CN108566211A - 基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法，按层处理顺序对H矩阵进行信息传递，通过采用对每次迭代中H矩阵层的处理顺序进行重新排序的新译码方式来达到提高译码纠错性能的目的。在每次迭代中根据H矩阵每层的度值对译码层处理顺序进行重新排序，度值表示每层校验节点集出现错误的可能性，值越大每层校验节点集越容易出现错误，按照值由大到小的顺序依次对H矩阵相应层进行信息更新，相对于传统的采用固定H矩阵层处理顺序进行译码的layered LDPC译码算法，可加快译码纠错速度，提高译码性能；可降低译码复杂度。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于H矩阵层处理顺序动态变化的layeredLDPC译码方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：信道编码技术在通信系统的信息传输过程中有着关键性的作用，用于保证信息的可靠传输。而在众多的纠错编码技术中，由Gallager在1961年提出的低密度奇偶校验(LDPC)码，由于其具有非常接近shannon极限的纠错性能的优点而成为现代通信系统中信道编码的研究热点。随着无线通信技术的不断发展，移动通信技术已由1G(1st Generation Mobile Communication Systems，第一代移动通信系统)发展到了现在受到高度重视和研究的5G(5th GenerationMobile CommunicationSystems，第五代数字移动通信系统)。未来5G将实现提高用户体验，实现万物互联，零时延，千亿量级设备连接等的超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的愿景。因此对数据传输速率和数据传输可靠性要求会更高，相应地对译码速度和译码纠错性能的要求也会更高。因此研究性能更好的LDPC译码算法就很有必要。针对LDPC编译码，目前已有大量研究人员对其进行研究，在传统flooding LDPC译码基础上，人们提出了layered LDPC译码算法，通过多行并行处理，提高译码速度。但在未来5G对译码性能和译码速度等要求更高的形势下，传统layered LDPC译码算法采用固定的H矩阵层处理顺序进行译码，不能优先处理错误可能性较大的校验节点集，导致译码纠错速度慢，无法达到更好的译码性能，因此需要进一步研究5G标准下译码性能更好的LDPC译码算法。传统的置信传播(BP)译码算法译码性能虽好，但译码复杂度高，不适合硬件实现。
综上所述，现有技术存在的问题是：传统layered LDPC译码算法译码性能较低。传统的置信传播(BP)译码算法译码性能虽好，但译码复杂度高，不适合硬件实现。
解决上述技术问题的难度和意义：针对传统layered LDPC译码算法采用固定H矩阵层处理顺序这一缺点导致的译码性能较低以及BP算法译码复杂度高等问题，本发明提出的算法只需利用Min-Sum算法求出H矩阵每层度值即可根据该值对H矩阵层处理顺序进行最佳排序，之后再根据此顺序进行layered LDPC译码处理。如此本发明提出的算法可加快译码纠错速度，提高译码性能，降低译码复杂度，更好地应对未来5G对传输速率及传输可靠性的高要求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于H矩阵层处理顺序动态变化的layeredLDPC译码方法。
本发明是这样实现的，一种基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法，所述基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法按层处理顺序对H矩阵进行信息传递，通过采用对每次迭代中H矩阵层的处理顺序进行重新排序新译码；在每次迭代中根据H矩阵每层的度值对译码层处理顺序进行重新排序，度值表示每层校验节点集出现错误的可能性；按照值由大到小的顺序依次对H矩阵相应层进行信息更新。
进一步，所述基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法包括以下步骤：
步骤一，初始化：λn＝Ln,n＝1,2,…,N；对所有：
n∈N(m),Rmn＝0,m＝1,2,…,M；i＝0；
步骤二，i＝i+1，如果i＜I，转到步骤三，否则转到步骤七；
步骤三，计算H矩阵每层度值，根据该值对H矩阵层处理顺序进行排序；
步骤四，校验节点消息和硬判决消息更新：根据步骤三所得的H矩阵层处理顺序，依次对每层消息进行更新。针对某一层某一行校验节点k，对所有n∈N(k)，计算将作为新的λn硬判决消息存储到λn存储器中并用于下一个校验节点消息的更新；对下一个校验节点执行同样的操作，直到本层所有的校验节点消息都更新完毕；对下一层执行同样的操作，直到所有层全部更新完毕；
步骤五，更新译码消息：利用硬判决消息λn符号更新译码消息λn＞0时λn＜0则n＝1,2,…,N；
步骤六，判断是否满足满足则转到步骤七，否则转到步骤二；
步骤七，迭代终止，作为最终第n比特译码消息，n＝1,2,…,N；其中，m表示行，n表示列，M表示H矩阵总行数，即校验节点总个数，N表H矩阵总列数，即变量节点总个数；i表示当前的迭代次数，I表示最大迭代次数；Ln是信道初始接收消息；λn表示第n比特硬判决消息；表示第n比特译码消息；表示第i次迭代时第m个校验节点传给相关联的第n个变量节点的消息；N(m)表示与第m个校验节点相关联的所有变量节点的集合，M(n)表示与第n个变量节点相关联的所有校验节点的集合。
进一步，在每次迭代中都对H矩阵每层的度值进行重新计算，根据值的大小对译码层的处理顺序进行重新排序，按照该译码层处理顺序进行译码。
进一步包括：计算H矩阵每层的度值，根据度值由大到小的顺序对译码层的处理顺序进行排序，根据该译码层处理顺序进行信息更新。
进一步具体包括：
1)计算度值，定义节点残差是本次迭代节点信息值与上次迭代节点信息值之差的绝对值；残差越大，表示该节点传递信息越容易出错，对译码性能影响越大，计算方法是：在每次迭代中，根据上一次迭代的硬判决消息和校验节点消息，计算每行变量节点消息最小值和次小值，以及两者所在的列位置；计算但不更新在本次迭代中这两个列位置所对应的校验节点消息，将这两个消息分别与上次迭代结果求差值绝对值并相加作为本行值；将每层所有行的值相加作为本层的度值；
2)对译码层的处理顺序进行排序，每层度值，按照其由大到小的顺序依次对H矩阵对应层进行排序，并将其作为最终本次迭代的译码层处理顺序；
3)更新信息，采用NMS译码算法，利用排序得到的译码层处理顺序依次对每层校验节点集进行信息更新；在每层校验节点集中，从第一行开始由上至下利用依次对每个校验节点进行信息更新，在处理每个校验节点后同时利用更新λn硬判决消息以便用于下一个校验节点消息的更新。
进一步，所述基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法采用译码处理层顺序动态变化的新形式进行迭代译码，对信息更新采用按层处理的方式，每次迭代中都重新计算每层的度值并根据此值对译码层的处理顺序进行重新排序；每次迭代中，按照更新的译码层处理顺序，首先处理第一层，对每层校验节点集从第一行开始顺序处理，直到本层处理完毕，再按照译码层处理顺序处理第二层，直到所有层更新完毕，则表示本次迭代结束。
进一步，所述基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法每次迭代中按照重新排序的译码层处理顺序依次对校验节点集进行信息更新；采用动态变化的译码层处理顺序，对最容易出错的校验节点集进行信息的更新和纠错。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法的无线通信系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提供的5G标准下基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码算法是通过采用对每次迭代中译码层的处理顺序进行重新排序的新译码方式来达到提高译码性能的目的。该算法在每次迭代中都重新计算度值，度值表示每层校验节点集出现错误的可能性，值越大每层校验节点集越容易出现错误。根据该值的大小对译码层的处理顺序进行重新排序，并按照此更新顺序再依次对相应层进行信息更新，如此可优先处理最容易发生错误的校验节点集，因此该5G标准下基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码算法可加快译码纠错速度，加快译码收敛速度，提高译码性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法流程图。
图2是本发明实施例提供的5G标准下基于H矩阵层处理顺序动态变化的layeredLDPC译码算法描述图。
图3是本发明实施例提供的5G标准下码率R＝1/3，Z＝48的BER性能对比图。
图4是本发明实施例提供的5G标准下码率R＝1/3，Z＝128的BER性能对比图。
图5是本发明实施例提供的5G标准下码率R＝1/3，Z＝48的BLER性能对比图。
图6是本发明实施例提供的5G标准下码率R＝1/3，Z＝128的BLER性能对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供的基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法包括以下步骤：
S101：研究5G标准下H矩阵中对译码性能影响较大的节点集合的特点。
S102：在传统layered LDPC译码算法基础上研究采用先处理对译码性能影响较大的校验节点集合的译码方式对译码性能的影响；
S103：提出5G标准下基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码算法，并仿真验证。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
如图2所示是5G标准下基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码算法描述过程图。该算法处理过程与传统的采用固定H矩阵层处理顺序的layered LDPC译码算法处理过程在算法实现步骤3处不同，其余均相同。由图2可知，本发明算法在步骤3处的处理过程是：首先计算每层的度值，然后根据度值由大到小的顺序对译码层的处理顺序进行排序，最后根据该译码层处理顺序进行信息更新。具体过程如下：
1)计算度值
在每次迭代中，根据上一次迭代的硬判决消息和校验节点消息，计算每行变量节点消息最小值和次小值，以及两者所在的列位置；计算但不更新在本次迭代中这两个列位置处所对应的校验节点消息，将这两个消息分别与上次迭代结果求差值绝对值并相加作为本行值；将每层所有行的值相加作为本层的度值。
2)对译码层的处理顺序排序
度值越大，表示本层校验节点集越容易出错，因此首先对度值最大的层进行处理。根据1)中得出的每层度值，按照其由大到小的顺序依次对H矩阵对应层进行排序，并将其作为最终本次迭代的译码层处理顺序。
3)更新信息
本发明采用NMS译码算法。利用2)排序得到的译码层处理顺序依次对每层校验节点集进行信息更新。在每层校验节点集中，从第一行开始由上至下利用依次对每个校验节点进行处理，在处理每个校验节点后同时利用更新λn硬判决消息以便用于下一个校验节点消息的更新。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
如图3所示是5G标准下码率R＝1/3，Z＝48的BER性能对比图；图4是5G标准下码率R＝1/3，Z＝128的BER性能对比图；图5是5G标准下码率R＝1/3，Z＝48的BLER(码字错误率)性能对比图；图6是5G标准下码率R＝1/3，Z＝128的BLER性能对比图。
仿真参数为：
码率：R＝1/3；
信息位：MessageLength＝22*Z；
码长：CodewordLength＝66*Z；
调制方式：ModulationType＝QPSK；
信道：AWGN
由图5可知，在H矩阵Z＝48时，取相同迭代次数8时，在BER＝10E-2处基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码算法比传统layered LDPC译码算法性能好约0.22dB；当基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码算法比传统layered LDPC译码算法迭代次数少两次时，在BER＝10E-2处本发明提出的算法仍比传统layered LDPC译码算法性能好约0.08dB。
由图6可知，在H矩阵Z＝128时，取相同迭代次数8时，在BER＝10E-1处基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码算法比传统layered LDPC译码算法性能好约0.25dB；当基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码算法比传统layered LDPC译码算法迭代次数少两次时，在BER＝10E-1处本发明提出的算法仍比传统layered LDPC译码算法性能好约0.05dB。且随着信噪比增大，本发明提出的算法比传统layered LDPC译码算法性能收敛更快。
由图3-图6可以看出，在5G标准不同的H矩阵(Z＝48和Z＝128)下，都有以下性能特点：在取相同的迭代次数下，基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码算法均比传统的采用固定H矩阵层处理顺序的layered LDPC译码算法译码性能更好；当基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码算法比传统layered LDPC译码算法迭代次数少两次时，其性能仍比传统layered LDPC译码算法译码性能好；随着信噪比增大，本发明提出的算法比传统layered LDPC译码算法性能收敛更快；Z越大时，本发明提出的算法比传统layered LDPC译码算法性能好这一优势越明显。
本发明是针对未来5G对译码性能、译码速度和译码可靠性等要求更高的形势下，为进一步提高layered LDPC译码性能，所提供的一种5G标准下基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码算法。该算法通过采用对每次迭代中译码层的处理顺序进行重新排序的译码方式来达到提高译码性能的目的。该算法在每次迭代中都对每层的度值进行更新，并以此为根据对译码层的处理顺序进行重新排序。度值表示每层校验节点集出现错误的可能性，值越大，每层校验节点集越容易出现错误，因此按照值由大到小的顺序依次对H矩阵相应层进行信息更新，可加快译码收敛速度，提高译码性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法，其特征在于，所述基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法按层处理顺序对H矩阵进行信息传递，通过采用对每次迭代中H矩阵层的处理顺序进行重新排序新译码；在每次迭代中根据H矩阵每层的度值对译码层处理顺序进行重新排序，度值表示每层校验节点集出现错误的可能性；按照值由大到小的顺序依次对H矩阵相应层进行信息更新。
2.如权利要求1所述的基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法，其特征在于，所述基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法包括以下步骤：
步骤一，初始化：λn＝Ln,n＝1,2,…,N；对所有：
n∈N(m),Rmn＝0,m＝1,2,…,M；i＝0；
步骤二，i＝i+1，如果i＜I，转到步骤三，否则转到步骤七；
步骤三，计算H矩阵每层度值，根据该值对H矩阵层处理顺序进行排序；
步骤四，校验节点消息和硬判决消息更新：根据步骤三所得的H矩阵层处理顺序，依次对每层消息进行更新。针对某一层某一行校验节点k，对所有n∈N(k)，计算将作为新的λn硬判决消息存储到λn存储器中并用于下一个校验节点消息的更新；对下一个校验节点执行同样的操作，直到本层所有的校验节点消息都更新完毕；对下一层执行同样的操作，直到所有层全部更新完毕；
步骤五，更新译码消息：利用硬判决消息λn符号更新译码消息λn＞0时λn＜0则n＝1,2,…,N；
步骤六，判断是否满足满足则转到步骤七，否则转到步骤二；
步骤七，迭代终止，作为最终第n比特译码消息，n＝1,2,…,N；其中，m表示行，n表示列，M表示H矩阵总行数，即校验节点总个数，N表H矩阵总列数，即变量节点总个数；i表示当前的迭代次数，I表示最大迭代次数；Ln是信道初始接收消息；λn表示第n比特硬判决消息；表示第n比特译码消息；表示第i次迭代时第m个校验节点传给相关联的第n个变量节点的消息；N(m)表示与第m个校验节点相关联的所有变量节点的集合，M(n)表示与第n个变量节点相关联的所有校验节点的集合。
3.如权利要求2所述的基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法，其特征在于，在每次迭代中都对H矩阵每层的度值进行重新计算，根据值的大小对译码层的处理顺序进行重新排序，按照该译码层处理顺序进行译码。
4.如权利要求3所述的基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法，其特征在于，进一步包括：计算H矩阵每层的度值，根据度值由大到小的顺序对译码层的处理顺序进行排序，根据该译码层处理顺序进行信息更新。
5.如权利要求4所述的基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法，其特征在于，进一步具体包括：
1)计算度值，定义节点残差是本次迭代节点信息值与上次迭代节点信息值之差的绝对值；残差越大，表示该节点传递信息越容易出错，对译码性能影响越大，计算方法是：在每次迭代中，根据上一次迭代的硬判决消息和校验节点消息，计算每行变量节点消息最小值和次小值，以及两者所在的列位置；计算但不更新在本次迭代中这两个列位置所对应的校验节点消息，将这两个消息分别与上次迭代结果求差值绝对值并相加作为本行值；将每层所有行的值相加作为本层的度值；
2)对译码层的处理顺序进行排序，每层度值，按照其由大到小的顺序依次对H矩阵对应层进行排序，并将其作为最终本次迭代的译码层处理顺序；
3)更新信息，采用NMS译码算法，利用排序得到的译码层处理顺序依次对每层校验节点集进行信息更新；在每层校验节点集中，从第一行开始由上至下利用依次对每个校验节点进行信息更新，在处理每个校验节点后同时利用更新λn硬判决消息以便用于下一个校验节点消息的更新。
6.如权利要求1所述的基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法，其特征在于，所述基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法采用译码处理层顺序动态变化的新形式进行迭代译码，对信息更新采用按层处理的方式，每次迭代中都重新计算每层的度值并根据此值对译码层的处理顺序进行重新排序；每次迭代中，按照更新的译码层处理顺序，首先处理第一层，对每层校验节点集从第一行开始顺序处理，直到本层处理完毕，再按照译码层处理顺序处理第二层，直到所有层更新完毕，则表示本次迭代结束。
7.如权利要求1所述的基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法，其特征在于，所述基于H矩阵层处理顺序动态变化的layered LDPC译码方法每次迭代中按照重新排序的译码层处理顺序依次对校验节点集进行信息更新；采用动态变化的译码层处理顺序，对最容易出错的校验节点集进行信息的更新和纠错。
8.一种应用权利要求1～7任意一项所述基于H矩阵层处理顺序动态变化的layeredLDPC译码方法的无线通信系统。
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