CN114337691A

CN114337691A - 一种基于Chase-Pyndiah算法的Zipper码软译码方法

Info

Publication number: CN114337691A
Application number: CN202111372187.4A
Authority: CN
Inventors: 赵仙杰; 王博昱; 刘玉涛; 朱敏; 白宝明
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2021-11-18
Filing date: 2021-11-18
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2041-11-18
Also published as: CN114337691B

Abstract

本发明公开了一种基于Chase‑Pyndiah算法的Zipper码软译码方法，包括：对当前译码窗口中Zipper码的实部块和虚部块的译码信息进行初始化；利用Chase‑Pyndiah算法对当前译码窗口中的分量码进行逐行译码，更新每个比特的外信息值并根据映射关系进行实部块与虚部块的信息交换，以完成一次迭代；根据更新后每个比特的外信息值获得当前译码窗口下一次迭代时的先验值，并进行下一次迭代；当达到预设的最大迭代次数后，译码器输出目标码字块的译码结果；将译码窗口滑动至包含下一个码字块，以对所述下一个码字块进行译码。本发明的方法能够有效提高Zipper码的译码性能，获得低信噪比和低误码率的译码结果。

Description

一种基于Chase-Pyndiah算法的Zipper码软译码方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于Chase-Pyndiah算法的Zipper码软译码方法。

背景技术

2000年，光传输网络(Optical Transport Network，OTN)中的前向纠错码(Forward Error Correction，FEC)在ITU-T建议G.975中首次标准化，该建议规定了(255,239)Reed-Solomon码以2.5Gb/s的吞吐量工作。从那时起，为了适应更高的数据速率，针对OTN的更复杂的FEC方案已得到研究和实施。由于OTN处理的数据吞吐量非常高，因此，使用的FEC必须具有较低的复杂度。

空间耦合码是一类适用于OTN网络中的FEC，其包括空间耦合LDPC、Braided Block码和Staircase码等。Zipper码是一种新的空间耦合码框架，于2019年由A.Y.Sukmadji等人提出。出于复杂度考虑，OTN中的FEC一般采用的是硬判决译码，但是在复杂度要求不太高，而误码率要求高的情况下，硬判决译码达不到要求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于Chase-Pyndiah算法的Zipper码软译码方法，主要解决了在复杂度要求不高的情况下，现有译码算法译码性能不太好的问题。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明的一个方面提供了一种基于Chase-Pyndiah算法的Zipper码软译码方法，包括：

S1：对当前译码窗口中Zipper码的实部块和虚部块的译码信息进行初始化；

S2：利用Chase-Pyndiah算法对当前译码窗口中的分量码进行逐行译码，更新每个比特的外信息值并根据映射关系进行实部块与虚部块的信息交换，以完成一次迭代；

S3：根据更新后每个比特的外信息值获得当前译码窗口下一次迭代时的先验值，并进行下一次迭代；

S4：当达到预设的最大迭代次数后，译码器输出目标码字块的译码结果；

S5：将译码窗口滑动至包含下一个码字块，以对所述下一个码字块进行译码。

在本发明的一个实施例中，所述S1包括：

若所述当前译码窗口为开始译码的第一个译码窗口，则将第一个译码窗口中Zipper码的实部块的先验值均初始化为0，实部块的信道信息初始化为其接收值；将第一个译码窗口中Zipper码的第一个虚部块的先验值初始化为0，第一个虚部块的信道信息初始化为-1。

在本发明的一个实施例中，所述S1还包括：

若所述当前译码窗口为第一个译码窗口之后的译码窗口，将当前译码窗口中最新接收的实部块的先验值初始化为0，最新接收的前一个实部块的先验值初始化为所述前一个实部块在上一个译码窗口最后一次迭代时对应实部比特的外信息，将所述当前译码窗口内其余实部块的先验值初始化为上一个译码窗口最后一次迭代时根据映射关系得到的对应虚部比特的外信息，所有实部块的信道信息均初始化为接收值；

将当前译码窗口中第一个虚部块的先验值初始化为所述第一个虚部块在上一个译码窗口最后一次迭代时对应虚部比特的外信息，当前译码窗口内所有虚部块的信道信息均为根据映射关系得到的对应实部比特接收值。

在本发明的一个实施例中，所述S2包括：

S21：获得当前译码窗口内第i行码字的软输入信息：

其中，

α为比例因子，

表示第i行第j列比特的信道信息，

表示在第I次迭代时第i行第j列比特的先验值，I表示迭代次数；

S22：利用Chase译码器逐行进行译码，译码结束后，更新每个比特的外信息值：

其中，j＝0,1...n-1，

为译码器最终输出码字的调制形式，

为候选码字列表中其他码字的调制形式，β为一个可靠性因子，

是译码器最终输出码字

的第j个比特；

S23：每一行分量码译码结束后，在当前译码窗口内将实部更新的外信息值根据映射关系返回虚部作为虚部的先验值；

S24：重复S21-S23，依次对当前译码窗口中每一行分量码进行译码，从而完成当前译码窗口的一次迭代。

在本发明的一个实施例中，所述S3包括：

S31：在一次迭代结束后，将当前译码窗口内除了第一个虚部之外的所有虚部块更新的外信息根据映射关系返回对应的实部，作为下一次迭代时实部的先验值；将第一个虚部块和最后一个实部块的外信息作为下一次迭代时各自的先验值；

S32：迭代次数I＝I+1，重复S2，从当前译码窗口的第一行开始译码至最后一行。

本发明的另一方面提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行上述实施例中任一项所述基于Chase-Pyndiah算法的Zipper码软译码方法的步骤。

本发明的又一方面一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现如上述实施例中任一项所述基于Chase-Pyndiah算法的Zipper码软译码方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明基于Chase-Pyndiah算法的Zipper码软译码方法能够有效提高Zipper码的译码性能，获得低信噪比和低误码率的译码结果，即在信噪比相同的条件下，本申请的译码方法可以降低误码率，或者在误码率相同的条件下，本申请所需的信噪比更低。

2、本发明基于Chase-Pyndiah算法的Zipper码软译码方法在其他条件(Zipper码长、映射关系、译码最大次数等)相同的条件下，当误码率为10^-5，大约有1dB的增益。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是一种Zipper编译码仿真系统的结构框图；

图2是一种Zipper码的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种基于Chase-Pyndiah算法的Zipper码软译码方法的流程框图；

图4是本发明实施例提供的一种基于Chase-Pyndiah算法的Zipper码软译码方法的流程图；

图5是本发明实施例提供的一种Zipper码滑窗译码示意图；

图6是本发明实施例提供的一种Chase_Pyndiah算法的原理框图；

图7是本发明实施例提供的一种映射关系示意图；

图8是利用本发明实施例的译码方法以及现有技术的BM算法和Chase算法分别进行译码的结果对比图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于Chase-Pyndiah算法的Zipper码软译码方法进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例一

在描述本实施例的Zipper码软译码方法之前，首先介绍一下Zipper码的相关概念及编译码过程。请参见图1，图1是一种Zipper编译码仿真系统的结构框图，该Zipper编译码仿真系统包括伪随机序列生成模块、Zipper码编码模块、BPSK调制模块、AWGN信道模块、BPSK解调模块、Zipper码译码模块和统计错误模块，其中，伪随机序列生成模块用于通过随机函数产生信源比特，并将产生的信源比特送入Zipper码编码模块；Zipper码编码模块用于将输入的信源比特进行Zippper码编码，并将编码后得到的比特序列送入BPSK调制模块；BPSK调制模块用于将Zipper码编码模块送入的比特序列进行二进制相移键控调制，使得“0”调制后变为“-1”，“1”调制后变为“+1”，并将调制后的序列送入AWGN信道模块；AWGN信道模块用于对调制后的序列添加加性高斯白噪声，随后送入BPSK解调模块；BPSK解调模块用于对来自AWGN信道模块的比特序列进行解映射，获得对数似然比信息及硬判决之后的比特序列，随后将得到的对数似然比信息、硬判决之后的比特序列和接收到的序列一同送入Zipper码译码模块；Zipper码译码模块用于依据BPSK解调模块送来的对数似然比信息、硬判决之后的比特序列以及接收到的序列进行软译码，得到最终判决序列并将所述最终判决序列送入统计错误模块；统计错误模块用于对译码得到的最终判决序列和产生的伪随机序列进行对比，统计错误比特数，得到误比特率。

进一步地，请参见图2，图2是一种Zipper码的结构示意图，图中左半部分C_A为虚部，右半部分C_B为实部，实部包括信息比特和校验比特。只有实部能够在信道中进行传输，虚部不在信道中进行发送，每次发送一个码字块，码字块的大小记为L，即一个码字块包括Zipper码的L行分量码，在图2中每一行均为分量码的一个合法码字。对第i行来说，该行虚部大小记为m_i，总的码长记为n_i，实部大小为n_i-m_i。若存在正整数v，满足m_i+v＝m_i，则v为Zipper码的周期。

Zipper码的编码过程如下：编码初始化后，将信息序列放入实部相应位置，按行送入分量编码器中进行编码，得到校验比特。将校验比特放入实部相应位置，然后将该行实部根据映射关系返回虚部，到此该行编码完成，对下一行继续上述过程，直至编码结束。

每L行分量码编码完成后，将实部的比特按行依次经过BPSK调制后送入AWGN信道。接收端将接收到的比特按行依次放入实部位置，每L行为一个码字块，并对其标号，例如，第一个L行记为B₀，第二个L行记为B₁，依次类推。然后通过映射关系得到虚部(第一个虚部块A₀的信道接收值初始化为-1)。从虚部到实部的映射关系为φ，即第i行第j列虚部比特所对应的实部比特为φ(i,j)；从实部到虚部的映射关系为φ^-1，即第i行第j列实部比特所对应的虚部比特为φ^-1(i,j)。

r_i＝(r_i,0,r_i,1,...r_i,j,...,r_i,n)表示第i行分量码信道接收值，

表示第i行分量码的信道信息，同样地，

和

分别表示第i行分量码在第I次迭代时的先验值和外信息值。

为向量

的第j个对应值，即表示第i行第j列比特的信道信息，同样的，

分别为向量

的第j个对应值，即分别表示第i行第j列比特在第I次迭代时的先验值和外信息值。

Zipper码的译码过程在Zipper码译码模块中进行，本实施例提供了一种基于Chase-Pyndiah算法的Zipper码软译码方法，请参见图3和图4，该Zipper码软译码方法包括如下步骤：

步骤1：对当前译码窗口中Zipper码的实部块和虚部块的译码信息进行初始化。

若所述当前译码窗口为第一个译码窗口之后的译码窗口，将当前译码窗口中最新接收的实部块的先验值初始化为0，前一个实部块的先验值初始化为所述前一个实部块在上一个译码窗口最后一次迭代时对应实部比特的外信息，将所述当前译码窗口内其余实部块的先验值初始化为上一个译码窗口最后一次迭代时根据映射关系得到的对应虚部比特的外信息，所有实部块的信道信息均初始化为接收值；

将当前译码窗口中第一个虚部块的先验值初始化为所述第一个虚部块在上一个窗口最后一次迭代时对应虚部比特的外信息，当前译码窗口内所有虚部块的信道信息均为根据映射关系得到的对应实部比特的接收值。

具体地，假设Zipper码的码长为n，虚部大小为m，码字块的大小为L，译码窗口大小为w，当接收到w个码字块以后开始译码。如前所述，Zipper码包括实部和虚部，因此，码字块也包括实部块和虚部块，在译码开始前，首先对实部块和虚部块的译码信息进行初始化。

具体地，若所述当前译码窗口为开始译码的第一个译码窗口，将第一个译码窗口中Zipper码的w个实部块B₀,B₁,....,B_w-1的先验值均初始化为0，w个实部块B₀,B₁,....,B_w-1的信道信息初始化为其接收值；将第一个译码窗口中Zipper码的第一个虚部块A₀的先验值初始化为0，第一个虚部块A₀的信道信息初始化为-1。上述初始化过程用公式表达如下：

(a)对于实部j∈[m,n-1]

其中，L表示码字块大小，w表示译码窗口大小，

表示第i行第j列比特的信道信息，

表示第i行第j列比特的初始先验值，r_i,j表示第i行第j列比特的信道接收值。

(b)对于虚部j∈[0,m-1]

请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种Zipper码滑窗译码示意图，其中，大的虚线框表示当前窗口，小的点划线框表示当前窗口内当前时刻的目标块，当接收到w个码字块以后开始译码，图5中窗口大小为3，即当接收到w＝3个码字块以后开始译码。在本实施例中，在译码开始前，首先对第一个译码窗口进行初始化，对实部来说，对当前窗口中3个实部块B₀,B₁,B₂的先验值均初始化为0，3个实部块B₀,B₁,B₂的信道信息均初始化为其接收值；对虚部来说，第一个虚部块A₀的先验值初始化为0，第一个虚部块A₀的信道信息初始化为-1。本实施例的窗口大小为w＝3，则初始化过程用公式表达如下：

(a)对于实部j∈[m,n-1]

(b)对于虚部j∈[0,m-1]

进一步地，若所述当前译码窗口为第一个译码窗口之后的译码窗口，即当前译码窗口不是第一个译码窗口，若当前译码窗口的目标块为B_h，则对实部来说，将当前译码窗口中最新接收的一个实部块B_h+w-1的先验值初始化为0，实部块B_h+w-1的前一个实部块B_h+w-2的先验值初始化为该块在上一个译码窗口最后一次迭代时对应实部比特的外信息，将所述当前译码窗口内其余实部块的先验值初始化为上一个译码窗口最后一次迭代时根据映射关系得到的对应虚部比特的外信息，所有实部块的信道信息均初始化为接收值；对虚部来说，将当前译码窗口的第一个码字块A_h的先验值为该码字块A_h在上一个窗口最后一次迭代时对应虚部比特的外信息，当前译码窗口内所有码字块的虚部信道信息均为根据映射关系得到的对应实部比特的接收值。用公式表达如下：

(a)对于实部j∈[m,n-1]：

(b)对于虚部j∈[0,m-1]：

具体地，如图5所示，对于窗口大小为w＝3的情况，若当前译码窗口的目标码字块为B_h，则对实部来说，将最新接收的一个实部块B_h+2的实部先验值初始化为0,前一个实部块B_h+1的实部先验值为该实部块B_h+1在上一个窗口(即图5中的h-1窗口)最后一次迭代时对应实部比特的外信息，目标码字块B_h的先验值为上一个窗口(即图5中的h-1窗口)最后一次迭代时根据映射关系得到的对应虚部比特的外信息，所有实部块B_h,B_h+1,B_h+2的信道信息均为其接收值；对虚部来说，当前译码窗口内第一个虚部块A_h的虚部先验值为上一个窗口A_h最后一次迭代时的外信息，窗口内所有A_h,A_h+1,A_h+2虚部块的信道信息为根据映射关系得到的对应实部比特接收值。此时，用公式表达如下：

(a)对于实部：

(b)对于虚部：

S2：利用Chase-Pyndiah算法对当前译码窗口中的分量码进行逐行译码，更新每个比特的外信息值并根据映射关系进行实部块与虚部块的信息交换，以完成一次迭代。

具体地，译码窗口初始化结束以后，开始译码，从当前窗口的第一行开始译码。本实施例采用Chase-Pyndiah算法对译码窗口中的分量码进行译码。Chase-Pyndiah算法是在Chase算法的基础上进行改进的一种算法，Chase算法根据每个比特的可靠度产生不同的错误图样，每个错误图样对应一个测试序列，然后利用硬判决译码器，对这些测试序列进行译码，译码后输出满足校验的码字，组成候选码字列表，然后把列表中的码字与接收序列进行比较，挑选一个与接收序列欧氏距离最小的候选码字作为最终输出。而Chase-Pyndiah算法在Chase算法的基础上增加了输出外信息的计算，其基本原理如图6所示。

具体地，步骤S2包括：

S21：获得当前译码窗口内第i行码字的软输入信息。

在第I次迭代时，

为第i行码字的软输入信息，

其中，α为比例因子，可以根据迭代次数以及信道条件进行优化，为了简单起见，在本实施例中选取α＝0.75。

S22：利用Chase译码器逐行进行译码，译码结束后，更新每个比特的外信息值，对于每一行来说，译码结束后，每个比特都会更新其外信息值，公式如下：

其中，j＝0,1...n-1，

为译码器最终输出码字的调制形式，

为候选码字列表中其他码字的调制形式，可能不存在；β是一个可靠性因子，可以根据迭代次数以及信道条件进行优化，在本实施例中选取β＝1；

为译码器最终输出码字

的第j个比特。

S23：每一行分量码译码结束后，在当前译码窗口内将实部更新的外信息值根据映射关系返回虚部作为虚部的先验值，信息交换过程如下：

S24：重复步骤S21-步骤S23，依次对当前译码窗口中每一行分量码进行译码，从而完成当前译码窗口的一次迭代，即从当前译码窗口内第一行开始译码到最后一行译码结束为一次迭代。

S3：根据更新后每个比特的外信息值获得当前译码窗口下一次迭代时的先验值，并依照S2的过程进行下一次迭代。

所述S3具体包括：

具体地，在一次迭代结束后，将当前译码窗口内的后w-1个虚部块A_h+1,A_h+2,...A_h+w-1更新的外信息根据映射关系返回实部，作为下一次迭代时实部的先验值；第一个虚部块A_h和最后一个实部块B_h+w-1的外信息作为下一次迭代时各自的先验值，具体更新如下：

(a)对于实部j∈[m,n-1]：

(b)对于虚部j∈[0,m-1]：

在图5中即：对当前译码窗口内的2个虚部块A_h+1,A_h+2更新的外信息根据映射关系返回实部，作为下一次迭代时对应实部的先验值；第一个虚部块A_h和最后一个实部块B_h+2的外信息作为下一次迭代时A_h和B_h+2的先验值

随后，迭代次数I＝I+1，然后重复步骤2，从当前译码窗口的第一行开始译码至最后一行。

S4：当达到预设的最大迭代次数I_max后，译码器输出目标码字块的译码结果。

具体地，重复S2和S3，当达到预设的最大迭代次数I_max后，译码器输出目标码字块B_h的译码结果。

具体地，在当前译码窗口中的目标码字块B_h译码完成后，在下一时刻，接收新的信息块B_h+w(如图5中的B_h+3所示)，译码窗口向“下”滑动一个块，以B_h+1作为目标码字块重复之前的过程开始对新的码字块进行译码，直至所有码字块译码完成。

以下结合仿真实验对本发明实施例的Zipper码软译码方法的效果进一步说明。

(1)仿真条件

本发明实施例的仿真实验是在Visual Studio 2019软件下进行的，Zipper码码长n＝124、实部和虚部大小均为m＝62、周期v＝1、块大小为62、窗口大小w＝10、译码最大迭代次数I_max＝20，Chase和Chase_Pyndiah算法不可靠位置数均为p＝3，映射关系如图7所示(需要说明的是，本实施例的m＝62，而图中所示为5，其余不变)，分量码使用的是纠3个错的(127,106)BCH码。

(2)仿真内容与结果分析

在上述条件下，利用本发明实施例的译码方法(图8中以Chase_Pyndiah表示)以及现有技术的BM算法和Chase算法分别进行译码，结果如图8所示，其中，横轴表示信噪比E_b/N₀，单位为分贝dB，纵轴表示误比特率BER。从图8可以知道，使用本发明实施例的译码方法的误比特率曲线在10^-5时，相比BM算法和Chase算法大约有1.3dB的提升。

综上，本实施例的Zipper码软译码方法能够有效提高Zipper码的译码性能，获得低信噪比和低误码率的译码结果，即在信噪比相同的条件下，本申请的译码方法可以降低误码率，或者在误码率相同的条件下，本申请所需的信噪比更低。

本发明的又一方面提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行上述实施例中所述的Zipper码软译码方法的步骤。本发明的再一方面提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现如上述实施例所述Zipper码软译码方法的步骤。具体地，上述以软件功能模块的形式实现的集成的模块，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能模块存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。