一种多码率多码长QC-LDPC码的构造和编码方法技术

本发明专利技术提出一种多码率多码长QC‑LDPC码的构造和编码方法，包括：确定多码率多码长QC‑LDPC码模板矩阵TMb_max,Kb_max的基本参数；构造第一预定个数的模板矩阵TMb_min,Kb_max，并得到相应构造结果在典型信道下的信噪比门限，保留一个构造结果；构造第二预定个数的模板矩阵TMb+1,Kb_max，并得到构造结果在典型信道下的信噪比门限，保留一个构造结果，得到TMb_max,Kb_max；根据TMb_max,Kb_max构造一组校验矩阵，完成对QC‑LDPC码的构造。本发明专利技术能够构造性能逼近理论界的多码率多码长QC‑LDPC码，简化了基于LDPC码的编码调制系统的设计和实现。

Construction and coding method of multi rate and multi code length QC-LDPC codes

The invention proposes a method for constructing and encoding QC_LDPC codes with multiple bit rates and multiple code lengths, including: determining the basic parameters of template matrix TMb_max and Kb_max of QC_LDPC codes with multiple bit rates and multiple code lengths; constructing template matrices TMb_min and Kb_max of the first predetermined number, and obtaining corresponding signal-to-noise ratio thresholds under typical channels with one reserved. The second predetermined number of template matrices TMb+1, Kb_max are constructed, and the signal-to-noise ratio thresholds of the constructed results in typical channels are obtained. A constructed result is retained to obtain TMb_max, Kb_max. A set of check matrices are constructed according to TMb_max and Kb_max to complete the construction of QC_LDPC codes. The invention can construct a multi-rate multi-code length QC_LDPC code whose performance approximates the theoretical field, and simplifies the design and implementation of a coding and modulation system based on LDPC code.

【技术实现步骤摘要】
一种多码率多码长QC-LDPC码的构造和编码方法
本专利技术涉及数字信息传输
，特别涉及一种多码率多码长QC-LDPC码的构造和编码方法。
技术介绍
在信息传输领域，在给定信道条件(如信噪比，Signal-to-NoiseRatio，SNR)下，噪声和干扰信道的最大传输速率由香农信道容量限定，信息传输的有效性和可靠性要求逼近信道容量理论界的高性能信道编码。另一方面，实际信息传输中用户需求、信道条件和编码调制方案的多样性，要求多码率多码长的信道编码，其中，信息比特和编码比特长度逐比特变化是多码率多码长的极限需求。综上，实际系统的高效可靠信息传输要求设计多码率多码长且性能逼近信道容量理论界的信道编码。此外，实际系统还要求信道编码设计简单、描述方便、实现灵活、吞吐能力高等。低密度奇偶校验码(LowDensityParityCheck,LDPC)码是由RobertG.Gallager于1962年提出的一类基于稀疏校验矩阵的特殊线性分组码。LDPC码是一种可以逼近信道容量理论界的信道编码，并且具有译码复杂度较低、吞吐能力高、结构灵活等优势。LDPC码通常由M行(K+M)列的校验矩阵H定义，H的化零空间即LDPC码的码字空间，其中K为信息位长度，M为校验位长度，N＝K+M为编码比特长度(简称码长)，对应码率R＝K/(K+M)。K位信息比特经M行(K+M)列的LDPC校验矩阵H进行LDPC编码，得到M位校验比特，K位信息比特和M位校验比特合并得到N＝K+M位的编码比特。LDPC码的M行(K+M)列校验矩阵H定义于GF(2)域，元素取值为0或1。校验矩阵每一行表示一个校验方程，在Tanner图中称为校验节点，共M个；每一列代表一个编码比特，在Tanner图中称为变量节点，共(K+M)个；校验矩阵中的非零元素表示其所在行的校验节点和所在列的变量节点之间的连接关系，在Tanner图中称为边。结合图1所示，具有Raptor-like结构的LDPC码特征在于：K信息比特与M_min<M_max个校验比特对应的校验矩阵部分构成预编码的校验矩阵，信息比特和M_min个校验比特构成预编码的编码比特；其余(M_max-M_min)个校验比特作为扩展校验比特，均是预编码的编码比特的校验位，相互之间没有校验关系，对应的校验矩阵部分由全零矩阵和单位阵组成。因此，预编码的校验比特的长度M_min是Raptor-like结构的LDPC码的一个重要参数。具有Raptor-like结构的LDPC码，可以对低码率的M个校验比特直接删除最后的(M-M0)个校验比特，得到M0个校验比特作为较高码率的校验比特，即对低码率的M行(K+M)列的校验矩阵直接截取前M0行和前(K+M0)列，得到较高码率的M0行(K+M0)列的校验矩阵，一般要求M0不小于M_min。对于LDPC码的校验矩阵，由于扩展校验比特对应列重为1的特殊性，使得Raptor-like结构的LDPC码具有递增冗余的特征，支持校验比特连续变化的多码率。因此，如何保证Raptor-like结构下校验比特删除前后的LDPC码性能，是多码率多码长LDPC设计的技术问题之一。结合图2所示，在Raptor-like结构LDPC码的基础上进行多码长多码率设计的一个途径是采用信息比特零填充技术，具体编码过程如下：不同长度的信息比特首先经过零填充(即填充零比特，通常在末尾填充)，得到长度固定的填充信息比特，然后采用同一个Raptor-like结构LDPC码校验矩阵进行编码，最后对编码比特进行后处理，去除填充信息比特并进行部分校验比特删除。由于零填充的信息比特在LDPC解码过程中不再参与信息传递，等价于校验矩阵的缩短，即，删除校验矩阵中零填充信息比特对应的列，得到实际的校验矩阵。因此，如何保证信息比特零填充前后的LDPC码性能，是多码率多码长LDPC设计的技术问题之二。结合图3所示，为了提高LDPC码设计灵活性，有学者提出信息比特删除技术，对(K+M)位编码比特中包含的K位信息比特的前V位进行删除(即K位信息比特参与编码后，前V位不进行后续传输)，得到N＝(K+M-V)位的删除编码比特。由于V位信息比特删除，实际码率由R＝K/(K+M)变化为R＝K/(K+M-V)。因此，实际LDPC信道编码包含三个参数：信息比特长度K、校验比特长度M和信息比特删除长度V，其中K和M为正整数，V为非负整数，V＝0表示不进行信息比特删除的特例。因此，如何分析和保证信息比删除后的LDPC码性能，是多码率多码长LDPC设计的技术问题之三。准循环LDPC码(Quasi-CyclicLDPC，QC-LDPC)是LDPC码的一个重要子类，具有设计简单、描述方便和实现灵活等优势。参见MarcP.C.Fossorier等人在文献“Quasi-cycliclow-DensityParity-checkcodesfromcirculantpermutationmatrices”中的定义，QC-LDPC码特点在于它的校验矩阵H具有准循环形式，可以用Mb行(Kb+Mb)列的模板矩阵T和Mb*(Kb+Mb)个循环移位子矩阵简化描述。每个循环移位子矩阵都是b*b的方阵，其特点在于，每一行都是其上一行的右循环移位。用上述循环移位子矩阵替换模板矩阵T中的每一个非零元素就可以得到M行(M+K)列的QC-LDPC码的校验矩阵H，其中M＝Mb*b，K＝Kb*b。因此，QC-LDPC码的信息比特长度为Kb*b，校验比特长度为Mb*b，b为循环移位子矩阵阶数，又称扩展因子。QC-LDPC码的循环移位子矩阵一般由单位矩阵平移得到，此时该子矩阵的一行或一列中有且仅有一个非零元素，并由其偏移地址唯一确定。但是，对实际的LDPC编码系统，为了提高LDPC码设计的自由度，QC-LDPC码的循环移位子矩阵的每行或每列最多可以有D个非零元素，D为正整数。QC-LDPC模板矩阵T的元素取值为不大于D的非负整数d，其中，取值d＝0代表该元素由b*b的全零子矩阵替代，取值d>0代表该元素由每行每列有d个非零元素的b*b的循环子矩阵替代，并且d个非零元素的位置(称为偏移地址，取值范围为[0,b-1])由偏移地址表A进一步规范。结合模板矩阵T和偏移地址表A，可以得到QC-LDPC码的校验矩阵H。采用Raptor-like结构、信息比特零填充技术、和信息比特删除技术，实际QC-LDPC信道编码包括如下参数：最大信息节点长度Kb_max，最大校验节点长度Mb_max，信息节点删除长度Vb，预编码对应的校验节点长度Mb_min，信息比特零填充对应的最小信息节点长度Kb_min，模板矩阵非零元素最大值D和扩展因子b，其中Kb_min、Mb_min、Kb_max、Mb_max、D和b为正整数，Vb为非负整数，Vb＝0表示不进行信息节点删除的特例。一个模板矩阵结合不同扩展因子b可以构造多个校验矩阵，这些校验矩阵码率相同但码长可大范围变化。因此，结合上述多码率LDPC设计方法，可以构造码长大范围变化的多码率多码长QC-LDPC码。然而，进一步地，在实际系统中，还存在有如下技术问题需要解决：1)对移动通信系统，信道编码需要兼顾控制信道和数据信道的需求。控制信道通常本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多码率多码长QC‑LDPC码的构造和编码方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：确定多码率多码长QC‑LDPC码模板矩阵TMb_max,Kb_max的参数，其中，所述模板矩阵TMb_max,Kb_max的信息节点删除长度为Vb，非零元素最大值为D，最小校验节点长度为Mb_min，最大校验节点长度为Mb_max，最小信息节点长度为Kb_min，最大信息节点长度为Kb_max，且Kb_min

【技术特征摘要】
1.一种多码率多码长QC-LDPC码的构造和编码方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：确定多码率多码长QC-LDPC码模板矩阵TMb_max,Kb_max的参数，其中，所述模板矩阵TMb_max,Kb_max的信息节点删除长度为Vb，非零元素最大值为D，最小校验节点长度为Mb_min，最大校验节点长度为Mb_max，最小信息节点长度为Kb_min，最大信息节点长度为Kb_max，且Kb_min<Kb_max，Mb_min<Mb_max；S2：构造JMb_min,Kb_max个模板矩阵TMb_min,Kb_max，以对应Raptor-like结构QC-LDPC码的预编码模板矩阵，并采用密度演进分析工具，得到JMb_min,Kb_max个构造结果在典型信道下的信噪比门限，优选并保留一个构造结果；S3：对于Mb＝Mb_min至Mb_max-1，在模板矩阵TMb,Kb_max的一个构造结果的基础上，构造JMb+1,Kb_max个模板矩阵TMb+1,Kb_max，并采用密度演进分析工具，得到JMb+1,Kb_max个构造结果在典型信道下的信噪比门限，优选并保留一个构造结果，以得到所述多码率多码长QC-LDPC码模板矩阵TMb_max,Kb_max；S4：根据所述模板矩阵TMb_max,Kb_max构造一组校验矩阵{Hb*Mb_max,b*Kb_max}，并根据所述校验矩阵{Hb*Mb_max,b*Kb_max}完成对多码率多码长QC-LDPC码的构造，其中，{b}为一组扩展因子。2.根据权利要求1所述的多码率多码长QC-LDPC码的构造和编码方法，其特征在于，还包括：S5：LDPC编码系统接收信息比特长度K、编码比特长度N和输入信息比特；S6：根据所述信息比特长度K，从所述步骤S3的模板矩阵构造结果中选取一个目标模板矩阵，并从所述步骤S4中的一组校验矩阵{Hb*Mb_max,b*Kb_max}中选取一个校验矩阵作为编码校验矩阵，并根据信息比特长度K对编码校验矩阵进行缩短，得到缩短校验矩阵，并根据编码比特长度N对缩短校验矩阵进行截取，得到截取校验矩阵，并根据信息比特长度K和截取校验矩阵的大小对输入信息比特进行零填充，得到长度为b0*Kb0的填充信息比特；S7：根据所述截取校验矩阵对所述长度为b0*Kb0的填充信息比特进行LDPC编码，得到长度为(b0*Kb0+b0*Mb0)的编码比特；S8：根据输入信息比特长度K，去除所述编码比特中包含的(b0*Kb0-K)个零填充比特，并根据校验比特长度M＝N-K+b0*Vb，去除编码比特最后的(b0*Mb0-M)个校验比特，以及根据所述信息节点删除长度Vb，删除编码比特中包含的前b0*Vb个信息比特，得到长度为(K+M-b0*Vb)＝N的输出编码比特。3.根据权利要求1所述的多码率多码长QC-LDPC码的构造和编码方法，其特征在于，在所述S2中，所述构造JMb_min,Kb_max个模板矩阵TMb_min,Kb_max，进一步包括：S2.1：构造N个Mb_min行、(Kb_min+Mb_min)列的模板矩阵TMb_min,Kb_min构造结果，并采用密度演进分析工具，得到模板矩阵构造结果在典型信道下的信噪比门限，并从N个构造结果中优选并保留JMb_min,Kb_min个构造结果，其中，TMb_min,Kb_min对应Raptor-like结构QC-LDPC码的预编码模板矩阵的起始部分；S2.2：对于Kb＝Kb_min至Kb_max-1，在模板矩阵TMb_min,Kb的JMb_min,Kb个构造结果的基础上，对第j个构造结果(1<＝j<＝JMb_min,Kb)，通过增加第Kb+1列的第1至Mb_min个节点，构造Nj个模板矩阵TMb_min,Kb+1，以得到个构造结果，并采用密度演进分析工具，得到模板矩阵构造结果在典型信道下的信噪比门限，从N个构造结果中优选并保留JMb_min,Kb+1个构造结果，最后得到JMb_min,Kb_max个模板矩阵TMb_min,Kb_max，其中，TMb_min,Kb_max对应Raptor-like结构QC-LDPC码的预编码模板矩阵。4.根据权利要求1所述的多码率多码长QC-LDPC码的构造和编码方法，其特征在于，在所述S3中，所述在模板矩阵TMb,Kb_max的一个构造结果的基础上，构造JMb+1,Kb_max个模板矩阵TMb+1,Kb_max，进一步包括：S3.1：在模板矩阵TMb,Kb_max的一个构造结果的基础上，通过对截短模板矩阵TMb,Kb_min增加(Kb_min+Mb_min)个节点，得到第(Mb+1)行的第1至Kb_mi...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭克武，陈璋美，刘玥，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11