基于乘性重復疊加的長約束卷積碼構造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于一種乘性重復疊加的長約束卷積碼構造方法，主要解決現有技術因引入交織與解交織操作而造成的復雜度過高問題，其技術方案是：首先采用多元LDPC碼作為基本碼，并對發送的信息序列進行編碼，得到多元LDPC碼碼字；然后將多元LDPC碼碼字與乘性因子序列進行乘性重復，得到乘性重復結果；再將所有的乘性重復結果進行疊加，得到乘性重復疊加結果；最后將原始多元LDPC碼碼字和乘性疊加結果一起傳輸。本發明與現有的分組馬爾科夫疊加傳輸相比，其構造的長約束卷積碼用乘性因子序列替換了交織器，避免了編譯碼過程中的交織解交織操作，適應于實際應用，可用于無線蜂窩通信系統。
【專利說明】
基于乘性重復疊加的長約束卷積碼構造方法
技術領域
[0001] 本發明屬于無線通信技術領域，特別是涉及一種長約束卷積碼的構造方法，可用 于蜂窩通信系統的差錯控制碼。
【背景技術】
[0002] 在當前的無線通信場景中，對傳輸可靠度的要求越來越高，可以通過增大差錯控 制碼的碼長來保障高可靠傳輸，但碼長增大會導致譯碼時延的增加，這將嚴重影響通信質 量。針對這個問題，人們提出了長約束卷積碼，該類碼通過增大約束長度保障傳輸可靠度， 同時通過滑窗譯碼保障低譯碼時延。與碼長很長的分組碼相比，長約束卷積碼具有低譯碼 時延的優點，非常適合于連續大數據流等時延敏感業務。
[0003] 目前，構造長約束卷積碼的一種方法是分組馬爾科夫疊加傳輸BMST，該方法最先 由中山大學的馬嘯教授于2013年在"Obtaining Extra Coding Gain for Short Codes by Block Markov Superposition Transmission"中提出的，其構造過程是:首先使用基本碼 對信息序列進行編碼;然后再利用交織器將重復的基本碼字進行疊加。這種方法由于在編 碼時需要引入交織器進行疊加，因而在譯碼時需要涉及到很多交織和解交織的操作，導致 應用復雜度的提升。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提出一種基于乘性重復疊加的長約束卷積碼構造方法，以避免 引入交織器，簡化解碼操作，降低應用復雜度。
[0005] 本發明的技術方案是:采用多元LDPC碼作為基本碼，并對信息序列進行編碼;將多 元LDPC碼的碼字進行乘性重復和疊加;將原始多元LDPC碼碼字和乘性疊加后的結果一起傳 輸，其實現步驟包括如下：
[0006] 1.-種基于乘性重復疊加的長約束卷積碼構造方法，包括：
[0007] (1)設定編碼器的記憶階數為m，譯碼約束長度為d，其中d彡m+1;
[0008] (2)基于有限域GF(q)，構造碼長為n，信息序列長度為k，校驗矩陣為H的多元LDPC 碼，并將其作為多元基本碼；
[0013] 4γΛ)Ι忽ife3ll4M由得到的乘性重復結果w(i)進行疊加，得到乘性重復疊加結果：
[0014]
[0015] (5)將t時刻的多元碼字v(t)與乘性重復疊加結果c(t)結合，得到長約束卷積碼：
[0016]
[0017] (6)構造譯碼約束長度為d的長約束卷積碼校驗矩陣：
[0018]
[0019] 其中H為多元基本碼的校驗矩陣，0為全零矩陣，I為單位陣，P的形式為：
[0020]
[0021] 其中是P的第一行的第i+1項，= Ι · gw;
[0022] (7)利用長約束卷積碼校驗矩陣Hmrst對t時刻接收到的d個長約束卷積碼進行滑窗 譯碼，得到譯碼結果?(?)。
[0023] 本發明由于基于乘性重復疊加方法，能夠構造出一類長約束卷積碼。
[0024] 仿真結果表明：本發明所構造的長約束卷積碼會隨著記憶階數m和譯碼約束長度d 的增加而得到性能的提升。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發明使用的編碼器流程圖；
[0026] 圖2是本發明的實現流程圖；
[0027] 圖3是本發明實例1的校驗矩陣散點圖；
[0028] 圖4是本發明實例2的校驗矩陣散點圖；
[0029]圖5是本發明實例1的誤碼率性能仿真圖；
[0030]圖6是本發明實例2的誤碼率性能仿真圖。
【具體實施方式】
[0031 ]下面結合附圖對本發明長約束卷積碼的構造方法和效果作詳細描述。
[0032]本發明采用的編碼器如圖1所示，其包括：多元基本碼編碼操作、延時操作H 省 限域上的加法操作0和有限域上的乘法操作(g)。使用該編碼器進行編碼時是用多元基本 碼對需要發送的消息進行編碼操作得到多元碼字;多元碼字經過延時操作后與乘性因子序 列進行有限域上的乘法操作得到乘性重復結果;最后將所有乘性重復結果進行有限域上的 加法操作得到乘性重復疊加結果。
[0033] 本發明是一種基于乘性重復疊加的構造方法，是通過設定記憶階數m和譯碼約束 長度d、構造多元基本碼、產生乘性因子序列、基于乘性重復的疊加操作、產生長約束卷積 碼、構造譯碼約束長度為d的校驗矩陣和基于構造的校驗矩陣進行滑窗譯碼這些步驟實現 的。
[0034] 參照圖2,本發明構造的長約束卷積碼給出如下兩個實施例：
[0035]實施例1，利用基于有限域GF(64)上碼率為2/3的多元基本碼，構造記憶階數m為1、 譯碼約束長度d分別為1、2、3和4的長約束卷積碼。
[0036]本實例的實現步驟如下：
[0037] 步驟1，設定記憶階數m=l和譯碼約束長度d分別等于1、2、3和4。
[0038] 步驟2，基于有限域GF(64)構造碼長為η = 36、信息位為k = 24的多元基本碼，其校 驗矩陣出為：
[0040] 步驟3,按照均勻分布產生m+l = 2個長度為n = 36的乘性因子序列gi'gi1匕
[0041] 每個序列各項具體如下：
[0042] g',0) =[57 184955 29 28 6 8 16 14 3 39 8 601410 19 43 53 35 5424 1923 40 2717 1946 4 46 45 10 55 11 55]
[0043] g；'* -1.20 55 24 26 26 43 46 31 ?) 11 18 11 18 41 4 144435 33 28 37 6 13 4S 39 30 52 Q 33 52 55 12 29 45 50]
[0044] 步驟4,基于乘性重復的疊加操作。
[0045] 參照附圖1本步驟的具體實現如下：
[0046] 4a)用步驟2構造的多元基本碼對t時刻需要傳輸的信息Iif進行編碼，得到t時刻 的多元碼字vf I
[0047] 4b)按照，用步驟3產生的第一個乘性因子序列對t時刻的多元碼字v(^進行乘性 重復，得到與vf的乘性重復結果wf 31;
[0048] 4c)用第二個乘性因子序列g:P對t-Ι時刻的多元碼字Vf+進行乘性重復，得到gf 與vP的乘性重復結果wf ;
[0049] 4d)將上述和Wf1進行疊加，得到t時刻的乘性重復疊加結果：
[0050]
[0051 ] 步驟5，產生長約束卷積碼。
[0052] 將t時刻的多元碼字Vf1與乘性重復疊加結果c(t)結合，得到長約束卷積碼：
[0053]
[0054] 步驟6,分別構造記憶階數m= 1，譯碼約束長度d分別等于1、2、3和4的長約束卷積 碼校驗矩陣。
[0055] 以構造記憶階數m= 1，譯碼約束長度d = 4的校驗矩陣為例，長約束卷積碼校驗矩 陣HLr為：
[0056]
[0057]其中H1為步驟2構造的多元基本碼的校驗矩陣，0為全零矩陣，I1為單位陣，P 1的形 式為：
[0058]
[0059]
[0060] 對于約束長度d = 4的長約束卷積碼校驗矩陣的散點圖如附圖3,圖3中的點表示長 約束卷積碼校驗矩陣的非負值元素，空白位置表示長約束卷積碼校驗矩陣的元素值為-1。 [0061 ]步驟7，利用長約束卷積碼校驗矩陣1^_對1時刻接收到的d個長約束卷積碼進行 滑窗譯碼，得到譯碼結果Ga。
[0062] 7a)將接收到的4個長約束卷積孩
S新組合排列，得到符號 序列< :
[0063]
[0064] 其中：表示t時刻的長約束卷積碼，蚱>表示t時刻的多元碼字，Cf表 示t時刻的乘性重復疊加結果；
[0065] Xf u 表示t+Ι時刻的長約束卷積碼，<+1)表示t+Ι時刻的多元碼字， ci/+il表示t+Ι時刻的乘性重復疊加結果；
[0066] X廠'?K21]表示t+2時刻的長約束卷積碼，V廣:> 表示t+2時刻的多元碼字， <+2)表示t+2時刻的乘性重復疊加結果；
[0067] *|&3)?'(：(1;，表示七+3時刻的長約束卷積碼，< +3)表示七+3時刻的多元碼字， ef+3)表示t+3時刻的乘性重復疊加結果；
[0068] 7b)基于構造的長約束卷積碼校驗矩陣HIt對步驟7a)得到的序列 < 采用多元和 積譯碼算法進行迭代譯碼；
[0069] 7c)根據迭代譯碼結果對t時刻多元碼字vf進行硬判決：
[0070] 如果硬判決結果是一個多元基本碼的合法碼字I，則譯碼成功，輸出信息序列if， 同時利用合法碼字和三個乘性因子序列gP對乘性重復疊加結果序列 進行干擾消除 操作，即：
;
[0071] 反之，則譯碼失敗，不進行干擾消除操作，直接返回到步驟7a)進入下一時刻碼字 的譯碼。
[0072]實施例2,利用基于有限域GF(4)上碼率為1/2的多元基本碼，構造記憶階數m分別 為1、2、3，譯碼約束長度d為24的長約束卷積碼。
[0073]本實例的實現步驟如下：
[0074] 步驟一，設定記憶階數m= 1、2、3和譯碼約束長度d = 24。
[0075] 步驟二，基于有限域GF( 4)構造碼長為η = 16、信息位為k = 8的多元基本碼，其校驗
[0077] 步驟三，以記憶階數m= 3的情況為列，按照均勻分布產生m+1 =4個長度為η = 16的 序列gf ,gW'gP，每個序列的各項如下：
[0078]
[0079]
[0080]
[0081]
[0082]步驟四，基于乘性重復的疊加操作。
[0083]參照附圖1，本步驟的具體實現如下：
[0084] 4.1)對于記憶階數m = 3的情況，用步驟2構造的多元基本碼對t時刻需要傳輸的信 息進行編碼，得到t時刻的多元碼字;
[0085] 4.2)用步驟3產生的第一個乘性因子序列gf對t時刻的多元碼字V〗1進行乘性重 復，得到gf1與Vp的乘性重復結果wf I
[0086] 4.3)用第二個乘性因子序列8(^對卜1時刻的多元碼字娉-1)進行乘性重復，得到8~ 與ν:Γ ι)的乘性重復結果w(2M ;
[0087] 4.4)用第三個乘性因子序列g?5對t-2時刻的多元碼字vf%進行乘性重復，得到 gf與的乘性重復結果Wp ;
[0088] 4.5)用第四個乘性因子序列g?對t-3時刻的多元碼字vP進行乘性重復，得到g(， 與vf_3)的乘性重復結果wf ;
[0089] 4.6)將上述wf, wp，wf，wf進行疊加，得到乘性重復疊加結果：
[0090]
[0091] 步驟五，產生長約束卷積碼。
[0092] 將t時刻的多元碼字與乘性重復疊加結果cf結合，得到長約束卷積碼：
[0093]
[0094] 步驟六，分別構造記憶階數m= 1，2，3，譯碼約束長度為d = 24的長約束卷積碼校驗 矩陣。
[0095]以構造記憶階數m = 3,譯碼約束長度為d = 24的校驗矩陣為例，長約束卷積碼校驗 矩陣#..."為：
[0096]
[0097]其中H2為步驟二構造的多元基本碼的校驗矩陣，0為全零矩陣，I2為單位陣，P 2的形 式為：
[0098]
[0099] 其 c
[0100] 對于記憶階數m=3的長約束卷積碼校驗矩陣的散點圖如附圖4,圖4中的點表示長 約束卷積碼校驗矩陣的非負值元素，空白位置表示長約束卷積碼校驗矩陣的元素值為-1。
[0101] 步驟七，利用長約束卷積碼校驗矩陣H2mbst對t時刻接收到的d個長約束卷積碼進行 滑窗譯碼，得到譯碼結果。
[0102] 7.1)將接收到的24個長約束卷積碼4),χΓν··，4?+ν·.,4 +23)，重新組合排列，得 到符號序列< :
[0103]
[0104] 其中：?Wf ]表示t+i時刻的長約束卷積碼，Vf表示t+i時刻的多元碼 字，cf表示t+i時刻的乘性重復疊加結果，i = 0，1，…，23;
[0105] 7.2)基于構造的長約束卷積碼校驗矩陣H^t對步驟7.1)得到的序列^采用多元 和積譯碼算法進行迭代譯碼；
[0106] 7.3)根據迭代譯碼結果對t時刻多元碼字進行硬判決：
[0107] 如果硬判決結果是一個多元基本碼的合法碼字則譯碼成功，輸出信息序列 ,同時根據合法碼字I和三個乘性因子序列Μ3)對乘性重復疊加結果序列
L〇1〇S」反之，則譯碼失敗，不進行干擾消除操作，直接返回到步驟7.1)進入下一時刻碼字 的譯碼。
[0109]本發明的效果可通過以下仿真進一步說明：
[0110] 1.仿真參數：
[0111] 本發明構造的兩組長約束卷積碼的碼參數如表1和表2,其中表1是實施例1中得到 的長約束卷積碼的碼參數，表2是實施例2中得到的長約束卷積碼的碼參數。表中參數包括 碼率R、多元基本碼的參數、記憶階數m和譯碼約束長度d。
[0112] 表1實施例1中得到的長約束卷積碼的碼參數
[0114]表2實施例2中得到的長約束卷積碼的碼參數
[0116] 2.仿真內容：
[0117] 仿真I.對本發明實施例1中構造的長約束卷積碼進行BPSK調制，再經過AWGN信道， 最后在接收端采用滑窗譯碼算法進行誤比特率性能仿真，結果如圖5所示。
[0118] 由圖5可見，本發明構造的長約束卷積碼在不同的譯碼約束長度d下均有較好的性 能，并且隨著約束長度d的增加性能提高。
[0119] 仿真2.對本發明實施例2中構造的長約束卷積碼進行BPSK調制，再經過AWGN信道， 最后在接收端采用滑窗譯碼算法進行誤比特率性能仿真，結果如圖6所示。
[0120] 由圖6可見，本發明構造的長約束卷積碼在不同的記憶階數m下均有較好的性能， 并且隨著記憶階數m的增加性能提高。
【主權項】
1. 一種基于乘性重復疊加的長約束卷積碼構造方法，包括： (1) 設定編碼器的記憶階數為m，譯碼約束長度為d，其中d>m+l; (2) 基于有限域GF(q)，構造碼長為n，信息序列長度為k，校驗矩陣為H的多元LDPC碼，并 將其作為多元基本碼； (3) 按照均勻分布產生m+1個長度為n的乘性因子序列gWigW，…，gW，…，gW，其中g ("是乘性因子序列中的第i+1項，gh=[各尸，掙，…，各r，…，各H，gr是g(i>的第k項， (4) 將多元LDPC碼的碼字進行乘性重復和疊加： 4a)用步驟（2)構造的多元基本碼對t時刻需要傳輸的信息進行編碼，得到多元碼 字:v? =[啤)，峰，…乂 1，...乂]，其中雌堪yW的第k項，皆eGF(q); 4b)用步驟(3)產生的乘性因子序列gW對t-i時刻的多元碼字進行乘性重復，得到 乘性重復的結果:W"=[誠\nf…，Hf,…，、皆']，其中咕是w(。的第k項，Mf=g!^xvr>; 4c)將步驟4b)中得到的乘件重官結要w("講斤疊力n.得到乘性重復疊加結果：(5) 將t時刻的多元碼字v?與乘性重復疊加結果c?結合，得長約束卷積碼： x(t)二[v(t)，c(t)](6) 構造譯碼約束長度為d的長約束卷巧碼校驗矩陣： 其中H為多元基本 為： 其中是P的第- (7) 利用長約束卷積碼校驗矩陣Hmrst對t時刻接收到的d個長約束卷積碼進行滑窗譯碼， 得到譯碼結果。2. 根據權利要求1所述的方法，其中步驟(7)中利用長約束卷積碼校驗矩陣Hmrst對t時刻 接收到的d個長約束卷積碼進行滑窗譯碼，按如下步驟進行： 7a)將接收到的d個長約束卷積碼重新排列，得到符號序列： Z*=[V(t)，V("l)，...，V("i)，...，V("d-l)，c(t)，C("l)，...，C("i)，...，C("d-l)] 其中和分別是t+i時刻的多元碼字和乘性重復疊加結果，i = O，1，…，d-1; 7b)基于構造的長約束卷積碼校驗矩陣HMRST對序列Z^進行迭代譯碼； 7c)根據迭代譯碼結果對t時刻多元碼字vW進行硬判決： 如果硬判決結果是一個多元基本碼的合法碼字苗，則譯碼成功，輸出信息序列ti^，同時 根據合法碼字；和乘性因子序列gW，…，gW，…，g<m吻乘性重復疊加結果序列,C^ …，c(""，…進行干擾消除操作，即反之，則譯碼失敗，不進行干擾消除操作，直接返回到步驟7a)進入下一時刻碼字的譯 碼。
【文檔編號】H03M13/11GK105915231SQ201610213925
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月7日
【發明人】穆錫金, 鄧堤峽, 白寶明, 張睿
【申請人】西安電子科技大學