CN109889208A - Navdat中基于归一化最小和算法的ldpc信道译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种NAVDAT中基于归一化最小和算法的LDPC信道译码方法，该方法包括如下步骤：(1)在NAVDAT接收端译码时，把信道信息的对数似然比赋值给变量节点进行初始化；(2)采用基于归一化最小和算法的译码方法对校验节点进行更新；(3)对判决信息节点的软信息概率对数似然比进行更新；(4)判断译码是否成功；(5)更新变量节点信息；本发明充分利用了具有双对角线结构的校验矩阵的母矩阵的特性，在保证译码性能的同时，采用基于归一化最小和算法的LDPC译码方法，可以非常有效地简化译码的复杂度，进一步提高译码效率，使其在实际应用中更具备优势。

Description

NAVDAT中基于归一化最小和算法的LDPC信道译码方法

技术领域

本发明涉及一种无线移动数字通信系统的译码方法，是基于归一化最小和算法的LDPC信道译码方法，复杂度低，一种应用于NAVDAT(Navigational Data、导航数据)数字通信系统中的译码方法。

背景技术

NAVDAT数字通信系统是一种新型的岸基海上通信系统，它采用最新数字传输技术，在500KHz频段播发船-岸海上安全信息和航海保障相关信息，以支持GMDSS现代化的业务。NAVDAT通过播发消息、文本、文件或图像，实现海图改正信息等航行相关安全信息的快速推送，并实现与船舶信息系统的无缝连接。该数字通信系统为各种类型的消息提供了广播传输服务，并且具有加密性，可以为从岸基到船舶的信息广播实现高速的数据传输以提高操作效率和航海安全。

数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码，从而使接收端产生图像跳跃、不连续、出现马赛克等现象。所以通过信道译码这一环节，对数码流进行相应的处理，通过使用具有优异性能的译码技术，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，可极大地避免码流传送中误码的发生。

要使NAVDAT数字通信系统物理层达到可靠接收离不开高性能译码器。目前信道编译码技术的种类有很多，例如卷积码、Turbo码、交织码等等。而LDPC码是麻省理工学院Robert Gallager于1963年在博士论文中提出的一种具有稀疏校验矩阵的分组纠错码，它的性能逼近香农容量，几乎适用于所有的信道，因此成为编码界近年来的研究热点。

LDPC是一种比较新的信道编码技术，它的译码算法是一种基于稀疏矩阵的并行迭代译码算法，运算量要低于Turbo码等译码算法，并且由于结构并行的特点，在硬件实现上比较容易，因此在大容量通信应用中，LDPC码更具有优势；LDPC码的码率可以任意构造，有更大的灵活性，而Turbo码只能通过打孔来达到高码率，这样打孔图案的选择就需要十分慎重的考虑，否则会造成性能上较大的损失；LDPC码具有更低的错误平层，可以应用于有线通信、深空通信以及磁盘存储工业等对误码率要求更加苛刻的场合。LDPC的实现方法已经非常成熟，因此，在NAVDAT数字通信系统中采用LDPC编译码算法是非常可取的。

目前已有的LDPC译码算法有很多种，并且大都是在置信转播(BeliefPropagation,BP)译码算法的基础上进行的优化。包括最小和算法、归一化的最小和算法、偏置算法等等，优化后的算法结构简单，适用于实际FPGA中实现。我们采用的归一化的最小和算法，抛弃了复杂的校验节点更新的方法，而是用最小值代替，并且乘以一个补偿值，在保证译码性能的同时，使得计算复杂度大大降低，易于实际实现。

发明内容

本发明的目的是针对海岸到近海船舶信道特点，提供一种NAVDAT中基于归一化最小和算法的LDPC信道译码方法，该方法可以以较低的实现复杂度最大程度的恢复传输数据。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

本发明公开了一种NAVDAT中基于归一化最小和算法的LDPC译码方法，具体包括如下步骤：

(1)在NAVDAT接收端译码时，把信道信息的对数似然比赋值给变量节点进行初始化：

令L(c_i)＝2y_i/σ²，其中，c_i为第i个码元，L(c_i)为译码器输入的信道信息，y_i为接收到的数据，σ²为噪声方差，译码开始时把各个信道信息赋值到各对应的所有变量节点进行初始化，直接用L(c_i)参与变量节点的更新。

(2)采用基于归一化最小和结构的译码算法对校验节点进行更新：

(2.1)最小和(min-sum)算法本质是BP算法的简化，和BP算法的不同主要在于，在校验节点信息更新的时候，进行了用最小值代替的简化，但最小和算法将降低性能，可在该算法基础上进行修正，来获得接近BP算法的性能。

基于该思想，校验节点的信息更新为：

其中i表示第i个校验节点，j表示第j个变量节点，K(j)表示与第i个校验节点相连的变量节点j的集合，i'表示在K(j)中除去当前要更新的校验节点对应序号后的集合，L₁(r_ji)为校验节点信息，α_i'j为各变量节点向校验节点提供的信息的正负符号，β_i'j为各变量节点向校验节点提供的信息的绝对值。

(2.2)由于最小和算法在校验节点的更新时，幅值比标准BP算法大，因此对步骤(2.1)得到的L₁(r_ji)乘以一个小于1的数，得到归一化后的校验节点信息L(r_ji)。

(3)对判决信息节点的软信息概率对数似然比进行更新：

根据式即把当前判决信息节点c_i的对数似然比L(c_i)与该节点对应的所有校验节点信息相加，得到更新后的判决信息节点的对数似然比L(Q_i)。此时根据L(Q_i)进行硬判决可以得到本次迭代的译码结果。更新完成后，为了便于下一步判断译码是否成功，将该信息节点对应的所有校验节点位置全部存储累加结果L(Q_i)。

(4)判断译码是否成功：

令为c_i的估计值，H为校验矩阵，C＝[c₁,…,c_N]^T为判决码字向量，要满足约束条件假如H的每一行与译码结果相乘都为0，则为译码正确结果，迭代结束，输出译码结果；否则，如迭代次数未超过设定的最大次数，则继续更新变量节点和校验节点的信息；如迭代到最大次数就结束译码。

(5)更新变量节点信息：

如果本次译码迭代失败，则进行各变量节点信息的更新。L(q_ij)＝L(Q_i)-L(r_ji)，其中，L(q_ij)为变量节点向校验节点传递的信息概率对数似然比，L(r_ji)为校验节点向变量节点传递的信息概率对数似然比，L(Q_i)为判决信息节点的信息概率对数似然比。通过上述公式的计算得到更新后的变量节点信息。

进一步地，所述NAVDAT系统的LDPC信道译码方法，用归一化最小和算法对校验节点更新时，对概率信息幅值乘以0.75进行归一化来保证译码性能。

进一步地，所述LDPC信道译码方法，设置译码迭代次数为10次。

进一步地，所述NAVDAT系统译码序列长度为5120，码率为1/2和3/4。1/2和3/4码率的生成矩阵母矩阵分别为：

1/2码率：

3/4码率：

本发明具有的有益效果是：充分考虑海岸到近海船舶信道特点，设计特定的LDPC信道译码方式；LDPC码具有逼近香农容量的优异特性，归一化最小和算法的译码方法以及并行的译码结构简化了译码实现的复杂度，硬件上实现比较容易；LDPC码的码率可以任意构造，有比较大的灵活性；LDPC码具有更低的错误平层，可以应用于有线通信、深空通信以及磁盘存储工业等对误码率要求更加苛刻的场合。信道编译码的使用，进一步提高信息传输的可靠性。

附图说明

图1是1/2码率采用的校验母矩阵的示意图；

图2是3/4码率采用的校验母矩阵的示意图；

图3是判决译码是否成功过程图；

图4是译码流程图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案和优点变得更加清晰，接下来将结合附图对技术方案的具体实施方式作更加详细地说明：

NAVDAT数字通信系统中为了满足多种调制下实现多种码率的传输，我们规定码长为5120，码率为1/2和3/4，其校验矩阵母矩阵具体形式如图1和2所示。LDPC的校验矩阵是稀疏矩阵，给出的校验矩阵是母矩阵，矩阵中每一个数字代表一个L×L的矩阵，-1表示全零矩阵，0表示为单位矩阵，p表示单位矩阵向右移位p位所得到的置换矩阵，该系统中我们采用的L长度为160，即母矩阵中每一个数字代表了一个160×160的矩阵。

本发明针对海岸到近海船舶广播信道特点，提出一种NAVDAT中基于归一化最小和算法的LDPC信道译码方法，该方法可以充分利用LDPC译码的优异特性进一步提高信道传输的安全性，具体包括如下步骤：

1、在NAVDAT接收端译码时，把信道信息的对数似然比赋值给变量节点进行初始化

令L(c_i)＝2y_i/σ²，其中，c_i为第i个码元，L(c_i)为译码器输入的信道信息，y_i为接收到的数据，σ²为噪声方差，译码开始时把各个信道信息赋值到各对应的所有变量节点进行初始化，直接用L(c_i)参与变量节点的更新。如图4译码流程图步骤1所示。

2、采用基于归一化最小和结构的译码算法对校验节点进行更新

最小和(min-sum)算法本质是BP算法的简化，和BP算法的不同主要在于，在校验节点信息更新的时候，进行了用最小值代替的简化，但最小和算法将降低性能，可在该算法基础上进行修正，来获得接近BP算法的性能。

基于该思想，校验节点的信息更新为：

其中i表示第i个校验节点，j表示第j个变量节点，K(j)表示与第i个校验节点相连的变量节点j的集合，i'表示在K(j)中除去当前要更新的校验节点对应序号后的集合，L₁(r_ji)为校验节点信息，α_i'j为各变量节点向校验节点提供的信息的正负符号，β_i'j为各变量节点向校验节点提供的信息的绝对值。

如果我们为了降低复杂度，仅采用比较器，而省略补偿函数，这就是最小和(min-sum)算法。最小和算法具有最少的运算量，符号的相乘可以用XOR运算代替。这种简化的译码算法不需要任何信道信息，可以减小信道估计误差对于译码结果带来性能的损失。然而由于最小和算法在校验节点的更新时，幅值比标准BP算法大，因此可以对L₁(r_ji)乘以一个0.75的值进行校正得到L(r_ji)，即为归一化最小和算法，从而保证了译码性能。如图4译码流程图步骤2所示。

3、对判决信息节点的软信息概率对数似然比进行更新根据式即把当前判决信息节点c_i的对数似然比L(c_i)与该节点对应的所有校验节点信息相加，得到更新后的判决信息节点的对数似然比L(Q_i)。即图4译码流程图所示的更新L(Q_i)步骤。此时根据L(Q_i)进行硬判决可以得到本次迭代的译码结果。更新完成后，为了便于下一步判断译码是否成功，将该信息节点对应的所有校验节点位置全部存储累加结果L(Q_i)。

4、判断译码是否成功

令为c_i的估计值，H为校验矩阵，C＝[c₁,…,c_N]^T为判决码字向量，要满足约束条件假如H的每一行与译码结果相乘都为0，则为译码正确结果，迭代结束，输出译码结果；否则，如迭代次数未超过设定的最大次数，则继续更新变量节点和校验节点的信息；如迭代到最大次数就结束译码。过程图如图3所示。这里我们设置迭代次数为10次，既能保证译码的效率，又保证了译码的性能。

例如，我们有如下校验矩阵：

当c＝(0,0,0,0,0,0,0,0,0,0)^T时，显然H·C＝0。所以全零码字为该矩阵的一个码字；

当c＝(1,1,0,0,0,1,1,0,0,0)^T时，显然H的第一行非零位置为1,2,3,4，对应在c中的比特为1,1,0,0，这4个比特相加为0，所以H第一行与c相乘为0；同样，H的第一行非零位置为1,5,6,7，对应在c中的bit为1,0,1,1，这4个比特相加为1，所以H第二行与c相乘为1，所以判定该码字不是该矩阵的编码码字。

5、更新变量节点信息

如果本次译码迭代失败，则进行各变量节点信息的更新。L(q_ij)＝L(Q_i)-L(r_ji)，其中，L(q_ij)为变量节点向校验节点传递的信息概率对数似然比，L(r_ji)为校验节点向变量节点传递的信息概率对数似然比，L(Q_i)为判决信息节点的信息概率对数似然比。通过上述公式的计算得到更新后的变量节点信息。

LDPC码具有逼近香农容量的优异特性，它的中长码的性能在编码方案中占据一定优势，LDPC也成为了5G中移动宽带(Enhance Mobile Broadband，eMBB)业务数据信息的长码块编译码方案。在NAVDAT数字通信系统中，多使用中长码进行传输，LDPC编译码就具有很大的性能优势。LDPC的码率可以任意构造，同样的码率，其校验母矩阵H的大小一致，只要构造不同的母矩阵大小就可以构造不同码率。因此，实际应用中，可以选择任意的码率模式进行传输，灵活性强。在校验节点的更新中，采用的是归一化的最小和方法，它简化了置信传播算法中复杂的校验节点更新公式，这种方法在保证译码性能的基础上降低了实际实现的复杂度。在NAVDAT数字通信系统中，LDPC的使用可以在保证实现复杂度低的基础上进一步提高信息传输的可靠性。

本发明是一种应用于NAVDAT数字通信系统中的基于归一化最小和算法的LDPC信道译码方法。针对海岸到近海船舶广播信道特点实现的一种信道译码方法，我们要求将作为发明进行保护。以上所述仅为特定应用场合的具体实施方式，但本发明的真实精神和范围不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员可以修改、等同替换、改进等，实现不同应用场合的信道译码方法。本发明由权利要求书及其等效技术方案来限定。

Claims (4)

1.一种NAVDAT中基于归一化最小和算法的LDPC信道译码方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)在NAVDAT接收端译码时，把信道信息的对数似然比赋值给变量节点进行初始化：

令L(c_i)＝2y_i/σ²，其中，c_i为第i个码元，L(c_i)为译码器输入的信道信息，y_i为接收到的数据，σ²为噪声方差，译码开始时把各个信道信息赋值到各对应的所有变量节点进行初始化；

(2)采用基于归一化最小和结构的译码算法对校验节点进行更新：

(2.1)校验节点的信息更新为：

其中i表示第i个校验节点，j表示第j个变量节点，K(j)表示与第i个校验节点相连的变量节点j的集合，i'表示在K(j)中除去当前要更新的校验节点对应序号后的集合，L₁(r_ji)为校验节点信息，α_i'j为各变量节点向校验节点提供的信息的正负符号，β_i'j为各变量节点向校验节点提供的信息的绝对值；

(2.2)由于最小和算法在校验节点的更新时，幅值比标准BP算法大，因此对步骤(2.1)得到的L₁(r_ji)乘以一个小于1的数；得到归一化后的校验节点信息L(r_ji)；

(3)对判决信息节点的软信息概率对数似然比进行更新：

根据式其中M(i)为与第j个变量节点相连的校验节点i的集合，把当前判决信息节点c_i的对数似然比L(c_i)与该节点对应的所有校验节点信息相加，得到更新后的判决信息节点的对数似然比L(Q_i)；此时根据L(Q_i)进行硬判决可以得到本次迭代的译码结果；更新完成后，为了便于下一步判断译码是否成功，将该判决信息节点对应的所有校验节点位置全部更新为L(Q_i)；

(4)判断译码是否成功：

令为c_i的估计值，H为校验矩阵，C＝[c₁,…,c_N]^T为判决码字向量，要满足约束条件假如H的每一行与译码结果相乘都为0，则为译码正确结果，迭代结束，输出译码结果；否则认为本次译码迭代失败，进行迭代次数的判断；如迭代次数未超过设定的最大次数，则继续更新变量节点和校验节点的信息；如迭代到最大次数就结束译码；

(5)更新变量节点信息：

如果本次译码迭代失败，则进行各变量节点信息的更新，L(q_ij)＝L(Q_i)-L(r_ji)，其中，L(q_ij)为变量节点向校验节点传递的信息概率对数似然比，L(r_ji)为校验节点向变量节点传递的信息概率对数似然比，L(Q_i)为判决信息节点的信息概率对数似然比；通过上述公式的计算得到更新后的变量节点信息；返回步骤(2)。

2.根据权利要求1所述的一种NAVDAT中基于归一化最小和算法的LDPC信道译码方法，其特征在于，所述的步骤(2.2)用归一化最小和算法对校验节点更新时，对概率信息幅值乘以0.75进行归一化来保证译码性能。

3.根据权利要求1所述的一种NAVDAT中基于归一化最小和算法的LDPC信道译码方法，其特征在于，设置译码迭代次数为10次。

4.根据权利要求1所述的一种NAVDAT中基于归一化最小和算法的LDPC信道译码方法，其特征在于，所述NAVDAT系统译码序列长度为5120，码率为1/2和3/4；1/2和3/4码率的生成矩阵母矩阵分别为：

1/2码率：

3/4码率：