专利名称：使用低密度奇偶校验码的编码器及其编码方法
技术领域：
本发明涉及一种在无线通信系统中的编码器和编码方法。更特别地，本发明涉及一种使用LDPC(低密度奇偶校验)码的编码器及其方法。
背景技术：
近来被积极研究的下一代多媒体移动通信需要提供一种国际漫游服务，该国际漫游服务允许任何人在任何时间和任何地点通过集成包括个人移动电话、无线寻呼功能、移动数据和卫星通信的各种系统进行呼叫，并且需要提供诸如语音、数据和图像之类的集成的多信息服务。
由于需要高速传输和各种数据速率以便在移动通信中支持多媒体通信服务，因此通过根据信道和数据种类使用不同的编码来增加系统效率是必要的。
近来提出了LDPC码用于第四代移动通信系统的信道编码方法。LDPC码性能优于传统的turbo码，具有复杂度较低的解码器，并且允许并行运算，从而允许高速处理，并且由于它们还使用与turbo解码器方式相同的迭代译码方法，因此它们适合于要求低误码率和高速数据处理性能的移动通信系统。
在LDPC码中，对应于奇偶校验矩阵的H矩阵的组成包括二进制元素的情况和非二进制元素的另一情况。
配有非二进制元素的H矩阵性能优于配有二进制元素的H矩阵，但具有复杂的伽罗瓦域(Galois field)运算。二进制LDPC码具有配有二进制元素0和1的H矩阵，并且将它们分为具有相同的H矩阵的行重量的规则LDPC码和具有不同行重量的不规则LDPC码。
由于规则LDPC码要求恒定的行重量，因此不容易配置H矩阵。由于不规则LDPC码在H矩阵中没有恒定的行重量，因此对于不规则LDPC码比较容易配置配有高周长(girth)(除了4周(cycle)之外的最小周数)的H矩阵。此外，众所周知，不规则LDPC码性能通常超过规则LDPC码，但不规则LDPC码由于H矩阵的图像信息而增加了LDPC编码器和解码器的复杂度。
发明内容
本发明的一个优点是提供一种生成使用规则LDPC码表示不规则LDPC码性能的H矩阵的方法，以及一种使用该方法的LDPC编码器。
在本发明的一个方面中，一种使用LDPC(低密度奇偶校验)码的编码器包括奇偶校验矩阵生成器，用于生成奇偶校验矩阵H；和码字生成器，用于处理奇偶校验矩阵H来生成码字，其中，码字生成器包括AB分解器，用于将奇偶校验矩阵H分解成矩阵A和矩阵B；旋转(pivoting)单元，用于旋转奇偶校验矩阵H；位反转单元，用于对经旋转的矩阵进行位反转；LU分解器，用于将矩阵A分解成矩阵L和U；和码字生成器单元，用于对矩阵A、B、L和U执行逻辑运算。
码字生成器单元包括第一算子，用于对矩阵B和源输入信息向量s执行预定的运算来求出向量z；第二算子，用于对向量z和矩阵L执行预定的运算来求出向量y；和第三算子，用于对向量y和矩阵U执行预定的运算来求出码字c。
第一算子通过向量s的长度执行逻辑乘积运算，并且执行逻辑和运算来生成向量z。
码字生成器单元还包括用于存储矩阵A、B、L和U的存储器。
码字生成器单元还包括临时存储单元，用于执行根据流水线方法的逻辑运算，并存储在逻辑运算处理期间计算出的结果。
在本发明的另一方面中，一种使用低密度奇偶校验码的编码方法包括(a)生成奇偶校验矩阵H；(b)将矩阵H置换成满秩矩阵；(c)将满秩矩阵划分成矩阵A和B，并存储它们；(d)执行旋转并校验执行结果；(e)当校验结果为1时，将矩阵A分解成矩阵L和U，存储它们，并从矩阵A、B、L和U计算码字；和
(f)当校验结果不为1时，执行位反转并且执行旋转。
步骤(e)包括(i)对矩阵B和源输入信息向量s执行预定的运算来求出向量z；(ii)对向量z和矩阵L执行预定的运算来求出向量y；和(iii)对向量y和矩阵U执行预定的运算来求出码字c。
步骤(i)包括通过向量s的长度执行逻辑乘积运算来生成向量z。
在(i)、(ii)和(iii)中，根据流水线方法执行预定的运算。
并入且构成说明书的一部分的附解了本发明的实施例，并且和说明书一起用来说明本发明的原理图1显示了根据本发明优选实施例的、使用奇偶校验矩阵H编码LDPC码的处理；图2显示了根据本发明优选实施例的、在编码方法中的位反转处理；图3显示了使用在图2中生成的奇偶校验矩阵H来编码LDPC码的硬线连接图；图4显示了图3的码字生成器的简要配置方框图；图5显示了图4的码字生成器的详细方框图；和图6显示了编码处理的流程图。
具体实施例方式
在下面详细的描述中，仅仅通过说明由完成本发明的发明人预期的最佳模式的方式来显示和描述本发明的优选实施例。应当认识到，本发明能够在各种明显的方面进行不背离本发明的所有修改。因此，附图和说明书本质上应当认为是说明性的，而非限制性的。
通常，编码LDPC码的方法包括通过生成矩阵G编码LDPC码的方法和通过奇偶校验矩阵H编码LDPC码的方法。
通过生成矩阵G的编码方法为解码器求出奇偶校验矩阵H，并将矩阵H转换成生成矩阵G。通过高斯-乔丹消去法(Gauss-Jordan elimination method)求出生成矩阵G，但由于以电路或软件方式实现生成矩阵G的处理很不规则，因此需要许多操作。
因此，在本发明实施例中将描述一种使用奇偶校验矩阵H而不必求出生成矩阵G来编码LDPC的方法和设备。
通常，给出的码字u和(M×N)奇偶校验矩阵H满足下式。
式1u·HT＝0当假设在码字u的右边提供消息位s而在其左边提供奇偶校验位c时，码字u由式2给出。
式2u＝[c|s]由此，奇偶校验矩阵H由式3给出。
式3H＝[A|B]其中A是(M×N)矩阵，B是{M×(N-M)}矩阵，并且矩阵H的左边矩阵A还是单位矩阵。
由式2和式3，如下给出式1。
式4Ac+Bs＝0因此，如下给出奇偶校验位c。
式5c＝A-1Bs其中矩阵A是用来计算奇偶校验位c的满秩矩阵。由列置换得到的两个矩阵相互等价，因此，如果矩阵A是满秩矩阵，则在求出临时奇偶校验位c’后通过列置换求出奇偶校验位c。
因此，需要求出满秩矩阵A以便在上述编码处理中生成奇偶校验矩阵H。然而，由于资源由列置换或行置换所限制，并不总是能容易地求出满秩矩阵A，而且当奇偶校验矩阵H变大时，奇偶校验矩阵H的生成时间会变得更长，或者对应的生成将变得不可能。
近来，提出了一种当预定义奇偶校验矩阵H为几倍时编码奇偶校验矩阵H而不用实时生成它的方法。该方法重复子矩阵或者重复配置移位子矩阵，从而生成适合输入信息大小的奇偶校验矩阵并对其编码。
在重复子矩阵的处理中，矩阵的大小变大，并且列重量也变大。在这种情况下，列重量的增加对LDPC码的性能改善没有影响。当将奇偶校验矩阵存储到ROM(只读存储器)中时，在其中存储具有重量的行和列的位置信息，并且当行或列的重量变大或者根据矩阵大小而改变时，对应的硬件复杂度也变大。
因此，现在将描述一种有效地求出满秩矩阵的旋转方法和位反转方法。
位反转方法对位执行旋转以便配置满秩矩阵，并且当旋转不能满足时反转位。当反转位时，旋转快速满足而不必改变规则LDPC码的奇偶校验矩阵H的行和列的重量。
在位反转方法中，将行和列的元素0反转为1，将行和列的元素1反转为0。在这种情况下，也反转在矩阵中对角线方向上的位，以便不会改变奇偶校验矩阵H的行和列的重量。
现在将描述一种根据本发明优选实施例的、生成满秩矩阵的方法。
图1显示了根据本发明优选实施例的、使用奇偶校验矩阵H编码LDPC码的处理。
如图所示，LDPC编码器使用由Gallager提出的方法生成奇偶校验矩阵H101。即，在具有三个子矩阵的(N，3，6)码中，第一子矩阵有i行和{(j-1)k+1～i*k}列，其中j是列重量，k是表示数6的行重量。第二子矩阵以块交织的次序(order)置换第一子矩阵，并且第三子矩阵以块交织的次序置换第二子矩阵。
配置奇偶校验矩阵H 101使得生成码字。为此，当将奇偶校验矩阵H划分成矩阵A和B时，以与矩阵A和B(102和103)相同的方式置换行和列，以便将矩阵A配置为满秩矩阵。
接下来，求出矩阵A的逆矩阵，将该逆矩阵提供给式5来通过使用易于电路实现的LU分解方法生成码字c。
由于为了旋转结果满足1而对矩阵的配置导致用于LU分解的满秩矩阵，所以配置矩阵A使得旋转结果可以永远为1。当对矩阵A和B(104和105)执行LU分解时，求出矩阵L和U(104和105)。
由于矩阵L和U的乘积是矩阵A，通过前向和逆向替换获得码字c，这给出的结果与通过图5的逆矩阵A-1的产生的计算结果相同。
按照置换的列的次序置换生成的码字的次序，以便求出满秩矩阵。
由于在LU分解中的矩阵的元素是二进制数，所以矩阵A的逆矩阵将是二进制满秩矩阵，而矩阵L和U也将具有二进制元素。
在这种情况下，对矩阵A执行LU分解的旋转处理如下。
式6aii＝1 i＝1，...，Nβij=Aij-Σk=1i-1αikβkj]]>αij=1βjj(Aij-Σk=1i-1αikβkj)]]>下面给出通过式6旋转得到的矩阵。
β11β12β13β14α21β22β23β24α31α32β33β34α41α42α43β44]]>通过将上面的矩阵划分成矩阵L和U，结束编码处理。
旋转结果应当为1以便生成满秩矩阵，否则，置换列来校验旋转结果。然而，当在置换列之后旋转结果没有变为1时，即没有生成满秩矩阵，应用位反转方法来有效地生成满秩矩阵。
位反转方法允许很容易地将矩阵H的矩阵A配置为满秩矩阵。当在置换行或者列后执行旋转失败时，通过应用位反转方法简单有效地配置满秩矩阵。
图2显示了在根据本发明优选实施例的编码方法中将对角元素从0反转到1的位反转处理。
如图所示，通过根据以从+x和+y轴之间的近距空隙(close gap)的次序的对角元素的位置在+y和+x方向上校验所述位，来反转所述位，这有效地消去4周并且生成具有高周长的矩阵H，并且还显示了与不规则LDPC解码性能相似的性能。
为了用硬连线电路实现生成的校验矩阵的编码处理，需要通过只存储行和列的位置来减少存储器用量。此外，配置编码器来根据适合高速移动通信系统的流水线方法工作。
图3显示了通过使用在图2中生成的奇偶校验矩阵H来编码LDPC码的硬线连接图。
如图所示，奇偶校验矩阵生成器301生成并输出奇偶校验矩阵H，码字生成器302接收它并对其编码。
图4显示了图3的码字生成器的简要配置方框图。
如图所示，码字生成器302包括B*s计算器块401、L*y计算器块403和U*c计算器块404，并且所述计算器块根据流水线方法工作。单元402表示两个在流水线处理中执行临时存储功能的缓冲器。
图5显示了图4的码字生成器的详细方框图。
如图所示，码字生成器包括源输入单元501；B*s计算器502；L*y计算器506；U*c计算器511；两个流水线缓冲器505和510；输出缓冲器515；三个ROM 503、509和514；临时存储单元507和512，用于存储在矩阵每行中的替换产生的中间值；和ROM地址生成器504和513，用于增加矩阵的行。
B*s计算器502对由源输入单元501所提供的输入源通过源输入信息的长度执行逻辑乘积运算，并对它们执行逻辑和运算来生成向量z，向量z通过流水线缓冲器505输入到L*y计算器506。
L*y计算器506对向量z和矩阵L执行逻辑运算来生成向量y，向量y通过流水线缓冲器510输入到U*c计算器511。
U*c计算器511对向量y和矩阵U执行逻辑运算来生成码字c。
如上所述，计算器502、506和511执行相同的运算，并且它们以并行的方案执行运算或者分享电路来执行分时计算，从而提高硬连线吞吐量。
通过式7确定上述配置的码字生成器的性能。
式7DataRate=clock(MHz)×ParWrMbps]]>其中Par是并行因子，Wr是行重量。并行因子具有16、32和64的值，并且当并行因子变大时，其硬件复杂度也增加，但提高了数据率。
图6显示了编码处理的流程图。
如图所示，在步骤S601和S602生成奇偶校验矩阵H并将其置换成满秩矩阵，将该满秩矩阵划分成矩阵A和B，并在步骤S603和S604将矩阵A和B存储到ROM中。在步骤S605执行旋转处理，当旋转结果为1时，在步骤S606和S608由LU分解来划分矩阵A并存储矩阵L和U。
当旋转结果不为1时，在步骤S607执行位反转处理来重复旋转处理。
在步骤S609运算先前存储的矩阵B和源输入信息向量s来求出向量z，在步骤S610运算向量z和存储的矩阵L来求出向量y，在步骤S611运算向量y和矩阵U来求出码字c。
如上所述，通过应用所述LDPC编码方法，使用规则编码器高速地生成具有高周长的奇偶校验矩阵。因此，实现了具有与不规则LDPC码相似性能而具有较低复杂度的编码器。
虽然结合当前被认为是最实用且最优的实施例描述了本发明，但应当理解本发明不限于所述公开的实施例，相反，本发明意在涵盖在所附权利要求的宗旨和范围内的各种修改和等效的配置。
权利要求
1.一种使用低密度奇偶校验码的编码器，包括奇偶校验矩阵生成器，用于生成奇偶校验矩阵H；和码字生成器，用于处理奇偶校验矩阵H来生成码字，其中，码字生成器包括AB分解器，用于将奇偶校验矩阵H分解成矩阵A和矩阵B；旋转单元，用于旋转奇偶校验矩阵H；位反转单元，用于对经旋转的矩阵进行位反转；LU分解器，用于将矩阵A分解成矩阵L和U；和码字生成器单元，用于对矩阵A、B、L和U执行逻辑运算。
2.如权利要求1所述的编码器，其中，码字生成器单元包括第一算子，用于对矩阵B和源输入信息向量s执行预定的运算来求出向量z；第二算子，用于对向量z和矩阵L执行预定的运算来求出向量y；和第三算子，用于对向量y和矩阵U执行预定的运算来求出码字c。
3.如权利要求2所述的编码器，其中，第一算子通过向量s的长度执行逻辑乘积运算，并且执行逻辑和运算来生成向量z。
4.如权利要求1所述的编码器，其中，码字生成器单元还包括用于存储矩阵A、B、L和U的存储器。
5.如权利要求1所述的编码器，其中，码字生成器单元还包括临时存储单元，用于执行根据流水线方法的逻辑运算，并存储在逻辑运算处理期间计算出的结果。
6.一种使用低密度奇偶校验码的编码方法，包括(a)生成奇偶校验矩阵H；(b)将矩阵H置换成满秩矩阵；(c)将满秩矩阵划分成矩阵A和B，并存储它们；(d)执行旋转并校验执行结果；(e)当校验结果为1时，将矩阵A分解成矩阵L和U，存储它们，并从矩阵A、B、L和U计算码字；和(f)当校验结果不为1时，执行位反转并且执行旋转。
7.如权利要求6所述的编码方法，其中(e)包括(i)对矩阵B和源输入信息向量s执行预定的运算来求出向量z；(ii)对向量z和矩阵L执行预定的运算来求出向量y；和(iii)对向量y和矩阵U执行预定的运算来求出码字c。
8.如权利要求7所述的编码方法，其中(i)包括通过向量s的长度执行逻辑乘积运算来生成向量z。
9.如权利要求7所述的编码方法，其中在(i)、(ii)和(iii)中，根据流水线方法执行预定的运算。
全文摘要
一种使用LDPC(低密度奇偶校验)码的编码器和编码方法。该编码器包括奇偶校验矩阵生成器，用于生成奇偶校验矩阵H；和码字生成器，用于处理奇偶校验矩阵H来生成码字，并且码字生成器包括AB分解器，用于将奇偶校验矩阵H分解成矩阵A和矩阵B；旋转单元，用于旋转奇偶校验矩阵H；位反转单元，用于对经旋转的矩阵进行位反转；LU分解器，用于将矩阵A分解成矩阵L和U；和码字生成器单元，用于对矩阵A、B、L和U执行逻辑运算。一种位反转方法，用于通过使用规则的编码器有效地生成具有高周长的奇偶校验矩阵。
文档编号H03M13/11GK1739244SQ200380108785
公开日2006年2月22日 申请日期2003年11月21日 优先权日2002年11月21日
发明者蔡洙昌, 李龙守, 崔正泌, 朴润玉 申请人:韩国电子通信研究院