CN110311755B - 一种利用线性分组码传输额外信息的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用线性分组码传输额外信息的方法，包括下述步骤：编码时：以码长为n，信息位长度为k的线性分组码C作为负载码，用于将长度为m的额外信息序列v叠加编码为长度为n的码字c。在译码时，首先根据接收序列y对额外信息进行译码：选择特征度量函数值最大的额外信息序列作为译码输出。然后进行基本负载信息序列译码：从接收序列y中移除
Figure DDA0002106092630000011
叠加编码的干扰，再利用基本线性分组码C的译码器进行译码。本发明能够在不额外增加传输的能量、带宽开销的条件下，仅对基本负载信息译码造成可忽略影响的同时，以较低的误帧率传输少量的额外信息。

Description

一种利用线性分组码传输额外信息的方法
技术领域
本发明属于数字通信和数字存储领域，特别涉及一种利用线性分组码传输额外信息的方法。
背景技术
为了高效地进行数据调度、传输，在通信系统中，除了要传输数据信息外，还要传输控制信息。对于数据信息的传输，要求逼近信道容量，主要要求速率高。控制信息包括线路信令信息、路由信息等等，通常较短，但要求可靠性较高。现有方案为了保证控制消息较高的可靠性，使用码率较低的编码方案对控制信息进行独立传输。因此，需要额外花费能量、带宽开销来传输这些信息。现有研究主要针对混合自动重传请求(Hybrid AutomaticRepeat reQuest，HARQ)系统中接收段反馈的ACK/NACK信息，通过选择不同星座或不同编码方案实现额外传输1比特的信息。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种利用线性分组码传输额外信息的方法，在不需要额外消耗能量、带宽的情况下，将较短的额外信息嵌入基本线性分组码中进行传输。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种利用线性分组码传输额外信息的方法，包括下述步骤：
(1)以码长为n，信息位长度为k的线性分组码C作为负载码，用于将长度为m的额外信息序列v＝(v0,v1,...,vm-1)叠加编码为长度为n的码字c＝(c0,c1,...,cn-1)，编码方法具体为：
(1.1)先将长度为k的基本负载信息序列u编成线性分组码码字w＝(w0,w1,...,wn-1)＝C(u)；
(1.2)将长度为m的额外信息序列v输入序列选择器R，输出长度为n的序列s＝(s0,s1,...,sn-1)＝R(v)；
(1.3)将序列s与线性分组码码字w叠加编码得到传输码字c；
(2)对额外信息序列进行译码，具体包括：
根据关于基本线性分组码C的特征度量函数μ(i)＝fC(y,s (i))，选择额外信息序列
Figure BDA0002106092610000019
作为输出，其中
Figure BDA0002106092610000011
使得：
Figure BDA0002106092610000012
(3)对基本负载信息序列进行译码，具体包括下述步骤：
从接收序列y中移除
Figure BDA0002106092610000013
叠加编码的干扰，得到关于基本负载信息的基本线性分组码的对应接收序列
Figure BDA0002106092610000014
利用基本线性分组码C的译码器对
Figure BDA0002106092610000015
进行译码，输出基本信息序列的译码输出
Figure BDA0002106092610000016
作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，所述的码长为n，信息位长度为k的线性分组码C是任意类型的线性分组码编码器；
所述步骤(1.2)中，所述序列选择器R是指输入信息长为m，输出长度为n的任意类型的编码器；
所述步骤(1.3)中，叠加编码是指输出长度为n的序列c的第j个分量
Figure BDA0002106092610000017
其中sj和wj分别是s和w的第j个分量,0≤j≤n-1，加法运算
Figure BDA0002106092610000018
按有限群加法运算。
作为优选的技术方案，所述特征度量函数μ(i)＝fC(y,s (i))是一个输入为接收序列y和序列s(i)的关于线性分组码C的一个实值函数，表示接收序列y关于陪集
Figure BDA0002106092610000021
的一种似然值度量。
作为优选的技术方案，所述特征度量函数fC采用如下计算方法：
从接收序列y计算硬判决序列r，通过从r移除序列s (i)的干扰得到序列
Figure BDA0002106092610000022
再计算
Figure BDA0002106092610000023
关于线性分组码的伴随式的汉明重量W(i)，最后将n-k-W(i)作为函数fc的输出；
所述硬判决序列r表示为r＝(r0,r1,L,rn-1)，r中的各个分量按以下方法计算：
Figure BDA0002106092610000024
从硬判决序列r移除序列s (i)的干扰得到序列
Figure BDA0002106092610000025
是指
Figure BDA0002106092610000026
中的各个分量按以下方法计算：
Figure BDA0002106092610000027
其中，减法运算“-”是按有限群减法运算；
所述线性分组码的伴随式的汉明重量W(i)的计算方法为：
Figure BDA0002106092610000028
其中，H是线性分组码C的校验矩阵，HT表示矩阵H的转置，乘法“·”是关于二进制域的矩阵乘法，WH(g)是汉明重量函数，输出自变量序列中非零元素的个数。
作为优选的技术方案，其中特征度量函数fC采用如下计算方法：
从接收序列y计算对数似然比序列z，通过从z移除序列s (i)的干扰得到序列
Figure BDA0002106092610000029
再计算
Figure BDA00021060926100000210
关于线性分组码的似然函数η(i)，最后将η(i)作为函数fC的输出；
所述序列z表示为z＝(z0,z1,L,zn-1)，z中的各个分量按以下方法计算：
Figure BDA00021060926100000211
从序列z移除序列s (i)的干扰得到序列
Figure BDA00021060926100000212
是指
Figure BDA00021060926100000213
中的各个分量按以下方法计算：
Figure BDA00021060926100000214
作为优选的技术方案，所述线性分组码的似然函数η(i)的计算包括以下方法：
Figure BDA00021060926100000215
其中，m是性分组码C的校验矩阵H的行数，hpq是H的第p行第q列的元素。
作为优选的技术方案，所述线性分组码的似然函数η(i)的计算包括以下方法：将
Figure BDA00021060926100000216
输入到线性分组码C的一个译码器D，输出译码序列为
Figure BDA00021060926100000217
再计算
Figure BDA00021060926100000218
作为传输序列的对数似然函数
Figure BDA00021060926100000219
其中，译码器D线性分组码C的任意类型的软输入译码器。
作为优选的技术方案，所述步骤(3.1)中，从接收序列y中移除
Figure BDA00021060926100000220
叠加编码的干扰，得到关于基本负载信息的线性分组码C的对应接收序列
Figure BDA00021060926100000221
是指计算
Figure BDA00021060926100000222
的第j个分量
Figure BDA00021060926100000223
的软信息为：
Figure BDA00021060926100000224
其中
Figure BDA00021060926100000225
是
Figure BDA00021060926100000226
的第j个分量，其中0≤j≤n-1。
作为优选的技术方案，所述步骤(3.2)中，基本线性分组码C的译码器是指任意类型的线性分组码译码器。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明通过采用线性码作为基本码对基本负载信息序列进行编码，用序列选择器对额外信息编码并叠加编码到基本线性分组码上。使得在不产生额外的传输能量、带宽开销的条件下，实现额外信息序列的传输。而在额外信息译码时，由于额外信息序列的比特数较少，可通过遍历搜索的方式进行译码，具有较高的可靠性。通过移除额外信息序列叠加编码的影响，再对基本信息序列进行线性分组码的译码，在信噪比较高时，额外比特的传输对基本线性分组的译码性能的影响可忽略。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细叙述。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的编码框图。
图3为本发明实施例中额外信息序列译码的误帧率性能图。
图4为本发明实施例中基本负载信息序列译码的误比特率性能图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，本实施例利用线性分组码传输额外信息的方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)基于码长为n，信息位长度为k的线性分组码C作为负载码，用于将长度为m的额外信息序列v＝(v0,v1,...,vm-1)叠加编码为长度为n的码字c＝(c0,c1,...,cn-1)，编码方法具体为：
(1.1)先将长度为k的基本负载信息序列u编成线性分组码码字w＝(w0,w1,...,wn-1)＝C(u)；
(1.2)将长度为m的额外信息序列v输入序列选择器R，输出长度为n的序列s＝(s0,s1,...,sn-1)＝R(v)；
(1.3)将序列s与线性分组码码字w叠加编码得到传输码字c；
(2)对额外信息序列进行译码，具体包括：
根据关于基本线性分组码C的特征度量函数μ(i)＝fC(y,s(i))，选择额外信息序列
Figure BDA0002106092610000031
作为输出，其中
Figure BDA0002106092610000032
使得：
Figure BDA0002106092610000033
所述特征度量函数μ(i)＝fC(y,s (i))是一个输入为接收序列y和序列s (i)的关于线性分组码C的一个实值函数，表示接收序列y关于陪集
Figure BDA0002106092610000034
的一个似然值度量。
(3)对基本负载信息序列进行译码，具体包括下述步骤：
从接收序列y中移除
Figure BDA0002106092610000035
叠加编码的干扰，得到关于基本负载信息的基本线性分组码的对应接收序列
Figure BDA0002106092610000036
利用基本线性分组码C的译码器对
Figure BDA0002106092610000037
进行译码，输出基本信息序列的译码输出
Figure BDA0002106092610000038
下面结合具体的应用对本发明的方案做进一步的阐述：
使用PEG(progressive edge growth)方法构造的码长为8064，信息位长度为4032的(3,6)-规则LDPC码为基本码，通过BPSK(binary phase-shift keying)调制，在AWGN(additive white Gaussian noise)信道下进行传输。分别设置额外信息序列长度为m＝5和m＝10。也就是说，每个码长为8064的序列中，包含了4032比特经过LDPC码编码的基本负载信息，以及5或10比特随机叠加编码的额外信息。编码时，如图2所示，使用伪随机数发生器构造大小为m×n的二进制矩阵G作为生成矩阵作为序列选择的编码生成矩阵，叠加编码采用逐比特模2运算。在额外信息序列译码时，分别特征度量函数选择额外信息的译码输出。在基本负载信息序列译码时，采用LDPC码的软判决的和积算法，迭代次数为50次。
本实施例采用硬判决的方式来实现，具体为：
所述特征度量函数fC采用如下计算方法：
从接收序列y计算硬判决序列r，通过从r移除序列s (i)的干扰得到序列
Figure BDA0002106092610000041
再计算
Figure BDA0002106092610000042
关于线性分组码的伴随式的汉明重量W(i)，最后将n-k-W(i)作为函数fC的输出；
所述硬判决序列r表示为r＝(r0,r1,L,rn-1)，r中的各个分量按以下方法计算：
Figure BDA0002106092610000043
从硬判决序列r移除序列s (i)的干扰得到序列
Figure BDA0002106092610000044
是指
Figure BDA0002106092610000045
中的各个分量按以下方法计算：
Figure BDA0002106092610000046
其中，减法运算“-”是按有限群减法运算；
所述线性分组码的伴随式的汉明重量W(i)的计算方法为：
Figure BDA0002106092610000047
其中，H是线性分组码C的校验矩阵，HT表示矩阵H的转置，乘法“·”是关于二进制域的矩阵乘法，WH(g)是汉明重量函数，输出自变量序列中非零元素的个数。
如图3所示，可见额外信息序列长度为m＝5和m＝10，使用本发明提出的利用二元LDPC码的传输额外信息的方法能可靠地传输额外信息序列。统计所得，对于所采用的硬判决，当m＝10时，在SNR＝0.5dB处，额外信息序列的误帧率达到10-5，在SNR＝1dB处仿真帧数达到5×106仍没有发现额外信息序列译码错误；当m＝5时，在SNR＝0.5dB处，额外信息序列的误帧率达到4.2×10-7，在SNR＝1dB处仿真帧数达到2×107仍没有发现额外信息序列译码错误。
如图4所示，可见用硬判决译额外信息序列长度为m＝5时，使用本发明提出的利用二元LDPC码的传输额外信息的方法在较高信噪比时，达到传输额外信息的同时对基本负载信息序列的译码的影响可忽略。统计所得，当SNR不小于0dB时，使用本发明提出的方法对基本LDPC码的译码误比特率曲线与无传输额外信息时LDPC码译码的误比特率曲线基本重合。
实施例2
本实施例2除了下述技术特征之外，其它技术方案与实施例1相同，即本实施例2采用软判决的方式实现，具体为：
特征度量函数fC包括如下计算方法：
从接收序列y计算对数似然比(log-likelihood ratio,LLR)序列z，通过从z移除序列s (i)的干扰得到序列
Figure BDA0002106092610000048
再计算
Figure BDA0002106092610000049
关于线性分组码的似然函数η(i)，最后将η(i)作为函数fC的输出。
所述序列z表示为z＝(z0,z1,L,zn-1)，z中的各个分量按以下方法计算：
Figure BDA00021060926100000410
从序列z移除序列s (i)的干扰得到序列
Figure BDA00021060926100000411
是指
Figure BDA00021060926100000412
中的各个分量按以下方法计算：
Figure BDA0002106092610000051
所述线性分组码的似然函数η(i)的计算包括以下方法：
Figure BDA0002106092610000052
其中，m是性分组码C的校验矩阵H的行数，hpq是H的第p行第q列的元素。
对于本实施例2的计算方法(即软判决)，相比于硬判决有更好的误帧率性能。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用线性分组码传输额外信息的方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)以码长为n，信息位长度为k的线性分组码C作为负载码，该负载码用于将长度为m的额外信息序列v＝(v0,v1,...,vm-1)叠加编码为长度为n的码字c＝(c0,c1,...,cn-1)，编码方法具体为：
(1.1)先将长度为k的基本负载信息序列u编成线性分组码码字w＝(w0,w1,...,wn-1)＝C(u)；
(1.2)将长度为m的额外信息序列v输入序列选择器R，输出长度为n的序列s＝(s0,s1,...,sn-1)＝R(v)；
(1.3)将序列s与线性分组码码字w叠加编码得到传输码字c；
(2)对额外信息序列进行译码，具体包括：
根据关于基本线性分组码C的特征度量函数μ(i)＝fC(y,s(i))，选择额外信息序列
Figure FDA00025832884600000117
作为输出，其中
Figure FDA0002583288460000011
使得：
Figure FDA0002583288460000012
所述特征度量函数μ(i)＝fC(y,s (i))是一个输入为接收序列y和序列s (i)的关于线性分组码C的一个实值函数，表示接收序列y关于陪集
Figure FDA0002583288460000013
的一种似然值度量；
(3)对基本负载信息序列进行译码，具体包括下述步骤：
(3.1)从接收序列y中移除
Figure FDA0002583288460000014
叠加编码的干扰，得到关于基本负载信息的基本线性分组码的对应接收序列
Figure FDA0002583288460000015
(3.2)利用基本线性分组码C的译码器对
Figure FDA0002583288460000016
进行译码，输出基本信息序列的译码输出
Figure FDA0002583288460000017
2.根据权利要求1所述利用线性分组码传输额外信息的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述的码长为n，信息位长度为k的线性分组码C是任意类型的线性分组码编码器；
所述步骤(1.2)中，所述序列选择器R是指输入信息长为m，输出长度为n的任意类型的编码器；
所述步骤(1.3)中，叠加编码是指输出长度为n的序列c的第j个分量
Figure FDA0002583288460000018
其中sj和wj分别是s和w的第j个分量,0≤j≤n-1，加法运算
Figure FDA0002583288460000019
按有限群加法运算。
3.根据权利要求1所述利用线性分组码传输额外信息的方法，其特征在于，所述特征度量函数fc采用如下计算方法：
从接收序列y计算硬判决序列r，通过从r移除序列s (i)的干扰得到序列
Figure FDA00025832884600000110
再计算
Figure FDA00025832884600000111
关于线性分组码的伴随式的汉明重量W(i)，最后将n-k-W(i)作为函数fc的输出；
所述硬判决序列r表示为r＝(r0,r1,...,rn-1)，r中的各个分量按以下方法计算：
Figure FDA00025832884600000112
从硬判决序列r移除序列s (i)的干扰得到序列
Figure FDA00025832884600000113
是指
Figure FDA00025832884600000114
中的各个分量按以下方法计算：
Figure FDA00025832884600000115
其中，减法运算“-”是按有限群减法运算。
4.根据权利要求3所述利用线性分组码传输额外信息的方法，其特征在于，所述线性分组码的伴随式的汉明重量W(i)的计算方法为：
Figure FDA00025832884600000116
其中，H是线性分组码C的校验矩阵，HT表示矩阵H的转置，乘法“·”是关于二进制域的矩阵乘法，WH(·)是汉明重量函数，输出自变量序列中非零元素的个数。
5.根据权利要求1所述利用线性分组码传输额外信息的方法，其特征在于，其中特征度量函数fc采用如下计算方法：
从接收序列y计算对数似然比序列z，通过从z移除序列s (i)的干扰得到序列
Figure FDA0002583288460000021
再计算
Figure FDA0002583288460000022
关于线性分组码的似然函数η(i)，最后将η(i)作为函数fC的输出；
所述序列z表示为z＝(z0,z1,...,zn-1)，z中的各个分量按以下方法计算：
Figure FDA0002583288460000023
从序列z移除序列s (i)的干扰得到序列
Figure FDA0002583288460000024
是指
Figure FDA0002583288460000025
中的各个分量按以下方法计算：
Figure FDA0002583288460000026
6.根据权利要求5所述利用线性分组码传输额外信息的方法，其特征在于，所述线性分组码的似然函数η(i)的计算包括以下方法：
Figure FDA0002583288460000027
其中，m是性分组码C的校验矩阵H的行数，hpq是H的第p行第q列的元素。
7.根据权利要求5所述利用线性分组码传输额外信息的方法，其特征在于，所述线性分组码的似然函数η(i)的计算包括以下方法：将
Figure FDA0002583288460000028
输入到线性分组码C的一个译码器D，输出译码序列为
Figure FDA0002583288460000029
再计算
Figure FDA00025832884600000210
作为传输序列的对数似然函数
Figure FDA00025832884600000211
其中，译码器D为线性分组码C的任意类型的软输入译码器。
8.根据权利要求1所述利用线性分组码传输额外信息的方法，其特征在于，所述步骤(3.1)中，从接收序列y中移除
Figure FDA00025832884600000212
叠加编码的干扰，得到关于基本负载信息的线性分组码C的对应接收序列
Figure FDA00025832884600000213
是指计算
Figure FDA00025832884600000214
的第j个分量
Figure FDA00025832884600000215
的软信息为：
Figure FDA00025832884600000216
其中
Figure FDA00025832884600000217
是
Figure FDA00025832884600000218
的第j个分量，其中0≤j≤n-1。
9.根据权利要求1所述利用线性分组码传输额外信息的方法，其特征在于，所述步骤(3.2)中，基本线性分组码C的译码器是指任意类型的线性分组码译码器。
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