可分解码率兼容低密度校验码的混合自动重传系统转让专利
申请号 : CN200710173269.X
文献号 : CN101242247B
文献日 : 2010-10-20
发明人 : 沈进旗 , 丁洁 , 徐友云 , 俞晖 , 甘小莺
申请人 : 上海交通大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种可分解码率兼容低密度校验码的混合自动重传系统，其特征在于，包括信道编码模块、信道译码模块、重传与软信息组合恢复模块，所述信道编码模块产生初始的校验位和重传的校验位，所述信道译码模块根据信道编码模块获得的初始信道信息或者从重传与软信息组合恢复模块中恢复的软信息进行译码输出相应的信源判决值以及信息位与校验位译码更新后的软信息，所述重传与软信息组合恢复模块主要负责响应重传请求，根据信道译码模块初始译码更新后的软信息以及重传后的第一次译码更新后的软信息组合或恢复出用于低码率低密度校验码译码的软信息，该模块同时负责根据重传后的两次译码输出的校验位的判决值计算初始信源校验位的判决值；
所述的信道编码模块和信道译码模块，其采用的可分解码率兼容低密度校验码中，各个码率的子码的校验矩阵具有相同的满秩校验块P；
所述的信道编码模块和信道译码模块，其所采用的可分解码率兼容低密度校验码中，公共的校验块P以及扩展的各个信息块Si，1≤i≤n的行重列重都固定为λ；
所述的信道编码模块和信道译码模块，其所采用的可分解码率兼容低密度校验码中，所兼容的各个码率低密度校验码与单独构造的低码率低密度校验码具有相同的性能；
所述的信道编码模块和信道译码模块，其所采用的可分解码率兼容低密度校验码中，一个由码率为Rn的可分解码率兼容低密度校验码能分解成一个码率为Rn-1的低密度校验码和一个码率为1/2的低密度校验码，它们之间的校验位存在如下关系：其中表示信源经过所分解的1/2码率的低密度校验码编码后的校验位，表示信源经过所分解的码率为Rn-1的低密度校验码编码后的校验位。
2.根据权利要求1所述的可分解码率兼容低密度校验码的混合自动重传系统，其特征是，所述信道译码模块由初始译码、重传后第一次译码、重传后第二次译码三个子模块组成，其中初始译码子模块负责利用最高码率的低密度校验码对从信道接收到的初始信息进行译码，重传后第一次译码子模块负责根据初始译码更新后的信息位的软信息以及重传的校验位的软信息组合得到的分解后的低码率的低密度校验码的初始信息进行译码，重传后第二次译码子模块负责根据初始译码更新后的信息位的软信息以及从初始译码更新后的校验位的软信息以及重传后第一次译码后的校验位的软信息得到的分解后的另一个低码率的低密度校验码的初始信息进行译码。
3.根据权利要求1所述的可分解码率兼容低密度校验码的混合自动重传系统，其特征是，所述重传与软信息组合恢复模块，在初始译码错误时，重发分解后的一个1/2码率低密度校验码的校验位，这样收端可将其与初始译码更新后的软信息合并组成一个1/2码率的低密度校验码进行重传后第一次译码；
所述重传与软信息组合恢复模块，利用码率为Rn的低密度校验码以及它所分解出来的一个1/2码率的低密度校验码和一个码率为Rn-1的低密度校验码的校验位之间的奇偶校验关系恢复出码率为Rn-1的低密度校验码的校验位的软信息，并将其与重传后第一次译码更新后的信息位的软信息合并，采用码率为Rn-1的低密度校验码进行译码。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种无线通信技术领域的系统，具体来说，涉及的是一种可分解码率兼容低密度校验码的混合自动重传系统。
随着人们对高速数据业务的需求越来越大，作为高速数据传输的基础技术之一混合自动重传请求(HARQ)的研究越来越受到人们的重视。混合自动重传(HARQ系统)中所采用的纠错码的性能对这个系统的性能有较大的影响。因此选择一种合适的纠错码尤为重要。
LDPC码(低密度校验码)是由Gallager在1963年提出的，它是一种可用作多种通信系统或信息存贮系统的纠错/检错技术。由于LDPC码具有逼近信道极限的性能，它成为近十年来最受关注的一项热门技术之一。LDPC码与传统的信道编码相比具有明显的优越性，与常用的Turbo码相比，性能接近的同时译码复杂度降低了许多。最近几年，LDPC信道编码技术因其卓越的性能已经被广泛应用于从有线到无线的各种宽带数据通信应用场合：在蜂窝移动通信中，LDPC码已被选为数字电视广播DVB-T的信道编码标准；宽带卫星通信，无线个人区域网(802.15)，无线移动宽带接入网(802.20)以及其它如数据存储介质设备访问和有线调制解调器(Cable Modem)、DSL等通信系统也已将其考虑作为信道编码标准之一。
采用固定码率的LDPC码能够获得较大的编码增益。因此LDPC码的HARQ方案在过去的几年中受到了广泛的关注，特别是建立在码率兼容的LDPC码基础之上的II型HARQ。为了更有效的实现重传，人们开始从研究LDPC码的结构出发，构造出了一些非常适合于HARQ系统的码率兼容的LDPC码。
普通的ARQ系统只是通过重传获得额外的信道初始信息，从而增大正确译码的可能。而混合自动重传能够在获得额外的信道初始信息的同时降低系统中纠错码的码率以增强系统的纠错性能，这两个因素同时作用能够进一步的提高系统性能。然而，目前HARQ系统中所采用的码率兼容LDPC码中高码率所兼容的低码率的LDPC码的性能都没有达到最优，因此降低了系统的性能。
经对现有技术的文献检索发现，Ming Jiang，Chunming Zhao，Zhanli Liu等在ICCCAS，2006，2：25-28上发表了“An Improved Construction of LDPC CodesBased on Data Punctured Hybrid ARQ”(通信电路与系统国际会议，2006年第2卷，25-28页，一种数据打孔HARQ的改进的LDPC码构造方案)，文中所采用的混合重传系统利用重传后的校验信息与上次传输的部分信息组合成一个较低码率的LDPC码进行译码以更新部分节点的信息，然后再用更新后的信息进行二次译码，这样能获得较大的增益；然而该系统中所采用的码率兼容LDPC码所兼容的低码率的LDPC码的性能未达到最优，而且重传后的第二次译码采用的是高码率的LDPC码，其纠错性能不如低码率的LDPC码，所以整个系统的性能还有待进一步提高。
发明内容
本发明是通过以下技术方案实现的，包括信道编码模块、信道译码模块、重传与软信息组合恢复模块。信道编码模块产生初始的校验位和重传的校验位；信道译码模块根据信道编码模块获得的初始信道信息或者从重传与软信息组合恢复模块中恢复的软信息，进行译码输出相应的信源判决值以及信息位与校验位译码更新后的软信息；重传与软信息组合恢复模块主要负责响应重传请求，根据信道译码模块初始译码更新后的软信息以及重传后的第一次译码更新后的软信息组合或恢复出用于低码率LDPC码译码的软信息，该模块同时负责根据重传后的两次译码输出的校验位的判决值计算初始信源校验位的判决值。
所述信道译码模块由初始译码、重传后第一次译码、重传后第二次译码三个子模块组成。其中初始译码子模块负责利用最高码率的LDPC码对从信道接收到的初始信息进行译码；重传后第一次译码子模块负责根据初始译码更新后的信息位的软信息以及重传的校验位的软信息组合得到的分解后的低码率的LDPC码的初始信息进行译码；重传后第二次译码子模块负责根据由初始译码更新后的信息位的软信息，初始译码更新后的校验位的软信息以及重传后第一次译码后的校验位的软信息所得到的分解后的另一个低码率的LDPC码的初始信息进行译码。
所述信道编码模块、信道译码模块的主要特点是采用了可分解码率兼容低密度校验码，重传与软信息组合恢复模块的主要特点则是采用了可分解码率兼容低密度校验码的HARQ方法和利用奇偶校验的关系进行软信息恢复的方法。
本发明所述的信道编码模块和信道译码模块中所采用的可分解码率兼容低密度校验码具有以下特征：①所构造的可分解的码率兼容LDPC码中的各个码率的子码的校验矩阵具有相同的满秩校验块P；②公共的校验块P以及扩展的各个信息块Si，1≤i≤n的行重列重都固定为λ；③所兼容的各个码率的LDPC码的度分布对都经过了优化，因此所兼容的各个码率LDPC码与单独构造的低码率LDPC码具有相同的性能。④一个由码率为Rn的可分解码率兼容LDPC码可以分解成一个码率为Rn-1的LDPC码和一个码率为1/2的LDPC码，它们之间的校验位存在如下关系：其中表示信源经过所分解的1/2码率的LDPC码编码后的校验位；表示信源经过所分解的码率为Rn-1的LDPC码编码后的校验位。采用具有上述特征的可分解码率兼容低密度校验码解决了HARQ系统中的纠错码在所兼容的各个码率下性能的最优化问题。
所述重传与软信息组合恢复模块，在初始译码错误时，重发分解后的一个1/2码率LDPC码的校验位，这样收端可将其与初始译码更新后的软信息合并组成一个1/2码率的LDPC码进行重传后第一次译码。
所述重传与软信息组合恢复模块，为了降低重传后第二次译码的码率，该模块利用码率为Rn的LDPC码以及它所分解出来的一个1/2码率的LDPC码和一个码率为Rn-1的LDPC码的校验位之间的奇偶校验关系恢复出码率为Rn-1的LDPC码的校验位的软信息，并将其与重传后第一次译码更新后的信息位的软信息合并，采用码率为Rn-1的LDPC码进行译码。
与现有技术相比，本发明系统中可分解码率兼容低密度校验码的采用解决了HARQ系统中的纠错码在所兼容的各个码率下性能的最优化问题。重传与软信息组合恢复模块的处理使得HARQ系统中重传后的第二次的译码码率得以降低。以上两点技术改进使得系统中的纠错码的纠错能力得以提高，从而进一步改善了系统的性能。仿真结果表明，采用码长为2000左右码率为2/3的纠错码实现的这种HARQ系统与普通ARQ系统相比能获得约2.0dB的增益，从而能够提高系统的吞吐量。随着人们对数据速率的要求进一步的提高，该系统将具有较好的使用前景。
附图说明
图2为本发明所构造的可分解解码率兼容低密度校验码的H矩阵结构示意图。
图3为由高码率的H矩阵分解成两个低码率矩阵的示意图。
图4为实例码及其所分解的码与采用PEG算法构造的码的性能比较曲线
图5为本发明与其它方案在纠错码为实例码时的误帧率性能曲线。
图6为本发明与其它方案在纠错码为实例码时的吞吐量的比较曲线。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括三个模块：信道编码模块、信道译码模块、重传与软信息组合恢复模块。信道编码模块产生初始的校验位和重传的校验位，信道译码模块根据信道编码模块获得的初始信道信息或者从重传与软信息组合恢复模块中恢复的软信息，进行译码输出相应的信源判决值以及信息位与校验位译码更新后的软信息。重传与软信息组合恢复模块主要负责响应重传请求，根据信道译码模块初始译码更新后的软信息以及重传后的第一次译码更新后的软信息组合或恢复出用于低码率低密度校验码译码的软信息，该模块同时负责根据重传后的两次译码输出的校验位的判决值计算初始信源校验位的判决值。
所述信道译码模块由初始译码、重传后第一次译码、重传后第二次译码三个子模块组成。其中初始译码子模块负责利用最高码率的LDPC码对从信道接收到的初始信息进行译码，重传后第一次译码子模块负责根据由初始译码更新后的信息位的软信息以及重传的校验位的软信息组合得到的分解后的低码率的LDPC码的初始信息进行译码，重传后第二次译码子模块负责根据初始译码更新后的信息位的软信息以及从初始译码更新后的校验位的软信息以及重传后第一次译码后的校验位的软信息得到的分解后的另一个低码率的LDPC码的初始信息进行译码。
本实施例中，所述信道编码模块所构造的可分解的码率兼容LDPC码中的各个码率的子码的校验矩阵具有相同的满秩校验块P；公共的校验块P以及扩展的各个信息块Si，1≤i≤n的行重列重都固定为λ；所兼容的各个码率的LDPC码的度分布对都经过了优化，因此所兼容的各码率LDPC码与单独构造的低码率LDPC码具有相同的性能。一个由码率为Rn的可分解码率兼容LDPC码可以分解成一个码率为Rn-1的LDPC码和一个码率为1/2的LDPC码。它们之间的校验位存在如下关系：其中表示信源经过所分解的1/2码率的LDPC码编码后的校验位。表示信源经过所分解的码率为Rn-1的LDPC码编码后的校验位。
如图2所示，本实施例中信道编码模块采用的可分解码率兼容LDPC码的H矩阵H2有一满秩的校验块P和两个行重和列重都为λ＝3的信息块组成。
如图3所示，本实施例中信道编码模块中，码率为Rn＝2/3的可分解码率兼容LDPC码的H矩阵H2可以分解成一个码率为Rn-1＝1/2的LDPC码的校验矩阵H1和一个码率为1/2的LDPC码的校验矩阵H1/2，2，且它们拥有共同的校验块P。所以上述三个LDPC码的校验位之间的关系满足：其中表示利用H2对信源进行编码得到的校验位，表示利用H1对信源进行编码的得到的校验位，表示利用H1/2，2对信源进行编码的得到的校验位。
对于图2所述的校验位为1024比特的实例码，采用BPSK的调制方式、AWGN信道、LDPC译码算法为BP算法、最大迭代次数为100的模型对对其进行了仿真。
图4为本发明实施例中所采用的实例码与采用普通的PEG算法构造的相同参数的LDPC码的误帧率性能的比较曲线。从图中可以看出所构造的可分解的码率兼容LDPC中的各个H矩阵所对应的LDPC码的性能与采用PEG构造的相同码长、相同码率的LDPC码的性能相等，所以该构造方法不会带来任何的性能损失。可见该技术可以使HARQ系统中纠错码所兼容的各个码率下LDPC码的性能均得到最优化。
重传与软信息组合恢复模块重传的信息为校验位。第一次译码后利用更新后的软信息以及初始译码更新后的软信息恢复出第二次采用的1/2码率的译码器的校验为的软信息，将其与初始译码更新后的软信息合并即可以采用1/2码率的LDPC码进行第二次译码。这使得重传后的两次译码的码率都降为1/2，大大增强了系统的纠错性能。
图5为所发明的以实例码为纠错码的HARQ系统与未采用重传协议以及采用普通的ARQ方案的误帧率性能比较曲线。从图中可以看出：采用本发明的系统的误帧率性能，和不采用重传机制相比，能够获得约2dB的增益，与普通ARQ重传机制相比，在重传的数据量为普通ARQ重传数据量的1/3的情况下也能获得1.5dB的性能改善。
图6为图5所对应的系统的吞吐量性能比较曲线。从图中可以看出：所发明的HARQ系统在吞吐量小于0.5的时候与普通ARQ方案详细能够大幅度的提高系统的吞吐量。