码率兼容且码长可控的低密度奇偶校验卷积码研究与设计

Rate-compatible and length-variable coding technique mainly has two advantages when applied in the data transmission system. Rate-compatible codes can adapt to the changing conditions of time-varying channels by selecting suitable code rate, and therefore maximize the throughput. On the other hand, together with the length-variable property, it allows transceivers to employ the same pair of encoder and decoder hardware. Low-density parity-check convolutional codes (LDPC-CCs) have been extensively analyzed in the past one dacade. Now designing practical LDPC-CCs is of great interest. Based on the analysis of the coding characteristics, this project mainly consists of three aspects: 1) design practical good LDPC convolutional mother codes, 2) design and apply an efficient terminating algorithm to the mother code so as to obtain LDPC-CCs of finite block length, and 3) apply a joined puncturing method formed by periodical puncturing and auxiliary puncturing to the terminated codes in order to achieve compatible rates. Finally, this project proposes a systematic method to obtain practical robust rate-compatible and length-variable LDPC-CCs, which can be considered as a coding candidate for the future market.

码率兼容、码长可控的编码方式在通信系统中有两大优点：一方面,可以根据信道条件选择合适的码率，从而达到信息传输吞吐量的最大化；另一方面，码率兼容、码长可控简化了硬件成本，在信号收发端任意码率、任意码长的码型共享同一套编码、解码设备。低密度奇偶校验卷积码(LDPC convolutional codes)近年来在国内外已经积累了丰富的理论基础，设计实用型编码方案是目前急需解决的重要问题。本课题拟基于对LDPC卷积码特征分析的基础上，设计解码性能接近香浓极限的实用型LDPC卷积母码；并通过截断技术，获得码长可控的有限长编码；随后，对截断码采取周期打孔与修正打孔相结合的方法，实现码率兼容的编码方式。最终获得一组性能良好、码率兼容、码长可控的LDPC卷积码的设计方案,为今后LDPC卷积码商业化提供可行性参考。

本项目主要研究了LDPC卷积码的码率兼容和码长可控特性。项目采用传统的打孔技术实现码率兼容，并通过改变准循环码中单位矩阵的大小来控制码字长度。为平衡这两方面的性能，首先提出了设计性能良好的LDPC卷积母码的措施；其次，提出一种快速检测打孔节点性能的算法；此外，本项目改进了基于校验节点的剩余度置信传播译码算法，并提出了串联置信传播译码算法。.设计性能良好的LDPC卷积母码。本项目对原PEXIT阈值计算方法进行改进，使其适用于任意给定的二进制基础矩阵。另一方面经研究发现，陷进集的结构都包含有环路结构，LDPC卷积码中的短环可分成结构型和非结构型两种。结构型短环与基础矩阵大小和度分布有关，该短环的数量无法通过改变基础矩阵中的多项式取值而改变；而非结构型短环的形成与基础矩阵中填充的多项式值直接相关。在基础矩阵中，选择合适的多项式取值，能有效消除非结构型短环的数量，从而减少陷进集的数量。该工作发表在MDPI Information期刊。.快速检测打孔节点性能。项目中码率兼容是通过对码字节点持续打孔实现，在检测每一种打孔形式是否具备良好的性能时，需要检验每一个打孔节点的恢复能力。本项目提出一种快速检测打孔节点恢复能力的算法。相比传统的树形拓扑结构方法，基于矩阵计算检测打孔节点恢复能力的方法，效率更高并且计算方法更为简单易懂。这部分成果发表在IEEE Communications Letters期刊。.改进置信传播译码算法。NWRBP在译码过程中，变量节点更新的次数并不均衡。相对于更新次数较多的变量节点，更新次数较少的变量节点不能为相邻节点提供足够的有用信息，导致相邻节点或其本身发生错误的概率更大。在NWRBP译码的基础上，提出一种改进方法Enhanced NWRBP(ENWRBP)，该方法能有效均衡各变量节点的更新次数，从而降低了译码误码率。该研究成果发表在Application of Electronic Technique期刊，并申请了发明专利获得受理。另一方面，该项目提出将洪泛译码与动态残差译码时序进行多级串联，这种级联方式融合了洪泛译码的低延时、低复杂度和动态残差传播译码的低误码率、快速收敛的优点，使得串联置信译码具有很高的实际应用价值。该研究成果发表在ICCC2015国际会议论文集和IET Communications期刊，并申请了发明专利获得受理。