CN107786306A - 用于多点协同通信系统的低码率ldpc码字结构和编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于多点协同通信系统的低码率LDPC码字结构和编码方法，其中码率最低的码字称为母码，是码长为N、信息比特为K的raptor‑like结构的LDPC码字，根据编码码表以及编码方法进行编码，获得原始码字；其他比母码码率高的码字称为截取码字，是基于母码编码后的原始码字截取获得，从原始码字中截取部分比特，并拼接在一起进行传输，剩余比特不进行传输，具体截取的比特由截取比特码表给出。多点协同通信系统要求在LDPC码字可以进行单独的编译码的同时，还能够将不同码率的码字联合在一起进行联合译码，获得性能增益。本发明给出的码字结构和编码方法可以很好的满足这个要求。

Description

用于多点协同通信系统的低码率LDPC码字结构和编码方法

技术领域

本发明涉及通信编码技术领域，具体地，涉及一种适用于多点协同通信系统的低码率LDPC码字结构和编码方法。

背景技术

LDPC码字是由Gallager博士在1963年首次提出的，他同时提出了码字并给出了相应的迭代译码的算法，但由于起初的迭代译码算法较为复杂，加之当时的集成电路技术发展缓慢，因此LDPC码字在当时并未收到重视。在之后的一段时间内，除了Tanner用二分图形象化的描述了LDPC的迭代译码之外，几乎没有学者对LDPC码字有更多的关注。随后，在上世纪90年代，基于迭代译码机制的Turbo码被发现是一种可以逼近Shannon限的编码方案，至此人们才开始注意到了迭代译码所具备的优良性能。同时，基于二分图(Tanner图)的迭代理论也取得了很大的突破：Spielman将纠错过程解释为错误逐渐减少的过程，并证明了基于二分图的编译码算法具有线性的复杂度，在此基础上又有学者提出了利用Expander图生成具有一定纠错能力的二分图的条件和方法，之后Kschischang等人又建立了因子图(Factor Graph)的理论，进一步深化了基于LDPC迭代译码的图论基础，在这些研究基础之上，Wiber则提出了基于图的LDPC迭代译码算法。所有的这些理论的提出，使得在1995年，Mackay和Neal发现了LDPC码和Turbo码一样具有逼近香农限的性能，从而引发了对LDPC码研究的热潮。

经过对LDPC码字的深度研究，大家发现LDPC码在各方面都比Turbo码更有优势，具备更好的译码性能和更低的实现复杂度，更能适应未来系统高速数据传输和高性能的要求，因此收到广泛应用。目前采用LDPC码字的通信系统有：欧洲第二代数字广播电视传输标准DVB2系列；IEEE802.11n无线局域网标准；IEEE802.11e无线广域网标准；中国数字电视地面传输标准(DTTB)，以及北美CCSDS的近地、深空通信系统等等。

目前，LDPC的理论基础确实已经逐渐完善，对这类码字的研究逐渐从纯理论转移到理论结合应用需求的研究。针对特定的应用场景和应用需求，就要设计特定的LDPC码字，以满足需求。在多点协同通信系统中，会有多个基站对相同内容进行编码传输，保证在复杂地形的覆盖率，因此若接收端接收到其中任意一个基站的信号时，都应该可以直接进行译码。但当接收端接收到多个基站发送的信号时，如果不能够充分利用这些信号中携带的信息进行联合译码，就会造成频谱的大量浪费，所以多点协同通信系统要求任意基站发送的LDPC码字均可以被单独译码的同时，还可以将不同基站发送的LDPC码字联合在一起进行译码，充分利用不同基站发送信号中携带的信息，而且联合译码的性能相比单独译码性能应该有大幅提高。针对以上的应用需求，需要单独设计码字及其对应的编码方法来满足。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于多点协同通信系统的低码率(码率小于等于1/2)LDPC码字结构和编码方法，用来满足多点协同通信系统中需要不同码率码字之间能够联合译码的需求。

根据本发明的第一方面，提供一种适用于多点协同通信系统的低码率LDPC码字，包括：

母码：为最低码率码字，是raptor-like结构的LDPC码字，通过raptor-like结构的编码方法根据母码编码码表进行编码获得原始码字；

截取码字：除母码外的其他码率码字，通过对母码编码后的母码码字截取获得。

进一步的，所述的母码，针对信息位长为K、码字长为N的raptor-like结构LDPC码字，它包含一个校验矩阵H，其中，N-K个行表示检验节点，N个列表示变量节点；

所述校验矩阵H由H₁、H₂、H₃、H₄、H_Z五部分组成：

H₁有G行、K列，它由L₁行、J₁列，共L₁*J₁个子矩阵组成，且经过行列变换后获得，每个子矩阵为一个Z行Z列的Z*Z方阵，即G＝L₁*Z、K＝J₁*Z。子矩阵均为零矩阵或者循环行列式，且循环行列式重量为1；

H₂有G行、G列，是一个双对角阵；

H₃有N-K-G行、K+G列，它由L₂行、J₂列，共L₂*J₂个子矩阵组成，且经过行列变换后获得，每个子矩阵为一个Z行Z列的Z*Z方阵，即N-K-G＝L₂*Z、K+G＝J₂*Z。子矩阵均为零矩阵或者循环行列式，且循环行列式重量为1；

H₄有N-K-G行、N-K-G列，是一个单对角阵；

H_Z有G行、N-K-G列，是一个全零阵；

上述H₁、H₂、H₃、H₄、H_Z五部分的位置关系为：H₁、H₂和H_Z具有相同的行数均为G行，按照H₁、H₂、H_Z的顺序并排拼接在一起，获得一个G行N列的矩阵；H₃和H₄有相同的行数均为N-K-G行，按照H₃、H₄的顺序并排拼接在一起，获得一个N-K-G行N列的矩阵，将上述两个N列矩阵按照H₁、H₂、H_Z在上，H₃、H₄在下的顺序拼接在一起，获得一个N-K行N列的矩阵即为校验矩阵H。

在一个实施例中，母码码率为1/4，码长为69120，子矩阵大小为360*360，其编码码表见附录I。截取码码率分别为1/3A、1/3B、2/5A、2/5B，同时1/3码率码字码长为51840、2/5码率码字码长为43200，对应的截取码表见附录II。

进一步的，所述低码率LDPC码字，能进行单独的译码，也能在多点协同通信系统中进行联合译码，而且一套码字中包含多个低码率；在多点协同通信系统中，会有多个基站对相同内容进行编码，若接收端接收到其中任意一个基站的信号时均可以译码，若接收端接收到多个基站发送的信号时，能充分利用这些信号中携带的信息进行联合译码，联合译码性能相比单独译码性能有大幅提高。

根据本发明的第二方面，提供一种适用于多点协同通信系统的低码率LDPC码字的编码方法，包括：

步骤一、对校验位进行初始化；

步骤二、根据编码码表将信息位循环累加到校验位上，编码码表由循环行列式的位置及循环行列式内1的偏移量决定；

步骤三、对前G个校验位进行累加；

步骤四、对前G个校验位列进行交织；

步骤五、根据编码码表将前G个校验位循环累加到其他校验位上，编码码表由循环行列式的位置及循环行列式内1的偏移量决定；

步骤六、对余下的校验位进行交织，获得低码率LDPC母码码字。

步骤七、根据截取码表对母码码字进行截取，获得最终的截取码字。

上述七个步骤中，完成步骤六可获得母码码字，完成步骤七可获得截取码字

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明中所述的码字方案，可以更好的满足多点协同通信系统的下述要求：

1、任意基站发送的LDPC码字均可以被单独译码

2、可以将对不同基站发送的LDPC码字联合在一起进行译码，充分利用不同基站发送信号中携带的信息，而且联合译码的性能相比单独译码性能应该有大幅提高。

在多点协同通信系统中，会有多个基站对相同内容进行编码传输，保证在复杂地形的传输覆盖率，因此若接收端接收到其中任意一个基站的信号时，本发明码字可以直接进行译码。当接收端接收到多个基站发送的信号时，本发明码字能够充分利用这些信号中携带的信息进行联合译码，充分利用频谱。

而现有技术中常见的LDPC码字方案均是大部分是单独设计的，因此无法有效地联合译码，当接收端接收到多个基站发送的信号时，不能够充分利用这些信号中携带的信息进行联合译码，进而造成频谱的大量浪费。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一实施例中截取码的编码方法示意图；

图2是本发明一实施例中LDPC码字的校验矩阵H的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一套基于多点协同通信系统的截取LDPC码字结构，以及对应的编码码表和截取码表，并对相应的码字结构和编码方法进行详细说明。

一种适用于多点协同通信系统的低码率LDPC码字，其中码率最低的码字称为母码，是码长为N、信息比特为K的raptor-like结构的LDPC码字，根据编码码表以及编码方法进行编码，获得原始码字。其他比母码码率高的码字称为截取码字，是基于母码编码后的原始码字截取获得，截取方式如图1所示，从原始码字中截取部分比特(图1中白色部分)，并拼接在一起进行传输，剩余比特(灰色部分)不进行传输，具体截取的比特由截取比特码表给出。

一个具体的LDPC码字可以由其校验矩阵完全地表示，在一套截取LDPC码字中，由于截取码的最终码字是由母码编码后截取获得的，因此虽然有多个码率，但是只有一个具体的码字，即母码，截取码没有具体的码字，但是其编码方法说明了如何获得对应的码字。

母码结构为raptor-like结构。在一个信息位长为K，码字长为N的raptor-like结构LDPC码字的校验矩阵H中，N-K个行表示检验节点，N个列表示变量节点，这个H矩阵由H₁、H₂、H₃、H₄、H_Z五部分组成，如图2所示。其中：

H₁有G行、K列。它由L₁*J₁个子矩阵P组成，且经过行列变换后获得。即：

子矩阵P_l,j为一个Z*Z的方阵，子矩阵均为零矩阵或者循环行列式，且循环行列式重量为1，l,j代表子矩阵的位置，当P_l,j为非零矩阵时，用P_l,j＝i表示，i代表循环行列式的偏移量，即：(假设Z＝4)

H₂有G行、G列，是一个双对角阵。即：

H₃有N-K-G行、K+G列，它由L₂*J₂个子矩阵组成，且经过行列变换后获得。每个子矩阵为一个Z*Z的方阵，子矩阵均为零矩阵或者循环行列式，且循环行列式重量为1，具体结构与H₁相似。

H₄有N-K-G行、N-K-G列，是一个单对角阵。即：

H_Z有G行、N-K-G列，是一个全零阵。

在一个具体的实施例中，母码码率为1/4，信息位长度K为17280，码长N为69120，取G为1800，循环行列式大小为360*360。因此使用(i₀，i₁，…i₁₇₂₇₉)代表信息位，(p₀，p₁，…，p₅₁₈₃₉)代表校验位，进而获得最终码字(i₀，i₁，…，i₁₇₂₇₉，p₀，p₁，…p₅₁₈₃₉)。针对这个具体的实施例的母码，编码方法如下：

步骤一、对校验位进行初始化。即令p₀＝p₁＝p₂＝…＝p₅₁₈₃₉＝0。

步骤二、根据附录I码率为1/4、码长为69120的LDPC码字的编码码表，将信息位循环累加到校验位上。根据编码码表，将第一个信息位的比特值i₀累加到地址为码表第一行数字的校验位，将接下来的359个信息位比特值i_m，m＝1，2，3…359累加到地址为

(x+(m mod 360)*5mod 1800，x＜1800

1800+(x-1800+(m mod360)*139)mod 50040，1800≤x＜51840

的校验位上，其中x代表码表第一行的数字。以360个信息比特为一个循环块进行循环，之后每个循环块都进行一次上述操作，但是每个循环块对应码表中的一行，即第1～360信息比特对应码表第一行，第361～720信息比特对应码表第二行，以此类推，直到处理完成所有信息位后。

步骤三、对前1800个校验位进行累加。即p₀维持不变，从i＝1开始，依次进行下述操作

步骤四、对前1800个校验位列进行交织。以如下方式进行交织，等式右边为未交织时校验比特的位置，等式左边是交织后对应的位置。

p_360*t+s＝p_5*s+t，0≤s＜360，0≤t＜5

步骤五、根据附录I中的编码码表将前G个校验位循环累加到其他校验位上。累加方式与步骤二类似，从第1个校验比特开始，每360个比特对应编码码表的新的一行，第1～360个校验比特对应编码码表第49行，将第1个校验比特p₀累加到编码码表第49行数字代表的校验位，将接下来的359个校验比特p_m，m＝1，2，3…359累加到地址为

1800+(x-1800+(mmod360)*139)mod50040，1800≤x＜51840

的校验位上，其中，x代表码表对应行中的数字。以360个校验比特为一个循环块进行循环，之后每个循环块都进行一次上述操作，直到处理完成前1800个校验位后，此时码表中不会出现小于1800的地址。

步骤六、对余下的校验位进行交织，即如下式方式进行交织，等式右边为交织前校验比特的位置，等式左边是交织后对应的位置。

p_1800+360*t+s＝p_1800+139*s+t，0≤s＜360，0≤t＜139

获得最终的母码码字(i₀，i₁，…i₁₇₂₇₉，p₀，p₁，…p₅₁₈₃₉)。

在本实施例中，由于母码的码率为1/4，码长为69120，信息位长度为17280，截取码是由母码中截取获得，因此解码后信息位长度相同，对应码率为1/3、2/5的截取码的码长分别为51840、43200，以上各码率信息位长度相同，均为17280。

针对本实施例中的截取码字进行编码时，除了需要完成上述步骤一至六，还需要完成下述步骤七。

步骤七、根据对应于附录I的附录II中的截取码表对母码码字进行截取，获得最终的截取码字。即根据附录II中各截取码率码表中的截取码表，截取母码码字(i₀，i₁，…i₁₇₂₇₉，p₀，p₁，…p₅₁₈₃₉)中的对应比特，拼接在一起即可，编码流程如图1所示。

附录I：码率为1/4、码长为69120的LDPC码字的编码码表：

附录II：对应附录I的各截取码率码表：

假设母码经编码后的原始码字为(i₀，i₁，…i₁₇₂₇₉，p₀，p₁，…p₅₁₈₃₉)，将其以360比特为一块进行分块，获得信息块48块，校验块144，表示为(I₀，I₁，…I₄₇，P₀，P₁，…P₁₄₃)

当截取为1/3A码率码字时，保留比特块为：I_m，m∈[0，47]且m mod4≠0；P_m1，m1＝5，6，7…19；P_m2，m2∈[20，143]且m2mod4≠0；

当截取为1/3B码率码字时，保留比特块为：I_m，m∈[0，47]且m mod4≠2；P_m1，m1＝5，6，7…19；P_m2，m2∈[20，143]且m2mod4≠1；

当截取为2/5A码率码字时，保留比特块为：I_m，m∈[0，47]且m mod4≠0；P_m1，m1＝5，6，7…33；Pm2，m2∈[34，143]且m2mod2≠0；

当截取为2/5B码率码字时，保留比特块为：I_m，m∈[0，47]且m mod4≠2；P_m1，m1＝5，6，7…33；P_m2，m2∈[34，143]且m2mod2≠1；

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种适用于多点协同通信系统的低码率LDPC码字结构，其特征在于包括：

母码：为最低码率码字，是raptor-like结构的LDPC码字，通过raptor-like结构的编码方法根据母码编码码表进行编码获得原始码字；

截取码字：除母码外的其他码率码字，通过对母码编码后的原始码字截取获得。

2.根据权利要求1所述的适用于多点协同通信系统的低码率LDPC码字结构，其特征在于：所述的母码，针对信息位长为K、码字长为N的raptor-like结构LDPC码字，它包含一个校验矩阵H，其中，N-K个行表示检验节点，N个列表示变量节点；

所述校验矩阵H由H₁、H₂、H₃、H₄、H_Z五部分组成，其中：

H₁有G行、K列，它由L₁行、J₁列，共L₁*J₁个子矩阵组成，且经过行列变换后获得，每个子矩阵为一个Z行Z列的Z*Z方阵，即G＝L₁*Z、K＝J₁*Z；子矩阵均为零矩阵或者循环行列式，且循环行列式重量为1；

H₂有G行、G列，是一个双对角阵；

H₃有N-K-G行、K+G列，它由L₂行、J₂列，共L₂*J₂个子矩阵组成，且经过行列变换后获得，每个子矩阵为一个Z行Z列的Z*Z方阵，即N-K-G＝L₂*Z、K+G＝J₂*Z；子矩阵均为零矩阵或者循环行列式，且循环行列式重量为1；

H₄有N-K-G行、N-K-G列，是一个单对角阵；

H_Z有G行、N-K-G列，是一个全零阵；

上述H₁、H₂、H₃、H₄、H_Z五部分的位置关系为：H₁、H₂和H_Z具有相同的行数均为G行，按照H₁、H₂、H_Z的顺序并排拼接在一起，获得一个G行N列的矩阵；H₃和H₄有相同的行数均为N-K-G行，按照H₃、H₄的顺序并排拼接在一起，获得一个N-K-G行N列的矩阵，将上述两个N列矩阵按照H₁、H₂、H_Z在上，H₃、H₄在下的顺序拼接在一起，获得一个N-K行N列的矩阵即为校验矩阵H。

3.根据权利要求1所述的适用于多点协同通信系统的低码率LDPC码字结构，其特征在于：所述低码率LDPC码字结构，能进行单独的译码，也能在多点协同通信系统中进行联合译码，而且一套码字结构中包含多个低码率；在多点协同通信系统中，会有多个基站对相同内容进行编码，若接收端接收到其中任意一个基站的信号时均可以译码，若接收端接收到多个基站发送的信号时，能充分利用这些信号中携带的信息进行联合译码，联合译码性能相比单独译码性能有大幅提高。

4.根据权利要求1-3任一项所述的适用于多点协同通信系统的低码率LDPC码字结构，其特征在于：所述的母码，码字码率为1/4，码长为69120，子矩阵大小为360*360，其编码码表为：

5.根据权利要求1-3任一项所述的适用于多点协同通信系统的低码率LDPC码字结构，其特征在于：所述的截取码，其码字码率分别为1/3、2/5，同时1/3码率码字码长为51840、2/5码率码字码长为43200，其中1/3码率采用了两种截取方式，分别为1/3A和1/3B，2/5码率采用了两种截取模式，分别为2/5A和2/5B；对应的截取比特码表为：

假设母码经编码后的原始码字为(i₀，i₁，…i₁₇₂₇₉，p₀，p₁，…p₅₁₈₃₉)，将其以360比特为一块进行分块，获得信息块48块，校验块144，表示为(I₀，I₁，…I₄₇，P₀，P₁，…P₁₄₃)

当截取为1/3A码率码字时，保留比特块为：I_m，m∈[0，47]且mmod4≠0；P_m1，m1＝5，6，7…19；P_m2，m2∈[20，143]且m2mod4≠0；

当截取为1/3B码率码字时，保留比特块为：I_m，m∈[0，47]且mmod4≠2；P_m1，m1＝5，6，7…19；P_m2，m2∈[20，143]且m2mod4≠1；

当截取为2/5A码率码字时，保留比特块为：I_m，m∈[0，47]且mmod4≠0；P_m1，m1＝5，6，7…33；P_m2，m2∈[34，143]且m2mod2≠0；

当截取为2/5B码率码字时，保留比特块为：I_m，m∈[0，47]且mmod4≠2；P_m1，m1＝5，6，7…33；P_m2，m2∈[34，143]且m2mod2≠1。

6.一种权利要求1-5任一项所述的适用于多点协同通信系统的低码率LDPC母码码字的编码方法，其特征在于：包括：

步骤一、对校验位进行初始化；

步骤二、根据编码码表将信息位循环累加到校验位上，编码码表由循环行列式的位置及循环行列式内1的偏移量决定；

步骤三、对前G个校验位进行累加；

步骤四、对前G个校验位列进行交织；

步骤五、根据编码码表将前G个校验位循环累加到其他校验位上，编码码表由循环行列式的位置及循环行列式内1的偏移量决定；

步骤六、对余下的校验位进行交织，得到低码率LDPC母码码字。

7.根据权利要求6所述的适用于多点协同通信系统的低码率LDPC截取码码字的编码方法，其特征在于：所述的截取码，其编码方法是在对母码编码后获得的母码码字进行截取，具体的截取比特由截取比特码表给出，即在完成权利要求6的六个步骤后，还需要进行如下步骤七：

步骤七、根据截取比特码表对母码码字进行截取，获得最终的截取码字。