CN104363023A - 北斗高精度差分信息编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种北斗高精度差分信息编码方法，采用基于LDPC码级联交织的编码方式对北斗高精度差分系统进行信息处理，首先生成校验矩阵，然后进行分块预处理，最终进行快速编码。本发明能够明显的提高北斗高精度差分信息接收的正确性，在现有通信条件下可使得编码增益优于5db。本发明应用于北斗高精度差分信息传递，在一定程度上解决了卫星远距离通信过程中误码率高、抗干扰能力差的问题。

Description

北斗高精度差分信息编码方法

技术领域

本发明涉及一种高精度差分信息编码实现方法。

背景技术

我国的北斗卫星导航系统是继美国GPS、俄罗斯GLONASS之后，全球第三大卫星导航系统。2003年“北斗一号”卫星导航系统的建成，标志着我国成为世界上第三个拥有独立自主卫星导航系统的国家。北斗卫星导航系统2012年将覆盖亚太区域，2020年将形成由35颗卫星组网具有覆盖全球的卫星导航系统。

但由于北斗卫星通信距离很远，因此必须极大地提高系统的接收灵敏度和信道增益，信道编译码是卫星通信中的关键技术之一，可以大大提高卫星通信的性能，甚至有人恰如其分地把卫星通信和编码的关系称之为“天作之合”。信道编码又称纠错编码，已经历五十多年的发展，由最初的分组码逐步发展到目前越来越受关注和应用的LDPC码。目前，现有北斗卫星定位系统采用的是BCH编码方式，其编码增益在相同信噪比的环境下要弱于LDPC编码4db，所以不足以产生高增益编码效益；而且，LDPC码在中长码时具有超过Turbo码的性能，并且具有译码复杂度更低、能够并行译码及译码错误可检测等特点，成为目前空间编码技术的优选。同时，另一种交织编码技术可以使得长码在极端恶劣的通信环境下，最大程度保证突发错误的不连续性。综上所述，将其和LDPC码结合可以最大程度的改善远距离通信误码率高的问题

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于LDPC码级联交织的编码方式对北斗高精度差分系统进行信息处理，可以较好的抑制误码率，进而提高接受信息的正确性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)生成校验矩阵，包括以下步骤：

(1.1)选取k个素数p₁,p₂...,p_k，满足以下条件：

p₁＞p₂＞...＞p_k＞2；

GCD(p_i,m)＝1，i＝1,2,...,k；

2p₁+2p₂+2p₃＜；

2p_i±p_j≠p_k，i、j为1～k中的任意数值；

(1.2)把v个校验节点编号为0,1,...,(v-1)，依次均匀地放在一个圆上；

(1.3)随机选取一个校验节点a，以p_i为步长顺时针移动v-1次，连同节点i共计依次走过v个点，记为pos_a＝(i,i+p₁,...,i+(v-1)p₁)(modm)，pos₁将跑遍0,1,...,(v-1)，将跑过的点依次排列组成一个序列；

(1.4)依次取素数p_v,v＝2,3,...,k，随机选取一个校验节点，重复步骤(1.3)，将得到的序列依次排列组成一个总序列pos＝[pos₁,pos₂,...,pos_k]；

(1.5)将pos中的m×k个元素按每j个一组进行划分，每组对应一个变量节点x_i与e_ji,e_ji+1,...,e_ji+j-1相连，生成校验矩阵H，其中i＝0,1,...,(n-1)；e代表链接两个变量节点的边；

(2)分块预处理，包括以下步骤：

(2.1)由步骤(1)生成的校验矩阵H为m×n的矩阵，列索引数组colid[n]，并初始化为colid[j]＝j，j＝1,2,...,n；构建数组firstpos[n]并将其初始化为各列上第一个1的位置；

(2.2)在firstpos[n]中依次搜索1到m的值，设当前搜索值为k，如果找到firstpos[v]＝k，且v≠k，则把H矩阵的第v列和第k列进行列交换，同时把colid[v]和colid[k]、firstpos[v]和firstpos[k]进行交换；然后令k+1进行下一轮搜索；如果v＝k，则直接令k+1进行下一轮搜索；如果在firstpos[n]中找不到k的值，则退出搜索循环，并有Tsize＝m-g＝k-1，g＝m-k+1；

(2.3)将H矩阵前面的Tsize列与后面的Tsize列进行块交换，同时把colid[n]中的前面Tsize个数与后面Tsize个数进行交换，得到H矩阵的近似下三角式；

(2.4)令x＝1，求在GF(2)上的逆矩阵，如果不可逆，设列停止的标记位置为stopcol，则把H矩阵的第x列和第n-m+stopcol列进行列交换，同时把colid[x]和colid[n-m+stopcol]进行交换，并令x+i，进入下一轮的求逆尝试，直到可逆或x＞n-m才退出；如果最终仍不可逆，则认为H矩阵不能进行近似下三角化，此时采用校验矩转生成阵方法得到生成矩阵G，设原始信息信息比特为s，则形成编码码字x＝s·G；若可以得到可逆的近似下三角化的H矩阵，则相对于原来的H矩阵的列交换记录colid[x]，采用步骤(3)进行快速编码；

(3)快速编码，包括以下内容：

利用公式和算出校验码字q₁,q₂，其中将q₁,q₂和电文原始信息信息比特s连接，形成编码码字x＝(s,q₁,q₂)。

本发明的有益效果是：能够明显的提高北斗高精度差分信息接收的正确性，在现有通信条件下可使得编码增益优于5db。本发明应用于北斗高精度差分信息传递，在一定程度上解决了卫星远距离通信过程中误码率高、抗干扰能力差的问题。

附图说明

图1(a)是本发明C1帧LDPC编码示意图；

图1(b)是本发明C2帧LDPC编码示意图；

图2(a)是本发明C1帧交织编码示意图；

图2(b)是本发明C2帧交织编码示意图；

图3是本发明快速编码部分分块矩阵示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

对于差分信息电文编码主要分为两个步骤，首先采取内层的纠错编码，而后采取外层的交织编码。

所述的纠错编码包括以下内容：北斗高精度差分电文以子帧为最小单位，一帧包含15子帧，每子帧长为500bit(C1I路)和400bit(C2I路)，拟采用码率为的LDPC对其进行内层编码，由于对于长码LDPC会在纠错性能方面优于同类码，更接近于香农极限，因此能达到更好的通信效果。其编码前后结构示意图见图1(a)、1(b)。

所述的交织编码包括以下内容：为了应对连续性突发错误，对于完成LDPC纠错编码的导航电文需进一步采用交织编码的处理方式，使得其在极端恶劣的通信环境下，最大程度保证突发错误的不连续性，从而提高电文译码的正确率。其交织前后结构示意图见图2(a)、2(b)。

本发明的编码流程(LDPC)包括以下步骤：

(1)生成校验矩阵—基于数论中完全剩余系代数构造法，

(1.1)选取k个素数p₁,p₂...,p_k，满足以下条件：

p₁＞p₂＞...＞p_k＞2

GCD(p_i,m)＝1，i＝1,2,...,k

2p₁+2p₂+2p₃＜m

2p_i±p_j≠p_k(i，j，k为1～k中任意数值)

(1.2)把v个校验节点编号为0,1,...,(v-1)，依次均匀地放在一个圆上；

(1.3)随机选取一个校验节点a，以p_i为步长顺时针移动v-1次，连同节点i共计依次走过v个点，记为

pos_a＝(i,i+p₁,...,i+(v-1)p₁)(modm)

pos₁将跑遍0,1,...,(v-1)，将跑过的点依次排列组成一个序列，称完成了一轮操作。

(1.4)依次取素数p_v,v＝2,3,...,k，随机选取一个校验节点，重复(1.3)的操作，包括步骤(1.3)共计完成了k轮操作，将k轮操作走过的点依次排列组成一个总序列pos＝[pos₁,pos₂,...,pos_k]。

(1.5)将pos中的m×k个元素按每j个一组进行划分，每组对应一个变量节点x_i与e_ji,e_ji+1,...,e_ji+j-1相连，其中i＝0,1,...,(n-1)。(e代表链接两个变量节点的边)

(2)分块预处理

(2.1)初始化：设由步骤(1)生成的校验H矩阵为m×n的矩阵，列索引数组colid[n]，并初始化为colid[j]＝j，j＝1,2,...,n；构建数组firstpos[n]并将其初始化为各列上第一个1的位置。

(2.2)在firstpos[n]中依次搜索1到m的值，设当前搜索值为k，如果找到firstpos[v]＝k，且v≠k，则把H矩阵的第v列和第k列进行列交换，同时把colid[v]和colid[k]，firstpos[v]和firstpos[k]进行交换。然后令k+1进行下一轮搜索；如果v＝k，则直接令k+1进行下一轮搜索；如果在firstpos[n]中找不到k的值，则退出搜索循环，并有Tsize＝m-g＝k-1，g＝m-k+1。(见图3)

(2.3)将H矩阵前面的Tsize列与后面的Tsize列进行块交换，同时把colid[n]中的前面Tsize个数与后面Tsize个数进行交换，得到H矩阵的近似下三角式。

(2.4)令x＝1，求在GF(2)上的逆矩阵，如果不可逆，设列停止的标记位置为stopcol，则把H矩阵的第x列和第n-m+stopcol列进行列交换，同时把colid[x]和colid[n-m+stopcol]进行交换，并令x+i，进入下一轮的求逆尝试，直到可逆或x＞n-m才退出；如果最终仍不可逆，则认为H矩阵不能进行近似下三角化，此时采用国际通用的校验矩转生成阵方法得到生成矩阵G，设原始信息信息比特为s，则形成编码码字x＝s·G；若可以得到可逆的近似下三角化的H矩阵，则相对于原来的H矩阵的列交换记录colid[x]，采用步骤(3)快速编码方式。

(3)快速编码

利用下面的公式分别算出校验码字q₁,q₂

$q_2^T=-T^{-1}({\mathrm{As}}^T+{\mathrm{Bq}}_1^T)$

其中A、B、C、D、E、T的分块方式见附图3所示

直接把上面计算出来的q₁,q₂和电文原始信息信息比特s连接起来，形成编码码字x＝(s,q₁,q₂)。

Claims (1)

1.一种北斗高精度差分信息编码方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)生成校验矩阵，包括以下步骤：

(1.1)选取k个素数p₁,p₂…,p_k，满足以下条件：

p₁＞p₂＞…＞p_k＞2；

GCD(p_i,m)＝1，i＝1,2,…,k；

2p₁+2p₂+2p₃＜；m

p_j，p_k，2p_i±p_j≠p_k，i、j为1～k中的任意数值；

(1.2)把v个校验节点编号为0,1,…,(v-1)，依次均匀地放在一个圆上；

(1.3)随机选取一个校验节点a，以p_i为步长顺时针移动v-1次，连同节点i共计依次走过v个点，记为pos_a＝(i,i+p₁,…,i+(v-1)p₁)(modm)，pos₁将跑遍0,1,…,(v-1)，将跑过的点依次排列组成一个序列；

(1.4)依次取素数p_v,v＝2,3,…,k，随机选取一个校验节点，重复步骤(1.3)，将得到的序列依次排列组成一个总序列pos＝[pos₁,pos₂,…,pos_k]；

(1.5)将pos中的m×k个元素按每j个一组进行划分，每组对应一个变量节点x_i与e_ji,e_ji+1,…,e_ji+j-1相连，生成校验矩阵H，其中i＝0,1,…,(n-1)；e代表链接两个变量节点的边；

(2)分块预处理，包括以下步骤：

(2.1)由步骤(1)生成的校验矩阵H为m×n的矩阵，列索引数组colid[n]，并初始化为colid[j]＝j，j＝1,2,…,n；构建数组firstpos[n]并将其初始化为各列上第一个1的位置；

(2.2)在firstpos[n]中依次搜索1到m的值，设当前搜索值为k，如果找到firstpos[v]＝k，且v≠k，则把H矩阵的第v列和第k列进行列交换，同时把colid[v]和colid[k]、firstpos[v]和firstpos[k]进行交换；然后令k+1进行下一轮搜索；如果v＝k，则直接令k+1进行下一轮搜索；如果在firstpos[n]中找不到k的值，则退出搜索循环，并有Tsize＝m-g＝k-1，g＝m-k+1；

(2.3)将H矩阵前面的Tsize列与后面的Tsize列进行块交换，同时把colid[n]中的前面Tsize个数与后面Tsize个数进行交换，得到H矩阵的近似下三角式；

(2.4)令x＝1，求在GF(2)上的逆矩阵，如果不可逆，设列停止的标记位置为stopcol，则把H矩阵的第x列和第n-m+stopcol列进行列交换，同时把colid[x]和colid[n-m+stopcol]进行交换，并令x+i，进入下一轮的求逆尝试，直到可逆或x＞n-m才退出；如果最终仍不可逆，则认为H矩阵不能进行近似下三角化，此时采用校验矩转生成阵方法得到生成矩阵G，设原始信息信息比特为s，则形成编码码字x＝s·G；若可以得到可逆的近似下三角化的H矩阵，则相对于原来的H矩阵的列交换记录colid[x]，采用步骤(3)进行快速编码；

(3)快速编码，包括以下内容：

利用公式和算出校验码字q₁,q₂，其中将q₁,q₂和电文原始信息信息比特s连接，形成编码码字x＝(s,q₁,q₂)。