面向移动高清视频传输的广义LDPC码性能研究与优化设计

With the explosive growth of mobile internet, and the rapid popularization of mobile terminals such as smart phones and tablet personal computers, the demand of users for video communication based on mobile terminals is soaring. The evolution of video quality from standard definition to high definition (HD) and even ultra high definition (UHD) will be inevitably expected. Facing to the requirements of high rates, high reliabilities, low delay and low power consumption for mobile HD video transmission, and considering the excellent characteristics of quasi-cyclic (QC) LDPC codes and quadratic residue (QR) codes, this proposal focuses on the construction and encoding/decoding schemes of high-rate, short-to-moderate length generalized (doubly generalized) LDPC codes in terms of four aspects: 1) Design a new fast decoding algorithm for QR codes, which is universal, and easily hardware implemented. 2) Design a class of generalized LDPC codes by replacing the single parity check (SPC) nodes in the conventional regular QC-LDPC codes with QR codes. 3) Design doubly generalized LDPC codes by replacing the variable and check nodes in regular QC-LDPC codes with SPC and QR codes, respectively. 4) Achieve the performance analysis and optimized design of generalized (doubly generalized) LDPC codes based on irregular QC-LDPC codes. Research findings will pave the theoretic and practical foundation for the applications and developments of mobile HD/UHD video service in the future.

随着移动互联网的爆发式增长，以及智能手机、平板电脑等移动终端的快速普及，用户对基于移动终端的视频通信需求激增，“标清、高清到超高清”将成为视频质量的必然追求。本项目面向移动高清视频传输对高码率、高可靠性、低延时和低功耗的需求，着重利用QC-LDPC码和平方剩余（Quadratic Residue: QR）码各自的优良特性，对中短码长、高码率广义/双广义LDPC码的构造以及编译码方案开展研究：1）针对QR码设计一种全新的、具有普适性且易于硬件实现的快速译码算法；2）用QR码替换规则QC-LDPC码中的单奇偶校验节点进行广义LDPC码设计；3）用单校验码和QR码分别替换规则QC-LDPC码中的变量节点和校验节点进行双广义LDPC码设计；4）基于非规则QC-LDPC码进行广义/双广义LDPC码的性能分析及优化设计。项目成果可为未来移动高清乃至超高清视频业务的应用与发展铺垫相关理论和工程基础。

本项目面向移动高清视频传输所需的信道编译码方案展开研究，主要内容为：a)QR码的通用快速译码算法研究；b)基于QR码的QC-LDPC码构造及优化设计；c)基于QC-LDPC和QR码的广义LDPC码优化设计及性能分析；d)对规则QC-LDPC码变量节点和校验节点同时掺杂的双广义LDPC码设计及优化。取得的重要结果：1）针对码长100以内的QR码，提出了一种普适性的快速译码算法（简称DS算法），为该码在实际系统中的应用奠定了基础；相关成果发表在国际权威期刊 IEEE Trans. Information Theory，并授权美国专利1项。随后，我们对DS算法作了改进，译码速度进一步提升(在Intel Core i5 CPU上，码长100以内所有QR码平均译码时间不到1ms)，且改进算法应用于较短的BCH码时，相比经典的Berlekamp-Massey算法效率更高，相关成果也发表在IEEE Trans. Information Theory。2）利用QR码的校验矩阵当基矩阵，构造出一类新的QC-LDPC码（简记为QR-QC-LDPC码）。该码具有与基于PEG算法的随机LDPC码相当的性能。此外，在某些场景下，QR-QC-LDPC码经过掩模优化后相比同等参数下的RS-QC-LDPC码有着更好的性能，丰富了QC-LDPC码的设计体系。特别地，我们参照5G LDPC码的结构，基于QR码的校验矩阵设计出了比5G标准LDPC码更好的码字（相关成果已同时申请中国专利和美国专利，论文尚未发表），在B5G或者6G中有着良好的应用前景。3）提出了以QR码为分量码、以优化后的QR-QC-LDPC码为全局码的GLDPC码设计框架，克服了现有的GLDPC码设计方案中码率损失严重的问题；提出了基于陷阱集分析的分量码变量节点挑选方案和二阶段译码算法，使得所设计的码字在码率略微损失的条件下提升了全局码瀑布区的性能以及降低了错误地板。4）将先前构造的QR-QC-LDPC码作为全局码，采用QR码和单奇偶校验(SPC)码作为分量码分别替换全局码中的SPC码和重复码，以此来构造双重广义LDPC(D-GLDPC)码；设计了两种算法分别挑选对全局码译码性能影响较大的变量节点和校验节点进行部分替换，相比码率接近的全替换设计得到的D-GLDPC码有一定的性能提升，而且码率更灵活、译码复杂度更低。