一种截断卷积编码优化构造方法与流程

本发明涉及通信信道编码技术，特别涉及一种截断卷积编码优化构造方法。

背景技术：

面向未来5g及6g移动通信泛在连接的愿景与需求，宏蜂窝、微蜂窝以及设备对设备(d2d)连接、蓝牙等不同层次的网络元素将实现深度融合，共同构成一个多层次、超密集、重叠覆盖的异构网络系统。在上述异构网络中，大量具有脉冲特性的信道间干扰将伴随通信过程频繁产生。例如，未按计划部署、随遇接入的毫微微蜂窝将导致宏蜂窝和其他毫微微蜂窝网络中产生非高斯脉冲噪声；认知无线电在网络动态频谱共享过程中，由于误判导致频谱接入碰撞时会产生信道间干扰，这种碰撞干扰具有显著的脉冲特性。国内外研究表明，未来异构移动蜂窝网络中的噪声干扰不再遵循理想的高斯噪声假设，而应被建模为热噪声与脉冲噪声的叠加。脉冲噪声干扰将严重影响通信链路的高效可靠信息传输，制约异构移动蜂窝网络的整体性能。

高性能中低码率信道编码技术可有效缓解脉冲噪声的恶劣影响，提高传输可靠性。5g标准中采用的低密度奇偶校验码(ldpc，low-densityparity-checkcodes)纠错能力难以应对脉冲信道上大量的突发错误及比特删除错误，且存在低码率ldpc码优化设计难的问题。ldpc扩展码将校验节点中的单奇偶校验约束替换为具有更强纠错能力的线性分组码约束，具有易于构造低码率码字的优势。然而，规则ldpc扩展码仅在列重为2时可构造有限长实用码字，导致优化设计空间十分受限。近年来，截断卷积编码由于可达信道容量极限而引起广泛关注。截断卷积编码通过将多个分组码耦合起来、引入记忆，形成了具有卷积特性的码字结构，可极大提高相应分组码的译码性能。

技术实现要素：

根据本发明实施例，提供了一种截断卷积编码优化构造方法，包含如下步骤：

构造截断卷积ldpc扩展码码集的原模图和基矩阵；

通过迭代计算，获得截断卷积ldpc扩展码码集的译码门限；

通过迭代搜索，优化并降低截断卷积ldpc扩展码码集的译码时延；

构造截断卷积ldpc扩展码的校验矩阵。

进一步，构造截断卷积ldpc扩展码码集的原模图和基矩阵包含如下子步骤：

对截断卷积ldpc扩展码码集分组，获得(j,k,m)分组ldpc扩展码，其中，j表示列重，k表示行重，m表示ldpc扩展码的校验序列长度；

对(j,k,m)分组ldpc扩展码的原模图进行复制和边展开，获得截断卷积ldpc扩展码码集的原模图；

对(j,k,m)分组ldpc扩展码的基矩阵进行拆分和矩阵对角重排，获得截断卷积ldpc扩展码码集的基矩阵。

进一步，设定在构造(j,k,m)分组ldpc扩展码的原模图中，有nj个度数为j的变量节点和nk个度数为k的扩展校验节点，(j,k,m)分组ldpc扩展码的基矩阵b的维度为nj×nk，每个扩展校验节点满足扩展码中m个奇偶校验约束。

进一步，对(j,k,m)分组ldpc扩展码的原模图进行复制和边展开包含如下子步骤：

将(j,k,m)分组ldpc扩展码的原模图复制l次；

在(j,k,m)分组ldpc扩展码中添加ω个位置空间；

将当前分组ldpc码的变量节点，与后面ω个位置空间上的扩展校验节点耦合相连，获得耦合链，其中，l表示耦合长度，ω表示记忆长度；

获得(j,k,m,l,ω)截断卷积ldpc扩展码的原模图。

进一步，在新添加的ω个位置空间中，每个位置空间包含nk个扩展校验节点，不包含变量节点。

进一步，对(j,k,m)分组ldpc扩展码的基矩阵进行拆分和矩阵对角重排包含如下子步骤：

将(j,k,m)分组ldpc扩展码的基矩阵拆分为ω+1个子矩阵b0,b1,…,bω，子矩阵的维度与(j,k,m)分组ldpc扩展码的基矩阵相同，且满足约束

将ω+1个子矩阵按(j,k,m)分组ldpc扩展码的原模图中节点的连接关系排成斜对角阵的形式，获得(j,k,m,l,ω)截断卷积ldpc扩展码的基矩阵

进一步，获得截断卷积ldpc扩展码码集的译码门限包含如下子步骤：

设定当前所述截断卷积ldpc扩展码码集的变量节点和扩展校验节点数分别为nl和ml，设定每个变量节点为vi，设定每个扩展校验节点为cj，其中，i＝0,1,…,nl-1，j＝0,1,…,ml-1；

令ψ(i)表示与变量节点vi相连的扩展校验节点cj的集合，表示第l次迭代计算中变量节点传给扩展校验节点的互信息，若扩展校验节点cj∈ψ(i)，则变量节点vi到扩展校验节点cj的初始化外信息可以表示为其中，ich为通信信道互信息；

令表示与扩展校验节点cj相连的变量节点vi的集合，表示第l次迭代中扩展校验节点cj传给变量节点vi的互信息，则按如下公式更新：

其中，∏和∏^-1表示随机位移交织和逆交织，ψ(·)表示多维输入输出信息转移函数，dj表示扩展校验节点cj的度数；

对每个变量节点vi，第l次迭代中输出外信息按如下公式更新：

其中，s表示通信信道的有限状态空间数，πs表示通信信道有限状态马尔科夫链的平稳分布，a表示脉冲指数，г表示高斯噪声与脉冲噪声的平均功率比，σg表示总噪声方差。j(·)和j^-1(·)表示重复码输入输出信息转移函数和逆函数；

对每个变量节点vi，根据如下公式计算第l次迭代中用于软判决的译码信息

当所有变量节点vi满足则终止迭代，获得当前通信信道参数下的译码门限。

进一步，优化并降低截断卷积ldpc扩展码码集的译码时延包含如下子步骤：

设初始记忆长度ω0为1；

开始迭代搜索，在第k次迭代搜索中，在当前耦合宽度ωk下，选定一组边展开样式作为初始输入，搜索通信信道参数最接近信道容量极限的为当前约束宽度下的最优边展开样式；

若当前边展开样式对应的香农限可达率大于98％，则终止搜索，获得最小耦合宽度和列重的关系为ωmin＝j-1；否则，令ωk+1＝ωk+1，并返回上述步骤继续迭代搜索，直至终止搜索。

进一步，构造截断卷积ldpc扩展码的校验矩阵包含如下子步骤：

设定图扩展因子为m，将(j,k,m,l,ω)截断卷积ldpc扩展码的基矩阵中的每个非零元素替换成一个m×m维的置换矩阵，将每个零元素替换成一个全零矩阵，获得维度为m(l+ω)nk×mlnj的截断卷积ldpc码的校验矩阵；

对校验矩阵逐行进行列扩展，每行中的1用校验矩阵中的1列替换，每行中的0用m×1维全零列向量替换。

进一步，对校验矩阵中与位于耦合链两端的扩展校验节点对应的行进行列扩展时采用扩展码的缩短码。

根据本发明实施例的截断卷积编码优化构造方法，构造了一种适用于5g及6g异构蜂窝网络脉冲信道的截断卷积ldpc扩展码，可有效提高数据在脉冲信道上的传输可靠性，并降低传输时延。

要理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述两者都是示例性的，并且意图在于提供要求保护的技术的进一步说明。

附图说明

图1为根据本发明实施例截断卷积编码优化构造方法的方法流程图；

图2为根据本发明实施例截断卷积编码优化构造方法的截断卷积ldpc扩展码的原模图；

图3为根据本发明实施例截断卷积编码优化构造方法的截断卷积ldpc扩展码译码收敛情况示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，详细描述本发明的优选实施例，对本发明做进一步阐述。

首先，将结合图1～3描述根据本发明实施例的截断卷积编码优化构造方法，用于提高5g及6g异构蜂窝网络脉冲信道的截断卷积ldpc扩展码的译码性能，应用场景很广。

如图1所示，本发明实施例的截断卷积编码优化构造方法，具有如下步骤：

具体地，如图1、2所示，在s1中，构造截断卷积ldpc扩展码码集的原模图和基矩阵；

进一步，在s11中，对截断卷积ldpc扩展码码集分组，获得(j,k,m)分组ldpc扩展码，其中，j表示列重，k表示行重，m表示ldpc扩展码的校验序列长度；在本实施例中，设定在构造(j,k,m)分组ldpc扩展码的原模图中，有nj个度数为j的变量节点和nk个度数为k的扩展校验节点，(j,k,m)分组ldpc扩展码的基矩阵b的维度为nj×nk，每个扩展校验节点满足扩展码中m个奇偶校验约束。

进一步，在s12中，对(j,k,m)分组ldpc扩展码的原模图进行复制和边展开，获得截断卷积ldpc扩展码码集的原模图；

在s121中，将(j,k,m)分组ldpc扩展码的原模图复制l次；

在s122中，在(j,k,m)分组ldpc扩展码中添加ω个位置空间；在本实施例中，在新添加的ω个位置空间中，每个位置空间包含nk个扩展校验节点，不包含变量节点。

在s123中，将当前分组ldpc码的变量节点与后面ω个位置空间上的扩展校验节点耦合相连，获得耦合链，其中，l表示耦合长度，ω表示记忆长度；

在s124中，如图2所示，获得(j,k,m,l,ω)截断卷积ldpc扩展码的原模图。设定nl表示截断卷积ldpc扩展码原模图上变量节点的个数，则有nl＝lnj；设ml表示截断卷积ldpc扩展码原模图上扩展校验节点的个数，则有ml＝(l+ω)nk。

进一步，在s13中，对(j,k,m)分组ldpc扩展码的基矩阵进行拆分和矩阵对角重排，获得截断卷积ldpc扩展码码集的基矩阵。

在s131中，将(j,k,m)分组ldpc扩展码的基矩阵拆分为ω+1个子矩阵b0,b1,…,bω，子矩阵的维度与(j,k,m)分组ldpc扩展码的基矩阵相同，且满足约束

在s132中，将ω+1个子矩阵按(j,k,m)分组ldpc扩展码的原模图中节点的连接关系排成斜对角阵的形式，获得(j,k,m,l,ω)截断卷积ldpc扩展码的基矩阵

具体地，如图1所示，在s2中，通过迭代计算，获得截断卷积ldpc扩展码码集的译码门限；

在s21中，设定每个变量节点为vi，设定每个扩展校验节点为cj，其中，i＝0,1,…,nl-1，j＝0,1,…,ml-1；

在s22中，令ψ(i)表示与变量节点vi相连的扩展校验节点cj的集合，表示第l次迭代计算中变量节点传给扩展校验节点的互信息，若扩展校验节点cj∈ψ(i)，则变量节点vi到扩展校验节点cj的初始化外信息可以表示为其中，ich为通信信道互信息；

在s23中，令表示与扩展校验节点cj相连的变量节点vi的集合，表示第l次迭代中扩展校验节点cj传给变量节点vi的互信息，则按如下公式更新：

其中，∏和∏^-1表示随机位移交织和逆交织，ψ(·)表示多维输入输出信息转移函数，dj表示扩展校验节点cj的度数；

在s24中，对每个变量节点vi，第l次迭代中输出外信息按如下公式更新：

其中，s表示通信信道的有限状态空间数，πs表示通信信道有限状态马尔科夫链的平稳分布，a表示脉冲指数，г表示高斯噪声与脉冲噪声的平均功率比，σg表示总噪声方差。j(·)和j^-1(·)表示重复码输入输出信息转移函数和逆函数；

在s25中，对每个变量节点vi，根据如下公式计算第l次迭代中用于软判决的译码信息

当所有变量节点vi满足则终止迭代，获得当前通信信道参数下的译码门限。

具体地，如图1所示，在s3中，通过迭代搜索，优化并降低截断卷积ldpc扩展码码集的译码时延；

在s31中，设初始记忆长度ω0为1；

在s32中，开始迭代搜索，在第k次迭代搜索中，在当前耦合宽度ωk下，选定一组边展开样式作为初始输入，搜索通信信道参数最接近信道容量极限的为当前约束宽度下的最优边展开样式；

在s33中，若当前边展开样式对应的香农限可达率大于98％，则终止搜索，获得最小耦合宽度和列重的关系为ωmin＝j-1；否则，令ωk+1＝ωk+1，并返回上述步骤继续迭代搜索，直至终止搜索。

具体地，如图1所示，在s4中，构造截断卷积ldpc扩展码的校验矩阵。

在s41中，设定图扩展因子为m，将(j,k,m,l,ω)截断卷积ldpc扩展码的基矩阵中的每个非零元素替换成一个m×m维的置换矩阵，将每个零元素替换成一个全零矩阵，获得维度为m(l+ω)nk×mlnj的截断卷积ldpc码的校验矩阵；

在s42中，对校验矩阵逐行进行列扩展，每行中的1用校验矩阵中的1列替换，每行中的0用m×1维全零列向量替换。在本实施例中，对校验矩阵中与位于耦合链两端的扩展校验节点对应的行进行列扩展时采用扩展码的缩短码。

根据以上实施例的截断卷积编码优化构造方法，以截断卷积lpdc扩展码在class-a脉冲信道下的传输应用示例如下，class-a脉冲信道可用于异构蜂窝网络、车联网等具有脉冲特性的通信信道建模。

构造三组ldpc扩展码，列重分别为2、3、4，行重均为36，扩展码采用由(63,57)bch码缩短得到的(36,30)线性分组码。通过仿真得到三组具有最小记忆长度的截断卷积lpdc扩展码，分别是(2,36,6,l,1)，(3,36,6,l,2)和(4,36,6,l,3)，三组码字的最小约束长度ωmin分别是1，2和3。三个最小约束长度ωmin符合与列重j的约束关系，即ωmin＝j-1。通过仿真发现，在香农限可达率大于98％的情况下，有不止一个边展开样式。以边展开样式b0＝b1＝[11…1]1×36i为例，对三个码集的译码收敛门限进行分析与说明，其中i＝1,2,3。

图3给出了优化设计的三组截断卷积ldpc扩展码在class-a脉冲信道上的译码收敛情况，其中信道参数脉冲指数a＝0.1，高斯噪声与脉冲噪声的平均功率比г＝0.1，与截断卷积ldpc扩展码相对应的分组ldpc扩展码译码门限值也显示在图3中。列重为2的ldpc扩展码译码门限值为0.6661，已经非常逼近信道容量极限，(2,36,6,l,1)截断卷积ldpc扩展码的译码收敛门限为0.6858，与相应的ldpc扩展码相比译码门限值有进一步的提升，提升比例为3％。列重为3的分组ldpc扩展码的译码门限值为0.7447，与列重为2的分组ldpc扩展码相比，译码门限开始远离信道容量极限，意味着性能开始恶化，(3,36,6,l,2)截断卷积ldpc扩展码集译码收敛极限为0.8982，与相应分组ldpc扩展码相比译码性能提升了20.5％，提升力度大于列重为2的情况。列重为4的分组ldpc扩展码的译码门限值为0.7835，与列重为2和列重为3的分组ldpc扩展码相比，性能严重恶化，(4,36,6,l,3)截断卷积ldpc扩展码集译码收敛极限为1.2094，译码性能与相应分组ldpc扩展码相比提升了54.4％，提升力度远大于列重为2和列重为3的情况。

以上，参照图1～3描述了根据本发明实施例的截断卷积编码优化构造方法，构造了一种适用于5g及6g异构蜂窝网络脉冲信道的截断卷积ldpc扩展码，可有效提高数据在脉冲信道上的传输可靠性，并降低传输时延。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包含……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。