一种基于QC-LDPC码的多信源多中继协作构建方法技术

本发明专利技术涉及一种基于QC‑LDPC码的多信源多中继协作构建方法，采用通过对信源节点和中继节点QC‑LDPC码联合设计的方法，消除了系统校验矩阵中的短环。同时，在中继节点处采用了形如HR＝[A B L C I]的校验矩阵对信息比特进行编码，构造过程中只需存储每个子块的循环移位值，既降低了系统对存储空间的需求以及编码的复杂度，又便于硬件实现；并且中继节点采用的是右半边为对角结构的校验矩阵，有效降低了协作中继编码的复杂度和功率消耗。根据信源节点和中继节点使用的QC‑LDPC码联合设计了系统的校验矩阵，消除了联合校验矩阵中所有可能存在的短环，提高了系统的误码率(BER)性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于QC-LDPC码的多信源多中继协作构建方法
本专利技术涉及一种信道编码的构建方法，尤其是一种基于QC-LDPC编码的多信源多中继编码协作系统的构建方法，属于编解码

技术介绍
生活在信息时代，人们在许多领域都追求信息的可靠有效传输，例如政治、经济、军事、科技等领域。而如今广泛运用的数字通信系统中，绝大多数均涉及信道纠错编码技术。低密度奇偶校验码(lowdensityparitycheck，LDPC)就是其中是一种性能逼近Shannon限的高效信道编码技术，而准循环LDPC(Quasi-CyclicLDPC，QC-LDPC)码作为LDPC码的一个重要子类，其性能较为突出。与随机构造的LDPC码相比，该码不仅具有传统LDPC码的优点，而且由于其校验矩阵的准循环移位结构，在构造过程中只需存储每个子块的循环移位值即可，极大地降低了系统对存储空间的需求以及编码的复杂度，便于硬件实现。并且其应用领域也相当广泛，诸如无线局域网通信、深空宇航、超高速光纤通信、数字水印技术等。由此可见，其实际应用意义和经济价值都很大。而随着时代的进步，远距离传输越发广泛，这就对通信质量提出了更高的要求。协作技术是在中继信道和多址接入信道基础上并受到MIMO技术的启发而产生的，指用户之间通过相互协作，形成虚拟的MIMO系统，实现空间分集增益，从而提高整个通信系统的性能。编码协作是将信道编码技术和协作技术有机地融合在一个通信系统中，使之同时获得编码增益和协作分集增益，极大地提升了系统的可靠性。并且由于QC-LDPC码性能优异，同时可以采用完全并行的编码和迭代译码算法，降低了译码时延，所以将QC-LDPC码应用到编码协作通信系统便具有了天然的优势，拥有广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种基于QC-LDPC编码的多信源多中继编码协作系统，该系统通过对信源节点和中继节点QC-LDPC码的联合设计，消除了系统校验矩阵中的短环(girth-4，girth-6)，提升了系统的可靠性；同时，达到了降低编码复杂度的目的，使得该系统更加适用于生产实际。为了达到以上目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于QC-LDPC码的多信源多中继协作构建方法，所述多信源多中继编码协作系统包括单信源多中继、多信源单中继、及多信源多中继编码协作系统，采用对信源节点和中继节点QC-LDPC码联合设计的方法，消除了系统校验矩阵中的短环，同时，在中继节点处采用了形如HR＝[ABLCI]的校验矩阵完成对信息比特的编码，其包括如下构建内容：A.QC-LDPC码的确定性构造：利用确定性构造算法为循环移位值pj,k赋值使得其检验矩阵避免了四六环的产生；B.构建信源节点编码方案：各信源节点Sk，通过编码器QC-LDPC-Sk对各自产生的信息比特编码，生成码字ck并通过广播信道发送至中继节点Rw和目的节点D，其中k＝1，2…，K，为大于1的整数；w＝1，2…，W，为大于1的整数。C.构建协作中继编码方案：各中继节点Rw接收来自各信源节节点Sk的信息，通过译码器Decoder-Rw译码得到原始的信息比特，并采用编码器QC-LDPC-Rw重新编码，然后将编码取得的校验比特通过广播信道发往目的节点D；D.构建目的节点译码方案：目的节点D接收来自各信源节点Sk及协作中继节点Rw的信息，基于校验矩阵和码字之间的关系Hc＝0，通过联合迭代译码算法译码并分析系统的误码率性能。本专利技术的进一步限定技术方案为：所述QC-LDPC码的确定性构造中，利用确定性构造算法计算校验矩阵中的循环移位值pj,k，达到所构造的校验矩阵，在此算法下，给定行重L、子矩阵B的大小，其中B≥3L2/4，即可构造一个码长为L×B的QC-LDPC码，且对应的校验矩阵H的围长至少为8。进一步的，所述QC-LDPC码的确定性构造中，设计列重为3，行重为L的规则QC-LDPC码，其校验矩阵表示为：其中，I(pj,k)是受循环移位值pj,k控制的一个B×B的循环置换矩阵；采用确定性构造方法为pj,k赋值，消除校验矩阵中的短环提高QC-LDPC码的围长，对于循环移位值pj,k(0<j<2,0<k<L)而言，从pj,k-1+1开始的第一个使得校验矩阵围长≥8的整数赋给pj,k，其中j为循环移位值pj,k对应所在行，k为循环移位值pj,k对应所在列，当所有的移位值都赋值完毕后，就得到了所需的校验矩阵，在算法执行之前，校验矩阵中的I(pj,k)都是全零矩阵；具体构造算法：令校验矩阵第二行各循环移位矩阵的移位值p1,k＝k(0≤k<L)，而第三行各循环移位矩阵的移位值p2,k(0≤k<L)则根据L奇偶性的不同，p2,k(0≤k<L)分别取值：若L为偶数：若L为奇数：上述两式也可统一表示为：进一步的，在信源节点Sk处，所述信源节点Sk采用QC-LDPC码对信息比特进行编码，编码得到的码字ck中包含原始的信息比特和检验比特，即ck＝[sk,pk]T，其中k＝1，2…，K，为大于1的整数。进一步的，对于多信源单中继编码协作系统，所述中继节点R首先利用译码器Decoder-R对来各个自信源节点的信号进行译码恢复出原始信息比特，并将其级联得到新的信息比特，然后通过编码器QC-LDPC-R重新编码，得到cR，中继节点采用形如HR＝[ABLCI]的下三角校验矩阵。具体步骤为：步骤S01：信源节点S1,L,SK分别发送独立的信息，对于Sk(k＝1,L,K)而言，信息比特经过信源处编码器QC-LDPC-Sk编码生成码字其中，N为码字的长度，Mk是校验位的长度。QC-LDPC-Sk对应的校验矩阵为利用TDMA方式，各信源节点分别将码字ck通过广播信道发送至中继节点和目的节点。步骤S02：中继节点R首先利用译码器Decoder-R对来各个自信源节点的信号进行译码，并将恢复出的信息比特s1,L,sK级联得到新的信息比特s'，然后通过编码器QC-LDPC-R再次进行编码，得到其中，p＝[p1,L,pM]T为中继节点编码产生的校验位。由于c1,L,cK已经由信源节点发送至目的节点，为了保证高效的传输效率，中继节点仅将校验位p发送至目的节点。和采用传统LDPC编码的协作中继不同，本专利技术的中继节点编码器QC-LDPC-R在利用QC-LDPC码自身优势的同时，还参考了G-LDPC码的编码方案，采用了形如HR＝[ABLCI]的校验矩阵，将中继编码的优势最大化。根据文献可知，QC-LDPC码在编码时一般先利用高斯消元法将校验矩阵H化成右半边为对角结构的矩阵然后再基于矩阵进行编码。编码过程中，校验比特根据式(5)产生，其中，为的第(m，i)个元素。由上式可见，QC-LDPC编码采用的是完全并行的编码方式，故每个编码生成的校验比特pm都是相互独立的，与上一个校验比特pm-1之间不存在关联性，这样的编码方式便可较好地降低编码时延。而本专利技术中继节点所采用的校验矩阵与传统QC-LDPC编码时所用的校验矩阵相比，其优势在于矩阵本身已经满足了右半边为对角结构的形式，故可直接用于编码而不需要进行高斯消元。这样的设计便可在降低中继节点编码的复杂度的同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于QC‑LDPC码的多信源多中继协作构建方法，其特征在于：所述多信源多中继编码协作系统包括单信源多中继、多信源单中继、及多信源多中继编码协作系统，通过对信源节点和中继节点QC‑LDPC码的联合设计，消除了系统校验矩阵中的短环；同时，在中继节点处采用了形如HR＝[A B L C I]的校验矩阵对信息比特进行编码，其包括如下构建内容：A.QC‑LDPC码的确定性构造：利用确定性构造算法为循环移位值pj,k赋值使得其校验矩阵避免了四六环的产生；B.构建信源节点编码方案：各信源节点Sk，通过编码器QC‑LDPC‑Sk对各自产生的信息比特编码，生成码字ck并通过广播信道发送至中继节点Rw和目的节点D，其中k＝1，2…，K，为大于1的整数；w＝1，2…，W，为大于1的整数；C.构建协作中继编码方案：各中继节点Rw接收来自各信源节节点Sk的信息，通过译码器Decoder‑Rw译码得到原始的信息比特，并采用编码器QC‑LDPC‑Rw重新编码，然后将编码所得的校验比特通过广播信道发往目的节点D；D.构建目的节点译码方案：目的节点D接收来自各信源节点Sk及协作中继节点Rw的信息，基于校验矩阵和码字之间的关系Hc＝0，通过联合迭代译码算法译码并分析系统的误码率性能。...

【技术特征摘要】
1.一种基于QC-LDPC码的多信源多中继协作构建方法，其特征在于：所述多信源多中继编码协作系统包括单信源多中继、多信源单中继、及多信源多中继编码协作系统，通过对信源节点和中继节点QC-LDPC码的联合设计，消除了系统校验矩阵中的短环；同时，在中继节点处采用了形如HR＝[ABLCI]的校验矩阵对信息比特进行编码，其包括如下构建内容：A.QC-LDPC码的确定性构造：利用确定性构造算法为循环移位值pj,k赋值使得其校验矩阵避免了四六环的产生；B.构建信源节点编码方案：各信源节点Sk，通过编码器QC-LDPC-Sk对各自产生的信息比特编码，生成码字ck并通过广播信道发送至中继节点Rw和目的节点D，其中k＝1，2…，K，为大于1的整数；w＝1，2…，W，为大于1的整数；C.构建协作中继编码方案：各中继节点Rw接收来自各信源节节点Sk的信息，通过译码器Decoder-Rw译码得到原始的信息比特，并采用编码器QC-LDPC-Rw重新编码，然后将编码所得的校验比特通过广播信道发往目的节点D；D.构建目的节点译码方案：目的节点D接收来自各信源节点Sk及协作中继节点Rw的信息，基于校验矩阵和码字之间的关系Hc＝0，通过联合迭代译码算法译码并分析系统的误码率性能。2.根据权利要求1所述的基于QC-LDPC码的多信源多中继协作构建方法，其特征在于：所述QC-LDPC码的确定性构造中，利用确定性构造算法计算校验矩阵中的循环移位值pj,k，以消除构造的校验矩阵中存在短环；在此算法下，给定行重L、子矩阵B的大小，其中B≥3L2/4，即可构造一个码长为L×B的QC-LDPC码，且对应的校验矩阵H的围长至少为8。3.根据权利要求1或2所述的基于QC-LDPC码的多信源多中继协作构建方法，其特征在于：所述QC-LDPC码的确定性构造中，设计列重为3，行重为L的规则QC-LDPC码，其校验矩阵表示为：其中，I(pj,k)是受循环移位值pj,k控制的一个B×B的循环置换矩阵；采用确定性构造方法为pj,k赋值，消除校验矩阵中的短环以提高QC-LDPC码的围长；对于循环移位值pj,k(0<j<2,0<k<L)而言，从pj,k-1+1开始的第一个使得校验矩阵围长≥8的整数赋给pj,k，其中j为循环移位值pj,k对应所在行，k为循环移位值pj,k对应所在列，当所有的移位值都赋值完毕后，就得到了所需的校验矩阵，在算法执行之前，校验矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：张顺外，魏琪，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32