CN108173550A - 一种适用于几乎所有nb－ldpc译码方法的通用简化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于几乎所有非二进制LDPC(NB‑LDPC)译码方法的通用简化方法，该方法称作基于双阈值的收缩方法(dual‑threshold based shrinking method，DTBS)。该方法中主要利用两个阈值，将信道输入的可靠度信息在初始化阶段进行截断，得到了两个不完整的伽罗华域：一个用于限制整体计算的范围，另一个用于校验节点计算的简化。之后的迭代计算中，所有的步骤只对保留的符号和其可靠度上操作。当阈值选择合适的情况下，在保证所采用的译码方法的性能不损失的情况下，计算复杂度能够得到大幅降低，通常在原基础上的一半以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种通信技术领域的通用简化方法；特别针对通信***中基于几乎所有的NB-LDPC码译码方法的简化方法。
背景技术
通信***中，传输的数据源可能是数字信号，例如来自计算机、移动设备、键盘等。而在数字信道中存在各种各样的噪声，因此，在数据传输过程中，需要引进前向纠错(FEC)或者叫信道编码，发送端通过加入冗余位，进行纠错码编码，编码过后的信号经过有噪信道到达接收端后，再进行译码，可以直接进行一定程度的纠错。
非二进制LDPC(NB-LDPC)码最先于1998年被Davey和Mackey提出，因该码在中短码长中比二进制的LDPC码具有更好的译码性能，并且拥有更广泛的应用场景，比如高阶调制、中短码长、纠突发错误等，但未像二进制LDPC码一样得到迅速推广，其主要原因在于该码的译码复杂度一直是其应用的瓶颈。基于最原始的置信度传播方法q基和积方法(QSPA)，各种不改变译码性能而能使复杂度降低的方法被提出，比如：基于傅里叶变换的和积方法(FFT-SPA)、基于对数的和积方法(log-SPA)等，这些方法仍然不适用于实际应用。此后，基于对数域的一些次优方法被提出，例如：扩展的最小和方法(EMSA)、最小最大值方法(MMA)等，在这些方法中，彻底取消了复杂乘法和除法运算，仅包括加法和比较运算，这大大降低了计算复杂度，但与二进制LDPC译码算法相比，仍复杂度仍然很高。因这些方法的主要计算量集中在校验节点处理(CNP)上，基于CNP的简化方法也提出了很多，主要可以分为两类：1)基于前向后向的简化方法(FBA)；和2)基于网格的简化方法(TBA)，这些改进的方法中，需要在复杂度和性能上取一个折中，若降低的复杂度太多，则会有较大的性能损失，或反之。为了获得大福度的复杂度降低，部分研究者将注意力集中到了硬解码方法上，基于大数逻辑译码方法和比特翻转方法，提出了一些低复杂度的译码方法，但这些方法的译码性能严重受到了影响，因此也失去了研究的必要性和实用性。
注意到，在已有的译码方法中，其译码过程均在完整的伽罗华域上进行，也就是说，在为了找出一个正确的码字，需要将全部接收到的符号信息进行考虑，也意味着q较大时，将会有更多的冗余信息被包括在内，之前的学者也注意到了该问题的存在，但是大家均把目光聚焦到了CNP上，通过将每次校验节点更新输入的信息进行压缩，获得复杂度降低的目的，比如：改进的EMSA、X-EMSA、μ-EMSA等，这些方法存在两个问题：1)只是针对EMSA的CNP进行简化；2)在每次迭代输入时，均需要额外的输入信息处理操作(比如：截断、压缩等)，之后的输出信息也要进行相应逆处理，这又使得计算量增加了。
发明内容
基于以上存在的问题，本发明中主要探索：在保证译码性能的前提下，获得复杂度的大幅降低的方法。因此，本发明公开了一种适用于几乎所有NB-LDPC译码方法的通用简化方法，该方法称作基于双阈值的收缩方法(dual-threshold based shrinking method，DTBS)。该方法中主要利用两个阈值，将信道输入的可靠度信息在初始化阶段进行截断，得到了两个不完整的伽罗华域：一个用于限制整体计算的范围，另一个用于校验节点计算的简化。之后的迭代计算中，所有的步骤只对保留的符号和其可靠度上操作。当阈值选择合适的情况下，在保证所采用的译码方法的性能不损失的情况下，计算复杂度能够得到大幅降低，通常在原基础上的一半以上。具体发明内容如下：
一种适用于几乎所有NB-LDPC译码方法的通用简化方法，称作DTBS方法，包括两个阈值：
1)第一个阈值T1，用于简化整体的计算。该阈值在初始化阶段使用，用于获得不完整伽罗华域，并用于简化整个译码过程的计算。其过程为：不失一般性，假设接收到的信道先验概率Pj(a)转换为对数似然比(log-likelihood ratio，LLR)Lj(a)，其转换过程为：
其中zj为硬判断码字符号，a∈GF(q)；基于阈值T1和先验对数似然比Lj(a)，可以获得不完整域Fj(T1)，其定义为：
所有的迭代计算均基于该阈值进行。
2)第二个阈值T2，用于校验节点计算的简化。该阈值可以在初始化阶段实施，用于构成不完整伽罗华域，并用于简化校验节点计算。其过程为，基于T2和先验对数似然比Lj(a)，可以获得不完整伽罗华域Fj(T2)，其定义为：
所有校验节点输入信息均被限制在该阈值内。
T1和T2只与NB-LDPC码的码率相关，与译码算法无关，当码字确定后，T1和T2为常数值。
本发明的有益效果为：
本发明的DTBS方法能够有效助于几乎所有的NB-LDPC码译码进行大幅降低计算复杂度，并能保证修正后的译码方法与原始译码方法的性能基本上一致。
附图说明
图1是本发明方法协助译码流程与文献中流程的对比示意图；
图2是本发明实施例的FER性能仿真曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施作更进一步的说明。首先介绍DTBS方法的实施，然后对其降低复杂度可行性分析，最后用两个译码方法进行仿真对照示例。下面通过参考附图描述的实施是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
DTBS方法的实施：
如发明内容所述，本方法中包括两个阈值T1和T2，基于这两个阈值和信道信息，可以获得两个不完整伽罗华域Fj(T1)和Fj(T2)，下面将详细叙述该方法如何应用在译码方法中。图1中是本发明方法协助译码流程与文献中流程的对比示意图，在虚线上方是文献中译码流程，下方是基于DTBS方法的译码流程。传统的流程是：将完整信道信息直接输入到译码器中，译码处理后，将译码结果输出；在发明的流程中：信道信息先通过阈值T1和T2进行压缩，获得非均匀压缩信息，然后将这些信息输入到译码器中，之后的译码过程只利用和针对保留的信息进行操作，最后译码输出，此外，对于CNP的处理中，需要采取一定的近似方式以避免不被更新的情况，一般采用的方式是，将未被更新的CNP输出值直接用T2赋值。
实施例1：确定T1和T2
通常，对于T1和T2选择采用蒙特卡罗仿真获取，以T1的选取为例：针对(837，726)非二进制准循环LDPC(NBQC-LDPC)码，基于GF(32)，其行重为27、列重为4，采用BPSK调整后经过AWGN信道，接收到的LLR信息Lj(a)(0≤j＜837，a∈GF(32))经过方程(2)的处理，将105帧随机码字作为输入，分别设置T1为10、18和20，信噪比(SNR)从3.5dB到4.5dB变化，假设码字信息被错误截掉的数量为α(总的码字个数为837×105)，以及保留在Fj(T1)中的平均个数为β，其计算公式如下：
其中|Fj(T1)|表示在Fj(T1)中的元素(符号)个数，β与伽罗华域阶数q的比值为 仿真和计算结果统计见表1.
表1 测试基于(837，726)码的不同T1值的适应性
从表中结果显示，用阈值T1做截断后，可大幅降低信息冗余度，一般均在一半以上，换言之，可节省一半以上的资源消耗，但是T1的值不能太小，若太小(比如T1＝10)，在信道信息接收时就把正确码字扔掉，在之后的译码过程中，永远不会获得正确的译码码字，则会使得译码错误率上升，较早出现译码平底，因此，针对该码，最好选择T1＝20。
对于不同的码，对于T1和T2的选择均由同样的方法获得，表2中显示了不同的NB-LDPC码选取的T1和T2的值，以及在这些值选取后，对复杂度的降低情况，假设在域GF(q)、Fj(T1)和Fj(T2)中的平均元素个数分别为βGF、βF1和βF2，βF1和βF2对βGF的比分别设为γF1和γF2，在FER约为10-4时，分别对于(256，203)、(64，61)和(837，726)NB-LDPC码，其对应SNR为3.8dB、3.5dB和4.1dB，具体结果见表2.
表2 不同的NB-LDPC码的不用域中的平均元素个数
表2中，我们可以看到，不管是哪个码，留在不完整伽罗华域Fj(T1)中个数基本上都少于一般，留在Fj(T2)中的个数不到30％，特别是基于GF(256)的(256，203)NB-LDPC码，被保留下来的个数更少，在Fj(T1)中差不多20％，Fj(T2)中不到10％，这将极大的降低译码计算复杂度，使得超高阶域被应用于实际中的可能性增加。
实施例2：将DTBS应用到已有算法中
将DBTS方法应用到简化最小和算法(SMSA)和EMSA译码方法中，得到了DBTS-SMSA和DBTS-EMSA译码方法，基于前面介绍的在GF(32)的(837，726)NB-LDPC码上的仿真对比结果曲线如图2，图中还标出了对于这四个算法所需要的参数，一个是衰减因子c，另外是该方法实现中引进的两个参数T1和T2，它们均为仿真出的最优值。从图中可以看到，整体上，本发明提出的方法对于译码方法的性能影响极小，基本上看不出差别，分段看，在SNR较小时，结合本方法的译码方法呈现出更优的结果，当SNR进一步增大时，略微低于原来的结果，在实际中，这些结果的差异可忽略不计，与前面复杂度分析结合，本方法具有在不影响性能的前提下能大幅降低复杂度的优势，我们相信，本发明对于NB-LDPC码的实用性能够起到实质性推广的作用。
通过本发明实施例对复杂度和译码性能影响情况分析，本发明解决了目前对于NB-LDPC码复杂度和性能之前的矛盾，旨在保护性能的前提下，能够将复杂度进行大幅降低。针对NB-LDPC码的译码方法有很多，结合该方法均会得到相似的结论，均被认为本发明的保护范围。另外，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种适用于几乎所有NB-LDPC译码方法的通用简化方法，其特征在于，通用简化方法包括两个阈值：
1)第一个阈值T1，用于简化整体的计算；
2)第二个阈值T2，用于校验节点计算的简化。
2.根据权利1所述的两个阈值T1和T2，其特征在于，T1和T2只与NB-LDPC码的码率相关，与译码算法无关，当码字确定后，T1和T2为常数值。
3.根据权利1所述的通用简化方法的阈值T1，其特征在于，该阈值在初始化阶段使用，用于获得不完整伽罗华域，并用于简化整个译码过程的计算。其过程为：不失一般性，假设接收到的信道先验概率Pj(a)转换为对数似然比(log-likelihood ratio，LLR)Lj(a)，其转换过程为：
其中zj为硬判断码字符号，a∈GF(q)；基于阈值T1和先验对数似然比Lj(a)，可以获得不完整域Fj(T1)，其定义为：
所有的迭代计算均基于该阈值进行。
4.根据权利1所述的通用简化方法的阈值T2，其特征在于，该阈值可以在初始化阶段实施，用于构成不完整伽罗华域，并用于简化校验节点计算。其过程为，基于T2和权利2提到的先验对数似然比Lj(a)，可以获得不完整伽罗华域Fj(T2)，其定义为：
所有校验节点输入信息均被限制在该阈值内。
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