專(zhuān)利名稱(chēng)：基于兩次擴(kuò)展的分層近似規(guī)則低密度校驗(yàn)碼構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)通信技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體涉及一種基于兩次擴(kuò)展的分層近似規(guī)則低密度校驗(yàn)碼構(gòu)造方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)通信技術(shù)中，為了對(duì)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)增加保護(hù)，通常使用糾錯(cuò)碼在發(fā)送端和接收端分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼。低密度校驗(yàn)(LDPC)碼是由Gallager最早提出的，具有良好的糾錯(cuò)能力，其校驗(yàn)矩陣是稀疏的，因此具有較低的編譯碼復(fù)雜度。
若校驗(yàn)矩陣的所有行具有相同行重，且所有列具有相同列重，則該LDPC碼為規(guī)則碼。反之，若校驗(yàn)矩陣的行重或列重不是常數(shù)，則稱(chēng)為非規(guī)則碼。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，M.Fossorier等在《IEEE Transactionson Communications》(電氣和電子工程師協(xié)會(huì)通信會(huì)報(bào))1999年5月第47卷第673-680頁(yè)上發(fā)表的“Reduced complexity iterative decoding of lowdensity parity check codes based on belief propagation”(基于置信傳播的低密度校驗(yàn)碼簡(jiǎn)化迭代譯碼)中提出了分層置信傳播譯碼方法，該文中提出，若校驗(yàn)矩陣能按行分成相同大小的幾層，且每層最大列重為1，則可使用分層置信傳播算法譯碼，在達(dá)到相同性能的條件下，所需的迭代次數(shù)約為普通置信傳播譯碼算法的一半，從而可提高一倍的譯碼吞吐量。然而文中并未給出構(gòu)造分層低密度校驗(yàn)碼的具體方法，雖然可隨機(jī)構(gòu)造并找到好碼，但是工作量大，且矩陣存儲(chǔ)需要大量空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于兩次擴(kuò)展的分層近似規(guī)則低密度校驗(yàn)碼構(gòu)造方法。使得對(duì)于任意給定的行重、列重，都能得到分層的近似規(guī)則的校驗(yàn)矩陣。利用本發(fā)明可構(gòu)造各種碼長(zhǎng)、碼率的低密度校驗(yàn)碼，且校驗(yàn)矩陣所需的存儲(chǔ)空間小，并能用于數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br> 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，步驟如下(1)根據(jù)目標(biāo)矩陣的行重與列重確定一個(gè)全1基矩陣；(2)對(duì)基矩陣做擴(kuò)展，即第1次擴(kuò)展將基矩陣中非0元用一定擴(kuò)展系數(shù)的單位陣替代做列重重排擴(kuò)展，并做滿秩化處理，得到母矩陣；(3)對(duì)母矩陣做擴(kuò)展，即第2次擴(kuò)展用一定大小的單位陣及其循環(huán)移位矩陣替代母矩陣中的非0元，并通過(guò)適當(dāng)選擇循環(huán)位移系數(shù)確保避免低密度校驗(yàn)碼二分圖中環(huán)4出現(xiàn)，該擴(kuò)展稱(chēng)為循環(huán)位移擴(kuò)展；(4)最終得到校驗(yàn)矩陣是分層且近似規(guī)則的，同時(shí)可保證校驗(yàn)矩陣中不存在長(zhǎng)度為4的環(huán)。
本發(fā)明首先根據(jù)行重和列重生成全“1”的基矩陣，若要求的行重為dc，列重為dv，則基矩陣大小為dv×dc，其中所有元素為“1”。基矩陣的行重列重都是常數(shù)，與目標(biāo)行重列重一致，且基矩陣可水平地分為dv層，每層列重為1。
在基矩陣的基礎(chǔ)上進(jìn)行兩次擴(kuò)展可得到校驗(yàn)矩陣。在第一次擴(kuò)展中，稱(chēng)為重排擴(kuò)展，即把原矩陣中的非零元用大小為zPEx×zPEX的單位矩陣的列重排矩陣來(lái)代替的過(guò)程，其中zPEx稱(chēng)為重排擴(kuò)展因子，重排時(shí)用到的圖樣稱(chēng)為重排圖樣，對(duì)基矩陣進(jìn)行重排擴(kuò)展得到的矩陣稱(chēng)為母矩陣。由于重排矩陣的行重列重均為1，因此第一次擴(kuò)展后，母矩陣的行重和列重仍為dc和dv。而基矩陣中1×dc大小的dv層擴(kuò)展后成為zPEx×dczPEx的dv層。
為了保證最后得到的校驗(yàn)矩陣對(duì)應(yīng)于校驗(yàn)比特的列子矩陣滿秩，需要對(duì)母矩陣做滿秩化處理，在第一層以外的各層中都去除一個(gè)“1”，且要求被去除的“1”位于不同列上，從而使母矩陣不存在相關(guān)行。去除“1”的位置可通過(guò)計(jì)算機(jī)搜索獲得。由于在第一層以外的各層都去除了一個(gè)“1”，滿秩化處理后的母矩陣有部分行的行重變?yōu)閐c-1，部分列的列重變?yōu)閐v-1，此時(shí)的母矩陣是近似規(guī)則的，但仍然保持了分層結(jié)構(gòu)。
第二次擴(kuò)展稱(chēng)為循環(huán)移位擴(kuò)展，即把原矩陣中的非零元用大小為zCSEx×zCSEx的單位矩陣的循環(huán)移位矩陣來(lái)代替的過(guò)程，其中，zCSEx稱(chēng)為循環(huán)移位擴(kuò)展因子，循環(huán)移位時(shí)移動(dòng)的位數(shù)稱(chēng)為循環(huán)移位系數(shù)，系數(shù)為正表示向右移位，系數(shù)為負(fù)表示向左移位。循環(huán)移位塊的每一行都是上一行的循環(huán)移位，且第一行是最后一行的循環(huán)移位，同樣，循環(huán)移位塊的每一列都是前一列的循環(huán)移位且第一列是最后一列的循環(huán)移位。循環(huán)移位擴(kuò)展在滿秩化母矩陣的基礎(chǔ)上進(jìn)行，由于循環(huán)移位塊的行重列重都為1，因此母矩陣中的每一行經(jīng)第二次擴(kuò)展后行重保持不變，同樣每一列經(jīng)第二次擴(kuò)展后列重也保持不變，因此得到的母矩陣仍是近似規(guī)則的，且母矩陣中大小為zPEx×dczPEx的dv層成為zPExzCSEx×dczPExzCSEx的dv層。
循環(huán)系數(shù)是可變的，可以用試探法確定。選取循環(huán)移位系數(shù)時(shí)，應(yīng)檢驗(yàn)與已確定的循環(huán)移位系數(shù)是否構(gòu)成環(huán)四，若構(gòu)成環(huán)四，則重新選取該位置的循環(huán)移位系數(shù)。使用該方法得到的校驗(yàn)矩陣是分層且近似規(guī)則的，同時(shí)可保證校驗(yàn)矩陣中不存在長(zhǎng)度為4的環(huán)。
采用本發(fā)明構(gòu)造的1/2碼率，碼長(zhǎng)2304比特的低密度校驗(yàn)碼，在高斯白噪聲信道、二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制下，只需2.2dB的信噪比即可達(dá)到10-6的比特錯(cuò)誤概率，與802.16e標(biāo)準(zhǔn)中相同碼長(zhǎng)碼率的非規(guī)則低密度校驗(yàn)碼比較，性能僅相差0.25dB。由于該校驗(yàn)矩陣能分為3層，可使用分層譯碼算法，從而節(jié)約了一半的迭代次數(shù)，使數(shù)據(jù)吞吐量大大增加。


下面將通過(guò)參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更清楚本發(fā)明的上述及其它特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖中圖1為利用兩次擴(kuò)展構(gòu)造分層近似規(guī)則碼的流程圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法生成基矩陣的示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法重排擴(kuò)展生成母矩陣的示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例中重排擴(kuò)展生成母矩陣的方法流程圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例中滿秩化母矩陣的示意圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法循環(huán)移位擴(kuò)展的示意圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例中循環(huán)移位擴(kuò)展的方法流程圖；圖8為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法得到滿秩化校驗(yàn)矩陣的示意圖；具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例在本實(shí)施例中，構(gòu)造行重dc為6，列重dv為3的分層近似規(guī)則校驗(yàn)矩陣。則基矩陣為3行6列，其中每個(gè)位置上的元素均為“1”，共包含18個(gè)“1”。第一次擴(kuò)展的重排擴(kuò)展因子zPEx為3，得到的母矩陣為9行18列。第二次擴(kuò)展的循環(huán)移位擴(kuò)展因子zCSEx為4，故得到的校驗(yàn)矩陣為36行72列。由于列重選取為3，基矩陣、母矩陣及校驗(yàn)矩陣都可分為3層。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法生成基矩陣的示意圖；如圖2所示，對(duì)于要求的行重為6，列重為3，基矩陣共有3行6列，其中所有位置上的元素均為“1”。
圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例的方法重排擴(kuò)展生成母矩陣的示意圖；圖4示出了本發(fā)明實(shí)施例中重排擴(kuò)展生成母矩陣的方法流程圖；如圖3和圖4所示，本實(shí)施例中的重排擴(kuò)展生成母矩陣的方法包括以下步驟步驟401根據(jù)重排擴(kuò)展因子生成隨機(jī)重排塊，本實(shí)施例中zPEX為3，故塊的大小為3*3，可對(duì)單位矩陣的各列隨機(jī)進(jìn)行重新排列得到隨機(jī)重排塊，則每個(gè)隨機(jī)重排塊的行重列重均為1。步驟402向母矩陣的當(dāng)前位置填入隨機(jī)重排塊。步驟403判斷基矩陣中元素是否都處理完，若全部元素都完成擴(kuò)展，則結(jié)束，否則步驟404處理下一個(gè)元素。本實(shí)施例中基矩陣為3行6列，重排擴(kuò)展因子為3，因此母矩陣為9行18列，行重為6列重為3。
圖5示出了本發(fā)明實(shí)施例的方法滿秩化母矩陣的示意圖；如圖5所示，本實(shí)施例中滿秩化母矩陣的方法包括以下步驟對(duì)于母矩陣中第一層以外的其余兩層，每層隨機(jī)抽取不同列上的“1”，并用“0”替代，從而保證母矩陣不存在相關(guān)行。例如本實(shí)施例中通過(guò)計(jì)算機(jī)搜索，可將第二層中的第2行第15列位置上的“1”用“0”替代，將第三層中的第1行第12列位置上的“1”用“0”替代。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法循環(huán)移位擴(kuò)展的示意圖；圖7示出了本發(fā)明實(shí)施例中循環(huán)移位擴(kuò)展的方法流程圖；如圖6和圖7所示，本實(shí)施例中的循環(huán)位移擴(kuò)展生成校驗(yàn)矩陣的方法包括以下步驟步驟701判斷母矩陣中當(dāng)前元素為“0”還是“1”，步驟702~704隨機(jī)產(chǎn)生循環(huán)移位值，循環(huán)移位值的取值范圍為0~zCSEx-1，并檢驗(yàn)使用該值循環(huán)移位擴(kuò)展是否會(huì)與已擴(kuò)展的循環(huán)移位塊構(gòu)成環(huán)四。若將校驗(yàn)矩陣的第i行第j列確定的位置記為(i，j)，該位置上的循環(huán)移位系數(shù)記為s(i，j)，當(dāng)(i1，j1)(i2，j2)(i1，j2)(i2，j1)位置上的四個(gè)循環(huán)移位值滿足條件s(i1，j1)+s(i2，j2)≡s(i1，j2)+s(i2，j1)(mod zCSEx)時(shí)，將構(gòu)成環(huán)四，需要對(duì)當(dāng)前的循環(huán)移位值重新調(diào)整。若不構(gòu)成環(huán)四，則使用該值擴(kuò)展循環(huán)移位塊并填入校驗(yàn)矩陣。例如母矩陣(1，7)(1，10)(5，7)位置上的循環(huán)移位值分別為1，0和3，當(dāng)(5，10)位置上循環(huán)移位值為2則構(gòu)成環(huán)四，應(yīng)重新生成循環(huán)移位值。母矩陣(i，j)位置上擴(kuò)展的循環(huán)移位塊由大小為4*4的單位陣循環(huán)右移s(i，j)次得到。步驟705在母矩陣當(dāng)前位置為“0”的條件下生成大小為4*4的零塊填入校驗(yàn)矩陣。
圖8為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法得到滿秩化校驗(yàn)矩陣的示意圖；如圖8所示，本實(shí)施例中構(gòu)造得到的校驗(yàn)矩陣有如下性質(zhì)校驗(yàn)矩陣由大小為4×4的循環(huán)移位塊及零塊組成，由于基矩陣為3行，故校驗(yàn)矩陣可分為大小為12×72的3層，其中每層最大列重為1，可用于分層譯碼。除了滿秩化處理中去除“1”所影響的8行8列之外，其余28行行重均為6，64列列重均為3，因此是近似規(guī)則的。整個(gè)校驗(yàn)矩陣包含208個(gè)“1”。
本實(shí)施例為了便于說(shuō)明，選取了較小的重排擴(kuò)展因子及循環(huán)移位擴(kuò)展因子，實(shí)際構(gòu)造中重排擴(kuò)展因子與循環(huán)移位擴(kuò)展因子可取任意值。本實(shí)施例得到的校驗(yàn)矩陣可用于1/2碼率的糾錯(cuò)編碼，可將36比特的信息比特編碼得到長(zhǎng)度為72比特的碼字。
以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于兩次擴(kuò)展的分層近似規(guī)則低密度校驗(yàn)碼構(gòu)造方法，其特征在于，步驟如下(1)根據(jù)目標(biāo)矩陣的行重與列重確定一個(gè)全1基矩陣；(2)對(duì)基矩陣做擴(kuò)展，即第1次擴(kuò)展將基矩陣中非0元用設(shè)定擴(kuò)展系數(shù)的單位陣替代做列重重排擴(kuò)展，并做滿秩化處理，得到母矩陣；(3)對(duì)母矩陣做擴(kuò)展，即第2次擴(kuò)展用設(shè)定大小的單位陣及其循環(huán)移位矩陣替代母矩陣中的非0元，并通過(guò)選擇循環(huán)位移系數(shù)確保避免低密度校驗(yàn)碼二分圖中環(huán)4出現(xiàn)，該擴(kuò)展稱(chēng)為循環(huán)位移擴(kuò)展；(4)最終得到校驗(yàn)矩陣是分層且近似規(guī)則的，同時(shí)可保證校驗(yàn)矩陣中不存在長(zhǎng)度為4的環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于兩次擴(kuò)展的分層近似規(guī)則低密度校驗(yàn)碼構(gòu)造方法，其特征是所述的基矩陣，是全1矩陣；如果要設(shè)計(jì)的低密度校驗(yàn)碼的目標(biāo)矩陣的行重為dc，列重為dv，那么，基矩陣大小為dv×dc。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于兩次擴(kuò)展的分層近似規(guī)則低密度校驗(yàn)碼構(gòu)造方法，其特征是所述的第1次擴(kuò)展，其所用的子矩陣是大小為zPEx×zPEx的重排矩陣，其中zPEx稱(chēng)為重排擴(kuò)展因子。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于兩次擴(kuò)展的分層近似規(guī)則低密度校驗(yàn)碼構(gòu)造方法，其特征是所述的滿秩化處理，是指通過(guò)計(jì)算機(jī)搜索去除第一層以外的一個(gè)“1”，使母矩陣不存在相關(guān)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于兩次擴(kuò)展的分層近似規(guī)則低密度校驗(yàn)碼構(gòu)造方法，其特征是所述的循環(huán)位移擴(kuò)展，其所采用的子矩陣是大小為zCSEx×zCSEx的單位矩陣或它的循環(huán)移位矩陣，其中zCSEx為循環(huán)移位擴(kuò)展因子；循環(huán)移位時(shí)移動(dòng)的位數(shù)稱(chēng)為循環(huán)移位系數(shù)，系數(shù)為正表示向右移位，系數(shù)為負(fù)表示向左移位，循環(huán)擴(kuò)展在滿秩化母矩陣的基礎(chǔ)上進(jìn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或者5所述的基于兩次擴(kuò)展的分層近似規(guī)則低密度校驗(yàn)碼構(gòu)造方法，其特征是所述的循環(huán)位移系數(shù)，其確定方法是循環(huán)系數(shù)是可變的，其選擇的原則是避免目標(biāo)低密度校驗(yàn)碼二分圖中出現(xiàn)環(huán)4，用試探法確定。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于兩次擴(kuò)展的分層近似規(guī)則低密度校驗(yàn)碼構(gòu)造方法，首先根據(jù)行重和列重生成全“1”的基矩陣，隨后進(jìn)行第一次擴(kuò)展，對(duì)基矩陣中的每個(gè)“1”重排擴(kuò)展得到母矩陣，為了得到滿秩的校驗(yàn)矩陣，去除母矩陣中的某些“1”，使其不存在相關(guān)行，從而校驗(yàn)矩陣的校驗(yàn)部分滿秩，能應(yīng)用RU編碼方法編碼。而在第二次擴(kuò)展中，對(duì)母矩陣中的每個(gè)“1”循環(huán)移位擴(kuò)展，合理選取循環(huán)移位系數(shù)可保證校驗(yàn)矩陣中不存在長(zhǎng)度為4的環(huán)，使用該方法得到的校驗(yàn)矩陣是分層且近似規(guī)則的。在兩次擴(kuò)展中選擇不同的擴(kuò)展因子，可得到多種碼長(zhǎng)的碼。采用本發(fā)明構(gòu)造的1/2碼率，碼長(zhǎng)2304比特的LDPC碼，與802.16e中相同碼長(zhǎng)碼率的LDPC碼比較，性能僅相差0.25dB。
文檔編號(hào)H03M13/11GK1949694SQ20061003060
公開(kāi)日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2006年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月31日
發(fā)明者施惠豐, 王大偉, 吳俊 , 徐友云, 張海濱 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)