CN103208997A - 一种边输入/边译码/边输出的编译码器结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种边输入/边译码/边输出编译码器结构的即时译码技术，属于无线通信信号处理与信道编译码技术领域。本发明提出了一种“边输入/边译码/边输出的编译码器结构”，具体的，采用卷积编码结合维特比译码实现“边输入/边译码/边输出”的编译码器结构。采用这种编译码器结构进行编译码无需等待全部编码符号输入译码器，而是部分信道符号输入译码器就开始工作，并随着信道数据的不断输入，译码器源源不断输出解码符号。其规则结构使得编译码器实现得以简化，降低了卷积码的编译码复杂度，基于流水线结构的迭代译码器，实现了编译码器的低延时。

Description

一种边输入/边译码/边输出的编译码器结构

技术领域

本发明涉及一种即时译码技术，尤其涉及一种边输入/边译码/边输出的编译码器结构，属于无线通信信号处理与信道编译码技术领域。

背景技术

从上世纪中叶开始直到现在，无论从军用还是民用通信领域，基于宽带、低截获率、强抗干扰的信号传输技术的无线通信需求日益增加。随着与IEEE802.11系列WLAN等民用标准和CCSDS军用标准相关的设备广泛研发和普及，在无线通信的信号处理领域，广泛采用信道带宽换取信号传输的可靠性和安全性的扩频、跳频和变码扩频等技术。随着信号处理技术的不断发展以及人们对通信抗干扰能力、抗截获和侦听能力、通信速率等要求的不断提高，此类技术难以满足现代战时环境下实时宽带多媒体数据传输要求。

鉴于如上所述，近年来人们提出了将信道编码和扩频结合起来的编码软扩频技术。采用好的信道编码，信号能够以接近Shannon极限的功率或者速率传送，信号的功率效率或带宽效率可接近理论极限。将扩频技术与编码技术相结合的软扩频系统，通过将信号由信息空间映射到编码空间，不仅使信息的编码获得编码增益，而且可以通过对信息序列扩频获得扩频增益。编码软扩频系统由于同时具有编码和扩频增益，在同样抗干扰能力情况下，可减少扩频比，提高数据传输的有效性。因此，基于编码的软扩频能够满足战时无线环境下实时宽带多媒体数据传输要求。在软扩频通信中，长度为K个符号的信源序列通过信道编码编成长度为N的编码码字，将此长度为N的编码序列经调制后发送到信道。这样，就实现了扩频增益G_p＝K/N的扩频系统。这种软扩频结合了信道编码，在无线衰落信道应用中，系统不但可提供编码增益，还能够提供分集增益，因而与常规扩频系统相比，具有更高的安全性、更强的抗干扰能力。由于信道编码N和K参数选择比较灵活，其扩频增益并不要求为整数。正是由于这种扩频增益参数选择的灵活性，软扩频尤其适用于信道带宽受限、只能承受较小的扩频增益的传输系统。事实上，这种将直接序列扩频技术与编码技术相结合的软扩频技术已经在突发通信、计算机无线通信和无线局域网通信等领域得到广泛应用。事实上，IEEE802.11b无线局域网的补码键控（CCK）技术就是一种典型的软扩频技术。

目前，关于国内将信道编码与扩频技术结合的软扩频研究，主要工作包括：使用码长很短的分组编码，如Hamming码、RM码等的编码扩频；基于较短码长的编码，如Reed-Solomon编码的编码扩频。这些工作中所使用的编码具有很强的代数结构，译码具有成熟的算法，在一定程度上体现了软扩频可同时提供扩频增益和编码增益的好处。由于软扩频可灵活提供扩频和编码增益，人们考虑将此方法用于水下机器人之间信号传输以及水下语声通信等信号随空间距离衰减很快的场景。但这些分组码的码长很有限，例如实用的Hamming码和RM码，其码长一般在10以下至多几十个符号。Reed-Solomon的码长可稍长，但由于编码和解码复杂度限制，实用的Reed-Solomon编码码长一般不超过255。因此，采用这类具有严格代数结构的编码，扩频增益和编码增益都非常有限。鉴于此，有文献研究了基于eIRA编码的软扩频。由于eIRA编码是一种LDPC编码，其编码码长可以从几百、几千、数万甚至几十万或者更长。该编码的译码基于置信传播算法，译码复杂度低。基于这种编码的软扩频可以同时提供很高的扩频增益和编码增益，可应用于水下通信、深空通信等微弱信号场景。

关于无比率编码，国内研究人员已经展开了大量研究。人们研究了基于LDPC的无比率编码，研究了无比率编码应用于深空通信等。项目申请人所在项目组已经展开了大量研究，取得了很多成果。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有卷积编码增益性能较小和编码器复杂导致较大延时的缺陷，提出了一种“边输入/边译码/边输出的编译码器结构”，具体的，采用卷积编码结合维特比译码实现“边输入/边译码/边输出”的编译码器结构。采用这种编译码器结构进行编译码无需等待全部编码符号输入译码器，而是部分信道符号输入译码器就开始工作，并随着信道数据的不断输入，译码器源源不断输出解码符号。其规则结构使得编译码器实现得以简化，降低了卷积码的编译码复杂度，基于流水线结构的迭代译码器，实现了编译码器的低延时。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的“一种边输入/边译码/边输出的编译码器结构”包含编码器和译码器两部分，编码器的改进基于卷积码结构，具体改进包含如下几部分：

（1）增加卷积码编码器的约束长度，使约束长度达到几十、几百或者几千个符号，实际长度根据时效性需求设定。

（2）增加约束长度后，改进置信传播算法，使之可“边输入、边译码、边输出”，加法器采用有限域GF(q)中的加法；每一输入符号乘以一个非零编码系数再参与相应符号的编码。

（2.1）对于长度为K的非递归系统码卷积的编码方法，系统码部分的校验部分，首先给定编码度分布函数，根据度分布函数随机生成一个非负整数，将此非负整数作为编码符号的编码度，然后从存储器的K个符号，随机均匀选取数据源相同数目个不同符号，为所选择符号的序号集合。之后，从有限域GF(q)中随机均匀产生数据源相同数目个非零值作为当前编码符号的编码系数，再根据编码系数对数据源相同数目个不同的符号求加权和，得到编码符号的值，使用公式

计算当前编码输出符号的值。此处的加法和乘法都是定义于有限域中的运算。

（2.2）对于长度为K的非递归非系统码卷积的编码方法，首先产生出所有的编码符号，在编码步骤中，编码度可使用鲁棒孤子分布，定义如下：

令信源长度为K，设c和δ是满足c＞0和0＜δ＜1的两个参数，令

此处ln(x)表示自然对数；定义：

$\mathrm{\ρ}\left(d\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{K},& d=1\\ \frac{1}{d(d-1)},& d=\mathrm{2,3},\·\·\·,K\end{array}\right.$

$\mathrm{\τ}\left(d\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{S}{K\·d},& d=\mathrm{1,2}\·\·\·,K/S-1\\ \frac{S}{K}\·\ln (S/\mathrm{\δ}),& d=K/S\\ 0,& d>K/S\end{array}\right.$

ρ(d)为孤子分布。将ρ(·)和τ(·)作和并归一化，得到鲁棒孤波分布：

$\mathrm{\μ}\left(d\right)=\frac{\mathrm{\ρ}\left(d\right)+\mathrm{\μ}\left(d\right)}{\mathrm{\β}}$

其中

其编码度也可以是其他分布，例如均匀分布。

有益效果

本发明的“一种边输入/边译码/边输出的编译码器结构”，具有如下有益效果：

（1）本发明的编译码器结构进行编译码无需等待全部编码符号输入译码器，而是部分信道符号输入译码器就开始工作，并随着信道数据的不断输入，译码器源源不断输出解码符号；其规则结构使得具有高速编码的能力，可简化硬件编码器的实现；

（2）本发明的译码器结构基于流水线结构的迭代译码器，实现了编译码器的低延时；

（3）本发明编码实际的码长很长，具有接近甚至达到Shannon性能限的潜力；

（4）本发明的编译码器一边输入，一边译码输出，信号在译码缓冲池中无需等待很长的时间即可判决输出，可很好地满足信号的即时性要求。

（5）本发明具有“边译码、边输出”特性的编码在实现低时延甚少损失误码性能，甚至可不损失误码性能。

附图说明

图1为本发明中编码器改进结构部分约束长度为K的非递归系统码卷积编码器；

图2为本发明编码器改进结构部分约束长度为K的非递归非系统码卷积编码器；

图3为本发明编码器改进结构部分约束长度为K的递归型系统码卷积编码器；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

本发明的“一种边输入/边译码/边输出的编译码器结构”中编码器的改进，第（1）部分中，增加编码约束长度部分，具体约束长度可以设定为大于5，普通的卷积编码，其编码约束度很小，大都只有3到5，一般都小于10。这是因为，维特比译码器的状态数按存储器长度指数增长，约束长度大，维特比译码器将因为存储和运算复杂度太大而无法工作。

（2）增加约束长度后，改进置信传播算法，使之可“边输入、边译码、边输出”，加法器采用有限域GF(q)中的加法；每一输入符号乘以一个非零编码系数再参与相应符号的编码，使之可“边输入、边译码、边输出”。

(2.1)对于长度为K的非递归系统码卷积编码器，编码方法如图1所示，图中令v_∞＝[v₁,v₂,…]表示长度半无限的编码序列，一个编码符号v_i（i＝1,2,…）的编码度表示参加该符号编码的信源符号个数。设存储器的长度为K。每一个时隙i，信源输入k₀个q进制符号，输出n₀个符号。因此码率为R＝k₀/n₀。分别表示约束长度为K的非递归系统码卷积编码器、约束长度为K的递归性系统码卷积编码器、约束长度为K的递归性系统码卷积编码器。图中加法器表示有限域GF(q)中的加法。每一输入符号到加法器的箭头线表示某符号参与某符号的编码。箭头线上具有一个非零编码系数。

(2.2)对于长度为K的非递归非系统码卷积的编码方法，取即产生出所有的编码符号。令m＝[m_i,m_i-1,…,m_i-K+1]^T表示第i时隙存储器中的信源矢量。对于非递归性系统码，系统码部分输出为

对于校验部分，首先给定编码度分布函数μ(d)，根据分布函数μ(d)随机生成一个非负整数d_i,s，将d_i,s作为编码符号v_i,s（s＝k₀,…,n₀-1）的编码度。然后，从存储器K个符号中随机均匀地选取d_i,s个不同的符号，记

为所选择符号的序号集合。之后，从有限域GF(q)中随机均匀产生d_i,s个非零值作为编码符号v_i的编码系数，记这些编码系数构成的集合为

为简单起见，仍然将存储器中的存储的信源矢量记为m＝[m₁,m₂,…,m_K]^T，对应于

根据编码系数对d_i,s个不同的符号求加权和，得到编码符号v_i,s的值，即，使用公式

计算编码的输出符号v_i,s的值。此处的加法和乘法都是定义于有限域中的运算。

在编码步骤中，编码度可使用鲁棒孤子分布μ(d)，定义如下：令信源长度为K，设c和δ是满足c＞0和0＜δ＜1的两个参数，令

此处ln(x)表示自然对数；定义：

在编码步骤中，编码度可使用鲁棒孤子分布μ(d)，定义如下：令信源长度为K，设c和δ是满足c＞0和0＜δ＜1的两个参数，令

此处ln(x)表示自然对数；定义

$\mathrm{\ρ}\left(d\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{K},& d=1\\ \frac{1}{d(d-1)},& d=\mathrm{2,3},\·\·\·,K\end{array}\right.$

$\mathrm{\τ}\left(d\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{S}{K\·d},& d=\mathrm{1,2}\·\·\·,K/S-1\\ \frac{S}{K}\·\ln (S/\mathrm{\δ}),& d=K/S\\ 0,& d>K/S\end{array}\right.$

ρ(d)为孤子分布。将ρ(·)和τ(·)作和并归一化，得到鲁棒孤波分布：

$\mathrm{\μ}\left(d\right)=\frac{\mathrm{\ρ}\left(d\right)+\mathrm{\μ}\left(d\right)}{\mathrm{\β}}$

其中

其编码度也可以是其他分布，例如均匀分布。

实施例2

本发明提出的“一种边输入/边译码/边输出的编译码器结构”，改进的新型编码器与常规卷积编码器有两点显著不同：（1）改进的编码器存储器长度可任意指定，当长度小于10时，编码器就是常规的卷积编码，可采用维特比译码器实现最大似然译码；当长度大于10，达到几十、几百或者几千时，这种编码实际不再是常规的卷积编码，而是一种无尾的LDPC编码。（2）编码输出符号与存储器中的符号具有连接关系的符号数按照编码度随机产生，连接关系也是随机的。常规的卷积编码，其编码关系是完全固定的。

这种编码的信息可连续输入，编码符号连续输出，实际是一种半无限长的LDPC编码。当存储器长度较大时，这种编码无法使用维特比译码器进行译码。同时，由于编码长度无限，也无法直接使用LDPC码置信传播算法进行译码。

考虑编码器“边输入、边输出”，译码器也可以采用“边输入、边译码、边输出”的方法。具体方法如下：（1）选取存储器长度大约3到5倍数量的符号，写出其校验方程，使用此校验方程，采用置信传播算法对输入信号进行迭代译码，迭代一个确定的次数L₀；（2）确定一个常整数L。新输入L个符号，将其校验方程加入到校验方程组，将这些符号的初始置信度输入译码器；计算最先输入译码器的L个符号处于各状态的概率并判决输出；将这些符号对应的校验方程从方程组中删除。

这种改进的译码算法基于LDPC的置信传播算法，使之可实现“边输入、边译码、边输出”。一方面，信号在编码和译码器中等待时间不长；另一方面，基于LDPC的迭代译码器具有并行计算能力因而可快速高效译码。综合这两方面的因素，本发明提出的“一种边输入/边译码/边输出的编译码器结构”满足低时延要求。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种边输入/边译码/边输出的编译码器结构，其特征在于：

“一种边输入/边译码/边输出的编译码器结构”包含编码器和译码器两部分，编码器的改进基于卷积码结构。

包括如下步骤：

步骤一、增加卷积码编码器的约束长度，使约束长度达到几十、几百或者几千个符号，实际长度根据时效性需求设定。

步骤二、增加约束长度后，改进置信传播算法，使之可“边输入、边译码、边输出”，加法器采用有限域GF(q)中的加法；每一输入符号乘以一个非零编码系数再参与相应符号的编码。

步骤2.1，对于长度为K的非递归系统码卷积的编码方法，系统码部分的校验部分，首先给定编码度分布函数，根据度分布函数随机生成一个非负整数，将此非负整数作为编码符号的编码度，然后从存储器的K个符号，随机均匀选取数据源相同数目个不同符号，为所选择符号的序号集合。之后，从有限域GF(q)中随机均匀产生数据源相同数目个非零值作为当前编码符号的编码系数，再根据编码系数对数据源相同数目个不同的符号求加权和，得到编码符号的值，使用公式

计算当前编码输出符号的值。此处的加法和乘法都是定义于有限域中的运算。

步骤2.2，对于长度为K的非递归非系统码卷积的编码方法，首先产生出所有的编码符号，在编码步骤中，编码度可使用鲁棒孤子分布，定义如下：

令信源长度为K，设c和δ是满足c＞0和0＜δ＜1的两个参数，令

此处ln(x)表示自然对数；定义：

$\mathrm{\ρ}\left(d\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{K},& d=1\\ \frac{1}{d(d-1)},& d=\mathrm{2,3},\·\·\·,K\end{array}\right.$

$\mathrm{\τ}\left(d\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{S}{K\·d},& d=\mathrm{1,2}\·\·\·,K/S-1\\ \frac{S}{K}\·\ln (S/\mathrm{\δ}),& d=K/S\\ 0,& d>K/S\end{array}\right.$

ρ(d)为孤子分布。将ρ(·)和τ(·)作和并归一化，得到鲁棒孤波分布：

$\mathrm{\μ}\left(d\right)=\frac{\mathrm{\ρ}\left(d\right)+\mathrm{\μ}\left(d\right)}{\mathrm{\β}}$

其中

其编码度也可以是其他分布，例如均匀分布。

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