CN103401655A - 一种ldpc译码消息存储结构及译码方法 - Google Patents

Abstract

一种LDPC译码消息存储结构及译码方法，属移动通信信道编码领域，该LDPC译码消息存储结构只存储LDPC校验矩阵H中非零元素所对应的译码消息，在软件或是硬件实现时能大大减少译码消息的存储空间。同时在采用本译码消息存储结构相适应的BP（Belief Propagation）译码方法时，通过事先准备好的校验矩阵非零元素行、列统计信息，可加快译码消息寻址速度，从而加快译码速度。

Description

一种LDPC译码消息存储结构及译码方法

技术领域

本发明涉及一种LDPC译码消息存储结构及译码方法，属移动通信信道编码领域。

背景技术

随着多媒体和宽带移动通信业务的广泛展开，无线通信系统对传输速度和可靠性提出了更高的要求。LDPC码作为一种比较强大的信道纠错编码方式，可以提供很高的传输可靠性。现在LDPC码已经被应用于许多标准中，如IEEE802.16e(WiMax)，IEEE802.11n(Wi-Fi)等，属于4G的关键技术。目前对于LDPC码的理论研究已经趋于成熟，无论是国际还是国内都把研究重点放在了编译码器的实现上，研究的焦点为如何在现有器件条件下尽可能的增加编译码的效率。

LDPC（Low Density Parity Check，低密度奇偶校验）码是一种基于低密度校验矩阵的线性分组码，由Gallager于1962年提出。在采用置信传播（Belief Propagation，BP）译码的条件下，LDPC码可以达到接近香农极限的优良性能。

BP译码是一种采用软判决的消息迭代译码算法。本质上，BP译码是基于Tanner图的消息传递迭代译码算法。消息沿Tanner图的边传递，根据这些消息的组合对变量节点进行判决。在对数域的BP译码算法中沿Tanner图传递的对数似然比消息主要有：变量节点n传到校验节点m的对数似然比消息q_nm；校验节点m传到变量节点n的对数似然比消息r_mn。

Tanner图与LDPC码校验矩阵H有着很强的对应关系，通常在进行译码时所使用的对数似然比消息q_nm、r_mn的数目与LPDC码校验矩阵H的维数相同，其中校验矩阵H的维数为M×N，而LDPC码的校验矩阵H为稀疏矩阵，即矩阵中的0元素的数目远大于非0元素的数目；同时在译码时参与运算的对数似然比消息只与校验矩阵非0元素有关，这意味着采用传统方式存储译码消息会浪费大量的存储空间。论文“IEEE802.16e标准的LDPC码的实现研究”【哈尔滨工业大学大学，郭昊，硕士毕业论文，2010.07.30】中所使用的译码消息存储方式即如上所述，在译码时会浪费大量的存储空间，而且随LDPC码码长的增加所使用的存储空间会急剧增加，不利于软、硬件的实现。

发明内容

针对背景技术中所述的缺陷和不足，本发明采用了一种新型的译码消息存储结构及译码实现方式。与其他的译码消息存储结构相比，这种译码消息存储结构只存储LDPC码校验矩阵H非零元素所对应的译码消息，故其占用内存小并在译码时能加快译码速度。

本发明的技术方案如下：

一种LDPC译码消息存储结构及译码方法，该译码消息存储结构只记录LDPC码校验矩阵H中非零元素所对应的译码消息，在用BP或MS算法译码时采用与本译码消息存储结构相对应的寻址方式对译码消息进行处理,定义符号：M表示校验矩阵的行数；N表示校验矩阵的列数；C_n为和变量节点n相连的校验节点的集合，n＝0,1,...,N-1；R_m为和校验节点m相连的变量节点的集合，m＝0,1,...,M-1；C_n\m表示除去校验节点m的C_n的集合；R_m\n表示除去变量节点n的R_m的集合；和分别为第l次迭代中从变量节点n到校验节点m和从校验节点m到变量节点n的对数似然比（log-likelihood ratio，LLR）消息；α_nm表示

的符号；β_nm表示

的幅值，消息存储结构组成：行号；列号；α_nm消息；β_nm消息；

消息；r_mn消息，该译码消息存储结构同时能够表示为一个译码消息存储子单元，该译码方法通过计算机C语言编程实现，其具体步骤如下：

1)校验矩阵H非零元素信息统计

统计待译码码字所对应的校验矩阵H非零元素的总数记作ALL，校验矩阵H每行、每列非零元素的数目以及每个非零元素在校验矩阵所对应的行号、列号；

2)开辟译码消息存储空间并初始化部分消息

开辟校验矩阵H非零元素的总数个译码消息存储子单元，并按行号的升序将每个非零元素在校验矩阵所对应的行号、列号赋给每个译码消息存储子单元的行号、列号；

3)记录列号为i时，0≤i＜N，译码消息存储子单元的个数及序号，其中N表示校验矩阵的列数；

4)采用对应的方式实现译码过程

a)初始化：变量节点n到校验节点m的消息被初始化为从信道来的消息，即

$q_{\mathrm{nm}}^0=L\left(z_n\right)=-{2y}_n/{\mathrm{\σ}}^2$

y_n为还未经过解调的信号；

z_n为LDPC编码码字；

σ²为AWGN信道中的噪声方差；

α_nm消息初始化：

其中符号sgn表示对取符号；

β_nm消息初始化：

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{nm}}=\left|q_{\mathrm{nm}}^{l-1}\right|$

迭代次数l＝1；

b)第一步:校验节点处理

校验节点m（m＝0,1,...,M-1）收集与它相邻的变量节点n’的消息，取出行号为i(i=m)的译码消息存储子单元参与运算，再加上自身的校验方程的约束条件，得到第l次迭代中从校验节点m到变量节点n的对数似然比（log-likelihood ratio，LLR）消息

$r_{\mathrm{mn}}^l=\left(\underset{n^{\′}\∈R_m\backslash n}{\mathrm{\Π}}{\mathrm{\α}}_{n^{\′}m}\right)\·\mathrm{\φ}\left(\underset{n^{\′}\∈R_m\backslash n}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\φ}\left({\mathrm{\β}}_{n^{\′}m}\right)\right)$

其中

φ(x)＝-logtanh(x/2)＝log[(e^x+1)/(e^x-1)]，

α_n'm表示

的符号；β_n'm表示

的幅值，表示第l-1次迭代校验节点m相邻的变量节点n’到校验节点m的对数似然比消息，n＇表示和校验节点m相邻的变量节点；

c)第二步：变量节点处理

变量节点n（n＝0,1,...,N-1）收集与它相邻的校验节点的消息，还有来自信道的初始化消息L(z_n),取出列号为j(j=n)的译码消息存储子单元参与运算，对于所有的变量节点n和校验节点m∈C_n，消息更新如下：

$q_{\mathrm{nm}}^l=L\left(z_n\right)+\underset{m^{\′}\∈C_n\backslash m}{\mathrm{\Σ}}{r}_{m^{\′}n}^l$

更新变量节点n的LLR（对数似然比）消息：

其中表示变量节点n收集到的所有的对数似然比消息；

d)第三步：硬件判决和迭代停止条件判定

如果 $Q_n^l<0,$ 译码出来的码字比特 ${\hat{z}}_n^l=1,$ 如 $Q_n^l\&GreaterEqual;0,$ 则 ${\hat{z}}_n^l=0;$

如果

其中H表示LDPC码校验矩阵、

表示译出的码字向量、

表示译出的码字向量的转秩、

表示校验矩阵与译出码字的转秩做内积，或者迭代次数l达到最大迭代次数l_max，迭代停止；若

且l≠l_max则l＝l+1，然后转入步骤b)。

本发明的有效增益如下：

1、本发明所提供的LDPC译码消息存储结构可大大降低译码时译码消息的存储空间，其效果视校验矩阵的稀疏程度而定。

2、本发明所提供的译码方法在使用计算机C语言编程实现时可加快至少40%的译码速度。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例：

一种LDPC译码消息存储结构及译码方法，该译码消息存储结构只记录LDPC码校验矩阵H中非零元素所对应的译码消息，在用BP或MS算法译码时采用与本译码消息存储结构相对应的寻址方式对译码消息进行处理,定义符号：M表示校验矩阵的行数；N表示校验矩阵的列数；C_n为和变量节点n相连的校验节点的集合，n＝0,1,...,N-1；R_m为和校验节点m相连的变量节点的集合，m＝0,1,...,M-1；C_n\m表示除去校验节点m的C_n的集合；R_m\n表示除去变量节点n的R_m的集合；和

分别为第l次迭代中从变量节点n到校验节点m和从校验节点m到变量节点n的对数似然比（log-likelihood ratio，LLR）消息；α_nm表示

的符号；β_nm表示

的幅值，消息存储结构组成：行号；列号；α_nm消息；β_nm消息；

消息；r_mn消息，该译码消息存储结构同时能够表示为一个译码消息存储子单元，该译码方法通过计算机C语言编程实现，其具体步骤如下：

1)校验矩阵H非零元素信息统计

统计待译码码字所对应的校验矩阵H非零元素的总数记作ALL，校验矩阵H每行、每列非零元素的数目以及每个非零元素在校验矩阵所对应的行号、列号；

2)开辟译码消息存储空间并初始化部分消息

开辟校验矩阵H非零元素的总数个译码消息存储子单元，并按行号的升序将每个非零元素在校验矩阵所对应的行号、列号赋给每个译码消息存储子单元的行号、列号；

3)记录列号为i时，0≤i＜N，译码消息存储子单元的个数及序号，其中N表示校验矩阵的列数；

4)采用对应的方式实现译码过程

a)初始化：变量节点n到校验节点m的消息被初始化为从信道来的消息，即

$q_{\mathrm{nm}}^0=L\left(z_n\right)=-{2y}_n/{\mathrm{\&sigma;}}^2$

y_n为还未经过解调的信号；

z_n为LDPC编码码字；

σ²为AWGN信道中的噪声方差；

α_nm消息初始化：

其中符号sgn表示对

取符号；

β_nm消息初始化：

${\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{nm}}=\left|q_{\mathrm{nm}}^{l-1}\right|$

迭代次数l＝1；

b)第一步:校验节点处理

校验节点m（m＝0,1,...,M-1）收集与它相邻的变量节点n’的消息，取出行号为i(i=m)的译码消息存储子单元参与运算，再加上自身的校验方程的约束条件，得到第l次迭代中从校验节点m到变量节点n的对数似然比（log-likelihood ratio，LLR）消息

$r_{\mathrm{mn}}^l=\left(\underset{n^{\&prime;}\&Element;R_m\backslash n}{\mathrm{\&Pi;}}{\mathrm{\&alpha;}}_{n^{\&prime;}m}\right)\&CenterDot;\mathrm{\&phi;}\left(\underset{n^{\&prime;}\&Element;R_m\backslash n}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{\&phi;}\left({\mathrm{\&beta;}}_{n^{\&prime;}m}\right)\right)$

其中

φ(x)＝-logtanh(x/2)＝log[(e^x+1)/(e^x-1)]，

α_n'm表示

的符号；β_n'm表示的幅值，

表示第l-1次迭代校验节点m相邻的变量节点n’到校验节点m的对数似然比消息，n＇表示和校验节点m相邻的变量节点；

c)第二步：变量节点处理

变量节点n（n＝0,1,...,N-1）收集与它相邻的校验节点的消息，还有来自信道的初始化消息L(z_n),取出列号为j(j=n)的译码消息存储子单元参与运算，对于所有的变量节点n和校验节点m∈C_n，消息更新如下：

$q_{\mathrm{nm}}^l=L\left(z_n\right)+\underset{m^{\&prime;}\&Element;C_n\backslash m}{\mathrm{\&Sigma;}}{r}_{m^{\&prime;}n}^l$

更新变量节点n的LLR（对数似然比）消息：

其中

表示变量节点n收集到的所有的对数似然比消息；

d)第三步：硬件判决和迭代停止条件判定

如果 $Q_n^l<0,$ 译码出来的码字比特 ${\hat{z}}_n^l=1,$ 如 $Q_n^l\&GreaterEqual;0,$ 则 ${\hat{z}}_n^l=0;$

如果

其中H表示LDPC码校验矩阵、表示译出的码字向量、

表示译出的码字向量的转秩、

表示校验矩阵与译出码字的转秩做内积，或者迭代次数l达到最大迭代次数l_max，迭代停止；若且l≠l_max则l＝l+1，然后转入步骤b)。

Claims (1)

1.一种LDPC译码消息存储结构及译码方法，该译码消息存储结构只记录LDPC码校验矩阵H中非零元素所对应的译码消息，在用BP或MS算法译码时采用与本译码消息存储结构相对应的寻址方式对译码消息进行处理,定义符号：M表示校验矩阵的行数；N表示校验矩阵的列数；C_n为和变量节点n相连的校验节点的集合，n＝0,1,...,N-1；R_m为和校验节点m相连的变量节点的集合，m＝0,1,...,M-1；C_n\m表示除去校验节点m的C_n的集合；R_m\n表示除去变量节点n的R_m的集合；

和

分别为第l次迭代中从变量节点n到校验节点m和从校验节点m到变量节点n的对数似然比消息；α_nm表示的符号；β_nm表示

的幅值，消息存储结构组成：行号；列号；α_nm消息；β_nm消息；消息；r_mn消息，该译码消息存储结构同时能够表示为一个译码消息存储子单元，该译码方法通过计算机C语言编程实现，其具体步骤如下：

1)校验矩阵H非零元素信息统计

统计待译码码字所对应的校验矩阵H非零元素的总数记作ALL，校验矩阵H每行、每列非零元素的数目以及每个非零元素在校验矩阵所对应的行号、列号；

2)开辟译码消息存储空间并初始化部分消息

开辟校验矩阵H非零元素的总数个译码消息存储子单元，并按行号的升序将每个非零元素在校验矩阵所对应的行号、列号赋给每个译码消息存储子单元的行号、列号；

3)记录列号为i时，0≤i＜N，译码消息存储子单元的个数及序号，其中N表示校验矩阵的列数；

4)采用对应的方式实现译码过程

a)初始化：变量节点n到校验节点m的消息被初始化为从信道来的消息，即

$q_{\mathrm{nm}}^0=L\left(z_n\right)=-{2y}_n/{\mathrm{\&sigma;}}^2$

y_n为还未经过解调的信号；

z_n为LDPC编码码字；

σ²为AWGN信道中的噪声方差；

α_nm消息初始化：

其中符号sgn表示对取符号；

β_nm消息初始化：

${\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{nm}}=\left|q_{\mathrm{nm}}^{l-1}\right|$

迭代次数l＝1；

b)第一步:校验节点处理

校验节点m收集与它相邻的变量节点n’的消息，取出行号为i的译码消息存储子单元参与运算，i=m，再加上自身的校验方程的约束条件，得到第l次迭代中从校验节点m到变量节点n的对数似然比消息

$r_{\mathrm{mn}}^l=\left(\underset{n^{\&prime;}\&Element;R_m\backslash n}{\mathrm{\&Pi;}}{\mathrm{\&alpha;}}_{n^{\&prime;}m}\right)\&CenterDot;\mathrm{\&phi;}\left(\underset{n^{\&prime;}\&Element;R_m\backslash n}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{\&phi;}\left({\mathrm{\&beta;}}_{n^{\&prime;}m}\right)\right)$

其中

φ(x)＝-logtanh(x/2)＝log[(e^x+1)/(e^x-1)]，

α_n'm表示

的符号；β_n'm表示的幅值，

表示第l-1次迭代校验节点m相邻的变量节点n’到校验节点m的对数似然比消息，n＇表示和校验节点m相邻的变量节点；

c)第二步：变量节点处理

变量节点n收集与它相邻的校验节点的消息，还有来自信道的初始化消息L(z_n),取出列号为j的译码消息存储子单元参与运算，j=n，对于所有的变量节点n和校验节点m∈C_n，消息更新如下：

$q_{\mathrm{nm}}^l=L\left(z_n\right)+\underset{m^{\&prime;}\&Element;C_n\backslash m}{\mathrm{\&Sigma;}}{r}_{m^{\&prime;}n}^l$

更新变量节点n的对数似然比消息：

其中

表示变量节点n收集到的所有的对数似然比消息；

d)第三步：硬件判决和迭代停止条件判定

如果 $Q_n^l<0,$ 译码出来的码字比特 ${\hat{z}}_n^l=1,$ 如 $Q_n^l\&GreaterEqual;0,$ 则 ${\hat{z}}_n^l=0;$

如果

其中H表示LDPC码校验矩阵、

表示译出的码字向量、

表示译出的码字向量的转秩、

表示校验矩阵与译出码字的转秩做内积，或者迭代次数l达到最大迭代次数l_max，迭代停止；若且l≠l_max则l＝l+1，然后转入步骤b)。