CN114039701B - 一种ldpc码结合额外信息传输的编译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LDPC码结合额外信息传输的编译码方法，编码时：利用多组独立的或耦合的LDPC码将信息序列u编码为编码序列v，然后计算v的附加校验信息s，将s作为额外信息，v作为基本负载信息，通过便车编码方式得到发送序列c；译码时：首先根据接收序列y进行额外信息译码，然后进行基本负载信息译码。本发明将附加校验信息序列通过便车编码的方式进行传输，其方法步骤简单，实现方便，可以在不增加额外传输能量与带宽开销的前提下提高误码率性能。

Description

一种LDPC码结合额外信息传输的编译码方法

技术领域

本发明属于数字通信和数字存储技术领域，具体涉及一种LDPC码结合额外信息传输的编译码方法。

背景技术

LDPC(Low-Density Parity-Check，低密度一致校验)码是由Gallager于上世纪六十年代早期年提出。因其优秀的译码性能及较低的编译码复杂度，LDPC码最终入选5G通信标准，作为增强移动宽带和超高可靠低时延场景的数据信道编码方案。为了进一步提高编译码性能，研究者们相继提出了SC-LDPC(Spatially-CoupledLDPC)码、GC-LDPC(Globally-CoupledLDPC)码，和基于LDPC构造的乘积码等。

SC-LDPC码，又称LDPC卷积码，于1999年被提出。随后，Urbanke等人揭示了“门限饱和”效应，即码长无限长时，SC-LDPC码在置信传播译码下的阈值可以达到其对应的分组LDPC码的最大后验概率译码阈值。但对于实际使用的有限码长，截断的SC-LDPC码由于结尾问题会造成一定的码率损失。

GC-LDPC码是由J.Li，S.Lin等人在2016年提出的一类特殊的具有耦合结构的LDPC码。GC-LDPC码的第一阶段译码利用多个相互独立的LDPC码块独立译码，从而降低了译码错误传播的可能性，第二阶段译码可以利用全局校验节点的约束关系进一步提高译码性能。但GC-LDPC码因增加了全局校验信息会导致一定的码率损失。

乘积码是1954年由Elias等人提出的一种经典的用短码构造长码的编码方法。由LDPC码和高码率代数码构成的乘积码可提高译码性能，但传输代数码校验信息同样会导致一定的码率损失。

额外信息传输(中山大学，METHOD FOR TRANSMITTING ADDITIONALINFORMATIONBY USING LINEAR BLOCK CODES[P]：16909790；中山大学，一种利用线性分组码传输额外信息的方法[P]：201910553130.0；中山大学，一种基于星座旋转的额外信息传输方法[P]：201910915237.5；中山大学，基于循环移位的额外信息传输方法、系统及存储介质[P]：202110339291.7)是一种在基本负载信息的基础上，不增加额外传输能量、带宽开销的前提下传输额外信息的方法。

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LDPC码结合额外信息传输的编译码方法，可以在不增加额外传输能量、带宽开销的前提下提高误码率性能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种LDPC码结合额外信息传输的编译码方法，包括下述步骤：

(1)编码时，利用多组独立或耦合的LDPC码，结合额外信息传输方法，将信息序列u编码为发送序列c，具体方法为：

(1.1)利用多组独立或耦合的LDPC码，将长度为kL的信息序列u编码为长度为nL的编码序列v；

(1.2)以大小为R_e×nL附加校验信息产生矩阵H_e和v相乘得到长度为R_e的附加校验信息s；

(1.3)s作为额外信息，v作为基本负载信息，通过便车编码方式编码为长度为nL的发送序列c；

(2)译码时，根据接收序列y进行额外信息和基本负载信息译码，具体方法为：

(2.1)根据接收序列y进行额外信息译码，得到附加校验信息s的估计值

(2.2)消除额外信息对接收序列y的影响，得到基本负载信息v对应的长度为nL的接收序列

(2.3)根掘综合考虑LDPC码与附加校验信息估计值/>的约束条件进行基本负载信息译码，得到译码结果/>

进一步的，步骤(1.1)中，当LDPC码编码方式是多组独立的LDPC码时，各组LDPC码具有相同结构和参数，或具有不同结构和参数。

进一步的，步骤(1.1)中当LDPC码编码方式为是多组耦合的LDPC码时，其校验矩阵可以是具有任意参数的。

进一步的，步骤(1.2)中，所述附加校验信息产生矩阵H_e是具有任意结构和参数的矩阵。

进一步的，步骤(1.3)中，所述便车码构造包括分块构造或整体构造、随机构造或结构化构造；所述便车码编码方式包括线性叠加、交织循环移位或星座旋转。

进一步的，步骤(2.3)中，所述基本负载信息译码方法为：

采用单阶段译码方法，即直接根据综合考虑LDPC码与附加校验信息估计值/>的约束条件进行译码。

进一步的，步骤(2.3)中，所述基本负载信息译码方法为：

采用两阶段译码方法，即第一阶段首先根据进行LDPC码译码，如果成功通过LDPC码的校验，则译码结束，否则进入第二阶段综合考虑LDPC码与附加校验信息估计值/>的约束条件进行译码。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明将附加校验信息序列通过便车编码的方式进行传输，其方法步骤简单，实现方便，可以在不增加额外传输能量与带宽开销的前提下提高误码率性能。

2、本发明编码方式灵活，可以采用不同编码方式的组合方案。

3、本发明编码设计简单，方便实现。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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是本发明一种LDPC码结合额外信息传输的编译码方法的示意图；

图2是多组独立的LDPC码校验矩阵H_B的结构示意图；

图3是H_B和H_e组成的GC-LDPC码校验矩阵H_GC的结构示意图；

图4是本发明的基于额外信息传输的GC-LDPC码编码方法的码字错误率示意图；

图5是多组耦合的LDPC码校验矩阵H_B的结构示意图；

图6是H_B和H_e组成的SC-LDPC码校验矩阵H_[0.L-1]的结构示意图；

图7是本发明构造的基于额外信息传输的SC-LDPC码编码方法的码字错误率示意图；

图8是乘积码的结构示意图；

图9是本发明的基于额外信息传输的乘积码编码方法的码字错误率示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

实施例1

在本实施例中，编码时采用多组独立的LDPC码，其校验矩阵H_B如图2所示，将附加校验信息产生矩阵H_e作为GC-LDPC码校验矩阵的全局部分，与校验矩阵H_B组成GC-LDPC码的校验矩阵(如图3所示)。使用码长为n＝1024，码率为r＝0.5的(3，6)正则LDPC码作为基本码，设置编码参数L＝8，H_e大小为80×8192，便车码采用结构化构造的额外信息编码。

参照图1的编码示意图，将长度为4096的信息序列u编码为长度为8192的传输块c，包括以下步骤：利用独立的LDPC码将总长度为4096的信息序列u＝(u⁽⁰⁾，u⁽¹⁾，...，u⁽⁷⁾)编码为8个LDPC编码块v＝(v⁽⁰⁾，v⁽¹⁾，...，v⁽⁷⁾)，总长度为8192；H_e和v相乘得到长度为80的全局部分校验信息s；s作为额外信息，v作为基本负载信息，通过结构化构造的额外信息编码得到完整的长度为8192的发送序列c。

发送序列c经二进制相移键控调制(Binary Phase-Shift Keying，BPSK)调制后送入信道，接收机根据接收信噪比和接收到的向量y进行译码并得到信息序列u的估计

参照图1的译码示意图，接收机进行译码包括以下步骤：根据接收序列y进行额外信息译码，得到额外信息s的估计值对接收序列y消除额外信息影响，得到基本负载信息v对应的长度为8192的接收序列/>根据/>进行两阶段译码，即第一阶段进行局部译码，如果局部译码成功，即/>分别通过LDPC码/>校验矩阵的校验，则输出u的估计/>否则进行第二阶段，综合考虑LDPC码与/>的约束条件进行全局阶段译码，最终得到信息序列u的估计/>

仿真结果如图4，使用本发明的编译码方法，可以在中高信噪比显著提高码字错误率(WordErrorRate，WER)性能，在SNR＝2dB处，采用本发明可以将WER性能从原始LDPC码的10^-2降低至10^-4以下。

实施例2

在本实施例中，编码时采用多组耦合LDPC码，其校验矩阵H_B如图5所示，将附加校验信息产生矩阵H_e作为SC-LDPC码尾部校验矩阵，与校验矩阵H_B组成SC-LDPC码的校验矩阵H_[0，L-1](如图6所示)，该组合即为基于额外信息传输的SC-LDPC码。

设置编码参数L＝128，SC-LDPC码块长度n＝1024，码率为r＝0.5，记忆长度m＝1，便车码采用结构化构造的额外信息编码。

参照图1的编码示意图，将长度为128×512的信息序列u编码为长度为128×1024的传输块c，包括以下步骤：利用128组耦合的LDPC码，将总长度为128×512的信息序列u＝(u⁽⁰⁾，u⁽¹⁾，...，u⁽¹²⁷⁾)编码为总长度为128×1024的编码块v＝(v⁽⁰⁾，v⁽¹⁾，...，v⁽¹²⁷⁾)；H_e和v相乘得到SC-LDPC码尾部校验信息s；s作为额外信息，v作为基本负载信息，通过结构化构造的额外信息编码得到完整的长度为128×1024的发送序列c。

发送序列c经BPSK调制后送入信道，接收机根据接收信噪比和接收到的向量y进行译码并得到信息序列u的估计

参照图1的译码示意图，接收机进行译码包括以下步骤：根据接收序列y进行额外信息译码，得到额外信息s的估计值对接收序列y消除额外信息影响，得到基本负载信息v对应的长度为128×1024的接收序列/>根掘/>综合考虑LDPC码与/>的约束条件进行译码，即进行SC-LDPC码译码，得到信息序列u的估计/>

仿真结果如图7，使用本发明的编译码方法，可以在无码率损失的情况下达到SC-LDPC码已知s的误码率性能，即避免了传统截断SC-LDPC码的码率损失。

实施例3

在本实施例中，编码时采用多组独立的LDPC码，将长度为kL的信息序列u＝(u⁽⁰⁾，u⁽¹⁾，...，u^(L-1))编码为长度为nL的编码序列v＝(v⁽⁰⁾，v⁽¹⁾，...，v^(L-1))，将v⁽ⁱ⁾(i＝0，1，...，L-1)逐行排列为L×n的矩阵，然后逐列将长度为L的列序列v_j(j＝0，1，...，n-1)与BCH码校验矩阵H_BCH相乘得到v_j(j＝0，1，...，n-1)对应的BCH码校验信息s^(j)，等价于由LDPC码和BCH码构造的乘积码(结构如图8所示)。考虑便车编码方式的负载能力，从v_j(j＝0，1，...，n-1)中随机选取αn(0＜α＜1，αn∈Z⁺)列对应的BCH码校验信息s＝(s⁽⁰⁾，s⁽¹⁾，...，s^(αn-1))作为附加校验信息，将H_e设计为s的产生矩阵。

使用码长为n＝1024，码率为r＝0.5的(3，6)正则LDPC码作为基本码，设置编码参数L＝1023，α＝256/1024，H_BCH大小为40×1023，便车码采用结构化构造的额外信息编码。

参照图1的编码示意图，将长度为1023×512的信息序列u编码为长度为1023×1024的传输块c，包括以下步骤：利用1023组独立的基本码，将总长度为1023×512的信息序列u＝(u⁽⁰⁾，u⁽¹⁾，...，u⁽¹⁰²²⁾)编码为1023个LDPC编码块v＝(v⁽⁰⁾，v⁽¹⁾，...，v⁽¹⁰²²⁾)；将v⁽ⁱ⁾(i＝0，1，...，1022)逐行排列为1023×1024的矩阵；从1024列列信息中随机选取256列，算出其对应的伴随式s＝(s⁽⁰⁾，s⁽¹⁾，...，s⁽²⁵⁵⁾)作为额外信息，v作为基本负载信息，通过结构化构造的额外信息编码得到完整的长度为1023×1024的发送序列c。

发送序列c经BPSK调制后送入信道，接收机根据接收信噪比和接收到的向量y进行译码并得到信息序列u的估计

参照图1的译码示意图，接收机进行译码包括以下步骤：根据接收序列y进行额外信息译码，得到额外信息s的估计值对接收序列y消除额外信息影响，得到基本负载信息v对应的长度为1023×1024的接收序列/>综合考虑LDPC码与/>的的束条件进行译码，即利用/>通过BCH码译码方法更新/>得到/>根据/>进行LDPC码译码得到信息序列u的估计/>

仿真结果如图9，使用本发明的编译码方法，可以在较低WER水平获得较大的增益，在WER＝10^-4时，采用本发明与原始LDPC码相比可获得1.00dB的增益。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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 (6)

1.一种LDPC码结合额外信息传输的编译码方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)编码时，利用多组独立或耦合的LDPC码，结合额外信息传输方法，将信息序列u编码为发送序列c，具体方法为：

(1.1)利用多组独立或耦合的LDPC码，将长度为kL的信息序列u编码为长度为nL的编码序列v；

(1.2)以大小为R_e×nL附加校验信息产生矩阵H_e和v相乘得到长度为R_e的附加校验信息s；

(1.3)s作为额外信息，v作为基本负载信息，通过便车码的编码方式将信息序列u编码为长度为nL的发送序列c；所述便车码的构造包括分块构造或整体构造、随机构造或结构化构造；所述便车码的编码方式包括线性叠加、交织循环移位或星座旋转；

(2)译码时，根据接收序列y进行额外信息和基本负载信息译码，具体方法为：

(2.1)根据接收序列y进行额外信息译码，得到附加校验信息s的估计值

(2.2)消除额外信息对接收序列y的影响，得到基本负载信息v对应的接收序列

(2.3)根据综合考虑LDPC码与附加校验信息估计值/>的约束条件进行基本负载信息译码，得到译码结果/>

2.根据权利要求1所述一种LDPC码结合额外信息传输的编译码方法，其特征在于，步骤(1.1)中，当LDPC码编码方式是多组独立的LDPC码时，各组LDPC码具有相同结构和参数，或具有不同结构和参数。

3.根据权利要求1所述一种LDPC码结合额外信息传输的编译码方法，其特征在于，步骤(1.1)中当LDPC码编码方式为是多组耦合的LDPC码时，其校验矩阵可以是具有任意参数的。

4.根据权利要求1所述一种LDPC码结合额外信息传输的编译码方法，其特征在于，步骤(1.2)中，所述附加校验信息产生矩阵H_e是具有任意结构和参数的矩阵。

5.根据权利要求1所述一种LDPC码结合额外信息传输的编译码方法，其特征在于，步骤(2.3)中，所述基本负载信息译码方法为：

采用单阶段译码方法，即直接根据综合考虑LDPC码与附加校验信息估计值/>的约束条件进行译码。

6.根据权利要求1所述一种LDPC码结合额外信息传输的编译码方法，其特征在于，步骤(2.3)中，所述基本负载信息译码方法为：

采用两阶段译码方法，即第一阶段首先根据进行LDPC码译码，如果成功通过LDPC码的校验，则译码结束，否则进入第二阶段综合考虑LDPC码与附加校验信息估计值/>的约束条件进行译码。