GF（q）域上的低密度校验（LDPC）码的译码及其在深空通信中的应用

低密度校验码是一类能有效逼近香农限的好码,而高进制的LDPC码具有比二进制LDPC码更好的性能,但其译码复杂度太高不利于工程应用。本文提出了一种基于协同优化算法的低复杂度的高进制LDPC码的译码算法,并讨论了其在深空通信中的应用。     

基于BP算法的LDPC码改进译码算法

目前,LDPC码的译码主要采用MacKay和Neal提出的BP(Belief-Propagation)迭代译码算法。但其水平步骤和垂直步骤的孤立使部分外信息在下一次迭代中才能对译码产生帮助。为了使这部分外信息得到更有效的利用,本文提出两种以外信息的传递路径为导向的改进BP算法,用于LDPC码的译码。模拟显示,在加性高斯白噪声信道下,本文提出的两种方法在译码复杂度的不变或基本不变的情况下,有效加速了迭代的收敛,得到了更好的译码性能。     

基于有限域上乘法群与均衡不完全区组的准循环LDPC码构造

构造低编码复杂度的准循环LDPC码是其在高速数据传输系统中有效应用的关键技术之一。本文通过引入有限域上乘法群,提出了一种新的基于均衡不完全区组(BIBD)的准循环LDPC码的构造算法。算法将基于BIBD的传统构造算法中的加法群替换为乘法群,简化了相应元素位置向量的计算;同时通过校验矩阵扩展(dis-persion)构造出能够抵抗长突发删除错误的好码。仿真结果表明,本算法构造的准循环LDPC码的围长至少为6,能够采用反馈移位寄存器实现线性复杂度的编码;利用和积译码算法进行迭代译码,AWGN与BEC信道下译码性能与随机构造的LDPC码相当。     

一种CCSDS深空标准的LDPC码高效实现

针对CCSDS(空间数据系统咨询委员会)深空通信标准LDPC(低密度奇偶校验码),为减少定点量化后的译码性能损失,提出了一种改进的译码修正算法。通过分析矩阵结构特点,并引入交错译码结构以及流水结构,设计了一种适合该标准深空通信LDPC码编译码器的高效实现结构。使用此结构,在Xilinx公司的XC5VSX95T芯片上实现了CCSDS深空通信标准的(8 192,4 096)LDPC码,在40次迭代情况下可以达到47m的吞吐率。实践表明:该设计可以灵活地移植应用于其他码率的CCSDS深空通信标准LDPC编译码器设计。     

基于纠删码的遥测链路丢帧恢复技术

针对遥测系统在恶劣天气条件、航天器姿态调整、天线指向偏离、脉冲干扰等各种因素影响下出现的遥测信号闪断以至接收机丢帧问题,提出一种适用于闪断信道的纠删码技术,用于恢复丢失的数据帧.首先介绍LDPC（低密度奇偶校验）纠删码的编译码算法,然后构造一种以短码长的随机码为外码、IRA（不规则重复累积）LDPC码为内码的级联纠删码,最后给出纠删码的应用策略和实现纠删码所需的CCSDS（空间数据系统咨询委员会）协议扩展.通过仿真实验和分析,得到了LDPC纠删码和级联纠删码的纠删性能,得出级联纠删码与LDPC纠删码均可获得接近理想的纠删性能的结论,且级联纠删码的构造更为灵活,可适应不同的应用环境,对CCSDS协议进行适当扩展后即可支持纠删码在CCSDS遥测链路中的应用.     

航空通信系统中的LDPC编译码研究

低密度奇偶校验码(LDPC)是目前最优秀的码字之一,其接近香农传输极限的性能使其成为第五代通信系统(5G)唯一的数据信道编码。介绍了LDPC码的编译码原理和迭代译码结构,并对码长为4096,码率为1/2的LDPC码进行MATLAB仿真和FPGA工程实现。仿真结果和工程实现结果均表明:所选取的LDPC码实现简单,性能优异,对航空通信系统中信道编码的选取具有重要的指导意义。     

CCSDS近地LDPC译码算法研究

针对CCSDS（空间数据系统咨询委员会）推荐的近地LDPC（低密度奇偶校验）码技术进行了研究,建立了和积译码算法、对数似然和积译码算法、最小和译码算法的数学模型,并对上述译码算法的译码复杂度和译码性能进行了仿真分析.分析结果表明,和积译码算法与对数似然和积译码算法的译码性能距离香农限1.2 dB,最小和译码算法的译码性能距离香农限1.45 dB.因此,提出基于最小和译码算法的改进算法——偏移最小和译码算法与归一化最小和译码算法,并分析了这2种译码算法的译码复杂度,同时进行了大量仿真实验.实验结果表明,当偏移因子β=0.15时,偏移最小和译码算法性能达到最优,译码性能距离香农限1.25 dB;当归一化因子α=0.741 2时,归一化译码算法的译码性能达到最优,译码性能距离香农限1.2 dB.归一化译码算法具有优异的译码性能和合理的复杂度,可以遴选作为CCSDSLDPC的译码算法用于工程实现.此外,还研究了迭代次数对译码性能的影响,结果表明,当迭代次数大于10次时,译码性能提升不再明显,故工程实现时迭代次数应设置为10次.     

软输入软输出LDPC码译码算法

提出了一种软输入软输出LDPC码译码算法,采用欧氏距离作为判决准则,通过对欧式距离信息的反对数和进行迭代处理,实现软输入软输出译码;同时,还提出了该算法的一种简化方法,以降低计算复杂度。本文提出的软输入软输出算法无需接收信号的信噪比和信道状态即可实现译码,并且在性能无明显损失的前提下降低了计算复杂度。仿真结果表明,在性能与和积译码算法性能相近的情况下,计算复杂度比和积译码算法的复杂度下降了约10%。     

基于EXIT图的非规则LDPC码在RICE衰落信道下的优化

EXIT(Extrinsic Information Transfer)图是分析LDPC码译码收敛性的一个简单有用的工具,可以用于非规则LDPC码度分布的优化。本文介绍了EXIT图的基本原理,并将其应用于RICE衰落信道,修正了RICE信道中未知信道状态信息情况下比特节点译码器曲线计算公式,并给出了RICE信道下的度优化结果。仿真结果表明,这种方法易于实现,而且经过优化的LDPC码在衰落信道中同样获得良好的性能。     

复杂姿态下基于空时码的测控方法

为了提高复杂姿态条件下飞行器测控通信的可靠性，将LDPC（Low Density Parity Check，低密度奇偶校验）码和空时码级联，并采用2×1天线系统，建立了系统模型，阐述了信道参数估计方法，在此基础上提出了基于信道参数估计的空时软译码算法，使得空时译码器输出软信息给LDPC译码器，能充分利用LDPC的编码增益。仿真结果表明，不采用空时码时在π相位差附近出现很高的误码，导致通信中断；采用空时码能够保证在任何相位差的条件下误码率在一定的范围内，实现不间断测控。     

High Hardware Utilization and Low Memory Block Requirement Decoding of QC-LDPC Codes

This paper presents a simple yet effective decoding for general quasi-cyclic low-density parity-check (QC-LDPC) codes, which not only achieves high hardware utility efficiency (HUE), but also brings about great memory block reduction without any performance degradation. The main idea is to split the check matrix into several row blocks, then to perform the improved message passing computations sequentially block by block. As the decoding algorithm improves, the sequential tie between the two-phase computations is broken, so that the two-phase computations can be overlapped which bring in high HUE. Two overlapping schemes are also presented, each of which suits a different situation. In addition, an efficient memory arrangement scheme is proposed to reduce the great memory block requirement of the LDPC decoder. As an example, for the 0.4 rate LDPC code selected from Chinese Digital TV Terrestrial Broadcasting (DTTB), our decoding saves over 80% memory blocks compared with the conventional decoding, and the decoder achieves 0.97 HUE. Finally, the 0.4 rate LDPC decoder is implemented on an FPGA device EP2S30 (speed grade -5). Using 8 row processing units, the decoder can achieve a maximum net throughput of 28.5 Mbps at 20 iterations.     

一种基于矩阵分裂的QC-LDPC码Log-BP译码方法

 针对高码率的准循环低密度奇偶校验码（QC-LDPC）提出了一种新的高效的log-BP部分并行译码结构,它通过矩阵分裂,将原监督矩阵分裂成多个小的矩阵,使原本的校验节点更新运算被拆分成多次处理,有效地降低了BP迭代运算的复杂度;通过组织不同小矩阵校验节点更新运算与变量节点更新运算的先后顺序,可以使不同小矩阵的校验节点更新运算与变量节点更新运算同时进行,从而提高译码器的译码速率。该方法既适用于非规则码,也适用于规则码。实验结果表明,与现有的log-BP译码方法相比,在相同的码速率下,校验节点更新单元（CNU）与变量节点更新单元（VNU）规模总量减小1/3;在相同的硬件资源下,译码速率提高1/3,另外该方法使CNU与VNU结构趋于对称,有利于设置更少的流水线级数,获得更好的时钟性能。     

大容量光通信系统中规则LDPC码的研究

为研究规则LDPC码在大容量光通信系统的性能,对不同列重和不同迭代次数的短规则LDPC码在大容量光信道中的误码率性能进行了数据仿真。发现确定码长的规则LDPC码,存在最优的列重,使得在相同的冗余度时,最大程度地改善大容量光通信系统的性能;此外,误码率随迭代次数的增加具有收敛的特性,LDPC码译码时应合理地选取迭代次数。     

适用于空间通信的LDPC码GPU高速译码架构

鉴于目前空间通信对高速、可重配置信道译码器的需求,利用图形处理器(GPU)的并行化运算特点,提出了一种低密度奇偶校验(LDPC)码软件高速译码架构。通过优化Turbo消息传递译码(TDMP)算法节点更新运算线程块内和块间并行度、减少非规则行重造成的线程分支、降低线程对节点更新信息存储资源的访问延时以及合理量化译码器存储信息来提升译码内核函数的执行效率。并在此基础上引入异步统一计算设备构架(CUDA)流处理机制,设计优化的译码器输入输出数据传输和内核函数之间的执行调度方式以及CUDA流上的译码线程资源配置方式,最大化译码吞吐率的同时降低译码延时。在Nvidia最新的Tesla K20和GTX980平台上对国际空间数据系统咨询委员会(CCSDS)遥测标准LDPC码进行的TDMP译码实验结果表明,本架构进行10次迭代译码的吞吐率最高可达约500 Mbps,平均译码延时约为2ms左右。与现有结果相比,本架构在保持软件架构配置灵活性的同时更加有效的兼顾了译码吞吐率和延时性能。     

Cross-layer design of LT codes and LDPC codes for satellite multimedia broadcast/multicast services

According to large coverage of satellites, there are various channel states in a satellite broadcasting network. In order to introduce an efficient rateless transmission method to satellite multimedia broadcasting/multicast services with finite-length packets, a cross-layer packet transmission method is proposed with Luby transform （LT） codes for efficiency in the network layer and low density parity check （LDPC） codes for reliability in the physical layer jointly. The codewords generated from an LT encoder are divided into finite-length packets, which are encoded by an LDPC encoder subsequently. Based on noise and fading effects of satellite channels, the LT packets received from an LDPC decoder either have no error or are marked as erased, which can be mod- eled as a binary erasure channels （BECs）. By theoretical analysis on LT parameters and LDPC parameters, the relationships between LDPC code rates in the physical layer and LT codes word lengths in the network layer are investigated. With tradeoffs between the LT codes word lengths and the LDPC code rates, optimized cross-layer solutions are achieved with a binary search algorithm. Verified by simulations, the proposed solution for cross-layer parameters design can provide the best transmission mode according to satellite states, so as to improve throughput performance for satellite multimedia transmission.     

高速Turbo并行迭代译码原理及仿真

Turbo码之译码过程通常采用LOG-MAP算法的迭代译码,在获得很好的译码性能的同时,也造成了巨大的译码延迟,因而限制了其实际应用。为了降低译码延迟,通常采用分块并行译码方案,将译码器接收到的长帧分割为长度较小的子帧。对基于LOG-MAP算法的并行译码方案进行仿真实现,结果表明并行译码方案在获得很好的译码延时的同时,也存在误比特率性能的下降,即所谓分块效应。