CN112118013A - 一种适用于多进制ldpc码的高性能、低复杂度的迭代大数逻辑译码方法 - Google Patents

一种适用于多进制ldpc码的高性能、低复杂度的迭代大数逻辑译码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于多进制LDPC码的高性能、低复杂度的迭代大数逻辑译码方法。该方法主要包括三个创新点：(一)提出两个减少实现复杂度的改进方法，在计算先验可靠性度量值时把寻找两个最小值的操作简化为寻找一个最小值操作，由此把所需的比较操作降低一半且几乎不造成性能损失；其次，在计算总的可靠性度量值时将大量的整数乘法转化为极少数量的除法，大大减少乘法操作的同时也降低了可靠性度量值的比特位宽；(二)提出一种不饱和限幅的方法，通过提升其他域元素的竞争力，极大地提升了译码性能并进一步降低可靠性度量值的比特位宽；(三)针对多进制LDPC译码存储消耗巨大的问题，提出了一种部分固定的存储方法，极大地减少了对应的存储消耗。本发明提出一种有效的译码方法，在提升译码性能的同时降低了实现复杂度，具有一定的创新性。

Description

一种适用于多进制LDPC码的高性能、低复杂度的迭代大数逻 辑译码方法
技术领域
本发明涉及通信编码技术领域的译码方法，特别针对适用于多进制LDPC码的高性能、低复杂度的迭代大数逻辑译码方法。
背景技术
通信系统中，数据从发射到接收，往往存在各种各样的噪声。因此，在数据传输过程中，需要引进信道编码。
非二进制LDPC(NB-LDPC)码在中短码长、高阶调制中拥有比二进制的LDPC码更加优秀的译码性能，但是较高的译码复杂度一直是该码的应用瓶颈。为了减少其译码复杂度，许多基于置信度传播(BP)方法的优化算法被提出。其中最常用的是扩展的最小和方法(EMSA)、最小最大值方法(MMA)等。但它们相对来说仍具有很高的复杂度。
近年来，一种基于可靠性的迭代大数逻辑译码方法被提出，由于在这种译码方法的校验和处理过程中，只需要在GF(q)上进行简单的校验和计算操作，所以复杂度被大大降低。但是相对来说性能会有一些损失，同时和二进制LDPC码相比，译码复杂度仍相对较大，所以针对这种方法提升性能和降低实现复杂度仍有很大的研究空间。
发明内容
发明目的：本发明旨在针对上述问题，提供一种高性能、低复杂度的译码方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种适用于多进制LDPC码的高性能、低复杂度的迭代大数逻辑译码方法，该方法称为限幅修饰的改进的基于软信息的迭代大数逻辑译码(clipped-modified improved iterative reliability-based majority-logicdecoding，CM-IISRB)方法，具体发明内容如下：
一种适用于多进制LDPC码的高性能、低复杂度的迭代大数逻辑译码方法，此方法称作CM-IISRB方法，在IISRB方法中引入了以下三种改进方法：
1)两个减少实现复杂度的改进方法，用于保持性能同时减少比较操作和整数乘法操作。两个方法分别为：在计算先验可靠性度量值时，只从对应集合中选取最小值作为其度量，此方法将对应的比较操作数降低了一半；在计算总的可靠性度量值时，将大量对信道信息的整数乘法改为极少量对先验可靠性度量值的除法，并且降低了可靠性度量值的比特位宽。同时由于除法操作对硬件实现不大友好，整数除法可以近似为乘以一个分子分母都为2的幂次的分数，即可用简单的移位操作和加法操作实现。
2)一种不饱和限幅的方法，能够有效提升译码性能同时降低可靠性度量值的比特位宽。具体实现方法为：在限幅时，对于最大值采用特别的处理方法，即限幅前的最大值不是限幅后的最大值，而是赋予一个比最大幅度值小的值。这种不饱和限幅方法将会在初始化和迭代阶段使用，其中在初始化阶段对所有的信道信息采用该限幅方法，将所有的信道信息调整到同一个范围内。而在迭代阶段，只有可靠性度量值超过限制的最大幅度时该限幅方法才会被采用。而基于这种不饱和限幅方法，先验可靠性度量值可以进一步近似为一个常数，从而消除对应的比较操作以及所需的存储空间。
3)一种部分固定的存储方法，用于减少硬件实现时所需的存储空间，同时几乎不造成性能损失。对于每个码元符号的q维信道信息，只使用其中的nf(nf＜＜q)组。而在存储更新可靠性度量值及其对应域元素时，只更新并存储部分信息(nm组)来减少存储空间。在存储的nm组信息中，其中nf(nf＜nm)个位置是固定为上述的nf组对应信息所用，剩下nu(nu＝nm-nf)个位置由更新的其他域元素及其对应的可靠性度量值共用。并且当这些位置被占满时，剩下的被更新的域元素则不参与更新，即无需存储。从而极大程度减少存储空间。
本发明提出的译码方法，具有以下的有益效果：
本发明能在目前性能最好的同类算法的基础上进一步提升译码性能，且通过所提出的改进方法能够极大程度地降低译码的实现复杂度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明译码方法的流程示意图。
图2是本发明实施例的译码性能仿真图。
具体实施方式：
本发明，核心思路是针对改进的基于软信息的迭代大数逻辑译码(improvediterative soft reliability-based majority-logic decoding，IISRB)方法作出改进，在减少其实现复杂度的同时有效地提升了译码性能。
图1是本发明译码方法的流程示意图，针对一个在伽罗华域GF(q)上的M行N列的校验矩阵H，H的每个元素称为hi，j，i和j分别是矩阵的行列索引。定义Ni＝{j：0≤j＜N，hi，j≠0}。假定al(0≤l＜q)是伽罗华域GF(q)上的一个元素。
Figure BSA0000184781380000021
是来自信道的信息，表明由信道信息得到的第j个码元符号等于al的可能性。φ是一个先验可靠性度量值，在本方法中被近似为一个常数。Rj，l为第j个码元符号等于al的总的可靠性度量值。具体包括以下步骤：
步骤一，从信道接收到的码字向量r和对应的信道信息向量
Figure BSA0000184781380000031
预先设定最大的迭代次数为Tmax。
步骤二，实现译码的初始化。将当前迭代数目t的值初始化为0；并且将接收到的码字向量r赋予向量z作为当前的硬判决码字；接下来还需要对信道信息
Figure BSA0000184781380000032
实施限幅操作：
Figure BSA0000184781380000033
其中，0≤j＜N且0≤l＜q，η为限定的最大幅值，此公式的主要作用是将信道信息向量
Figure BSA0000184781380000034
的值限定在[0，η]的范围内。但是对于最大的可靠性度量值
Figure BSA0000184781380000035
采用不饱和限幅，即将一个小于η的值
Figure BSA0000184781380000036
赋值给
Figure BSA0000184781380000037
这样其他域元素对应的可靠性度量值在以后的限幅操作中被减去的值将会减少，从而提高这些域元素成为硬判决码字的竞争力，以达到提升性能的效果。
步骤三，利用当前的硬判决码字计算出每一个校验节点的校验和得到校验和向量s，如果检验和向量s全为零，则译码成功。为了图1的简洁性，此步骤在图1中被省略。接着判断当前迭代次数t是否与Tmax相等，如果相等，则译码结束并宣告译码失败，否则进入迭代译码步骤。
步骤四，进行迭代译码。步骤41，实现每次迭代的初始化，将z′初始化为接收到的码字向量r，将可靠性度量值向量Rj设为步骤二中限幅后的信道信息向量
Figure BSA0000184781380000038
步骤42，逐行进行译码操作，在校验和节点处理阶段，通过校验节点对每个码元符号投票出的域元素值σ。对于0≤i＜M，j∈Ni计算公式如下所示：
Figure BSA0000184781380000039
步骤43，在码元节点处理阶段，如果σi，j＝al(0≤l＜q)，则将对应的可靠性度量值按如下式更新：
Rj，l＝Rj，l+φ. (3)
步骤44，如果更新的Rj，l比预设的最大幅值η大，则按下式进行限幅操作：
Figure BSA0000184781380000041
步骤五，进行硬判决操作，将硬判决码字向量z用z′更新。
步骤六，将迭代次数t加1，返回步骤三继续进行译码。
实施例：以码长为255，信息位为175，行重、列重都为16的基于GF(256)的全循环码字为例说明。该码字通过AWGN信道，发送端采用BPSK调制，接收端分别采用基于硬信息的迭代大数逻辑(IHRB)算法，基于软信息的迭代大数逻辑(ISRB)算法，改进的ISRB(IISRB)算法，本发明中引入两个减少复杂度改进方法的M-ISRB算法和M-IISRB算法，以及本发明最终所提出的CM-IISRB算法。利用蒙特卡洛方法进行仿真，最大迭代次数为50。针对本发明提出的CM-IISRB算法，nf设为6，nu设为3。图2为得到的FER性能仿真曲线。
从图2中可以看出，在引入两个减少实现复杂度的改进方法后，性能几乎没有任何损失。同时，本文所提出的CM-IISRB算法相对目前性能最好的同类算法IISRB，仍有很明显的性能提升。并且提出的部分固定的存储方法，在极大减少存储消耗的同时，仍未带来明显的性能损失。
本发明提供了一种适用于多进制LDPC码的高性能、低复杂度的迭代大数逻辑译码方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种适用于多进制LDPC码的高性能、低复杂度的迭代大数逻辑译码方法，其特征在于：
1)两种减少实现复杂度的改进方法，用于保持性能同时减少比较操作和整数乘法操作；
2)一种不饱和限幅(unsaturated-clipping)的方法，能够有效提升译码性能同时降低可靠性度量值的比特位宽；
3)一种部分固定的存储方法，用于极大程度减少硬件实现时所需的存储空间，同时几乎不造成性能损失。
2.根据权利1中所述的两种减少实现复杂度的改进方法，其特征在于：
1)在计算先验可靠性度量值时，只从对应集合中选取最小值作为其度量，将对应的比较操作降低了一半；
2)在计算总的可靠性度量值时，将大量对信道信息的整数乘法改为极少量对先验可靠性度量值的除法，同时也降低了可靠性度量值的比特位宽。
3.根据权利2中所述的将整数乘法改为除法的改进方法，其特征在于，由于除法操作对硬件实现不大友好，整数除法可以近似为乘以一个分子分母都为2的幂次的分数，即可用简单的移位操作和加法操作实现。
4.根据权利1中所述的不饱和限幅的方法，其特征在于：
1)在限幅时，对于最大值采用特别的处理方法，即限幅前的最大值不是限幅后的最大值，而是赋予一个比最大幅度值小的值，其目的在于减少其他域元素对应的可靠性度量值在以后的限幅操作中被减去的值，从而提高这些域元素成为硬判决码字的竞争力，以达到提升性能的效果；
2)这种不饱和限幅方法将会在初始化和迭代阶段使用，其中在初始化阶段对所有的信道信息采用该限幅方法，将所有的信道信息调整到同一个范围内。而在迭代阶段，只有可靠性度量值超过限制的最大幅度值时该限幅方法才会被采用；
3)基于这种不饱和限幅方法，先验可靠性度量值可以进一步近似为一个常数，从而消除对应的比较操作以及所需的存储空间。
5.根据权利1中所述部分固定的存储方法，其特征在于，对于每个码元符号的q维信道信息，只使用其中的nf(nf＜＜q)组。而在存储更新可靠性度量值及其对应域元素时，只更新并存储部分信息(nm组)来减少存储空间。在存储的nm组信息中，其中nf(nf＜nm)个位置是固定为上述的nf组对应信息所用，剩下nu(nu＝nm-nf)个位置由更新的其他域元素及其对应的可靠性度量值共用。并且当这些位置被占满时，剩下的被更新的域元素则不参与更新，即无需存储。从而极大程度减少存储空间。
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