一种水声通信中快速收敛的LDPC码译码方法

本发明属于通信，涉及一种适用于水声通信的低密度奇偶校验(lowdensity parity check，ldpc)码的置信传播(belief propagation，bp)译码方法，具体是考虑水声通信信道中脉冲噪声的影响，设计ldpc码译码器，在不降低译码性能的前提下减少译码所需要的迭代次数，进而提升译码的收敛速度降低译码时延。

背景技术：

1、水下信息传输技术成为海洋信息化的关键，为海洋的信息化，智慧化提供了可能。水下通信技术对国家海洋资源开采、海洋环境监测以及保卫海洋安全等方面具有重要作用。水下无线信号传输的主要信息载体是电磁波、光波和声波，但是电磁波在水中的损耗很大，不能进行中长距离的可靠传输，光波在水下环境耗散很大也只能进行短距离传输。水声技术可以实现水下的中远距离通信，声信号是目前水下中长距离无线传输的唯一信息传输载体。另外，水声通信方式不用考虑线缆的部署以及损耗维护等因素，可以更加灵活地使用。因此，在水下场景中，常采用声波作为信息载体进行远距离通信。随着电子技术、信息技术以及计算机技术的快速发展，硬件处理能力得到极大的提升，水声通信技术得到了快速的发展。

2、但是，水声通信信道条件恶劣，如多径传输严重、通信带宽受限、多普勒效应严重等，如何保证通信的可靠性是水声通信的首要问题。信道编码是实现水声通信可靠性的关键技术之一。早期的水声通信中常使用bch码、卷积码等传统编码方法，但是这些纠错码的纠错能力有限。近年来，ldpc码和turbo码凭借其逼近香农限的优良性能，被广泛应用于水声通信中。

3、目前将ldpc码应用到水声通信信道中的应用主要考虑ldpc码短码，而且很少结合到具体的水声通信信道。专利号为202010490139.4的发明专利公开了一种水声信道下原模图ldpc码的优化方法，该方法将原模图ldpc码应用到水声通信信道中，考虑本征声线模型对ldpc码错误平层的影响，设计了一种适用于水声通信信道的原模图ldpc码，在少量损失译码性能的前提下提高了ldpc码的错误平层，但是并没有针对水声通信信道下的噪声类型进行译码设计，以及实际水声通信系统中的应用ldpc码的译码开销。专利号为201910184758.8的发明专利公开了一种快速收敛的ldpc码译码算法，该方法改进了最小和译码算法，提出了一种动态加权的方法对节点进行更新，每次更新都需要进行一次判决，可以加速ldpc码的收敛速度。但是该方法并不能提前检测到不成功的迭代过程进而提前退出译码过程，在译码不成功时会陷入到无效迭代的过程中，而且也会损失译码性能。申请号为201810415350.2的发明专利申请公开了一种改进的ldpc码和积译码方案，通过观测校验节点的信息对误码率的影响对校验节点的更新顺序进行动态调整，可以有效加速ldpc码收敛过程以及增大译码性能，但是该方法只是按顺序更新校验节点然后再再动态更新，而且不能提前终止不必要的失败迭代过程。

4、由于水声通信信道带宽有限，信道编码的码字不宜过长，这样会导致采用的ldpc码的译码性能会有所下降，不能满足水声通信中的纠错要求。而在ldpc码的实际使用中，译码计算开销带来的译码时延也是很重要的因素。因此，在水声通信中的信道译码，需要综合考虑译码性能与译码时延。综合来说，要降低译码所占用的计算开销，可以从减少译码所需的迭代次数入手，在不损失译码性能的前提下减少译码的迭代次数。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对水声通信道中存在的脉冲噪声，提供一种水声通信中快速收敛的ldpc码译码方法。

2、本发明的应用背景：对于一个(n,k)的ldpc码，对应一个(n-k)×n的校验矩阵h，其二分图上分布n个变量节点vi和(n-k)个校验节点cj，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,n-k；若h[j][i]＝1，则二分图上变量节点vi连接校验节点cj；校验节点连接的边数量为校验节点的度，变量节点连接的边数量为变量节点的度；通过在二分图上传递对数似然比(loglikelihood ratio，llr)信息进行迭代译码。

3、本发明方法具体步骤是：

4、步骤(1)根据校验矩阵h确定校验节点更新顺序：

5、(1-1)确定每个校验节点的度初始化所有变量节点的更新次数值为0，rncnti＝0，更新顺序集合

6、(1-2)从校验节点度集合{dj}中选择度最小的校验节点构成度最小的校验节点集合sm为集合中第m个校验节点，m＝1,…,m；

7、(1-3)遍历中的校验节点，计算每个校验节点连接的变量节点更新次数值m′为sm在校验矩阵h二分图上校验节点的序号；从中删除更新次数cntm最大的校验节点即为如果更新次数最大的校验节点为多个，从中随机选择一个校验节点删除，删除后的集合

8、(1-4)将校验节点加入顺序集合将校验节点的度设为最大值，即为校验节点在校验矩阵h二分图上校验节点的序号；将校验节点连接的变量节点的更新次数值都加1，即如果集合非空，返回(1-3)继续删除；

9、(1-5)如果返回(1-2)，直至确定校验节点更新顺序集合

10、步骤(2)信息初始化：

11、发送端构造码长n、信息比特长度k的ldpc码，其承载消息的信息序列u＝[u1,u2,…,uk]，编码后得到码字序列x＝[x1,x2,…,xn]，前面的k比特是信息比特，后面的n-k比特为校验比特；将码字中的0映射为高电平，1映射为低电平；码字经过功率为σ2的脉冲噪声加扰的信道传输；

12、接收端接收序列y＝[y1,y2,…,yn]后，计算每个变量节点i的接收对数似然比llri，llri＝2yi/σ2；

13、初始化迭代次数l＝1，设置最大迭代次数itermax，接收对数似然比阈值α；初始化信息平均可靠度γpre＝0，不可靠迭代计数器counter＝0，信息可靠度的小变化阈值β，最大不可靠迭代次数η，暂时不更新的校验节点集合

14、步骤(3)信道对数似然比信息初始化：

15、检查每个变量节点的接收对数似然比，剔除异常值，即当|llri|＞α时，llri＝0；

16、初始化每个变量节点vi的信道总对数似然比信息为第l次迭代时变量节点vi的信道总对数似然比信息，l＝1,2,…,itermax；

17、初始化变量节点vi的信道初始对数似然比信息li＝llri；

18、初始化变量节点vi传递给校验节点cj的对数似然比信息l(1)(qij)＝llri，l(l)(qij)为第l次迭代时初始化变量节点vi传递给校验节点cj的对数似然比信息；

19、初始化校验节点cj传递给变量节点vi的对数似然比信息l(1)(rji)＝0，l(l)(rji)为第l次迭代时校验节点cj传递给变量节点vi的对数似然比信息。

20、步骤(4)选择校验节点进行信息更新：

21、(4-1)设判断变量flag＝0，表示为假；设置遍历p＝n-k，选择待更新的校验节点op，p＝1,2,…,p，执行步骤(5)和(6)；

22、(4-2)设判断变量flag＝1，表示为真；遍历选择待更新的校验节点tq，q＝1,2,…,q，执行步骤(5)和(6)；

23、(4-3)所有节点均已更新完，执行步骤(7)。

24、步骤(5)根据选择的校验节点，计算校验节点的信息更新、相邻的变量节点的信息更新和总似然比信息更新。

25、(5-1)对变量节点更新校验节点cj传递给相邻的变量节点vi的信息，即lcur(rji)表示本次更新中校验节点cj传递给变量节点vi的对数似然比信息，表示与校验节点cj连接的所有变量节点集合，cj为op或tq；其中，x为变量。

26、(5-2)对变量节点更新相邻变量节点vi传递给该校验节点cj的信息，即lcur(qij)表示本次更新中变量节点vi传递给校验节点cj的对数似然比信息,χi为与vi连接的所有校验节点的集合。

27、(5-3)对变量节点更新与校验节点cj相邻的变量节点vi的总似然信息，即表示本次更新中变量节点vi的总对数似然比信息。

28、步骤(6)判断是否接受此次更新；

29、如果且flag＝0，则放弃此次更新，将校验节点cj添加到暂时不更新的校验节点集合否则，接受此次更新，即l(l)(rji)＝lcur(rji)，l(l)(qij)＝lcur(qij)，

30、步骤(7)判断本轮迭代是否可靠：

31、一次迭代更新之后的信息总似然比信息的均值γ表征一轮迭代过后的信息平均可靠度；如果γ-γpre＜β，判断本轮迭代不可靠，不可靠迭代计数器counter加1。

32、步骤(8)硬判决译码：

33、令判决码字为其中第n个比特判决结果为

34、步骤(9)判断是否提前终止迭代：

35、如果counter＞η或l＝＝itermax，认为这次译码过程失败，直接执行步骤(11)，结束译码过程；否则，执行步骤(10)。

36、步骤(10)根据校验关系判断是否译码成功：

37、如果判断译码成功，执行步骤(11)，上标t表示转置；否则设定γpre＝γ，返回步骤(4)，进行下一轮迭代。

38、步骤(11)输出译码码字

39、本发明方法结合了提前终止迭代方法以及串行译码方法改进了传统的bp算法。通过计算信息的平均可靠度的变化来检测潜在的译码失败现象来提前终止迭代过程，在低信噪比区域，本发明方法可以提前终止迭代过程进而减少不必要的计算开销。

40、本发明方法的串行译码方法结合了动态以及静态的调度策略。静态调度时考虑校验节点的度对信息更新的影响，预先确定了校验节点的更新顺序。动态调度时，考虑了更新过程中的节点信息可靠度的变化来对校验节点的更新顺序进行动态调整。在高信噪比区域，两种方法均能译码成功，但是本方法所需要的迭代次数更少，收敛速度更快。因此，本发明方法在译码成功和译码失败时均能有效地减小了译码所需要的的迭代次数，降低了译码时延。