CN107682113B - 一种级联ldpc码在atm交换网络中的编译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种级联LDPC码在ATM交换网络中的编译码方法。先通过短的RS编码，把ATM交换网络中的53字节的单个信元中关键4字节进行纠错保护，再用高编码增益的LDPC对长的若干个53字节的信元进行全部数据的纠错保护。译码过程先进行LDPC译码，再进行RS译码，恢复原始ATM信元数据。级联编译码后，ATM信元的丢失率大量减少，信元数据误差也会得到改善。与以往ATM交换网络中使用单独一种编译码方法相比，本发明降低了ATM信元整体误码率，尤其是降低了信元彻底丢失的严重错误，避免了数据缺失导致卫星图像语音数据无法恢复的情况。

Description

一种级联LDPC码在ATM交换网络中的编译码方法

技术领域

本发明涉及一种级联LDPC码在ATM交换网络中的编译码方法，属于空间数据传输技术领域。

背景技术

卫星ATM网利用地面的有线ATM交换和复用技术，在高速卫星数据传输领域，为来自不同波束的信息提供路由交换，实现任一输入波束与任一输出波束间的通信连接，使位于多个波束覆盖区域内的所有地球站能够互相通信，从而组成可进行星上交换的卫星通信网。

由于ATM协议最初设计运行于光纤链路上，它的差错控制能力是很有限的，无法应付卫星通信中由于随机错误和突发错误所造成的差错率增加问题。因此，当ATM信元在卫星信道上进行传输时，信道中的随机错误和突发错误，特别是突发错误的产生将大大降低ATM信元的性能，产生一些比较严重的问题，如信元丢失、信元差错、信元误插等，从而影响了通信网络的传输质量。具体来说，在卫星ATM交换系统中传输的基本数据单元是一个53字节的ATM信元。每个信元中头4个字节表示连接虚通道和虚通路标识符(VPI/VCI)，载荷类型(PT)段、信元丢弃优先级(CLP)段、一般流控(GFC)段，其余49字节为通道有效数据。ATM建立双方交换的过程必须通过头四字节建立起各自的逻辑链路，确保信元传输到正确的位置。如果在前4字节信头出现误码和在信元载荷部分出现误码，对星上数据交换的影响效果是不一样的。前者直接导致信元丢失和数据无法恢复，后者只是数据受损。

要想降低卫星信道上数据传输的误码率，必须对原始ATM信元实施纠错编码。现有常用的卫星纠错码中，卷积编码的编码增益低，不能满足卫星信道的误码率；单独的RS码对突发错误纠错能力强，但是RS码编译码实现复杂度随着码长增加呈几何级数增加，超过255字节的RS编码和译码难以实现。而RS短码编码增益非常有限，不能改善卫星信道的误码率；单独LDPC码优势在于长编码时(码长长于3000bit)，编码增益高，实现复杂度随码长增线性增加，但只对随机误码的纠错能力强，对连续多个字节突发错误纠错能力有限。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种级联LDPC码在ATM交换网络中的实现方法，解决了现有ATM卫星网络编码增益低的问题，同时解决了ATM信元传输数据的关键路径标志无重点纠错编码的问题，避免导致信元彻底丢失的严重错误。

本发明的技术方案是：一种级联LDPC码在ATM交换网络中的编译码方法，步骤如下：

1)在每个ATM信元原始信息中提取M个字节，缓存在存储器中；将上述M字节作为信元的信头部分；所述每个ATM信元有L个字节；M为正整数；

2)连续提取K个ATM信元的信头部分，按提取顺序拼接成K*M个连续的字节；K为正整数；

3)将步骤2)拼接的K*M个连续的字节作为信息元，并进行RS编码，产生新的R1个字节的监督元；R1为正整数；

4)把R1个字节的监督元拼接在原来的K个ATM信元之后，组成新的一组数据，该数据长度为N1字节，其中N1＝L*K+R1；

5)对N1字节的这一组数据进行LDPC编码，编码后产生的监督元为R2个字节，此时生成一组数据长度为N2的字节，其中N2＝N1+R2，所有ATM交换网络中数据都如此分为N2字节的组，一组组数据通过卫星信道下传到地面；

6)地面接收设备每接收到一组N2字节的数据后，先进行LDPC译码，恢复出N1个字节的数据；

7)在N1个字节里分离最后R1个字节和K个L字节的ATM信元；

8)用R1个字节和K个L字节的ATM信元的信头部分进行RS译码，恢复出无错的信头部分；

9)用无错的信头部分替代K个L字节的ATM信元的信头部分，得到最终得到恢复后的数据。

所述步骤3)和步骤5)中的RS码和LDPC码的长度选择可以任意选择要特殊保护的ATM传输信元字节数，RS编码字节数也可以按bit保护，不足字节数的部分可以补零凑够字节数；对于不同编码长度要求的卫星，可以采用不同的编码增益和码长的RS码级联LDPC码。

本发明与现有技术相比的优点是：

(1)该方法首先挑选ATM信元中标识关键通路的4字节信头进行RS编码，由于编码长度短小，使得编码和译码的编程简单，编码复杂度低，译码延时小，易于实现，不会对数据接收出现长时间等待译码结果的情况。

(2)通过抽取不同ATM信元的头4字节的方法可以实现原始数据的交织技术，把局部可能出现的连续误码错误分散成零散误码。

(3)对于在4字节以内出现的连续2比特以上的突发误码可以直接用RS码纠错。

(4)使用长的LDPC码做外码编码，可以弥补短的RS码编码增益小缺点，相较于单独LDPC码，级联码的编码增益可以提高0.8dB以上，而且编译码复杂度只是随码长增加线性增加。

(5)长的LDPC码是线性编码，编码后产生的监督元位数少，级联RS码后的整体码率改变不大，级联后最优码率接近7/8。

(6)该方法可以适用不同码长的LDPC码编码，在满足不同编码增益需求条件下，相应地降低LDPC码译码复杂度。

附图说明

图1表示RS编码信元抽取示意图；

图2表示LDPC编码示意图；

图3表示RS码编码电路；

图4表示流水线型RS译码器实现框图。

具体实施方式

本发明一种级联LDPC码在ATM交换网络中的编译码方法，关键技术包括两部分：第一部分是对要求特殊保护的ATM传输信元，抽取相应的RS编码字节，抽取示意图如图1所示。图1中信元头4字节的RS编码保护，即抽取7个ATM信元的信头做RS(31，27)编码，把编码后的4字节编码位填在7个ATM信元之后。还可以用RS(57，53)对单独一个ATM信元做突发错误的纠错保护。

第二部分是对RS编码后的所有数据做LDPC编码，进行星间链路的传输。例如把7个ATM信元进行RS编码后，基本数据从7*53字节变为7*53+4＝375字节＝3000比特，把所有的3000比特数据依照7168比特取数进行7/8码率LDPC编码，如图2。详细步骤如下：

1)在每个ATM信元(每个ATM信元有L个字节)原始信息中提取M个字节，缓存在存储器中，这M字节就是信元的信头部分；

2)连续提取K个ATM信元的信头部分，按顺序拼接成K*M个连续的字节；

3)对K*M个连续的字节作为信息元进行RS编码，编码后新产生的R1个字节的监督元；

4)把R1个字节的监督元拼接在原来的K个ATM信元之后，组成新的一组数据，该数据长度为N1字节(其中N1＝L*K+R1)；

5)对N1字节的这一组数据进行LDPC编码，编码后产生的监督元为R2个字节，此时一组数据长度变为N2字节(其中N2＝N1+R2)，所有ATM交换网络中数据都如此分为N2字节的组，一组组数据通过卫星信道进行数据传输；

6)地面接收设备每接收到一组N2字节的数据后，先进行LDPC译码，恢复出N1个字节的数据；

7)在N1个字节里分离最后R1个字节和K个L字节的ATM信元；

8)用R1个字节和K个L字节的ATM信元的信头部分进行RS译码，恢复出无错的信头部分；

9)用无错的信头部分替代K个L字节的ATM信元的信头部分，得到最终的数据。

(1)ATM信元抽取信头字节

附图1所示，用第一个寄存器缓存7个ATM信元内容，合计371字节。串行按计数器提取第1-4，54-58，……349-351字节，存入第二个寄存器，所有字节的每一比特看做x组成连续的连续信息组m(x)送入RS(27，31)编码器。

(2)RS编码

RS(n,k)码编码参数定义如下：

m：每个符号比特数；

n：码长，n＝2m-1；

t：纠错个数；

d：最小码距，d＝2t+1；

k：信息符号个数，k＝n-2t；

R：码率，R＝k/n。

设RS码的生成多项式为：

g_i∈GF(2^m)，式中b为非负整数，α是有限域GF(2^m)上的本原元。当b＝2^m-t时，g(x)的系数具有对称性，即g_i＝g_2t-i,且g₀＝g_2t＝1。

RS码也是循环码的一种，因此RS码的每个码字必是生成多项式g(x)的倍数。在实际中，常用到的是系统码。要得到系统码，必须先将信息组m(x)乘以xn-k，变成xn-km(x),然后再用g(x)除，求得相应的余式r(x)，把其系数取“－”号就得到了相应的校验位，再加原来的信息组就组成了码字C。

设GF(2^m)上，一个系统码的码矢为：

C＝(Cn-1,Cn-2,…,C1,C0)＝(mk-1,mk-2,…,m1,m0,r2t-1,r2t-2,…,r1,r0)

其中，mi(0≤i≤k-1)为信息位，ri(0≤i≤2t-1)为校验位。应该有

C(x)＝m(x)xn-k+r(x)

C(x)为码多项式：C(x)＝Cn-1xn-1+Cn-2xn-2+…+C1x+C0,Ci∈GF(2^m)；

m(x)是信息多项式：m(x)＝mk-1xk-1+mk-2xk-2+…+m1x+m0,mi∈GF(2^m)；

r(x)是校验多项式：r(x)＝r2t-1x2t-1+r2t-2x2t-2+…+r1x+r0≡m(x)xn-k mod(g(x))。mi∈GF(2^m)，即r(x)是g(x)除xn-km(x)后的余式，其系数就是校验位。除法编码器的框图如图3所示，图中所有的数据通道都是m比特宽。编码过程如下：

1)、n-k级移位寄存器初始状态全为0，门Gate闭合、双向开关拨向下方。信息组以(mk-1,…,m1,m0)的次序送入电路。信息组一方面输出，一方面送入g(x)的除法电路右端，这相当于完成xn-km(x)的乘法运算。

2)、k次移位后，信息组全部输出，它就是系统码字的前k位信息元，并且它也全部进入g(x)的除法电路，完成除法运算。此时在移位寄存器中的存数就是余式r(x)的系数，也就是码字的校验元(Cn-k-1,…,C1,C0)＝(rn-k-1,…,r1,r0)。

3)、门Gate断开、双向开关拨向上方，再经n-k次移位后，移位寄存器中的校验元(Cn-k-1,…,C1,C0)跟在信息组的后面输出，形成一个码字C＝(Cn-1,…,Cn-k-1,Cn-k-2,…,C0)＝(mk-1,…,m0,rn-k-1,…,r0)。

(3)数据拼接过程

RS(27，31)编码后，对原始的27字节数据多出4字节的检验位，取出(1)步中第一个寄存器缓存7个ATM信元内容，把4字节的检验位拼接在缓存的7个ATM信元内容之后，即数据从371字节变为375字节。

(4)LDPC编码

对于(3)步中连续的375字节数据流，按照7168比特一帧的结构输入给接近7/8码率LDPC编码器(7168，8192)。由于7/8码率LDPC属于QC-LDPC，其生成矩阵G_qc形式如下式：

编码过程是：长度为7168信息比特s和生成矩阵G相乘得到长度为n的系统形式的码字x，即

对应码字的校验位部分p。其中p的长度为1024比特。

(4)LDPC译码过程

先对收到的所有数据进行LDPC译码，再RS译码。LDPC码是线性分组码，传统的编码方法是采用生成矩阵编码，一般情况下LDPC码的校验矩阵H是非系统形式的，利用H和生成矩阵G之间的正交性G·H^T＝0可以用高斯消元法来得到G或H。LDPC码典型采用的是一种迭代的译码算法。简单的硬判决BF算法具体的步骤：

Step1：对信道输出做硬判，

得到初始译码序列

并初始化迭代次数：k＝1。

Step2：将

左乘校验矩阵H，获得各个校验式的校验结果：S^k-1＝(s₁ ^k-1，…，s_M ^k-1)。

Step3统计每个变量节点v_n所对应的校验式中不成立的个数

Step4：从f^k-1＝(f₁ ^k-1，…，f_N ^k-1)中找出最大值f_max ^k-1，将它所对应的变量节点的比特

翻转。得到新的的码字

Step5：重复步骤2～4，直到所有的校验式都满足或到达事先设定的最大迭代次数为止。

将最终译码后的7168比特一帧的数据恢复为连续的数据流。

(5)RS译码过程

在(4)得到的译码后连续的数据流中，按375字节一组的顺序提取数据，缓存到第三组寄存器。再把一组375字节数据，按从头到尾的顺序以每隔53字节的间隔抽取4字节的方式，抽取31字节的数据作为RS译码的输入数据，按照以下四步骤译码：(a)：根据接收的码字计算伴随式S；(b)：计算错误位置多项式和错误值多项式；(c)：找出错误位置：(d)：计算错误值，对接收码字进行纠错。

(b)步中，要求解下面的关键方程：S(x)σ(x)≡ω(x)modx^2t+1。如何快捷准确地求取错误位置多项式σ(x)和错误值多项式ω(x)是RS译码的关键。本方法中设伴随式S_k(k＝1,2,...,2t)为给定的值。

初始条件：σ⁽⁰⁾(x)＝ω⁽⁰⁾(x)＝1，λ⁽⁰⁾(x)＝R⁽⁰⁾(x)＝1,β⁽⁰⁾(x)＝0，L₀＝0。

迭代过程：

L_k＝δ_k(k-L_k-1)+(1-δ_k)L_k-1

R^(k)＝δ_kd_k+(1-δ_k)R^(k-1)

算法终止时错误位置多项式σ(x)＝σ^(2t)(x)＝σ₀+σ₁x+σ₂x²+...+σ_tx^t

错误值多项式ω(x)＝ω^(2t)(x)＝ω₀+ω₁x+ω₂x²+...+ω_tx^t，其中ω₀＝σ₀。

这个RS译码器方案采用改进的BM算法使之更适宜于FPGA设计，采用复数域比特并行乘法器进一步降低硬件复杂度。RS译码过程包括伴随多项式计算、无逆BM迭代求错误位置多项式σ(x)和错误值多项式ω(x)、钱搜索求错误位置、Forney算法求错误值及码元的校正输出。本设计采用流水线结构，其基本框图如图4所示：

(6)恢复ATM信元原始数据过程

在(5)步中第三组寄存器，按顺序提取53字节的ATM信元，把RS译码后的31字节中提取1-4字节替换第一个ATM信元中的头4个字节，5-8字节替换第二个ATM信元中的头4个字节……25-26替换第七个ATM信元中的头3个字节。最终输出替换后的ATM信元。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种级联LDPC码在ATM交换网络中的编译码方法，其特征在于步骤如下：

1)对于ATM交换网络中的某一个ATM信元原始信息中提取M个字节，缓存在存储器中；将上述M字节作为信元的信头部分；所述ATM信元有L个字节；M为正整数；

2)连续提取K个ATM信元的信头部分，按提取顺序拼接成K*M个连续的字节；K为正整数；

抽取ATM信元的信头部分的具体方法为：用第一个寄存器缓存7个ATM信元内容，合计371字节；串行按计数器提取第1-4，54-58，……349-351字节，存入第二个寄存器，所有字节的每一比特看做x组成连续的连续信息组m(x)送入RS(27，31)编码器；所述RS(27，31)编码器是RS(n,k)码编的一种形式，n＝31，k＝27；

3)将步骤2)拼接的K*M个连续的字节作为信息元，并进行RS编码，产生新的R1个字节的监督元；R1为正整数；

RS编码的具体方法为：

令RS(n,k)码编码参数定义如下：

m：每个符号比特数；

n：码长，n＝2m-1；

t：纠错个数；

d：最小码距，d＝2t+1；

k：信息符号个数，k＝n-2t；

R：码率，R＝k/n；

设RS码的生成多项式为：

g_i∈GF(2^m)，式中b为非负整数，α是有限域GF(2^m)上的本原元；当b＝2^m-t时，g(x)的系数具有对称性，即g_i＝g_2t-i,且g₀＝g_2t＝1；

RS码作为循环码的一种，RS码的每个码字必是生成多项式g(x)的倍数；在实际中，采用的是系统码，先将信息组m(x)乘以xn-k，变成xn-km(x),然后再用g(x)除，求得相应的余式r(x)，把其系数取“－”号得到了相应的校验位，再加原来的信息组就组成了码字C；

设GF(2^m)上，一个系统码的码矢为：

C＝(Cn-1,Cn-2,…,C1,C0)＝(mk-1,mk-2,…,m1,m0,r2t-1,r2t-2,…,r1,r0)

其中，mi(0≤i≤k-1)为信息位，ri(0≤i≤2t-1)为校验位；应该有

C(x)＝m(x)xn-k+r(x)

C(x)为码多项式：C(x)＝Cn-1xn-1+Cn-2xn-2+…+C1x+C0,Ci∈GF(2^m)；

m(x)是信息多项式：m(x)＝mk-1xk-1+mk-2xk-2+…+m1x+m0,mi∈GF(2^m)；

r(x)是校验多项式：r(x)＝r2t-1x2t-1+r2t-2x2t-2+…+r1x+r0≡m(x)xn-k mod(g(x))；mi∈GF(2^m)，即r(x)是g(x)除xn-km(x)后的余式，其系数就是校验位；

4)把R1个字节的监督元拼接在原来的K个ATM信元之后，组成新的一组数据，该组数据总长度为N1字节，其中N1＝L*K+R1；

5)对N1字节的这一组数据进行LDPC编码，编码后产生的监督元为R2个字节，此时生成一组数据，长度为N2字节，其中N2＝N1+R2；

LDPC编码的具体方法为：

对于步骤(3)中连续的375字节数据流，按照7168比特一帧的结构输入给接近7/8码率LDPC编码器(7168，8192)；由于7/8码率LDPC属于QC-LDPC，其生成矩阵G_qc形式如下式：

编码过程是：长度为7168信息比特s和生成矩阵G相乘得到长度为n的系统形式的码字x，即

对应码字的校验位部分p；其中p的长度为1024比特，

6)将所有ATM交换网络中的每一个ATM信元都按照上述步骤1)-5)的方法分为N2字节的组，并将得到的所有组数据通过卫星信道下传到地面；

7)地面接收设备每接收到一组N2字节的数据后，先进行LDPC译码，恢复出N1个字节的数据；

8)在N1个字节里分离最后R1个字节和K个L字节的ATM信元；

9)用R1个字节和K个L字节的ATM信元的信头部分进行RS译码，恢复出无错的信头部分；

10)用无错的信头部分替代K个L字节的ATM信元的信头部分，得到最终得到恢复后的数据。

2.根据权利要求1所述的一种级联LDPC码在ATM交换网络中的编译码方法，其特征在于：所述RS编码字节数按bit保护，不足字节数的部分以补零凑够字节数。

3.根据权利要求1所述的一种级联LDPC码在ATM交换网络中的编译码方法，其特征在于：对于不同编码长度要求的卫星，采用不同的编码增益和码长的RS码级联LDPC码。

4.根据权利要求1所述的一种级联LDPC码在ATM交换网络中的编译码方法，其特征在于：所述步骤3)RS码和步骤5)中的LDPC码的长度选择可以任意选择要保护的ATM传输信元字节数。

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