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1、10申请公布号CN104158550A43申请公布日20141119CN104158550A21申请号201410425664222申请日20140826H03M13/1120060171申请人重庆邮电大学地址400065重庆市南岸区黄桷垭崇文路2号72发明人赵辉秦亮王汝言张鸿李勇韩建新74专利代理机构重庆市恒信知识产权代理有限公司50102代理人刘小红54发明名称一种基于深空通信环境的码率兼容原模图LDPC码构造方法57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P。
2、EG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106时可获得大约02DB的性能增益。51INTCL权利要求书1页说明书9页附图3页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书9页附图3页10申。
3、请公布号CN104158550ACN104158550A1/1页21一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。
4、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。
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。
6、的深空通信环境下LDPC码的标准码长来选定。权利要求书CN104158550A1/9页3一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LOWDENSITYPARITYCHECK，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。
7、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PROTOGRAPHLDPC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CONSULTATIVECOMMITTEEFORSPACEDATESYSTEMS，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。
8、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。ELKHAMY等人在“DESIGNOFRATECOMPATIBLESTRUCTUREDLDPCCODESFORHYBRIDARQAPPLICATIONS”【SELECTEDAREASINCOMMUNICATIONS,IEEEJOURNALON,2009,276965。
9、973】文章中针对一种基于原模图的渐近节点打孔算法PROGRESSIVENODEPUNCTURINGALGORITHM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“THEDESIGNOFRATECOMPATIBLEPROTOGRAPHLDPCCODES”【COMMUNICATIONS,IEEETRANSACTIONSON,2012,6010284。
10、12850】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。说明书CN104158550A2/9页4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。
11、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0006101、构造一种相比AR4JA。
12、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；0007102、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；0008103、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。
13、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。
14、B如下00130014进一步的，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。0015本发明的优点及有益效果如下0016本发明提出的基于ARAPA原模图的码率兼容LDPC码构造方法考虑了深空通信环境下信道的时变特性，提出了一种码率兼容原模图LDPC码的构造方法，其纠错能力能够自适应的根据信道环境做出相应调整。采用这种码率兼容原模图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，从而提高信道的吞吐说明书CN104158550A3/9页5率。基于这种比AR4JA原模图性能更好、译码门限更低和。
15、译码计算复杂度更低的ARAPA原模图构造的码率兼容LDPC码，不仅能够克服打孔后高码率码字译码性能的严重下降，而且性能优于传统的基于AR4JA原模图构造的码率兼容LDPC码这些缺点，而且能够很好地适应深空通信的一些关于码率、码长相关规定与需求。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，此外，对ARAPA原模图分两次进行拓展，使得所构造的码率兼容LDPC码的校验矩阵具有准循环特性，从而能够进行高速的译码。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。
16、率时具有更优越的性能，在BER为106时可获得大约02DB的性能增益。附图说明0017图1是本发明中基于ARAPA原模图的码率兼容LDPC码的构造流程图；0018图2为本发明中ARAPA原模图；0019图3为本发明中基于ARAPA原模图矩阵扩展的码率兼容LDPC码的校验矩阵结构图；0020图4为本发明中7种信息位长度K1024的码率兼容ARAPA原模图LDPC码的性能仿真图；0021图5为本发明中3种信息位长度K1024的码率兼容ARAPA原模图LDPC码与码率兼容AR4JA原模图码字性能比较仿真图。具体实施方式0022下面结合附图给出一个非限定的实施例对本发明作进一步的阐述。但是应该理解，这。
17、些描述只是示例的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。0023参照图1图3所示，对于基于ARAPA原模图的码率兼容的LDPC码的构造，本发明选取的是基于ARAPA原模矩阵的行列扩展来得到多个码率兼容的原模图，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，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。0024如图1所示为本发明中基于深空通信环境的码率兼容原模图LDPC码的构造流程图。包括以下步骤0025首先基于ARAPA原模矩。
18、阵的行列扩展得到多个码率兼容的原模图，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，最后，再次对上述原模图采用PEG算法进行若干次拓展，即可得到一种高性能、低复杂度、适用于深空通信环境的一定码长且具有准循环特性的码率兼容原模图LDPC码。0026具体包括以下步骤00271采用高码率、性能较好的ARAPA原模图进行矩阵扩展本步骤选取的ARAPA原模图如图2所示，图2中实心圆表示传入信道的传输码元；空心圆表示打孔码元；包含加号的圆表示校验节点。则ARAPA原模图相应的基础矩阵B如下说明书CN104158550A4/9页600280029由图2可知，传输码元数为N。
19、42M，打孔码元数P1，校验节点数M3，则该码的码率为00300031研究表明，ARAPA原模图LDPC码的编码简单，译码器具有码率兼容特性，迭代译码门限低。另外，它具有线性码距特性，减少了不可检错误，从而误码平层比较低。与AR4JA码相比，ARAPA码与之性能相近，但是由于其节点的平均度数低于AR4JA码，从而使得其译码计算复杂度更低。0032扩展是选取一种高码率及性能良好的码字作为母码，然后通过不断地增加额外的校验比特来获取一系列低码率的子码，而矩阵扩展是最早提出的一种扩展方法。本步骤的扩展过程即对所选择的APAPA原模图的母码原模矩阵逐次增加一行校验节点一列变量节点，以获得一系列低码率的。
20、原模图。一种基于4/5码率的ARAPA原模图矩阵扩展的码率兼容校验矩阵结构如图3所示。00332对所得到的一系列原模图采用PEG算法进行4次拓展本步骤选取的拓展方法根据HUXY等人在“REGULARANDIRREGULARPROGRESSIVEEDGEGROWTHTANNERGRAPHS”【INFORMATIONTHEORY,IEEETRANSACTIONSON,2005,511386398】文章中所提出的修改的PEG算法进行。修改的PEG算法如下0034说明书CN104158550A5/9页70035上述算法中是当深度为L时，扩展图中与变量节点SI,J相邻的校验节点集合。“满足原模图扩展约束。
21、”是指只能在同类节点间置换。0036对所得到的一系列原模图采用PEG算法进行4次拓展的目的是移除重边得到无重边的原模图。根据深空通信对所采用原模图LDPC码的一些相关要求，对上述原模图进行4次复制置换，也即拓展后得到无重边的原模图。00373再次对上述原模图采用PEG算法进行若干次拓展根据CCSDS推荐的深空通信环境下LDPC码的标准码长，选定步骤2中所得无重边的原模图再次拓展的次数。由于深空应用的原模图LDPC码选定的码率是1/2,2/3,4/5，信息位长度有K1024，4096,16384，故对上述原模图的拓展次数可选择32，128，512次。0038下面通过实施例，结合附图进一步说明本发。
22、明，但不以任何方式限制本发明的范围。0039以下详细阐述利用本发明所陈述的构造方法，构造三种适用于深空通信的码率兼容原模图LDPC码，其信息位长度都为K1024，码率分别为4/5、2/3、1/2。00401首先，基于4/5码率的ARAPA原模矩阵展开扩展得到码率兼容的多个码率原模图。4/5码率的ARAPA原模图如图2所示，其原模矩阵B4/5如下所示说明书CN104158550A6/9页800410042在上述原模图基础矩阵中，度数最大的最后一列作为原模图打孔节点。例如，为了得到1/2到4/5码率范围的码率兼容原模图LDPC码，故通过对4/5码率的基础矩阵每次增加一行一列，从而获得一系列码率兼容。
23、原模图LDPC码字，其码率分别为00430044N表示母码基础矩阵新增加的行数与列数的总数。0045对4/5码率的原模基础矩阵经过6次一行一列的扩展，最终可得7种码率的码率兼容原模图LDPC码。基于4/5码率的ARAPA原模图矩阵扩展的码率兼容校验矩阵结构如图3所示，最终得到的一种1/2码率的原模图基础矩阵如下所示00460047上述原模矩阵包含了另外6个高码率的原模基础矩阵。为确保高码率的码字内嵌于低码率的码字之中，每次新增一列时仅在新增的一行处有非零元素，在确定新增的每一行里面非零元素的分布时，可以通过以译码门限值为标准展开搜索，从而得到较好性能的码率兼容的原模图。0048为了方便与NGU。
24、YEN等人在“THEDESIGNOFRATECOMPATIBLEPROTOGRAPHLDPCCODES”【COMMUNICATIONS,IEEETRANSACTIONSON,2012,601028412850】文章中构造的码率兼容原模图LDPC码比较，本文的原模矩阵的行列扩展过程与其相同，即每一次扩展过程中相应行新增的元素分布相同。0049译码门限是衡量一个原模图性能的重要因素，低的译码门限值意味着更低的误码平层和更高的编码增益。因此，表1给出了本文设计的各个码率下的码率兼容原模图LDPC码的迭代译码门限值，迭代译码门限值的计算采用LIVA等人在“PROTOGRAPHLDPCCODESDESI。
25、GNBASEDONEXITANALYSIS”【GLOBALTELECOMMUNICATIONSCONFERENCE,2007GLOBECOM07IEEEIEEE,200732503254】文章中提出的PEXIT算法。0050表1码率兼容ARAPA的迭代译码门限0051说明书CN104158550A7/9页900520053通过表1可以发现，本文设计的这类码率兼容原模图LDPC码的迭代译码门限距信道容量都在05DB以内。0054作为对比，表2给出了NGUYEN等人设计的相应的多个码率下基于AR4JA原模图的码率兼容码的迭代译码门限值。0055表2码率兼容AR4JA的迭代译码门限00560057将。
26、表1与表2的数据对比，说明了本文设计的这类码率兼容码具有更低的译码门限值，从而更加有利于降低错误平层ERRORFLOOR。0058LDPC码所对应的TANNER图中节点的平均度数往往决定了该类LDPC码的译码计算复杂度。为了与码率兼容AR4JA码对比，表3给出了本文设计的7种码率兼容ARAPA原模图和码率兼容AR4JA原模图的变量节点的平均节点度数和校验节点的平均度数。0059表3码率兼容的ARAPA与AR4JA节点平均度数0060说明书CN104158550A8/9页1000610062通过表3中的数据对比可知，码率兼容ARAPA原模图的变量节点与校验节点的平均度数，均小于码率兼容AR4JA。
27、原模图的变量节点与校验节点的平均度数，说明了本文设计的码率兼容ARAPA码的译码计算复杂度低于NGUYEN等人设计的码率兼容AR4JA码的译码计算复杂度。00632然后，基于上述7种码率的ARAPA原模图采用PEG算法展开4次拓展得到无重边的原模图。也即对上述原模图进行4次复制置换操作可得到无重边的原模图。拓展方法根据HUXY等人在“REGULARANDIRREGULARPROGRESSIVEEDGEGROWTHTANNERGRAPHS”【INFORMATIONTHEORY,IEEETRANSACTIONSON,2005,511386398】文章中所提出的修改的PEG算法进行。对所得到的一系列。
28、原模图采用PEG算法进行4次拓展的目的是移除重边得到无重边的原模图。00643最后，再次对上述无重边的原模图采用PEG算法进行32次拓展，即可得到信息位长度K1024且具有准循环特性的码率兼容原模图LDPC码。0065接下来，提供本发明实施例中基于ARAPA原模图构造7种码率兼容LDPC码的性能仿真结果。仿真是在深空通信中加性高斯白噪声AWGN信道下进行的，采用BPSK的方式调制，采用BP算法进行译码，设置最大迭代次等于100。0066图4为深空通信中AWGN信道下，7种信息位长度K1024的码率兼容ARAPA原模图LDPC码的性能仿真结果。从图中可以看出本发明的实施例中，7种基于ARAPA原。
29、模图的码率兼容LDPC码的比特误码率BER性能曲线从右至左，随着码率的降低，性能越来越好，而且各个码率下的原模图LDPC码的BER曲线具有良好的“瀑布”特性，在BER低至106处，未出现错误平层。而且这7种码率中包含1/2，2/3，4/5这3种深空通信选定的码率，K1024的信息长度也符合深空通信关于LDPC码的码长要求。0067为说明本发明的基于ARAPA原模图的码率兼容LDPC码构造方法在深空通信信道下的优点，本发明选取了基于CCSDS推荐的深空应用的AR4JA原模图构造的码率兼容LDPC码和本发明提出的基于ARAPA原模图构造的码率兼容LDPC码进行对比。说明书CN104158550A1。
30、09/9页110068图5为深空通信中AWGN信道下，本发明实施例中信息位长度K1024，码率分别为1/2、2/3、4/5这3种深空通信选定码率的码率兼容码字与码率兼容AR4JA原模图码字性能仿真比较结果。本发明实施例中在同等的码率、码长以及扩展方式的条件下，基于ARAPA原模图构造的4/5和2/3码率的码率兼容LDPC码的性能皆优于传统的基于AR4JA原模图构造的码率兼容LDPC码，仅当码率为1/2时，码率兼容ARAPA码的性能稍差于码率兼容AR4JA码。此外，由于这种码率兼容的APAPA短码在误码率低至106时未出现错误平台，那么这种码率兼容的长码在这一误码率下亦不会出现错误平台。同时，这。
31、一仿真结果也说明了这种码率兼容ARAPA高码率码字，较传统的码率兼容AR4JA码具有较大的优势，与近年来深空通信越来越倾向采用高码率、中长码的LDPC码以满足日益剧增的数据传输这一趋势相契合。0069以上对本发明所陈述的基于ARAPA原模矩阵扩展的码率兼容LDPC码构造方法进行了详细的介绍和说明。上述具体实施说明可用于帮助理解本发明的核心思想。本发明密切联系深空通信系统信道时变的特点，考虑到打孔技术所产生的高码率码字译码性能的严重下降和基于AR4JA原模矩阵行列拓展的性能次优性、译码复杂度高这些弊端，本发明提出了一种基于ARAPA原模矩阵扩展的码率兼容LDPC码构造方法，与打孔、拓展这些传统的。
32、码率兼容的实现方案相比，本方法能够有效地克服打孔后高码率码字译码性能的严重下降和基于AR4JA原模矩阵行列拓展的性能次优性、译码复杂度高这些弊端。与传统的基于AR4JA原模图构造的码率兼容LDPC码相比，码率兼容APAPA码具有更低的译码门限值，更低的译码计算复杂度，尤其是在高码率时具有更优越的性能，可以用于越来越倾向采用高码率、中长码的LDPC码的深空通信之中以满足其日益剧增的数据传输量。0070以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明方法权利要求所限定的范围。说明书CN104158550A111/3页12图1图2说明书附图CN104158550A122/3页13图3图4说明书附图CN104158550A133/3页14图5说明书附图CN104158550A14。