一种面向5G终端的高吞吐率LDPC译码算法及架构制造技术

本发明专利技术涉及一种面向5G终端的高吞吐率LDPC译码算法及架构，属于无线通信技术领域。该方案可以实现5G通信中数据高吞吐率的要求。该架构主要包括：VCN模块、控制逻辑模块、消息RAM模块。根据5G QC‑LDPC码的基图和扩展因子对校验矩阵分层，每一层形成一个层块结构，VCN模块的计算单元采用最小和译码算法更新节点，层块结构中校验节点全并行更新，增加译码吞吐率。更新的后验信息存储在层间移位寄存器，传递给下一层辅助后续节点更新。节点更新消息的符号信息和幅值信息分开处理和存储，降低复杂度。该方案适用于5G通信标准，具有低复杂度、高吞吐率的特点，适合无线通信技术的信道译码领域。

A high throughput LDPC decoding algorithm and architecture for 5g terminal

【技术实现步骤摘要】
一种面向5G终端的高吞吐率LDPC译码算法及架构
本专利技术属于无线通信
，涉及一种面向5G终端的高吞吐率LDPC译码算法及架构。
技术介绍
通信的目的是将信号从一端发送，在另一端接收，从而获取信息的过程，在这个过程中由于信道衰落和信道中噪声的干扰，会严重影响接收端信息获取的可靠性，降低获取信息的质量。因此，信道编码技术的提出即是为了改善信号在信道中的传输质量。1948年，香农发表的《通信的数学理论》奠定了信息论的基础，其定义的信道编码理论，为后来的编译码技术提供了理论支撑。1963年，Gallager提出了低密度奇偶校验码(Low-DensityParity-CheckCodes,LDPC)，这是一种具有非常稀疏校验矩阵的线性分组纠错码，其具有逼近香农极限的优异性能，并且具有译码复杂度低，错误平层低等优点。但在专利技术后的几十年由于技术水平的限制，LDPC码并没有得到关注，在上个世纪九十年代被重新发现后，经过科学家们几十年的研究，现在的LDPC码已经广泛用于深空通信，数据存储等方面。随着无线通信技术的发展，第五代移动通信技术—5G，越来越受到人们的关注，3GPP协会已经确定了LDPC码的一种具有准循环结构的码—QC-LDPC码，作为5G通信增强型移动带宽(eMBB)场景下数据信道的编码方式，在相关标准中定义了5GLDPC具有两种基矩阵，根据码字长度，基矩阵，码率等参数可以获得基矩阵的扩展因子，从而可以得到两种基矩阵相应的各51种校验矩阵。在5G通信中，QC-LDPC码的编码结构基本已经得到确定，但其译码系统由于设备的使用场景，信道的复杂情况，噪声干扰程度等的不同，对于译码性能的要求也不尽相同，但整体来说，具有优异的译码性能且实现复杂度较低的译码器更符合5G终端系统的要求。LDPC码的译码算法可以分为硬判决算法和软判决算法，硬判决算法由于其译码性能较低，不符合5G通信的高性能要求，因此一般不采用。软判决算法是基于置信传播(BeliefPropagation,BP)算法及其在BP算法基础上改进后的算法。常规的BP算法具有接近信道极限的译码性能，但是在BP算法中，进行校验节点更新时，需要进行大量的非线性函数的运算，以及大量的乘法运算。此外，进行译码时节点的处理流程也能对译码产生严重的影响，因此，需要选择合适的译码方案来减少译码时某些过程中的复杂度，译码方案一般可以分为：洪泛调度(flooding)，分层译码(layered)，动态调度(dynamicscheduling)。洪泛调度是一种全并行译码方案，顾名思义，校验节点和变量节点更新时并行进行，因此，在译码器的实现时需要消耗数量极多的资源为节点更新提供计算资源和存储资源，这种译码方案具有很高的吞吐率，但缺陷也很明显，消耗资源太多。分层译码方案进行译码时，首先对校验矩阵进行分层处理，完成一层的译码后信息可以传递到下一层协助后续译码，从而提高译码的收敛速度，此外，根据LDPC码的结构，每一层的校验节点更新可以并行进行，从而提高译码的吞吐率。动态调度译码方案在进行节点更新时，每一个节点更新都需要计算整个校验矩阵的残差值，因此译码步骤十分复杂，在5G中暂时不具有实用性。综上所述，面向5G终端的译码器，应该具有低复杂度，易于实现，高吞吐率的特征，并且在实现时需要消耗较少的资源。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种面向5G终端的高吞吐率LDPC译码算法及架构，能够满足5G终端高吞吐量的要求，克服传统译码算法和调度方案的缺陷。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种面向5G终端的高吞吐率LDPC译码算法，采用分层调度的最小和译码算法，对每一个分层的层块结构，其所有的校验节点进行全并行处理，每一个层块结构更新的节点信息存储在层间移位寄存器中，用于后续节点更新，该算法具体包括以下步骤：S1：校验矩阵H＝M×N，其中M＝1,2,…,m，N＝1,2,…,n，校验节点βm,n初始化为0，变量节点γn初始化为信道信息；S2：设置迭代次数，分层译码调度方案不同于传统的洪泛调度方案，分层调度方案因其每一层更新的消息能够用于后续节点更新，因此，分层方案具有译码收敛速度快的优势，所以能够设置较少的迭代次数达到洪泛调度方案相同的译码性能；S3：5GNR标准定义的两种基矩阵，每一种基矩阵有51种不同的基矩阵扩展因子z，因此，根据扩展因子z设置分层数量；S4：每层校验节点数量与基矩阵的扩展因子大小相同，根据扩展因子获取每一层校验节点的数量；S5：获得每一层中与每一个校验节点相连的变量节点的集合；S6：对变量节点和校验节点进行更新，并获得每一层更新后变量节点的后验信息；S7：对每一层的每一个校验节点更新后，即可获得最终变量节点的消息，对消息进行判决，进一步可以得到译出的码字，如果译出的码字满足校验矩阵，或者达到设定的迭代次数，则完成译码。进一步，在所述步骤S6中，根据如下方程对变量节点和校验节点进行更新，并获得每一层更新后变量节点的后验信息：S61：变量节点处理：αm,n＝γn-βm,n；S62：校验节点处理：S63：后验概率更新：在校验节点和变量节点的信息更新时，每次更新的节点的信息不包括该节点传递的信息，其中，αm,n是变量节点消息更新后传递给校验节点的消息，βm,n是校验节点消息，γn是变量节点的后验概率信息，m，n分别表示校验矩阵的行序号和列序号，n∈H(m)\n表示，与校验节点连接的变量节点集合，不包括变量节点n。一种面向5G终端的高吞吐率LDPC译码架构，该架构主要适用于5G通信的相关标准，满足3GPP标准下对QC-LDPC码的定义，满足5G终端对译码器高吞吐率的需求；主要包括VCN模块、控制逻辑模块、消息RAM模块；所述VCN模块是整个译码器的计算模块，用于对变量节点和校验节点进行更新；所述控制逻辑模块用于对译码器的流程进行逻辑控制，包括节点更新计算流程的判断、每一层更新消息的存储和读取、层数的判断、迭代过程的判断、每一次迭代完成后译码结果的判断；所述消息RAM模块用于包括校验矩阵的初始信息的存储，进行译码时，根据控制逻辑模块的使能信号对消息RAM的信息进行读取和存储。进一步，所述VCN模块是译码器的核心计算模块，主要包块VCN计算单元和其他运算逻辑，VCN计算单元用于更新节点消息，其他运算逻辑进行包括分层、判断、校验在内的处理；VCN计算单元的初始信息从信道消息中获取(变量节点γn初始化为信道信息，校验节点βm,n初始化为0)；根据5GNR标准QC-LDPC码的结构，在扩展因子z的基础上对校验矩阵进行分层，分层后的每一层称为层块结构，层块之间是移位寄存器，每一个层块结构使用z个VCN计算单元更新节点消息，更新后的消息会使用移位寄存器进行存储，运算逻辑则是对分层、判断、校验等的处理，主要包括：1)对译码变量如校验矩阵信息、迭代次数、节点初始信息等进行初始化；2)根据基矩阵和扩展因子等对校验矩阵分层，每一层作为一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向5G终端的高吞吐率LDPC译码算法，其特征在于：该算法具体包括以下步骤：/nS1：校验矩阵H＝M×N，其中M＝1,2,…,m，N＝1,2,…,n，校验节点β

【技术特征摘要】
1.一种面向5G终端的高吞吐率LDPC译码算法，其特征在于：该算法具体包括以下步骤：
S1：校验矩阵H＝M×N，其中M＝1,2,…,m，N＝1,2,…,n，校验节点βm,n初始化为0，变量节点γn初始化为信道信息；
S2：设置迭代次数，分层译码调度方案不同于传统的洪泛调度方案，分层调度方案因其每一层更新的消息能够用于后续节点更新，因此，分层方案具有译码收敛速度快的优势，所以能够设置较少的迭代次数达到洪泛调度方案相同的译码性能；
S3：5GNR标准定义的两种基矩阵，每一种基矩阵有51种不同的基矩阵扩展因子z，因此，根据扩展因子z设置分层数量；
S4：每层校验节点数量与基矩阵的扩展因子大小相同，根据扩展因子获取每一层校验节点的数量；
S5：获得每一层中与每一个校验节点相连的变量节点的集合；
S6：对变量节点和校验节点进行更新，并获得每一层更新后变量节点的后验信息；
S7：对每一层的每一个校验节点更新后，即可获得最终变量节点的消息，对消息进行判决，进一步可以得到译出的码字，如果译出的码字满足校验矩阵，或者达到设定的迭代次数，则完成译码。


2.根据权利要求1所述的一种面向5G终端的高吞吐率LDPC译码算法，其特征在于：在所述步骤S6中，根据如下方程对变量节点和校验节点进行更新，并获得每一层更新后变量节点的后验信息：
S61：变量节点处理：αm,n＝γn-βm,n；
S62：校验节点处理：
S63：后验概率更新：
在校验节点和变量节点的信息更新时，每次更新的节点的信息不包括该节点传递的信息，其中，αm,n是变量节点消息更新后传递给校验节点的消息，βm,n是校验节点消息，γn是变量节点的后验概率信息，m，n分别表示校验矩阵的行序号和列序号，n∈H(m)\n表示，与校验节点连接的变量节点集合，不包括变量节点n。


3.一种面向5G终端的高吞吐率LDPC译码架构，其特征在于：该架构主要适用于5G通信的相关标准，满足3GPP标准下对QC-LDPC码的定义，满足5G终端对译码器高吞吐率的需求；主要包括VCN模块、控制逻辑模块、消息RAM模块；所述VCN模块是整个译码器的计算模块，用于对变量节点和校验节点进行更新；所述控制逻辑模块用于对译码器的流程进行逻辑控制，包括节点更新计算流程的判断、每一层更新消息的存储和读取、层数的判断、迭代过程的判断、每一次迭代完成后译码结果的判断；所述消息RAM模块用于包括校验矩阵的初始信息的存储，进行译码时，根据控制逻辑模块的使能信号对消息RAM的信息进行读取和存储。


4.根据权利要求3所述的一种面向5G终端的高吞吐率LDPC译码架构，其特征在于：所述VCN模块是译码器的核...

【专利技术属性】
技术研发人员：张治中，王昊，钟储苓，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50