDPC码的校验矩阵对所述硬判决的结果进行校验后还包括：若所述校验的结果不满足预定要求，则在已达到预设的最大迭代次数且未达到预设的最大重传次数的情况下，向发送端发送重传请求。

5.如权利要求1所述的低密度奇偶校验码的译码方法，其特征在于，所述确定本次译码的目标LDPC码时还依据前次LDPC迭代译码处理获得信息的加权系数；所述加权系数是根据信道的噪声功率谱密度确定。

6.如权利要求5所述的低密度奇偶校验码的译码方法，其特征在于，所述加权系数具体是通过下式确定：

$\mathrm{\&alpha;}=f\left(\sqrt{\frac{4}{{\mathrm{\&sigma;}}_n^2}}\right);$

其中，

σ_n ²表示信道的功率谱密度；

$f\left(x\right)=\underset{-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\&Integral;}}\frac{e^{-{\left(\frac{(t-x^2/2)}{2{\mathrm{\&delta;}}^2}\right)}^2}}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}{x}^2}}\log [1+e^{-t}]\mathrm{dt};$

或者， $f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_{\mathrm{1,1}}{x}^3+b_{\mathrm{1,1}}{x}^2+c_{\mathrm{1,1}}x,& 0\&le;x\&le;1.6363\\ 1-e^{a_{\mathrm{1,2}}{x}^3+b_{\mathrm{1,2}}{x}^2+c_{\mathrm{1,2}}x+d},& 1.6363<x\&le;10.\\ 1,& x\&GreaterEqual;10\end{array}\right.$

7.如权利要求1至6任一项所述的低密度奇偶校验码的译码方法，其特征在于，所述前次LDPC迭代译码处理获得的信息具体是：

前次译码过程中最后一次迭代所计算出的信息节点消息。

8.如权利要求7所述的低密度奇偶校验码的译码方法，其特征在于，所述确定本次译码的目标LDPC码具体是通过下式所确定：

其中，

v_i，j表示本次译码的目标LDPC码；

v_i，j′表示前次译码过程中最后一次迭代所计算出的信息节点消息；

α表示加权系数；

σ_n ²表示信道的功率谱密度；

r_t，j表示所述接收的LDPC码；

M，N分别表示前次译码的目标LDPC码的校验矩阵的行阶数及列阶数。

9.如权利要求7所述的低密度奇偶校验码的译码方法，其特征在于，所述确定本次译码的目标LDPC码具体是通过下式所确定：

其中，

v_i，j表示本次译码的目标LDPC码；

v_i，j′表示前次译码过程中最后一次迭代所计算出的信息节点消息；

α表示加权系数；

σ_n ²表示信道的功率谱密度；

r_t，j表示所述接收的LDPC码；

M表示前次译码的目标LDPC码的校验矩阵的行阶数；

M_t、N_t分别表示本次译码的目标LDPC码的校验矩阵的行阶数及列阶数。

10.一种低密度奇偶校验码的译码装置，其特征在于，包括接收单元、存储单元、目标码生成单元和译码单元；其中：

接收单元用于接收发送端重传的LDPC码；

存储单元用于存储前次LDPC迭代译码处理中所获得的信息；

目标码生成单元用于根据传输单元接收的LDPC码和存储单元存储的信息确定本次译码的目标LDPC码；

译码单元用于对所述目标LDPC码进行译码。

11.如权利要求10所述的低密度奇偶校验码的译码装置，其特征在于，

所述译码单元具体包括初始化单元、信息节点消息更新单元、信息值更新单元、校验节点处理单元、判决单元、校验单元和控制单元：

初始化单元用于设置目标码生成单元确定的目标LDPC码为译码初值的信息节点消息，并将所述信息节点消息提供给校验节点处理单元；

信息节点消息更新单元用于根据校验节点处理单元提供的校验节点消息和接收单元接收的LDPC码计算新的信息节点消息；

信息值更新单元用于根据校验节点处理单元提供的校验节点消息和接收单元接收的LDPC码计算信息节点的信息值，并将计算出的信息值提供给判决单元；

校验节点处理单元用于根据初始化单元或信息节点消息更新单元提供的信息节点消息计算校验节点消息，并将计算出的校验节点消息提供给信息节点消息更新单元和信息值更新单元；

判决单元用于对信息值更新单元提供的信息值进行硬判决，并将判决结果传输到校验单元；

校验单元用于根据所述目标LDPC码的校验矩阵对判决单元提供的硬判决结果进行校验，并向控制单元输出校验结果；

控制单元用于在所述校验结果是满足预定要求的情况下，确定对所述目标LDPC码的译码成功，以判决单元的硬判决结果为译码结果进行输出；

所述存储单元存储的前次LDPC迭代译码处理中所获得的信息具体是前次译码过程中最后一次迭代所计算出的信息节点消息。

12.如权利要求11所述的低密度奇偶校验码的译码装置，其特征在于，所述控制单元还用于：

在所述校验结果不满足预定要求的情况下，当未达到预设的最大迭代次数时，向信息节点消息更新单元发送继续迭代译码的控制信号；

信息节点消息更新单元还用于：当接收到控制单元发送的继续迭代译码的控制信号时，将计算出的信息节点消息提供给校验节点处理单元。

13.如权利要求11或12所述的低密度奇偶校验码的译码装置，其特征在于，所述控制单元还用于：

在所述校验结果不满足预定要求的情况下，当已达到预设的最大迭代次数且未达到预设的最大重传次数时，向发送端发送重传请求。

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