一种降低QC-LDPC码错误平台的联合算法的制作方法

本发明涉及5g通信技术领域，具体为一种降低qc-ldpc码错误平台的联合算法。

背景技术：

5g通信系统已经确定采用qc-ldpc码作为embb场景中数据信道的信道编码方案，ldpc码是一类具有良好纠错能力的信道编码方案，它能在多种信道中都获得达到或者逼近香农限性能，qc-ldpc码作为ldpc码的一个分支，继承了上述所提出的ldpc码的优良特性的同时，还具有编码复杂度低的特点。因此，它已被许多现代通信系统采用，特别是5g通信系统也决定使用qc-ldpc码作为embb场景中数据信道的信道编码方案。

目前随着对ldpc码的构造，编译码算法，性能结构分析等不断的深入，人们发现绝大多数中等码长的ldpc码都存在错误平层的问题，即在一定的高信噪比区域，译码性能不再随着信噪比的增加而显著提高，性能曲线呈现出平台现象，这限制了ldpc在误码率(ber)要求极低(误比特率要求低于10-12～10-15)的实际通信系统中的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种降低qc-ldpc码错误平台的联合算法，以解决上述背景技术中提出的目前随着对ldpc码的构造，编译码算法，性能结构分析等不断的深入，人们发现绝大多数中等码长的ldpc码都存在错误平层的问题，即在一定的高信噪比区域，译码性能不再随着信噪比的增加而显著提高，性能曲线呈现出平台现象，这限制了ldpc在误码率(ber)要求极低(误比特率要求低于10-12～10-15)的实际通信系统中的应用的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种降低qc-ldpc码错误平台的联合算法，其特征在于，包括联合校验矩阵扩展和译码算法。

优选的，所述的合校验矩阵扩展和译码算法的方案如下：

1).确定qc-ldpc码在高信噪比时的不可检测的错误；

2).采用预编码的方式，扩展校验矩阵，消除由最小距离决定的不可检错误；

3).利用回溯的迭代译码方案消除陷阱集(a,b)(b>0)。

优选的，所述扩展校验矩阵消除不可检错误具体内容如下：

通过改进的译码码算法[6][7]可以消除陷阱集(a,b)(b>0)产生的错误，但在消除了大量的qc-ldpc码的非码字陷阱集后，不可检测错误成为高信噪比(snr)区域影响错误平层的主导错误事件，通过方法[4]加一些新的检验节点，并将其边连接到要消除的陷阱集上，来破坏属于不可检测错误的特殊陷阱集的结构。

优选的，所述文献[4]方法如下：

1).t1,t2,...tn中的任何两个陷阱集涉及到的变量节点都不相交，从t1,t2,...tn的每个陷阱集中随机选择一个变量节点，并使之与ca相连，陷阱集t1,t2,...tn都会被消除；

2).t1,t2,...tn中存在共有的变量节点，在这种情况下，ca的一条边可以消除含有公共变量节点v的多个陷阱集。如图2(b)所示。这样保证了通过添加较少的边消除尽量多的陷阱集。

优选的，所述改善的译码算法消除陷阱集(a,b)(a>0,b>0)具体内容如下：kang[6]提出了一种回溯的迭代译码算法消除陷阱集，该算法不需要预先对占主导地位的陷阱集有详细的了解，可对基于多种方法构造的码译码。该算法分为第一次回溯译码和第二次回溯译码。

优选的，所述一种降低qc-ldpc码错误平台的联合算法的仿真结果如下：

1).ieee802.16e标准中码率为1/2，码长n＝576的ldpc码；

2).5g标准中码率为2/3，码长n＝312的ldpc码。

优选的，所述一种降低qc-ldpc码错误平台的联合算法仿真中采用二进制相移键控(bpsk)在加性高斯噪声(awgn)信道上的传输，并将传统的和积译码器的最大迭代次数设置为50次。

与现有技术相比，具备以下有益效果：通过添加一些校验节点,以少量的码率损失为代价，消除掉由最小距离决定的不可检错误，然后，利用回溯的迭代译码方案进一步消除非码字的陷阱集，从而更好的改善错误平层区域的译码性能，通过校验矩阵扩展，消除了由最小距离确定的不可检测错误，增加了码的最小距离，进而通过回溯迭代译码算消除小的非码字陷阱集，仿真结果表明，与传统的译码方案相比，该方案的错误平层区域的误帧率性能有了明显的提高。

附图说明

图1为本发明中(a,b)陷阱集的示意图；

图2为本发明中陷阱集a的示意图；

图3为本发明中陷阱集b的示意图；

图4为本发明中回溯译码方案译码失败时码的错误模式的示意图；

图5为本发明中wimax码的奇偶校验矩阵的示意图；

图6为本发明中5g码的奇偶校验矩阵的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：一种降低qc-ldpc码错误平台的联合算法，包括包括联合校验矩阵扩展和译码算法。

该方法首先通过添加一些校验节点,以少量的码率损失为代价，消除掉由最小距离决定的不可检错误，然后，利用回溯的迭代译码方案进一步消除非码字的陷阱集，从而更好的改善错误平层区域的译码性能。

该方法总体思路与[8]类似，但在细节上有很多不同。

1)该文章的主要目标是消除qc-ldpc码的陷阱集，而不是随机的ldpc码。

2)[8]中的方法使得qc-ldpc原有的快速编码器无法使用，而该联合算法采用预编码的方式解决了这个问题。

3)该联合算法直接对现有的原始码进行简单的修改，而[8]中直接利用peg算法进行了码构造。

richarson[6]为了更好的分析ldpc码在awgn信道下的错误平层现象，首次提出了“陷阱集”的概念。设t是一个最终导致译码失败的错误比特的集合，若t中所产生的子图中包含有a个变量节点以及b个奇度数的校验节点，那么称t为一个(a,b)陷阱集。

以(5,3)陷阱集为例，说明了陷阱集对ldpc码迭代译码的影响。该陷阱集有5个变量节点和3个校验节点。当这五个变量节点处于错误状态时，其他的偶度数检验节点满足校验关系。因此，这些校验节点将在下一次迭代中传播5个变量节点的错误信息。然而，有三个奇度数校验节点不满足校验关系，它们将阻止错误消息的传播。由于陷阱集中的奇度数校验节点数量太少，错误的变量节点造成的错误无法纠正，这将阻止译码器收敛到正确的码字。

错误平层的存在主要是由于一些小的陷阱集和不可检错误，然而，从译码角度来说，此次采用一些改善了的译码算法[5][6]只能消除掉陷阱集(a，b)(a>0,b>0)。但却无法解决不可检码字这类的特殊陷阱集。若只考虑[2]-[4]通过码构造的方式来打破原有陷阱集的结构，那么对于具有大量陷阱集的qc-ldpc码来说，码的设计复杂度较高，即使找到占主导地位的陷阱集，仍然需要花费很长的时间，因此，如果想更好的提高qc-ldpc码的错误平层区域的性能，要同时考虑这两个方面的因素。

本次联合校验矩阵扩展和译码算法的新方案描述如下:

1)确定qc-ldpc码在高信噪比时的不可检测的错误。

2)采用预编码的方式，扩展校验矩阵，消除由最小距离决定的不可检错误

3)利用回溯的迭代译码方案消除陷阱集(a,b)(b>0)。

a.扩展校验矩阵消除不可检错误

通过改进的译码码算法[6][7]可以消除陷阱集(a,b)(b>0)产生的错误，但在消除了大量的qc-ldpc码的非码字陷阱集后，不可检测错误成为高信噪比(snr)区域影响错误平层的主导错误事件，可以通过方法[4]加一些新的检验节点，并将其边连接到要消除的陷阱集上，来破坏属于不可检测错误的特殊陷阱集的结构。下面是对文献[4]方法的总结：

设tanner图中有n个待消除的陷阱集t1,t2,...tn，ca为新增校验节点。当却仅当ca有一条边与陷阱集相连时，该陷阱集会被消除。如图2所示。由于t1,t2,...tn中涉及到的变量节点可能会相交，所以主要有两种情况：

1)t1,t2,...tn中的任何两个陷阱集涉及到的变量节点都不相交，从t1,t2,...tn的每个陷阱集中随机选择一个变量节点，并使之与ca相连，陷阱集t1,t2,...tn都会被消除。

t1,t2,...tn中存在共有的变量节点，在这种情况下，ca的一条边可以消除含有公共变量节点v的多个陷阱集。如图3所示。这样保证了通过添加较少的边消除尽量多的陷阱集。但是需要避免一个新增校验节点的两条边同时和同一个陷阱集相连的情况，以免引入新的不可检测错误。

对于[4]中的方法做了一些改进，方法是新增校验节点的边选择与出现次数最多的对应信息位的变量节点连接。因为对于qc-ldpc来说，可以依靠其校验矩阵的双对角线结构进行快速编码，编码复杂度很低。但当采用文献[4]这种方式新增校验位后，导致原始码发生变化，那么原来的快速编码器就不再适用，因此，考虑新增的校验节点的边只连向信息位，选择这些信息比特中的一个作为新的校验比特，每次送入编码器前，先针对这些信息比特进行一次预编码，即所选校验比特的值是剩余其他信息比特值的模2值。这样就可以利用原来的编码器进行编码，新增的编码复杂度也很低。

b.改善的译码算法消除陷阱集(a,b)(a>0,b>0)

kang[6]提出了一种回溯的迭代译码算法消除陷阱集，该算法不需要预先对占主导地位的陷阱集有详细的了解，可对基于多种方法构造的码译码。该算法分为第一次回溯译码和第二次回溯译码，第一次回溯译码如下：

首先，进行传统的和积译码算法，如果最终译码失败，并且在迭代译码过程中最小的一组不满足的cn小于预先设定的值(这个参数影响翻转比特的个数及算法的复杂度)，那么开始第一次回溯译码过程，这个过程主要是根据这些不满足的校验节点以及原始迭代译码的错误输出从而确定可能参与到陷阱集中的一些变量节点，通过逐个翻转这些错误比特，将其初始信道消息设置为最大可能的初始信道消息值且符号与原始信道消息初始值相反，然后重新开始译码过程，即第一次回溯译码，在比特猜测的阶段，如果翻转的变量节点不属于陷阱集，那么造成译码器错误模式的输入llr值不会受到影响，重新译码仍然会失败，否则，重新译码会有很高的概率成功，因此，第一次回溯译码方案能够消除大多数的陷阱集。

联合算法对两种不同的qc-ldpc的进行了仿真:ieee802.16e标准中码率为1/2，码长n＝576的ldpc码,5g标准中码率为2/3，码长n＝312的ldpc码。在仿真中，我们采用了二进制相移键控(bpsk)在加性高斯噪声(awgn)信道上的传输，并将传统的和积译码器的最大迭代次数设置为50次，结果表明，联合算法显著地降低了qc-ldpc错误平层。

回溯译码方案译码失败时码的错误模式的数量情况。

图4列出了高信噪比时两个例子的回溯译码算法[6]迭代译码失败时的错误模式的个数。从中可以看出，不可检测错误数量占总错误帧数的比例逐渐增大，最终95％以上的错误帧均是不可检测错误。因此，采用预编码的方式扩展校验矩阵的关键是消除回溯译码算法不起作用的不可检错误。

例1:设h1为(576,288)wimax码的奇偶校验矩阵，按照小节a中所提出的方法，将重量为14的校验行增加到到h1中，新增的校验行是：{109,110,111,112,240,241,242,243,244,245,246,247,248,249}该校验行消除了由最小距离确定的所有24个不可检测的错误(13,0)，最小距离从13提高到16。然后对修改后的码使用回溯迭代译码器。从图5可以看出，我们提出的联合算法在信噪比3.7db时，误帧率性能相较于传统spa译码器提升了一个量级以上。

例2:设h2为(312,208)5g码的奇偶校验矩阵，按照小节a中所提出的方法，将两个重量为13的校验行增加到到h2中，新增的两个校验行分别是：{104,105,106,107,108,109,110,111,112,113,114,115,116}{117,118,119,120,121,122,123,124,125,126,127,128,129}它们消除了由最小距离确定的所有26个不可检测的错误(8,0)，将最小距离从8提高到10。然后同样对修改后的码使用回溯迭代译码器。从图6可以看出，在信噪比4.7db时，联合算法的误帧率性能相较于传统spa译码器提升了接近一个量级。

本实施例的工作原理：该降低qc-ldpc码错误平台的联合算法，首先确定qc-ldpc码在高信噪比时的不可检测的错误，通过方法[4]加一些新的检验节点，并将其边连接到要消除的陷阱集上，来破坏属于不可检测错误的特殊陷阱集的结构，新增校验节点的边选择与出现次数最多的对应信息位的变量节点连接。因为对于qc-ldpc来说，可以依靠其校验矩阵的双对角线结构进行快速编码，编码复杂度很低。但当我们采用文献[4]这种方式新增校验位后，导致原始码发生变化，那么原来的快速编码器就不再适用，因此，考虑新增的校验节点的边只连向信息位，选择这些信息比特中的一个作为新的校验比特，每次送入编码器前，先针对这些信息比特进行一次预编码，即所选校验比特的值是剩余其他信息比特值的模2值。这样就可以利用原来的编码器进行编码，新增的编码复杂度也很低，再进行传统的和积译码算法，如果最终译码失败，并且在迭代译码过程中最小的一组不满足的cn小于预先设定的值(这个参数影响翻转比特的个数及算法的复杂度)，那么开始第一次回溯译码过程。这个过程主要是根据这些不满足的校验节点以及原始迭代译码的错误输出从而确定可能参与到陷阱集中的一些变量节点。通过逐个翻转这些错误比特，将其初始信道消息设置为最大可能的初始信道消息值且符号与原始信道消息初始值相反，然后重新开始译码过程，即第一次回溯译码，再利用该联合算法对两种不同的qc-ldpc的进行仿真。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本明的保护范围之内。