摘要：簡要介紹了一種具有Z型結(jié)構(gòu)的擴展式RC-LDPC碼校驗矩陣的構(gòu)造方法,，針對構(gòu)造中會出現(xiàn)4環(huán)的情況，提出了一種消除4環(huán)的方法,，并基于非規(guī)則LDPC碼中信息節(jié)點不同度分布對性能產(chǎn)生不同影響的特點,，提出了一種改進的校驗矩陣構(gòu)造方法，通過仿真表明,，對于擴展的部分碼率,，改進方法能夠使誤碼率和吞吐量上得到一定的提升。
關(guān)鍵詞：RC-LDPC,；擴展式,；IR-HARQ；度分布,；吞吐量
0 引言
在無線通信中,，絕大多數(shù)的信道都是時變的,。通信系統(tǒng)為了獲得更大的吞吐量可根據(jù)信道條件自適應(yīng)地改變糾錯編碼的碼率和碼長等。速率兼容(Rate Compatible,，RC)LD-PC碼能夠自適應(yīng)地改變碼率,，擴大碼率的動態(tài)變化范圍，來適應(yīng)多變的信道環(huán)境,，保證比特錯誤率,，提高傳輸?shù)目煽啃浴Ｄ壳皹?gòu)造RC-LDPC碼主要有兩種方法：打孔法和擴展法,。文獻中提出了一種具有Z字型的擴展RC-LDPC碼校驗矩陣的構(gòu)造方法,。但是在構(gòu)造中引入了4環(huán)，影響到碼字的性能,。本文針對此問題提出了一種改進的校驗矩陣構(gòu)造方法,，能夠消除4環(huán)的影響，同時利用不同度數(shù)信息節(jié)點對性能的不同影響這一特性,，來提高整個系統(tǒng)的誤碼性能和吞吐量性能。
1 擴展RC-LDPC碼校驗矩陣的構(gòu)造
文獻中提出了一種擴展RC-LDPC碼的校驗矩陣構(gòu)造方法,，校驗矩陣H具有Z字型結(jié)構(gòu)(如圖1),。文獻研究了構(gòu)造的碼字在IR-HARQ系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對誤幀率與吞吐量進行了分析,。
利用高斯消元,，可將構(gòu)造的校驗矩陣日變換成如圖2的形式。碼字的生成矩陣G可以表示為：
其中I是為單位矩陣,，擴展的生成矩陣Gi大小為Mi,。每次擴展后可以由信息位S與擴展矩陣Gi相乘獨立地生成擴展校驗位。
2 改進的擴展RC-LDPC碼構(gòu)造方法
本節(jié)利用非規(guī)則LDPC碼中不同度數(shù)的信息節(jié)點對性能的不同影響,，構(gòu)造出節(jié)點度數(shù)大的首先發(fā)送的校驗矩陣,，以此來提高整體系統(tǒng)的誤碼率，減少重傳的次數(shù)和編碼消耗的時間,。同時針對構(gòu)造中出現(xiàn)4環(huán)的現(xiàn)象,，文中采用一種置換母矩陣列的方式來消除短環(huán)帶來的影響。由于規(guī)則碼的度數(shù)相同,，所以文中構(gòu)造的是非規(guī)則LDPC碼,。
2．1 基于信息節(jié)點不同度分布的校驗矩陣構(gòu)造
對于非規(guī)則LDPC碼，度分布是一個非常重要的概念,。研究表明：非規(guī)則LDPC碼中,，不同度數(shù)的信息節(jié)點在譯碼過程中發(fā)揮的作用不同。度數(shù)較大的信息節(jié)點比度數(shù)較小的信息節(jié)點連接更多的校驗節(jié)點,，迭代譯碼過程中度數(shù)大的節(jié)點接收更多的置信度信息,，使得度數(shù)大的信息節(jié)點譯碼后的誤比特率要低于度數(shù)小的信息節(jié)點,。
利用擴展方式構(gòu)造RC-LDPC碼的校驗矩陣過程中，將校驗矩陣進行校驗部分列交換,，使得校驗比特能夠按照度數(shù)由高到低的順序進行重傳,。對于部分擴展碼率，能夠提高誤碼性能,，提升吞吐量,。具體的構(gòu)造方法下面將進行詳細的說明：
對校驗矩陣H進行高斯消元，得到如圖2所示的典型校驗矩陣的形式,，可以得到生成矩陣G,。在HARQ系統(tǒng)重傳中，可以采用度數(shù)大的校驗比特節(jié)點首先傳輸,，基于此可以對圖2結(jié)構(gòu)的校驗矩陣再次構(gòu)造,。將擴展后的校驗矩陣H中的擴展矩陣部分，按照信息節(jié)點度數(shù)由高到低的順序進行排列,，即進行列交換,。之后為了恢復(fù)成典型校驗矩陣的形式，再將矩陣進行行交換,。通過該過程,，可以得到校驗比特按照節(jié)點度數(shù)由高到低順序排列的校驗矩陣(如圖3)。此時得到的矩陣相對于日已經(jīng)進行了行列變換,，所以H矩陣必須進行相同的行列變化,，得到最終校驗矩陣H0，此時的校驗矩陣H0是稀疏的,。
2．2 短環(huán)的消除
從第一節(jié)BC-LDPC碼校驗矩陣構(gòu)造上來看,，在左下角引入兩個單位矩陣，有可能會產(chǎn)生4環(huán),，導(dǎo)致誤碼性能下降,。4環(huán)的產(chǎn)生發(fā)生在碼率由R0到R1變換過程中，母矩陣左下角增加了兩個單位矩陣,。本文中采用下面的方法消除構(gòu)造過程中產(chǎn)生的4環(huán),。
假設(shè)擴展的單位矩陣大小為m×m，消去長度為4的環(huán)偽代碼描述如下：
for i=1 to m do
begin
if兩個單位矩陣的第i個元素與母矩陣對應(yīng)的第i列和第i+m列中的元素構(gòu)成長度為4的環(huán),，即兩個單位矩陣同一行(第i行)的兩個元素“1”對應(yīng)著母矩陣的兩列(第i列和第i+m列),，這兩列同一行中的元素均為1，即可構(gòu)成長度為4的環(huán),。
for j=m+i+1 to M
do從母矩陣的第m+i+1列開始,，如果母矩陣第j列和第i列中非零元素與添加的兩個單位矩陣第i個元素構(gòu)成4環(huán)，繼續(xù)尋找下一個j,，直至找到不能構(gòu)成4環(huán)的列,，將找到的此列與第m+i列互換,。如果不能找到滿足條件的母矩陣列，在尋找過程中將構(gòu)成4環(huán)最少的列與第m+i列互換,，同時將該列相應(yīng)位置的元素1與該列中的某個0元素對換,，要保證不能引入4環(huán)。這樣可以保證信息節(jié)點的度分布不受影響,。
end
end
通過上述的方法可以消除構(gòu)造過程中產(chǎn)生的長度為4的環(huán),，提高譯碼的性能。
3 仿真結(jié)果與分析
在仿真中,，信息位K為1024,，非規(guī)則LDPC碼的母矩陣度分布為：
碼率4／8，擴展碼率為4／9,、4／10,、4／11。PEG構(gòu)造的非規(guī)則小矩陣長度256,。仿真采用BPSK調(diào)制,，AWGN信道，譯碼算法為log-BP算法,，最大迭代次數(shù)40次,。
圖4為改進的構(gòu)造方式與原構(gòu)造方式誤幀率比較。通過仿真可以看出,，改進的構(gòu)造方式的誤碼性能有了明顯的提升,。在碼率為4／9時,，改進的RC-LDPC校驗矩陣構(gòu)造方式性能上大約有0．15 dB提升,，而在碼率為4／10時，改進的構(gòu)造方式比原來的構(gòu)造方式大約有0．07 dB提升,。兩碼率性能提升的不同是因為隨著擴展校驗比特的增加,，譯碼時的碼字與原方案譯碼時的碼字在信息節(jié)點度數(shù)上的差異越來越小造成的。隨著碼率的繼續(xù)增大,，兩種方式譯碼時在信息節(jié)點度數(shù)的差異將消失,。從仿真中看出，在RC-LDPC的最小碼率情況下,，誤幀率基本相同,。
圖5為改進的構(gòu)造方式與原構(gòu)造方式吞吐量性能比較。仿真中采用的是IR-HARQ系統(tǒng),，碼率為4／11時,，兩方案的誤幀率基本相同，所以只對碼率為4／9,、4／10時的吞吐量進行分析,。從圖5,，改進的方案在吞吐量上要優(yōu)于原構(gòu)造方式。隨著信噪比的增加,，誤幀率變得越來越小,，兩方案的吞吐量會慢慢匯合在一起，最終兩種方案的吞吐量會相等,。但是不同的碼率的吞吐量最終值不相同,，當信道足夠好時，吞吐量在數(shù)值上等于碼率,。
4 結(jié)論
本章首先簡要介紹了一種具有Z字型結(jié)構(gòu)的校驗矩陣H的構(gòu)造方法,。之后基于非規(guī)則LDPC碼中不同度數(shù)的信息節(jié)點對性能的不同影響的特點，提出了一種改進的校驗矩陣構(gòu)造方案,。同時針對Z字型結(jié)構(gòu)的校驗矩陣H構(gòu)造方法中容易引入4環(huán)的不利因素,，提出了一種消除4環(huán)的方法。通過仿真情況來看,，對于部分擴展碼率,，誤碼性能和吞吐量性能都有不同程度的提升。