CN106301388B - 多进制ldpc码译码方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域,具体是涉及一种多进制LDPC码译码方法。
背景技术
差错控制编码又称信道编码,能保证通信系统中数据传输的可靠性。低密度奇偶校验码(LDPC)是一类性能可逼近香农极限的线性纠错码,并广泛应用于要求数据高可靠性传输系统中。在过去的十余年里,二进制LDPC码因其出色的表现引起了相当大的关注并得到快速发展。多进制LDPC码可以获得比二进制LDPC码更大的性能增益,然而代价是极其高昂的计算复杂度和存储内存,因此阻碍了多进制LDPC码在实际中的应用和发展。
多进制LDPC码的译码基于码校验矩阵的二分图即Tanner图,它由变量节点、校验节点和连接校验节点和变量节点的边构成。现有的多进制LDPC码的译码方法主要有两种:基于置信度传播(BP)的译码算法和基于大数逻辑(MLGD)的译码算法。基于BP的译码算法是译码性能最好的多进制信息传播译码算法,但是其译码复杂度也最大。对于有限域GF(q)(2r)下的多进制LDPC码,基于BP的译码算法在译码过程中,对每个码字符号需要存储该符号全部q个域元素的置信度,并传播长度为q的置信度向量。在每个校验节点的更新运算时需要q2数量级的计算复杂度。而基于MLGD的译码算法在译码过程中对于每个码字符号,只存储并传递该码字符号中可靠性最大的域元素。在译码过程中只进行简单的有限域加法和整数加法运算,因此可以显著降低基于BP译码算法的计算和存储复杂度。然而,基于MLGD的译码方法存在严重的性能损失现象,并且随着LDPC码校验矩阵列重的减小,其性能损失越严重,甚至可能过早出现错误平台。因此,如何在计算复杂度、存储复杂度与译码性能之间实现平衡是多进制LDPC码译码方法亟待解决的难题。
发明内容
针对上述存在的问题,本发明提供一种多进制LDPC码译码方法,能够解决现有多进制LDPC译码算法在译码性能和复杂度之间的均衡问题。
本发明提供了一种多进制LDPC码译码方法,所述多进制LDPC码由有限域GF(q)(q=2r)下大小为m×n的奇偶校验矩阵H的零空间定义,所述H的每一行对应一个校验节点,所述H的每一列对应一个变量节点;
所述方法包括:
迭代执行如下过程,直到译码成功或超过最大迭代次数:
若所述奇偶校验结果指示译码不成功,且所述k小于或等于最大迭代次数,则更新第j个变量节点到第i个校验节点的第一边信息,其中,所述第一边信息包括码字比特外信息映射得到的硬判决符号和所述码字比特外信息映射得到的硬判决符号的置信度,0≤j≤n-1,i∈Mj,0≤t≤r-1,其中,Mj={i:0≤i<m,hi,j≠0}表示奇偶校验矩阵H的第j列所有非零元素位置的集合;
根据所述确定第i个校验节点的校验和并根据所述校验和以及所述更新第i个校验节点到第j个变量节点的第二边信息,所述第二边信息包括所述第二边的外部校验和和所述外部校验和的置信度0≤i≤m-1,j∈Ni,0≤t≤r-1,其中,Ni={j:0≤j<n,hi,j≠0}表示奇偶校验矩阵H的第i行所有非零元素位置的集合;
对所述外部校验和的置信度进行加权处理,所述加权处理包括基于汉明距离加权因子的加权处理,得到第i个校验节点输入给第j个变量节点的加权比特信息其中,所述汉明距离加权因子根据所述外部校验和的比特序列与所述硬判决符号向量z(k)的比特序列之间的汉明距离确定;
本发明提供的多进制LDPC码译码方法,主要包括码字符号比特信息初始化、硬判决、边信息更新、校验节点更新、变量节点更新过程,直到译码成功或达到最大迭代次数时结束译码。在译码的过程中,所有可靠性信息比如码字符号比特信息、码字符号比特外信息、校验节点到变量节点的边信息以及变量节点到校验节点的边信息等的更新都是在比特形式下进行,具有很低的计算复杂度;而且,码字信息及边信息的置信度长度都只为r,具有很低的存储复杂度;同时,本技术方案可以很好地改善现有低复杂度多进制LDPC译码算法在瀑布域的性能损失,并具有很低的错误平台,解决了现有多进制LDPC译码算法在译码性能和复杂度之间的均衡问题。
附图说明
图1为本发明多进制LDPC码译码方法实施例一的流程图;
图2是一个(12,6)的LDPC码奇偶校验矩阵的Tanner图表示示意图;
图3为本发明多进制LDPC码译码方法实施例二的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施实例对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明多进制LDPC码译码方法实施例一的流程图,该方法可以由一个译码器来执行。
本发明实施例提供的所述方法是基于LDPC码校验矩阵Tanner图的信息迭代译码算法,图2所示即示例出一个LDPC码的Tanner图,由两种不同的节点以及连接这两种节点的边构成。这两种节点是变量节点和校验节点,分别代表奇偶校验矩阵的每一列和每一行。
首先对本实施例中涉及的一些基本概念或定义进行说明。多进制LDPC码由有限域GF(q)(q=2r)下大小为m×n的奇偶校验矩阵H的零空间定义,假设该奇偶校验矩阵H的列重和行重分别为γ,ρ。所述H的每一行对应一个校验节点,所述H的每一列对应一个变量节点。用h0,h1,...,hm-1表示矩阵H的每一行,其中hi=(hi,0,hi,1,...,hi,n-1),0≤i<m。定义两个索引集合:Mj={i:0≤i<m,hi,j≠0}表示校验矩阵H的第j列所有非零元素位置的集合,Ni={j:0≤j<n,hi,j≠0}表示校验矩阵H的第i行所有非零元素位置的集合。令υ=(υ0,υ1,…,υn-1)表示LDPC码C的码字空间中的一个长度为n的GF(q)下的码字向量。υj(0≤j≤n-1)表示该码字向量的第j个码字符号;用υj=(υj,0,υj,1,…,υj,r-1)表示码字符号υj映射得到的r个比特位,其中υj,t是υj的第t个比特位,值为0或1,0≤t≤r-1。因此,该码字向量可以用一个长度为nr的比特向量υ=(υ0,υ1,…,υn-1)等效表示用。在进行数据传输时,假设通信系统对码字符号的每个比特位进行BPSK调制:0→+1V,1→-1V。令y=(y0,y1,...,yn-1)表示接收到的信道输出的码字向量,长度为nr,其中yj=(yj,0,yj,1,...,yj,r-1)为接收到的第j个码字符号的r个比特位,yj,t是yj的第t个比特位,0≤j≤n-1,0≤t≤r-1。
本发明实施例提供的低复杂度多进制LDPC码译码方法,分为译码初始化和译码迭代两部分,译码迭代过程包括如下步骤:硬判决、边信息更新、校验节点更新、变量节点更新,直到译码成功或达到最大迭代次数时结束译码。本发明实施例提供了硬判决译码和软判决译码两种译码方式,具体的过程详见后续实施例。另外,在译码过程中所有可靠性信息更新是在比特形式下进行的,以下结合具体实例分别进行两种译码方式的详细描述。
首先介绍硬判决译码方式。如图1所示,该方法具体包括:
假设经过调制后的调制信号经过转移概率为p的二元对称信道(BSC)传输进行传输,信道输出码字符号比特信息yj,t,接收到的比特信息yj,t是二元信息A={0,1},0≤j≤n-1,0≤t≤r-1。
并且,根据公式(2),使用码字符号比特信息初始化结果来初始化码字比特外信息:
其中0≤i≤m-1,j∈Ni,0≤t≤r-1,表示第i个校验节点,接收到第j个变量节点传递的码字比特外信息的第t个比特位信息初始值,进而得到初始的码字外信息公式(2)中的的数值范围限定在[-2l+1,2l-1]范围内,l是大于1的正整数,当所求结果超出该范围时,的值取边界值。
进而,迭代执行如下过程,直到译码成功或超过最大迭代次数:
其中,表示第k(k≥1)次迭代的码字比特信息序列中的第t个比特,由初始化得到,当k≥1时,由步骤107更新得到。表示对第j个码字符号信息的硬判决结果,即对的各比特信息的硬判决结果,映射得到的多进制符号是第j个码字符号的硬判决符号。
步骤103、使用所述奇偶校验矩阵H对硬判决符号向量进行奇偶校验,若所述奇偶校验结果指示译码不成功,且所述k小于或等于最大迭代次数,则执行步骤104。
其中,0≤j≤n-1,i∈Mj,0≤t≤r-1,Mj={i:0≤i<m,hi,j≠0}表示奇偶校验矩阵H的第j列所有非零元素位置的集合。
步骤104主要是完成更新校验节点和变量节点之间的边信息,对于所有0≤j≤n-1,i∈Mj,0≤t≤r-1,根据码字比特外信息计算变量节点到校验节点的边信息。
值得说明的是,上述第一边信息只是为了与后续校验节点到变量节点的边信息即第二边信息区分开来,因为这两种节点间的边具有方向性特征。
其中,0≤i≤m-1,j∈Ni,0≤t≤r-1,Ni={j:0≤j<n,hi,j≠0}表示奇偶校验矩阵H的第i行所有非零元素位置的集合。
步骤105主要是完成校验节点更新。
第i个校验节点到第j个变量节点的边信息包括两部分信息:第一部分为该边的外部校验和,根据公式(6)确定:
其中,0≤t≤r-1,这里,下角标i→j,表示连接第i个校验节点和第j个变量节点的边。
本实施例中,可以基于汉明距离加权因子对所述外部校验和的置信度进行加权处理,为了进一步保证译码准确性,本实施例中,除所述基于汉明距离加权因子的加权处理外,还可以包括至少一种其他加权因子来共同进行加权处理。比如,该其他加权因子中包括出现次数加权因子。值得说明的是,本实施例中仅以其他加权因子中包括上述出现次数加权因子为例进行说明,实际不以此为限。
其中,所述汉明距离加权因子根据所述外部校验和的比特序列与所述硬判决符号向量z(k)的比特序列之间的汉明距离确定;所述出现次数加权因子根据所有校验节点传递给所述第j个变量节点的外部校验和中与所述外部校验和相等的外部校验和的数量大小确定。
步骤106和107主要完成变量节点的更新。
其中,汉明距离加权因子由校验节点传递给变量节点的外部校验和的比特序列与码字比特信息的硬判决符号比特序列之间的汉明距离大小设定;出现次数加权因子由校验节点传递给变量节点的外部校验和中相同外部校验和的数量大小设定。
具体来说,对于所有0≤j≤n-1和i∈Mj,假设外部校验和映射得到的比特序列为用表示步骤105中边i→j上的外部校验和比特序列与本次迭代步骤102中的码字比特信息的硬判决结果z(k)的比特序列的汉明距离。所述表示所有与第j个变量节点相连的第二边的外部校验和之中与相同的外部校验和的出现次数。第i个校验节点输入给第j个变量节点的加权比特信息根据公式(8)确定:
其中,0≤t≤r-1,为汉明距离加权因子,为出现次数加权因子,根据上述出现次数确定,分别由所获得的距离和出现次数来确定,具体取值在译码初始化时已设定。(8)式中所求的的数值范围限定在[-2l+1,2l-1]范围内,当所求结果超出该范围时,的值取边界值。
进而,变量节点使用加权比特信息来更新码字符号比特信息和码字比特外信息。具体地,第k+1次迭代时,第j个码字比特信息由两部分求和得到:第一部分为第j个码字符号的初始比特信息,第二部分由第k次迭代时所有相邻校验节点输入第j个变量节点的加权比特信息求和得到,如公式(9):
其中,0≤j≤n-1,0≤t≤r-1,在下一次迭代的步骤102中将对更新的码字符号比特信息进行硬判决和奇偶校验。(9)式中所求得的的数值范围限定在[-2l+1+1,2l+1-1]范围内,当所求结果超出该范围时,的值取边界值。
在执行完毕上述步骤107后,已经得到更新的码字符号比特信息和码字比特外信息,进而进入下一次迭代,即令k=k+1,重新执行步骤102。当译码在步骤102中译码成功或失败时,译码结束,否则进行执行后续步骤,如此迭代执行,直到满足截止条件。
本实施例中,以硬判决译码方式为例进行了多进制LDPC码译码方法的说明,该硬判决方式主要体现在校验节点与变量节点间的边信息更新、校验节点更新、变量节点更新过程。在译码的过程中,所有可靠性信息比如码字符号比特信息、码字符号比特外信息、校验节点到变量节点的边信息以及变量节点到校验节点的边信息等的更新都是在比特形式下进行,具有很低的计算复杂度;而且,码字信息及边信息的置信度长度都只为r,具有很低的存储复杂度;同时,本技术方案可以很好地改善现有低复杂度多进制LDPC译码算法在瀑布域的性能损失,并具有很低的错误平台,解决了现有多进制LDPC译码算法在译码性能和复杂度之间的均衡问题。
在另一个具体实施例中,将对软判决方式的具体实现进行介绍,其中,软判决方式与硬判决方式的主要不同点在于上述步骤104-106的具体实现方式不同。具体来说,如图3所示,该软判决方式的LDPC码译码方法具体包括如下步骤:
假设经过调制处理的调制信号经过比特输入加性高斯白噪声(BI-AWGN)信道后,接收到的信道输出的码字向量为y=(y0,y1,...,yn-1)。其中yj=(yj,0,yj,1,...,yj,r-1)为接收到的第j个码字符号的r个比特位,yj,t是yj的第t个比特位,0≤j≤n-1,0≤t≤r-1。
本实施例中,在硬判决译码中,可以根据公式(11)对信道输出值进行均匀量化为整数的处理。
根据如下公式(11)对信道输出的码字向量信道输出的码字向量进行均匀量化处理:
其中0≤j≤n-1,0≤t≤r-1,Δ、b分别为量化间隔和量化比特数,q为整数,且q的取值范围是(-2b-1+1,2b-1-1),qj,t表示第j个码字符号的第t个比特位yj,t的量化值。
另外,在初始化的过程中,还设定r+1个最可靠汉明距离加权因子φ0,φ1,…,φr,和r+1个次可靠汉明距离加权因子φ′0,φ′1,…,φ′r。设定最大迭代次数Imax。当前迭代次数k设为0。
步骤203、使用所述奇偶校验矩阵H对硬判决符号向量进行奇偶校验,若所述奇偶校验结果指示译码不成功,且所述k小于或等于最大迭代次数,则执行步骤204。
上述步骤202和203与图1所示实施例中的步骤102和103对应,实现方式一致,不再赘述。
步骤204、更新第j个变量节点到第i个校验节点的第一边信息,其中,所述第一边信息包括至少两种子边信息,所述子边信息包括最可靠边信息和次可靠边信息;值得说明的是,本实施例中所述两种子边信息以上述最可靠边信息和次可靠边信息为例进行说明,实际不以此为限。
所述最可靠边信息包括最可靠码字比特外信息映射得到的硬判决符号和所述的置信度;所述次可靠边信息包括次可靠码字比特外信息映射得到的硬判决符号和所述的置信度,其中,所述次可靠码字比特外信息根据翻转所述最可靠码字比特外信息中比特信息绝对值为次小值的比特位得到。
步骤204主要是完成更新校验节点和变量节点之间的边信息,对于软判决方式来说,上述第一边信息的含义与图1所示实施例中步骤104中第一边信息的含义不同。
本实施例中,所述第一边信息包括至少两种子边信息,举例来说,所述第一边信息包括最可靠边信息和次可靠边信息。可以理解为,该最可靠边信息对应图1所示实施例中步骤104中的第一边信息。
首先,对于所有0≤j≤n-1,i∈Mj,0≤t≤r-1,根据码字比特外信息计算变量节点到校验节点的最可靠边信息。
第j个变量节点到第i个校验节点的次可靠边信息也由两部分组成,第一部分为次可靠码字比特外信息映射得到的多进制硬判决符号其中,次可靠码字比特外信息由根据如下公式(15)翻转所述最可靠码字比特外信息中比特信息绝对值为次小值,即的比特位:
次可靠边信息的第二部分为符号的置信度,其等于r个最可靠码字比特外信息绝对值的总和减去被翻转比特信息绝对值与修正因子的乘积,即ε为修正因子。这里,下角标j→i表示连接第j个变量节点和第i个校验节点的边。
步骤205、根据所述确定第i个校验节点的最可靠校验和根据所述确定第i个校验节点的次可靠校验和并根据所述校验和所述所述和所述更新第i个校验节点到第j个变量节点的第二边信息,所述第二边信息包括所述第二边的最可靠外部校验和和所述最可靠外部校验和的置信度所述第二边信息还包括所述第二边的次可靠外部校验和和所述次可靠外部校验和的置信度
步骤205主要是完成校验节点更新。在软判决方式下,上述第二边信息包括所述第二边的最可靠外部校验和和所述最可靠外部校验和的置信度所述第二边信息还包括所述第二边的次可靠外部校验和和所述次可靠外部校验和的置信度
第i个校验节点到第j个变量节点的最可靠边信息包括两部分信息:第一部分为该边的最可靠外部校验和,根据公式(19)确定:
第i个校验节点到第j个变量节点的次可靠边信息包括两部分信息:第一部分为该边的次可靠外部校验和,根据公式(21)确定:
第二部分为该边外部校验和的置信度,等于所有变量节点传递给第i个校验节点的次可靠边信息符号置信度的最小值(第j个变量节点除外),根据公式(22)确定:
其中,j∈Ni,0≤t≤r-1,这里,下角标i→j,表示连接第i个校验节点和第j个变量节点的边。
步骤206、对所述次可靠外部校验和的置信度进行基于汉明距离加权因子的加权处理,得到第i个校验节点输入给第j个变量节点的次可靠加权比特信息对所述最可靠外部校验和的置信度进行基于汉明距离加权因子的加权处理,并根据次可靠加权比特信息得到第i个校验节点输入给第j个变量节点的最可靠加权比特信息
步骤206和207主要完成变量节点的更新。
其中,最可靠边信息的汉明距离加权因子由校验节点传递给变量节点的最可靠外部校验和的比特序列与码字比特信息的硬判决符号z(k)比特序列之间的汉明距离大小设定;次可靠边信息的汉明距离加权因子由校验节点传递给变量节点的次可靠外部校验和的比特序列与码字比特信息的硬判决符号z(k)比特序列之间的汉明距离大小设定。
具体来说,对于所有0≤j≤n-1和i∈Mj,假设最可靠外部校验和映射得到的比特序列为次可靠外部校验和映射得到的比特序列为用分别表示步骤205中边i→j的最可靠外部校验和比特序列、次可靠外部校验和比特序列与本次迭代步骤202中的码字比特信息的硬判决结果z(k)的比特序列的汉明距离。第i个校验节点输入给第j个变量节点的次可靠加权比特信息根据公式(23)确定:
其中,0≤t≤r-1,为最可靠汉明距离加权因子,为次可靠汉明距离加权因子,分别由所获得的距离和来确定,具体加权因子取值在译码初始化时已设定。(23)式中所求的和(24)式中所求的的数值范围都限定在[-2b-2+1,2b-2-1]范围内,当所求结果超出该范围时,和的值取边界值。
进而,变量节点使用最可靠加权比特信息来更新码字符号比特信息和码字比特外信息。具体地,第k+1次迭代时,第j个码字符号比特信息由两部分求和得到:第一部分为第j个码字符号的初始比特信息,第二部分由第k次迭代时所有相邻校验节点输入第j个变量节点的最可靠加权比特信息求和得到,如公式(25):
其中,0≤j≤n-1,0≤t≤r-1,在下一次迭代的步骤202中将对更新的码字符号比特信息进行硬判决和奇偶校验。(25)式中所求的的数值范围限定在[-2b-1+1,2b-1-1]范围内,当所求结果超出该范围时,的值取边界值。
在执行完毕上述步骤207后,已经得到更新的码字符号比特信息和码字比特外信息,进而进入下一次迭代,即令k=k+1,重新执行步骤202。当译码在步骤202中译码成功或失败时,译码结束,否则进行执行后续步骤,如此迭代执行,直到满足截止条件。
本领域普通技术人员可以理解:实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成,前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,执行包括上述方法实施例的步骤;而前述的存储介质包括:ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种多进制LDPC码译码方法,其特征在于,所述多进制LDPC码由有限域GF(q)(q=2r)下大小为m×n的奇偶校验矩阵H的零空间定义,所述H的每一行对应一个校验节点,所述H的每一列对应一个变量节点;
所述方法包括:
迭代执行如下过程,直到译码成功或超过最大迭代次数:
若所述奇偶校验结果指示译码不成功,且所述k小于或等于最大迭代次数,则更新第j个变量节点到第i个校验节点的第一边信息,其中,所述第一边信息包括码字比特外信息映射得到的硬判决符号和所述码字比特外信息映射得到的硬判决符号的置信度,0≤j≤n-1,i∈Mj,其中,Mj={i:0≤i<m,hi,j≠0}表示奇偶校验矩阵H的第j列所有非零元素位置的集合;
根据所述确定第i个校验节点的校验和并根据所述校验和以及所述更新第i个校验节点到第j个变量节点的第二边信息,所述第二边信息包括所述第二边的外部校验和和所述外部校验和的置信度0≤i≤m-1,j∈Ni,0≤t≤r-1,其中,Ni={j:0≤j<n,hi,j≠0}表示奇偶校验矩阵H的第i行所有非零元素位置的集合;
对所述外部校验和的置信度进行加权处理,所述加权处理包括基于汉明距离加权因子的加权处理,得到第i个校验节点输入给第j个变量节点的加权比特信息其中,表示对应的比特序列的第t个比特位;所述汉明距离加权因子根据所述外部校验和的比特序列与所述硬判决符号向量z(k)的比特序列之间的汉明距离确定;
所述第一边信息包括至少两种子边信息,所述子边信息包括最可靠边信息和次可靠边信息;所述最可靠边信息包括最可靠码字比特外信息映射得到的硬判决符号和所述的置信度;所述次可靠边信息包括次可靠码字比特外信息映射得到的硬判决符号和所述的置信度,其中,所述次可靠码字比特外信息由根据如下公式翻转所述最可靠码字比特外信息中比特信息绝对值为次小值,即的比特位得到:
根据如下公式对信道输出的码字向量进行均匀量化处理:
其中,y=(y0,y1,...,yn-1)表示接收到的信道输出的码字向量,yj=(yj,0,yj,1,...,yj,r-1)为所述接收到的码字向量中的第j个码字符号的r个比特位,yj,t是yj的第t个比特位;0≤j≤n-1,0≤t≤r-1,Δ、b分别为量化间隔和量化比特数,q为整数,且q的取值范围是(-2b-1+1,2b-1-1),qj,t表示第j个码字符号的第t个比特位yj,t的量化值;
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述加权处理除所述基于汉明距离加权因子的加权处理外,还包括至少一种其他加权因子;
其中,hi,j为奇偶校验矩阵H的第i行、第j列元素。
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CN104052501A (zh) * | 2014-06-26 | 2014-09-17 | 北京航空航天大学 | 低复杂度的多进制ldpc码译码方法 |
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- 2015-05-14 CN CN201510246084.1A patent/CN106301388B/zh active Active
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