CN109194336A - 级联Spinal码的编码和译码方法、系统及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种级联Spinal码的编码和译码方法、系统及装置，其中编译码方法包括步骤S1：发送端使用一个高码率的LDPC外码对信源比特进行预编码生成LDPC中间比特。LDPC中间比特倒序后经过Spinal编码器得到Spinal码字，并发动到无线信道；步骤S2：接收端从无线信道中接收到一定数量的Spinal码字后进行软译码。软译码方法为：先保留多条幸存路径，然后根据这些幸存路径计算出每个LDPC中间比特的对数似然比(LLR)；步骤S3：LDPC译码器对输入的LDPC中间比特的LLR进行译码得到译码后信源比特。与现有技术相比，本发明在发送端使用LDPC对信源进行预编码，在接收端提出了一种Spinal软译码器用来保留LDPC中间比特的软信息，解决了Spinal码对信源序列中后面位置的信源比特保护不足的缺点，能显著降低译码后信源的BER。

Description

级联Spinal码的编码和译码方法、系统及装置

技术领域

本发明涉及一种编译码算法，尤其是涉及一种级联Spinal码的编码和译码方法、系统及装置。

背景技术

由于无线信道中的衰落，噪声和干扰具有时变特性，因此如何有效的对抗这些不稳定因素并最大限度的提高数据传输速率是无线通信研究的热点和关键。链路自适应是解决这一问题的关键技术。采用链路自适应技术的物理层自动选择合适的传输速率来匹配时变的信道。传统的链路自适应技术主要有自适应编码调制(AMC)和混合自动重传(HARQ)。在这两项技术中，接收端根据导频信号估计出信道条件，然后把信道条件参数化，并把这些参数反馈给发送端，然后发送端根据接收端的反馈来选择最优的编码码率和调制方式的组合来匹配信道。然而这种传统的链路自适应方案有两个长期没有解决的问题：一是由于在一个很短的时间内信道变化快于单个包的发送速率，很难总是获得准确的信道条件估计值；二是发送端的发送速率只能以阶梯式的方式来调整，没有很充分的利用信道容量。以Spinal为代表的无速率码的出现很好的解决了这两个问题。Spinal码是一种集链路自适应，信道编码，调制技术为一体的物理层技术。Spinal码具有较高的吞吐率，且吞吐率随信道条件呈平滑变化，更重要的是不需要估计信道条件。但是由于Spinal码的结构特性导致其对信源的保护是不对等的。在一帧信源比特中，Spinal码对前面位置的信源比特保护较强，而对后面位置的信源比特保护很弱，现有的Spinal码较好的吞吐率性能很大程度上依赖于CRC校验和，在没有CRC校验和的场景下，Spinal码的吞吐率和BER都不够理想。在很多实时传输场景下(如视频传输)，Spinal码不能无限制的重传直至所有的信源都能无误传输，即不能利用CRC校验和。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种级联Spinal码的编码和译码方法、系统及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种级联Spinal码的编译码方法，包括：

步骤S1：发送端使用一个高码率的LDPC外码对信源比特进行预编码生成LDPC中间比特，LDPC中间比特倒序后经过Spinal编码器得到Spinal码字，并发动到无线信道；

步骤S2：接收端从无线信道中接收到设定数量的Spinal码字后进行软译码：先保留多条幸存路径，然后根据这些幸存路径计算出每个LDPC中间比特的对数似然比；

步骤S3：LDPC译码器对输入的LDPC中间比特的对数似然比进行译码得到译码后信源比特。

所述步骤S1具体包括：

步骤S11：多个信源比特组成一帧数据包，将该帧数据包经过LDPC编码后产生多个LDPC中间比特；

步骤S12：以每设定个数的比特为一个数据块，把倒序后的所有LDPC中间比特分割成均分为多个数据块；

步骤S13：基于预设的哈希函数h()和已知的初始状态s₀，对数据块迭代生成多个状态，其中任意状态为：

S_i＝h(S_i-1,m_i){i＝1,2,...,N/k}

其中：S_i为第i个状态，S_i-1为第i-1个状态，h()为收发双方已知的预设的哈希函数，m_i为第i个数据块的值，N为LDPC中间比特的个数，k为每个数据块中LDPC中间比特的个数；

步骤S14：基于得到的状态经过RNG产生多组随机数作为Spinal码字，这些码字总共有L组，每组N/k个，其中各Spinal码字为：

x_i,l＝RNG(S_i,l)，(i＝1,2...N/k),(l＝1,2...L)

其中：x_i,l为第l组第i个Spinal码字，RNG()为随机数生成函数；

步骤S15：发送端把每两个相邻的Spinal码字组成一个复符号，并按顺序发送由各组Spinal码字组成的复符号直至接收端正确译码或达到最大的Spinal码字数目。

所述步骤S15包括：

步骤S151：发送端把每两个相邻的Spinal码字分配给I路和Q路组成一个复符号；

步骤S152：通过无线信道发送由第1组Spinal码字组成的复符号；

步骤S153：通过无线信道监听接收端的反馈，若接收端正确译码或达到最大的Spinal码字数目，则完成发送，反之，则执行步骤S154；

步骤S154：通过无线信道发送由下一组Spinal码字组成的复符号，并返回步骤S153。

所述步骤S2具体包括：

步骤S21：接收端从无线信道中接收到Spinal码字；

步骤S22：基于和编码过程相同的初始状态、哈希函数和随机数生成函数，以及接收到的Spinal码字，采用冒泡译码算法得到多条幸存路径下的LDPC中间比特序列；

步骤S23：计算得到各LDPC中间比特的对数似然比：

其中：LLR(r_n)为第n个LDPC中间比特的对数似然比，P(r_n＝0)为第n个LDPC中间比特为0的概率，P(r_n＝1)为第n个LDPC中间比特为1的概率，R_b为基于第b条幸存路径得到的LDPC中间比特序列，r_b,n为基于第b条幸存路径得到的第n个LDPC中间比特，R_b:r_b,n(R_b)＝1为r_b,n＝1的R_b的集合，R_b:r_b,n(R_b)＝0为r_b,n＝0的R_b的集合，m_i为接收到的带噪声的m_i，m_i,b为R_b中的m_i的可能取值，σ²为信道的噪声功率。

一种级联Spinal码的编译码系统，包括：

LDPC编码器，用于使用一个高码率的LDPC外码对信源比特进行预编码生成LDPC中间比特；

Spinal编码器，与LDPC编码器连接，用于将LDPC中间比特倒序后经过Spinal编码器得到Spinal码字，并发动到无线信道；

Spinal译码器，用于从无线信道中接收设定数量的Spinal码字后进行软译码：先保留多条幸存路径，然后根据这些幸存路径计算出每个LDPC中间比特的对数似然比；

LDPC译码器，与Spinal译码器连接，用于对输入的LDPC中间比特的对数似然比进行译码得到译码后信源比特。

一种级联Spinal码的编译码装置，包括：

LDPC编码器，多个信源比特组成一帧数据包，将该帧数据包经过LDPC编码后产生多个LDPC中间比特；

Spinal编码器，与LDPC编码器连接，用于将LDPC中间比特倒序后经过Spinal编码器得到Spinal码字，并发动到无线信道；

Spinal译码器，通过无线信道与Spinal编码器连接，用于从无线信道中接收由Spinal编码器发送的设定数量的Spinal码字后进行软译码：先保留多条幸存路径，然后根据这些幸存路径计算出每个LDPC中间比特的对数似然比；

LDPC译码器，与Spinal译码器连接，用于对输入的LDPC中间比特的对数似然比进行译码得到译码后信源比特。

一种级联Spinal码的编码方法，在接收信源比特并基于信源比特生成LDPC中间比特后，将LDPC中间比特倒序后经过Spinal编码得到Spinal码字，具体包括：

步骤S11：接收由多个信源比特组成的一维向量，将该一维向量经过LDPC编码后产生多个LDPC中间比特；

步骤S12：以每设定个数的比特为一个数据块，把倒序后的所有LDPC中间比特分割成均分为多个数据块；

步骤S13：基于预设的哈希函数h()和已知的初始状态s₀，对数据块迭代生成多个状态，其中任意状态为：

S_i＝h(S_i-1,m_i){i＝1,2,...,N/k}

其中：S_i为第i个状态，S_i-1为第i-1个状态，h()为收发双方已知的预设的哈希函数，m_i为第i个数据块，N为LDPC中间比特的个数，k为每个数据块中LDPC中间比特的个数；

步骤S14：基于得到的状态经过RNG产生多组随机数作为Spinal码字，这些码字总共有L组，每组N/k个，其中各Spinal码字为：

x_i,l＝RNG(S_i,l)，(i＝1,2...N/k),(l＝1,2...L)

其中：x_i,l为第l组第i个Spinal码字，RNG()为随机数生成函数；

步骤S15：发送端把每两个相邻的Spinal码字组成一个复符号，并按顺序发送由各组Spinal码字组成的复符号直至接收端正确译码或达到最大的Spinal码字数目。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)将LDPC中间比特倒序后经过Spinal编码得到Spinal码字，将校验比特放在前面，系统比特放在后面，由于这些校验比特连接了所有的信源比特，所以比系统比特更加重要，因此倒序后这些校验比特可以得到Spinal较强的保护。

2)这些校验比特把倒序后前面的信源比特和后面的信源比特联系起来，由于前面的信源比特被保护的更强，可信度更高，因此在LDPC译码的时候可以利用这些可信度更高的信源比特作为辅助信息来对后面的信源比特进行译码。

3)利用多条幸存路径的统计信息提出了一种Spinal码的软译码算法来得到译码后每个比特的对数似然比即LLR，然后这些LLR被再次送入LDPC译码器进行译码得到译码后的信源比特。传统的Spinal译码算法为硬译码即译码后只能得到每个比特的二进制值，丢失了信道的概率信息。本发明提出是软译码算法与现有硬译码算法相比保留了信道的概率信息，大大增加了后面的LDPC译码器成功译码的概率。

附图说明

图1为现有Spinal码对信源不对等保护的示意图；

图2为本发明编译码方法的主要步骤流程示意图；

图3为本发明实现的结构示意图；

图4为本实施例Spinal编码过程示意图；

图5为k＝1时译码过程示意图；

图6为本发明与未使用CRC的Spinal码在吞吐率性能上的对比图；

图7为本发明与未使用CRC的Spinal码在码率为1bits/symbol时误码率性能上的对比图；

图8为本发明与未使用CRC的Spinal码在码率为4bits/symbol时误码率性能上的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，现有Spinal码对输入比特存在非均等保护特性。在图1中，一帧信源长度为256个比特，k＝4,c＝6,B＝256。对这帧信源直接进行Spinal编码得到Spinal码字，这些Spinal经过AWGN(加性高斯白噪声)信道后，用现有的冒泡译码算法进行译码。在实验中总共采用10000帧信源，然后统计译码后每个信源比特的BER情况。从图1可以看出前面位置的信源比特BER较好，随着信源位置的增加，BER越来越差，这说明Spinal码对信源比特的保护是不均等的。

对了解决这一问题，本申请提出一种级联Spinal码的编译码方法，如图2所示，包括：

步骤S1：发送端使用一个码率为0.95的LDPC外码对信源比特进行预编码生成N个LDPC中间比特，在本实施例中N＝272。LDPC中间比特倒序后经过Spinal编码器得到Spinal码字，并发动到无线信道，即令D个信源比特组成的一维向量为S＝{s_i,i＝1,2,...,D}，本实施例中D＝256。S经过LDPC编码器后产生的N个中间比特为R＝{r_n,n＝1,2,...,N}。由于Spinal码对输入比特的非均等保护特性，这些中间比特倒序后再经过Spinal编码器生成Spinal码字。Spinal码的编码过程如图4所示，具体包括

步骤S11：D个信源比特组成一帧数据包，将该帧数据包经过LDPC编码后产生N个LDPC中间比特；

步骤S12：以每k个LDPC中间比特为一个数据块，把倒序后的所有LDPC中间比特分割成均分为N/k个数据块，用m₁,m₂,...,m_N/k表示，在本实施例中k＝4；

步骤S13：令S₀为收发双方已知的初始状态，S₀的数值大小为v个比特，在本实施例中v＝32，h()为收发双方已知的哈希函数，h()有两路输入和一路输出。基于预设的哈希函数和已知的初始状态得到的数据块迭代生成多个状态，每个状态的数值大小都是v个比特，其中任意状态为：

S_i＝h(S_i-1,m_i){i＝1,2,...,N/k}

其中：S_i为第i个状态，S_i-1为第i-1个状态，h()为收发双方已知的预设的哈希函数，m_i为第i个数据块，N为LDPC中间比特的个数，k为每个数据块中LDPC中间比特的个数；

步骤S14：令RNG为收发双方已知的随机数生成器，基于得到的状态经过RNG产生多组随机数作为Spinal码字，这些码字总共有L组，每组N/k个，在本实施例中L＝10。即通过RNG处理后可以最终得到(N/k)*L个Spinal码字x_i,l(i＝1,2...N/k),(l＝1,2...L)，其中各Spinal码字为：

x_i,l＝RNG(S_i,l)，(i＝1,2...N/k),(l＝1,2...L)

其中：x_i,l为第l组第i个Spinal码字，RNG()为随机数生成函数；

其中的L的值可随实际信道条件自动调节，例如，若发送完由最后一组Spinal码字组成的复符号，接收端仍未正确译码，则可以选择上调L的数值，x_i,j的数值大小为c个比特,在本实施例中c＝6。

步骤S15：发送端把每两个相邻的Spinal码字组成一个复符号，并按顺序发送由各组Spinal码字组成的复符号直至接收端正确译码或达到最大的Spinal码字数目，具体包括：

步骤S151：发送端把每两个相邻的Spinal码字分配给I路和Q路组成一个复符号；

步骤S152：通过无线信道发送由第1组Spinal码字组成的复符号；

步骤S153：通过无线信道监听接收端的反馈，若接收端正确译码，则完成发送，反之，则执行步骤S154；

步骤S154：通过无线信道发送由下一组Spinal码字组成的复符号，并返回步骤S153。

接收端从无线信道中接收到设定数量的Spinal码字后进行软译码：先保留B条幸存路径，然后根据这些幸存路径计算出每个LDPC中间比特的对数似然比,在本实施例中B＝256。

步骤S2：接收端从无线信道中接收到设定数量的Spinal码字后进行软译码：先保留B条幸存路径，然后根据这些幸存路径计算出每个LDPC中间比特的对数似然比，Spinal译码器所使用的冒泡译码算法的过程如图5所示，具体包括：

步骤S21：接收端从无线信道中接收到Spinal码字；

步骤S22：基于和编码过程相同的初始状态、哈希函数和随机数生成函数，以及接收到的Spinal码字，采用冒泡译码算法得到B条幸存路径下的LDPC中间比特序列；

冒泡译码算法是一种次优化的最大似然译码算法。Spinal译码器使用同样的初始状态S₀，哈希函数h()，以及随机数生成器RNG来复现LDPC中间比特。具体过程为以S₀为根节点依次向前推进N/k个节点，形成一个译码树。每次向前推进时，从某个节点S_i-1推进到节点S_i(i＝1,2,...N/k)要考虑m_i的2^k个可能的取值，即每个节点会产生2^k个下一级节点。在本实施例中，m_i的2⁴个可能的值为：0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，1000，1001，1010，1011，1100，1101，1110，1111。

如果前一级节点的数目为D，则向前推进一次后下一级节点数目为D*2^k。为了减少复杂度，在冒泡译码算法中，节点在向前推进时，要进行剪枝操作，即每向前推进一个节点，从下一级D*2^k个节点中，只选择B个节点(从根节点开始到这B个节点为B条幸存路径)。选择的准则是这B条幸存路径与接收端收到的带噪Spinal码字序列的欧氏距最小。令这B条幸存路径所对应的LDPC中间比特序列分别为R₁,R₂,...R_b...,R_B,(R_b＝r_b,1,r_b,2,...,r_b,N),然后根据这B条路径计算出N个LDPC中间比特的LLR。

步骤S23：计算得到各LDPC中间比特的对数似然比：

其中：LLR(r_n)为第n个LDPC中间比特的对数似然比，P(r_n＝0)为第n个LDPC中间比特为0的概率，P(r_n＝1)为第n个LDPC中间比特为1的概率，R_b为基于第b条幸存路径得到的LDPC中间比特序列，r_b,n为基于第b条幸存路径得到的第n个LDPC中间比特，R_b:r_b,n(R_b)＝1为r_b,n＝1的R_b的集合，R_b:r_b,n(R_b)＝0为r_b,n＝0的R_b的集合，为接收到的带噪声的m_i，m_i,b为R_b中的m_i的可能取值，σ²为信道的噪声功率。

步骤S3：LDPC译码器对输入的LDPC中间比特的LLR进行译码得到译码后信源比特。

如图6为本发明(用*标出的曲线)与未使用CRC的Spinal码(用o标出的曲线)在吞吐率(Goodput)性能上的对比。图7为本发明(用*标出的曲线)与未使用CRC的Spinal码(用o标出的曲线)在码率为1bits/symbol时误码率(BER)性能上的对比。图8为本发明(用*标出的曲线)与未使用CRC的Spinal码(用o标出的曲线)在码率为4bits/symbol时误码率(BER)性能上的对比。从这三个图可以看出本发明无论是吞吐率还是误码率性能均好于未使用CRC的Spinal码。

Claims (8)

1.一种级联Spinal码的编译码方法，其特征在于，包括：

步骤S1：发送端使用一个高码率的LDPC外码对信源比特进行预编码生成LDPC中间比特，LDPC中间比特倒序后经过Spinal编码器得到Spinal码字，并发动到无线信道；

步骤S2：接收端从无线信道中接收到设定数量的Spinal码字后进行软译码：先保留多条幸存路径，然后根据这些幸存路径计算出每个LDPC中间比特的对数似然比(LLR)；

步骤S3：LDPC译码器对输入的LDPC中间比特的对数似然比进行译码得到译码后信源比特。

2.根据权利要求1所述的一种级联Spinal码的编译码方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

步骤S11：多个信源比特组成一帧数据包，将该帧数据包经过LDPC编码后产生多个LDPC中间比特；

步骤S12：以每设定个数的比特为一个数据块，把倒序后的所有LDPC中间比特分割成均分为多个数据块；

步骤S13：基于预设的哈希函数h()和已知的初始状态s₀，对数据块迭代生成多个状态，其中任意状态为：

S_i＝h(S_i-1,m_i){i＝1,2,...,N/k}

其中：S_i为第i个状态，S_i-1为第i-1个状态，h()为收发双方已知的预设的哈希函数，m_i为第i个数据块的值，N为LDPC中间比特的个数，k为每个数据块中LDPC中间比特的个数；

步骤S14：基于得到的状态经过RNG产生多组随机数作为Spinal码字，这些码字总共有L组，每组N/k个，其中各Spinal码字为：

x_i,l＝RNG(S_i,l)，(i＝1,2...N/k),(l＝1,2...L)

其中：x_i,l为第l组第i个Spinal码字，RNG()为随机数生成函数；

步骤S15：发送端把每两个相邻的Spinal码字组成一个复符号，并按顺序发送由各组Spinal码字组成的复符号直至接收端正确译码或达到最大的Spinal码字数目。

3.根据权利要求2所述的一种级联Spinal码的编译码方法，其特征在于，所述步骤S15包括：

步骤S151：发送端把每两个相邻的Spinal码字分配给I路和Q路组成一个复符号；

步骤S152：通过无线信道发送由第l组Spinal码字组成的复符号；

步骤S153：通过无线信道监听接收端的反馈，若接收端正确译码或达到最大的Spinal码字数目，则完成发送，反之，则执行步骤S154；

步骤S154：通过无线信道发送由下一组Spinal码字组成的复符号，并返回步骤S153。

4.根据权利要求2所述的一种级联Spinal码的编译码方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

步骤S21：接收端从无线信道中接收到Spinal码字；

步骤S22：基于和编码过程相同的初始状态、哈希函数和随机数生成函数，以及接收到的Spinal码字，采用冒泡译码算法得到多条幸存路径下的LDPC中间比特序列；

步骤S23：计算得到各LDPC中间比特的对数似然比：

其中：LLR(r_n)为第n个LDPC中间比特的对数似然比，P(r_n＝0)为第n个LDPC中间比特为0的概率，P(r_n＝1)为第n个LDPC中间比特为1的概率，R_b为基于第b条幸存路径得到的LDPC中间比特序列，r_b,n为基于第b条幸存路径得到的第n个LDPC中间比特，R_b:r_b,n(R_b)＝1为r_b,n＝1的R_b的集合，R_b:r_b,n(R_b)＝0为r_b,n＝0的R_b的集合，为接收到的带噪声的m_i，m_i,b为R_b中的m_i的可能取值，σ²为信道的噪声功率。

5.一种级联Spinal码的编译码系统，其特征在于，包括：

LDPC编码器，用于使用一个高码率的LDPC外码对信源比特进行预编码生成LDPC中间比特；

Spinal编码器，与LDPC编码器连接，用于将LDPC中间比特倒序后经过Spinal编码器得到Spinal码字，并发送到无线信道；

Spinal译码器，用于从无线信道中接收设定数量的Spinal码字后进行软译码：先保留多条幸存路径，然后根据这些幸存路径计算出每个LDPC中间比特的对数似然比；

LDPC译码器，与Spinal译码器连接，用于对输入的LDPC中间比特的对数似然比进行译码得到译码后信源比特。

6.一种级联Spinal码的编译码装置，其特征在于，包括：

LDPC编码器，多个信源比特组成一帧数据包，将该帧数据包经过LDPC编码后产生多个LDPC中间比特；

Spinal编码器，与LDPC编码器连接，用于将LDPC中间比特倒序后经过Spinal编码器得到Spinal码字，并发动到无线信道；

Spinal译码器，通过无线信道与Spinal编码器连接，用于从无线信道中接收由其他编译码装置的Spinal编码器发送的设定数量的Spinal码字后进行软译码：先保留多条幸存路径，然后根据这些幸存路径计算出每个LDPC中间比特的对数似然比；

LDPC译码器，与Spinal译码器连接，用于对输入的LDPC中间比特的对数似然比进行译码得到译码后信源比特。

7.一种级联Spinal码的编码方法，其特征在于，在接收信源比特并基于信源比特生成LDPC中间比特后，将LDPC中间比特倒序后经过Spinal编码得到Spinal码字。

8.根据权利要求7所述的一种级联Spinal码的编码方法，其特征在于，具体包括：

步骤S71：接收由多个信源比特组成的一维向量，将该一维向量经过LDPC编码后产生多个LDPC中间比特；

步骤S72：以每设定个数的比特为一个数据块，把倒序后的所有LDPC中间比特分割成均分为多个数据块；

步骤S73：基于预设的哈希函数h()和已知的初始状态s₀，对数据块迭代生成多个状态，其中任意状态为：

S_i＝h(S_i-1,m_i){i＝1,2,...,N/k}

其中：S_i为第i个状态，S_i-1为第i-1个状态，h()为收发双方已知的预设的哈希函数，m_i为第i个数据块的值，N为LDPC中间比特的个数，k为每个数据块中LDPC中间比特的个数；

步骤S74：基于得到的状态经过RNG产生多组随机数作为Spinal码字，这些码字总共有L组，每组N/k个，其中各Spinal码字为：

x_i,l＝RNG(S_i,l)，(i＝1,2...N/k),(l＝1,2...L)

其中：x_i,l为第l组第i个Spinal码字，RNG()为随机数生成函数；

步骤S75：发送端把每两个相邻的Spinal码字组成一个复符号，并按顺序发送由各组Spinal码字组成的复符号直至接收端正确译码或达到最大的Spinal码字数目。