一種改進(jìn)的PS-LDPC碼構(gòu)造法

劉寧慶，王 焜，孫浩偉

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信技術(shù)研究所，150080哈爾濱，dulubleach@126.com; 2.中國海軍駐哈爾濱地區(qū)艦船配套軍事代表室，150046哈爾濱)

采用和積算法(S-PA)譯碼的低密度奇偶校驗(Low-density Parity-check，LDPC)［1］碼呈現(xiàn)近似Shannon極限的誤碼率特性［2］，被認(rèn)為是應(yīng)用于電信領(lǐng)域的下一代差錯控制碼.大周長的校驗矩陣能夠保證大的碼字最小距離，提高譯碼效率并改善LDPC碼的誤碼率特性［3］.采用PEG(Progressive Edge-growth)方法可高效地構(gòu)造大周長校驗矩陣［4-5］，卻增加了LDPC譯碼器硬件設(shè)計的復(fù)雜度.因此構(gòu)造大周長且易于硬件實現(xiàn)的LDPC碼是目前的研究熱點(diǎn).

逐級構(gòu)造的思想被廣泛的應(yīng)用于構(gòu)造LDPC碼［6-8］以降低LDPC碼譯碼器硬件設(shè)計的復(fù)雜度.基于該思想，Jin Lu等［9-10］提出了一種以具有不同行(或列)移位系數(shù)的單位陣作為各級子矩陣的LDPC碼，即PS-LDPC(Partition-and-Shift LDPC)碼，并證明了處于同一級中的各個子矩陣之間形成閉合環(huán)的判決定理，且以該定理為基礎(chǔ)提出了可構(gòu)造任意周長校驗矩陣的方法.然而，這種構(gòu)造算法未提供在移位系數(shù)矩陣中尋找閉合環(huán)路的復(fù)雜過程的詳細(xì)步驟，且采用判斷隨機(jī)數(shù)是否滿足2t循環(huán)定理約束條件的方式篩選各子矩陣的移位系數(shù)，未獲得最佳移位系數(shù).

為此本文采用兩種可行的方法完成矩陣中找閉合環(huán)路的過程;并詳細(xì)的分析了子矩陣移位系數(shù)的選擇與可能形成的閉合環(huán)之間的關(guān)系，為PS-LDPC碼各子矩陣的移位系數(shù)的篩選提供了詳細(xì)的判斷準(zhǔn)則，有利于構(gòu)造具有更大周長的PSLDPC校驗矩陣.基于上述方法構(gòu)造的PS-LDPC譯碼器比傳統(tǒng)構(gòu)造法構(gòu)造的PS-LDPC碼獲得了更高的譯碼性能.

1 相關(guān)工作

PS-LDPC碼的基本原理［9］如圖1所示.1種LDPC碼可以由其Tanner圖描述，Vc表示所有m個校驗節(jié)點(diǎn)的集合，Vb表示所有n個信息節(jié)點(diǎn)的集合.可將Vc和Vb分別劃分成Nb和Nc個大小均為p的子矩陣，其中m=Nc·p，n=Nb·p，且Nc≥j，Nb≥k，j、k分別表示校驗矩陣的最大列重和行重.每個子矩陣中的元素被索引在0～p-1之間;在第α個校驗節(jié)點(diǎn)子矩陣中的第Xc個校驗節(jié)點(diǎn)在Tanner圖中與第β個信息節(jié)點(diǎn)子矩陣中第Xb個信息節(jié)點(diǎn)連接，且有Xb=，其中表示模為p的加法運(yùn)算.以這種形式表示的LDPC碼為準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼的一種.如將校驗矩陣H劃分成Nc×Nb個大小為p× p的子矩陣，每個子矩陣均為單位矩陣或其循環(huán)移動矩陣，則校驗矩陣H可由這些子矩陣的移位系數(shù)Sα，β表示，即移位矩陣S=［Sα，β］.一個(20，3，4)的校驗矩陣的Tanner圖及其移位矩陣S如圖1所示.

圖1 (20，3，4)校驗矩陣的移位矩陣S及Tanner圖

圖中S中的“*”代表零矩陣所對應(yīng)的系數(shù).

文獻(xiàn)［9］提出的2t循環(huán)定理指出如果一個校驗矩陣H的移位矩陣S中一個長度為2t的閉合環(huán)路上的頂點(diǎn)Sα1，β1，Sα2，β2，…，Sα2t，β2t滿足

則這個循環(huán)移動矩陣S對應(yīng)的校驗矩陣中將沿著這個閉合環(huán)路形成長度為2t閉合環(huán)路.PS-LDPC碼循環(huán)移動矩陣S的構(gòu)造即通過考察各個長度為2t'的閉合環(huán)路是否滿足2t循環(huán)定理來避免循環(huán)的產(chǎn)生(此處及后文所指的滿足2t循環(huán)定理均指，即不會構(gòu)成長度為2t的循環(huán)).文獻(xiàn)［10］中詳盡的描述了校驗矩陣的構(gòu)造法則，本文不予贅述.

2 移位系數(shù)的選擇

文獻(xiàn)［10］提出的獲取PS-LDPC碼校驗矩陣H中子矩陣的移位系數(shù)的方法是合理的，但構(gòu)造效率可進(jìn)一步提高.下面提出一種改進(jìn)的確定某子矩陣的移位系數(shù)的方法.如圖2所示的4個6× 6的單位矩陣的循環(huán)移動矩陣，根據(jù)2t循環(huán)定理規(guī)定的運(yùn)算準(zhǔn)則可知:

故由這4個移位系數(shù)組成的長為4的閉合環(huán)路在監(jiān)督矩陣中不會形成長為4的循環(huán).然而，由圖可知這4個移位系數(shù)對應(yīng)的子矩陣可形成長為12的環(huán).此時的循環(huán)路徑以2t循環(huán)定理的運(yùn)算準(zhǔn)則可表示為

本文將不重復(fù)的閉合環(huán)路形成上的環(huán)稱為一次環(huán)，而在多次重復(fù)的閉合環(huán)路上形成的環(huán)稱為多次環(huán).對于p≠1的PS-LDPC類碼，多次環(huán)的形成不可避免，但可以采取措施保證其長度最大化.

圖2 長為4×3的循環(huán)示例

考察類似情況，可得到如下結(jié)論:滿足2t循環(huán)定理的閉合環(huán)路(長度為2t)上的頂點(diǎn)(不同的移位系數(shù))，形成長為L的閉合環(huán)路，其中

式中:p為每個子矩陣的行/列數(shù);φ(x，y)表示x和y的最大公約數(shù);

因此在規(guī)定某個子矩陣的移位系數(shù)時，應(yīng)盡量選擇可使sump(ls2t)與p的最大公約數(shù)較小的移位系數(shù).當(dāng)sump(ls2t)=p/2時為最不利的情況，此時循環(huán)的長度為4t.然而采用文獻(xiàn)［10］的構(gòu)造方法構(gòu)造PS-LDPC碼的校驗矩陣時，可縮減一次判斷移位系數(shù)是否滿足4t長度閉合環(huán)路上的2t循環(huán)定理的過程.

基于上述思想，改進(jìn)文獻(xiàn)［10］中提出的移位矩陣的構(gòu)造方法.以周長為g的校驗矩陣H作為基底產(chǎn)生矩陣，構(gòu)造PS-LDPC碼校驗矩陣的移位矩陣S的改進(jìn)方法如改進(jìn)算法1所述.

這種改進(jìn)構(gòu)造方法保證了每確定1個子矩陣的移位系數(shù)時，使經(jīng)過該子矩陣的循環(huán)的長度最大化.其中Lmint表示起始且終止于Sr的所有長為2t'的閉合環(huán)路形成的最短的循環(huán)長度，亦即Sr取某個值時，在終始于它的所有2t'長的閉合環(huán)路上出現(xiàn)的最不理想情況;LMIN則表示在長度從g到gc-2的所有閉合環(huán)路上出現(xiàn)的最不理想情況(最短循環(huán));選取最大LMIN對應(yīng)的值為Sr保證最短循環(huán)長度的最大化.每添加1個Sr記錄這個Sr對應(yīng)的最大LMIN(記為max(LMIN))，構(gòu)造完畢所得校驗矩陣的周長g'即為最小的max(LMIN).若需要再下一級構(gòu)造，則以此次構(gòu)造的校驗矩陣作為下一級的移位矩陣，并以g'為起始考察的閉合環(huán)路長度，至需要的周長，按改進(jìn)的方法在原校驗矩陣“1”的位置添加最優(yōu)的Sr值.

這種改進(jìn)構(gòu)造法則使得構(gòu)造過程更有目的性，避免了t'=r·t時出現(xiàn)的sump(ls2t)≠0而sump(ls2t')=0的情況，因而避免重新選擇Sr的需要.因此，改進(jìn)的構(gòu)造法無論從校驗矩陣的譯碼性能亦或構(gòu)造效率上都有明顯的進(jìn)步.

此外，可采用不同的方法構(gòu)造未指定周長的最上級矩陣(PS-LDPC碼中可理解為未添加移位系數(shù)Sα，β前的基底移位矩陣S)，如以上提出的PS-LDPC碼改進(jìn)構(gòu)造法或PEG構(gòu)造法.PEG方法構(gòu)造的矩陣具有更優(yōu)的周長特性，因此最上級矩陣可以采用PEG矩陣.參照第3部分介紹的尋找定長的閉合環(huán)的方法，可獲取此最上級矩陣的周長g，再根據(jù)上面提出的構(gòu)造法完成周長至少為gc的校驗矩陣的構(gòu)造.

3 閉合環(huán)路查找方法

在矩陣中尋找閉合環(huán)路是繁瑣的過程，本文提出一種直觀的尋找長為2t閉合環(huán)路的方法，通過改變某些參數(shù)，可尋找矩陣中經(jīng)過某節(jié)點(diǎn)的不同歷經(jīng)范圍內(nèi)的閉合環(huán)路.

設(shè)hi，j為大小為m×n的矩陣H中的元素，欲尋找歷經(jīng)H矩陣的所有經(jīng)過hi，j且長為2t的閉合環(huán)路，可用1個2t元矢量CP表示長為2t的閉合環(huán)路的邊軌跡.CP的偶數(shù)元表示Tanner圖中連接到同一個校驗節(jié)點(diǎn)的2個信息節(jié)點(diǎn)作為閉合環(huán)路的2個頂點(diǎn)時，這2個信息節(jié)點(diǎn)的列數(shù)差;CP的奇數(shù)元表示Tanner圖中連接到同1個信息節(jié)點(diǎn)的兩個校驗節(jié)點(diǎn)作為閉合環(huán)路的2個頂點(diǎn)時，這2個校驗節(jié)點(diǎn)的行數(shù)差.因此CP的每一元表示了閉合環(huán)路的1條邊歷經(jīng)的行數(shù)或列數(shù).圖3為6元矢量CP的示意圖.

圖3 長為6的閉合環(huán)路及6元矢量CP示例

此外對于歷經(jīng)矩陣H的閉合環(huán)路，以上對CP各元參數(shù)的限制應(yīng)與H的尺寸相關(guān)，不超出H的行列范圍，故另加限制條件如下:

1)偶數(shù)元取值范圍為(1-n，-1)∪(1，n-1)，奇數(shù)元取值范圍為(1-m，-1)∪(1，m-1);

2)對于任意偶數(shù)x＜2t，且k為偶數(shù)有

3)對于任意奇數(shù)y＜2t，且k為奇數(shù)有

4)對于k為奇數(shù)或偶數(shù)，均有

經(jīng)以上限制條件，可保證長度為2t的閉合環(huán)路歷經(jīng)H且終始于hi0，j0.閉合環(huán)路上的頂點(diǎn)可表示為hiz，jz，z(1≤z≤t)表示自hi0，j0后歷經(jīng)的第z個頂點(diǎn).對于hi，j不全為1的情況，需考察hiz，jz是否為0，hiz，jz是0則舍棄該CP.

當(dāng)z為奇數(shù)時，iz=i0+∑CP［k］，(k=1，3，…，z);jz=j0+∑CP［k］，(k=2，4，…，z-1).

當(dāng)z為偶數(shù)時，iz=i0+∑CP［k］，(k=1，3，…，z-1);jz=j0+∑CP［k］，k=2，4，…，z.

通過考察限制條件1)～4)獲得的滿足條件的矢量CP即為欲尋找的閉合環(huán)路起始于hi，j的邊軌跡，進(jìn)而獲得閉合環(huán)路上的元素.

4 性能仿真

分別以改進(jìn)構(gòu)造算法和文獻(xiàn)［10］提出的傳統(tǒng)構(gòu)造法(g＞8)構(gòu)造一列重1≤j≤3，行重7≤k≤9的，1 200×3 600的非規(guī)則PS-LDPC碼.仿真考查不同的信噪比下通過AWGN信道時這2種碼的誤比特率(BER).仿真結(jié)果如圖5所示.

圖4 AWGN信道下的BER性能比較

由圖4的仿真結(jié)果可知，改進(jìn)構(gòu)造法構(gòu)造的PS-LDPC碼具有更優(yōu)的譯碼性能，為4.5 dB信噪比時的譯碼性能可媲美傳統(tǒng)PS-LDPC碼Eb/No(信噪比)在5.5 dB以上時的譯碼性能.這也說明這樣的校驗矩陣H具有更大的周長和碼字最小距離.

5 結(jié)論

本文通過對傳統(tǒng)PS-LDPC碼構(gòu)造算法的分析，發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)構(gòu)造算法在計算效率上的不足.并針對這個問題提出了改進(jìn)算法.此外，本文介紹了一種在監(jiān)督矩陣中查找閉合環(huán)路的方法，確保改進(jìn)的構(gòu)造算法可高效實現(xiàn).最后通過對改進(jìn)算法構(gòu)造的PS-LDPC碼的誤碼率特性仿真可知:

1)改進(jìn)的PS-LDPC碼構(gòu)造算法改善了校驗矩陣的周長特性;

2)改進(jìn)算法提高了校驗矩陣的構(gòu)造效率;

3)AWGN信道下BER性能更優(yōu).

此外本文提出的閉合環(huán)尋找方法可應(yīng)用在其他LDPC校驗矩陣的構(gòu)造算法中.

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