针对下一代广播通信系统中低密度奇偶校验码的研究和分析

QC-IRA structured low density parity check (LDPC) code is adopted by various types of communication standards and systems, mainly because it has good performance and is easy to be described and implemented. While during the competition of technical proposals for the new generation American Terrestrial broadcasting transmission standard (ATSC3.0), we designed and proposed to ATSC3.0 two moderate-high rate LDPC codes which happened to enter into the final round competition as candidate Standard codes. Besides, we are currently designing the prototype hardware for ATSC3.0 transceiver and receiver. Benefiting from the experience, we find out that the evolving broadcasting standards requires QC-IRA structured LDPC codes to have better performance. And the state of the art for QC-IRA LDPC code is as follows: 1) QC-IRA LDPC codes in existing standards with low code rates have poor performance and there is no systematic research work on it in the literature; 2) There are still room for making improvements for existing decoding algorithms; and 3) The cross layer information in HSS decoding structure is not independent, which leads to that many excellent decoding algorithms can not be adopted. To these problems, in this project, we research profoundly 1) a systematic scheme for designing Shannon approaching low code rate QC-IRA Raptor-like LDPC codes; 2) series of variable correction factor decoding algorithms; and 3) the condition for of independence for HSS scheme, and how to modify the good performance decoding algorithm to finally be used by HSS. By getting the good results from these studies, we hope to further improve the performance of LDPC codes, to provide a solution for the LDPC codes at both transceiver and receiver side for china’s next generation terrestrial broadcasting physical layer transmission standard.

QC-IRA结构的LDPC码字由于其描述简单、性能优异且易于编译码器实现，被各大通信标准所采用。而在新一代美国地面数字电视传输标准ATSC3.0技术方案的角逐中，我们设计的两个中高码率码字进入了最后一轮候选名单，目前也正在研制该系统收发端样机。受益于该过程，我们发现演进的广播传输标准对QC-IRA的LDPC码字提出了更高要求。而QC-IRA的LDPC码字技术的现状是：1）现有标准中的低码率码字性能差且文献缺乏系统研究；2）现有译码算法仍存在改进空间；3）HSS译码架构跨层信息不独立，导致无法采用性能优异的译码算法。对此，本项目深入研究1）基于QC-IRA Raptor结构的低码率码字的系统化设计方案；2）一系列变化因子译码算法；3）HSS译码架构的独立性条件及译码算法的修正方法，进一步改进LDPC码字的性能，以期为呼之欲出的下一代中国地面数字电视物理层传输标准的收发端码字方案提供解决方案。

世界范围内，地面数字电视都面临了频谱被缩减的问题，但却需要在更为有限的带宽内，满足不断增长的数据传输率，来支撑大众日益增长的浸润式视频的需求，如4k/8k,AR/VR等。 这要求物理层的传输技术能够进一步的提高传输容量。本项目主要研究物理层传输技术中的LDPC技术，具体研究：1）基于QC-IRA-Raptor结构的LDPC码字设计与性能分析；2）变化因子译码算法的系统化研究和分析；3）HSS译码架构及其译码算法研究和分析，这三方面的内容。.研究的成果为：1）本项目提出了双类型度分布框架，并基于此框架和高斯近似密度理论，推导了针对QC-IRA-Raptor码字的理论性能评估工具。该评估工具和传统最优的方法相比，具备相似的准确度更复杂度更低。此外我们提出了一种两层循环结构的LDPC码字，该结构具备更好的描述、更高吞吐量，更低误码平层的特性。上述创新的意义在于能够更加高效、快速的设计出逼近香农限、误码平层更低、吞吐量（速率）更高的QC-IRA-Raptor的LDPC码字，为未来各个通信标准的码字设计提供了很好的理论指导。2）本项目提出了变化偏移因子的V-OMS算法，该方法相比于文献中的OMS、V-NMS方法能进一步改进LDPC译码性能。此外，我们基于V-OMS和变化缩放因子V-NMS，提出了结合变化缩放、偏移因子的融合算法，能够比V-NMS和V-OMS获得更进一步的性能提升。上述提出的算法的复杂度均可接受，因此我们为现有的通信系统提供了更好的LDPC译码算法，能够改进现有通信系统中（诸如ATSC3.0、DVBT2、中国的DTMB）接收机性能。3）本项目提出了可以适用HSS架构的MAP-VFP准则，成功的将V-NMS算法扩展到HSS架构中去。仿真性能表明，基于HSS架构的V-NMS算法大大改进了基于HSS架构的NMS算法的性能，也提升了收敛速度。该成果能够改进现有通信系统中（诸如ATSC3.0、DVBT2、中国的DTMB）接收机性能。.最后，本项目共发表10篇论文，包括SCI源国际期刊论文3篇，EI源论文7篇，申请发明专利3篇。