《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種改進(jìn)的擴(kuò)展RC-LDPC碼校驗矩陣構(gòu)造方法
山西電子技術(shù)
郭 龍,,徐友云,,馬文峰,,郭愛萍
摘要: 摘要:簡要介紹了一種具有Z型結(jié)構(gòu)的擴(kuò)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(jìn)的
關(guān)鍵詞: RC-LDPC碼 校驗矩陣
Abstract:
Key words :

摘要:簡要介紹了一種具有Z型結(jié)構(gòu)的擴(kuò)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(jìn)的校驗矩陣構(gòu)造方法,通過仿真表明,,對于擴(kuò)展的部分碼率,,改進(jìn)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(kuò)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(kuò)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?。目前?gòu)造RC-LDPC碼主要有兩種方法:打孔法和擴(kuò)展法,。文獻(xiàn)中提出了一種具有Z字型的擴(kuò)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(jìn)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(kuò)展RC-LDPC碼校驗矩陣的構(gòu)造
    文獻(xiàn)中提出了一種擴(kuò)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(xiàn)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(jìn)行了分析。

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    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:
    d.jpg
    其中I是為單位矩陣,擴(kuò)展的生成矩陣Gi大小為Mi,。每次擴(kuò)展后可以由信息位S與擴(kuò)展矩陣Gi相乘獨立地生成擴(kuò)展校驗位,。

2 改進(jìn)的擴(kuò)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(kuò)展方式構(gòu)造RC-LDPC碼的校驗矩陣過程中,將校驗矩陣進(jìn)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(jìn)行重傳,。對于部分?jǐn)U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(jìn)行詳細(xì)的說明:
    對校驗矩陣H進(jìn)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(kuò)展后的校驗矩陣H中的擴(kuò)展矩陣部分,,按照信息節(jié)點度數(shù)由高到低的順序進(jìn)行排列,即進(jìn)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(jìn)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(jìn)行了行列變換,,所以H矩陣必須進(jìn)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,。

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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(kuò)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:
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    碼率4/8,,擴(kuò)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,。

f.jpg


    圖4為改進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(kuò)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,。

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    圖5為改進(jìn)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(jìn)行分析,。從圖5,,改進(jìn)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(dāng)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(jìn)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?jǐn)U展碼率,,誤碼性能和吞吐量性能都有不同程度的提升,。

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