CN107370554A

CN107370554A - 低密度奇偶校验码的解码方法与解码器

Info

Publication number: CN107370554A
Application number: CN201610313421.9A
Authority: CN
Inventors: 李晃昌; 翁咏禄; 王晋良
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2017-11-21

Abstract

一种低密度奇偶校验码的解码方法与解码器，该方法用以将输入信号依据预定的低密度奇偶校验矩阵解出正确的码字。本方法包括依据该低密度奇偶校验矩阵，在预定的解码尝试次数内进行多次解码尝试，该多次解码尝试中至少包含使用第一解码调度的第一解码尝试，以及使用第二解码调度的第二解码尝试。该第二解码尝试相邻接续于该第一解码尝试。该第一解码调度为一组，不包含在该第二解码调度中。

Description

低密度奇偶校验码的解码方法与解码器

技术领域

本发明涉及低密度奇偶校验码的解码方法与解码器，且特别涉及解码调度可变化(variable decoding schedule)的低密度奇偶校验码的解码方法与解码器。

背景技术

在1962年，低密度奇偶校验码(LDPC code)即被Gallager提出，并被证明其错误校正能力非常接近理论最大值，香农极限(Shannon Limit)，但是没有具体实施的方式。

最近几年，无线通信的研发中，因应近代技术的需求，再度考虑低密度奇偶校验码的解码方式。近代技术的需求例如是视频的需求，其需要传输大量数据。基于传输数据大增而采用数据信号并行传送，以利于无线通信装置较快速地正确接收数据。又对于移动无线通信装置，更有利于在快速移动中(例如列车时)的通信时，锁定移动无线通信装置。另外，数据信号并行传送也可以适用于光学传输(optical transport)，例如在超高速串行光学传输网络(ultra-high-speed serial optical transport network)的应用。低密度奇偶校验码的具体实施方式，随着集成电路的技术演进，已逐渐可行，而成为各种先进通信***的频道编码标准。

然而，低密度奇偶校验码在解码时，依照低密度奇偶校验矩阵的编码方式，主要基于有迭代性(iterative)的可靠度传播(belief propagation，BP)，也有提出多种解码方式。然而传统方式在多次迭代的解码尝试中，其解码调度一般是采用低密度奇偶校验矩阵的阵元顺序，当作解码调度(decodingschedule)。

这种固定解码调度的解码方式，虽然其实施方式可以简易直接进行，但是在解码效率考虑上，解码效率的提升是技术研发所需要考虑的因素。

发明内容

本发明提供一种低密度奇偶校验码的解码方法与解码器，用以有效将输入信号依据预定的低密度奇偶校验矩阵解出正确的码字(codeword)，加快迭代运算的收敛速度。

本发明的一种低密度奇偶校验码的解码方法，用以将输入信号依据预定的低密度奇偶校验矩阵解出正确的码字。本方法包括依据该低密度奇偶校验矩阵，在预定的解码尝试次数内进行多次解码尝试，该多次解码尝试中至少包含使用第一解码调度的第一解码尝试，以及使用第二解码调度的第二解码尝试。该第二解码尝试相邻接续于该第一解码尝试。该第一解码调度为一组，不包含在该第二解码调度中。

本发明的一种低密度奇偶校验码的解码器，用以将输入信号依据预定的低密度奇偶校验矩阵解出正确的码字，包括:一解码单元，被配置以将输入信号依据预定的低密度奇偶校验矩阵解出正确的码字，其中依据该低密度奇偶校验矩阵，在预定的解码尝试次数内进行多次解码尝试，该多次解码尝试中至少包含使用第一解码调度的第一解码尝试，以及使用第二解码调度的第二解码尝试，其中该第二解码尝试相邻接续于该第一解码尝试，该第一解码调度不包含在该第二解码调度中；以及一解码调度估计单元，被配置以根据该低密度奇偶校验矩阵产生及存储多种不同的解码调度，以供该解码单元取得该第一解码调度与该第二解码顺。

在本发明的一实施例中，在上述低密度奇偶校验码的解码方法与解码器中，该第一解码调度是层式可靠度传播顺序与垂直式可靠度传播顺序的其中一个，该第二解码调度是该层式可靠度传播顺序与垂直式可靠度传播顺序的其中另一个。

在本发明的一实施例中，在上述低密度奇偶校验码的解码方法与解码器中，该第一解码调度与该第二解码调度都是层式可靠度传播顺序，但是该第二解码调度的码率低于该第一解码调度的码率。

在本发明的一实施例中，在上述低密度奇偶校验码的解码方法与解码器中，该第一解码调度与该第二解码调度都是垂直式可靠度传播顺序，但是该第二解码调度的码率低于该第一解码调度的码率。

在本发明的一实施例中，在上述低密度奇偶校验码的解码方法与解码器中，该第一解码调度与该第二解码调度是根据最大互信息增加(maximummutual information increase，M²I²)算法，依照不同参数条件所决定的不同顺序。

在本发明的一实施例中，在上述低密度奇偶校验码的解码方法与解码器中，该第一解码尝试与该第二解码尝试都会重置该码字的初始值，或是后续的该第二解码尝试会使用该第一解码尝试的结果为初始值。

在本发明的一实施例中，在上述低密度奇偶校验码的解码方法与解码器中，该第二解码尝试的码率比该第一解码尝试码率低。

在本发明的一实施例中，在上述低密度奇偶校验码的解码方法与解码器中，该第一解码调度与该第二解码调度是随机安排。

基于上述，一个码率相容(rate-compatible)低密度奇偶校验码的解码过程可以包含多次的解码尝试，包含相邻二次的解码尝试使用不同的解码调度，以获得更快的收敛速度，或是在相同的迭代次数限制内，得到更高的吞吐率。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明一实施例，绘示一种低密度奇偶校验矩阵示意图。

图2是依照图1的低密度奇偶校验矩阵，绘示校验节点与变量节点的连接示意图。

图3是依照本发明一实施例，低密度奇偶校验矩阵的一般性规划示意图。

图4是依照本发明一实施例，低密度奇偶校验解码所采M²I²的解码调度，每次重置的机制示意图。

图5是依照本发明一实施例，低密度奇偶校验解码所采M²I²的解码调度，采用渐增解码调度机制示意图。

图6是依照本发明一实施例，低密度奇偶校验码的解码方法的流程示意图。

图7是依照本发明一实施例，低密度奇偶校验码的解码器的架构示意图。

【符号说明】

100：解码器

102：解码单元

104：解码调度估计单元

106：存储单元

H：低密度奇偶校验矩阵

S100、S102：步骤

具体实施方式

本发明是针对低密度奇偶校验码的解码方法与解码器，提出对码字(codeword)解码时，至少包括在前后两次迭代的解码运算，使用不同的解码调度，以能更有效在后续的迭代的解码运算中，能更有效使用在先前的解码运算中已解出所累积的部分信息，加快迭代码运算的收敛速度，又或是在相同的迭代次数限制内，得到更高的吞吐率(throughput)。

本发明提出解码调度的规划，提升解码效率，但是对于所决定出的解码调度下，不限定于在后端运作的特定解码方式。也就是说，例如在一个给予的解码调度的前提下，可以采用任何可适用的已知解码机制进行解码，其可以包括硬件和/或软件的运作。也就是LDPC的解码方式本身，可以采用传统现有技术，或甚至是未来研发的技术。然而，本发明提供决定其在解码时所需要的解码调度的规划。

以下提出多个实施例来说明本发明，但是本发明不局限于所举的实施例。

图1是依照本发明一实施例，绘示一种低密度奇偶校验矩阵示意图。参阅图1，低密度奇偶校验码是基于具有稀疏矩阵性质的奇偶校验矩阵建构而成。对(n，k)的低密度奇偶校验码而言，每k位数据会使用n位的码字进行编码。以下是一个被(9，6)的低密度奇偶校验码使用的奇偶校验矩阵H的一个例，如图1所示。在此H矩阵内的元素中，阵元为“1”的数量远少于阵元为“0”的数量。这就是稀疏矩阵性质，也就是低密度的由来。

图2是依照图1的低密度奇偶校验矩阵，绘示校验节点与变量节点的连接示意图。参阅图2，低密度奇偶校验码的解码，可对应成二分图(bipartitegraph)来表示。二分图是依照上述奇偶校验矩阵H建置，其中H的列(column)对应到校验节点(check node，C)，而H的行(row)对应至位节点(bit node)位节点也称为变量节点(variable node)。校验节点与变量节点之间有由矩阵H所决定的连接关系，又称为连线(edge)，其由矩阵H内的阵元1决定。

也就是，在矩阵H中的一列(column)的数值中，具有“1”的阵元代表在与n个变量节点中所对应的变量节点有连线，另外具有“0”的阵元代表没有连线。以图1、2为例，第一行(row)的数值是[100100100]描述第一个校验节点与变量节点之间的连接关系，因此第0个校验节点与第0、3、6个变量节点有连线。矩阵H代表所采用的编码方式。

在无线传输中，多个位的码字编码后是以模拟的信号传送，因此接收到的信号是有噪声，也因此需要正确将码字解码，得到正确的码字数据。解出来的码字，依照矩阵的乘法规则，当矩阵H乘上码字的转置矩阵后，能得到kx1的“0”矩阵时，此码字的内容就被认为是正确数据。

在LDPC解码过程，其依照连线关系以及所接收相对变量节点的信号，依照解码调度作多次的迭代运算。连线关系基本上会包含校验节点传播到变量节点的信息(check to variable(C2V)message)，变量节点传播到校验节点的信息(variable to check(V2C)message)，例如在多次的迭代运算后达到收敛的状态，以得到码字。关于如何依照解码调度，依照矩阵H的编码关系来解出码字是已知的技术，不予详述，而本发明也不局限于在特定的解码机制的应用。

本发明包括提出在LDPC解码时，所需要的解码调度的规划，其中就本发明所提出的特征，以较广泛的角度来看，在低密度奇偶校验码的解码过程可以包含多次的解码尝试，包含相邻二次的解码尝试使用不同的解码调度，以获得更快的收敛速度，或是在相同的迭代次数限制内，得到更高的吞吐率。

本发明所采用的解码方式，例如包含传统的层式可靠度传播(layeredbelief propagation，LBP)运算或是垂直式可靠度传播(shuffled beliefpropagation，SBP)运算。图3是依照本发明一实施例，低密度奇偶校验矩阵的一般性规划示意图。矩阵H例如以r1至r6代表一列的顺序，以c1至c8代表一行的顺序。可靠度传播方式是，是将奇偶校验矩阵H分为多个层。依照层的顺序传递解码讯息。每一个层可以包含一至多个行。也就是LBP是依照奇偶校验矩阵中的行的顺序传递解码讯息。而垂直式可靠度传播(SBP)是依照奇偶校验矩阵中列的顺序传递解码讯息。

对于一矩阵H，依照码率(code rate)R的大小，会将矩阵H分为多个对应不同码率的次矩阵，例如对应码率R1、R2、R3分为三个次矩阵H1、H2、H3。关于码率的定义，对于以n位来编码k位的矩阵H(n，k)，此矩阵的码率值就是k/n。

如图3所示的一个码率相容LDPC码的LDPC矩阵H的范例。H1，H2，H3的码率分别为R1，R2，R3，且R1>R2>R3。H3包含8个列和6个行，H1包含4个列和2个行。若采用LBP的调度，则在解H1时的解码调度可以是{r1，r2，r1，r2…}，解H3时的解码调度可以是{r1，r2，r3，r4，r5，r6，r1，r2…}，重复多次迭代。若采用SBP的调度，则在解H1时的解码调度可以是{c1，c2，c3，c4，c1，c2…}，解H3时的解码调度可以是{c1，c2，c3，c4，c5，c6，c7，c8，c1，c2…}，一样重复多次迭代。

在解码时，一般会先采用较高码率的次矩阵，例如矩阵H1。如果此矩阵H1的数据无法解出，则会再采用较低码率的矩阵。一般而言，如果信号的噪声较低，其表示可以容易辨识其所携带的数据，因此采用高码率的此矩阵H1就足以解出码字，但是多次的迭代运算仍是必要。如果是依照传统方式，每次解码尝试(decoding attempt)都会采用相同的调度。例如第一次解码尝试以解码采用LBP的调度，则其后的每次解码尝试也都将采用LBP。

然而本发明提出，在不同的解码尝试中，可以采用不同的解码调度。例如在解H1时解码的顺序是采用LBP的{r1，r2，r1，r2…}，而解H3时则切换采用SBP的顺序可以是{c1，c2，c3，c4，c5，c6，c7，c8，c1，c2…}。换句话说，依据低密度奇偶校验矩阵，在预定的解码尝试次数内进行多次解码尝试。在这多次解码尝试中至少包含使用第一解码调度的第一解码尝试，以及使用第二解码调度的第二解码尝试，其中第二解码尝试相邻接续于第一解码尝试，且第一解码调度不包含在第二解码调度中。

然而，本发明的解码尝试不限于降低码率。例如也可以在相同码率相邻的迭代运算改变解码调度。进一步以另一实施例来说明，解码顺序的改变并不限定在LBP与SBP的切换。若LBP中解层的顺序改变，如原本因为解H2时采用{r1，r2，r3，r4，r1，r2…}，则解H3时传统方式预期是{r1，r2，r3，r4，r5，r6，r1，r2…}。然而，依照本发明的方式，例如是改变为{r3，r2，r1，r4，r6，r5，r3，r2…}的调度，这也是符合本发明解码顺序改变的方式。

再从较广义的实施例来描述，一个码率相容低密度校验码的解码过程中，可能包含多次的解码尝试。每次解码尝试可以使用特定的解码调度。例如S1，S2，…Sk可以分别表示第一次，第二次…第k次解码尝试所使用的解码调度。例如使用LBP时，Sk中包含的就是校验矩阵中行的顺序。例如图3的例子中，S1＝{r1，r2}，S2＝{r1，r2，r3，r4}。而若采用SBP，则S1＝{c1，c2，c3，c4}。传统的解码过程中，通常被前次的解码调度顺序会包含在下次的解码顺序中，像以LBP解图3的实施例时，S2＝{S1，r3，r4}，其中S1代表{r1，r2}。较通用的表示方式，传统的解码调度可写为S(k-1)∈Sk。但是，本发明提出的方法，在下次的解码调度中不包含前次的解码调度顺序，也就是

本发明的解码调度的一实施例，在相同的概念下，是可以随机变化。然而，解码调度的决定也可以利用其他的估计机制来寻找较佳的解码调度。例如由发明人发表的可变解码调度方法“H.-C.Lee and Y.-L.Ueng，“IncrementalDecoding Schedules for Puncture-based Rate-compatible LDPC codes，”acceptedby IEEE VTC2016-Spring”，其中每次解码尝试所使用的顺序都是由文献“H.-C.Lee and Y.-L.Ueng，“LDPC decoding scheduling for faster convergenceand lower error floor，”IEEE Trans.on Commun.，vol.62，no.9，pp.3104-3113，Sept.2014”所提出的使用最大互信息增加(maximum mutualinformation increase，M²I²)算法所设计。这种方式也是符合前述的原则。关于最大互信息增加(M²I²)算法的详细内容，可以参考文献的描述，不在此详述。

然而在此要说明的是，在M²I²算法中，信噪比(S/N ratio，SNR)是一个控制参数，可以改变所估计的不同解码调度。此信噪比例如是通道环境所提供的信噪比，以S1解码尝试而言，就是E_s1/N₀，E_s1为能量，N₀为噪声。

另外在不同解码尝试中，如果采用不同码率，由于其信噪比(SNR)的条件自然会改变，在M²I²的运算下，自然会产生不同的解码调度，不会包含在前估计的解码调度，符合本发明的技术特征。

进一步过模拟结果可知，使用的方式进行码率相容低密度校验码的解码，可以在有限的迭代次数内，明显增加吞吐率。每次解码尝试中，解码调度顺序的设计可以使用M²I²算法，但也能使用其他设计方法，甚至可随机安排。只要都是在本发明要保护的广义范围内。

因此，本发明包相连续的前后二个解码，会尝试使用不同的解码顺序。这个特征可以多种方式来达成，例如若第k次解码顺序以Sk表示，则又例如，使用LBP时，Sk中包含的就是第k次解码尝试所使用的校验矩阵中行的顺序。又例如使用SBP的方式时，Sk中包含的就是第k次解码尝试所使用的校验矩阵中列的顺序。又例如解码的顺序的设计方法不受限制，也可以随机挑选。更例如以M²I²算法设计的结果，其只要就包含在本提案的保护范围。又例如更可以配合采用渐增解码调度(IncrementalDecoding Schedules)，得到更有效率的解码调度。

图4是依照本发明一实施例，低密度奇偶校验解码所采M²I²的解码调度，每次重置的机制示意图。参阅图4，依照码率R1、R2、R3，以M²I²算法所建构的三个解码尝试S1、S2、S3。对于每一次的码率R1、R2、R3，都会先重置初始数据。因此，针对每一次码率都是重新开始，因此对于三个解码尝试S1、S2、S3的估计都是独立进行，其间没有关联。也就是，每次的运算都是以重置归零的初始状态开始运算。本实施例会较为耗时。

图5是依照本发明一实施例，低密度奇偶校验解码所采M²I²的解码调度，采用渐增解码调度机制示意图。参阅图5，依照码率R1、R2、R3，以M²I²算法所建构的三个解码尝试S1、S2、S3。本实施例中，例如对于码率R2、R3的运算，对于当前的一个码率，虽然其结果可能无法得到有效的解码调度，但是都会保留本次码率的运算所得到的数据，以供在下一个码率的估算时当作初始使数据。以中间的情形为例，以码率R1估算解码尝试S1，由于其收敛值小于1，无法达到可以成功解码，而改以码率R2进行估算。此时，虽然解码尝试S1的结果是无法得到有效解码，但是运算的结果，会被解码尝试S2当作初始条件，因此会加快收敛速率。关于图4与图5的效果差异，在前述的文献也较详细描述，在此不予详述。

图6是依照本发明一实施例，低密度奇偶校验码的解码方法的流程示意图。参阅图6，依据前面本发明的描述，一低密度奇偶校验码的解码方法包括步骤S100，会接接收依照低密度奇偶校验矩阵编码的码字的输入信号。步骤S102依照所规划的解码调度，进行码字的解码。依据低密度奇偶校验矩阵，在预定的解码尝试次数内进行多次解码尝试，该多次解码尝试中至少包含使用第一解码调度的第一解码尝试，以及使用第二解码调度的第二解码尝试，其中该第二解码尝试相邻接续于该第一解码尝试，该第一解码调度不包含在该第二解码调度中。

图7是依照本发明一实施例，低密度奇偶校验码的解码器的架构示意图。参阅图7，依据前面本发明的描述，一低密度奇偶校验码的解码器100，用以将输入码字信号依据预定的低密度奇偶校验矩阵解出正确的码字后输出码字。解码器100包括:一解码单元102，被配置以将输入信号依据预定的低密度奇偶校验矩阵H解出正确的码字，其中依据该低密度奇偶校验矩阵，在预定的解码尝试次数内进行多次解码尝试，该多次解码尝试中至少包含使用第一解码调度的第一解码尝试，以及使用第二解码调度的第二解码尝试，其中该第二解码尝试相邻接续于该第一解码尝试，该第一解码调度不包含在该第二解码调度中。一解码调度估计单元104，被配置以根据该低密度奇偶校验矩阵产生及存储多种不同的解码调度，以供该解码单元取得该第一解码调度与该第二解码顺。一存储单元106，用以存储由解码调度估计单元104所规划得到的解码调度，以供解码单元102使用于解码。

本发明提出低密度奇偶校验码的解码方法与解码器，奇包含相连续的前后二个解码中，会尝试使用不同的解码调度进行解码，以达到更有效率的解码运算。至于解码调度的规划，更可以例如利用M²I²当方式进行较有效率的规划，但是本发明不限于利用M²I²运算来寻找不同的解码调度。本发明的解码调度的规划只要有的关系即可，本发明不限制采用何种机制来寻找解码调度。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims

1.一种低密度奇偶校验码的解码方法，用以将输入信号依据预定的低密度奇偶校验矩阵解出正确的码字，包括：

依据该低密度奇偶校验矩阵，在预定的解码尝试次数内进行多次解码尝试，该多次解码尝试中至少包含使用第一解码调度的第一解码尝试，以及使用第二解码调度的第二解码尝试，

其中该第二解码尝试相邻接续于该第一解码尝试，该第一解码调度不包含在该第二解码调度中。

2.如权利要求1所述的低密度奇偶校验码的解码方法，其中该第一解码调度是层式可靠度传播顺序与垂直式可靠度传播顺序的其中一个，该第二解码调度是该层式可靠度传播顺序与垂直式可靠度传播顺序的其中另一个。

3.如权利要求1所述的低密度奇偶校验码的解码方法，其中该第一解码调度与该第二解码调度都是层式可靠度传播顺序，但是该第二解码调度的码率低于该第一解码调度的码率。

4.如权利要求1所述的低密度奇偶校验码的解码方法，其中该第一解码调度与该第二解码调度都是垂直式可靠度传播顺序，但是该第二解码调度的码率低于该第一解码调度的码率。

5.如权利要求1所述的低密度奇偶校验码的解码方法，其中该第一解码调度与该第二解码调度是根据最大互信息增加(maximum mutual informationincrease，M2I2)算法，依照不同参数条件所决定的不同顺序。

6.如权利要求1所述的低密度奇偶校验码的解码方法，其中该第一解码尝试与该第二解码尝试都会重置该码字的初始值，或是后续的该第二解码尝试会使用该第一解码尝试的结果为初始值。

7.如权利要求1所述的低密度奇偶校验码的解码方法，其中该第二解码尝试的码率比该第一解码尝试码率低。

8.如权利要求1所述的低密度奇偶校验码的解码方法，其中该第一解码调度与该第二解码调度是随机安排。

9.一种低密度奇偶校验码的解码器，用以将输入信号依据预定的低密度奇偶校验矩阵解出正确的码字，包括:

解码单元，被配置以将输入信号依据预定的低密度奇偶校验矩阵解出正确的码字，其中依据该低密度奇偶校验矩阵，在预定的解码尝试次数内进行多次解码尝试，该多次解码尝试中至少包含使用第一解码调度的第一解码尝试，以及使用第二解码调度的第二解码尝试，其中该第二解码尝试相邻接续于该第一解码尝试，该第一解码调度不包含在该第二解码调度中；以及

解码调度估计单元，被配置以根据该低密度奇偶校验矩阵产生及存储多种不同的解码调度，以供该解码单元取得该第一解码调度与该第二解码调度。

10.如权利要求9所述的低密度奇偶校验码的解码器，其中该第一解码调度是层式可靠度传播顺序与垂直式可靠度传播顺序的其中一个，该第二解码调度是该层式可靠度传播顺序与垂直式可靠度传播顺序的其中另一个。

11.如权利要求9所述的低密度奇偶校验码的解码器，其中该第一解码调度与该第二解码调度都是层式可靠度传播顺序，但是该第二解码调度的码率低于该第一解码调度的码率。

12.如权利要求9所述的低密度奇偶校验码的解码器，其中该第一解码调度与该第二解码调度都是垂直式可靠度传播顺序，但是该第二解码调度的码率低于该第一解码调度的码率。

13.如权利要求9所述的低密度奇偶校验码的解码器，其中该第一解码调度与该第二解码调度是根据最大互信息增加(maximum mutual informationincrease，M2I2)算法，依照不同参数条件所决定的不同顺序。

14.如权利要求9所述的低密度奇偶校验码的解码器，其中该第一解码尝试与该第二解码尝试都会重置该码字的初始值，或是后续的该第二解码尝试会使用该第一解码尝试的结果为初始值。

15.如权利要求9所述的低密度奇偶校验码的解码器，其中该第二解码尝试的码率比该第一解码尝试码率低。

16.如权利要求9所述的低密度奇偶校验码的解码器，其中该第一解码调度与该第二解码调度是随机安排。