专利名称：使用ldpc准循环码进行编码和解码的制作方法
技术领域：
本发明涉及数据传输，并且更具体地，涉及跨嘈杂介质(即，可能会在通信中引入错误的通信介质或信道)进行数据通信。
背景技术：
在通信环境中，通信介质或外部信号往往会引入信号错误。所述错误必须被检测到，并且如果可能，在接收过程中被纠正，从而可以恢复正确的数据。在现有技术中，存在若干用于误差检测和纠正的技术，包括基于用于纠正误差的低密度奇偶校验码的数据编码和解码。低密度奇偶校验码(LDPC)是用于在嘈杂传输信道上进行传输的纠错码。这些代码在消息中引入了一定的冗余(发送数目比原始消息中更多的比特)，但是通过这种方式， 在接收时可以检测在所接收的消息中是否存在错误并且纠正这些错误。LDPC代码是一种其奇偶校验矩阵并不十分密集的代码，换言之，该代码的大部分元素为0。这种类型的代码在1960年代初首次公布于Robert G. Gallagher的“Low Density Parity Check Codes”(Μ. I. Τ. Press，1963)之中，并且被证明具有与已知的香农极限(理论最大数据传输率)非常相近的特征。然而，凭借代码的原始定义和当时的技术，不可能实现足够的复杂度。近来，由于集成电路的演进和结构化矩阵的发明，这些编码再次引起极大的关注。在现有技术中，存在多种用于实现对错误的编码和解码的方法。某些方法是在专利US 7，343，548B2和US 7，203，897B2中公布的方法，两者的标题都为“Method and Apparatus for Encoding and Decoding Data”，上述每个专利都概述了当面临数据传输中的错误时用于改进保护的方法。本发明还可以涉及IEEE802. 16e和802. Iln标准，这些标准介绍了用于减少错误的编码和解码。在任何一种情况下，所提到的专利和标准均使用在现有技术中已知的双对角线结构，而本文件中介绍的结构是新型的并且允许具有在不增加复杂程度的情况下(因此以较低的成本)防止嘈杂介质上进行的数据通信中之错误的更好特征的实现方式。在现有技术中已知，在奇偶校验矩阵中如果列具有的汉明权重(Hamming weight)等于或小于2，则会约束LDPC的特征。然而，出于编码器的实现方式的复杂度的原因，在现有技术中使用了具有双对角线部分Hbl的矩阵。本文件中介绍的新型结构向二元模型矩阵的Hbl部分添加第三对角线，允许奇偶校验矩阵中具有小于或等于2的汉明权重的列的总数更少，从而可以实现更好的特征。该第三对角线通过以下方式选择，该方式使得编码器的实现方式的复杂度的增加几乎可以忽略不计。之前提到的文献不与本发明的新颖性或创造性优势相冲突。虽然它们全都基于使用现有技术中已知的LDPC技术，但是本文件的方法和设备使用了一类准循环码(准循环低密度奇偶校验码或QC-LDPC)，并且应用了具有不同结构的奇偶校验矩阵作为本发明的中心
点ο贯穿本文件，将采用明确的命名法来区分贯穿本发明描述中所使用的元素。粗体大写字母(例如，A)指示该元素为矩阵；粗体小写字母(例如，a)指示该元素为向量，而小写非粗体字母(例如，a)指示该元素为标量值。另一方面，包括大小为MXN的矩阵的标量元素以a(i，j)的形式来指示，其中元组(i，j)是所述元素在矩阵内的位置，其中0彡i彡M-I 为行号并且0彡j彡N-I为列号。包括大小为M的向量的元素以a(i)的形式标注，其中 (i)为元素在向量中的位置(0彡i彡M-1)。此外，贯穿本发明将会使用术语“循环旋转”，该术语将在下文中进行定义。对向量 a= [a(0),a(l),…，a(M_2)，a(M_l)]的循环旋转ζ包括向右循环地旋转其元素，从而得到向量[a ((Μ-ζ) %Μ)，…，a((M-Z-l)%M)]作为结果，其中％为“取模”运算符。以同样的方式，应用在矩阵A= [a(0), -,a(N-l)]上的循环旋转ζ对其列进行运算，从而得到矩阵[a((N-Z)%N)，"*，a((N-Z-l)%N)]作为结果。循环旋转还能够以相反的方向(向左) 定义，从而使得向右的循环旋转ζ等价于分别针对向量和矩阵的向左循环旋转M-z和N-z。
发明内容
为了实现以上章节中的目标并且避免以上章节中指出的缺点，本发明包括用于在嘈杂介质上进行数据通信的方法和设备。具体地，本发明介绍了用于对传输中使用的数据进行编码的方法、其关联的编码设备、用于进行解码的方法及其关联的解码设备。该组发明构成了独特的发明构思，该发明构思将在下文中进行描述。如果在传输中使用了上述方法或设备，则在接收中也必须使用等效的方法或设备，并且反之亦然，以使得所发送的数据可以被恢复。用于对数据进行编码的方法被用于传输，并且通过以下方式在数据块上生成奇偶校验比特以该方式，从包括错误防护的K比特的字中生成N比特的编码字(N>K)。所述过程包括多个步骤。首先选定因子b，该因子b是1与k之间的自然数，使得N和K除以因子b之商将是自然数(n = N/b ；k = K/b)。下面将大小为(n-k) Xn的二元模型矩阵H。= [HjHb]定义为对应于数据比特的位置的子矩阵Ha与对应于奇偶校验比特的子矩阵Hb的组合，其中所述第二子矩阵Hb= DibcJHb1]包括n-k个位置的列向量1^和具有三对角线结构的矩阵^，即，其中两个中心对角线的元素‘⑴仏！^力+^”彡土彡!!-!^以及最后一行的对角线的元素hbl (n-k-1,0)等于1，其中n-k是矩阵Hb的行和列的数目，并且其余元素等于0。之后，生成压缩矩阵H1并且根据压缩矩阵H1生成奇偶校验矩阵H。从此处，取一数据块并且在该数据块上使用奇偶校验矩阵H来确定对应于所述块的奇偶校验比特。最后， 与数据块一同传输所述奇偶校验比特。在该方法的一个实现方式中，可以在代码字被传输之前移除其一个或更多个元素，从而在不会严重损害错误防护能力的情况下减少传输中的冗余。该技术被称作“穿刺 (puncturing) ”。在该情况下，传输的字将具有数目比通过初始过程获得的代码字更少的比特。数据编码设备包括用于存储从二元模型矩阵H0 = [Ha I Hb]导出的压缩矩阵H1的装置，该二元模型矩阵H0= [HjHb]为对应于数据比特的位置的子矩阵Ha和对应于奇偶校验比特的子矩阵Hb的组合，其中所述第二子矩阵Hb= DibcJHb1]包括n-k个位置的列向量V1和具有三对角线结构的矩阵Hbl，即，其中两个中心对角线的元素hbl(i，i)，hbl(i+l， i)0彡i彡n-k-2以及最后一行的对角线的元素hbl (n-k-1,0)等于1，其中n-k是矩阵Hb的行和列的数目，并且其余元素等于0 ；以及微处理器，该微处理器取数据块，使用压缩矩阵H1 来生成奇偶校验矩阵H，向数据块应用该奇偶校验矩阵H来获得对应于该块的奇偶校验比特，以及在传输该数据块之前向其添加奇偶校验比特。在该设备的一个具体实现方式中，在向数据块添加奇偶校验比特之后但在传输之前通过应用穿刺技术来移除代码字的一个或更多个元素。通过这种方式，传输的字将具有数目比原始生成的代码字更少的比特。在另一方面，数据解码方法在接收时操作并且估计哪个是接收自从信道接收的信号向量的数据块。从接收的N比特的代码字(其由于信道噪声而可能具有错误)中，获得发射器希望发送的K比特数据字。这首先从信道和二元模型矩阵Htl= [HjHb]取得信号向量，该Htl= [HjHb]是对应于数据比特的位置的子矩阵Ha和对应于奇偶校验比特的子矩阵 Hb的组合，其中所述第二子矩阵Hb= [hb0|HbJ包括n-k个位置的列向量hb(1和具有三对角线结构的矩阵Hbl，即，其中两个中心对角线的元素hbl(i，i)，hbl(i+l，i)0彡i彡n-k-2以及最后一行的对角线的元素hbl (n-k-1,0)等于1，其中n-k是矩阵Hb的行和列的数目，并且其余元素等于0。之后，生成压缩矩阵H1并且从中生成奇偶校验矩阵H，并且最终根据所接收的向量信号和奇偶校验矩阵H来估计该数据块。如果在传输中使用了穿刺技术，则在接收时必须恢复丢失的数据。在该情况下，在根据接收的信号向量和奇偶校验矩阵对数据块进行估计之前在传输中通过穿刺技术而被移除的位置上插入指标值。数据解码设备包括用于存储从二元模型矩阵Htl = [Ha I Hb]导出的压缩矩阵H1的装置，该二元模型矩阵Htl= [HjHb]是对应于数据比特的位置的子矩阵Ha和对应于奇偶校验比特的子矩阵Hb的组合，其中所述第二子矩阵Hb= [hb0|HbJ包括n-k个位置的列向量hb(l 和三对角线结构^，即，其中两个中心对角线的元素‘⑴仏！^力+^”彡！彡!!-!^以及最后一行的对角线的元素hbl (n-k-1,0)等于1，其中n-k是矩阵Hb的行和列的数目，并且其余元素等于0 ；微处理器，该微处理器根据压缩矩阵H1生成奇偶校验矩阵H，向接收的信号向量应用所述奇偶校验矩阵H，并估计所接收的数据块。如果传输设备使用了穿刺技术，则在完成纠错之前必须恢复丢失的数据。因此，在该实现方式中并且在向接收的信号向量应用奇偶校验矩阵H之前，在传输中通过穿刺技术而被移除的位置上插入指标值。在一个实现方式中，可以使用以下压缩矩阵&中的一个来获得具有1/2编码率的 336比特代码字。该矩阵为
权利要求
1.在嘈杂介质上通信数据的方法，该方法应用于在传输中对数据进行编码并且该方法在数据块上生成奇偶校验比特从而使得从K个比特的字生成N个比特的代码字；该方法的特征在于其包含以下步骤 选择1彡bK的自然数作为因子b，从而使得n = N/b和k = K/b为自然值； 将大小为(n_k) Xn的二元模型矩阵Htl = [HjHb]定义为对应于数据比特的位置的子矩阵Ha与对应于奇偶校验比特的子矩阵Hb的组合，其中所述第二子矩阵Hb = [hb0|Hbl]包括n-k个位置的列向量hb(l和三对角线结构Hbl，即，其中两个中心对角线的元素hbl (i，i)， hbl(i+l，i)0彡i彡n-k-2以及最后一行的对角线的元素hbl(n-k-l，0)等于1，其中n_k是矩阵Hb的行和列的数目，并且其余元素等于0 ； 根据所述二元模型矩阵生成压缩矩阵H1 ； 根据所述压缩矩阵Ii1生成奇偶校验矩阵H ； 取一数据块； 向所述数据块应用所述奇偶校验矩阵H，以确定对应于所述块的奇偶校验比特；以及 将所述奇偶校验比特与数据块一同传输。
2.根据权利要求1所述的在嘈杂介质上通信数据的方法，其特征在于，在所述代码字被传输之前移除其一个或更多个元素，即，应用穿刺技术，从而使得传输的字将具有比获得的代码字数目更少的比特。
3.用于在嘈杂介质上通信数据的设备，该设备应用于在传输中对数据进行编码，该设备的特征在于其包括 用于存储从二元模型矩阵Htl = [HjHb]导出的压缩矩阵H1的装置，该二元模型矩阵 H0= [HjHb]形成为对应于数据比特的位置的子矩阵Ha和对应于奇偶校验比特的子矩阵Hb 的组合，其中所述第二子矩阵Hb= [hb0|Hbl]包括n-k个位置的列向量hb(l和三对角线结构 Hbl，即，其中两个中心对角线的元素hbl(i，i)，hbl(i+l，i)0i ( i ( n-k-2以及最后一行的对角线的元素hbl (n-k-1,0)等于1，其中n-k是矩阵Hb的行和列的数目，并且其余元素等于 0 ； 以及微处理器，该微处理器取数据块，使用压缩矩阵来生成奇偶校验矩阵H，向所述数据块应用该奇偶校验矩阵H以便获得对应于所述块的奇偶校验比特，以及在传输所述数据块之前向其添加所述奇偶校验比特。
4.根据权利要求3所述的用于在嘈杂介质上通信数据的设备，其特征在于，在向所述数据块添加所述奇偶校验比特之后，在传输代码字之前移除所述代码字的一个或更多个元素，即，应用穿刺技术从而使得传输的字将具有比获得的代码字数目更少的比特。
5.用于在嘈杂介质上通信数据的过程，其应用于在接收时对数据的解码，并且其使用接收的信号向量来评估数据块，从而使得从一个接收的N个比特的代码字获得K个比特的字；该过程的特征在于其包括以下步骤 取来自信道的信号向量； 计算二元模型矩阵H。= [Hj Hb]，该二元模型矩阵H。= [HjHb]为对应于数据比特的位置的子矩阵Ha和对应于奇偶校验比特的子矩阵Hb的组合，其中所述第二子矩阵Hb = [hb0|Hbl]包括n-k个位置的列向量、和三对角线结构Hbl，其中两个中心对角线的元素 hbl(i，i)，hbl(i+l，i)0彡i ^ n-k-2以及最后一行的对角线的元素hbl(n-k-l，0)等于1，其中n-k是矩阵Hb的行和列的数目，并且其余元素等于0 ； 根据所述二元模型矩阵生成压缩矩阵H1 ； 根据所述压缩矩阵H1生成奇偶校验矩阵H ；以及 根据所接收的信号向量和所述奇偶校验矩阵H来评估所述数据块。
6.根据权利要求5所述的在嘈杂介质上通信数据的方法，其特征在于，在根据所接收的信号向量和所述奇偶校验矩阵对数据块执行估计之前在传输中通过所述穿刺技术而被移除的位置上插入指标值。
7.用于在嘈杂介质上通信数据的设备，其应用于在接收时对数据进行解码；该设备的特征在于其包括 用于存储从二元模型矩阵Htl = [HjHb]导出的压缩矩阵H1的装置，该二元模型矩阵 H0= [HjHb]形成为对应于数据比特的位置的子矩阵Ha和对应于奇偶校验比特的子矩阵Hb 的组合，其中所述第二子矩阵Hb= [hb0|Hbl]包括n-k个位置的列向量hb(l和具有三对角线结构的矩阵Hbl，即，其中两个中心对角线的元素hbl(i，i)，hbl(i+l，i)0彡i彡n-k-2以及最后一行的对角线的元素hbl (n-k-1,0)等于1，其中n-k是矩阵Hb的行和列的数目，并且其余元素等于0。
8.根据权利要求7所述的用于在嘈杂介质上通信数据的设备，其特征在于，在向接收的信号向量应用奇偶校验矩阵H之前，在传输中通过穿刺技术而被移除的位置上插入指标值。
9.根据权利要求1、3、5或者7所述的用于在嘈杂介质上通信数据的方法和设备，其特征在于其利用以下压缩矩阵H1来获得具有1/2编码率的336比特代码字13 -1 7-1-1 1-1 1 -1 -1 -1 -1 -1 O -1 -1 -1 -1 -ι -ι -ι -ι -ι "I 5 -1 -1 -1 11 -1 -1 -1 4 -1 4 6 -1 0 0 -1 -1 -1-1 -1 -1 -1 -1-1 13 -1 -1 -1 -1 11 -1 10 -1 9 13 -1 -1 0 0 -1 -1 -1 -1_1 _1-1 -1. 13 -1 -1 6 -1 10 -1 5-1-1 4 -1 -1 〇 0 -1 _1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 ~1 8 8 2 11 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 0 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 3 -1 -1 -1 -1 -1-11-14 1 -1 -1 -1 -1-10 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 4 2 -1 2 9 -1 -1 -1 -1 -1_1 -I _1 -1 -1 O 0 -1 -1 -1 -I2 -1 13 -1 4 9 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 _1 _1 _1 -1-10 0 -1 -1 -1 -1 11 -1 -1 -1 -1 -1 -1 6 4 11 12 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 0 0 -1 -1 -1 -1-110 -1 1 -1 -1 1 -1 13 13 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1-1 O 0 -1 -1 -1 0 -1 -1 0 2 2 -1 -1 -1 -1 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 0 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 2 11 2 4 12 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 〇
10.根据权利要求1、3、5或者7所述的用于在嘈杂介质上通信数据的方法和设备，其特征在于使用以下压缩矩阵H1来获得具有1/2编码率的1920比特代码字-152-164-1-160-1-1-1-11-10-I-1-1-1-1-1"1-1_10-1-1-1-17 9-1-17 9-17851-1O0_1-1-1-1-1-1-1-9-1-1-1-1"I7529728—11一1〇〇_1_1一1_1一1_1一-1521563-1-165-1-1-1-1一 140-1-100-1—1一 1_1一1--124-1-147139-1-1-1-1-1-1-1~1 00-I-1-1-1-52-1-1-1-1-1-1-1537948-1-1-1-1-1-100-1-1-1--1O-1-172-16757-1-1-1-1-1_1-1_1_1-10 -1-1--17-1-1-1250-1-1-1_115-1-l·-1-1-1O0-1-15-119-1-1-1-1-1755143-1-1-1-1-1-1-1-1-10〇-72-1-1-138-1-1-169-162-1-1-1_1~1-1_1-1-1-100-119-141-1141-1_1-10-1_1-1_1-I-1_1-1-10 041一117-1-1-1-1-115-130 -1406-1一 1-I—1一1一1_1_1 0
11.根据权利要求1、3、5或者7所述的用于在嘈杂介质上通信数据的方法和设备，其特征在于使用以下压缩矩阵Hl来获得具有1/2编码率的8640比特代码字
12.根据权利要求1、3、5或者7所述的用于在嘈杂介质上通信数据的方法和设备，其特征在于使用以下压缩矩阵Hl来获得具有2/3编码率的1440比特代码字
13.根据权利要求1、3、5或者7所述的用于在嘈杂介质上通力征在于使用以下压缩矩阵Hl来获得具有2/3编码率的6480比特代码字
14.根据权利要求1、3、5或者7所述的用于在嘈杂介质上通信難征在于使用以下压缩矩阵H1来获得具有5/6编码率的1152比特代码字
15.根据权利要求1、3、5或者7所述的用于在嘈杂介质上通信数据的方法和设备，其特征在于使用以下压缩矩阵H来获得具有5/6编码率的5184比特代码字
16.根据权利要求2或4所述的用于在嘈杂介质上通信数据的方法和设备于，以1152比特代码字和5/6的编码率开始，使用以下穿刺模式
17.根据权利要求2或4所述的用于在嘈杂介质上通信数据的方法和设备，其特征在 干，以5184比特代码字和5/6的编码率开始，使用以下穿刺模式
18.根据权利要求2或4所述的用于在嘈杂介质上通信数据的方法和设备，其特征在 干，以1152比特代码字和5/6的编码率开始，使用以下穿刺模式
19.根据权利要求2或4所述的用于在嘈杂介质上通信数据的方法和设备，其特征在 干，以5184比特代码字和5/6的编码率开始，使用以下穿刺模式
20.根据权利要求1、3、5或者7所述的用于在嘈杂介质上通信数据的方法和设备，其特 征在于使用以下压缩矩阵Hl来获得具有1/2编码率的336比特代码字-1 -1 -16-1-196 -1 -1 2-1-1 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1-1 "I -1-1 O -1 -1 -1 3 -1 12 1-1-1 3-1 O O -1 -1 -1 -1 -1 -1-1 "I "I-1 9 11 -1 -1 13 -1 -1 2 12 -1 -1 -1 -1 0 O -1 -1 -1 -1 -1-1 -1 -11 -1 -1 11 -1 -1 7 _1 -1 -1 11 -1 _1 -1-10 0 -1 -1 -1 -1"I "I ~1-1 -1 -1 4 8 -1 -1 -1 -1 -1 2 5 4 -1 -1 -1 0 0 -1 -1 -1-1 -1 -1-13 0-1-18 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1-100 -1 -1-1 -1 -1-1 -1 0 6 -1 -1 -1 -1 5 13 -1 _1 -1 -1 -1 -1 _1 〇 O -1-1 -1 -1-1 _1 -1 9 -1 -1 -1 3-1-1 3 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1-10 0-1 -1 -19 0 13 -1 -1 12 -1 -1 8 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1-100 -1 -1 -15-1-114 -1 -1 5 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1-100 -1 -1 -1 -1 8 -1 -:L 8 -1 -1 9 0 -1 0 -1 -1 _1 -1 -1 -1 "I -1-10 010 11 -1 -1 -1 3 _1 -1 0 -1 -1-14 8 -1 -1 -1 -1 -1 -1 "I"I -1 0
21.根据权利要求1、3、5或者7所述的用于在嘈杂介质上通信数据的方法和设备，其特 征在于使用以下压缩矩阵も来获得具有1/2编码率的1920比特代码字27 -1 一 1 -1 55 19 一 1 30 一 1 -1 -1 -1 -1 〇-1 "I "I "I -1 "I 一 1"I 一 1 "I-1 -1 0 -1 1 -1 70 -1 47 -1 62 -1 -1 0 0 _1 _1 -1 _1 "1_1 -1 "1-1 -1 41 -1 -1 -1 44 -1 -1 59 60 25 -1 -1 O O -1 -1 -1 -1 -1-1 _1 -116 77 一 1 -1 一 1 5 -1 48 -1 -1 —1 -1 -1 -1-10 0 一1 一1 一1 一1一1 一1 一1-1 -1 -1 45 -1 27 -1 46 19 -1 -I _1 -1 _1 -1 -1 0 O -1 -1 -1_1 -1 -1_1 -1 63 -1 -1 -1 55 -1 -1 -1 48 26 10 _1 -1 -1 _1 〇 0 -1 -1_1-1 -1 -1 42 -1 21 -1 58 -1 41 -1 -I -1 -1 -1 -1 -1-10 0 -I-1 -1 _1-1 -1 -1 78 0 —1 フ 52 — 1 —1 -1 一 1 -1 -1 一 1 "I "1-10 0一 1 一 1 一 1-1 29 9 -1 -1 -1 37 ~1 -1 -1 35 21 _1 -1 _1 -I _1 0 -1-1 -1 22 72 -1 -1 47 -1 -1 -1 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -10 0 -1 35 -1 -1 -1 -1 13 -1 35 -1 70 -1 -1 0 …1 -1 -1 -1 _1 -1 -1 -1-10 0-1 46 28 -1 -1 -1 38 -1 -1 -1 8 -1 10 58 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1-1 _1 0
22.根据权利要求1、3、5或者7所述的用于在嘈杂介质上通信数据的方法和设备，其特征在于使用以下压缩矩阵H1来获得具有1/2编码率的8640比特代码字
全文摘要
一种用于经由嘈杂介质进行数据通信的方法和设备，以便改进在经由嘈杂信道或传输介质传输信息的过程中的错误防护。该方法和改进的设备涉及在数据的编码和解码中使用针对低密度奇偶校验码技术的奇偶校验矩阵的新型结构，该结构改进了对错误的纠正而没有增加硬件实现方式的复杂度。
文档编号H03M13/11GK102301603SQ201080005735
公开日2011年12月28日 申请日期2010年2月5日 优先权日2009年2月6日
发明者A·巴德内斯科雷拉, J·V·布拉斯科克拉雷特, S·埃朗佐莫利内罗 申请人:马维尔西班牙有限责任公司