CN101582697A - 低密度奇偶校验(ldpc)解码器 - Google Patents

低密度奇偶校验(ldpc)解码器 Download PDF

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Abstract

本发明提供用以基于选择λ个最小值来执行低密度奇偶校验(LDPC)码的迭代解码的方法和设备。在一个方面，一种LDPC解码器包括：用于根据传入消息的量值将校验节点的多个传入消息进行分类的构件；用于从所述传入信息中识别预定数目的唯一消息量值的构件；和用于计算针对所述多个传入消息的子集的传出消息的构件，其中所述子集的所述消息具有大于所述预定数目的唯一消息量值的不同量值，但所述传出消息经计算为具有相同量值。在至少一个实施例中，所述解码器进一步包括用于计算量值等于所述预定数目的唯一消息量值中的任一者的传出消息的构件。一般来说，针对所有传出消息所计算的所述量值可能不一定相同。

Description

低密度奇偶校验(LDPC)解码器
技术领域
本发明的至少一些实施例大体上涉及低密度奇偶校验(LDPC)解码器，且特定但不限于LDPC码的迭代解码。
背景技术
数据通信系统已经发展多年。许多通信系统采用例如LDPC(低密度奇偶校验)码等错误校正码来改进可靠性和效率。
对于LDPC码的迭代解码存在许多已知算法。称为“和积算法”的一般消息传递算法通过在因子图的沿着图边缘的节点之间交换消息并基于传入消息更新所述节点处的这些消息来执行迭代解码。关于和积算法的细节可参看例如以下文献的出版物：R.G.Gallager的“Low-density parity-check codes”(Ph.D.dissertation，Department of ElectricalEngineering，M.I.T.，Cambridge，Mass.，1963年7月)；F.R.Kschischang、B.J.Frey和H.A.Loeliger的“Factor Graphs and the Sum-Product Algorithm”(IEEE Trans.onInformation Theory，第IT-47卷，第2期，2001年2月)；和European TelecommunicationsStandards Institute(ETSI)EN 302 307(Digital Video Broadcasting(DVB)，V1.1.1，2005年3月)。
为了改进性能或降低复杂性，已经建议了一些修改的算法，例如最小和算法和λ最小算法，这在以下文献中描述：Marc P.C.Fossorier的“Reduced Complexity IterativeDecoding of Low-Density Parity Check Codes Based on Belief Propagation”(IEEETransactions on Communications，第47卷，第5期，1999年5月)；F.Guilloud、E.Boutillon和J.Danger的“Lambda-Min Decoding Algorithm of Regular and Irregular LDPC Codes”(在Proc.3rd International Symposium on Turbo Codes&Related Topics中，第451到454页，Brest，France，2003年9月)；和Boutillon等人的第2005/0138519号美国专利申请公开案。
上述参考文献以引用方式并入本文中。
发明内容
本文描述用以基于选择λ个最小值来执行低密度奇偶校验(LDPC)码的迭代解码的方法和设备。这部分中概述一些实施例。
一种低密度奇偶校验(LDPC)解码器，其包含用于根据传入消息的量值将校验节点的多个传入消息进行分类的构件；用于从所述传入信息中识别预定数目的唯一消息量值的构件；以及用于计算针对所述多个传入消息的子集的传出消息的构件，所述子集的所述消息具有大于所述预定数目的唯一消息量值的不同量值，所述传出消息具有相同量值。
在本发明的一个实施例中的解码器，其中所述传出消息的所述相同量值等于根据函数依次将所述多个传入消息进行组合而产生的量值。
在本发明的一个实施例中的解码器，其中所述函数根据两个输入消息量值中的较小一者与基于所述两个输入消息量值的总和而计算的值以及基于所述两个输入消息量值的差值而计算的值的总和来产生量值。
在本发明的一个实施例中的解码器，其中所述函数产生等于min(a，b)+log(1+exp(-a-b))-log(1+exp(a-b))的量值，其中a和b代表两个输入消息量值，且其中a不小于b。
在本发明的一个实施例中的解码器，其中所述用于计算对应于所述子集的所述传出消息的构件包含用于存储中间结果的构件；以及用于根据所述中间结果和所述子集的相应消息的符号来计算所述传出消息中的每一者的构件。
在本发明的一个实施例中的解码器，其进一步包含用于通过组合所述选定子集的消息来确定和存储中间结果的构件；以及用于使用所述中间结果来确定针对不处于所述子集中的相应传入消息的传出消息的构件。
在本发明的一个实施例中一种在低密度奇偶校验(LDPC)解码器中实施的方法，所述方法包含根据消息量值将校验节点的多个传入消息进行分类；根据预定数目从所述多个传入消息中选择消息子集，所述选定子集具有大于所述传入消息的所述预定数目的唯一消息量值的消息量值；以及计算对应于所述选定子集的传出消息，选定子集的消息具有不同量值，所述传出消息具有相同量值。
在本发明的一个实施例中一种在低密度奇偶校验(LDPC)解码器中实施的方法，其中所述传出消息的所述相同量值等于使用函数依次将所述多个传入消息进行组合而产生的结果。
在本发明的一个实施例中一种在低密度奇偶校验(LDPC)解码器中实施方法，其中所述函数包括通过将两个输入消息量值中的较小一者与基于所述两个输入消息量值的总和以及所述两个输入消息量值的差值而查找的值相加来产生结果消息量值。
在本发明的一个实施例中一种在低密度奇偶校验(LDPC)解码器中实施的方法，其中所述将所述多个传入消息进行组合以产生所述结果包含：使用所述函数将所述传入消息中的两者进行组合以产生中间结果，使用所述函数将所述中间结果与另一传入消息进一步组合以产生进一步的中间结果。
在本发明的一个实施例中一种在低密度奇偶校验(LDPC)解码器中实施的方法，其中所述函数等于sign(a)×sign(b)×[min(|a|，|b|)+log(1+exp(-|a+b|))-log(1+exp(-|a-b|))]，其中a和b代表用于所述函数的输入消息。
在本发明的一个实施例中一种在低密度奇偶校验(LDPC)解码器中实施的方法，其中对应于所述选定子集的所述传出消息的所述计算包含根据所述选定子集的消息的符号而改变中间结果的符号以产生相应的传出消息。
在本发明的一个实施例中一种在低密度奇偶校验(LDPC)解码器中实施的方法，其进一步包含使用函数依次将所述选定子集的消息进行组合来确定中间结果，其中将后一消息与使用所述函数进行组合而产生的前一结果进行组合；以及使用所述中间结果来确定针对所述子集以外的相应传入消息的传出消息。其中所述的方法，其中在不使用第一传入消息的情况下确定针对不处于所述子集中的所述第一传入消息的传出消息。
在本发明的一个实施例中一种机器可读媒体，其实施致使低密度奇偶校验(LDPC)解码器执行方法的指令，所述方法包含根据消息量值将校验节点的多个传入消息进行分类；根据预定数目从所述多个传入消息中选择消息子集，所述选定子集具有大于所述传入消息的所述预定数目的唯一消息量值的消息量值；以及计算对应于所述选定子集的传出消息，选定子集的消息具有不同量值，且所述传出消息具有相同量值。其中所述的媒体，其中所述传出消息的所述相同量值等于使用函数依次将所述多个传入消息进行组合而产生的结果。其中所述的媒体，其中所述函数包括通过将两个输入消息量值中的较小一者与基于根据所述两个输入消息量值的总和并根据所述两个输入消息量值的差值从表中查找而确定的值相加来产生结果消息量值。
在本发明的一个实施例中一种机器可读的媒体，其中对应于所述选定子集的所述传出消息的所述计算包含通过使用函数依次将所述多个消息进行组合来计算中间结果；存储所述中间结果；以及将所述中间结果与所述子集的消息的符号进行组合来产生针对所述子集的相应传出消息。
在本发明的一个实施例中一种机器可读的媒体，其中所述函数等于sign(a)×sign(b)×[min(|a|，|b|)+log(1+exp(-|a+b|))-log(1+exp(-|a-b|))]，其中a和b代表用于所述函数的输入消息。
在本发明的一个实施例中一种机器可读的媒体进一步包含通过使用函数依次将所述选定子集的消息进行组合来确定中间结果，其中将后一消息与使用所述函数进行组合而产生的前一结果进行组合；以及使用所述中间结果来确定针对所述子集以外的相应传入消息的传出消息。
将从附图和以下详细描述中了解其它特征。
附图说明
在附图各图中以实例而并非限制的方式说明所述实施例，其中相同参考标号表示相似元件。
图1说明根据一个实施例的低密度奇偶校验(LDPC)解码器的一部分。
图2说明根据一个实施例的用以产生校验节点更新的过程。
图3到4说明根据一个实施例的用以组合两个消息的函数的实施方案。
图5说明根据一个实施例的在密度奇偶校验(LDPC)解码器中实施的方法。
具体实施方式
以下描述内容和图式是说明性的，且不应将其解释为限制性的。描述许多具体细节以提供彻底的理解。然而，在一些实例中，没有描述众所周知或常规的细节以免混淆所述描述内容。所述揭示内容中对一个或一实施例的参考未必是对同一实施例的参考；而且，此类参考意味着至少一个。
本发明的一个实施例提供一种用于LDPC解码的迭代方法。根据本发明实施例的解码器用降低的硬件复杂性和较少的存储器成本来提供改进的性能。
在一个实施例中，LDPC解码器根据LDPC码系统的偶图来执行迭代解码。在一个实施例中，根据LDPC码系统的偶图来布置处理节点和通信连接，如图1说明。
在图1中，LDPC码系统的偶图包括一组位节点(例如，11、13、......、15)和一组校验节点(例如，21、23、......、25)。所述位节点对应于LDPC码的参与位；并且，所述校验节点对应于由LDPC码向所述参与位强加的约束(例如，校验等式)。通信路径(31、33、......)对应于相应参与位(位节点)在相应约束(校验节点)中的参与。
在一个实施例中，迭代解码过程涉及位节点和校验节点彼此通信以确定所述位的传输值。举例来说，可通过沿着从位节点到校验节点的路径/边缘将信道值分配作为校验节点的传入消息(例如，v)来开始解码。在接收到所述传入消息时，校验节点使用奇偶校验等式来确定校验节点更新并将其作为传出消息(例如，w)发送回相应的位节点。每个位节点接着在到达所述位节点的信息间执行软多数投票。此时，如果对所述位的硬决策满足所有所述奇偶校验等式，那么认为找到了有效码字且迭代过程停止。否则，位节点将其软多数投票的结果作为传入消息发送到校验代码，并从校验节点接收更新作为传出消息。
在一个实施例中，消息(例如，v或w)的符号代表对所述传输位的硬决策，而消息(例如，v或w)的量值指示所述决策的可靠性。在一个实施例中，所述量值越大，可靠性就越高。
因此，LDPC解码过程大体上包括例如位节点初始化、校验节点更新、位节点更新和硬决策等计算阶段。至少一些所述阶段可用与例如和积算法、最小和算法和λ最小算法等已知方法类似的方式来实施。
举例来说，在初始化阶段中，位节点(例如，11、13、......、15)可经配置以根据从传输信道获得的数据来设置相应位节点的值。接着根据其在所述约束(例如，奇偶校验等式)中的参与而沿着通往校验节点的路径(例如，31、33、......)将相应位节点的值发送到校验节点。
在校验节点更新阶段中，每个校验节点确定针对每个传入消息(例如，v)的传出消息(例如，w)。下文进一步提供关于校验节点更新阶段的细节。
在位节点更新阶段中，每个位节点基于在先前校验节点更新阶段期间从所述校验节点接收的传出消息来确定针对相应校验节点的经更新传入消息。
举例来说，从位节点到校验码的传出消息可通过对所述位节点处的值和所述位节点先前从除所述校验节点以外的校验节点接收到的传出消息求和来进行更新。
在位节点更新之后，在校验节点处基于传入消息和传出消息来作出硬决策。如果硬决策满足所有所述奇偶校验等式，那么找到有效码字。否则，执行另一轮校验节点/位节点更新。如果在预定数目的迭代之后没有实现收敛，那么提供当前输出作为解决方案。
虽然图1说明使用多个硬件节点来执行LDPC解码的实例，但本文所述的过程还可使用在一个处理器或多个并行处理器上运行的指令来实施。
在一个实施例中，根据设计参数λ(其是预定数字)来执行校验节点更新阶段。在校验节点处接收到的传入消息根据其量值来进行分类，以在所接收传入消息的量值中识别预定数目的唯一最小量值。根据一个公式计算针对量值等于所识别最小量值之一的传入消息的传出消息；并且，根据另一个公式计算针对其它传入消息的传出消息。
图2说明根据一个实施例的用以产生校验节点更新的过程。在图2中，已经根据其量值对传入消息(41、43、......、45、47、......、49)进行分类和识别。传入消息(41、43、......、45)的每一者的量值等于预定数目的最小量值中的一者。传入消息(47、......、49)的量值大于预定数目的最小量值。
在图2中，函数g(例如，51、......、53、61、......、63、65)代表组合两个传入消息以产生一个消息的预定函数，可使用所述预定函数将所述一个消息与传入消息进一步组合。
在图2中，所述组函数(51、......、53)组合量值大于预定数目的最小量值的所述组传入消息(47、......、49)。函数(53)产生中间结果(59)，可将所述中间结果(59)进行存储并接着重复地用于计算针对传入消息(41、43、......、45)的每一者的输出消息，其中所述传入消息(41、43、......、45)的量值等于预定数目的最小量值中的一者。
举例来说，所述组函数(61、......、63)将中间结果(59)与传入消息(43、......、45)进行组合，以产生对应于传入消息(41)的传出消息。所述传出消息将发送到发送传入消息(41)的位节点。
类似地，可将中间结果(59)与传入消息(41、45、......)而并非传入消息(43)进行组合，以确定对应于传入消息(43)的传出消息。
在图2中，所述组函数(61、......、63和65)将中间结果(59)和传入消息(41、43、......、45)进行组合，以产生另一中间结果(67)，所述中间结果(67)用于计算针对传入消息(47、......、49)的传出消息，所述传入消息(47、......、49)的量值大于预定数目的最小量值。中间结果(67)代表在所述校验节点处接收的所有传入消息(41、43、......、45、47、......、49)的组合。
举例来说，在图2中，可根据传入消息(49)的符号(55)来选择性地改变中间结果(67)的符号，以产生对应于传入消息(49)的传出消息。如果传入消息(49)的符号(55)为正，那么不改变传入消息(49)的符号(55)。如果传入消息(49)的符号(55)为负，那么颠倒传入消息(49)的符号(55)。所述传出消息将发送到发送传入消息(49)的位节点。
在一个实施例中，可根据传入消息(47、......、49)的任一者的符号来选择性地改变中间结果(67)的符号，以产生针对相应传入消息的传出消息，其中所述传入消息(47、......、49)的量值大于预定数目的最小量值。
在一些实施例中，使用单独电路单元来实施所述函数(51、......、53、61、......、63、65)。在一些实施例中，可使用一个电路单元来实施所述函数(51、......、53、61、......、63、65)，其中使用通过一次组合一个传入消息来累积结果的循环。在一些实施例中，可使用多个电路单元来实施所述函数(51、......、53、61、......、63、65)，所述多个电路单元并行执行所述组合中的一些组合且串行组合所述结果。在一些实施例中，可使用一个或一个以上处理器来实施所述函数(51、......、53、61、......、63、65)，使用一组指令来控制所述一个或一个处理器。因此，本发明不限于特定类型的实施方案，用软件和/或用硬件皆可。
图3到4说明根据一个实施例的用以组合两个消息的函数的实施方案。
在图3中，将两个消息(a和b)进行组合以产生一个所得消息。所述消息的符号(sign(a)和sign(b))经由比较器进行组合，以产生符号。如果sign(a)和sign(b)是相同的，那么比较器(71)输出正的符号；否则，比较器(71)输出负的符号。因此，比较器的结果等于sign(a)×sign(b)。在一些实施例中，比较器可经由异或逻辑单元来实施。
在图3中，所述消息的量值(abs(a)和abs(b))进行组合以产生值(val)。逻辑单元(73)确定abs(a)和abs(b)的最小值；并且，逻辑单元(75)基于查找表确定值。加法器(77)对所确定的最小值和经由查找表从存储器确定的值进行求和。
所计算的符号和值(val)进行组合以产生所得消息：符号×值。
图4说明根据一个实施例的逻辑单元(75)的实施方案。在图4中，加法器(81)确定abs(a)和abs(b)的总和(表示为x)，其在查找表中用于确定log(1+exp(-x))的值。减法器(83)和绝对函数(87)确定abs(a)和abs(b)之间的绝对差(表示为y)，其在查找表中用于确定log(1+exp(-y))的值。通过加法器(82)使所述查找表值彼此相减，以产生输出。
在一个实施例中，校验节点接收一组传入消息，其中a1、a2、......、an的量值大于所述组的预定数目(λ个)最小唯一零值，且b1、b2、......、bm是其它传入消息。根据下式计算中间消息
M1＝g(a1，a2，...，an)
针对bi的传出消息计算为g(M1，b1，...，bi-1，bi+2，...，bm)，其中i＝1，2，...，m。
为了计算针对ai的传出消息，将中间消息更新为
M2＝g(a1，a2，...，an，b1，b2，...，bm)
并且，针对ai的传出消息计算为M2×sign(ai)。
此处，g(x1，x2，...，xk)＝g(x1，g(x2，...，xk))，其中k＝3，4，...，且
g(x，y)＝sign(x)×sign(y)×min(|x|，|y|)+log(1+exp(-|x+y|))-log(1+exp(-|x-y|))
图5说明根据一个实施例的在低密度奇偶校验(LDPC)解码器中实施的方法。在图5中，根据消息量值对校验节点的多个传入消息进行分类(91)。在所述传入消息中选择量值大于预定数目的唯一消息量值的消息子集(93)。计算对应于所述选定子集的传出消息(95)。所述子集的传入消息通常具有不同的量值，但相应传出消息经计算为具有相同量值。另外，还计算对应于具有所述预定数目的唯一消息量值的传入消息的传出消息(97)。
考虑这样一个实例，其中校验节点接收六个传入消息：a、b、c、d、e和f，其中|a|＜|b|＝|c|＜|d|＜|e|＜|f|。当λ为2时，两个最小值是|a|和|b|＝|c|。因此，使用一个公式来计算a、b和c的传出消息，且使用另一个公式来计算d、e和f的传出消息。
在一个实施例中，计算中间消息h＝g(g(d，e)，f)。接着，确定针对传入消息a的传出消息为ga＝g(g(h，b)，c)，传入消息b的传出消息为gb＝g((h，a)，c)，且传入消息c的传出消息为gc＝g(g(h，a)，b)。接着将传入消息c与针对c的传出消息进一步组合，以产生中间消息p＝g(gc，c)。接着使用所述中间消息p来确定针对d、e和f的传出消息分别为gd＝p×sign(d)、ge＝p×sign(e)和gf＝p×sign(f)。由于|b|＝|c|，因此gc和gb的量值彼此相等。如果sign(c)和sign(b)是相同的，那么gc＝gb；否则，gc＝-gb。
在一个实施例中，在计算过程期间，所使用的存储用于传入消息、临时结果t或p、最小值的位置。
本文所揭示的方法具有比积和算法少的存储器使用和复杂性且具有比λ最小算法好的误差性能。因此，本发明的实施例用较少的复杂性和存储器成本提供较好性能。
在以上说明书中，已经参考本发明的特定示范性实施例来提供本发明。将明白，可在不脱离所附权利要求书中所陈述的较广精神和范围的情况下对本发明作出各种修改。因此，应将说明书和图式视为具有说明性意义而并非限制性意义。

Claims (20)

1.一种低密度奇偶校验(LDPC)解码器，其包含：
用于根据传入消息的量值将校验节点的多个传入消息进行分类的构件；
用于从所述传入信息中识别预定数目的唯一消息量值的构件；以及
用于计算针对所述多个传入消息的子集的传出消息的构件，所述子集的所述消息具有大于所述预定数目的唯一消息量值的不同量值，所述传出消息具有相同量值。
2.根据权利要求1所述的解码器，其中所述传出消息的所述相同量值等于根据函数依次将所述多个传入消息进行组合而产生的量值。
3.根据权利要求2所述的解码器，其中所述函数根据两个输入消息量值中的较小一者与基于所述两个输入消息量值的总和而计算的值以及基于所述两个输入消息量值的差值而计算的值的总和来产生量值。
4.根据权利要求3所述的解码器，其中所述函数产生等于min(a，b)+log(1+exp(-a-b))-log(1+exp(a-b))的量值，其中a和b代表两个输入消息量值，且其中a不小于b。
5.根据权利要求1所述的解码器，其中所述用于计算对应于所述子集的所述传出消息的构件包含：
用于存储中间结果的构件；以及
用于根据所述中间结果和所述子集的相应消息的符号来计算所述传出消息中的每一者的构件。
6.根据权利要求1所述的解码器，其进一步包含：
用于通过组合所述选定子集的消息来确定和存储中间结果的构件；以及
用于使用所述中间结果来确定针对不处于所述子集中的相应传入消息的传出消息的构件。
7.一种在低密度奇偶校验(LDPC)解码器中实施的方法，所述方法包含：
根据消息量值将校验节点的多个传入消息进行分类；
根据预定数目从所述多个传入消息中选择消息子集，所述选定子集具有大于所述传入消息的所述预定数目的唯一消息量值的消息量值；以及
计算对应于所述选定子集的传出消息，选定子集的消息具有不同量值，所述传出消息具有相同量值。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述传出消息的所述相同量值等于使用函数依次将所述多个传入消息进行组合而产生的结果。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述函数包括通过将两个输入消息量值中的较小一者与基于所述两个输入消息量值的总和以及所述两个输入消息量值的差值而查找的值相加来产生结果消息量值。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述将所述多个传入消息进行组合以产生所述结果包含：使用所述函数将所述传入消息中的两者进行组合以产生中间结果，使用所述函数将所述中间结果与另一传入消息进一步组合以产生进一步的中间结果。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述函数等于sign(a)×sign(b)×[min(|a|，|b|)+log(1+exp(-|a+b|))-log(1+exp(-|a-b|))]，其中a和b代表用于所述函数的输入消息。
12.根据权利要求7所述的方法，其中对应于所述选定子集的所述传出消息的所述计算包含：根据所述选定子集的消息的符号而改变中间结果的符号以产生相应的传出消息。
13.根据权利要求7所述的方法，其进一步包含：
使用函数依次将所述选定子集的消息进行组合来确定中间结果，其中将后一消息与使用所述函数进行组合而产生的前-结果进行组合；以及
使用所述中间结果来确定针对所述子集以外的相应传入消息的传出消息。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在不使用第一传入消息的情况下确定针对不处于所述子集中的所述第一传入消息的传出消息。
15.一种机器可读媒体，其实施致使低密度奇偶校验(LDPC)解码器执行方法的指令，所述方法包含：
根据消息量值将校验节点的多个传入消息进行分类；
根据预定数目从所述多个传入消息中选择消息子集，所述选定子集具有大于所述传入消息的所述预定数目的唯一消息量值的消息量值；以及
计算对应于所述选定子集的传出消息，选定子集的消息具有不同量值，且所述传出消息具有相同量值。
16.根据权利要求15所述的媒体，其中所述传出消息的所述相同量值等于使用函数依次将所述多个传入消息进行组合而产生的结果。
17.根据权利要求16所述的媒体，其中所述函数包括通过将两个输入消息量值中的较小一者与基于根据所述两个输入消息量值的总和并根据所述两个输入消息量值的差值从表中查找而确定的值相加来产生结果消息量值。
18.根据权利要求15所述的媒体，其中对应于所述选定子集的所述传出消息的所述计算包含：
通过使用函数依次将所述多个消息进行组合来计算中间结果；
存储所述中间结果；以及
将所述中间结果与所述子集的消息的符号进行组合来产生针对所述子集的相应传出消息。
19.根据权利要求18所述的媒体，其中所述函数等于sign(a)×sign(b)×[min(|a|，|b|)+log(1+exp(-|a+b|))-log(1+exp(-|a-b|))]，其中a和b代表用于所述函数的输入消息。
20.根据权利要求15所述的媒体，其进一步包含：
通过使用函数依次将所述选定子集的消息进行组合来确定中间结果，其中将后一消息与使用所述函数进行组合而产生的前一结果进行组合；以及
使用所述中间结果来确定针对所述子集以外的相应传入消息的传出消息。
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