一种基于深空通信环境的码率兼容原模图ldpc码构造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于深空通信环境的码率兼容原模图LDPC码构造方法，包括：1)基于ARAPA原模矩阵的行列扩展来得到多个码率兼容的原模图；2)然后，对所得到的一系列原模图采用PEG算法进行4次拓展以移除重边得到无重边的原模图；3)最后再次对上述原模图采用PEG算法进行若干次拓展，即可得到一定码长且具有准循环特性的码率兼容原模图LDPC码。这种基于矩阵扩展方法构造的码率兼容LDPC码具有较低的译码门限、更低的误码平层，与基于AR4JA原模图构造的码率兼容LDPC码相比，本方法构造的码率兼容LDPC码的性能尽管与之相近，但是其具有更低的译码门限和译码计算复杂度，尤其是在高码率时具有更优越的性能，在BER为10-6时可获得大约0.2dB的性能增益。
【专利说明】一种基于深空通信环境的码率兼容原模图LDPC码构造方 法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及深空通信系统信道编码【技术领域】，特别涉及一种码率兼容原模图LDPC 码的构造方法。
【背景技术】
[0002] 深空通信环境具有传输距离远、时延大、信噪比低、误码率高、链路速率不对称以 及发送功率受限等特点。因此，构造适合深空通信环境、高性能、低复杂度的信道编码成 为保证深空通信系统可靠性和有效性的一项关键技术。低密度奇偶校验（Low-Density Parity-Check，LDPC)码具有并行的译码结构，更适于高速硬件实现，错误平层更低，被认为 是迄今为止纠错性能最好的码。2003年，美国宇航局（NASA)的空气动力实验室（JPL)首 次提出了原模图（protograph)LDPC码，弥补了传统LDPC码编码复杂度较高的不足，其设计 的AR4JA码于2006年由太空数据系统咨询委员会（Consultative Committee for Space Date Systems，CCSDS)推荐给NASA作为深空通信的标准码型。
[0003] 近年来，研究人员发现在深空通信系统所处的时变环境条件下，引入码率兼容的 原模图LDPC编码技术能够自适应的根据信道环境做出相应调整。采用码率兼容的原模图 LDPC码，可以在保证服务质量的前提下，根据信道环境通过调整码率来实时地调整其纠错 能力，从而实现信道的吞吐率最大化，提高了数据的传输效率。从实现复杂度的角度考虑， 码率兼容原模图LDPC码是由一个嵌套结构组成，它能够在一定码率范围内采用单个编码 器/译码器工作，从而大大降低了系统的复杂度。
[0004] 目前，基于原模图设计码率兼容LDPC码常用的方法主要有：（1)打孔（puncture)， 即对低码率的原模图LDPC码连续打孔得到一系列高码率的子码。El-Khamy等人在"Design of rate-compatible structured LDPC codes for hybrid ARQ applications，TSelected Areas in Communications, IEEE Journal on, 2009, 27 (6) :965_973】文章中针对一种基于 原模图的渐近节点打孔算法（progressive node puncturing algorithm)构造的码率兼容 LDPC码展开研究。这种方法虽然简单，然而存在着打孔后所得高码率子码译码性能下降十 分严重这一缺陷。（2)基于原模矩阵扩展（extension)的方法，即对高码率原模图LDPC码 的原模矩阵逐次行列拓展得到一系列低码率的子码。针对原模图打孔过程中高码率子码的 译码性能严重恶化，Nguyen 等人在 "The design of rate-compatible protograph LDPC codes"【Communications, IEEE Transactions on, 2012, 60 (10) :2841-2850】文章中提出了 一种基于AR4JA原模图的扩展构造码率兼容原模图LDPC码的方法。这种方法虽然能够避 免打孔过程中子码译码性能恶化这一弊端，但是，鉴于深空通信的特点，其采用的码率兼容 原模图LDPC码需具备更优越的性能、更低的译码门限和译码计算复杂度。因此，构造一种 适用深空通信环境、高性能、低复杂度的码率兼容原模图LDPC码成为了近年来人们研究码 率兼容LDPC码应用的热点问题之一。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中，目前，针对原模图的打孔技术构造码率兼容LDPC码，存在着打 孔后所得高码率子码的译码性能严重下降这一缺陷，针对这一缺陷所提出的基于原模矩阵 扩展的方法设计码率兼容LDPC码，往往需要基于性能优越的原模图进行拓展，然而目前传 统方法主要是基于AR4JA原模图的扩展构造码率兼容LDPC码，其存在着性能的次优性、较 高的译码复杂度等缺点，因此亟待选取比AR4JA原模图性能更好、译码门限和译码计算复 杂度更低的原模图来构造码率兼容原模图LDPC码以适应深空通信的需求的不足，本发明 的目的在于提供一种能够克服打孔后高码率码字译码性能的严重下降、更低的译码门限和 译码计算复杂度的基于深空通信环境的码率兼容原模图LDPC码构造方法，本发明的技术 方案如下：一种基于深空通信环境的码率兼容原模图LDPC码构造方法，其包括以下步骤：
[0006] 101、构造一种相比AR4JA原模图的平均节点度数更低的累加-重复-累加-部分 累加（ARAPA)原模图，并对得到累加-重复-累加-部分累加（ARAPA)原模图进行矩阵扩 展，即对所选择的ARAPA原模图的母码原模矩阵逐次增加一行校验节点及一列变量节点， 得到若干个原模图；
[0007] 102、然后对步骤101所得到的若干个原模图采用渐近边增长（PEG)算法进行4次 拓展，经过复制-置换后得到无重边的原模图；
[0008] 103、再次对步骤102得到的无重边的原模图采用渐近边增长（PEG)算法进行若干 次拓展，即可构造得到码率兼容ARAPA原模图LDPC码。
[0009] 进一步的，步骤103中所选取的ARAPA码是一种基于累加-重复-累加（ARA)码 改进得到的原模图LDPC码。
[0010] 进一步的，当基于4/5码率的ARAPA原模图进行6次矩阵扩展，分两次共进行128 次拓展后,则步骤 103 中的母码 LDPC0、子码 LDPC1、LDPC2、LDPC3、LDPC4、LDPC5、LDPC6 的 信息位长度均为1024,码率分别为4/5、8/11、2/3、8/13、4/7、8/15、1/2。
[0011] 进一步的，步骤101中相应原模图所对应的Tanner图中，新增的变量节点仅与新 增的校验节点相连，在相应的原模矩阵中每次新增一列时仅在新增的一行处有非零元素， 确定新增的每一行里面非零元素的分布时，迭代译码门限值的计算采用PEXIT算法。
[0012] 进一步的，步骤101中所述的ARAPA原模图相应的基础矩阵B如下：
[0013]
【权利要求】
1. 一种基于深空通信环境的码率兼容原模图LDPC码构造方法，其特征在于包括以下 步骤： 101、 构造一种相比AR4JA原模图的平均节点度数更低的累加-重复-累加-部分累加 ARAPA原模图，并对得到的累加-重复-累加-部分累加 ARAPA原模图进行矩阵扩展，即对 所选择的ARAPA原模图的母码原模矩阵逐次增加一行校验节点及一列变量节点，得到若干 个原模图； 102、 然后对步骤101所得到的若干个原模图采用渐近边增长PEG算法进行4次拓展， 经过复制-置换后得到无重边的原模图； 103、 再次对步骤102得到的无重边的原模图采用渐近边增长PEG算法进行若干次拓 展，即可得到具有准循环结构的码率兼容ARAPA原模图LDPC码。
2. 根据权利要求1所述的基于深空通信环境的码率兼容原模图LDPC码构造方法，其特 征在于：步骤103中所选取的ARAPA码是一种基于累加-重复-累加 ARA码改进得到的原 模图LDPC码。
3. 根据权利要求1所述的基于深空通信环境的码率兼容原模图LDPC码构造方法，其特 征在于：当基于4/5码率的ARAPA原模图进行6次矩阵扩展，分两次共进行128次拓展后， 则步骤103中的母码LDPC0、子码LDPC1、LDPC2、LDPC3、LDPC4、LDPC5、LDPC6的信息位长度 均为 1024,码率分别为 4/5、8/11、2/3、8/13、4/7、8/15、1/2。
4. 根据权利要求1所述的基于深空通信环境的码率兼容原模图LDPC码构造方法，其特 征在于：步骤101中相应原模图所对应的Tanner图中，新增的变量节点仅与新增的校验节 点相连，在相应的原模矩阵中每次新增一列时仅在新增的一行处有非零元素，确定新增的 每一行里面非零元素的分布时，迭代译码门限值的计算采用PEXIT算法。
5. 根据权利要求1所述的基于深空通信环境的码率兼容原模图LDPC码构造方法，其特 征在于：步骤101中所述的ARAPA原模图相应的基础矩阵B如下：
6. 根据权利要求1所述的基于深空通信环境的码率兼容原模图LDPC码构造方法，其特 征在于：步骤103中采用渐近边增长PEG算法进行拓展步骤的次数根据CCSDS推荐的深空 通信环境下LDPC码的标准码长来选定。
【文档编号】H03M13/11GK104158550SQ201410425664
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】赵辉, 秦亮, 王汝言, 张鸿, 李勇, 韩建新 申请人:重庆邮电大学