CN1809981A - 在通信系统内选择纠错编码的系统和方法 - Google Patents

在通信系统内选择纠错编码的系统和方法 Download PDF

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Abstract

码设计器单元能够动态确定一种纠错码，所述纠错码具有与当前期望性能大致匹配的用于通信信道当前条件的性能。所述码设计器单元至少通过自动评估用于所述当前条件下的码性能来动态确定所述纠错码。涉及纠错码的信息可提供给发送器码生成器以生成用于编码的纠错码表示，而涉及纠错码的信息也可提供给接收器码生成器以生成用于解码的纠错码表示。在低密度奇偶校验码的实例中，涉及所述纠错码的信息可以是普通随机源以及其低密度奇偶校验码的平均性能与所述当前期望性能大致匹配的集合的定义。

Description

在通信系统内选择纠错编码的系统和方法
背景技术
使用纠错码的纠错提高了通信系统和设备的可靠性。在现存的编码方法中，通信发送端处的编码器编码例如给定长度的块或矢量的输入字，用以产生纠错码的码字。在通信系统接收端的解码器对接收的码字(块)解码，产生可指示系统输入字的码字的评估。
纠错码的码率是输入比特数与输出符号数的比率。信道条件越好，就可使用更高的码率同时还能保证可接受的性能。具有给定码率的码的截短和/或重复可以实现不同的有效码率并且还可以生成不同质量的码。
传统的发送器在其存储器内存储一个或小量的算法用于产生特定码的码字，每个码都能够使用特定码率和特定的块长度。此外，发送器可以使用码率匹配技术实现对由一种算法产生的输出码字的截短和/或重复。
传统的接收器其存储器内存储一个或小量的解码算法，可能在码率匹配技术用于特定码的码字之后，将所述算法用于解码特定码的码字。
当发送器和接收器经由通信信道通信时，就期望协调涉及通信使用的码。
附图说明
在附图中示出本发明实施例仅用于示例而非限制，在所述附图中系统的编号指代相应的类似或相似的元素并且附图包括：
图1是典型的通信系统的简化框图，所述通信系统包括动态地确定新纠错码的码设计器单元；
图2是可由图1中典型通信系统的码设计器单元执行的典型方法的流程图；
图3A是可由图1中典型通信系统的发送器执行的典型方法的流程图；
图3B是可由图1中典型通信系统的接收器执行的典型方法的流程图；
图4是可由使用总集设计低密度奇偶校验(LDPC)码的码设计器来执行的典型方法的流程图；
图5A是可由典型通信系统中的发送器执行的典型方法的流程图，所述通信系统具有使用总集设计LDPC码的码设计器；
图5B是可由典型通信系统中的接收器执行的典型方法的流程图，所述通信系统具有使用总集设计LDPC码的码设计器。
可以认识到为了说明的简明，图中示出的元素不必按比例绘出。例如出于清楚的考虑，相对于其他元素可能夸大某些元素的尺寸。
具体实施方式
为了能够全面理解本发明将在随后的详细描述中阐述多个指定细节。然而本领域普通技术人员应该理解无需这些具体细节也可实践本发明。在其他实例中，未对周知的方法、过程、组件和线路做出详尽描述从而防止淡化本发明的主题。
图1是根据本发明的某些实施例的典型通信系统的简化框图。通信系统100可以经由通信信道104与通信系统102通信。
虽然本发明的范围不限于这一方面，但是通信设备100和102可包括计算机的有线或无线或电缆调制解调器(未示出)而通信信道104可以是诸如因特网的广域网(WAN)或局域网(LAN)。例如所述系统可以是无线LAN(WLAN)系统或数字用户线路(DSL)系统。另外虽然本发明的范围不限于这一方面，但是图1中的通信系统可以是蜂窝通信系统的部分，其中通信设备100和102中的一个可以是基站而另一个可以是移动站，或者通信设备100和102两者都是移动站、寻呼机通信系统、个人数字助理和服务器等等。在此情况下，通信设备100和102都可包括射频天线。更具体地，图1中示出的通信系统可以是诸如频域双工(FDD)宽带码分多址(WCDMA)蜂窝系统等等的第三代合作项目(3GPP)。
通信设备100可以包括含有编码器108的发送器106。通信设备102可以包括含有解码器112的接收器110。通信设备100可任选地包括射频天线109并且通信设备102可任选地包括射频天线111。天线109和111可以是任何期望种类，诸如但不限于偶极、引向反射(Yagi)、多极天线等等。此外，通信设备100可包含接收器(未示出)。类似地，通信设备102可包含发送器(未示出)。
编码器108可以编码带有纠错码的数据。纠错码实例的非穷举列表包括卷积码和诸如turbo码和低密度奇偶校验(LDPC)码的分组码，虽然也可结合本发明使用其他纠错码。
正如本领域所周知的，在低密度奇偶校验(LDPC)码的奇偶校验矩阵中的非零项的分数是较小的，即严格小于块长度的平方。更具体地，非零项的分数可以是按块长度呈线性的。定义LDPC总集的一种方法是通过在总集内表示LPDC码的二分图的边度分布。在这一二分图中，左边的节点可以表示变量而右边的节点可以表示约束，虽然本发明的范围不限于这一方面。例如，可将特定的LDPC总集定义为二分图的特定集合，其中所有的边都到达度为3的左边节点，40％的边到达度为5的左边节点并且60％的边到达度为6的右边节点，其中也将这些集合赋予均匀的概率分布，正如Thomas J.Richardson和Rudiger L.Urbanke在IEEETransactions on Information Theory，Vol.47，No.2，pp638-656，February 2001中发表的“Efficient Encoding ofLow-Density Parity-Check Codes”中所描述的那样。
发送器106可经由通信信道104发送编码数据给接收器110。解码器可以解码接收到的经编码的信号用于提取数据或评估数据。
根据本发明的某些实施例，发送器106可包含发送(TX)码生成器114以生成用于编码的一代码表示。虽然图1中示出的TX码生成器114与编码器108分离，但是在本发明的某些实施例中TX码生成器114可以是编码器108的一部分。
根据本发明的某些实施例，接收器110可包含接收(RX)码生成器116以生成用于解码的一代码表示。虽然图1中示出的RX码生成器116与解码器112分离，但是在本发明的某些实施例中RX码生成器116可以是解码器112的一部分。
用于编码的码表示可以与用于解码的码表示不同。例如在线性块码的情况下，奇偶校验矩阵可以是用于解码的码的充分表示。在另一个实例中，用于编码的turbo码的充分表示可以包括生成器、交织器和截短屏蔽码。在另一个实例中，在LDPC码的情况下，包括了Thomas J.Richardson和Rudiger L.Urbanke在IEEETransactions on Information Theory，Vol.47，No.2，pp638-656，February 2001中发表的“Efficient Encoding of Low-Density Parity-Check Codes”中描述的那些矩阵的矩阵集合可以是用于编码的码的充分表示。
当期望新的纠错码时，码设计器单元118可以为TX码生成器114和RX码生成器116提供信息，从而使得TX码生成器114和RX码生成器116能够为相同的新码产生码表示。如图1所示，码设计器单元118可以与通信设备100和102分开，并且可以是具有存储器122和处理器124的设备120的部分；在本发明的其他实施例中，码设计器单元118可以是通信设备100的部分或者是通信设备102的部分。例如在蜂窝通信系统的情况下，码设计器单元118可以是基站的部分，通信设备100和102中的一个可以是移动站，并且通信设备100和102中的另一个可以是基站或者另一个移动站。
在若干不同的环境下会期望新码。例如当信道条件改善时，就适于使用高于先前的码率。类似地，当信道条件恶化时，就适于使用低于先前的码速率。在另一个实例中，当性能要求改变时，就期望不同的码。应该认识到本发明的范围不限于这些实例并且可使用任何标准确定期望的新码。此外，可使用任何标准确定期望哪些新码，例如可以为了当前期望的性能选择新码。码的编码和/或解码复杂度是确定期望新码的一个因素。因此如图2中的典型流程图所示，码生成器单元118可以接收用于码的当前信道特征和当前期望性能作为输入(-200-)。码生成器单元118可以使用该输入确定由编码器108和解码器112所使用的新码。码生成器单元118可以考虑不同速率和/或不同块长度的码用以确定新码。在并行链接turbo码的实例中，码生成器单元118可以选定卷积生成器和速率匹配策略并且考虑其块长度、码交错和/或信道交错不相同的码。码生成器单元118可以通过考虑初始码开始(-202-)。码生成器单元118可以自动评估用于当前信道条件的该码性能(-204-)。例如，所述码性能的评估可以包括仿真或数值计算。
如果考虑的码的评估性能与期望性能不是大致匹配的(-206-)，那么码生成器单元118就考虑不同的码(-208-)并且自动评估用于当前信道条件的此不同码的性能(-204-)。如果考虑的码的评估性能与期望性能大致匹配(-206-)，那么码生成器单元118发送包括例如码定义的信息给TX码生成器114和RX码生成器116(-208-)。由码生成器单元118提供的信息是依赖于纠错码的类型还依赖于码生成器114和116使用的方法。
如果码生成器单元118在发送器106和接收器110的外部，那么随后该信息将在一条或多条消息内被提供给发送器106和接收器110。如果码生成器单元118在发送器106内部，那么随后该信息经由一条消息从发送器106提供给接收器110。类似地果码生成器单元118在接收器110内部，那么随后该信息经由一条消息从接收器110提供给发送器106。
图2中所示的方法可由码生成器单元118动态地执行，例如当经由信道104的通信处于进程中的时候。然而由发送器106和接收器110使用的新码还服从其他的限制。例如，发送器106会延迟新码的使用直到使用旧码的旧有块传输结束。
图3A是可由发送器106执行的典型方法的流程图，而图3B是可由接收器110执行的典型方法的流程图。TX码生成器114和RX码生成器116都可以接收新码的定义(-302-和-312-)。
随后TX码生成器114可以生成用于编码的新码表示(-304-)，并且RX码生成器116可以生成用于解码的新码表示(-314-)。
由TX码生成器114和RX码生成器116实现的所述方法可以在软件、硬件、固件以及它们的结合中得以实现。
编码器108使用由TX码生成器114生成的用于编码的码表示用于新码编码数据(-306-)，并且发送器106可以经由通信信道104将已编码数据数据发送给接收器110。
接收器110可接收可能失真的已编码数据，并且解码器112使用由RX码生成器116生成的用于解码的码表示用于新码解码数据(-316-)。
图4是用于低密度奇偶校验码特定实例可由码设计器单元118执行的典型方法的流程图。码设计器单元118可接收用于码的当前信道特征和当前期望性能作为输入(-400-)。
码设计器单元118可以考虑初始的LDPC总集(-402-)。例如给定的期望速率r可表示为1-a/b，所述初始LDPC总集可以是由一组二分图表示的常规LDPC码的集合，图中所有的边都到达度为a的左节点并且所有的边都达到度为b的右节点，并且该集合也被赋予统一的概率分布。初始码的块长度可以由诸如解码许可等待时间的其他标准所确定。
码设计器单元118可自动评估用于当前信道条件的LDPC总集平均性能(-404-)。例如，对LDPC总集的平均性能的评估可以包括数学上计算，诸如Richardson和Rudiger在IEEE Transactions on Information Theory，Vol.47，No.2，February 2001中发表的“The Capacity of Low-Density Parity-Check Codes underMessage-Passing Decoding”中描述的那样。如果被考虑的经评估LDPC总集的平均性能与当前期望性能不能大致匹配(-406-)，那么随后码设计器单元118可以考虑不同的LDPC总集(-408-)并且可以自动评估用于当前信道条件的不同的LDPC总集平均性能(-404-)。
可以在-406-使用任何合适的测试以确定被考虑的经评估LDPC总集的平均性能与当前期望性能是否大致匹配。例如，作为“密度演进(density evolution)”(在Richardson和Rudiger在IEEE Transactions on Information Theory，Vol.47，No.2，February 2001中发表的“The Capacity of Low-Density Parity-Check Codes underMessage-Passing Decoding”中作过解释)的数字技术在无限块长度处检查零比特误码概率。优化算法可以查找，例如用于恰当零比特误码概率的最低信噪比(SNR)或者用于给定SNR请求的最接近速率等等。
对于由边界序列(左边和右边)定义的LDPC总集来说，(-408-的)不同的LDPC总集和它们经评估的性能(-404-)可使用如下的“最速下降(steepestdescent)”方法所确定，该方法在T.J.Richardson，M.A.Shokrollahi和R.L.Urbanke在IEEE Transactions on Information Theory，Vol.43，No.2，pp619-637，February 2001中发表的“Design of Capacity-Approaching Irregular Low-Density Parity-CheckCodes”中有详细描述。该LDPC总集的性能(即那些由边界序列定义的)可以是这些序列的函数。因此，对所述序列的微扰能够推进“邻近”集合的性能演进(在边序列的近值方面)。可选择具有最佳平均性能的邻近集合并且可以反复继续该过程直到具有优于其邻居的平均性能的收敛集合出现。
本领域内已知，从LDPC码的集合中抽取的单个无变化码的性能与该集合平均性能在概率上相近。例如这些在Richardson和Rudiger在IEEE Transactions onInformation Theory，Vol.47，No.2，February 2001中发表的“The Capacity ofLow-Density Parity-Check Codes under Message-Passing Decoding”中作过描述。因此，一旦码设计器单元118确定其平均性能大致匹配当前信道条件和当前期望性能，则从该集合中随机抽取的多数LDPC码将具有与当前信道条件和当前期望性能大致匹配的性能。
如果经评估的LDPC总集平均性能大致匹配当前期望性能(-406-)，那么码设计器单元118可以发送包括例如LDPC总集的定义、块长度(如果不固定的话)和随机源的信息给TX码生成器114和RX码生成器116(-410-)。
图2和图4中示出的方法可由代生成器118在软件、硬件、固件或它们的任意结合中实现。如果在软件中实现，那么用于本发明的码可以如图1所示存储在存储器122中，并由处理器124执行。
图5A是可由发送器106执行的典型方法的流程图，而图5B是可由接收器110执行的典型方法的流程图。TX码生成器114和RX码生成器116都可接收LDPC码的定义、块长度和随机源(-500-和-510-)。
TX码生成器114和RX码生成器116可使用该随机源用于从集合中伪随机的抽取码以确保TX码生成器114和RX码生成器116都从集合中抽取了相同的码(-502-和-512-)。例如，普通随机源可以采取种子的形式用于伪随机数字生成器。所述种子可由码设计器单元118从预存列表中选择或者可由伪随机序列生成器或由反复试验自己生成，虽然本发明的范围不限于这一方面。
随后TX码生成器114生成用于编码的新码表示(-504-)，而RX码生成器116生成用于解码的新码表示(-514-)。Richardson和Rudiger在“The Capacity ofLow-Density Parity-Check Codes under Message-Passing Decoding”中描述了随机生成属于某集合的LDPC码的奇偶校验矩阵的方法。本领域已知如何从所述奇偶校验矩阵中生成LDPC码的编码表示。此外，奇偶校验矩阵本身就是LDPC码的解码表示。
由TX码生成器114和RX码生成器116实现的方法可以在软件、硬件、固件或它们任意的结合中实现。
编码器108可使用由TX码生成器114生成的用于新码编码的码表示编码数据(-506-)，并且发送器106可以经由通信信道104将已编码数据发送给接收器110。
接收器110可以接收可能已失真的编码数据，并且解码器112可以使用由RX码生成器116生成的用于新码的码表示解码所述已编码数据(-516-)。
只要当前码令人满意，编码器108和解码器112就继续使用它。然而若是期望新码，随后就执行类似于图2和图4中所示的方法。
虽然在此示出并描述了本发明的特定特性，但本领域普通技术人员可以认识到许多修改、代替、改变和等效。因此可以理解所附权利要求旨在覆盖所有这些位于本发明精神范围内的修改和改变。

Claims (31)

1.一种方法，包括：
动态确定纠错码，它具有与当前期望性能大致匹配的用于通信信道当前条件的性能，包括至少自动评估用于所述当前条件的所述码的所述性能。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，动态确定所述纠错码包括：
选择低密度奇偶校验码的集合，其平均性能与所述当前期望性能大致匹配；以及
提供随机源以用于从所述集合中伪随机地选择所述纠错码。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，选择所述集合包括在数字上计算所述平均性能。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，动态确定所述纠错码包括：
选择低密度奇偶校验码的集合，其平均性能与所述当前期望性能大致匹配；以及
从所述集合中伪随机地选择所述纠错码。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
生成用于编码的所述纠错码的表示。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
生成用于解码的所述纠错码的表示。
7.一种方法，包括：
自动地评估用于通信信道当前条件的纠错码性能；以及
如果所述性能与当前期望性能大致匹配，就将关于所述码的信息提供给当前在所述信道上通信的发送器和接收器。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述信息将由所述发送器用于生成所述纠错码的表示用于编码将来在所述信道上的通信，并且所述信息将由所述接收器用于生成所述纠错码的表示用于解码所述将来通信。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述信息包括随机源和低密度奇偶校验码的集合的定义。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括使用所述随机源从所述集合中伪随机地选择所述纠错码。
11.一种包括存储介质的物品，该存储介质具有可由处理平台执行的指令存储其上，执行这些指令导致：
动态确定纠错码，该纠错码具有与当前期望性能大致匹配的用于通信信道当前条件的性能，包括至少自动评估用于所述当前条件的所述码的所述性能。
12.如权利要求11所述的物品，其特征在于，动态确定所述纠错码包括选择低密度奇偶校验码的集合，其平均性能与所述当前期望性能大致匹配，并且提供随机源以便用于从所述集合中伪随机地选择所述纠错码。
13.如权利要求12所述的物品，其特征在于，选择所述集合包括在数字上计算所述平均性能。
14.一种包括存储介质的物品，该存储介质具有可由处理平台执行的指令存储其上，执行这些指令导致：
接收关于纠错码的信息，所述纠错码具有与当前期望性能大致匹配的用于通信信道当前条件的评估的性能；以及
生成所述纠错码的表示用于编码将在所述通信信道上传送的数据，
其中所述经评估的性能是对所述当前条件自动评估的。
15.如权利要求14所述的物品，其特征在于，所述信息包括低密度奇偶校验码的集合的定义和随机源。
16.如权利要求15所述的物品，其特征在于，还包括当所述指令由所述处理平台执行时，还会导致：
使用所述随机源从所述集合中伪随机地选择所述纠错码。
17.一种包括存储介质的物品，该存储介质具有可由处理平台执行的指令存储其上，执行这些指令导致：
接收关于纠错码的信息，所述纠错码具有与当前期望性能大致匹配的用于通信信道当前条件的评估的性能；以及
生成所述纠错码的表示用于解码在所述通信信道上接收到的已编码数据，
其中所述经评估的性能是对所述当前条件自动评估的。
18.如权利要求17所述的物品，其特征在于，所述信息包括低密度奇偶校验码的集合的定义和随机源。
19.如权利要求18所述的物品，其特征在于，还包括当所述指令由所述处理平台执行时，还会导致：
使用所述随机源从所述集合中伪随机地选择所述纠错码。
20.一种装置，包括：
用于动态确定纠错码的码设计器单元，所述纠错码具有与期望性能大致匹配的用于通信信道当前条件的性能，其中所述码设计器单元至少通过自动评估用于所述当前条件的所述码的所述性能来动态确定所述纠错码。
21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述码设计器单元至少通过选择一个其平均性能与所述当前期望性能大致匹配的低密度奇偶校验码的集合来动态确定所述纠错码。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述码设计器单元通过至少在数字上计算所述平均性能来选择所述集合。
23.一种通信设备，包括：
偶极天线；以及
用于动态确定纠错码的码设计器单元，所述纠错码具有与期望性能大致匹配的用于通信信道当前条件的性能，其中所述码设计器单元至少通过自动评估用于所述当前条件的所述码的所述性能来动态确定所述纠错码。
24.如权利要求23所述的通信设备，其特征在于，还包括：
生成所述纠错码的表示的码生成器，用于编码将经由所述偶极天线在所述通信信道上传送的数据。
25.如权利要求23所述的通信设备，其特征在于，还包括：
生成所述纠错码的表示的码生成器，用于解码经由所述偶极天线在所述通信信道上接收的已编码数据。
26.一种通信系统，包括：
用于在通信信道上相互通信的第一通信设备和第二通信设备；以及
用于动态确定纠错码的码设计器单元，所述纠错码具有与期望性能大致匹配的用于所述通信信道当前条件的性能，其中所述码设计器单元至少通过自动评估用于所述当前条件的所述码的所述性能来动态确定所述纠错码。
27.如权利要求26所述的通信系统，其特征在于，所述第一通信设备包括从由所述码设计器单元提供的信息中生成用于编码的所述纠错码表示的发送器，而所述第二通信设备包括从由所述码设计器单元提供的信息中生成用于解码的所述纠错码表示的接收器。
28.如权利要求26所述的通信系统，其特征在于，所述码设计器单元是所述第一通信设备和所述第二通信设备之一的一部分。
29.一种计算机，包括：
使能与网络通信的调制解调器；以及
用于动态确定纠错码的码设计器，所述纠错码具有与期望性能大致匹配的用于所述网络的当前条件的性能，其中所述码设计器单元至少通过自动评估用于所述当前条件的所述码的所述性能来动态确定所述纠错码。
30.如权利要求29所述的计算机，其特征在于，还包括
生成所述纠错码表示的码生成器，用于编码将经由所述调制解调器在所述网络上发送的数据。
31.如权利要求29所述的计算机，其特征在于，还包括：
生成所述纠错码表示的码生成器，用于解码经由所述调制解调器在所述网络上接收的已编码数据。
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