CN109150192A - 一种ldpc码字结构及码字编码方法 - Google Patents

一种ldpc码字结构及码字编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种LDPC码字结构,包括具有两层准循环结构的校验矩阵H,所述校验矩阵H中包含有N‑K个行和N个列,所述行用于表示校验节点,所述列用于表示变量节点,其中:K为LDPC码字的信息位长,N为LDPC码字的码字长。同时提供了一种LDPC码字结构的码字编码方法,包括:对校验位进行初始化;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;对校验位进行累加;对校验位进行交织得到码字。本发明提供的LDPC码字结构,具有部分行正交,便于描述、分析,便于设计,便于实现高吞吐量并行译码器等优点。

Description

一种LDPC码字结构及码字编码方法
技术领域
本发明涉及通信编码技术领域,具体地,涉及一种LDPC码字结构及码字编码方法。
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。
目前,LDPC最初的随机码字编码,虽然不受任何结构约束,度分布设计自由度较大,更易获得逼近香农限的度分布,但编码复杂度极高,不适合广泛应用;为降低随机码字在编码方向的复杂度,结构化的LDPC码字相继被提出,QC、QC-IRA、QC-IRA-raptor等结构化的码字具有编码复杂度低、可直接基于校验矩阵完成编码等优点。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:5G、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。
三星、华为等公司在制定5G标准过程中,基于上述LDPC码字结构提出无规则的部分子块行正交的结构,该码字结构具有便于实现高吞吐量的译码器。但是,该结构的LDPC码字仍然存在如下缺陷:
1、无规则部分子块行正交结构的校验矩阵描述复杂,无规律
2、无规则部分子块行正交结构的校验矩阵不利于分析
3、无规则部分子块行正交结构的校验矩阵构造复杂
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道,也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
本发明目的是提供了一种LDPC码字结构,该码字结构的校验矩阵具有两层准循环结构及码字编码方法,具有高吞吐量,译码效率高,便于描述分析的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的一个方面,提供了一种LDPC码字结构,包括具有两层准循环结构的校验矩阵H。
优选地,所述校验矩阵H中包含有N-K个行和N个列,所述行用于表示校验节点,所述列用于表示变量节点,其中:K为LDPC码字的信息位长,N为LDPC码字的码字长。
优选地,所述两层准循环结构中的第一层准循环结构,包括L1×J1个子矩阵a,其中:L1为第一层准循环结构的行,J1为第一层准循环结构的列;每个子矩阵a的结构均为Z1×Z1的方阵。
优选地,N-K=L1×Z1,N=J1×Z1
优选地,L1×J1个子矩阵a分为零矩阵和非零矩阵。
优选地,所述非零矩阵采用如下任意一个或任意多个矩阵:
-单位阵;
-基于单位阵的循环偏移矩阵,即偏移矩阵;
-多个不同偏移量的偏移矩阵的叠加矩阵。
优选地,所述两层准循环结构中的第二层准循环结构,包括L2×J2个子矩阵b,其中:L2为第二层准循环结构的行,J2为第二层准循环结构的列;每个子矩阵b的结构均为Z2×Z2的方阵,每一个子矩阵b中均包含了n×n个Z1×Z1子矩阵a。
优选地,L1=L2×n,Z2=Z1×n。
优选地,n×n个子矩阵a具有准循环结构的排布方式:
标记子矩阵a为0或1,当子矩阵a为零矩阵时,标记为0,否则标记为1;
Ki,j表示校验矩阵H中第i行、第j列的子矩阵b,其中i=1,2...L2,j=1,2...,J2
当子矩阵bKi,j为零矩阵时,Ki,j=-1,当子矩阵bKi,j的n×n个标记为0,1的子矩阵a具有循环偏移形式时,Ki,j=q,q为第1行非零矩阵的偏移量。
根据本发明的另一个方面,提供了一种LDPC码字结构的码字编码方法,包括如下步骤:
步骤S1,对母码码率为K/N的LDPC码字的校验位(p0,p1,…pG-1)进行初始化,即令p0=p1=p2=…=pG-1=0,其中,G=N-K,G表示校验位长度,N表示LDPC码字的码长,K表示LDPC码字的信息位长度;
步骤S2,根据LDPC码字的编码码表,将信息位(i0,i1,…iK-1)循环累加到校验位(p0,p1,…pG-1)上;
步骤S3,对校验位(p0,p1,…pG-1)进行累加;
步骤S4,对累加后的校验位进行交织,得到LDPC码字结构。
优选地,步骤S2中,所述LDPC码字的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;
具体为:
设循环行列式大小为Z1×Z1
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Z1-1个信息位的比特值im,m=1,2,3…Z1-1累加到地址为
(x+(m mod Z1)*L1)mod G,x<G
的校验位上,其中x代表码表第一行的数字,L1为第一层准循环结构的行,m为剩余的Z1-1个信息位的编号;
以Z1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~Z1信息比特对应码表第一行,第Z1+1~2Z1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。
优选地,步骤S3具体为:p0维持不变,从pi,i=1开始,依次进行下述操作:
优选地,步骤S4以如下方式进行交织:
其中:等式右边为未交织时校验比特的位置,等式左边是交织后校验比特对应的位置;
式中:t表示0≤t<L1整数编号,s表示0≤s<Z1的整数编号。
本发明提供的LDPC码字结构及码字编码方法,其校验矩阵H的子矩阵具有两层准循环结构,与现有技术相比,具有如下优点:
由于LDPC码字结构由于每个Z2×Z2子矩阵b中的n×n个子矩阵a具有准循环结构,校验矩阵具有部分行正交特性,因此所述码字便于描述、分析,便于构造,能够依托移位寄存器实现线性编码,实现高吞吐量的并行译码器。
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是本发明实施例中的具有两层准循环结构的校验矩阵H示意图。
图2是本发明实施例中的校验矩阵H中某个Z2×Z2矩阵的示意图。
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。
实施例1
本实施例提供了一种LDPC码字结构,该LDPC码字的校验矩阵H具有两层准循环结构,该结构化的LDPC码字具有高吞吐量,译码效率高的优点。
本实施例的具体技术方案为:
一种LDPC码字结构,包括具有两层准循环结构的校验矩阵H。针对信息位长为K、码字长为N结构化的LDPC码字,其校验矩阵H,包括:N-K个行表示校验节点,N个列表示变量节点。
该校验矩阵H的两层准循环结构为:
第一层准循环结构:
包括L1行、J1列,共L1×J1个子矩阵a组成,每个子矩阵a是Z1×Z1方阵,即N-K=L1×Z1、N=J1×Z1,每一个子矩阵a为如下任意一种或任意多种矩阵:
-零矩阵;
-单位阵;
-偏移矩阵(基于单位阵的循环偏移矩阵);
-多个不同偏移量的偏移矩阵的叠加矩阵。
第二层准循环结构:
包括L2行、J2列个Z2×Z2个子矩阵b组成,每个Z2×Z2的矩阵b又是由n×n个Z1×Z1个子矩阵a组成,其中L1=L2×n,Z2=Z1×n。n×n个子矩阵a具有准循环结构的排布方式。为方便描述,标记Z1×Z1的子矩阵a为0或1,当该子矩阵a为零矩阵,标记为0,否则标记为1。Ki,j表示校验矩阵H中第i行、第j列的Z2×Z2的子矩阵b,其中i=1,2...L2,j=1,2...,J2。当子矩阵bKi,j为零矩阵时,Ki,j=-1;当子矩阵bKi,j的n×n个标记为0,1的子矩阵a具有循环偏移形式时,Ki,j=i,i为第1行非零矩阵的偏移量。
下面结合附图进一步详细说明:
校验矩阵H(如图1)第一层准循环结构:
包括L1行、J1列,共L1×J1个子矩阵a组成,每个子矩阵a是Z1×Z1方阵,即N-K=L1×Z1、N=J1×Z1,子矩阵a均为零矩阵或者循环行列式,且循环行列式重量为1。
校验矩阵H(如图1)第二层准循环结构:
包括L2行、J2列个Z2×Z2个子矩阵b组成,每个Z2×Z2的子矩阵b又是由n×n个Z1×Z1个子矩阵a组成,其中L1=L2×n,J1=J2×n,Z2=Z1×n。
Ki,j表示第i行、第j列的Z2×Z2的子矩阵b,其中i=1,2...L2,j=1,2...,J2,即:
该子矩阵b的n×n个Z1×Z1的子矩阵a可以分为零矩阵与非零矩阵,标记零矩阵为0,非零矩阵为1。当矩阵Ki,j为零矩阵时Ki,j=-1;当矩阵Ki,j的n×n个标记的子矩阵Pi’,j’具有循环偏移形式时Ki,j=q,q表示第1行标记非零小矩阵的偏移量,即:(假设n=4)
这里的0和1分别代表Z1×Z1的小矩阵,0表示Z1×Z1的零矩阵,1表示Z1×Z1的非零矩阵。
本实施例提供的校验矩阵H具有两层准循环结构的LDPC码字结构,具有如下优点:
所述码字结构由于每个Z2×Z2矩阵中n×n个Z1×Z1矩阵具有准循环结构,校验矩阵具有部分行正交特性,因此所述码字便于描述、分析,便于构造,能够依托移位寄存器实现线性编码,实现高吞吐量的并行译码器。
实施例2
本实施例提供了一种LDPC码字结构的码字编码方法,包括如下步骤:
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、对校验位进行累加;
步骤四、对校验位进行交织得到码字。
在一个具体的实施例中,母码码率为K/N,信息位长度为K,码字长为N,取G为N-K,G表示校验位长度,循环行列式大小为Z1×Z1。因此使用(i0,i1,…iK-1)代表信息位,(p0,p1,…pG-1)代表校验位,进而获得最终码字(i0,i1,…iK-1,p0,p1,…pG-1)。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=…=pG-1=0。
步骤二、根据码率为K/N、码长为N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Z1-1个信息位比特值im,m=1,2,3…Z1-1累加到地址为
(x+(m mod Z1)*L1)mod G,x<G
的校验位上,其中x代表码表第一行的数字,L1为第一层准循环结构的行,m为剩余的Z1-1个信息位的编号。以Z1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~Z1信息比特对应码表第一行,第Z1+1~2Z1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、对校验位进行交织。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,等式左边是交织后校验比特对应的位置。
式中:t表示0≤t<L1整数编号,s表示0≤s<Z1的整数编号。
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 (10)

1.一种LDPC码字结构,其特征在于,包括具有两层准循环结构的校验矩阵H,所述校验矩阵H包含有N-K个行和N个列,所述行用于表示校验节点,所述列用于表示变量节点,其中:K为LDPC码字的信息位长,N为LDPC码字的码字长。
2.根据权利要求1所述的LDPC码字结构,其特征在于,两层准循环结构中的第一层准循环结构,包括L1×J1个子矩阵a,其中:L1为第一层准循环结构的行,J1为第一层准循环结构的列;每个子矩阵a的结构均为z1×z1的方阵。
3.根据权利要求2所述的LDPC码字结构,其特征在于,N-K=L1×z1,N=J1×Z1
4.根据权利要求2所述的LDPC码字结构,其特征在于,L1×J1个子矩阵a分为零矩阵和非零矩阵。
5.根据权利要求4所述的LDPC码字结构,其特征在于,所述非零矩阵采用如下任意一个或任意多个矩阵:
-单位阵;
-基于单位阵的循环偏移矩阵,即偏移矩阵;
-多个不同偏移量的偏移矩阵的叠加矩阵。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的LDPC码字结构,其特征在于,两层准循环结构中的第二层准循环结构,包括L2×J2个子矩阵b,其中:L2为第二层准循环结构的行,J2为第二层准循环结构的列;每个子矩阵b的结构均为z2×Z2的方阵,每一个子矩阵b中均包含了n×n个z1×z1的子矩阵a。
7.根据权利要求6所述的LDPC码字结构,其特征在于,L1=L2×n,Z2=Z1×n。
8.根据权利要求6所述的LDPC码字结构,其特征在于,n×n个子矩阵a具有准循环结构的排布方式:
标记子矩阵a为0或1,当子矩阵a为零矩阵时,标记为0,否则标记为1;
Ki,j表示校验矩阵H中第i行、第j列的子矩阵b,其中i=1,2...L2,j=1,2...,J2
当子矩阵bKi,j为零矩阵时,Ki,j=-1;当子矩阵bKi,j的n×n个标记为0,1的子矩阵a具有循环偏移形式时,Ki,j=q,q为第1行非零矩阵的偏移量。
9.一种权利要求1-8中任一项所述的LDPC码字结构的码字编码方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤S1,对母码码率为K/N的LDPC码字的校验位(p0,p1,…pG-1)进行初始化,即令p0=p1=p2=…=pG-1=0,其中,G=N-K,G表示校验位长度,N表示LDPC码字的码长,K表示LDPC码字的信息位长度;
步骤S2,根据LDPC码字的编码码表,将信息位(i0,i1,…iK-1)循环累加到校验位(p0,p1,…pG-1)上;
步骤S3,对校验位(p0,p1,…pG-1)进行累加;
步骤S4,对累加后的校验位进行交织,得到LDPC码字结构。
10.根据权利要求9所述的LDPC码字结构的码字编码方法,其特征在于,还包括如下任意一个或任意多个特征:
-步骤S2中,所述LDPC码字的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;具体为:
设循环行列式大小为z1×Z1
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z1-1个信息位的比特值im,m=1,2,3…Z1-1累加到地址为
(x+(m mod z1)*L1)mod G,x<G
的校验位上,其中x代表码表第一行的数字,L1为第一层准循环结构的行,m为剩余的z1-1个信息位的编号;
以z1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~z1信息比特对应码表第一行,第Z1+1~2Z1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;
-步骤S3具体为:p0维持不变,从pi,i=1开始,依次进行下述操作:
-步骤S4以如下方式进行交织:
其中:等式右边为未交织时校验比特的位置,等式左边是交织后校验比特对应的位置;
式中:t表示0≤t<L1的整数编号,s表示0≤s<z1的整数编号。
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