CN110198201A

CN110198201A - 一种分层的rcm译码方法和系统

Info

Publication number: CN110198201A
Application number: CN201910262264.7A
Authority: CN
Inventors: 鲁放; 董燕; 于博
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2019-04-02
Publication date: 2019-09-03

Abstract

本发明公开了一种分层的RCM译码方法，属于速率自适应无线通信技术领域。本发明技术方案具体为：将准循环RCM映射矩阵视为M_b个水平层的串联，在每一次迭代过程中，译码器从上到下依次译码M_b个水平层，每一层的q个符号节点由q个符号节点单元SNU并行处理，每一层更新的后验概率值APP会被垂直传递到属于相同变量节点的所有其他未处理层。本发明还实现了一种分层的RCM译码系统。本申请方法能加快译码的收敛速度并且能够节省硬件实现中的内存开销，相比于传统的RCM译码方法，采用本发明技术方案能够设计出具有更高译码吞吐率的RCM译码器，从而推动RCM在无线通信系统中的应用。

Description

一种分层的RCM译码方法和系统

技术领域

本发明属于速率自适应无线通信技术领域，更具体地，涉及一种分层的RCM译码方法和系统。

背景技术

在无线传输系统中，为了提高时变信道下的频谱效率，需要根据信道条件进行传输速率的自适应调节，从而在保证信息可靠传输的前提下尽可能地提高信息传输速率。基于RCM技术设计的速率自适应传输系统，无需准确、及时的信道状态信息，即可实现无缝平滑的盲速率自适应传输，且可以在很大的信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)范围内获得贴近信道容量的频谱效率。

基于RCM实现的速率自适应的基本原理为：发送端对信息比特进行RCM编码后生成一定数量的RCM编码符号，并将其中部分编码符号经过无线信道发送给接收端；接收端尝试利用接收的符号进行译码，并将译码结果反馈给发送端；如果译码成功，本次传输结束；如果译码失败，那么发送端将补发部分编码符号；接收端再累积所有接收的符号进行译码并反馈译码结果，由于参与译码的符号数量增加，译码成功的概率将随之增大；如此往复，直至接收端译码成功或者达到最大传输符号数为止。无线信道条件越好，接收端成功译码所需的符号数越少，系统的传输效率越高；反之，传输效率越低。

RCM使用一个稀疏映射矩阵对信息比特进行加权求和后得到编码符号，使用基于Tanner图的置信传播(Belief Propagation，BP)算法进行迭代译码。传统的RCM-BP译码算法收敛速度太慢，且需要存储每次参加更新的所有节点的信息，内存开销过大，限制了RCM在高速无线通信中的应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种分层的RCM译码方法和系统，其目的在于将RCM的符号节点分为多个水平层，在每一次迭代中，同一层中的符号节点并行处理，不同层之间从上到下依次处理。由于最近的迭代信息可以被立即用于接下来各层的处理，本发明提出的方法能加快译码的收敛速度并且能够节省硬件实现中的内存开销。

为实现上述目的，本发明提供了一种分层的RCM译码方法，所述方法具体为：将准循环RCM映射矩阵视为M_b个水平层的串联，在每一次迭代过程中，译码器从上到下依次处理M_b个水平层，每一层的q个符号节点由q个符号节点单元SNU并行处理，每一层更新的后验概率值APP会被垂直传递到属于相同变量节点的所有其他未处理层。

进一步地，所述方法具体包括以下步骤：

(1)在第t次迭代的第m层中，变量节点x_i传递给符号节点s_j的信息值由上一次迭代中的符号节点s_j传递给变量节点x_i的信息值与上一层中的APP值计算得到：

(2)定义

其中，表示与符号节点s_j相邻的变量节点的集合，表示集合去除变量节点x_i所构成的新集合；w_i'j表示第i′个变量节点x_i'与第j个符号节点s_j相连边的权重值；w_i'jx_i'表示第i′个变量节点的加权；

则s_j\i的概率密度函数表示为：

其中，(*)表示概率密度函数的卷积；P(w_i'jx_i')表示加权变量w_i'jx_i'的概率密度分布；加权变量w_i'jx_i'的概率密度分布表示为P(w_i'jx_i'＝w_ij)＝1；

(3)符号节点s_j传递给变量节点x_i的信息值为：

其中，表示接收端接收到的符号；P_e表示信道噪声的概率密度分布；K表示编码符号节点所有取值的集合；

(4)与s_j相连的变量节点的APP值更新为：

(5)m＝m+1；若m＜M_b，则直接返回步骤(1)进入下一层；若m＝M_b，则返回步骤(1)进入下一次迭代。

进一步地，所述初始的符号节点传递给变量节点的信息值设为0。

进一步地，所有变量节点的初始APP值为预设值。

按照本发明的另一方面，本发明提供了一种分层的RCM译码系统，所述系统具体用于，将准循环RCM映射矩阵视为M_b个水平层的串联，在每一次迭代过程中，译码器从上到下依次处理M_b个水平层，每一层的q个符号节点由q个符号节点单元SNU并行处理，每一层更新的后验概率值APP会被垂直传递到属于相同变量节点的所有其他未处理层。

进一步地，所述系统包括依次运行的以下模块：

第一模块，用于实现以下功能：

在第t次迭代的第m层中，变量节点x_i传递给符号节点s_j的信息值由上一次迭代中的符号节点s_j传递给变量节点x_i的信息值与上一层中的APP值计算得到：

第二模块，用于实现以下功能：

定义

则s_j\i的概率密度函数表示为：

第三模块，用于实现以下功能：

符号节点s_j传递给变量节点x_i的信息值为：

第四模块，用于实现以下功能：

与s_j相连的变量节点的APP值更新为：

第五模块，用于实现以下功能：

m＝m+1；若m＜M_b，则直接返回第一模块进入下一层；若m＝M_b，则返回第一模块进入下一次迭代。

进一步地，所述系统中初始的符号节点传递给变量节点的信息值设为0。

进一步地，所有变量节点的初始APP值为预设值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术特征及有益效果：

(1)由于在分层的RCM译码方法中，最新的外部信息会立即传递给后续层并由其使用，因此本发明方法能加快译码的收敛速度，在相同的SNR和迭代次数下，分层译码方法能获得比传统译码方法更好的误码率性能和频谱效率，换句话说，分层译码方法只需要进行少量的迭代就能达到和传统算法一样的性能，因此可以增加译码器的译码吞吐率；

(2)在传统的RCM译码方法中，译码器需要存储变量节点x_i传递给相邻符号节点的所有值，而在本发明的分层RCM译码方法中，译码器只需要存储一个APP值即可以计算出值，不需要额外的存储值，因此，能极大地节省硬件开销。

附图说明

图1是本发明公开的分层的RCM译码的示意图；

图2是分层的RCM译码与原始RCM译码的频谱效率性能对比示意图；

图3表示分层的RCM译码与原始RCM译码的误码率性能对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一般情况下，为了便于硬件实现，RCM采用具有准循环结构的映射矩阵Φ进行编码。一个大小为M×N的准循环矩阵Φ，由M_b×N_b个大小为q×q的加权循环移位单位矩阵构成，这里有M＝M_b×q，表示生成的RCM符号的最大数目；N＝N_b×q，表示变量节点的数目。每个加权循环移位单位矩阵的权重值从权重集W＝{w₀,w₁,...,w_ρ-1}中随机选取，因此矩阵Φ的每一行只有ρ个非0元素，且有ρ＜＜N。RCM的编码符号向量S＝(s₁,s₂,...,s_M)^T由映射矩阵Φ对信息序列X＝(x₁,x₂,...,x_N)^T进行加权求和S＝ΦX得到。RCM编码符号经过无线信道传输，接收端接收到的符号向量由得到，其中e为信道噪声向量。

如图1所示，本发明提出的分层的RCM译码方法具体为：将准循环RCM映射矩阵视为M_b个水平层的串联，在每一次迭代过程中，译码器从上到下依次处理M_b个水平层，每一层的q个符号节点由q个符号节点单元SNU并行处理，每一层更新的后验概率值APP会被垂直传递到属于相同变量节点的所有其他未处理层。

以下为分层的RCM译码方法的具体实施步骤：

(2)定义

其中，表示与符号节点s_j相邻的变量节点的集合，表示集合去除变量节点x_i所构成的新集合；w_i'_j表示第i′个变量节点x_i'与第j个符号节点s_j相连边的权重值；w_i'_jx_i'表示第i′个变量节点的加权；

则s_j\i的概率密度函数表示为：

(3)符号节点s_j传递给变量节点x_i的信息值为：

(4)与s_j相连的变量节点的APP值更新为：

以下以实施例的方式对本发明方法进行进一步的说明：

令M_b＝N_b＝8，q＝693，由此构建了一个大小为5544×5544的准循环矩阵，设其权重集W＝{±1,±2,±4,±4}。对分层的RCM译码方法进行了仿真测试，并且与原始的RCM译码方法做了对比。仿真信道为加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信道。在RCM编译码过程中，两个连续的RCM编码符号分别作为一个星座符号的I、Q分量进行传输，发送端持续地发送编码符号直到接收端成功译码。因此，图2中的频谱效率定义为成功译码的源比特与传送的符号数之比。

图2比较了分层的RCM译码方法与原始RCM译码方法的频谱效率性能，其中分层的RCM译码方法的迭代次数为5、6和10次，原始的RCM方法的迭代次数为10次。可以看出，当两种方法的迭代次数均为10次时，分层的RCM译码方法具有更高的频谱效率性能。当分层的RCM方法迭代6次时，其性能与原始RCM方法迭代10次时的性能持平甚至更好一点。

图3展示了两种方法的误码率性能，同样可以看到，分层的RCM译码方法迭代6次的性能比原始RCM方法迭代10次的性能稍好一些。因此可以得出结论，分层的RCM译码方法在不损失性能的前提下，将收敛速度提高了几乎一倍。

以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种分层的RCM译码方法，其特征在于，所述方法具体为：将准循环RCM映射矩阵视为M_b个水平层的串联，在每一次迭代过程中，译码器从上到下依次处理M_b个水平层，每一层的q个符号节点由q个符号节点单元SNU并行处理，每一层更新的后验概率值APP会被垂直传递到属于相同变量节点的所有其他未处理层。

2.根据权利要求1所述的一种分层的RCM译码方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

(2)定义s_j\i＝∑_{i'∈{N(j)\i}}w_i'jx_i'；

其中，N(j)表示与符号节点s_j相邻的变量节点的集合，N(j)\i表示集合N(j)去除变量节点x_i所构成的新集合；w_i'j表示第i′个变量节点x_i'与第j个符号节点s_j相连边的权重值；w_i' _jx_i'表示第i′个变量节点的加权；

则s_j\i的概率密度函数表示为：

P_j\i(s_j\i)＝(*)_{i'∈{N(j)\i}}(P(w_i'jx_i'))

(3)符号节点s_j传递给变量节点x_i的信息值为：

(4)与s_j相连的变量节点的APP值更新为：

3.根据权利要求2所述的一种分层的RCM译码方法，其特征在于，初始的符号节点传递给变量节点的信息值设为0。

4.根据权利要求2所述的一种分层的RCM译码方法，其特征在于，所有变量节点的初始APP值为预设值。

5.一种分层的RCM译码系统，所述系统具体用于，将准循环RCM映射矩阵视为M_b个水平层的串联，在每一次迭代过程中，译码器从上到下依次处理M_b个水平层，每一层的q个符号节点由q个符号节点单元SNU并行处理，每一层更新的后验概率值APP会被垂直传递到属于相同变量节点的所有其他未处理层。

6.根据权利要求5所述的一种分层的RCM译码系统，其特征在于，所述系统具体包括依次运行的以下模块：

第一模块，用于实现以下功能：

第二模块，用于实现以下功能：

定义s_j\i＝∑_{i'∈{N(j)\i}}w_i'jx_i'；

则s_j\i的概率密度函数表示为：

P_j\i(s_j\i)＝(*)_{i'∈{N(j)\i}}(P(w_i'jx_i'))

第三模块，用于实现以下功能：

符号节点s_j传递给变量节点x_i的信息值为：

第四模块，用于实现以下功能：

与s_j相连的变量节点的APP值更新为：

第五模块，用于实现以下功能：

7.根据权利要求6所述的一种分层的RCM译码系统，其特征在于，系统中初始的符号节点传递给变量节点的信息值设为0。

8.根据权利要求6所述的一种分层的RCM译码系统，其特征在于，所有变量节点的初始APP值为预设值。