一種基于深空通信環境的碼率兼容原模圖ldpc碼構造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于深空通信環境的碼率兼容原模圖LDPC碼構造方法，包括：1)基于ARAPA原模矩陣的行列擴展來得到多個碼率兼容的原模圖；2)然后，對所得到的一系列原模圖采用PEG算法進行4次拓展以移除重邊得到無重邊的原模圖；3)最后再次對上述原模圖采用PEG算法進行若干次拓展，即可得到一定碼長且具有準循環特性的碼率兼容原模圖LDPC碼。這種基于矩陣擴展方法構造的碼率兼容LDPC碼具有較低的譯碼門限、更低的誤碼平層，與基于AR4JA原模圖構造的碼率兼容LDPC碼相比，本方法構造的碼率兼容LDPC碼的性能盡管與之相近，但是其具有更低的譯碼門限和譯碼計算復雜度，尤其是在高碼率時具有更優越的性能，在BER為10-6時可獲得大約0.2dB的性能增益。
【專利說明】一種基于深空通信環境的碼率兼容原模圖LDPC碼構造方 法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及深空通信系統信道編碼【技術領域】，特別涉及一種碼率兼容原模圖LDPC 碼的構造方法。
【背景技術】
[0002] 深空通信環境具有傳輸距離遠、時延大、信噪比低、誤碼率高、鏈路速率不對稱以 及發送功率受限等特點。因此，構造適合深空通信環境、高性能、低復雜度的信道編碼成 為保證深空通信系統可靠性和有效性的一項關鍵技術。低密度奇偶校驗（Low-Density Parity-Check，LDPC)碼具有并行的譯碼結構，更適于高速硬件實現，錯誤平層更低，被認為 是迄今為止糾錯性能最好的碼。2003年，美國宇航局（NASA)的空氣動力實驗室（JPL)首 次提出了原模圖（protograph)LDPC碼，彌補了傳統LDPC碼編碼復雜度較高的不足，其設計 的AR4JA碼于2006年由太空數據系統咨詢委員會（Consultative Committee for Space Date Systems，CCSDS)推薦給NASA作為深空通信的標準碼型。
[0003] 近年來，研究人員發現在深空通信系統所處的時變環境條件下，引入碼率兼容的 原模圖LDPC編碼技術能夠自適應的根據信道環境做出相應調整。采用碼率兼容的原模圖 LDPC碼，可以在保證服務質量的前提下，根據信道環境通過調整碼率來實時地調整其糾錯 能力，從而實現信道的吞吐率最大化，提高了數據的傳輸效率。從實現復雜度的角度考慮， 碼率兼容原模圖LDPC碼是由一個嵌套結構組成，它能夠在一定碼率范圍內采用單個編碼 器/譯碼器工作，從而大大降低了系統的復雜度。
[0004] 目前，基于原模圖設計碼率兼容LDPC碼常用的方法主要有：（1)打孔（puncture)， 即對低碼率的原模圖LDPC碼連續打孔得到一系列高碼率的子碼。El-Khamy等人在"Design of rate-compatible structured LDPC codes for hybrid ARQ applications，TSelected Areas in Communications, IEEE Journal on, 2009, 27 (6) :965_973】文章中針對一種基于 原模圖的漸近節點打孔算法（progressive node puncturing algorithm)構造的碼率兼容 LDPC碼展開研究。這種方法雖然簡單，然而存在著打孔后所得高碼率子碼譯碼性能下降十 分嚴重這一缺陷。（2)基于原模矩陣擴展（extension)的方法，即對高碼率原模圖LDPC碼 的原模矩陣逐次行列拓展得到一系列低碼率的子碼。針對原模圖打孔過程中高碼率子碼的 譯碼性能嚴重惡化，Nguyen 等人在 "The design of rate-compatible protograph LDPC codes"【Communications, IEEE Transactions on, 2012, 60 (10) :2841-2850】文章中提出了 一種基于AR4JA原模圖的擴展構造碼率兼容原模圖LDPC碼的方法。這種方法雖然能夠避 免打孔過程中子碼譯碼性能惡化這一弊端，但是，鑒于深空通信的特點，其采用的碼率兼容 原模圖LDPC碼需具備更優越的性能、更低的譯碼門限和譯碼計算復雜度。因此，構造一種 適用深空通信環境、高性能、低復雜度的碼率兼容原模圖LDPC碼成為了近年來人們研究碼 率兼容LDPC碼應用的熱點問題之一。
【發明內容】
[0005] 針對現有技術中，目前，針對原模圖的打孔技術構造碼率兼容LDPC碼，存在著打 孔后所得高碼率子碼的譯碼性能嚴重下降這一缺陷，針對這一缺陷所提出的基于原模矩陣 擴展的方法設計碼率兼容LDPC碼，往往需要基于性能優越的原模圖進行拓展，然而目前傳 統方法主要是基于AR4JA原模圖的擴展構造碼率兼容LDPC碼，其存在著性能的次優性、較 高的譯碼復雜度等缺點，因此亟待選取比AR4JA原模圖性能更好、譯碼門限和譯碼計算復 雜度更低的原模圖來構造碼率兼容原模圖LDPC碼以適應深空通信的需求的不足，本發明 的目的在于提供一種能夠克服打孔后高碼率碼字譯碼性能的嚴重下降、更低的譯碼門限和 譯碼計算復雜度的基于深空通信環境的碼率兼容原模圖LDPC碼構造方法，本發明的技術 方案如下：一種基于深空通信環境的碼率兼容原模圖LDPC碼構造方法，其包括以下步驟：
[0006] 101、構造一種相比AR4JA原模圖的平均節點度數更低的累加-重復-累加-部分 累加（ARAPA)原模圖，并對得到累加-重復-累加-部分累加（ARAPA)原模圖進行矩陣擴 展，即對所選擇的ARAPA原模圖的母碼原模矩陣逐次增加一行校驗節點及一列變量節點， 得到若干個原模圖；
[0007] 102、然后對步驟101所得到的若干個原模圖采用漸近邊增長（PEG)算法進行4次 拓展，經過復制-置換后得到無重邊的原模圖；
[0008] 103、再次對步驟102得到的無重邊的原模圖采用漸近邊增長（PEG)算法進行若干 次拓展，即可構造得到碼率兼容ARAPA原模圖LDPC碼。
[0009] 進一步的，步驟103中所選取的ARAPA碼是一種基于累加-重復-累加（ARA)碼 改進得到的原模圖LDPC碼。
[0010] 進一步的，當基于4/5碼率的ARAPA原模圖進行6次矩陣擴展，分兩次共進行128 次拓展后,則步驟 103 中的母碼 LDPC0、子碼 LDPC1、LDPC2、LDPC3、LDPC4、LDPC5、LDPC6 的 信息位長度均為1024,碼率分別為4/5、8/11、2/3、8/13、4/7、8/15、1/2。
[0011] 進一步的，步驟101中相應原模圖所對應的Tanner圖中，新增的變量節點僅與新 增的校驗節點相連，在相應的原模矩陣中每次新增一列時僅在新增的一行處有非零元素， 確定新增的每一行里面非零元素的分布時，迭代譯碼門限值的計算采用PEXIT算法。
[0012] 進一步的，步驟101中所述的ARAPA原模圖相應的基礎矩陣B如下：
[0013]
【權利要求】
1. 一種基于深空通信環境的碼率兼容原模圖LDPC碼構造方法，其特征在于包括以下 步驟： 101、 構造一種相比AR4JA原模圖的平均節點度數更低的累加-重復-累加-部分累加 ARAPA原模圖，并對得到的累加-重復-累加-部分累加 ARAPA原模圖進行矩陣擴展，即對 所選擇的ARAPA原模圖的母碼原模矩陣逐次增加一行校驗節點及一列變量節點，得到若干 個原模圖； 102、 然后對步驟101所得到的若干個原模圖采用漸近邊增長PEG算法進行4次拓展， 經過復制-置換后得到無重邊的原模圖； 103、 再次對步驟102得到的無重邊的原模圖采用漸近邊增長PEG算法進行若干次拓 展，即可得到具有準循環結構的碼率兼容ARAPA原模圖LDPC碼。
2. 根據權利要求1所述的基于深空通信環境的碼率兼容原模圖LDPC碼構造方法，其特 征在于：步驟103中所選取的ARAPA碼是一種基于累加-重復-累加 ARA碼改進得到的原 模圖LDPC碼。
3. 根據權利要求1所述的基于深空通信環境的碼率兼容原模圖LDPC碼構造方法，其特 征在于：當基于4/5碼率的ARAPA原模圖進行6次矩陣擴展，分兩次共進行128次拓展后， 則步驟103中的母碼LDPC0、子碼LDPC1、LDPC2、LDPC3、LDPC4、LDPC5、LDPC6的信息位長度 均為 1024,碼率分別為 4/5、8/11、2/3、8/13、4/7、8/15、1/2。
4. 根據權利要求1所述的基于深空通信環境的碼率兼容原模圖LDPC碼構造方法，其特 征在于：步驟101中相應原模圖所對應的Tanner圖中，新增的變量節點僅與新增的校驗節 點相連，在相應的原模矩陣中每次新增一列時僅在新增的一行處有非零元素，確定新增的 每一行里面非零元素的分布時，迭代譯碼門限值的計算采用PEXIT算法。
5. 根據權利要求1所述的基于深空通信環境的碼率兼容原模圖LDPC碼構造方法，其特 征在于：步驟101中所述的ARAPA原模圖相應的基礎矩陣B如下：
6. 根據權利要求1所述的基于深空通信環境的碼率兼容原模圖LDPC碼構造方法，其特 征在于：步驟103中采用漸近邊增長PEG算法進行拓展步驟的次數根據CCSDS推薦的深空 通信環境下LDPC碼的標準碼長來選定。
【文檔編號】H03M13/11GK104158550SQ201410425664
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月26日 優先權日:2014年8月26日
【發明者】趙輝, 秦亮, 王汝言, 張鴻, 李勇, 韓建新 申請人:重慶郵電大學