CN103023603A - 基于ldpc校验矩阵的比特交织编码调制的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于LDPC校验矩阵的比特交织编码调制BICM的实现方法，包括：构建或基于已有的具有分块校验矩阵的LDPC码，所述分块校验矩阵划分为一个或多个子矩阵，其大小为B*B；构建BICM结构；在所述BICM结构下，长度为的第

个比特序列

映射得到映射符号

，映射符号

的集合大小为2^m；映射符号子集

的所有映射符号

的映射比特对应到m个校验子矩阵，特别地，相同位置处的映射比特对应于同一个校验子矩阵，所述校验子矩阵的数量为m。如此，使得在后续接收机在并行软解调中易于读取映射符号对应的比特外信息块，便于实现译码反馈，充分发挥联合接收性能。

Description

基于LDPC校验矩阵的比特交织编码调制的实现方法

技术领域

本发明涉及一种比特交织编码技术，特别涉及一种基于LDPC校验矩阵的比特交织编码调制的实现方法。

背景技术

信号在信道的传输中，传输介质和其他信号源会对信号引入一系列的影响，比如衰落、畸变、干扰和噪音等，从而导致接收端产生误码。特别地，在卫星通信、深空通信及各种无线通信系统中，上述影响会更甚。为了提高通信系统的抗干扰能力，信道编码是必不可少的。通过信道编码、交织等环节，对数码流进行相应的处理，可极大地减少误码率。

在目前所有的信道编码中，LDPC码(Low-Density Parity-Check Codes，低密度奇偶校验码)是最接近Shannon香农信道容量限的码，LDPC码的性能在中长码时比Turbo码还好。

LDPC码的译码采用是基于置信传播(Belief Propagation，BP)的迭代译码算法，不仅具有很好的译码性能，而且具有线性的译码复杂度(译码复杂度较低)，更为重要的是，能够并行译码(可以极大地提高译码速度)及译码错误可检测等特点，成为目前信道编码理论的研究热点。

图1为现有技术中利用LDPC码进行编码的框图。如图1所示，信源产生的信息比特首先进行块编码(也称分层编码)得到编码序列，所述编码序列再经过基于代码校验矩阵的交织器进行交织处理后映射到星座，再输入至调制器进行调制，将调制后的信号发送出去。

块机构(也称分层结构)的LDPC校验矩阵可以如下描述：

$H=\left[\begin{array}{ccc}{H}_{00}& L& H_{0q}\\ M& O& M\\ H_{p0}& L& H_{\mathrm{pq}}\end{array}\right]$

这里，第i行j列的子矩阵记作H_ij，大小为B×B，它要么为零矩阵，要么为单位阵、由单位矩阵通过移位得到的矩阵或是这些基本矩阵叠加得到的矩阵。

具有这种结构的LDPC码在译码中易于并行实现，目前已有的标准都属于这类。对该子矩阵，记所有非零元素对应的比特子集为Ω(i，j)。

针对已有的研究的或采用的比特交织LDPC编码的结构，接收机通常采用软解调和软译码分开处理的方式。如果采用迭代译码反馈，其实现的示意图如图2所示，显示了在现有比特交织编码调制系统(BICM)中比特、映射符号和校验子矩阵的关系。

如图2所示，长度为m的比特序列[bitps(i，0)，Λ，bitps(i，m-1)]按一定的映射方式得到映射符号s(i)，映射符号的集合大小为2^m，通常采用的映射方法为格雷映射，对得到的映射符号还可以通过旋转或扩频等方式来增强传输性能。接收机如果采用迭代译码反馈，那么映射符号子集S_r＝[s(0)，Λs(i)，Λs(B-1)]中所有元素的第一个映射比特可以对应到校验子矩阵Hij。这意味着并行译码中，一旦Hij参与的并行译码结束，它所得到的比特外信息可以参与到软解调中。然而，解调中更新这些比特信息还需要其它比特的外信息。再请参阅图2，映射符号子集中所有元素对应的最后一个映射比特对应着不同校验子矩阵(例如：bitps(0，m-1)对应着校验子矩阵Hlk，bitps(B-1，m-1)则对应着校验子矩阵Htf)，这样如果实现该映射符号子集S_r＝[s(0)，Λs(i)，Λs(B-1)]的迭代译码反馈下软解调，需要搜集的比特外信息所对应的校验子矩阵将比m大。进一步地，为了实现并行软解调，需要读取的比特存取块比m大，对应的占用联合迭代解调的时钟数增加，吞吐率下降。再有，这里仅仅考虑了一个映射符号子集，实际使用中，需要所有的符号的更新，这样对应的存取器读写冲突处理和地址控制会非常复杂，以至于几乎难以实现，或者即使实现，也将在性能上有较大的损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于基于LDPC校验矩阵的比特交织编码调制BICM的实现方法，用于解决接收机在软解调和软译码需要读取大量的比特存取块，应的占用联合迭代解调的时钟数增加，吞吐率下降等问题。

本发明提供一种一种基于LDPC校验矩阵的比特交织编码调制BICM的实现方法，所述实现方法包括：提供具有分块校验矩阵的LDPC码，所述分块校验矩阵划分为一个或多个子矩阵H_ij，所述子矩阵H_ij的大小为C*C；构建BICM结构；在所述BICM结构下，长度为m的第i个比特序列[bitps(i，0)，Λ，bitps(i，m-1)]映射得到映射符号s(i)，映射符号s(i)的集合大小为2^m；映射符号子集S_r＝[s(0)，Ls(i)，Ls(C-1)]的映射比特对应到m个校验子矩阵。

可选地，所述映射符号子集S_r＝[s(0)，Ls(i)，Ls(C-1)]的映射比特对应到m个校验子矩阵包括：所述映射符号子集S_r＝[s(0)，Ls(i)，Ls(C-1)]的所有映射符号s(i)中相同位置处的映射比特对应于同一个校验子矩阵，所述校验子矩阵的数量为m。

可选地，在所述BICM结构下，交织器的映射方式包括：

∏＝{I_in(i)，i＝0，L，N-1}→{I_out(i)，i＝0，L，N-1}，

其中，I_in为输入比特的时间索引，I_out为对应的输出比特的时间索引；

所述交织器分解为：

∏＝∏₀∪∏₁∪L∪∏_κ，

其中，∏_i∩∏_j＝Null，ifi≠j，0≤i，j＜κ。

可选地，每一个子交织器的输入对应着一个校验子矩阵，即：

$\&ForAll;i,{\mathrm{\&Pi;}}_i:I_m\left(i\right)\&RightArrow;I_o\left(i\right),0\&le;i<\mathrm{\&kappa;},$

I_m(i)＝{I_in(map1(i，j))，j＝0，L，C-1}，

I_o(i)＝{I_out(map2(i，j))，j＝0，L，C-1}，

$\&Exists;l,t,I_m\left(i\right)\&SubsetEqual;\mathrm{\&Omega;}(l,t);$

其中，map1(i，j)表示第i个子交织器的第j个比特对应的输入时间索引，map2(i，j)表示第i个子交织器的第j个比特对应的输出时间索引。

可选地，存在一种对子交织器的划分，划分个数记为L，

$F=\underset{0\&le;k<L}{\mathrm{\&cup;}}{\mathrm{\&Gamma;}}_k,0<L\&le;\mathrm{\&kappa;},{\mathrm{\&Gamma;}}_k\&SubsetEqual;\{\mathrm{0,1},\mathrm{\&Lambda;},\mathrm{\&kappa;}-1\}$

if 0≤i，j＜L，i≠j，Г_i∩Γ_j＝Null，

要求每个划分对应的子交织器输出比特集合可以完全映射到相应的符号上。

可选地，所述子交织器输出对应的映射规则包括：

$\&ForAll;i,j,k,0\&le;j,k<m-\mathrm{1,0}\&le;i<\frac{N}{m}-1,j\&NotEqual;k,0\&le;l,t<\mathrm{\&kappa;}$

if bitps(i，j)∈I₀(l)，bitps(i，k)∈I₀(t)

then，l≠t。

可选地，所述子交织器的映射方式包括分组交织、卷积交织或S交织。

可选地，所述子矩阵H_ij的大小为所述校验矩阵的最大子矩阵B*B的大小或为所述最大子矩阵的约数

sub为整数，

为整数。

可选地，所述比特序列[bitps(i，0)，Λ，bitps(i，m-1)]映射得到映射符号s(i)采用的映射方式为格雷映射、多维映射、非格雷映射或更高阶的星座调制。

本发明的基于LDPC校验矩阵的比特交织编码调制BICM的实现方法，长度为m的各个比特序列[bitps(i，0)，Λ，bitps(i，m-1)]经映射得到所有映射符号s(i)中相同位置处的映射比特对应于同一个校验子矩阵(即处于同一标号下的校验子矩阵映射到所有映射符号s(i)中某一个标号下的映射比特)，如此，使得在后续接收机在并行软解调中易于读取映射符号对应的比特外信息块，便于实现译码反馈，充分发挥联合接收性能。

附图说明

图1为现有技术中利用LDPC码进行编码的框图；

图2显示了在现有比特交织编码调制系统中比特、映射符号和校验子矩阵的关系；

图3为本发明在新的BICM结构下比特，映射符号与校验子矩阵关系的示意图；

图4显示了本发明依赖于LDPC的校验矩阵的比特交织器进行交织和映射的状态图。

具体实施方式

鉴于在现有技术中，由于映射符号子集中的映射符号中的映射比特可能对应于不同的多个校验子矩阵，从而导致在接收机端采用迭代译码反馈进行并行译码时需要读取更多的比特存取块，对应的占用联合迭代解调的时钟数增加，吞吐率下降，增加处理的复杂度，降低译码性能。

因此，本发明的发明人对现有技术进行了改进，使得交织器依赖于构建的LDPC码的校验矩阵，将校验矩阵中处于同一标号下的校验子矩阵映射到所有映射符号s(i)中某一个标号下的映射比特，可以实现并行软解调，如此，使得在后续接收机在并行软解调不必读取更多的比特外信息块，便于实现译码反馈，充分发挥联合接收性能。

以下将通过具体实施例来对本发明所提出的协作频谱感知方法进行详细说明。

请参阅图3，其为本发明在新的BICM结构下比特，映射符号与校验子矩阵关系的示意图。如图3所示，

如图3所示，长度为m的比特序列[bitps(i，0)，Λ，bitps(i，m-1)]按一定的映射方式得到映射符号s(i)，例如：比特序列[bitps(0，0)，bitps(0，1)，L，bitps(0，m-1)]映射得到映射符号s(0)，比特序列[bitps(i，0)，bitps(i，1)，L，bitps(i，m-1)]映射得到映射符号s(i)，比特序列[bitps(B，0)，bitps(B，1)，L，bitps(B，m-1)]映射得到映射符号s(B-1)，映射符号s(i)的集合大小为2^m。

特别地，在本发明中，映射符号子集S_r＝[s(0)，Λs(i)，Λs(B-1)]的所有映射符号s(i)中相同位置处的映射比特对应于同一个校验子矩阵，如图3所示，所有映射符号s(i)中第一个映射比特对应于校验子矩阵H_ij，……，所有映射符号s(i)中最后一个映射比特对应于校验子矩阵H_lk。这样，在所述BICM结构下，校验子矩阵的数量为m。相应地，对上映射符号子集S_r进行并行软解调仅需要读取m个比特外信息块，降低了处理的复杂度，可以相应提高译码性能。

为了解决所有的接收符号的并行更新，我们需要定义该结构下的交织器规则。

交织器的映射方式为

∏＝{I_in(i)，i＝0，L，N-1}→{I_out(i)，i＝0，L，N-1}

这里I_in为输入比特元素的时间索引，I_out为对应的输出时间索引。

所述交织器分解为：

∏＝∏₀∪∏₁∪L∪∏_κ

其中，∏_i∩∏_j＝Null，ifi≠j，0≤i，j＜κ。

在这里，要求每个子交织器的输入对应着某一个校验子矩阵，或者说，

$\&ForAll;i,{\mathrm{\&Pi;}}_i:I_m\left(i\right)\&RightArrow;I_o\left(i\right),0\&le;i<\mathrm{\&kappa;}$

I_m(i)＝{I_in(map1(i，j))，j＝0，Λ，B-1}

I_o(i)＝{I_out(map2(i，j))，j＝0，Λ，B-1}

$\&Exists;l,t,I_m\left(i\right)\&SubsetEqual;\mathrm{\&Omega;}(l,t)$

其中，map1(i，j)表示第i个子交织器的第j个比特对应的输入时间索引，map2(i，j)表示第i个子交织器的第j个比特对应的输出时间索引。

在上述条件下，存在一种对子交织器的划分，划分个数记为L，

$F=\underset{0\&le;k<L}{\mathrm{\&cup;}}{\mathrm{\&Gamma;}}_k,0<L\&le;\mathrm{\&kappa;},{\mathrm{\&Gamma;}}_k\&SubsetEqual;\{\mathrm{0,1},\mathrm{\&Lambda;},\mathrm{\&kappa;}-1\}$

if 0≤i，j＜L，i≠j，Г_i∩Γ_j＝Null，

要求每个划分对应的子交织器输出比特序列集合可以完全映射到相应的符号上。例如，某一划分对应着i个子交织器，那么其对应的比特序列集合映射的映射符号数为B·i/m。

需说明的是：在以上描述中，所述子矩阵H_ij的大小是以校验矩阵的最大子矩阵的大小(B*B)为例进行说明的，但并不以此为限，在其他实施例中，所述子矩阵H_ij的大小也可以是上述最大子矩阵(B*B)的约数

其中，sub为整数，

为整数。

所述子交织器的交织方式可以采用分组交织、卷积交织、S交织或其他交织方式。

每个子交织器的输出映射到符号时，对应的位置可以不同，例如：第一个子交织器输出映射到bitps(i，0)，第二个子交织器输出映射到bitps(i+1，1)，如此类推。

选择的校验子矩阵在列方向上尽可能的均匀，以充分利用迭代过程中的软信息。

所述比特序列[bitps(i，0)，Λ，bitps(i，m-1)]映射得到映射符号s(i)采用映射规则是格雷映射、多维映射、非格雷映射或其他方式。

此外，虽然子交织器输出对应的映射规则不影响软解调的并行性，但从提高系统分集效果考虑，建议满足如下要求：

$\&ForAll;i,j,k,0\&le;j,k<m-\mathrm{1,0}\&le;i<\frac{N}{m}-1,j\&NotEqual;k,0\&le;l,t<\mathrm{\&kappa;}$

if bitps(i，j)∈I₀(l)，bitps(i，k)∈I₀(t)

then，l≠t

以下将以一具体实例来进行说明。

编码器的基于LDPC码的校验矩阵为

$H=\left[\begin{array}{cccccc}{I}^0& 0& I^1& 0& I^0& I^2\\ 0& I^2& I^5& I^2& 0& 0\\ I^7& I^1+I^4& 0& I^3& 0& I^7\\ I^4& 0& 0& 0& I^1& I^5\end{array}\right]$

I为8*8的单位矩阵，Iⁱ为单位矩阵I向右循环平移i得到的矩阵。在所述校验矩阵中，子矩阵对应的比特位置集合以第一列为例，如下：

Ω(0，0)＝Ω(0，2)＝Ω(0，3)＝{0，1，2，3，4，5，6，7}。

另参阅图4，其显示了本发明依赖于LDPC的校验矩阵的比特交织器进行交织和映射的状态图。如图4所示，第一个子交织器输入比特集合I_m(0)＝{0，1，2，3，4，5，6，7}，对应所述第一个子交织器的第一个子交织器输出比特集合位置为I_o(0)＝{24，27，30，33，36，39，42，45}，∏₀定义了所述第一个子交织器输入比特集合I_m(0)和第一个子交织器输出比特集合位置I_o(0)集合之间的一一映射关系。作为最简单的一种，定义这样的映射关系：0-24，1-27，2-30，3-33，4-36，5-39，6-42，7-45。

以此类推，对于其他子交织器输入比特集合和子交织器输出比特集合同样既有一一映射关系，具体地：第二个子交织器输入比特集合I_m(1)＝{8，9，10，11，12，13，14，15}与第二个子交织器输出比特集合位置I_o(1)＝{0，3，6，9，12，15，18，21}对应，两者的映射关系定义为∏₁；第三个子交织器输入比特集合I_m(2)＝{16，17，18，19，20，21，22，23}与第三个子交织器输出比特集合位置I_o(2)＝{1，4，7，10，13，16，19，22}对应，两者的映射关系定义为∏₂；第四个子交织器输入比特集合I_m(3)＝{24，25，26，27，28，29，30，31}与第四个子交织器输出比特集合位置I_o(3)＝{2，5，8，11，14，17，20，23}对应，两者的映射关系定义为∏₃；第五个子交织器输入比特集合I_m(4)＝{32，33，34，35，36，37，38，39}与第五个子交织器输出比特集合位置I_o(4)＝{25，28，31，34，37，40，43，46}对应，两者的映射关系定义为∏₄；第六个子交织器输入比特集合I_m(5)＝{40，41，42，43，44，45，46，47}与第六个子交织器输出比特集合位置I_o(5)＝{26，29，32，35，38，41，44，47}对应，两者的映射关系定义为∏₅。这样，就完成了子交织器的交织，所述交织方式可以采用分组交织、卷积交织或S交织。

这里，每一个子交织器输入比特集合包括8个比特，2^m＝8，得出m＝3，因此，所需的校验子矩阵的数量为3。现规定三个子交织器为一组，其中，第一组包括：第二个子交织器输入比特集合I_m(1)＝{8，9，10，11，12，13，14，15}、第三个子交织器输入比特集合I_m(2)＝{16，17，18，19，20，21，22，23}、和第四个子交织器输入比特集合I_m(3)＝{24，25，26，27，28，29，30，31}；第二组包括：第一个子交织器输入比特集合I_m(0)＝{0，1，2，3，4，5，6，7}、第五个子交织器输出比特集合位置I_o(4)＝{25，28，31，34，37，40，43，46}、和第六个子交织器输入比特集合I_m(5)＝{40，41，42，43，44，45，46，47}，即子交织器输出划分为Г₀＝{1，2，3}和Г₀＝{0，4，5}。

然后进行映射，Г₀＝{1，2，3}经过映射得到包括s(0)、s(1)、s(2)、s(3)、s(4)、s(5)、s(6)、s(7)在内的8个映射符号，Г₀＝{1，2，3}经过映射得到包括s(8)、s(9)、s(10)、s(11)、s(12)、s(13)、s(14)、s(15)在内的8个映射符号。每一个映射符号s(i)是由包括3个比特的比特序列映射得到的。以s(0)、s(1)、s(2)、s(3)、s(4)、s(5)、s(6)、s(7)为例，映射符号s(0)的输出比特集合位置为{0，1，2}，对应的比特序列为{8，16，24}；映射符号s(1)的输出比特序列位置为{3，4，5}，对应的比特序列为{9，17，25}；映射符号s(2)的输出比特序列位置为{6，7，8}，对应的比特序列为{10，18，26}；映射符号s(3)的输出比特序列位置为{9，10，11}，对应的比特序列为{11，19，27}；映射符号s(4)的输出比特序列位置为{12，13，14}，对应的比特序列为{12，20，28}；映射符号s(5)的输出比特序列位置为{15，16，17}，对应的比特序列为{13，21，29}；映射符号s(6)的输出比特序列位置为{18，19，20}，对应的比特序列为{14，22，30}；映射符号s(6)的输出比特序列位置为{21，22，23}，对应的比特序列为{15，23，31}。其中，s(0)、s(1)、s(2)、s(3)、s(4)、s(5)、s(6)、s(7)的所有比特序列中的第一个比特{8，9，10，11，12，13，14，15}对应于第一个子交织器输入比特集合I_m(0)＝{0，1，2，3，4，5，6，7}，s(0)、s(1)、s(2)、s(3)、s(4)、s(5)、s(6)、s(7)的所有比特序列中的第二个比特{16，17，18，19，20，21，22，23}对应于第三个子交织器输入比特集合I_m(2)＝{16，17，18，19，20，21，22，23}，s(0)、s(1)、s(2)、s(3)、s(4)、s(5)、s(6)、s(7)的所有比特序列中的第三个比特{24，25，26，27，28，29，30，31}对应于第四个子交织器输入比特集合I_m(3)＝{24，25，26，27，28，29，30，31}。

在上述描述中，所述比特序列[bitps(i，0)，Λ，bitps(i，m-1)]映射得到映射符号s(i)采用映射规则是格雷映射、多维映射、非格雷映射或其他方式。

最后的调制信号为八进制调制信号，如8PSK，8ASK等。

综上所述，本发明的基于LDPC校验矩阵的比特交织编码调制BICM的实现方法，长度为m的各个比特序列[bitps(i，0)，Λ，bitps(i，m-1)]经映射得到所有映射符号s(i)中相同位置处的映射比特对应于同一个校验子矩阵(即处于同一标号下的校验子矩阵映射到所有映射符号s(i)中某一个标号下的映射比特)，如此，使得在后续接收机在并行软解调中易于读取符号对应的比特外信息块，便于实现译码反馈，充分发挥联合接收性能。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (9)

1.一种基于LDPC校验矩阵的比特交织编码调制BICM的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括：

提供具有分块校验矩阵的LDPC码，所述分块校验矩阵划分为一个或多个子矩阵H_ij，所述子矩阵H_ij的大小为C*C；

构建BICM结构；在所述BICM结构下，长度为m的第i个比特序列[bitps(i，0)，Λ，bitps(i，m-1)]映射得到映射符号s(i)，映射符号s(i)的集合大小为2^m；映射符号子集S_r＝[s(0)，Ls(i)，Ls(C-1)]的映射比特对应到m个校验子矩阵。

2.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述映射符号子集S_r＝[s(0)，Ls(i)，Ls(C-1)]的映射比特对应到m个校验子矩阵包括：所述映射符号子集S_r＝[s(0)，Ls(i)，Ls(C-1)]的所有映射符号s(i)中相同位置处的映射比特对应于同一个校验子矩阵，所述校验子矩阵的数量为m。

3.根据权利要求1或2所述的实现方法，其特征在于，在所述BICM结构下，交织器的映射方式包括：

∏＝{I_in(i)，i＝0，L，N-1}→{I_out(i)，i＝0，L，N-1}，

其中，I_in为输入比特的时间索引，I_out为对应的输出比特的时间索引；

所述交织器分解为：

∏＝∏₀∪∏₁∪L∪∏_κ，

其中，∏_i∩∏_j＝Null，if i≠j，0≤i，j＜κ。

4.根据权利要求3所述的实现方法，其特征在于，每一个子交织器的输入对应着一个校验子矩阵，即：

I_m(i)＝{I_in(map1(i，j))，j＝0，L，C-1}，

I_o(i)＝{I_out(map2(i，j))，j＝0，L，C-1}，

其中，map1(i，j)表示第i个子交织器的第j个比特对应的输入时间索引，map2(i，j)表示第i个子交织器的第j个比特对应的输出时间索引。

5.根据权利要求4所述的实现方法，其特征在于，存在一种对子交织器的划分，划分个数记为L，

if 0≤i，j＜L，i≠j，Γ_i∩Γ_j＝Null，

要求每个划分对应的子交织器输出比特集合可以完全映射到相应的符号上。

6.根据权利要求5所述的实现方法，其特征在于，所述子交织器输出对应的映射规则包括：

if bitps(i，j)∈I₀(l)，bitps(i，k)∈I₀(t)

then，l≠t。

7.根据权利要求3所述的实现方法，其特征在于，所述子交织器的映射方式包括分组交织、卷积交织或S交织。

8.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述子矩阵H_ij的大小为所述校验矩阵的最大子矩阵B*B的大小或为所述最大子矩阵的约数 

sub为整数， 

为整数。

9.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述比特序列[bitps(i，0)，Λ，bitps(i，m-1)]映射得到映射符号s(i)采用的映射方式为格雷映射、多维映射、非格雷映射或更高阶的星座调制。 

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