LDPC码及其应用

207年第9期,第40卷通信技术Vol.40,No.09,2007总第189期Communications TechnologyNo. 189, TotallyLDPC码及其应用袁李林,李贵勇(重庆邮电大学,重庆40065)【摘要】先在阐逑几种凵DP编码的基础上分析了多进制LDPC编码优点;接着介绍作为鯀释LDPC玛和积译码算法的國子图;最后分析了LDPC码的优势以及它在通信頓域中应用的可行性【关键词】LDPC編码;因子图; Turbo码【中图分类号】TN929.5【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2007)09-0011-02LDPC Codes and Its ApplicationYUAN Li-lin, LI Gui-yong(chongqing University of Posts& Telecommunications, Chongqing 400065, China)[Abstract] This paper, based on the introduction of several LDPC codes, analyzes the advantage of multidebinary codes, and then describes Tanner graphs and factor graphs for interpretation of sum-product decodingalgorithm for LDPC codes. Finally, its advantage relative to turbo codes and feasibility of its application intelecommunication domain are analyzedI Key words l LDPC codes: factor graphs; Turbo codes0引言1LDPC码基础随着移动通信的发展,人们对纠错码就不断地提出新的LDPC编码是基于校验矩阵定义和构造的一类线性分组要求, Turbo码虽已成为3G的信道编码标准,但其译码复杂码,其校验矩阵为稀疏矩阵,也就是说,其校验矩阵大部分度高,时延长,难以适应高数据速率传输的后36未来移动元素均为零,只有极少量的非零元紫。在接收端,使用和积通信系统的需求,Lpc( ow Density Parity Check)码是算法对该编码进行译码。使用稀疏校验矩阵构造编码,有利Gallager于1962年提出的一类可以用非常稀疏的奇偶校验于降低译码复杂度矩阵或二分图定义的线性分组纠错码。目前受到广泛的关注,1.1LDP码的编码LDPC码在许多场合下性能优于 Turbo码,具有较大灵活性和1.L.L二进制规剿LDP编码的性质较低的差错平底特性;描述简单,对严格的理论分析具有可LDPC编码采用校验矩阵来定义和构造,其校验矩阵H验证性。LDC码的重新发现被认为是继 Turbo码之后在纠错除了极少量的非零元素零元素组成。 Gallager果编码领域的又一重大进展它采用具有线性复杂度的高效选用三个参数n,p和q来定义长度为n的(n,pq)二进制规代译码算法2则LDPC编码,其校验矩阵H每行所含“1”的数量相由于LDPC码是基于线性分组码的校验矩阵构造的好码。都为q:其每列所包含“1”的数堡也相同,都为P·同时LDPC码的译码性能可与Turb码媲美甚至优于 Turbo码,二还需要满足条件P23注意到矩阵所有行所含“1”元素数进制LDPC码译码复杂度比 Turbo码低;目前人们已经将该量之和应与其所有列所含“1”元素数量之和桕同,应有编码从最初的二进制推广到多进制编码,发现非规则码比规mq=nP·则码可以得到更好的性能,找到了许多行之有效的编码构造1.1.2二进制非規则LDPC编码方法。因此,研究适用于未米移动通信系统的LDPC码对改人们发现非规则的IDPC码的性能可以比规则码的性能普整个系统的传输性能具有重要意义优异中国煤化工的重量不一定相同收稿日期2002.CNMHG作者简介:寰李林(1981-),男,硕士研究生,研究方向为第三代移动通信技术:李贵勇(1971-),男,高级工程师,硕士生导师,主要从事第三代移动通信技术研究工作,在此基础上,人们发现当码长和码率给定时,校验矩阵的行高。 Turbo Code还有一个非常不利的缺点,那就是它的重量分布、列重益分布以及校验方程总承胜对于LDPC码的“ Error Flod比较大, Error Floor是指即使在SN足够人的性能的蟛响至关重要,进而产生了许多优化这些编码参数的理想通信环境中,也会出现位误码率居高不下的现象,这编码设计方法。往往是由纠错编码方式或参数选择的不合理引起的。根据1.1.3多进制LDPC编码NEC公司的研究指出,有时候位错误率在104~10附多进制LDPC编码相对于二进制编码具有或者可能具有近, Turbo Code就会发生 Error Floor现象,LDPC码就相以下一些优点。首先,由于无线信道带宽资源有限,实际系对小,若采用奇偶行列的构造方法或是选择适当的参数统大都采用多进制进行传输,如果采用多进制的编码,有可这种现象几乎不会出现。能将多进制编码与多进制调制直接结合完成LDC编码调制;22LDPC码应用的可行性研究如釆采用二进制LDPC编码和多进制调制,则在发送端需要在无线移动信道中,信号从发射天线经过复杂的传播环完成二进制向多进制转换,在接收端还要将叠加了噪声的信境到达接收天线,接收信号为各反射、衍射和散射分量以及号转换成等效二进制调制的似然比信息才能送入LDPC译码信道噪声的复合,因而会产生严重的失真。另外,移动信道器以完成译码。按照信息论的观点,处理环节的增加有可能中山于移动台运动或信道环境的改变会使信道特性随时间变会造成额外的信息量损失。从复杂度方面米看,虽然多进制化,接收到的信号由于多普勒效应会产生更为严重的失真LDC码的译码比二进制码的译码复杂,但对于同样长度的信无线移动信道实际是一个时变频事选择性衰落信道,使用此源序列的编码,二进迸制LDPC的编码长度是q进制编码长度信道实现病速多媒体业务接入无疑是一个巨大的挑战。信道的log2q倍,在很大程度上减少了二进制码详码复杂度的优编码就是使人们尽可能地以逼近信道容量的速率可靠地传输势而且,如果q是2的整数次幂基于有限域GF(q)的LDPC信息的重要方法。这样提高频谱利用率、发展空间更大的比码译码还具有快速算法。另外,正如M. C. Davey指出的那样,特传输速率的移动通信技术十分关键而基于LDPC码的自适虽然对于长码,LDPC码无论在详码复杂度还是性能方面都己应调制编码AMC技术就是这样的一种技术。经优于 Turbo码;但对于短码, Turbo码依然独领风骚。对(1)由于LPC码具有优秀的错误修正功能(编码墙益)于短码,最有希望在性能和译码复杂度方面都优于Tmbo好可以改普恶劣环境下的传输质量,因此,无线网络的高速化、码的LDPC码可能是多进制的LDPC码。高速移动通信、数字卫星发送等性能就可得到改善,而量子1.2LDc译码口令的通信在恶劣的传输回路下也可实现,而无需重送另1.2.1因子图外由于计算量少、并且有缺损补偿功能,LDPC码可以用来作LDPC编码可以采用和积算法来进行译码, R GAllager为进失封包的恢复最早采用的是树图来解释和积算法译码过程。后来人们一般(2)LDPC码有望改变以前难以对绞线完成10Gbs以太采用因子图来解释该译码过程。网100m传输的缺憾。卫星电视放送的转发器一台的传输送因子图有些文献也称为双向图将符号节点容量在36MHz的频带中完成80Mbs,是过去的13倍。采,排成一行,同时将节点xz。排成一行,如果用了LDPc码不仅能延长传送距离,而且对于恶劣传输途径验方程第行第列对应元素不为0,则称节点x和节点也可将位错误军降低到实用水平,LDPC码的错误修正能力z之间关联,并用线段将二节点连接起来。采用因子图进行理论上可以接近“香农限”2001年2月, Flarion公司在EE迭代译码过程中的信息传递,等效于前面树图的层叠间的信ommunications Letter Vo.5上证实了LDPC码接近“香农限息传递,只是表示方法略有差异而已。在具体的某一轮迭代的005dB理论编吗增益 (Coding Gain)9线 NTT Docomo中,符号节点和校验节点之间有信息传递,这种信息称为置的新近研究也指出,在编码长度n很大的情况下,LDPC吗信度,置信度实际是节点的某种条件概率,符号节点向校验是目前既存纠错编码中编码增益最高的一种方式。节点传递的信息记为Q,而校验节点向符号节点传选的信息(3)随着半导体工艺的迅猛发展使得LDPC码的实际应记为R用变得更加可行,由于采用LDPC码,随着编码长度n增大符号的计算量也大牾增加,可能是以n的平方或n的3次方2LDPC码的应用及未来发展趋势递增。据LS设计厂商们的估算,采用90nm设计的LS大2.1LDPC码的优势分析小约叫降到2mm,那么,迈入实用化就指日可待了以编码增益优秀而风靡一时的 Turbo Code得到TD-SCDMA、WCDM、CDMA200的青睞。而当初DvB2在决3结语策过程中,原本也要采用 Turbo Code,只是后来转换到LDPC码。 Flarion公司推出移动通信的 Flash-OFDM时,之所以秀的决定放弃 Turbo Code而采用LDPC码,除了较低的计算量于Gq)H中国煤化工错编码,它是一种优CNMHG非规则图上构造的基与配脱辽心限,相比传统的纠错之外,后者各种参数的设计也显得更容易,设计自由度较(下转第28页)链路和子网切换过程中的分组时延,还是相当可观的,这也作为源地址,而家乡地址则放到家乡地址选项中,因为转交是移动IP业务急需解决的,否则因特网的QoS无从谈起,时地址正确反映了移动节点目前所在的位置,所以实施入境过延主要是由链路完成后的端到端的移动P注册操作引起的。滤的路由器并不会把这些分组过滤掉。 IPsec提供两种工作模在切换中,发给移动节点的分组可能会丢失,齿此快速切换式:传输模式和隧道模式方案将有利于改善分组数据的业务质量。快速切换可以分为移动P安全解决方案主要利用 IPsec协议,将移动IP协议两种机制:预先切换和基于隧道的切换。在移动Pv6中没有中的注册、绑定更新等过程与AAA协议紧密结合起来,从而外地代理,但仍然需要有本地实体协助移动IP切换。使用本增强协议的安全性地层次型结构,减少与外部网络的信令交互及切换中断的时间,在HMPV6( Hierarchical MIP.6中,引入一个新的实体称4移动IPv存在的主要问题为移动锚点(MAP, Mobility Anchor Point)·MAP的使用可从理论上来讲,尽管IPv6有诸多的优势,但由于移动P限制与本地域以外的节点的信令交互,支持快速移动P切是一种新兴的技术,目前该技术尚存在许多不足,有些在换,帮助实现无缝移动,以提高切换速度。IPv4中无法解决的在IPv6中仍然必须面对,具体体现在以下33移动IPv的服务质量(QoS)几方面在移动IPv6中通过RSVP(资源预留协议)与Dfer(区分服(1)移动主机连至因特网的链路通常是无线链路。这种链务协议)实现QoS其主要思想是在移动节点可能移动到的区域路与有线网路相比,带宽明显低得多,其误码率明显高得乡上预先设定一个被动资源预留( Passivereservation),移动节点当(2)节点发送数据包总是查询其绑定缓存,确定是否有前所在路径上的称为激活资源预留 Active Reservation),当移动目标节点的绑定,浪费了时间节点切换到有被动资源预留的区域时能很快获得目前应用业务(3)移动节点频繁地给可能的通信对端点发送绑定更新所需的资源,当移动节点不在有被动资源预留的区域时,可以数据包,消耗了信道带宽供其他用户使用。同时,在移动节点和基站之间使用CBQ( Class(4)因为防火墙检验每个数据包的源地址域,而移动主Based Queuing)机制调度无线链路资源共享。区分服务协议机的数据包归属地址与外区网的网络地址不一样,从而导致inser)通过汇聚( Aggregate)和逐跳行为 PHB(Per Hop防火墙阻截IP隧道数据包Behavior)的方式来提供一定程度上的QoS保证。 Difserv目前有5)目前互联网的大多设备和移动 tenet服务提供商两种服务类型:加速转发和确保转发服务类型(sP)不支持移动P业务,虽然IPv6有广阔的发展前景,但IPy63.4IPse安全机制与IPv4不兼容,若使用IPv6,基于Iv4的软件、路由器、交Pec是由IETF的IP安全性工作组定义的一组规范,用于换机需要升级,成本是非常昂贵的,这都很大程度地限制了在P层上提供数据加密、访问控制、无连接的完整检查、数据|Pv6的研究和发展源确认、拒绝重放包等安全服务,IPsc标准包含了四个核心的基本规范组成一个完整的体系结构。 IPsec协议集成到Iv6参考文献中,所有的P6节点都应该能够处理认证头(AH)和封装安全1孙利民,阑志刚郑健平等移动P技术].北京:电子工业出版社净荷(ESP),这就为移动IPv6协议提供了安全基础,移动ⅢPv6协议可以利用H和ESP来完成安全方面的工作,如认证和加密。2 Johnson D, Perkins C, Arkko J. Mobility support in IPvt6,[刀这使得移动IPv6协议在安全方面需要的额外工作少了些RFc3775,2004.移动IPw在目的选项扩展报头中添加了家乡选项的功3姜悌移动P技术].航空电子技术205.3603);4-46,54能,当移动节点直接向通信对端发送分组时,使用转交地址(上接幕12页码有更加优异的性能。目前人们已经将该编码从最初的二进2张谨苏广川基于匈牙利算法的LD的编码优化实现口计算机工制推广到多进制编码,发现非规则码比规则码可以有更好的程,20,3300:39×402性能,找到了许多行之有效的编码构造方法,并且将LDPC3曾蓉梁钊低密度校验1DPC码的构造及编码[.重庆邮电学院学报码和多进制调制技术联合起来实现带宽有效传输。这种改进自然科学版),200,17(03):316~319的正则LDPC码在OFDM系统、压缩图像传输等方面具4谢显中.基于m0的第四代移动通信技术M]北京:电子工业出版有良好的应用前景。社V山中国煤化工CNMHGodes IM. Cambridge NIT参考文献1孙韶辉低密度校验吗在瑞利寰落信道中的性能分析[J]计算机学报,6孙部辉慕建君王新梅低密度校验码研究及其新进展[J]西安电子2002,25(10):321~3科技大学学报,2001,28(03):393~39728