一種基于深空通信環(huán)境的碼率兼容原模圖ldpc碼構(gòu)造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于深空通信環(huán)境的碼率兼容原模圖LDPC碼構(gòu)造方法，包括：1)基于ARAPA原模矩陣的行列擴(kuò)展來(lái)得到多個(gè)碼率兼容的原模圖；2)然后，對(duì)所得到的一系列原模圖采用PEG算法進(jìn)行4次拓展以移除重邊得到無(wú)重邊的原模圖；3)最后再次對(duì)上述原模圖采用PEG算法進(jìn)行若干次拓展，即可得到一定碼長(zhǎng)且具有準(zhǔn)循環(huán)特性的碼率兼容原模圖LDPC碼。這種基于矩陣擴(kuò)展方法構(gòu)造的碼率兼容LDPC碼具有較低的譯碼門限、更低的誤碼平層，與基于AR4JA原模圖構(gòu)造的碼率兼容LDPC碼相比，本方法構(gòu)造的碼率兼容LDPC碼的性能盡管與之相近，但是其具有更低的譯碼門限和譯碼計(jì)算復(fù)雜度，尤其是在高碼率時(shí)具有更優(yōu)越的性能，在BER為10-6時(shí)可獲得大約0.2dB的性能增益。
【專利說(shuō)明】一種基于深空通信環(huán)境的碼率兼容原模圖LDPC碼構(gòu)造方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及深空通信系統(tǒng)信道編碼【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種碼率兼容原模圖LDPC 碼的構(gòu)造方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 深空通信環(huán)境具有傳輸距離遠(yuǎn)、時(shí)延大、信噪比低、誤碼率高、鏈路速率不對(duì)稱以 及發(fā)送功率受限等特點(diǎn)。因此，構(gòu)造適合深空通信環(huán)境、高性能、低復(fù)雜度的信道編碼成 為保證深空通信系統(tǒng)可靠性和有效性的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。低密度奇偶校驗(yàn)（Low-Density Parity-Check，LDPC)碼具有并行的譯碼結(jié)構(gòu)，更適于高速硬件實(shí)現(xiàn)，錯(cuò)誤平層更低，被認(rèn)為 是迄今為止糾錯(cuò)性能最好的碼。2003年，美國(guó)宇航局（NASA)的空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（JPL)首 次提出了原模圖（protograph)LDPC碼，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)LDPC碼編碼復(fù)雜度較高的不足，其設(shè)計(jì) 的AR4JA碼于2006年由太空數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（Consultative Committee for Space Date Systems，CCSDS)推薦給NASA作為深空通信的標(biāo)準(zhǔn)碼型。
[0003] 近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)在深空通信系統(tǒng)所處的時(shí)變環(huán)境條件下，引入碼率兼容的 原模圖LDPC編碼技術(shù)能夠自適應(yīng)的根據(jù)信道環(huán)境做出相應(yīng)調(diào)整。采用碼率兼容的原模圖 LDPC碼，可以在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下，根據(jù)信道環(huán)境通過(guò)調(diào)整碼率來(lái)實(shí)時(shí)地調(diào)整其糾錯(cuò) 能力，從而實(shí)現(xiàn)信道的吞吐率最大化，提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率。從實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的角度考慮， 碼率兼容原模圖LDPC碼是由一個(gè)嵌套結(jié)構(gòu)組成，它能夠在一定碼率范圍內(nèi)采用單個(gè)編碼 器/譯碼器工作，從而大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。
[0004] 目前，基于原模圖設(shè)計(jì)碼率兼容LDPC碼常用的方法主要有：（1)打孔（puncture)， 即對(duì)低碼率的原模圖LDPC碼連續(xù)打孔得到一系列高碼率的子碼。El-Khamy等人在"Design of rate-compatible structured LDPC codes for hybrid ARQ applications，TSelected Areas in Communications, IEEE Journal on, 2009, 27 (6) :965_973】文章中針對(duì)一種基于 原模圖的漸近節(jié)點(diǎn)打孔算法（progressive node puncturing algorithm)構(gòu)造的碼率兼容 LDPC碼展開(kāi)研究。這種方法雖然簡(jiǎn)單，然而存在著打孔后所得高碼率子碼譯碼性能下降十 分嚴(yán)重這一缺陷。（2)基于原模矩陣擴(kuò)展（extension)的方法，即對(duì)高碼率原模圖LDPC碼 的原模矩陣逐次行列拓展得到一系列低碼率的子碼。針對(duì)原模圖打孔過(guò)程中高碼率子碼的 譯碼性能嚴(yán)重惡化，Nguyen 等人在 "The design of rate-compatible protograph LDPC codes"【Communications, IEEE Transactions on, 2012, 60 (10) :2841-2850】文章中提出了 一種基于AR4JA原模圖的擴(kuò)展構(gòu)造碼率兼容原模圖LDPC碼的方法。這種方法雖然能夠避 免打孔過(guò)程中子碼譯碼性能惡化這一弊端，但是，鑒于深空通信的特點(diǎn)，其采用的碼率兼容 原模圖LDPC碼需具備更優(yōu)越的性能、更低的譯碼門限和譯碼計(jì)算復(fù)雜度。因此，構(gòu)造一種 適用深空通信環(huán)境、高性能、低復(fù)雜度的碼率兼容原模圖LDPC碼成為了近年來(lái)人們研究碼 率兼容LDPC碼應(yīng)用的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中，目前，針對(duì)原模圖的打孔技術(shù)構(gòu)造碼率兼容LDPC碼，存在著打 孔后所得高碼率子碼的譯碼性能嚴(yán)重下降這一缺陷，針對(duì)這一缺陷所提出的基于原模矩陣 擴(kuò)展的方法設(shè)計(jì)碼率兼容LDPC碼，往往需要基于性能優(yōu)越的原模圖進(jìn)行拓展，然而目前傳 統(tǒng)方法主要是基于AR4JA原模圖的擴(kuò)展構(gòu)造碼率兼容LDPC碼，其存在著性能的次優(yōu)性、較 高的譯碼復(fù)雜度等缺點(diǎn)，因此亟待選取比AR4JA原模圖性能更好、譯碼門限和譯碼計(jì)算復(fù) 雜度更低的原模圖來(lái)構(gòu)造碼率兼容原模圖LDPC碼以適應(yīng)深空通信的需求的不足，本發(fā)明 的目的在于提供一種能夠克服打孔后高碼率碼字譯碼性能的嚴(yán)重下降、更低的譯碼門限和 譯碼計(jì)算復(fù)雜度的基于深空通信環(huán)境的碼率兼容原模圖LDPC碼構(gòu)造方法，本發(fā)明的技術(shù) 方案如下：一種基于深空通信環(huán)境的碼率兼容原模圖LDPC碼構(gòu)造方法，其包括以下步驟：
[0006] 101、構(gòu)造一種相比AR4JA原模圖的平均節(jié)點(diǎn)度數(shù)更低的累加-重復(fù)-累加-部分 累加（ARAPA)原模圖，并對(duì)得到累加-重復(fù)-累加-部分累加（ARAPA)原模圖進(jìn)行矩陣擴(kuò) 展，即對(duì)所選擇的ARAPA原模圖的母碼原模矩陣逐次增加一行校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)及一列變量節(jié)點(diǎn)， 得到若干個(gè)原模圖；
[0007] 102、然后對(duì)步驟101所得到的若干個(gè)原模圖采用漸近邊增長(zhǎng)（PEG)算法進(jìn)行4次 拓展，經(jīng)過(guò)復(fù)制-置換后得到無(wú)重邊的原模圖；
[0008] 103、再次對(duì)步驟102得到的無(wú)重邊的原模圖采用漸近邊增長(zhǎng)（PEG)算法進(jìn)行若干 次拓展，即可構(gòu)造得到碼率兼容ARAPA原模圖LDPC碼。
[0009] 進(jìn)一步的，步驟103中所選取的ARAPA碼是一種基于累加-重復(fù)-累加（ARA)碼 改進(jìn)得到的原模圖LDPC碼。
[0010] 進(jìn)一步的，當(dāng)基于4/5碼率的ARAPA原模圖進(jìn)行6次矩陣擴(kuò)展，分兩次共進(jìn)行128 次拓展后,則步驟 103 中的母碼 LDPC0、子碼 LDPC1、LDPC2、LDPC3、LDPC4、LDPC5、LDPC6 的 信息位長(zhǎng)度均為1024,碼率分別為4/5、8/11、2/3、8/13、4/7、8/15、1/2。
[0011] 進(jìn)一步的，步驟101中相應(yīng)原模圖所對(duì)應(yīng)的Tanner圖中，新增的變量節(jié)點(diǎn)僅與新 增的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)相連，在相應(yīng)的原模矩陣中每次新增一列時(shí)僅在新增的一行處有非零元素， 確定新增的每一行里面非零元素的分布時(shí)，迭代譯碼門限值的計(jì)算采用PEXIT算法。
[0012] 進(jìn)一步的，步驟101中所述的ARAPA原模圖相應(yīng)的基礎(chǔ)矩陣B如下：
[0013]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于深空通信環(huán)境的碼率兼容原模圖LDPC碼構(gòu)造方法，其特征在于包括以下 步驟： 101、 構(gòu)造一種相比AR4JA原模圖的平均節(jié)點(diǎn)度數(shù)更低的累加-重復(fù)-累加-部分累加 ARAPA原模圖，并對(duì)得到的累加-重復(fù)-累加-部分累加 ARAPA原模圖進(jìn)行矩陣擴(kuò)展，即對(duì) 所選擇的ARAPA原模圖的母碼原模矩陣逐次增加一行校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)及一列變量節(jié)點(diǎn)，得到若干 個(gè)原模圖； 102、 然后對(duì)步驟101所得到的若干個(gè)原模圖采用漸近邊增長(zhǎng)PEG算法進(jìn)行4次拓展， 經(jīng)過(guò)復(fù)制-置換后得到無(wú)重邊的原模圖； 103、 再次對(duì)步驟102得到的無(wú)重邊的原模圖采用漸近邊增長(zhǎng)PEG算法進(jìn)行若干次拓 展，即可得到具有準(zhǔn)循環(huán)結(jié)構(gòu)的碼率兼容ARAPA原模圖LDPC碼。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于深空通信環(huán)境的碼率兼容原模圖LDPC碼構(gòu)造方法，其特 征在于：步驟103中所選取的ARAPA碼是一種基于累加-重復(fù)-累加 ARA碼改進(jìn)得到的原 模圖LDPC碼。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于深空通信環(huán)境的碼率兼容原模圖LDPC碼構(gòu)造方法，其特 征在于：當(dāng)基于4/5碼率的ARAPA原模圖進(jìn)行6次矩陣擴(kuò)展，分兩次共進(jìn)行128次拓展后， 則步驟103中的母碼LDPC0、子碼LDPC1、LDPC2、LDPC3、LDPC4、LDPC5、LDPC6的信息位長(zhǎng)度 均為 1024,碼率分別為 4/5、8/11、2/3、8/13、4/7、8/15、1/2。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于深空通信環(huán)境的碼率兼容原模圖LDPC碼構(gòu)造方法，其特 征在于：步驟101中相應(yīng)原模圖所對(duì)應(yīng)的Tanner圖中，新增的變量節(jié)點(diǎn)僅與新增的校驗(yàn)節(jié) 點(diǎn)相連，在相應(yīng)的原模矩陣中每次新增一列時(shí)僅在新增的一行處有非零元素，確定新增的 每一行里面非零元素的分布時(shí)，迭代譯碼門限值的計(jì)算采用PEXIT算法。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于深空通信環(huán)境的碼率兼容原模圖LDPC碼構(gòu)造方法，其特 征在于：步驟101中所述的ARAPA原模圖相應(yīng)的基礎(chǔ)矩陣B如下：
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于深空通信環(huán)境的碼率兼容原模圖LDPC碼構(gòu)造方法，其特 征在于：步驟103中采用漸近邊增長(zhǎng)PEG算法進(jìn)行拓展步驟的次數(shù)根據(jù)CCSDS推薦的深空 通信環(huán)境下LDPC碼的標(biāo)準(zhǔn)碼長(zhǎng)來(lái)選定。
【文檔編號(hào)】H03M13/11GK104158550SQ201410425664
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】趙輝, 秦亮, 王汝言, 張鴻, 李勇, 韓建新 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)