CN106027069A - 一种循环切换的混合加权比特翻转ldpc译码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种循环切换的混合加权比特翻转LDPC译码方法，包括译码器开始对接收码字进行硬判决，初始译码采用IM‑WBF算法，并设置最大迭代次数，所述的最大迭代次数是指当迭代次数达到最大值时，不管译码是否成功，停止迭代并输出译码结果，本发明采用两种加权比特翻转算法LC‑WBF和IM‑WBF进行现有的两种加权比特翻转算法LC‑WBF和IM‑WBF进行结合，通过两个算法在译码出现纠错死循环后进行不断的循环切换，达到了比原来算法性能更佳，收敛更快的效果。

Description

一种循环切换的混合加权比特翻转LDPC译码方法
技术领域
本发明涉及一种译码方法，具体涉及一种循环切换的混合加权比特翻转LDPC译码方法。
背景技术
作为一种逼近香农极限的好码，低密度奇偶校验(Low-Density Parity-Check，LDPC)码在移动和深空通信等领域具有重要的应用前景。LDPC码作为一种线性分组码，是由其稀疏校验矩阵定义的。由于LDPC码具有十分优越的性能，引起了人们的极大关注。
基于置信传播理论的和积算法是一种性能优异的LDPC译码算法，但其计算复杂度较高，因此硬件实现难度较大。为了降低实现难度，有学者提出了最小和算法，以性能的损失换取复杂度的降低，但实际上由于最小和算法中校验节点和信息节点间传递的是实数，计算复杂度依然较高。另一种LDPC译码算法，比特翻转(Bit Flipping，BF)译码算法，信息节点和校验节点之间传递的是二进制信息，因此计算复杂度较低，硬件实现简单，但性能不够理想。为了进一步提高BF译码算法的性能，学者们在硬判决的基础上加入信息可靠度的计算，提出了加权比特翻转(Weighted BF，WBF)系列算法，实现了性能和计算复杂度之间更好的折衷。
近年来提出的WBF系列算法主要有：modified weighted bit-flipping(M-WBF)，low complexity weighted bit-flipping(LC-WBF)，reliability ratio based weightedbit-flipping(RR-WBF)，fast modified weighted bit-flipping(FM-WBF)，improvedmodified weighted bit-flipping(IM-WBF)等；各类WBF算法选取的可靠度信息不同，从而有不同的译码性能，因此，对WBF算法的改进也引起了人们的关注。
由于上述各种WBF算法在性能上与和积算法还有一定的差距，本专利针对LC-WBF和IM-WBF性能上的不足，提出了一种性能更佳，收敛速度更快的加权比特翻转算法。
发明内容
为了克服现有技术中LC-WBF和IM-WBF算法在性能方面的不足，提出了一种循环切换的混合加权比特翻转LDPC译码方法。
该算法将现有的两种WBF算法LC-WBF和IM-WBF进行结合，通过两个算法在译码出现纠错死循环后进行不断的循环切换，从而达到比原算法更佳的性能以及更快的收敛速度。
本发明采用如下技术方案：
一种循环切换的混合加权比特翻转LDPC译码方法，包括如下步骤：
步骤一，译码器初始化，初始化迭代次数k，即设k＝1，并设置最大迭代次数Kmax；
步骤二，计算校验矩阵的伴随式，得到当前输入码字序列的校验结果，如果当前校验结果为全0，则译码成功并结束；否则，进入步骤三；
步骤三，根据步骤二的校验结果，计算IM-WBF算法的判决标准值En 1，并翻转En 1最大的比特，当k＝1时，跳转至步骤五；当k≠1时，判断本次迭代翻转比特是否与上次迭代翻转的比特相同，如果相同，则进入步骤四，如果不相同，则跳转步骤五；
步骤四，根据步骤二的校验结果，计算LC-WBF算法的判决标准值En 2，并翻转En 2最小的比特，并判断本次迭代翻转比特是否与上次迭代翻转的比特相同，如果相同，则进入步骤三，如果不相同，则跳转步骤五；
步骤五，计算校验矩阵的伴随式，得到翻转后码字序列的校验结果，同时检验迭代次数是否达到最大迭代次数，如果校验结果全0或者达到最大迭代次数，停止迭代，输出译码序列，否则，设k＝k+1，然后跳转回步骤四。
所述步骤二中，
所述IM-WBF算法的判决标准为
其中权重|yn|表示信道输出值的绝对值；sm表示校验矩阵的伴随式；α为数值且可调；N(m)＝{n:Hmn＝1}是参与第m个校验方程的所有比特集合，M(n)＝{m:Hmn＝1}是比特n参与的校验方程的集合，N(m)\n表示除n以外参与第m个校验方程的所有其他比特的集合。
所述步骤三中，
所述LC-WBF算法的判决标准为
其中，对数似然值Pr(·|·)表示条件概率，低校验可靠度高校验可靠度M(n)＝{m:Hmn＝1}是比特n参与的校验方程的集合，N(m)\n表示除n以外参与第m个校验方程的所有其他比特的集合。
所述校验矩阵的伴随式为：所述校验矩阵具有W行L列，Hmn表示校验矩阵第m行的第n个元素，zn表示译码后位置n对应的比特值。
本发明采用如下技术方案：
本发明的工作原理：由于两种不同的算法用于选取错误比特的判定标准不同，而大部分WBF算法译码失败的原因在于陷入了错误的纠错死循环，最为普遍的表现为算法不断地在错误比特中进行反复翻转，从而导致译码失败。而CS-MWBF采用两种算法进入纠错死循环后的循环切换，当IM-WBF陷入错误的纠错死循环时，LC-WBF可以帮助IM-WBF打破错误的循环；反之，当LC-WBF陷入错误的纠错死循环时，IM-WBF可以帮助LC-WBF打破错误的循环，从而提高了译码成功率。
本发明的有益效果：
本发明构造的一种更为高效的比特翻转算法,相比于原算法,获得编码增益约0.1dB～0.4dB,同时平均迭代次数也有一定的降低,具有实现方式相对简单,硬件实现复杂度不高和译码性能优异等特点。
附图说明
图1为本发明的工作流程图；
图2为本发明的仿真验证图：(500,250)规则LDPC码的误码率对比示意图；
图3为本发明的仿真验证图：(500,250)规则LDPC码的平均迭代次数对比示意图；
图4为本发明的仿真验证图：(1008,504)非规则LDPC码的误码率对比示意图；
图5为本发明的仿真验证图：(1008,504)非规则LDPC码的平均迭代次数对比示意图；
图6为本发明的仿真验证图：(2048,1018)非规则LDPC码的误码率对比示意图；
图7为本发明的仿真验证图：(2048,1018)非规则LDPC码的平均迭代次数对比示意图；
图8为本发明的仿真验证图：(4000,2000)规则LDPC码的误码率对比示意图；
图9为本发明的仿真验证图：(4000,2000)规则LDPC码的平均迭代次数对比示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本发明中L表示码字长度，K表示信息比特长度。其中H＝[Hmn]是LDPC码的校验矩阵，即由0和1组成的W行L列的矩阵。参与第m个校验方程的所有比特集合记作N(m)＝{n:Hmn＝1}，比特n参与的校验方程的集合记作M(n)＝{m:Hmn＝1}。N(m)\n表示除n以外参与第m个校验方程的所有其他比特的集合，M(n)\m表示除m以外比特n参与的所有其他校验方程的集合。
首先，LDPC码字c＝{c1,c2,…,cL}经过xn＝2cn-1调制后，变成x＝{x1,x2,…,xL}，经过高斯白噪声(AWGN)信道，接收到的码字序列为x+w＝y＝{y1,y2,…,yL}，其中yn＝xn+wn，wn为独立的高斯白噪声变量。译码后的比特序列为z＝{z1,z2,…,zL}。
循环切换的混合加权比特翻转LDPC译码算法，译码器开始对接收码字进行硬判决，初始译码采用IM-WBF算法，并设置最大迭代次数，所述的最大迭代次数是指当迭代次数达到所设定的最大值时，不管译码是否成功，停止迭代并输出译码结果。
如图1所示，一种循环切换的混合加权比特翻转LDPC译码方法，包括如下步骤：
步骤1，译码器初始化。初始化迭代次数k，即设k＝1，并设置最大迭代次数Kmax；同时计算相关参数：权重对数似然值低校验可靠度高校验可靠度其中m＝1,2,…,W；n＝1,2,…,L。
步骤2，计算校验矩阵的伴随式，得到当前输入码字序列的校验结果，如果当前校验结果为全0，则译码成功并结束；否则，进入步骤三；
所述校验矩阵的伴随式为：所述校验矩阵具有W行L列，Hmn表示校验矩阵第m行的第n个元素，zn表示译码后位置n对应的比特值。
步骤3，根据步骤二的校验结果，计算IM-WBF算法的判决标准值En 1，并翻转En 1最大的比特。如果k＝1，跳转至步骤五；当k≠1时，判断本次迭代翻转的比特是否与上次迭代翻转的比特相同，如果相同，则进入步骤四，如果不相同，则跳转步骤五；
其中，IM-WBF的判决标准
其中权重|yn|表示信道输出值的绝对值；sm表示校验矩阵的伴随式；α为标量且可调；N(m)＝{n:Hmn＝1}是参与第m个校验方程的所有比特集合，M(n)＝{m:Hmn＝1}是比特n参与的校验方程的集合，N(m)\n表示除n以外参与第m个校验方程的所有其他比特的集合。
步骤4，根据步骤二的校验结果，计算LC-WBF算法的判决标准值En 2，并翻转En 2最小的比特，并判断本次迭代翻转的比特是否与上次迭代翻转的比特相同，如果相同，则进入步骤三，如果不相同，则跳转步骤五；
所述LC-WBF算法的判决标准为
其中，对数似然值Pr(·|·)表示条件概率，低校验可靠度高校验可靠度M(n)＝{m:Hmn＝1}是比特n参与的校验方程的集合，N(m)\n表示除n以外参与第m个校验方程的所有其他比特的集合。
步骤5，计算校验矩阵的伴随式，得到翻转后码字序列的校验结果，同时检验迭代次数是否达到最大迭代次数，如果校验结果为全0或者达到最大迭代次数，停止迭代，输出译码序列；否则，设k＝k+1，然后跳转回步骤四。
在高斯白噪声(AWGN)信道及BPSK调制的情况下，以(500,250)规则码、(1008,504)非规则码、(2048,1018)非规则码以及(4000,2000)规则码为例，对比LC-WBF、IM-WBF和CS-WBF等加权比特翻转算法的性能及平均迭代次数。
如表1所示，本发明方法在译码的过程中没有增加复杂度。
表1加权比特翻转算法计算复杂度对比表
比特翻转算法 乘法次数 加法次数
标准WBF 0 L-1+dvdc
LC-WBF 0 L-1+dvdc
IM-WBF 0 L-1+dvdc
RR-WBF 0 L-1+dvdc
CS-MWBF 0 L-1+dvdc
如图2和图3所示：对于(500,250)规则码，在误码率为10-3附近，CS-MWBF相比LC-WBF有0.2dB增益，相比IM-WBF有0.3dB增益。而CS-MWBF的平均迭代次数相比于IM-WBF和LC-WBF降低了10％。
如图4和图5所示：对于(1008,504)非规则码，在误码率为10-3附近，CS-MWBF相比IM-WBF有0.1dB增益，相比LC-WBF增益更大。而CS-MWBF的平均迭代次数相比于IM-WBF和LC-WBF有了一定的降低。
如图6和图7所示：对于(2048,1018)非规则码，在误码率为10-3附近，CS-MWBF相比IM-WBF有0.1dB增益，相比LC-WBF增益更大。而CS-MWBF的平均迭代次数相比于IM-WBF和LC-WBF有了一定的降低。
如图8和图9所示：对于(4000,2000)规则码，在误码率为10-3附近，CS-MWBF相比IM-WBF有0.2dB增益，相比LC-WBF有0.4dB增益。而CS-MWBF的平均迭代次数相比于IM-WBF和LC-WBF有了一定的降低。
由于CS-MWBF算法是两个算法的结合，每次迭代的计算复杂度和IM-WBF及LC-WBF的计算复杂度相同(如表1所示)。同时由于CS-MWBF的平均迭代次数更少，所以其收敛速度将会进一步加快。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种循环切换的混合加权比特翻转LDPC译码方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，译码器初始化，初始化迭代次数k，即设k＝1，并设置最大迭代次数Kmax；
步骤二，计算校验矩阵的伴随式，得到当前输入码字序列的校验结果，如果当前校验结果为全0，则译码成功并结束；否则，进入步骤三；
步骤三，根据步骤二的校验结果，计算IM-WBF算法的判决标准值En 1，并翻转En 1最大的比特，如果k＝1，跳转至步骤五；当k≠1时，判断本次迭代翻转比特是否与上次迭代翻转的比特相同，如果相同，则进入步骤四，如果不相同，则跳转步骤五；
步骤四，根据步骤二的校验结果，计算LC-WBF算法的判决标准值En 2，并翻转En 2最小的比特，并判断本次迭代翻转比特是否与上次迭代翻转的比特相同，如果相同，则进入步骤三，如果不相同，则跳转步骤五；
步骤五，计算校验矩阵的伴随式，得到翻转后码字序列的校验结果，同时检验迭代次数是否达到最大迭代次数，如果校验结果全0或者达到最大迭代次数，停止迭代，输出译码序列，否则，设k＝k+1，然后跳转回步骤四。
2.根据权利要求1所述的LDPC译码方法，其特征在于，所述步骤二中，所述IM-WBF算法的判决标准为
其中权重n∈N(m) m＝1,2,…,W；|yn|表示信道输出值的绝对值；sm表示校验矩阵的伴随式；α为数值且可调；N(m)＝{n:Hmn＝1}是参与第m个校验方程的所有比特集合，M(n)＝{m:Hmn＝1}是比特n参与的校验方程的集合，N(m)\n表示除n以外参与第m个校验方程的所有其他比特的集合。
3.根据权利要求1所述的LDPC译码方法，其特征在于，所述步骤三中，所述LC-WBF算法的判决标准为
其中，对数似然值Pr(·|·)表示条件概率，低校验可靠度高校验可靠度m＝1,2,…,W；n＝1,2,…,L。M(n)＝{m:Hmn＝1}是比特n参与的校验方程的集合，N(m)\n表示除n以外参与第m个校验方程的所有其他比特的集合。
4.根据权利要求1所述的LDPC译码方法，其特征在于，所述校验矩阵的伴随式为：m＝1,2,…,W，所述校验矩阵具有W行L列，Hmn表示校验矩阵第m行的第n个元素，zn表示译码后位置n对应的比特值。
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