CN113055024B - 用于5g-nr***短块长低码率ldpc码的修正译码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及译码技术领域，尤其涉及用于5G‑NR***短块长低码率LDPC码的修正译码方法，针对5G‑NR***短块长低码率LDPC码译码性能的平层问题，提出一种修正的译码方法。对于常规迭代译码器输出的错误码字，即输出信息比特序列的循环冗余校验(CRC)不满足时，通过查询表格，使用循环修正的方式，即对指定位置的译码比特进行翻转，最大重复次数为Z(5G‑NR***中LDPC码的扩展因子)，对每次翻转结果进行CRC检测，满足即输出信息比特序列。该方法在少量增加算法复杂度的情况下，有效降低了5G‑NR***短块长低码率LDPC码的译码错误平层。
Description
技术领域
本发明涉及译码技术领域，尤其涉及用于5G-NR***短块长低码率LDPC码的修正译码方法。
背景技术
LDPC码即低密度奇偶校验(Low-Density Parity-Check,LDPC)码，因其具有接近香农限的突出性能而成为近20多年的研究热点。它最早是由Gallager博士在上世纪60年代提出，并在Turbo码和迭代译码出现后于上世纪90年代被Mackey等人重新发现。由于LDPC码译码算法复杂度低，结构灵活，可实现高速并行译码等特点，目前已经广泛应用于存储、WiFi、WiMax、数字广播电视、光纤通信和深空通信等领域。2016年，LDPC码被采纳为第五代移动通信技术增强移动宽带场景下数据业务的编码方案。
(N,K)LDPC码是一类线性分组码，其码长为N，信息比特数为K。LDPC码通过一个大小为M×N的校验矩阵H描述。LDPC码的任一码字与其对应的校验矩阵H互为零空间。
原型图是一个小的二分图，它有一个变量节点和一个校验节点集合组成，其对应的双边邻接矩阵称为码字的原型图矩阵(基矩阵)，计为Hb。工业界常用的准循环(QC)LDPC是原型图码中的一种。当原型图的基矩阵Hb中的每个元素用一个Z×Z循环移位阵替换时，便得到一个QC结构的LDPC码，其中移位参数一般称之为偏移值，因此可以扩展出多个偏移值矩阵。对于一个由大小Mb×Nb的偏移值矩阵经Z扩展得到的LDPC码校验矩阵H，H矩阵的分块阵为大小Z×Z的单位置换阵或全零阵。3GPP为LDPC码定义了两个QC结构的原型图矩阵BG1和BG2，每个原型图矩阵由8个偏移值矩阵构成的集合组成，每个偏移值矩阵支持一组扩展因子。
Gallager在介绍LDPC码的同时给出了两种迭代译码算法：硬判决和软判决译码算法。硬判决译码算法即现在的比特翻转算法，译码复杂度低但性能较差。软判决译码算法主要是基于MacKay等人提出的置信传播译码算法，性能优于比特翻转算法，但复杂度高，硬件较难实现。在此基础上，归一化最小和(NMS)算法和偏移最小和(OMS)算法被提出，在译码性能和计算复杂度之间取得了一个较好的折中，其中NMS算法应用最为广泛。
LDPC码纠错能力受限于停止集和陷阱集。当特殊的低重量的错误模式出现时，会造成译码错误。
3GPP为LDPC码定义了两个QC结构的原型图矩阵BG1和BG2，BG2结构中间16行没有采用类似BG1的准正交设计，能够使得短码长低码率场景具有更好的性能。
发明内容
本发明的技术问题是，克服5G-NR***短块长低码率LDPC码常规迭代译码方法错误平层不能满足通信***对译码性能要求的问题，本发明提出了用于5G-NR***短块长低码率LDPC码的修正译码方法。该方法基于常规迭代译码算法，对常规迭代译码输出的错误码字进行循环修正，有效降低了5G-NR***短块长低码率LDPC码的错误平层。复杂度方面，循环修正算法的最大重复次数为5G-NR***LDPC码的扩展因子Z，在错误平层出现的高信噪比情况下，对整体算法复杂度基本无影响。
本发明的用于5G-NR***短块长低码率LDPC码的修正译码方法，对于常规迭代译码器输出的输出信息比特序列，进行循环冗余校验CRC，循环冗余校验CRC不满足时，通过查询表格，使用循环修正的方式，对指定位置的译码比特进行翻转，最大重复次数为Z，即LDPC码的扩展因子，对每次翻转结果进行循环冗余校验CRC，满足即输出信息比特序列。该方法在少量增加算法复杂度的情况下，降低了译码的错误平层。所述常规迭代译码器包括置信传播算法和最小和算法。
所述5G-NR***的LDPC码包括一个Mb×Nb的基础校验矩阵Hb以及扩展因子Z，整个检验矩阵H为M×N维度的二进制矩阵，M＝Mb×Z为矩阵行数，N＝Nb×Z为矩阵列数；检验矩阵H中每行非零元素的个数dc代表行重即校验节点的度数，检验矩阵H中每列非零元素的个数ds代表列重即变量节点的度数；vn代表第n个变量节点，cm代表第m个校验节点。
编码前信源消息序列附加长度为24的CRC编码比特，形成信息比特序列，记为c＝[c1,c2,…,cK]，K为信息比特序列的长度；通过LDPC编码，形成LDPC码字，记为w＝[w1,w2,…,wN]，按照基础校验矩阵Hb结构和扩展因子Z，LDPC编码码字分为Nb个长度为Z的子块，子块序号为1,2，...，Nb；A(n)为变量节点vn参与的校验节点集合，B(m)校验节点cm包含的变量节点的集合，B(m)\n为除变量节点vn的B(m)集合；Lnm、Lmn分别为变量节点vn传递给校验节点cm的信息和校验节点cm传递给变量节点vn的信息；采用BPSK调制，x＝[x1,x2,…,xN]，其中xn＝1–2×wn,n∈[1,N]，通过AWGN信道；接收序列y＝[y1,y2,…,yN],其中yn＝xn+zn，n∈[1,N]，zn是均值为0，方差为σ2的独立高斯随机变量。
循环修正最大次数为Z，即LDPC码的扩展因子；在Nb个编码子块中选择L个子块，选择的子块序号集合记为p＝{pn∈[0,…,Nb-1],n＝1,2,...,L}，每个子块选择一个翻转比特位，L个翻转比特在子块内起始位置集合记为q＝{qn∈[0,…,Z-1],n＝1,2,...,L}；sign(x)表示对x取符号位，
所述用于5G-NR***短块长低码率LDPC码的修正译码方法具体包括如下步骤：
S101，在常规迭代译码器译码结束后，迭代产生的硬判决译码输出，译码结果中的信息比特序列记为c’，顺序执行步骤S102。
S102，对译码输出的信息序列c’执行CRC检测：信息比特序列c’除以CRC编码多项式，若可以整除则满足CRC检测，执行S105。无法整除，不满足CRC检测，初始化循环次数z＝0，顺序执行S103。
S103，依据停止集和陷阱集的理论，通过对5G协议BG2码基础校验矩阵进行分析，得到BG2码翻转块及翻转比特表；通过LDPC编码的扩展因子Z进行查表，得到待翻转比特所在LDPC码编码块的子块序号集合p和翻转比特在子块内的起始位置集合q，根据公式
rn,z＝pn×Z+(qn+z)mod Z+1其中pn∈p，qn∈q，n＝1,…,L
其中mod为取模运算，得到实际的待翻转比特位置集合rz＝{rn,z∈[1,…,N],n＝1,…,L}，在译码输出的信息比特序列c’中，根据比特翻转位置集合rz，选择相应的比特进行翻转，形成新的译码结果c”，z＝z+1，顺序执行步骤S104。
S104，对翻转得到的译码结果c”进行CRC检测，满足CRC检测或达到最大循环次数z≥Z，则终止译码，顺序执行步骤S105，不满足CRC检测且循环次数z<Z，返回执行步骤S103；
S105，终止译码，输出信息比特序列。
有益效果：
1)本发明针对5G-NR***短块长低码率LDPC码错误平层不能满足通信***需求的问题，对常规迭代译码得到的信息比特序列进行循环修正，有效降低了5G-NR***短块长低码率LDPC码的错误平层。
2)本发明针对错误平层场景，即仅对高信噪比译码过程进行有限次的循环翻转的修正操作。对整体算法的复杂度基本无影响，较好地均衡了实现复杂度和译码性能。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为BG2-17-7-Z224码(Nb＝17,Mb＝7,Z＝224)NMS算法和修正算法仿真误帧率曲线图。
图3为BG2-22-12-Z96码(Nb＝22,Mb＝12,Z＝96)NMS算法和修正算法仿真误帧率曲线图。
具体实施方式
具体的，如图1所示，本发明的用于5G-NR***短块长低码率LDPC码的修正译码方法包括如下步骤：
S101，常规迭代译码算法，本实施例中选用NMS算法。
S1011，迭代初始化：初始化迭代次数k＝0，最大迭代次数为K_MAX；对每个变量节点vn，n∈[1,N]；初始化：
其中，β为常数固定乘性修正因子；
是初始输入近似似然比信息，
是变量节点向相连的各校验节点cm(m∈A(n))传递的初始信息。
S1012，k＝k+1。
S1013，更新校验节点：对于各个校验节点cm(m∈[1,M])，利用第k-1次迭代中产生的由相应变量节点传递来的信息
更新该校验节点向相应变量节点vn(n∈B(m))传递的信息
作5bit均匀量化处理：
其中，α为修正因子，n′是除变量节点vn外校验节点cm包含的变量节点集合。
S1014，更新输出似然比信息：对于各个变量节点vn(n∈[1,N])，根据由相应的校验节点传递而来的信息
和该变量节点相对应的初始输入似然比信息
计算该变量节点vn(n∈[1,N])的输出似然比信息
作7bit均匀量化处理：
S1015，变量节点硬判决：对每个变量节点vn(n∈[1,N])进行硬判决并计算校正子Sk：
Sk＝wkHT
S1016，若
或k＝K_MAX，则结束译码，输出码字
执行S1018)；否则顺序执行S1017。
S1017，更新变量节点：对于各个变量节点vn(n∈[1,N])，利用由相应校验节点cm(m∈A(n))传递而来的信息
和步骤S104中计算出来的该变量节点vn(n∈[1,N])的输出似然比信息
计算该变量节点向相连的各校验节点cm(m∈A(n))传递的信息
完成计算后，返回执行S1012。
S1018，迭代产生的硬判决译码输出，译码结果中的信息比特序列记为c’，顺序执行步骤S102。
S102，CRC检测：采用CRC编码时使用的生成多项式G24(x)在GF(2)进行校验
rem(c0×xK-1+c1×xK-2+···+cK-1,G24(x))＝0
译码结果中的信息比特序列c’除以CRC编码多项式，若可以整除则满足CRC检测，执行S105。无法整除，不满足CRC检测，初始化循环次数z＝0，执行步骤S103。
S103，依据停止集和陷阱集的理论，通过对5G协议BG2码基础校验矩阵进行分析，得到BG2码翻转块及翻转比特表。通过LDPC码的扩展因子Z进行查表，得到待翻转比特所在LDPC码编码块的子块序号集合p和翻转比特在子块内的起始位置集合q，根据公式
rn,z＝pn×Z+(qn+z)mod Z+1 其中pn∈p，qn∈q，n＝1,…,L
其中mod是取模运算，得到实际的待翻转比特位置集合rz＝{rn,z∈[1,…,N],n＝1,…,L}，在译码输出的信息比特序列c’中，根据比特翻转位置集合rz，选择相应的比特进行翻转，形成新的译码结果c”，z＝z+1,顺序执行步骤S104。
S104，对翻转得到的译码结果c”进行CRC检测，满足CRC检测或达到最大循环次数z≥Z，则终止译码，顺序执行步骤S105，不满足CRC检测且循环次数z<Z，则返回执行步骤S103；
S105，终止译码，输出信息比特序列。
下面结合附图对本发明作更进一步的说明，本实施例中选用BG2-17-7-224码与BG2-22-12-96码做为实施对像，BG2-17-7-224码与BG2-22-12-96码基础校验矩阵中的每一个元素x代表一个维度为Z×Z的置换阵或全零阵，若该元素为-1，则为全零阵；否则为偏移量等于x的单位阵右循环移位阵；仿真时按5G协议编码后需要对前2Z个编码比特做打孔传输处理。
图2是针对BG2-N17-M7-Z224码(Nb＝17,Mb＝7,Z＝224)分别采用NMS译码算法以及本发明所述的用于5G-NR***短块长低码率LDPC码的修正译码方法进行仿真的误帧率性能曲线。表1是BG2-N17-M7-Z224码基础校验矩阵，其中，译码器的最大迭代次数均设置为50次；NMS修正因子β＝0.875；采用AWGN信道进行仿真；前448比特打孔传输；修正方法翻转块序号及翻转比特位序号见表3。
表1，BG2-N17-M7-Z224码基础校验矩阵(Nb＝17,Mb＝7,Z＝224)
| 72 | 110 | 23 | 181 | -1 | -1 | 95 | -1 | -1 | 8 | 1 | 0 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 |
| 53 | -1 | -1 | 156 | 115 | 156 | 115 | 200 | 29 | 31 | -1 | 0 | 0 | -1 | -1 | -1 | -1 |
| 152 | 131 | -1 | 46 | 191 | -1 | -1 | -1 | 91 | -1 | 0 | -1 | 0 | 0 | -1 | -1 | -1 |
| -1 | 185 | 6 | -1 | 36 | 124 | 124 | 110 | 156 | 133 | 1 | -1 | -1 | 0 | -1 | -1 | -1 |
| 200 | 16 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | 101 | -1 | -1 | 0 | -1 | -1 |
| 185 | 138 | -1 | -1 | -1 | 170 | -1 | 219 | -1 | -1 | -1 | 193 | -1 | -1 | -1 | 0 | -1 |
| 123 | -1 | -1 | -1 | -1 | 55 | -1 | 31 | -1 | 222 | -1 | 209 | -1 | -1 | -1 | -1 | 0 |
图3是针对BG2-22-12-Z96码(Nb＝22,Mb＝12,Z＝96)分别采用NMS译码算法以及本发明所述的用于5G-NR***短块长低码率LDPC码的修正译码方法进行仿真的误帧率性能曲线。其中，译码器的最大迭代次数均设置为50次；NMS修正因子β＝0.875；采用AWGN信道进行仿真；前192比特打孔传输；修正方法翻转块序号及翻转比特位序号见表3。
表2，BG2-N22-M12-Z96码基础校验矩阵(Nb＝22，Mb＝12，Z＝96)
| 78 | 1 | 70 | 66 | -1 | -1 | 71 | -1 | -1 | 76 | 0 | 0 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 |
| 27 | -1 | -1 | 36 | 48 | 92 | 31 | 91 | 89 | 3 | -1 | 0 | 0 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 |
| 25 | 18 | -1 | 21 | 14 | -1 | -1 | -1 | 18 | -1 | 1 | -1 | 0 | 0 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 |
| -1 | 40 | 79 | -1 | 17 | 72 | 27 | 22 | 28 | 90 | 0 | -1 | -1 | 0 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 |
| 72 | 74 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | 29 | -1 | -1 | 0 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 |
| 10 | 44 | -1 | -1 | -1 | 25 | -1 | 80 | -1 | -1 | -1 | 48 | -1 | -1 | -1 | 0 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 |
| 33 | -1 | -1 | -1 | -1 | 92 | -1 | 4 | -1 | 49 | -1 | 88 | -1 | -1 | -1 | -1 | 0 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 |
| -1 | 80 | -1 | -1 | -1 | 90 | -1 | 16 | -1 | -1 | -1 | 6 | -1 | 47 | -1 | -1 | -1 | 0 | -1 | -1 | -1 | -1 |
| 22 | 70 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | 56 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | 0 | -1 | -1 | -1 |
| -1 | 28 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | 36 | -1 | 89 | 82 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | 0 | -1 | -1 |
| 59 | 8 | -1 | -1 | -1 | -1 | 22 | 52 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | 0 | -1 |
| 32 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | 92 | -1 | 78 | -1 | -1 | -1 | 58 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | 0 |
表3，BG2码翻转块及翻转比特位
如图2和图3所示，对于BG2-N17-M7-Z224码，本发明的用于5G-NR***短块长低码率LDPC码的修正译码方法与NMS译码方法错误平层下降至1/3左右；对于BG2-22-12-Z96码，本发明的用于5G-NR***短块长低码率LDPC码的修正译码方法与NMS译码方法错误平层下降至1/8左右。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.用于5G-NR***短块长低码率LDPC码的修正译码方法，其特征在于，所述5G-NR***的LDPC码包括一个Mb×Nb的基础校验矩阵Hb以及扩展因子Z，编码检验矩阵H为M×N维度的二进制矩阵，M＝Mb×Z为矩阵行数，N＝Nb×Z为矩阵列数；
编码前信源消息序列附加长度为24的CRC编码比特，形成信息比特序列，记为c＝[c1,c2,…,cK]，K为信息比特序列的长度；通过LDPC编码，形成LDPC码字，记为w＝[w1,w2,…wn…,wN]，按照基础校验矩阵Hb结构和扩展因子Z，LDPC编码码字分为Nb个长度为Z的子块，子块序号为1,2，...，Nb；采用BPSK调制，x＝[x1,x2,…xn…,xN]，其中xn＝1–2×wn,n∈[1,N]，通过AWGN信道；接收序列y＝[y1,y2,…yn…,yN],其中yn＝xn+zn，n∈[1,N]，zn是均值为0，方差为σ2的独立高斯随机变量；循环修正最大次数为Z，即LDPC码的扩展因子；在Nb个编码子块中选择L个子块，选择的子块序号集合记为p＝{pn∈[0,…,Nb-1],n＝1,2,...,L}，每个子块选择一个翻转比特位，L个翻转比特在子块内起始位置集合记为q＝{qn∈[0,…,Z-1],n＝1,2,...,L}；
所述用于5G-NR***短块长低码率LDPC码的修正译码方法具体包括如下步骤：
S101，在常规迭代译码器译码结束后，迭代产生的硬判决译码输出，译码结果中的信息比特序列记为c’，顺序执行步骤S102；
S102，对译码输出的信息序列c’执行CRC检测：信息比特序列c’除以CRC编码多项式，若可以整除则满足CRC检测，执行S105；无法整除，不满足CRC检测，初始化循环次数z＝0，顺序执行S103；
S103，依据停止集和陷阱集的理论，通过对5G协议BG2码基础校验矩阵进行分析，得到BG2码翻转块及翻转比特表；通过LDPC编码的扩展因子Z进行查表，得到待翻转比特所在LDPC码编码块的子块序号集合p和翻转比特在子块内的起始位置集合q，根据公式
rn,z＝pn×Z+(qn+z)mod Z+1其中pn∈p，qn∈q，n＝1,…,L
其中mod为取模运算，得到实际的待翻转比特位置集合rz＝{rn,z∈[1,…,N],n＝1,…,L}，在译码输出的信息比特序列c’中，根据比特翻转位置集合rz，选择相应的比特进行翻转，形成新的译码结果c”，z＝z+1，顺序执行步骤S104；
S104，对翻转得到的译码结果c”进行CRC检测，满足CRC检测或达到最大循环次数z≥Z，则终止译码，顺序执行步骤S105，不满足CRC检测且循环次数z<Z，返回执行步骤S103；
S105，终止译码，输出信息比特序列。
2.根据权利要求1所述的用于5G-NR***短块长低码率LDPC码的修正译码方法，其特征在于，所述常规迭代译码器包括置信传播算法和最小和算法。
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| PB01 | Publication | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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