CN112838870A

CN112838870A - 一种高性能低复杂度的基于可靠性的多进制ldpc译码方法

Info

Publication number: CN112838870A
Application number: CN201911161917.9A
Authority: CN
Inventors: 王中风; 宋苏文; 林军
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2021-05-25

Abstract

本发明公开了一种高性能低复杂度的基于可靠性的多进制LDPC译码方法。该方法主要包括两个创新点：(一)针对导致译码失败的主要原因：周期点问题，以一定的周期间隔将一种微小加性扰动注入译码过程，有效地解决了周期点问题，从而极大地提升了译码性能；(二)针对多进制LDPC译码需要存储大量信道信息的问题，提出一种实时计算信道信息的方法，有效地减少了存储复杂度且不造成性能损失。本发明提出一种有效的译码方法，以较低的计算以及存储复杂度实现了更好的译码性能，具有一定的创新性。

Description

一种高性能低复杂度的基于可靠性的多进制LDPC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，特别针对高性能低复杂度的基于可靠性的多进制LDPC译码方法。

背景技术

数字通信系统中，数据从发射端到接收端，需要经过信道传输，而信道中存在各式各样的噪声，导致接收数据和发射数据存在偏差。因此，在数据传输过程中，需要引进前向纠错(FEC)，又可称为信道编码。进行纠错编码后，可对接收数据按一定方法进行译码，以期得到正确的码字，从而达到纠错的目的。

多进制LDPC(NB-LDPC)码在1998年由Davey和Mackey提出，该码在中短码长、高阶调制等应用场景中拥有比二进制LDPC码更好的译码性能，但是较高的译码复杂度限制了该码的进一步应用。为了减少其译码复杂度，许多基于置信度传播(BP)方法的简化算法被提出。但与二进制LDPC译码算法相比，这些软解码算法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，由于这种译码方法只传递最可靠的域元素信息，校验码字处理只需要在GF(q)上进行简单的校验和操作，所以拥有较低的复杂度。但复杂度降低的同时也带来了性能损失，且q维信道信息的存储带来巨大的存储消耗。所以在此类译码方法的基础上，进行性能改进和存储优化有着十分重要的意义。

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多进制LDPC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基于可靠性的迭代大数逻辑译码方法，该方法称为扰动注入的改进的基于软信息的迭代大数逻辑译码(perturbation-injected improved iterative reliability-basedmajority-logic decoding，P-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基于可靠性的译码方法，此方法称作P-IISRB方法，基于IISRB方法做了如下改进：

1)一种微小加性扰动注入方法，在译码过程中以一定周期间隔注入微小的加性扰动，能够有效解决译码失败的主要原因：周期点问题，从而极大程度地提升了译码性能。该扰动有效利用译码过程中的两大特性：在译码迭代中，对错误码元节点来说，拥有次大总可靠性度量值的域元素，极为可能是正确的码字；对正确码元节点来说，其最大和次大总可靠性度量值的差值，会呈现出比错误码元节对应的差值相对较大的趋势，且此趋势随着迭代次数愈发明显。基于以上特性，该方法通过减小当前迭代预估硬判决码字所对应的信道信息值来实现该扰动。该扰动相对信道信息大小来说相对较小，以一定的周期间隔注入译码过程，并且不宜在过早的周期注入。

2)一种实时计算信道信息方法，可以减少信道信息的存储，同时不会造成性能损失。具体实现方法为：对于每个码元节点来说，只存储最大的信道信息值及其对应域元素，其他信道信息只有当其在迭代过程中需要被使用时才会被实时计算。考虑到扰动方法需要在信道信息的基础上减去一个值，且这个结果需要被保存，所以除了最大信道信息值外，有一个额外的信道信息需要被保存。此额外的信道信息为不考虑最大信道信息在内的第一个需要引入扰动的信道信息值。考虑扰动方法后，除了最大信道信息和上述的额外信道信息被存储，其他信道信息均在使用时方由实时计算获得，且扰动只会引入到这两个被存储的信道信息。

本发明提出的译码方法，具有以下的有益效果：

本发明能在原有算法的基础上极大程度地提升译码性能，且通过所提出的改进方法能够大量降低译码的存储消耗。和其他同类算法相比，有着非常低的计算和存储复杂度，同时性能也毫不逊色甚至更好。

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，有效地提升了译码性能并降低存储复杂度。

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(一般情况下q＝2^r)的M行N列的校验矩阵H，H的每个元素称为h_i，j，i和j分别是矩阵的行列索引。如果矩阵有着均匀的行重和列重，则由这个矩阵零空间定义的NB-LDPC码字被称为规则的。我们分别用ρ和γ来表示行重和列重。定义N_i＝{j：0≤j＜N，h_i，j≠0}。假定a_l(0≤l＜2^r)是伽罗华域GF(q)上的一个域元素，其二进制表示为(a_l，0，a_l，1，...，a_l，r-1)。

是来自信道的信息，表示第j个码元符号等于a_l的信道可靠性值。φ表示来自校验节点的信息的外部可靠性度量值，在本方法中被近似为一个常数。

为第k次迭代中的外部可靠性度量和。

为在第k次迭代后第j个码元符号等于a_l的总的可靠性度量值。具体包括以下步骤：

步骤一，从信道接收到码字向量z和对应的r维量化信息向量q_j(0≤j＜N)，预先设定最大的迭代次数为T_max。

步骤二，实现译码的初始化。将当前迭代数目k的值初始化为0；并且将接收到的码字向量z作为当前的硬判决码字z⁽⁰⁾；接下来需要计算最大的信道信息值

其中，0≤j＜N，且(z_j，0，z_j，1，...，z_j，r-1)为z_j的二进制表示形式。

步骤三，根据当前的硬判决码字计算出校验和向量s^(k)，如果检验和向量s^(k)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k是否与T_max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，初始化外部可靠性度量和之后，进行校验节点更新以及码元节点更新。所有节点更新完毕后，计算出总可靠性度量值并且进行硬判决操作得到当前迭代的预估硬判决码字向量。

所述步骤四包括以下步骤：步骤41，对外部可靠性度量和进行初始化，对于0≤j＜N，0≤l＜q，令：

步骤42，逐行进行译码操作，在校验节点更新阶段，第i个校验节点给第j个码元节点传递最可靠的域元素信息，定义为

对于0≤i＜M，j∈N_i，按如下公式计算

步骤43，在码元节点更新阶段，如果

则将对应的外部可靠性度量和按如下式更新：

其中φ是一个常数，可由蒙特卡洛方法仿真得到，该常数值φ近似表示来自校验节点的信息的外部可靠性值。

步骤44，将信道信息和外部可靠性度量和相加，得到总的可靠性度量值：

其中，如果

(如果此时p_j还未被获得，则a_l≠z_j)，(4)中的

将根据下式计算得到：

否则，之前计算保存的

和

将会被代入公式(4)中使用。

步骤45，利用以下公式进行硬判决操作，得到更新的硬判决码字向量z^(k+1)。

步骤五，以一定周期间隔引入微小加性扰动，把这些被引入扰动的迭代定义为集合I，当迭代数目k∈I时：

其中，除z_j外第一次需要引入扰动的

对应的域元素被定义为p_j。此次扰动后公式(7)只有当

时才会被执行。

步骤六，将迭代次数k加1，返回步骤三继续进行译码。

实施例：针对(837，726)这一基于GF(32)的准循环非二进制LDPC码为例说明，其行重为27、列重为4。该码字通过AWGN信道，发送端采用BPSK调制，接收端分别采用改进的基于软信息的迭代大数逻辑(IISRB)算法，限幅修饰的IISRB(CM-IISRB)算法，加权的基于比特可靠性的迭代大数逻辑(wBrB)算法，多符号的wBrB(MwBrB)算法，和软解码算法：最小最大(MM)算法，以及本发明中提出的扰动注入的IISRB(P-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P-IISRB算法，参数设置为φ＝12，ζ＝2，I＝{k：k mod(4)＝3，k＞6}。图2为得到的FER性能仿真曲线。

从图2中可以看出，和原始的IISRB算法相比，本发明提出的译码方法P-IISRB可以极大程度地提升性能，将误码平底降低至少两个量级。和wBrB、MwBrB两种算法相比也有着比较明显的性能优势。尽管P-IISRB的性能略差于软解码算法，但是考虑到其极低的计算和存储复杂度，该方法仍有相当的优势。该方法能够有效解决NB-LDPC译码高复杂度的应用瓶颈，从而对NB-LDPC的推广起到实质性作用。

本发明提供了一种高性能低复杂度的基于可靠性的多进制LDPC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

1.一种高性能低复杂度的基于可靠性的多进制LDPC译码方法，其特征在于：

1)一种微小加性扰动注入(perturbation-injected)方法，能够有效解决译码失败的主要原因：周期点问题，从而极大程度地提升译码性能；

2)一种实时计算信道信息方法，用于减少信道信息的存储，同时不会造成性能损失。

2.根据权利1中所述的微小加性扰动注入的方法，其特征在于：

1)该扰动有效利用译码过程中的两大特性：在译码迭代中，对错误码元节点来说，拥有次大总可靠性度量值的域元素，极为可能是正确的码字；对正确码元节点来说，其最大和次大总可靠性度量值的差值，会呈现出比错误码元节对应的差值相对较大的趋势，且此趋势随着迭代次数愈发明显。基于以上特性，该方法通过减小当前迭代预估硬判决码字所对应的信道信息值来实现该扰动；

2)该扰动相对信道信息大小来说相对较小，属于微小扰动；

3)该扰动以一定的周期间隔注入，并且应避免在过早的周期注入扰动。

3.根据权利1中所述的实时计算信道信息的方法，其特征在于：

1)对于每个码元节点来说，只存储最大的信道信息值及其对应域元素，其他信道信息只有当其在迭代过程中需要被使用时才会被实时计算；

2)考虑到扰动方法需要在信道信息的基础上减去一个值，且这个结果需要被保存，所以除了最大信道信息值外，有一个额外的信道信息需要被保存。此额外的信道信息为不考虑最大信道信息在内的第一个需要引入扰动的信道信息；

3)考虑扰动方法后，除了最大信道信息和(2)中的额外信道信息计算后会被存储，其他信道信息均在使用时方由实时计算获得，且扰动只会引入到这两个被存储的信道信息。