摘? 要: 提出了采用碼率兼容LDPC碼為糾錯碼時IR_HARQ方式下的LDPC新譯碼方法,該方法利用前次譯碼后的信息作為重傳后再次譯碼的初始輸入信息,有效地利用了上次譯碼的成果。對該新譯碼方法進行了仿真評價,仿真表明新方法在系統吞吐量和迭代次數" title="迭代次數">迭代次數方面都能提供更好的性能。?
關鍵詞: IR_HARQ; LDPC碼; 譯碼; 吞吐量?
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在未來無線通信中,高速和可靠是數據傳輸的兩個最基本要求,各種高速數據業務方案都要求系統具有低殘留差錯率和高吞吐量的特性,解決這個問題的一種基本方法是采用差錯控制編碼結合自動重傳(ARQ)的混合重傳(HARQ)[1]技術。近年來,具有優異性能的LDPC碼受到業界的重視,采用LDPC碼作為差錯控制編碼結合HARQ技術的方案被廣泛應用,其中,LDPC碼的遞增冗余HARQ(IR_HARQ)[2]技術在上一次信息傳輸的基礎上只需重發部分比特,可以保證系統具有良好的吞吐量特性,因此IR_HARQ方式成為一種最優的HARQ方式。?
IR_HARQ方法要求LDPC碼具有碼率兼容的特性[3-4],因此人們研究的注意力都集中在如何構造碼率兼容的LDPC碼,而譯碼解決方案成為被忽視的問題。IR_HARQ方式下,LDPC碼的前次譯碼雖不成功,但有部分碼比特已正確譯碼,尤其是在一定的情況下,前次譯碼殘留的錯誤比特極少,在重發后的譯碼中若能有效利用前次譯碼的部分成果將可提高重發譯碼的性能。本文提出了一種新的基于IR_HARQ方式的LDPC碼新譯碼方法,IR_HARQ方式下,前次譯碼失敗后,系統需要重傳部分比特,新傳比特和前次傳送比特組合進行譯碼,在此次譯碼中利用上次譯碼的結果結合本次重傳部分比特的軟信息作為譯碼器的初始輸入信息,新譯碼方法提出通過信道的信噪比" title="信噪比">信噪比特性計算加權系數來確定上次譯碼所能提供的信息量,以實現對上次譯碼結果的有效利用。該新譯碼方法不增加譯碼器額外的復雜度,提高了重傳譯碼性能、減少了迭代次數。?
1 兩種IR_HARQ方式的原理方案?
目前,LDPC碼與自動請求重發技術的結合有兩種方案:一種是LDPC碼與type II HARQ技術結合,這種方案要求一幀中的全部比特都被重發,信道利用率不高,吞吐量較低;另一種是LDPC碼與type III HARQ方式結合,即LDPC碼的遞增冗余HARQ(IR_HARQ)技術,LDPC碼的遞增冗余HARQ技術可以通過擴展和穿孔兩種方式實現,擴展方式是在前次譯碼不成功時,通過再發送更多、校驗比特和前次發送的碼比特一起得到糾錯能力更強、碼率更低的碼,穿孔方式是通過信息比特穿孔得到碼率更低的碼。?
穿孔方式中,設碼率兼容LDPC碼字表示為C=[d1 d2 … ds p],若第一次發信息d1 d2 … ds和校驗位p后,接收端第一次譯碼不成功,第二次發送端將信息位減少為di di+1 … ds,1
擴展方式也稱為直接增加校驗位的方案原理,設碼率兼容LDPC碼字表示為C=[d p1 p2 … ps],若第一次發信息d和校驗位p1后,收端第一次譯碼不成功,第二次發端發送校驗位p2,收端將信息d、校驗位p1和校驗位p2一起譯碼,若譯碼失敗,收端將前兩次發送的碼字存入緩存,給發端發送再傳信息,發端發送校驗位p3,如此反復,直到正確譯碼或達到最大反饋次數。?
2 新的譯碼方法?
若編碼器輸出的“0”和“1”序列碼字C={c1,c2,…,cN},經BPSK調制映射為{+1,-1}信號序列X={x1,x2,…,xN}通過AWGN信道傳送的接收向量為r={r1,r2,…,rN},r=X+v,v為零均值噪聲向量, 其單邊噪聲功率譜密度為N0=2σn2,設碼率為R,則單位信息比特信噪比為Eb/N0=x02/(2Rσn2)。?
設一個N長LDPC碼的校驗矩陣為H=(hij)M×N。令集合M(j)={i:hij=1}表示信息節點xj參加的校驗集,M(j)i表示M(j)不包含i的子集,N(i)={j:hij=1}表示校驗節點zi約束的局部碼元信息集,N(i)j表示N(i)不包含j的子集,ui,j為校驗節點傳給信息節點的消息,vi,j為信息節點傳給校驗節點的消息。?
采用LLR_BP譯碼時,在每次迭代中,每個信息節點xj從與其相連的每個校驗節點zi接收信息,然后進行處理,再將處理后的信息發送給與其相連的校驗節點zi,每個校驗節點zi用從信息節點接收的信息來更新上次的信息,然后再傳給信息節點xj,如此循環。?
第一次傳送時的譯碼算法" title="譯碼算法">譯碼算法(直接增加校驗位和信息比特穿孔的IR_HARQ都采用該算法):?
(1) 初始化:對每個i和j,有:?
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滿足以下兩個條件之一即停止譯碼:①
(成功譯碼);②達到最大迭代次數。?
2.1 擴展方式下IR_HARQ方式的修正譯碼算法?
設重傳后LDPC碼的校驗矩陣為
t=2,3,4,…s, Mt>M,Nt>N。令集合Mt(j)={i:hij=1}表示信息節點xj參加的校驗集,Nt(i)={j:hij=1}表示校驗節點zi約束的局部碼元信息集。?
初始化:對每個i和j,有:?
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vi,j′為上次譯碼處理后最后一次迭代時的信息節點消息;α為由信道參數確定的修正因子,由下式確定:?
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(7)式中f(x)按下式近似計算:?
校驗節點處理" title="節點處理">節點處理、信息節點處理和判決均按式(2)、(3)、(4)和(5)。?
2.2 信息比特穿孔下IR_HARQ方式的修正譯碼算法?
設重傳后LDPC碼的校驗矩陣為 初始化:對每個i和j,有:? vi,j′為上次譯碼處理后最后一次迭代時的信息節點消息;、琢為由信道參數確定的修正因子,由(8)和(9)式確定。校驗節點處理、信息節點處理和判決均按式(2)、(3)、(4)和(5)。? 3 仿真結果? 3.1 信息比特穿孔IR_HARQ方式的仿真結果? 采用802.16e[5]中碼率為5/6的(2 304,1 920)LDPC碼為母碼,選穿孔比特單位為384比特,通過信息比特穿孔可得到碼率為4/5、3/4、2/3、1/2的LDPC碼,在AWGN信道下,BPSK調制下進行仿真,最大重傳次數為4次采用停等協議,得到在新的譯碼方法和過去譯碼方法的吞吐量和迭代次數比較,分別如圖1～圖3。 ? ? ? ? 從圖1和圖2中看到當SNR在-3dB～-1dB范圍內時,新的譯碼方法提高吞吐量,該新方法對于提高在低信噪比下的性能顯示了優越性;當SNR在0～2dB范圍內時,新的譯碼方法吞吐量提高不多,但迭代次數減少了,這意味著譯碼時延的減少。? 圖3為兩種譯碼方法在迭代次數分別為2、5、10和20次下的性能,新譯碼方法明顯顯示了更好的收斂性。? 3.2直接增加校驗位的IR_HARQ方式的仿真結果? 使用碼率為1/2的(4 572,2 286)半隨機LDPC碼[6]為母碼,每次重傳校驗比特個數為381,得到碼率為6/7、5/6、4/5、3/4、2/3、1/2的LDPC碼。在AWGN信道,BPSK調制下進行仿真,最大重傳次數為5次,采用停等協議,譯碼迭代次數最大為50次。結果如圖4和圖5所示。圖中給出在新的譯碼方法與過去譯碼方法的吞吐量和迭代次數比較。新的譯碼方法在信噪比較低時顯著提高了吞吐量,降低了迭代次數,顯示了優越的性能。在信噪比較高時,在大多數情況下只需一次譯碼過程就可完成無誤傳輸,不需要重傳譯碼過程,新的譯碼方法較過去譯碼方法的改進則不明顯。 ? ? ? ? 參考文獻? [1] LI J. Rate-Compatible low density parity check codes for capacity-approaching ARQ schemes in packet data communications. CIIT2002. ? [2] SESIA S, CAIRE G, VIVIER G. Incremental redundancy hybrid ARQ schemes based on low-density parity-check codes.IEEE Tran. on communication,COM-52:1311-1322, August 2004. ? [3] MACKAY D J C. Good error correcting codes based on very sparse matrices. IEEE Trans. Inf. Theory, 1999, 45(2): 399-431. ? [4] DAMMER U, AROSKA E, CHMERMBECK S, et al. A data puncturing IR-scheme for type-II hybrid ARQ protocols using LDPC codes. IEEE 2004 Global Telecommunications Conference, vol. 5, 3012-3016, 29 Nov.-3 Dec., 2004.? [5] Draft IEEE standard for local and metropolitan area networks——Part 16:Air interface for fixed and mobile broadband wireless access systems,IEEE P802.16e/D12, October 2005.?
t=2,3,4,…s, Mt=M,Nt
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