DE102017206718B4 - Method for generating a class of non-binary LDPC codes - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Erzeugung einer Klasse von non-binary LDPC-Codes mit einer vorgebbaren Anzahl von Check Nodes und mit einer vorgebbaren Anzahl von Variable Nodes zur Datenübertragung mit PSK-Modulation über einen nicht-kohärenten Kanal mit den folgenden Schritten- Konkatenieren eines äußeren Codes und eines inneren Codes, wobei sich der äußere Code über einen mathematischen Körper der Ordnung q erstreckt und der innere Code über einen mathematischen Ring ebenfalls der Ordnung q ausgelegt ist und wobei ein Symbol des äußeren Codes auf ein Symbol des inneren Codes abgebildet wird,- Vorgeben eines Protographs, der durch eine Basismatrix definiert ist, deren Zeilenanzahl gleich der Anzahl an Check Nodes des Protographs und deren Spaltenanzahl gleich der Anzahl an Variable Nodes des Protographs ist und deren ganzzahlige Elemente die Verbindung der Check Nodes mit den Variable Nodes beschreibt,- schrittweises Expandieren der Basismatrix zur Erstellung einer den zu erzeugenden LDPC-Code beschreibenden Parity-Check Matrix,- wobei jedes Element der Basismatrix bzw. der in dem jeweils vorherigen Schritt expandierten Matrix durch eine Matrix ersetzt wird, deren Zeilen-/Spalten-Gewichtung gleich dem zu ersetzenden Element ist,- wobei die Expansion solange durchgeführt wird, bis die vorgegebene Größe der Parity-Check Matrix erreicht ist und alle Elemente in der resultierenden Matrix entweder den Wert 1 oder 0 besitzen,- wobei die Basismatrix und jede jeweils expandierte Matrix einen quadratischen hinteren Matrixteil, dessen Zeilenanzahl gleich der Spaltenanzahl ist, und einen nicht quadratischen vorderen Matrixteil aufweist,- wobei die Elemente des vorderen Matrixteils der Basismatrix frei wählbare ganze Zahlen sind, die in dem vorderen Teil der resultierenden expandierten Matrix durch Expansion entweder in den Wert 1 oder 0, umgewandelt und danach durch ganzzählige Elemente aus einem mathematischen Körper ersetzt werden, um den vorderen Teil der Parity-Check Matrix zu erzeugen, wobei diese Elemente die Symbole des äußeren Codes beschreiben,- wobei der quadratische hintere Matrixteil der Basismatrix ausschließlich Elemente enthält, die entweder 0, 1 oder 2 sind und die so angeordnet sind, dass der resultierende quadratische hintere Matrixteil des Parity-Check Matrix nach schrittweisem Expandieren der Basismatrix eine Doppeldiagonalen-Struktur aufweist, wobei die Doppeldiagonale ausschließlich Elemente mit dem Wert 1 aufweist und wobei außerhalb der Doppeldiagonalen ausschließlich Elemente mit dem Wert 0 existieren, wobei diese Elemente Elemente aus einem mathematischen Ring sind und die Symbole des inneren Codes beschreiben,- wobei die Elemente des vorderen Matrixteils der Parity-Check Matrix, zur Durchführung von mathematischen Operationen in Körperalgebra vorgesehen sind und- wobei die Elemente des hinteren Matrixteils der Parity-Check Matrix, zur Durchführung von mathematischen Operationen in Ringalgebra vorgesehen sind und einen Phasenakkumulator für den nichtkohärenten Kanal implementieren.Method for generating a class of non-binary LDPC codes with a predeterminable number of check nodes and with a predeterminable number of variable nodes for data transmission with PSK modulation over a non-coherent channel with the following steps - concatenating an outer code and one inner code, whereby the outer code extends over a mathematical body of order q and the inner code is designed over a mathematical ring, also of order q, and where a symbol of the outer code is mapped onto a symbol of the inner code, - specifying a protograph , which is defined by a base matrix whose number of rows is equal to the number of check nodes of the protograph and whose number of columns is equal to the number of variable nodes of the protograph and whose integer elements describe the connection of the check nodes to the variable nodes, - gradual expansion of the base matrix to create a parity check matrix describing the LDPC code to be generated, - each element of the base matrix or the matrix expanded in the previous step is replaced by a matrix whose row/column weighting is equal to the element to be replaced ,- where the expansion is carried out until the specified size of the parity check matrix is reached and all elements in the resulting matrix have either the value 1 or 0,- where the base matrix and each expanded matrix have a square rear matrix part, whose Number of rows is equal to the number of columns, and has a non-square front matrix part, - the elements of the front matrix part of the base matrix being freely selectable integers which are converted into either the value 1 or 0 in the front part of the resulting expanded matrix by expansion and are then replaced by integer elements from a mathematical body in order to generate the front part of the parity check matrix, these elements describing the symbols of the outer code, - the square rear matrix part of the base matrix only containing elements that are either 0, 1 or 2 and which are arranged in such a way that the resulting square rear matrix part of the parity check matrix has a double diagonal structure after the base matrix has been gradually expanded, the double diagonal only having elements with the value 1 and outside the double diagonal only having elements with the Value 0 exist, whereby these elements are elements from a mathematical ring and describe the symbols of the inner code, - where the elements of the front matrix part of the parity check matrix are intended for carrying out mathematical operations in body algebra and - where the elements of the rear Matrix part of the parity check matrix, intended for performing mathematical operations in ring algebra and implementing a phase accumulator for the non-coherent channel.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Klasse von non-binary LDPC-Codes mit einer vorgebbaren Anzahl von Check Nodes und mit einer vorgebbaren Anzahl von Variable Nodes, insbesondere zur Verwendung für die Datenübertragung in Kanälen mit Phasenrauschen (nichtkohärente Kanäle).The invention relates to a method for generating a class of non-binary LDPC codes with a predeterminable number of check nodes and with a predeterminable number of variable nodes, in particular for use for data transmission in channels with phase noise (non-coherent channels).
LDPC-Codes wurden ursprünglich 1963 von Gallager [3] vorgeschlagen, gerieten jedoch über längere Zeit hinweg in Vergessenheit. Es dauerte bis zur Mitte der 1990er Jahre, bis ihr Potential anerkannt wurde. Seitdem wurde auf dem Gebiet der LDPC-Codes ein intensiver Forschungsaufwand mit dem Ziel betrieben, die Code-Leistungsfähigkeit zu verbessern, dabei jedoch die Komplexität des Codierens und Decodierens niedrig zu halten. Dies kulminierte in der Entdeckung der protograph-basierten LDPC-Codes, die zu den am besten bekannten binären Codes zählen (zumindest für mäßig lange bis hin zu langen Blöcken). Generell handelt es sich bei einem Protograph um einen bipartiten Graph mit einer relativ geringen Anzahl von Nodes, wobei mehrere parallele Ränder zwischen Variable Nodes (VN) und Check Nodes (CN) zulässig sind. Der Protograph dient als Blaupause für größere Graphs (und somit längere Codes), die erhalten werden durch
- - mehrfaches Kopieren des Protograph zum Erhalt von f Instanzen (wobei f entsprechend der Ziel-Blocklänge frei gewählt ist und als Expansionsfaktor bezeichnet wird),
- - Permutieren der Ränder unter den Kopien derart, dass die Umgebung jedes VN und CN beibehalten wird.
- - multiple copies of the Protograph to obtain f instances (where f is freely chosen according to the target block length and is referred to as the expansion factor),
- - Permute the edges among the copies such that the environment of each VN and CN is preserved.
Abgesehen von der Wiedergabe als bipartiter Graph kann ein Protograph auch mittels seiner Basismatrix B beschrieben werden. Beispielsweise lässt sich der Protograph mit folgender Basismatrix vorstellen:
Der entsprechende Graph ergibt sich in der in
Zu beachten ist, dass nach dem Kopier- und Permutationsschritt jedes VN vom Typ A mit einem CN vom Typ A und B wie in der Original-Basismatrix gekoppelt ist. Das gleiche gilt für die übrigen VNs und CNs. Somit wird die Umgebung nach der Expansion beibehalten.Note that after the copy and permutation step, each VN of type A is coupled with a CN of types A and B as in the original basis matrix. The same applies to the remaining VNs and CNs. Thus, the environment is maintained after expansion.
Dank ihrer sehr guten Leistungsfähigkeit, ihrer geringen Komplexität beim Codieren und Decodieren sowie ihrer geringen Implementationskomplexität sind Irregular Repeat Accumulate (IRA)-Codes eine populäre Wahl unter den LDPC-Codes. Ein IRA-Code kann erhalten werden durch Repetieren der Informationssymbole in unregelmäßiger Weise, Addieren der Repetierungen und Übermitteln des Ergebnisses an einen Akkumulator. Tatsächlich können IRA-Codes auch als Protographen in der in
Im Stand der Technik existieren zahlreiche Protographen (ARA-artig, IRA-artig oder andere). Diese Protographen werden üblicherweise nicht zur Übertragung über nichtkohärente Kanäle, d.h. Überkanäle, für welche die Phaseninformation am Empfänger nicht bekannt ist, verwendet. Somit zeigen die LDPC-Codes auf derartigen Kanälen normalerweise eine schwache Leistungsfähigkeit. Mit den hier präsentierten Protographen wird eine Lösung dieses Problems vorgeschlagen.Numerous protographs (ARA-like, IRA-like or others) exist in the prior art. These protographs are usually not used for transmission over non-coherent channels, i.e. over-channels for which the phase information is not known at the receiver. Thus, the LDPC codes on such channels usually show poor performance. A solution to this problem is proposed with the protographs presented here.
Ein Verfahren zur Erzeugung einer Klasse von non-binary LDPC-Codes mit einer vorgebbaren Anzahl von Check Nodes und mit einer vorgegebenen Anzahl von Variable Nodes ist aus
[2] gibt einen Überblick über verschiedene binäre Codes für den AWGN Kanal. Einige dieser Codes beinhalten einen Akkumulator und lassen sich als Protographen mit einer entsprechenden Base Matrix darstellen.[2] gives an overview of different binary codes for the AWGN channel. Some of these codes contain an accumulator and can be represented as protographs with a corresponding base matrix.
In
[7] behandelt hybride LDCP Codes, d.h. LDPC Codes, deren Symbole zu verschiedenen Galois Feldern (beispielsweise binär und nicht binär), gehören. Der Fokus liegt hier auf dem AWGN Kanal.[7] deals with hybrid LDCP codes, i.e. LDPC codes whose symbols belong to different Galois fields (e.g. binary and non-binary). The focus here is on the AWGN channel.
In [8] werden Akkumulator-basierte nicht binäre LDPC Codes für den AWGN Kanal behandelt in der Galois Körper Algebra. Von der Struktur ist dies ähnlich zur Erfindungsmeldung, wobei in der Erfindungsmeldung der Akkumulator Ringalgebra annimmt.In [8], accumulator-based non-binary LDPC codes for the AWGN channel are treated in the Galois field algebra. In terms of structure, this is similar to the invention report, although in the invention report the accumulator assumes ring algebra.
Aufgabe der Erfindung ist es, mit geringem Aufwand und geringer Codier- und Decodier-Komplexität einen non-binary LDPC-Code anzugeben, der gute Eigenschaften auch für nicht-kohärente Kanäle hat.The object of the invention is to provide a non-binary LDPC code with little effort and low coding and decoding complexity that has good properties even for non-coherent channels.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung einer Klasse von non-binary LDPC-Codes mit einer vorgebbaren Anzahl von Check Nodes und mit einer vorgebbaren Anzahl von Variable Nodes, insbesondere zur Verwendung für die Datenübertragung in Kanälen mit Phasenrauschen (nicht-kohärente Kanäle), mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:
- - Konkatenieren eines äußeren Codes und eines inneren Codes, wobei sich der äußere Code über einen mathematischen Körper der Ordnung q erstreckt und der innere Code über einen mathematischen Ring ebenfalls der Ordnung q ausgelegt ist und wobei ein Symbol des äußeren Codes auf ein Symbol des inneren Codes abgebildet wird,
- - Vorgeben eines Protographs, der durch eine Basismatrix definiert ist, deren Zeilenanzahl gleich der Anzahl an Check Nodes des Protographs und deren Spaltenanzahl gleich der Anzahl an Variable Nodes des Protographs ist und deren ganzzahlige Elemente die Verbindung der Check Nodes mit den Variable Nodes beschreibt,
- - schrittweises Expandieren der Basismatrix zur Erstellung einer den zu erzeugenden LDPC-Code beschreibenden Parity-Check Matrix,
- - wobei jedes Element der Basismatrix bzw. der in dem jeweils vorherigen Schritt expandierten Matrix durch eine Matrix ersetzt wird, deren Zeilen-/Spalten-Gewichtung gleich dem zu ersetzenden Element ist,
- - wobei die Expansion solange durchgeführt wird, bis die vorgegebene Größe der Parity-Check Matrix erreicht ist und alle Elemente in der resultierenden Matrix entweder den
Wert 1 oder 0 besitzen, - - wobei die Basismatrix und jede jeweils expandierte Matrix einen quadratischen hinteren Matrixteil, dessen Zeilenanzahl gleich der Spaltenanzahl ist, und einen nicht quadratischen vorderen Matrixteil aufweist,
- - wobei die Elemente des vorderen Matrixteils der Basismatrix frei wählbare ganze Zahlen sind, die in dem vorderen Teil der resultierenden expandierten Matrix durch Expansion entweder in den
Wert 1 oder 0, umgewandelt und danach durch ganzzahlige Elemente aus einem mathematischen Körper ersetzt werden, um den vorderen Teil der Parity-Check Matrix zu erzeugen, wobei diese Elemente die Symbole des äußeren Codes beschreiben, - - wobei der quadratische hintere Matrixteil der Basismatrix ausschließlich Elemente enthält, die entweder 0, 1 oder 2 sind und die so angeordnet sind, dass der resultierende quadratische hintere Matrixteil des Parity-Check Matrix nach schrittweisem Expandieren der Basismatrix eine Doppeldiagonalen-Struktur aufweist, wobei die Doppeldiagonale ausschließlich Elemente mit dem
Wert 1 aufweist und wobei außerhalb der Doppeldiagonalen ausschließlich Elemente mit dem Wert 0 existieren, wobei diese Elemente Elemente aus einem mathematischen Ring sind und die Symbole des inneren Codes beschreiben, - - wobei die Elemente des vorderen Matrixteils der Parity-Check Matrix, zur Durchführung von mathematischen Operationen in Körperalgebra vorgesehen sind und
- - wobei die Elemente des hinteren Matrixteils der Parity-Check Matrix, zur Durchführung von mathematischen Operationen in Ringalgebra vorgesehen sind und einen Phasenakkumulator für den nichtkohärenten Kanal implementieren.
- - Concatenation of an outer code and an inner code, whereby the outer code extends over a mathematical body of order q and the inner code is designed over a mathematical ring, also of order q, and where a symbol of the outer code corresponds to a symbol of the inner code is depicted,
- - specifying a protograph that is defined by a base matrix, the number of rows of which is equal to the number of check nodes of the protograph and the number of columns of which is equal to the number of variable nodes of the protograph and whose integer elements describe the connection of the check nodes to the variable nodes,
- - gradual expansion of the base matrix to create a parity check matrix describing the LDPC code to be generated,
- - where each element of the base matrix or the matrix expanded in the previous step is replaced by a matrix whose row/column weighting is equal to the element to be replaced,
- - the expansion is carried out until the specified size of the parity check matrix is reached and all elements in the resulting matrix have either the
value 1 or 0, - - whereby the base matrix and each expanded matrix have a square rear matrix part, the number of rows of which is equal to the number of columns, and a non-square front matrix part,
- - where the elements of the front matrix part of the base matrix are freely selectable integers which are converted into the value either 1 or 0 by expansion in the front part of the resulting expanded matrix and are then replaced by integer elements from a mathematical field in order to form the front one To create part of the parity check matrix, where these elements describe the symbols of the outer code,
- - wherein the square rear matrix part of the base matrix contains exclusively elements that are either 0, 1 or 2 and which are arranged such that the resulting square rear matrix part of the parity check matrix has a double diagonal structure after gradually expanding the base matrix, whereby the Double diagonal has only elements with the
value 1 and where outside the double diagonal only elements with the value 0 exist, these elements being elements from a mathematical ring and describing the symbols of the inner code, - - wherein the elements of the front matrix part of the parity check matrix are intended for carrying out mathematical operations in body algebra and
- - wherein the elements of the rear matrix part of the parity check matrix are intended to carry out mathematical operations in ring algebra and implement a phase accumulator for the non-coherent channel.
Gegenstand der Erfindung ist ein neuartiges Code-Design für non-binary LDPC-Codes, das auf mathematischen Operationen in Ring- und Feldalgebra basiert. Die Codes können durch ein Design eines Protographen [1] beschrieben werden, das es durch eine bestimmte Expansion (Lifting) und Punktierung ermöglicht, Forward Error Correction (FEC) Codes mit praktisch frei wählbarer Bitlänge zu erhalten. Bei korrekter Expansion ähneln die resultierenden Codes punktierten Irregular Repeat Accumulate (IRA) Codes [2]. Jedoch sind erfindungsgemäß sämtliche Operationen, die an dem Doppeldiagonal-Teil der Parity-Check Matrix des Codes durchgeführt werden, Gegenstand von Berechnungen über einen Ring, während sämtliche Berechnungen, die den Informationsteil der Parity Check Matrix betreffen, Gegenstand von Operationen über ein Feld (d.h. über einen Körper oder einen Ring) sind. Der Doppeldiagonal-Teil ist dahingehend konzipiert, dass er einen Phasenakkumulator für nicht kohärente Kanäle mit PSK-Modulationen implementiert. Aufgrund ihres speziellen Designs ermöglichen die Codes
- - niedrige Codier-Komplexität (Codierer sind durch Akkumulatoren zu realisieren),
- - niedrige Decodier-Komplexität (mindestens auf kohärenten Kanälen),
- - gute Leistungsfähigkeit (z.B. hinsichtlich der Codeword Error Rate (CER) oder der Bit Error Rate (BER)) auf kohärenten und nicht kohärenten Additive White Gaussian Noise (AWGN) Kanälen.
- - low coding complexity (encoders can be implemented using accumulators),
- - low decoding complexity (at least on coherent channels),
- - good performance (e.g. in terms of Codeword Error Rate (CER) or Bit Error Rate (BER)) on coherent and non-coherent Additive White Gaussian Noise (AWGN) channels.
Die Anzahl von Reihen eines Photograph sei mit m und die Anzahl von Spalten mit n bezeichnet, wobei n>=m. Es sei angenommen, dass n-m=k. Der folgende Satz von Protographen wird durch ihre Basismatrizen spezifiziert:
Als nächstes werden zwei mögliche Protographen, die von B abgeleitet sind, exemplifiziert. Es sei
Es werden spezielle (finale) Expansionsregeln auferlegt:
- - Die ganz rechts angeordneten m Spalten der Basismatrix B, d.h. die Matrix D, sollen derart expandiert werden, dass sich nach der Expansion eine doppelte diagonale Matrix ergibt, die den ganz rechts angeordneten M=m*f Spalten in E entspricht.
- - Die Submatrix E, die aus den ersten K=k*f Spalten besteht, wird weiter verarbeitet. Jeder einzelne Eintrag wird durch ein Nicht-Null-Feldelement aus dem Galois-Feld (GF) der Ordnung q ersetzt, wobei q ein Design-Parameter ist. Nach diesem letzten Schritt besteht das Ergebnis in der Parity-Check-Matrix H eines Codes. Beide oben genannten Fälle (B1 und B2) können verwendet werden, um spezielle derartige Parity-Check-Matrizen zu erhalten.
- - The rightmost m columns of the base matrix B, ie the matrix D, should be expanded in such a way that after the expansion a double diagonal matrix results, which corresponds to the rightmost M=m*f columns in E.
- - The submatrix E, which consists of the first K=k*f columns, is further processed. Each individual entry is replaced by a non-zero field element from the Galois field (GF) of order q, where q is a design parameter. After this last step, the result is the parity check matrix H of a code. Both cases mentioned above (B 1 and B 2 ) can be used to obtain special such parity check matrices.
Die nach der Expansion erhaltene Matrix H soll eine serielle Konkatenation zweier Codes, eines äußeren Codes c0 und eines inneren Codes cl, beschreiben. Es werden die folgenden Restriktionen auferlegt. Der äußere Code c0 ist ein Code, der sich über ein Feld der Ordnung q erstreckt. Der innere Code cl soll über einen Ring der Ordnung q ausgelegt sein. Ein Feldsymbol des äußeren Codes soll auf ein Ringsymbol des inneren Codes abgebildet werden. Die Parity-Check Matrizen H für co und cl sind aus H ableitbar. Deshalb wird die folgende Struktur eingeführt, bei der H in zwei Sub-Matrizen aufgeteilt wird: H = [A|B].The matrix H obtained after the expansion is intended to describe a serial concatenation of two codes, an outer code c 0 and an inner code c l . The following restrictions are imposed. The outer code c 0 is a code that extends over a field of order q. The inner code c l should be designed over a ring of order q. A field symbol of the outer code should be mapped to a ring symbol of the inner code. The parity check matrices H for c o and c l can be derived from H. Therefore, the following structure is introduced in which H is divided into two sub-matrices: H = [A|B].
Dann lautet die Parity-Check Matrix des äußeren Codes H0 = [A|0] und diejenige des inneren Codes HI = [0|B], wobei 0 eine (m × 1)-Matrix ist. Zu beachten ist folgendes:
- - Die Informationssymbole des inneren Codes können von dem Codierer weitergegeben werden (systematischer Code) oder punktiert werden (nicht systematischer Code). Bei nicht kohärenten Kanälen wird angenommen, dass die Info-Symbole punktiert werden.
- - Das Ausgangssignal des äußeren Codes kann auf der Basis eines Punktiermusters punktiert werden, um die Rate einzustellen.
- - Es wird ein invertierbares Abbilden zwischen den Symbolen des äußeren Codes und des inneren Codes durchgeführt. Dieses Abbilden obliegt dem Code-Designer.
- - The information symbols of the inner code can be passed on by the encoder (systematic code) or punctured (non-systematic code). For non-coherent channels it is assumed that the info symbols are dotted.
- - The output signal of the outer code can be punctured based on a dot pattern to adjust the rate.
- - An invertible mapping is performed between the symbols of the outer code and the inner code. This mapping is the responsibility of the code designer.
Nach dem Dekodieren werden die kodierten Symbole auf komplexe Modulationssymbole abgebildet. Die Wahl der Modulation fällt unter das Design der Physical Layer. Für nicht kohärente Kanäle wird eine Einschränkung auf PSK-Modulationen vorgenommen. Folglich kann der äußere Code als Phasenakkumulator betrachtet werden. Somit besteht die Original-Information in der Phasendifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Symbolen. Ein derartiges Schema ist gut geeignet für Kanäle mit Phasenrauschen und nicht kohärente Receiver.After decoding, the encoded symbols are mapped to complex modulation symbols. The choice of modulation falls under the design of the physical layer. For non-coherent channels, a restriction to PSK modulations is made. Consequently, the outer code can be viewed as a phase accumulator. Thus, the original information consists of the phase difference between consecutive symbols. Such a scheme is well suited for channels with phase noise and non-coherent receivers.
Um dies zu veranschaulichen, sei angenommen, dass der Kanal eine codewortmäßige Konstante und eine unbekannte Phasenverschiebung bewirkt und dass das Codewort aus den m Ausgangssymbolen des äußeren Codes besteht (Die Informationssymbole sind punktiert). Da die beiden benachbarten Symbole den gleichen Phasen-Offset erfahren, wird der Offset gestrichen, wenn seine Differenz berechnet wird, was somit in dem Original-Informations-Symbol resultiert.To illustrate this, assume that the channel causes a codeword constant and an unknown phase shift and that the codeword consists of the m output symbols of the outer code (the information symbols are dotted). Since the two adjacent symbols experience the same phase offset, the offset is canceled when its difference is calculated, thus resulting in the original information symbol.
Wesentliche Merkmale der Erfindung sind:
- - Die Parity-Check Matrix erlaubt sowohl Körper- als auch Ring-Operationen
- - Gute Leistung sowohl für kohärente als auch für nicht kohärente Kanäle,
- - Ermöglichung geringer Kodier-Komplexität
- - Ermöglichung geringer Kodier-Komplexität bei kohärenten Kanälen
- - Die Dekodier-Komplexität bei nicht kohärenten Kanälen ist abhängig von dem Dekodier-Algorithmus für den äußeren Code (Detektor)
- - Geringe Implementierungs-Komplexität
- - The parity check matrix allows both body and ring operations
- - Good performance for both coherent and non-coherent channels,
- - Enabling low coding complexity
- - Enabling low coding complexity with coherent channels
- - The decoding complexity for non-coherent channels depends on the decoding algorithm for the outer code (detector)
- - Low implementation complexity
Allgemein können hinsichtlich der Erfindung noch folgende Aussagen getroffen werden:
- - Das erfindungsgemäße Verfahren gilt für nicht-binäre Codes, also für non-binary LDPC-Codes.
- - Der Protograph ist ein bipartiter Graph, der auch multiple Verbindungen zwischen Check Nodes und Variable Nodes erlaubt. Der wird durch B beschrieben. Der Tanner Graph ist auch ein bipartiter Graph, der aber viel größer ist als der Protograph ist, jedoch lediglich einzelne Verbindungen zwischen Check Nodes und Variable Nodes erlaubt. Der Tanner Graph wird durch die Parity-Check Matrix H beschrieben.
- - Die Matrix E ist eine Zwischen-Matrix auf dem Weg vom Protograph zur Parity-Check Matrix H. Genauer gesagt ist E eine Matrix, die
entweder 1 oder 0 als Elemente hat und genauso groß ist wie die endgültige Parity-Check Matrix H. Der einzige Unterschied zwischen E und H ist, dass E noch keine Körperelemente als Einträge aufweist, während H diese Körperelemente bereits beinhaltet. - - Der Expansions-Prozess endet dann, wenn die Blocklänge des gewünschten Codes erreicht wurde.
- - The method according to the invention applies to non-binary codes, i.e. to non-binary LDPC codes.
- - The Protograph is a bipartite graph that also allows multiple connections between check nodes and variable nodes. It is described by B. The Tanner Graph is also a bipartite graph, which is much larger than the Protograph, but only allows individual connections between check nodes and variable nodes. The Tanner graph is described by the parity check matrix H.
- - The matrix E is an intermediate matrix on the way from the protograph to the parity-check matrix H. More precisely, E is a matrix that has either 1 or 0 as elements and is the same size as the final parity-check matrix H. The The only difference between E and H is that E does not yet have any body elements as entries, while H already contains these body elements.
- - The expansion process ends when the block length of the desired code has been reached.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels eines LDPC-Codes näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
-
1 eine graphische Darstellung eines Graphen mit Check Nodes (quadratisch eingerahmt) und Variable Nodes (eingekreist), -
2 eine graphische Darstellung eines erweiterten Graphen, und zwar basierend auf dem Graph gemäß1 , -
3 ein Blockschaltbild eines Codes, der durch Reihenkonkatenation zweier Codes entstanden ist, -
4 ein Diagramm zur Beschreibung der Eigenschaften eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Codes, -
5 die Struktur des Encoders für die Verwendung beim erfindungsgemä-ßen LDPC-Code und -
6 die Struktur des Decoders für die Verwendung beim erfindungsgemä-ßen LDPC-Code.
-
1 a graphical representation of a graph with check nodes (framed square) and variable nodes (circled), -
2 a graphical representation of an extended graph based on the graph according to1 , -
3 a block diagram of a code that was created by concatenating two codes in series, -
4 a diagram describing the properties of an example of a code according to the invention, -
5 the structure of the encoder for use in the LDPC code according to the invention and -
6 the structure of the decoder for use in the LDPC code according to the invention.
Nachfolgend soll die Erfindung nochmals kurz umrissen werden.The invention will be briefly outlined again below.
Protograph-Konstruktionen und Akkumulator-basierte LDPC Codes (z.B. Codes mit Doppeldiagonalen) sind in der Literatur bekannt und auch in
Für jede Art von Codierung, bei der Körperalgebra oder Ringalgebra verwendet wird, müssen das Assoziativ- und das Kommutativgesetz erfüllt sein. Ferner muss die Existenz eines neutralen Elements gewährleistet sein. Zum Übertragen der Daten werden diese mittels des Codes codiert und nach dem Empfang dekodiert. In beiden Fällen (Codierung und Decodierung) werden mittels des Codes Berechnungen durchgeführt, die zum Teil auf Körperalgebra und zum Teil auf Ringalgebra basieren. Diese spezielle Codestruktur bedingt eine besondere Adaption des Encoders und Decoders wie folgt.For any type of coding that uses body algebra or ring algebra, the associative and commutative laws must be satisfied. Furthermore, the existence of a neutral element must be guaranteed. To transmit the data, it is encoded using the code and decoded after reception. In both cases (encoding and decoding), the code is used to perform calculations that are partly based on body algebra and partly on ring algebra. This special code structure requires a special adaptation of the encoder and decoder as follows.
Zum besseren Verständnis sei gesagt, dass sich der Code in zwei Teile (äußerer und innerer Code) aufspalten lässt. Die Parity-Check Matrix nach der erfindungsgemäßen Protographen-Expansion sei bezeichnet als
Angefangen mit dieser Parity-Check Matrix, werden Encoder und Decoder wie folgt angepasst:Starting with this parity check matrix, the encoder and decoder are adjusted as follows:
Die Struktur des Encoders ist in
- 1) Äußerer Code: Encodieren der Informationssymbole mit Hilfe der Körperalgebra. Hier wird die Matrix G aus
US 2013/0013983 A1
- 1) External code: Encoding the information symbols using body algebra. Here the matrix G becomes
US 2013/0013983 A1
Das Ergebnis sind Zwischen-Symbole v.The result is intermediate symbols v.
2) Mapping der Zwischen-Symbole v auf Ringsymbole a mittels der umkehrbaren Funktion f.
3) Innerer Code: Encodieren der Ringsymbole a mittels Ringalgebra. Das ergibt
Werden die Codesymbole nach dem Encodieren PSK moduliert, lässt sich zeigen, dass der innere Code und der PSK-Modulator die Funktion eines DPSK-Modulators wahrnehmen (und zwar nur dann, wenn der innere Code auf einem Ring basiert).If the code symbols are PSK modulated after encoding, it can be shown that the inner code and the PSK modulator perform the function of a DPSK modulator (and only if the inner code is based on a ring).
Decoder (siehe auch
- 1) Innerer Code: Decodieren der (phasen-)verrauschten Ringsymbole mittels eines speziellen Algorithmus, beispielsweise DP Algorithmus [5], welche für Ringalgebra ausgelegt sind. Diese Algorithmen unterscheiden sich erheblich von denen welche für Körperalgebra verwendet werden!
- 2) Mapping der Wahrscheinlichkeitsfunktionen (probability mass functions) mittels f-1(·).
- 3) Äußerer Code: Decodieren der Zwischen-Symbolen unter Verwendung von Körperalgebra, z.B. durch „non-binary belief propagation“ für LDPC Codes wie in [6].
- 1) Inner code: Decoding the (phase-)noisy ring symbols using a special algorithm, for example DP algorithm [5], which is designed for ring algebra. These algorithms differ significantly from those used for body algebra!
- 2) Mapping the probability mass functions using f -1 (·).
- 3) Outer code: Decoding the intermediate symbols using body algebra, e.g. through “non-binary belief propagation” for LDPC codes as in [6].
Diese aufgeführte Encoder- und Decoderstruktur ist im Stand der Technik nicht bekannt, hat aber Vorteile.This encoder and decoder structure listed is not known in the prior art, but has advantages.
Die Motivation für diese hybride Codestruktur liegt in der Anwendbarkeit des Codes für Kanäle mit Phasenrauschen (nicht-kohärente Kanäle). Hier kommen in der Regel PSK Modulationen, insbesondere DPSK Modulationen zum Einsatz. Ein DPSK Modulator führt Operationen in der Ringalgebra durch. Der innere Decoder versucht, durch spezielle Algorithmen das Phasenrauschen zu beseitigen. Da der erfindungsgemäße Code zum Teil ebenfalls auf der Ringalgebra basiert, erlaubt es die Codestruktur, solche Algorithmen zum Decodieren des Codes zu verwenden. Die Konstruktion nach
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde ein auf B basierender Code mit k=100 Symbolen, n=300 Symbolen und m=200 konzipiert. Es wurde ein Punktieren sämtlicher Informationssymbole vorgenommen, was eine endgültige Blocklänge npunc=200 Symbole ergab. Der äußere Code basierte auf einem Feld der Ordnung 8 und der innere Code auf einem Ring der Ordnung 8. Die Modulation war 8PSK, wobei die Modulations-Ordnung an die Ring-Ordnung angepasst war. Hinsichtlich der Bits hatte der vorliegende Code eine Codeword-Länge von 600 und eine Informations-Länge von 300, somit eine Rate von ½. Es wurde ein Standard-AWGN-Kanal zur Übertragung angenommen und die Codewort-Fehlerrate gegenüber Eb/N0 gemessen. Als Benchmark wurde die entsprechende beliebige Codier-Grenze evaluiert. Die Ergebnisse sind in
Das hier vorgeschlagene Verfahren kann in sämtlichen Typen kommerzieller drahtloser und verdrahteter Übertragungssysteme angewandt werden.The method proposed here can be used in all types of commercial wireless and wired transmission systems.
ABKÜRZUNGSVERZEICHNISLIST OF ABBREVIATIONS
- ARAERA
- Accumulate-Repeat-AccumulateAccumulate-Repeat-Accumulate
- CERCERIUM
- Codeword Error RateCodeword Error Rate
- CNCN
- Check-nodeCheck node
- BERBER
- Bit Error RateBit Error Rate
- LDPCLDPC
- Low-Density Parity-Check (Code)Low-density parity check (code)
- ITI.T
- Iterativ (Decoder)Iterative (decoder)
- VNVN
- Variable-nodeVariable node
- DPDP
- Discretized PhaseDiscretized phase
- PSKPSK
- Phase Shift KeyingPhase shift keying
- DPSKDPSK
- Differential Phase Shift KeyingDifferential phase shift keying
LITERATURVERZEICHNISBIBLIOGRAPHY
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Also Published As
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---|---|
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Legal Events
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