CN112737598B - 自适应掺杂方法、系统、存储介质、计算机设备及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种自适应掺杂方法、系统、存储介质、计算机设备及应用，设定在一个窗口大小为W的译码器内，t时刻的译码块是目标译码块，M是基模图扩展因子，设定门限值η＝10，设N为一帧内译码块的数目；在耦合链上滑窗译码；执行循环操作：如果迭代次数n<N，根据公式计算对数似然比L_t，如果满足：L_t≤η，则a.编码器在t+W时刻的块被固定为已知，b.t+W时刻译码块的LLR值归零；对目标码块进行译码，窗口向后移动一个块，迭代次数n加一，继续执行循环操作；如果n>N，则退出循环操作。本发明采用的滑窗译码降低了时延和使用资源，自适应掺杂技术可以解决译码过程中的错误传播问题，可用于连续流大数据业务场景。

Description

自适应掺杂方法、系统、存储介质、计算机设备及应用

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种自适应掺杂方法、系统、存储介质、计算机设备及应用。

背景技术

当Gallage于1962年提出LDPC码的时候，主要从分组码的角度来讨论。1987年，Tanner开始关注类似卷积的空间耦合结构。但是，当时并没有考虑将该结构引入LDPC码的形式。随着20世纪90年代开始对LDPC码的再发现，人们随后发现可以利用一些简单的方法来构造具有卷积结构的LDPC码，并能够获得明显的增益。在LDPC卷积码约束长度与LDPC分组码分组长度相同的情况下，利用Unwrapping技术从一个分组LDPC码获得的LDPC卷积码具有较大的卷积增益。特别需要指出的是，Felstrom和Zigangirov于1999年首次提出了LDPC卷积码的概念并具体的给出了一种可实现低复杂度编译码的LDPC卷积码方案。该方案奠定了以后设计这类卷积结构的LDPC码的研究基础，即通过设计具有局部约束关系的稀疏校验矩阵来保证LDPC码的卷积结构并实现低复杂度低时延译码。Lentmaier等人在此基础上通过对LDPC卷积码进行截断得到一类新的LDPC卷积码，这就是后来的空间耦合LDPC码。随即，SC-LDPC码从性能增益和低时延译码取得了突破性进展。2011年，Kudekar等人从LDPC码码集的渐进译码性能的角度提出了LDPC卷积码的门限饱和现象，即如果利用对分组LDPC码进行空间耦合后得到LDPC卷积码,其置信译码门限能够逼近该分组码最大后验概率译码门限。同年，Iyengar等人提出了将滑窗译码算法应用到SC-LDPC码的译码器中，不但明显降低了译码时延而且能够保证在无记忆删除信道下能够逼近理论限。Costello等人指出SC-LDPC码区别于以往的标准的LDPC码的关键特性就是，它通过简单的设计就能将规则和非规则LDPC码的最好的特性保留了下来。一般非规则的LDPC码虽然在瀑布区性能较好，但会出现错误平层，而规则的LDPC码虽然可以消除错误平层但是在瀑布区性能较差。而SC-LDPC码的主要特别是：1、同样采用迭代译码，SC-LDPC码可以在瀑布区达到非规则LDPC码的性能；2、由于SC-LDPC码的最小距离随着分组长度的增加而线性增长，因此使得SC-LDPC码能够降低错误平层。

空间耦合LDPC码的滑窗译码算法与早期的译码算法相比，可以极大的减少译码时延和复杂度。为了在中高信噪比的时候保持好的性能，窗口的长度应该满足条件：W≥6η，其中η是译码约束长度。当需要在较低的信噪比下实现低延迟，需要有更小的窗口长度，这会导致不常出现但严重的译码错误传播，尤其是帧长较长时，引起性能恶化。

解决以上问题及缺陷的难度在于：

在译码过程中，当发生块译码错误后，也会影响后续块的译码，从而引发错误传播，进而产生连续的块译码错误，造成极大的性能损失。为了解决这个问题，Klarber提出了改变译码迭代次数或者移动窗口位置来限制空间耦合LDPC码滑窗算法中错误传播的影响。Min Zhu提出了一种窗口拓展算法，一种同步机制和一种重传策略来减少空间耦合LDPC码滑窗算法中错误传播的影响。这些方法中每一种都会改变译码器的设计。最近Min Zhu提出了空间耦合LDPC码的检验节点掺杂和变量节点掺杂的方法来限制滑窗算法错误传播。通过改变码的设计，在码链里周期性的插入掺杂节点来减少译码过程中错误传播的影响。该方法预先设定掺杂节点的分布方式，这样不能完全消除错误传播，因为错误传播还可能存在于掺杂节点之间。为了解决这个问题，需要有更多的掺杂节点，但是这样会导致更多的码率损失。

解决以上问题及缺陷的意义在于：本发明提出的空间耦合LDPC码的自适应掺杂技术，不是按照之前提出的预先设定的方式周期性地插入掺杂节点，我们提出的方法是根据译码块的平均对数似然比的值按照需要插入掺杂节点。与周期性掺杂方法相比，自适应掺杂技术的优点是可以立即截断错误传播问题，同时可以将码率损失控制在阻止错误传播所需要的范围以内。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种自适应掺杂方法、系统、存储介质、计算机设备及应用。

本发明是这样实现的，一种自适应掺杂方法，所述自适应掺杂方法包括：

设定在一个窗口大小为W的译码器内，M是基模图的扩展因子，t时刻的译码块是目标译码块，设定门限值η＝10；

在耦合链上进行滑窗译码；执行循环操作：如果迭代次数n<N，根据公式计算对数似然比L_t，如果满足：L_t≤η，则a.编码器在t+W时刻的块被固定为已知，b.t+W时刻译码块的LLR值归零；

对目标码块进行译码，窗口向后移动一个块，迭代次数加一，继续执行循环操作；如果n>N，则退出循环操作。

进一步，所述自适应掺杂方法N为一帧内译码块的数目，K为总的迭代次数。

进一步，所述自适应掺杂方法在空间耦合LDPC码的耦合链上进行滑窗译码包括：

(1)滑窗译码策略每译出Fn_V个译码符号需要等待接收WFn_V个符号，其中W代表译码窗内所包含“段”的个数，对比包含整个接收序列后进行译码的策略，滑窗译码策略的译码时延和存储空间会更低；

(2)令m_s＝1，由于每一个“段”内包含了1对变量节点和1个校验节点，因此一个窗内会包含W对变量节点和W个校验节点；

(3)假定译码器输入符号序列为y＝[y⁽⁰⁾,y⁽¹⁾,...,y^(L-1)]，其中位长度为n_V的向量。令W＝3，在t＝0时刻，译码器在接收到3对输入符号[y⁽⁰⁾,y⁽¹⁾,y⁽²⁾]后窗开始译码器工作，而相应窗内只包含3Fn_V列3Fn_C行的校验矩阵，记为W₀，且有

(4)在窗内基于输入符号和W₀进行和积译码，并经过一定的迭代次数以后，如果译码输出结果满足W₀校验或者达到最大迭代次数则译码停止，并输出目标符号的估计作为译码输出符号结果。

进一步，所述自适应掺杂方法t时刻在目标码块上完成K次迭代后计算平均译码对数似然比的值L_t，根据对数似然比值判断掺杂条件。

进一步，移动窗口，对下一个窗口的目标块进行译码操作，重复判决并决定掺杂节点直到译码完成。

进一步，对数似然比的值的计算为：掺杂条件的判断：如果平均译码对数似然比的值L_t满足：L_t≤η，则判定时刻t的目标码块译码失败，如果遇到N_r个连续失败的目标码块，则发起掺杂请求，下一个进入窗口远端的变量节点块被掺杂。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

设定在一个窗口大小为W的译码器内，t时刻的译码块是目标译码块，设定门限值η＝10；

在耦合链上进行滑窗译码；执行循环操作：如果迭代次数n<N，根据公式计算对数似然比L_t，如果满足：L_t≤η，则a.编码器在t+W时刻的块被固定为已知，b.t+W时刻译码块的LLR值归零；

对目标码块进行译码，窗口向后移动一个块，迭代次数加一，继续执行循环操作；如果n>N，则退出循环操作。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

设定在一个窗口大小为W的译码器内，t时刻的译码块是目标译码块，设定门限值η＝10；

在耦合链上进行滑窗译码；执行循环操作：如果迭代次数n<N，根据公式计算对数似然比L_t，如果满足：L_t≤η，则a.编码器在t+W时刻的块被固定为已知，b.t+W时刻译码块的LLR值归零；

对目标码块进行译码，窗口向后移动一个块，迭代次数加一，继续执行循环操作；如果n>N，则退出循环操作。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的自适应掺杂方法。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述自适应掺杂方法的自适应掺杂系统，所述自适应掺杂系统包括：

参数设定模块，用于设定窗口大小、译码块、门限值；

循环操作模块，用于在耦合链上进行滑窗译码；执行循环操作；

判断模块，用于判断对数似然比与门限值；

译码模块，用于对目标码块进行译码。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提出了一种空间耦合LDPC码的自适应掺杂技术。不是按照预先设定的方式周期性地插入掺杂节点，本发明提出的方法是根据译码块的平均对数似然比的值按照需要插入掺杂节点。与周期性掺杂方法相比，自适应掺杂技术的优点是可以立即截断错误传播问题，同时可以将码率损失控制在阻止错误传播所需要的范围以内。这种自适应方案可以用于变量节点掺杂和校验节点掺杂，因为两种方法有相似的性能，但是变量节点掺杂实现起来更加简单，所以本发明主要研究自适应变量节点掺杂方法。

传统的空间耦合LDPC滑窗译码算法在较低的信噪比下，需要较小的窗口长度，这会导致严重的译码传播错误，与传统的译码方法相比，本发明采用掺杂变量节点的方法减少错误传播的发生。最近提出的在码链里周期性地插入掺杂节点可以减少滑窗算法中错误传播的影响，但是不能完全消除，因为错误传播还可能存在于两个周期性掺杂节点之间，如果想要避免这种问题，就需要更多的掺杂节点，导致更多码率损失，本发明提出了自适应掺杂的技术，根据译码块的平均对数似然比的值按照需要插入掺杂节点，与周期性掺杂方法相比，自适应掺杂技术的优点是可以立即截断错误传播问题同时可以将码率损失控制在阻止错误传播所需要的范围以内。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的自适应掺杂方法流程图。

图2是本发明实施例提供的自适应掺杂系统的结构示意图；

图2中：1、参数设定模块；2、循环操作模块；3、判断模块；4、译码模块。

图3是本发明实施例提供的空间耦合LDPC码滑窗算法的周期性变量节点掺杂方案图。

图4是本发明实施例提供的空间耦合LDPC码滑窗算法的自适应变量节点掺杂方案图。

图5是本发明实施例提供的一个(3,6)规则空间耦合LDPC码基模图，该基模图是由基矩阵是B＝[3；3]的LDPC分组码基模图得到的示意图。

图6是本发明实施例提供的未掺杂译码，周期性变量节点掺杂译码和自适应变量节点掺杂译码的误块率的性能图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种自适应掺杂方法、系统、存储介质、计算机设备及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的自适应掺杂方法包括以下步骤：

S101：设定在一个窗口大小为W的译码器内，t时刻的译码块是目标译码块，设定门限值η＝10；设N为一帧内译码块的数目；

S102：在耦合链上进行滑窗译码；执行循环操作：如果迭代次数n<N，根据公式计算对数似然比L_t，如果满足：L_t≤η，则a.编码器在t+W时刻的块被固定为已知，b.t+W时刻译码块的LLR值归零；

S103：对目标码块进行译码，窗口向后移动一个块，迭代次数加一，继续执行循环操作；如果n>N，则退出循环操作。

本发明提供的自适应掺杂方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的自适应掺杂方法仅仅是一个具体实施例而已。

如图2所示，本发明提供的自适应掺杂系统包括：

参数设定模块1，用于设定窗口大小、译码块、门限值；

循环操作模块2，用于在耦合链上进行滑窗译码；执行循环操作；

判断模块3，用于判断对数似然比与门限值；

译码模块4，用于对目标码块进行译码。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

传统的空间耦合LDPC码的滑窗算法存在错误传播问题，在LDPC码的滑窗算法中插入掺杂节点可以减少错误传播，与周期性掺杂方法相比，自适应掺杂技术的优点是可以立即截断错误传播问题同时可以将码率损失控制在阻止错误传播所需要的范围以内。不同于周期性变量节点掺杂(图3)，自适应变量节点掺杂方案根据滑窗算法窗口内译码块的译码对数似然比值插入掺杂节点。自适应变量节点掺杂方案按照图4给出，图中可以看出在t＝τ1；τ2；τ3...时刻的绿色变量节点被不均匀的放置，通过将绿色变量节点的块固定为已知，引入结构的不规则性来防止误差的传播。

本发明不同于周期性变量节点掺杂技术，自适应变量节点掺杂根据一些译码块的平均对数似然比的值来插入掺杂节点。根据瞬时无噪声二进制反馈信道上译码器的反馈的请求，(非等间距)变量节点在t＝τ₁,τ₂,τ₃,...时刻被插入耦合链。为了触发滑窗译码过程中的掺杂请求，在完成t时刻目标译码块所需要的迭代译码次数后，如果平均译码对数似然比的值L_t满足：(η是预设定的门限值，M是基模图的扩展因子)，则判定时刻t的目标码块译码失败，如果本发明遇到N_r个连续失败的目标码块，则发起掺杂请求，下一个进入窗口较远端的变量节点被掺杂。

本发明详细的步骤如下：

1:设定在一个窗口大小为W的译码器内，t时刻的译码块是目标译码块。门限值η＝10，N为一帧内译码块的数目，K为总的迭代次数；

2:在耦合链上进行滑窗译码；

3：t时刻在目标码块上完成K次迭代后计算平均译码对数似然比的值L_t，如果L_t满足：L_t≤η，则判定时刻t的目标码块译码失败，如果本发明遇到N_r个连续失败的目标码块，则发起掺杂请求，下一个进入窗口远端的变量节点块被掺杂。

4：移动一个窗口，对下一个目标块进行译码操作，重复以上步骤。

假定空间耦合链上有d个掺杂位置。设n_c和n_v分别为自适应变量节点掺杂空间耦合链上校验节点的总数和未掺杂变量节点的总数，m是耦合宽度。同时，帧长为L，有d个掺杂变量节点的空间耦合LDPC码的码率为：

这里R＝1-J/K是不耦合基模图的设计码率。相比于原始空间耦合LDPC码的码率由上述公式可以知道自适应变量节点掺杂技术会导致一些码率损失，但在可以接受的范围以内。

下面结合仿真实验对本发明的技术效果作详细的描述。

1、周期性和自适应变量节点掺杂误块率分析：为了对发明提出的周期性掺杂和自适应掺杂技术进行分析，图5给出了滑窗算法的基模图，本发明分两种情况进行讨论：(1)基模图的扩展因子M和译码窗口大小W都很大的“强码”情况和(2)基模图的扩展因子M和译码窗口大小W都很小的“弱码”情况。在大量空间耦合LDPC码滑窗译码算法的仿真实验的基础上，本发明可以总结出：当p＜＜1且r≈0时，设定仿真模型为“强码”。当p和r大于0(小于1)，设定仿真模型为“弱码”。强码在状态s_re时具有很小的误块率并且很小概率会转移到状态s_be，但是一旦转移到状态s_be，那么就会收到无限制错误传播的影响。因为这个原因，这种情况下，帧长很长时译码性能衰减会非常大。相反，对于弱码来说，状态s_re上的误块率更高，这导致弱码不适合于接近容量限的应用场景，但是译码器有时可以脱离错误传播的影响，所以在帧长较长的场景下未必会有大的性能衰减。

变量节点掺杂方法会有一个较大的r值，这会让译码器很容易从状态s_be转移，因此可以改善译码误块率，尤其是信噪比在接近容量限时。对周期性变量节点掺杂，从状态s_be到状态s_re的转移概率增加到r＝2/s。这里的s是两个掺杂节点之间的间距。对自适应变量节点掺杂，从状态s_be到状态s_re的转移概率为r＝2/(W+2N_r-4)。

实例1：(强码)p＝10^-2

(a)渐进(L→∞)分析：对于未掺杂译码(r＝0)，误块率的计算结果为对于周期性掺杂译码，误块率计算结果为/>对于自适应掺杂译码，误块率计算结果为/>对于以上选择的参数本发明可以得出相比于未掺杂的情况，周期性掺杂和自适应掺杂方法都能有效减少误块率，自适应掺杂的性能是周期性掺杂性能的两倍。

(b)有限长帧长L分析：选择L＝20000。对于未掺杂译码(r＝0)，误块率的计算结果为对于周期性掺杂译码(s＝200，r＝10^-2)，误块率的计算结果为对于自适应掺杂译码(W＝18，N_r＝2，r＝1/9)，误块率的计算结果为

由实例可以看出相比于未掺杂译码，周期性和自适应掺杂译码可以大大减少误块率。自适应掺杂译码的性能比周期性译码的性能要好。

实例2：(弱码)p＝10^-1

(a)渐进(L→∞)分析：对于未掺杂译码(r＝0.01)，误块率的计算结果为对于周期性掺杂译码(s＝100，r＝2/s＝0.02)，误块率的计算结果为对于自适应掺杂译码(W＝12,,,,N_r＝4,,,,r＝1/8)，误块率的计算结果为

(b)有限帧长L分析：选择L＝2000，对于未掺杂译码(r＝0.01)，误块率的计算结果为对于周期性掺杂译码(s＝100，r＝0.02)，误块率的计算结果为对于自适应掺杂译码，误块率的计算结果为/>

最后值得注意的是，不管有没有掺杂，因为p值更小，强码的性能始终比弱码的性能更好。对于更小的帧长L值，由于误差传播对小帧长度的损害不大，因此通过掺杂获得的增益预计不会那么显著。

2、仿真信能分析和结果

(1)性能分析

为了证实自适应变量节点掺杂技术的有效性，图6给出了未掺杂译码，周期性变量节点掺杂译码和自适应变量节点掺杂译码的误块率的性能图，设定在AWGN信道和BPSK调制的环境下，M＝2000，N_r＝2，L＝1000。结果证实了本发明之前的分析，在实际情况下当需要在低时延下进行低时延操作时，码掺杂技术明显提高了误块率的性能，而且自适应变量节点掺杂译码的性能要优于周期性变量节点掺杂技术。

(2)结果

在本发明中，对提出了一种通用译码器模型，来解决空间耦合LDPC码的滑窗算法中少见但严重的译码错误传播问题。本发明提出了自适应变量节点掺杂译码，并且实现了该技术和未掺杂译码，周期性变量节点掺杂译码的性能分析，最后得到了结论：自适应变量节点掺杂译码的性能要明显优于未掺杂译码和周期性译码。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自适应掺杂方法，其特征在于，所述自适应掺杂方法包括：

设定在一个窗口大小为的译码器内，t时刻的译码块是目标译码块，M是基模图的扩展因子，设定门限值η = 10；

在耦合链上进行滑窗译码；执行循环操作：如果迭代次数n < N，N为一帧内译码块的数目，根据公式计算平均译码对数似然比的值L_t，如果满足：L_t≤η，则a.编码器在t+W时刻的块被固定为已知，b.t+W时刻译码块的LLR值归零；

对目标码块进行译码，窗口向后移动一个块，迭代次数加一，继续执行循环操作；如果n> N，则退出循环操作。

2.如权利要求1所述的自适应掺杂方法，其特征在于，所述自适应掺杂方法在空间耦合LDPC码的耦合链上进行滑窗译码包括：

（1）滑窗译码策略每译出个译码符号需要等待接收/>个符号，其中/>代表译码窗内所包含“段”的个数，与包含整个接收序列后进行译码的策略来说/>，所以滑窗译码策略的译码时延和存储空间会更低；

（2）令，由于每一个“段”内包含了1对变量节点和1个校验节点，因此一个窗内会包含/>对变量节点和/>个校验节点；

（3）假定译码器输入符号序列为，其中/>位长度为/>的向量；令W = 3，在t = 0时刻，译码器在接收到3对输入符号/>后窗开始译码器工作，而相应窗内只包含/>列/>行的校验矩阵，记为/>，且有；

（4）在窗内基于输入符号和进行和积译码，并经过一定的迭代次数以后，如果译码输出结果满足/>校验或者达到最大迭代次数则译码停止，并输出目标符号的估计/>作为译码输出符号结果。

3.如权利要求2所述的自适应掺杂方法，其特征在于，所述自适应掺杂方法t时刻在目标码块上完成K次迭代后计算平均译码对数似然比的值，根据平均对数似然比值判断掺杂条件。

4.如权利要求3所述的自适应掺杂方法，其特征在于，移动窗口，对下一个窗口的目标块进行译码操作，重复判决并决定掺杂节点直到译码完成。

5.如权利要求3所述的自适应掺杂方法，其特征在于，平均译码对数似然比的值的计算为：；掺杂条件的判断：如果平均译码对数似然比的值/>满足：/>则判定时刻t的目标码块译码失败，如果遇到/>个连续失败的目标码块，则发起掺杂请求，下一个进入窗口远端的变量节点块被掺杂。

6.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1~5任意一项所述的自适应掺杂方法的步骤。

7.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1~5任意一项所述的自适应掺杂方法的步骤。

8.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现权利要求1~5任意一项所述的自适应掺杂方法。

9.一种实施权利要求1~5任意一项所述自适应掺杂方法的自适应掺杂系统，其特征在于，所述自适应掺杂系统包括：

参数设定模块，用于设定窗口大小、译码块、门限值；

循环操作模块，用于在耦合链上进行滑窗译码；执行循环操作；

判断模块，用于判断对数似然比与门限值；

译码模块，用于对目标码块进行译码。