CN103001739A - 适用于无线广播系统的喷泉码译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于无线广播系统的喷泉码译码方法，包括步骤：步骤1：在接收端，将经过信道译码器后的信号分类为有残余错误的分组和无残余错误的分组；步骤2：对于所述无残余错误的分组，将其对应比特为0的软信息（LLR）值置为一个很大的正数（比如正无穷），对应比特为1的LLR值置为一个很小的负数（比如负无穷）；对于所述有残余错误的分组也将其LLR值收集起来参与到喷泉码的译码过程；步骤3：通过所述具有确定信息的编码符号的硬迭代尝试解码全部的源符号集，在迭代的同时在比特域和LLR域更新喷泉编码的二部图。本发明因为没有丢弃有残余错误的分组，因此具有较高的频谱效率，并且本发明还具有有较低的译码复杂度的特点。

Description

适用于无线广播系统的喷泉码译码方法

技术领域

本发明涉及喷泉码，具体地，涉及适用于无线广播系统的喷泉码译码方法。

背景技术

喷泉码是一类无码率码(Rateless Codes)，它可以从给定的源符号(Source Symbols)集中产生无限多个编码符号(Ecoding Symbol)，并且源符号可以从任意编码符号子集中恢复出来，只要这个子集具有和源符号集有相同的大小。假如，在编码端有U＝[u₁,u₂,...,u_K]需要传输，通过喷泉码编码产生C＝[c₁,c₂,...,c_N]并发送到信道中，使得只要接收端从信道中获取C＝[c₁,c₂,...,c_N]的任意大小为K的子集就能能够成功解码。

2005年，Luby等人提出LT(Luby Transform)码,其性能上逼近喷泉码。采用这种编码方式，接收端只需要从信道种抓获取N'个编码符号，其中N′稍微大于K，就可以使得接收端以极大的概率P_success成功解码。

运用LT码的无线广播系统中具有明显的优越性。在广播过程中，基站源源不断地编码产生编码符号，并将通过无线信道广播。当C＝[c₁,c₂,...,c_N]足够大，保证每个接收端都能接收到稍微大于K个编码符号，那么就可以保证每个接收端以极大的概率P_success成功解码U=[u₁,u₂，...,u_K]。这种广播机制避免了自动重传请求(Automatic Repeat-reQuest,ARQ)的使用，因而不需要反馈信道，提高了频谱利用率。并且，LT码可以通过调整编码符号集的大小N来适应用户信道质量的不同。

现有技术中公开的相关技术方案有：

现有技术1：2005年Hrvoje Jenkac等提出一种适用于无线广播传输系统的LT码译码方法，提供无错误的数据广播服务。其原理模型如图1所示。

在该广播系统中，有一个发送端和多个接收端。在发送端中，信息[u₁,u₂，...,u_K′]首先通过循环冗余校验(Cyclic Redundancy Checks,CRC)模块加上冗余比特变成U_c=[u₁,u₂，...,u_K]。随后，对U_c进行LT码编码输出为C，C为具有任意长度的比特流。将C切割成多个固定长度的S。S进入卷积码信道编码模块，再次加入冗余信息输出X。X经过调制后通过无线信道广播到多个接收端。

当接收端正确接收足够多的分组后，接收端的喷泉码解码模块用信息迭代(MessagePassing)算法进行解码。当解码出来的信息通过循环冗余校验时，则译码成功并结束译码过程。

其中需要注意的是，在接收端经过卷积码信道解码模块后仍然有残余错误的分组X'，这些分组被丢弃并认为在信道中“擦除”。

该现有技术1提供的译码算法具有比较明显的缺点：在接收端经过卷积码信道解码模块后仍然有残余错误的分组X'会被丢弃。当无线信道的状况较差时，将会有大量的分组受到严重的噪声干扰，从而未能通过信道解码模块而被丢弃，从而造成了资源的浪费。

现有技术2：为了提高LT码的传输效率，Hrvoje Jenkac等提出基于和积(Sum-Product,SP)软解的LT译码算法，其原理模型如图2所示。

在该技术方案下，发射端的编码和调制过程和现有技术1中一致。在接收端，经过解调制模块后得到每个调制符号的LLR值(log likelihood ratio,LLR)，并将其输入到卷积码解码模块中进行解码，输出LLR'。这些值通过组合模块进行收集。当接收端接收到足够多的LLR'之后，则进行LT码的和积软解码。当LT码和积软解码模块输出的比特流通过CRC校验，则认为解码成功，并停止解码；否则继续从无线信道中接收更多的调制符号，再进行解码尝试，直到解码成功为止。

该现有技术2中LT和积软解码算法本质上是一种最大似然概率迭代算法，虽然相对于技术一提高了传输效率，具有非常高的复杂度。

综上所述，现有的LT码解码算法主要有两种，现有技术1中的基于擦除信道模型的信息迭代算法，有较低的复杂度，但是传输效率较低；现有技术2中的和积软解码算法，有较高的传输效率，但是复杂度高。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种新型适用于无线广播系统的喷泉码译码方法，在保证提高频谱利用率的同时，有效低降低接收端的译码复杂度。

根据本发明的一个方面，提供一种适用于无线广播系统的喷泉码译码方法，包括如下步骤：

步骤1：在接收端，用于对信号译码，并将译码后的信号分类为有残余错误的分组和无残余错误的分组；

步骤2：对于所述无残余错误的分组，将所述无残余错误的分组的对应比特为0的软信息（LLR）值置为一个很大的正数（比如正无穷），将所述无残余错误的分组的对应比特为1的软信息值置为一个很小的负数（比如负无穷），并将所述无残余错误的分组的编码符号的软信息值收集起来作为具有确定信息的编码符号，从而使这些具有确定信息的编码符号在随后的解码过程起到纠正错误信息的作用；对于所述有残余错误的分组，也将所述无残余错误的分组的编码符号的软信息值收集起来参与到喷泉码的译码过程；因为没有丢弃有残余错误的分组，本发明的译码算法具有较高的频谱效率。

步骤3：利用喷泉码的译码器通过所述具有确定信息的编码符号的硬迭代尝试解码全部的源符号集(这种迭代具有较小的复杂度，我们称之为硬解码阶段)，在迭代的同时在比特域和软信息域更新喷泉编码的二部图；如果在硬解码阶段全部的源符号都成功解码，那么停止整个解码过程；否则，基于更新喷泉编码二部图进行和积软解码，以解码整个源符号集。因此，本发明有较低的译码复杂度。

优选地，在所述步骤2中，将所述无残余错误的分组的对应比特为0的软信息值置为一个很大的正数（比如正无穷），将所述无残余错误的分组的对应比特为1的软信息值置为一个很小的负数（比如负无穷）。

优选地，所述喷泉编码为LT码、或者Raptor码。

优选地，所述步骤3中，从软信息确定并且度为1的编码符号开始，进行硬解码阶段的解码。

根据本发明的另一个方面，还提供一种适用于无线广播系统的喷泉码译码系统，包括如下装置：

信道解码模块，用于将从无线信道中接收到信号进行将经过解调和译码器处理后的信号的分组分类为有残余错误的分组和无残余错误的分组，其中：对于所述无残余错误的分组，将所述无残余错误的分组的对应比特为0的软信息值置为一个很大的正数（比如正无穷），对应比特为1的软信息值置为一个很小的负数（比如负无穷），并将所述无残余错误的分组的编码符号的软信息值收集起来作为具有确定信息的编码符号，从而使这些具有确定信息的编码符号在随后的解码过程起到纠正错误信息的作用；对于所述有残余错误的分组，也将所述无残余错误的分组的编码符号的软信息值收集起来参与到喷泉码的译码过程；

组合模块，用于将所述有残余错误的分组的软信息值和无残余错误的分组的软信息值进行收集；

喷泉码解码模块，用于在接收到足够多的软信息值之后进行喷泉码译码；若喷泉码解码模块输出的比特流通过CRC校验，则认为解码成功，并停止解码；否则继续从无线信道中接收更多的调制符号，再进行解码尝试，直到解码成功为止，其中：通过所述具有确定信息的编码符号的硬迭代尝试解码全部的源符号集，在迭代的同时在比特域和软信息域更新喷泉编码的二部图。

优选地，所述信道解码模块，将所述无残余错误的分组的对应比特为0的软信息值置为一个很大的正数（比如正无穷），将所述无残余错误的分组的对应比特为1的软信息值置为一个很小的负数（比如负无穷）。

优选地，所述喷泉编码为LT码、或者Raptor码。

优选地，所述喷泉码解码模块，从软信息确定并且度为1的编码符号开始，进行硬解码阶段的解码。

与现有技术相比，本发明因为没有丢弃有残余错误的分组，因此本发明的译码算法具有较高的频谱效率，并且本发明的迭代具有较小的复杂度，因此，本发明还具有有较低的译码复杂度的特点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为基于现有技术1的LT信息迭代(Message Passing)解码算法的无线广播模型；

图2为基于现有技术2的LT和积(Sum-Product,SP)软解码算法的无线广播模型；

图3为基于本发明的无线广播系统；

图4为本发明新型LT解码算法二部图；

图5为应用本发明的LT解码算法解码更新后的二部图；

图6为根据本发明提供的第一实施例；

图7为依照所述第一实施例基于AWGN信道的性能对比图；

图8为依照所述第一实施例基于AWGN信道实的LT解码复杂度对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如下为本发明中部分技术属于的中英文对照：

AWGN Additive White Gaussian Noise加性白高斯噪声

ARQ Automatic Repeat-reQuest自动重传请求

CRC Cyclic Redundancy Checks循环冗余校验

LDPC Low Density Parity Check Codes低密度奇偶校验码

LT Code s Luby Trans form Code s LT码

LLR Log Likelihood Ratio对数域的似然比

QPSK Quadrature Phase Shift Keying四相移键控

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图和实施例对本发明方法的具体步骤和特征作进一步的详细描述。

图3示出基于本发明的无线广播系统，在这个广播系统中，有一个发送端和多个接收端。在发送端中，信息[u₁,u₂,...,u_K']首先通过循环冗余校验(Cyclic RedundancyChecks，CRC)模块加上冗余比特变成U_c=[u₁,u₂,...,u_K]。随后，对U_c进行喷泉码编码输出为C，C为具有任意长度的比特流。将C切割成多个固定长度的分组S。S进入信道编码模块，再次加入冗余信息输出分组X。X经过调制后通过无线信道广播方式传输到多个接收端。

经过解调制得到每个调制符号的LLR值，并将其输入到信道解码模块中进行信道解码。经过信道译码后，接收端进行以下操作：

如果一个分组通过信道解码后无残余错误，那么我们将这个分组的对应比特为0的LLR值置为一个很大的正数（比如正无穷），对应比特为1的LLR值置为一个很小的负数（比如负无穷），这些分组被视为无残余错误并具有确定的LLR值；

如果经过信道解码模块后分组仍然具有残余错误，那么这个分组的LLR值被认为是不确定的。但是，无论分组在经过信道解码模块后是否具有残余错误，它们的LLR值都通过组合模块进行收集。当接收端接收到足够多的LLR值之后，则进行喷泉码译码。当喷泉码解码模块输出的比特流通过CRC校验，则认为解码成功，并停止解码；否则继续从无线信道中接收更多的调制符号，再进行解码尝试，直到解码成功为止。

其中，本发明的喷泉码译码过程为：

以下以一个代表性的例子介绍本发明的喷泉码译码算法。如图4所示，接收机从无线信道中一共接收到N个分组，其中的i个分组通过信道解码模块后无残余错误，它们的LLR值被确定为正负无穷；其余的N-i个分组通过信道解码模块后仍然具有残余错误，其LLR值为不确定的。(注：为了阐述方便和原理图的简明，图中只画出编码符号一部分的边，剩余的用虚线表示)

在LLR确定的分组中，我们发现节点c_1,1的度为1，那么u₁的值即为c_1，1的值，这样我们首先可以将u₁的值解出来，并将连到u₁的边删除，同时在比特域更新二部图。

u₁＝c_1,1,

c_1,M'＝c_1,1+c_1,M,

c_N,1'＝c_1，1+c_N，1.

同时，可以在等价的LLR域来更新二部图。

$\tanh \left(\frac{\mathrm{LLR}\left({c_{1,M}}^{\′}\right)}{2}\right)=\tanh \frac{\mathrm{LLR}\left(c_{\mathrm{1,1}}\right)}{2}\×\tanh \frac{\mathrm{LLR}\left(c_{1,M}\right)}{2},$

$\tanh \left(\frac{\mathrm{LLR}\left({c_{N,1}}^{\′}\right)}{2}\right)=\tanh \frac{\mathrm{LLR}\left(c_{\mathrm{1,1}}\right)}{2}\×\tanh \frac{\mathrm{LLR}\left(c_{N,1}\right)}{2}.$

经过更新后的二部图如图5所示。

在图5中，我们发现c_1,M'具有确定的LLR值，并且度为1。所以，我们对c_1，M'重复和c_1,1一样的解码过程，我们称以上过程为新型解码算法中的硬解码阶段。可以发现二部图在硬解码过程中不断地简化。我们不断重复以上硬解码阶段的解码过程，直到在接收到的分组中不存在具有确定的LLR值，并且度为1的节点。

在经过硬解码阶段之后，假如硬解码过程成功地解出了[u₁,u₂,...,u_K]，那么我们即认为解码过程成功；否则我们在简化了的二部图上使用更新后的LLR值进行和积软(Sum-Product,SP)解码，以解出所有的源符号。

以上就是新型喷泉码解码过程，可以总结为以下几点：

（1）根据分组通过信道解码模块后是否仍然有残余错误，将分组分类为具有确定的LLR值或不确定的LLR值的分组，并且将确定的LLR值置为一个很大的正数/负数(比如正/负无穷)；

（2）从LLR确定并且度为1的编码符号开始，进行硬解码阶段的解码，同时在比特域和LLR域更新二部图；

（3）假如在硬解码阶段已经成功解出[u₁,u₂，...,u_K]，那么结束解码过程；否则到步骤4；

（4）基于更新的二部图和LLR值进行软解码。

图6为根据本发明提供的第一实施例的编码调制方法示意图。本领域技术人员可以将图6示出的第一实施例理解为图3所示系统的一个具体实施方式。具体地：

1.在本实施例中，喷泉码编码模块使用LT码编码，信道编码模块使用LDPC编码，并且使用QPSK调制。

2.在发送端，信息[u₁,u₂，...,u_K']首先通过循环冗余校验(Cyclic Redundancy Checks，CRC)模块加上冗余比特变成U_c=[u₁,u₂，...,u_K]。U_c就是LT编码的源符号集[u₁,u₂，...,u_K]。随后，对U_c进行LT编码模块产生编码符号集C，C为具有任意长度的比特流。将C切割成多个固定长度的分组S。每个S进入码率为R的LDPC编码模块，输出编码后信息X。这些X通过QPSK调制后通过无线信道进行广播。

3.在接收端，QPSK解调器得到每个调制符号的LLR值，并将其输入到LDPC信道解码模块中进行解码。

如果一个分组通过LDPC解码后满足LDPC的校验方程，即HX＝0，我们将该分组称之为无残余错误。那么我们将这个无残余错误分组的对应比特为0的LLR值置为一个很大的正数（比如正无穷），对应比特为1的LLR值置为一个很小的负数（比如负无穷），即该分组被视为具有确定的LLR值；

如果经过LDPC信道解码模块后分组仍然具有残余错误，即HX≠0，那么这个分组的LLR值被认为是不确定的。

4.无论分组在经过LDPC信道解码模块后是否具有残余错误，它们的LLR值都通过组合模块进行收集。当接收端接收到足够多的LLR值之后，则进行新型LT码解码。

5.当LT码解码模块输出的比特流通过CRC校验，则认为解码成功，并停止解码；否则继续从无线信道中接收更多的调制符号分组，再进行解码尝试，直到解码成功为止。

由上述第一实施例可以看出，本发明所提供的适用于无线广播系统的喷泉码译码方法既大幅度降低了解码复杂度，又保持了高的频谱效率。

我们通过比较成功解码[u₁,u₂,...,u_K']需要的额外分组个数N_overhead和LT码解码复杂度，来衡量现有广播系统和解码算法和本发明提出的广播系统和解码算法的性能。其中，定义额外分组个数(overhead packets)为：N减去源符号集的分组数，也就是为了成功恢复出发送端所广播的源信息[u₁,u₂,...,u_K']的所需要的最少的额外包数。因此我们可以看出，所需要的额外包数越少，意味着频谱效率越高。

图7是AWGN信道中各个解码算法需要额外分组个数对比图。从图中我们可以清楚地看到，基于本发明的译码算法的频谱效率和现有技术2的算法持平，但远远高于现有技术1的频谱效率。

图8是AWGN信道中各个LT解码算法的归一化平均复杂度比较。从图中，我们可以看出现有技术2的译码复杂度最高，现有技术1的复杂度最低。基于本发明的译码算法的复杂度随着SNR的提高而迅速降低，在高SNR处(大于1dB)具有接近于现有技术一的算法复杂度。

综合以上仿真，对比现有技术1和现有技术2，我们可以看出本发明所提出的喷泉码译码基于低复杂度高频谱效率的特点。

本发明也可以应用到其他的喷泉码里面，比如Raptor码。本发明也可以应用到其他无线通信系统，比如LTE，Wimax、WiFi等。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种适用于无线广播系统的喷泉码译码方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在接收端，将经过解调和译码器处理后的信号分类为有残余错误的分组和无残余错误的分组；

步骤2：对于所述无残余错误的分组，将所述无残余错误的分组的对应比特为0的软信息值置为一个很大的正数，将所述无残余错误的分组的对应比特为1的软信息值置为一个很小的负数，并将所述无残余错误的分组的编码符号的软信息值收集起来作为具有确定信息的编码符号，从而使这些具有确定信息的编码符号在随后的解码过程起到纠正错误信息的作用；对于所述有残余错误的分组，也将所述无残余错误的分组的编码符号的软信息值收集起来参与到喷泉码的译码过程；

步骤3：利用喷泉码的译码器通过所述具有确定信息的编码符号的硬迭代尝试解码全部的源符号集，在迭代的同时在比特域和软信息域更新喷泉编码的二部图；如果在硬解码阶段全部的源符号都成功解码，那么停止整个解码过程；否则，基于更新喷泉编码二部图进行和积软解码，以解码整个源符号集。

2.根据权利要求1所述的适用于无线广播系统的喷泉码译码方法，其特征在于，在所述步骤2中，将所述无残余错误的分组的对应比特为0的软信息值置为正无穷，将所述无残余错误的分组的对应比特为1的软信息值置为负无穷。

3.根据权利要求1所述的适用于无线广播系统的喷泉码译码方法，其特征在于，所述喷泉编码为LT码、或者Raptor码。

4.根据权利要求1所述的适用于无线广播系统的喷泉码译码方法，其特征在于，所述步骤3中，从软信息确定并且度为1的编码符号开始，进行硬解码阶段的解码。

5.一种适用于无线广播系统的喷泉码译码系统，其特征在于，包括如下装置：

信道解码模块，用于对信号译码，并将译码后的信号分类为有残余错误的分组和无残余错误的分组，其中：对于所述无残余错误的分组，将所述无残余错误的分组的对应比特为0的软信息值置为一个很大的正数，对应比特为1的软信息值置为一个很小的负数，并将所述无残余错误的分组的编码符号的软信息值收集起来作为具有确定信息的编码符号，从而使这些具有确定信息的编码符号在随后的解码过程起到纠正错误信息的作用；对于所述有残余错误的分组，也将所述无残余错误的分组的编码符号的软信息值收集起来参与到喷泉码的译码过程；

组合模块，用于将所述有残余错误的分组的软信息值和无残余错误的分组的软信息值进行收集；

喷泉码解码模块，用于在接收到足够多的软信息值之后进行喷泉码译码；若喷泉码解码模块输出的比特流通过CRC校验，则认为解码成功，并停止解码；否则继续从无线信道中接收更多的调制符号，再进行解码尝试，直到解码成功为止，其中：通过所述具有确定信息的编码符号的硬迭代尝试解码全部的源符号集，在迭代的同时在比特域和软信息域更新喷泉编码的二部图。

6.根据权利要求5所述的适用于无线广播系统的喷泉码译码系统，其特征在于，所述信道解码模块，用于信号译码，并将所述译码后的无残余错误的分组的对应比特为0的软信息值置为正无穷，将所述译码后的无残余错误的分组的对应比特为1的软信息值置为负无穷。

7.根据权利要求5所述的适用于无线广播系统的喷泉码译码系统，其特征在于，所述喷泉编码为LT码、或者Raptor码。

8.根据权利要求5所述的适用于无线广播系统的喷泉码译码系统，其特征在于，所述喷泉码解码模块，从软信息确定并且度为1的编码符号开始，进行硬解码阶段的解码。

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