Способ декодирования LDPC-кодов и устройство для его осуществления Российский патент 2017 года по МПК H03M13/35 

Изобретение относится к системам телекоммуникаций и эфирным видеоинформационным системам вещания и может найти применение в декодерах устройств приема дискретной информации.

Известен способ для декодирования канала с использованием кода LDPC, включающий этапы, на которых демодулируют принятый сигнал, определяют позицию сокращенных информационных битов, декодируют демодулированный сигнал, принимая во внимание определенную позицию сокращенных информационных битов, причем позиция определяется исходя из числа информационных битов, которые должны быть сокращены, а также определяют число групп битов, которые должны быть сокращены на основе определенного числа информационных битов, которые должны быть сокращены, и получают предварительно определенный порядок групп битов (патент RU 2543553, МПК Н03М 11/00, публ. 10.03.2015 г.).

Недостаток данного способа состоит в том, что он применим только для квазициклических кодов. Его реализация требует дополнительных вычислительных затрат на определение позиций сокращаемых бит и внесения изменений в способ кодирования с изменением его скорости.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ декодирования LDPC-кодов, включающий вычисление логарифмических отношений правдоподобия через вычисление отношения сигнал-шум (ОСШ) или оценки их вероятностей, причем определение соотношения сигнал-шум осуществляют для каждого принятого кодового слова сигнала, декодирование принятых кодовых слов сигнала производят на основе одного алгоритма, в том числе с применением алгоритма «распространения доверия» (АРД) или алгоритма «минимум-сумма» (АМС) с возможностью переключения между обработчиками проверочных узлов или информационных узлов в декодере (патент US 7484158, МПК G06F 11/00; Н03М 13/00, публ. 15.09.2005 г. - прототип).

В известном способе предлагается использовать декодирование на основе алгоритма "распространения доверия" или алгоритма "минимум-сумма". Одновременное применение указанных алгоритмов в процессе декодирования не предусмотрено. Недостаток данного способа декодирования заключается в недостаточной вычислительной эффективности при изменении ОСШ.

Известно устройство декодирования LDPC-кодов, включающее блок декодирования на основе алгоритма "распространения доверия" (АРД) и блок декодирования на основе алгоритма "минимум-сумма" (АМС), выполненные с возможностью последовательного декодирования каждого кодового слова сигнала (патент US 8006161, МПК Н03М 13/00, публ. 23.08.2011 г.).

В известном устройстве сначала производится обработка алгоритмом "распространения доверия", затем алгоритмом "минимум-сумма". Переключение между алгоритмами в зависимости от ОСШ не предусмотрено. Недостаток данного способа декодирования заключается в недостаточной вычислительной эффективности при изменении ОСШ.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство декодирования LDPC-кодов, включающее блок вычисления логарифмического отношения правдоподобия через вычисление отношения сигнал-шум (ОСШ), соединенный выходом с блоком переключателя (коммутатором) для переключения обработчиков проверочных узлов или информационных узлов в декодере, блок вычисления алгоритма «распространения доверия» или блок вычисления алгоритма «минимум-сумма», обобщенный блок обработки узлов, объединяющий блок обновления информационных узлов и блок обновления проверочных узлов (патент US 7484158, МПК G06F 11/00; Н03М 13/00, публ. 15.09.2005 г. - прототип).

В известном устройстве переключение между указанными алгоритмами декодирования не предусмотрено. Недостаток данного способа декодирования заключается в недостаточной вычислительной эффективности при изменении ОСШ.

Технический результат предлагаемого способа заключается в снижении средней вычислительной сложности декодирования с сохранением качества декодирования принятого сигнала.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в снижении средней вычислительной сложности декодирования с сохранением качества декодирования принятого сигнала.

Технический результат достигается тем, что в способе декодирования LDPC-кодов, включающем определение соотношения сигнал-шум для каждого принятого кодового слова сигнала и декодирование принятых кодовых слов сигнала на основе алгоритма «распространения доверия» или на основе алгоритма «минимум-сумма», введено по меньшей мере декодирование на основе алгоритма «апостериорных вероятностей», для каждого алгоритма устанавливают диапазон значений сигнал-шум, причем осуществляют переключение алгоритмов в зависимости от значения сигнал-шум для каждого слова с последующим последовательным объединением результатов декодирования сигналов по разным алгоритмам.

Предпочтительно алгоритм «распространения доверия» применить при значениях отношения сигнал-шум меньше 1,8 дБ, алгоритм «минимум-сумма» - при значениях сигнал-шум в диапазоне от 1,8 дБ до 4,95 дБ, алгоритм «апостериорных вероятностей» - при значениях отношения сигнал-шум больше 4,95 дБ.

Технический результат достигается тем, что в устройство декодирования LDPC-кодов, включающее блок определения отношения сигнал-шум, соединенный выходом с коммутатором, блок вычисления алгоритма «распространения доверия», блок вычисления алгоритма «минимум-сумма», введены блок вычисления алгоритма «апостериорных вероятностей» и блок объединения результатов декодирования сигналов по разным алгоритмам, причем первый, второй и третий выходы коммутатора соединены соответственно со входами блока вычисления алгоритма «распространения доверия», блока вычисления алгоритма «минимум-сумма» и блока вычисления алгоритма «апостериорных вероятностей», выходы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока объединения результатов декодирования сигналов по разным алгоритмам, выход которого является выходом устройства, входом которого является вход блока определения отношения сигнал-шум.

Предпочтительно блок определения отношения сигнал-шум выполнить с возможностью задания диапазона значений отношения сигнал-шум соответственно для каждого блока вычисления алгоритма декодирования.

Целесообразно алгоритм «распространения доверия» применить при значениях отношения сигнал-шум меньше 1,8 дБ, алгоритм «минимум-сумма» - при значениях сигнал-шум в диапазоне от 1,8 дБ до 4,95 дБ, алгоритм «апостериорных вероятностей» - при значениях отношения сигнал-шум больше 4,95 дБ.

Сущность изобретения заключается в том, что для принятого кодового слова сигнала определяется отношение сигнал-шум, затем происходит переключение на оптимальный для данного значения отношения сигнал-шум алгоритм декодирования, после декодирования кодового слова происходит запись декодированного сигнала в общий массив декодированного сигнала.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, следовательно, предложенное решение соответствует критерию "новизна". Сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, следовательно, предложенное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства декодирования LDPC-кодов.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:

1 - блок определения отношения сигнал-шум;

2 - коммутатор;

3 - блок вычисления алгоритма «распространения доверия»;

4 - блок вычисления алгоритма «минимум-сумма»;

5 - блок вычисления алгоритма «апостериорных вероятностей»;

6 - блок объединения результатов декодирования сигналов по разным алгоритмам.

Устройство декодирования LDPC-кодов включает блок 1 определения отношения сигнал-шум, соединенный выходом с коммутатором 2, блок 3 вычисления алгоритма «распространения доверия», блок 4 вычисления алгоритма «минимум-сумма», блок 5 вычисления алгоритма «апостериорных вероятностей» и блок 6 объединения результатов декодирования сигналов по разным алгоритмам, причем первый, второй и третий выходы коммутатора 2 соединены соответственно со входами блока 3 вычисления алгоритма «распространения доверия», блока 4 вычисления алгоритма «минимум-сумма» и блока 5 вычисления алгоритма «апостериорных вероятностей», выходы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока 6 объединения результатов декодирования сигналов по разным алгоритмам, выход которого является выходом устройства, входом которого является вход блока 1 определения отношения сигнал-шум.

Предпочтительно блок 1 определения отношения сигнал-шум выполнить с возможностью задания диапазона значений отношения сигнал-шум соответственно для каждого блока вычисления алгоритма декодирования.

Целесообразно алгоритм «распространения доверия» применить при значениях отношения сигнал-шум меньше 1,8 дБ, алгоритм «минимум-сумма» - при значениях сигнал-шум в диапазоне от 1,8 дБ до 4,95 дБ, алгоритм «апостериорных вероятностей» - при значениях отношения сигнал-шум больше 4,95 дБ.

Предлагаемый способ применяют следующим образом. Для принятого кодового слова сигнала определяют отношение сигнал-шум. Далее в зависимости от определенного для принятого кодового слова значения ОСШ происходит переключение на оптимальный для данного значения отношения сигнал-шум алгоритм декодирования. Если значение ОСШ меньше 1,8 дБ, то обработка принятого кодового слова сигнала для декодирования LDPC-кода осуществляется алгоритмом «распространения доверия». В случае, если значение ОСШ находится в диапазоне от 1,8 дБ до 4,95 дБ, то обработка принятого кодового слова сигнала для декодирования LDPC-кода осуществляется алгоритмом «минимум-сумма». Если значение ОСШ больше 4,95 дБ, то обработка принятого кодового слова сигнала для декодирования LDPC-кода осуществляется алгоритмом «апостериорных вероятностей». После декодирования объединяют декодированные сигналы и добавляют их в общий массив декодированного сигнала.

Передаваемый аналоговый OFDM-сигнал s(t) представляет собой суперпозицию N ортогональных между собой несущих, включая служебные, необходимые для оценки канальной характеристики и синхронизации приемника и информационные, на которых передается полезная информация. Каждая информационная несущая модулируется некоторым комплексным символом-ячейкой X_t, i=1:N из конечного алфавита А, т.е. X_i∈{A_k}, k=1:М. Алфавит А определяется типом выбранной модуляции, например M-QAM или M-QPSK.

N - число ячеек, образующих процесс обработки декодирования на приемной стороне, например кадр OFDM или суперкадр OFDM.

Сигнал s(t), распространяясь через мобильный наземный канал передачи, подвергается различным аддитивным и мультипликативным искажениям. На приемной стороне производится синхронизация сигнала с помощью служебных несущих, после чего получают информацию о значениях отсчетов принятого сигнала в частотной области Y_i. Считая, что длительность защитного интервала оптимальна и в принятом сигнале отсутствует межсимвольная интерференция, значения принятых ячеек Y_i можно полагать равным:

где H_i - коэффициент передачи канала для i-ой несущей (ячейки); I_i - аддитивная шумовая компонента, связанная с наличием межчастотной интерференции ICI; W_i - аддитивная гауссовская шумовая компонента, связанная с наличием теплового шума в приемнике.

В терминах математической статистики последовательность всех принятых модуляционных ячеек после выравнивания можно считать эмпирической выборкой генерального распределения комплексной случайной величины с некоторой неизвестной нам функцией плотности распределения f_ген(x, θ_∑)∈f(x, θ), где f(x, θ) - неизвестное параметрическое семейство, x=(Re(X), Im(X)) - множество комплексных чисел. В нашей модели генеральное распределение представляет собой смесь К гауссиан, тогда f_ген(x) можно представить в виде:

где w_i - весовой коэффициент каждой компоненты смеси (доля от общего числа эмпирических точек); θ_i=(m_i, cov_i) - вектор параметров каждой компоненты смеси - совокупность вектора средних и ковариационной матрицы; θ_∑=(θ₁, θ₂, …, θ_M) - общий вектор неизвестных параметров генерального распределения.

Оценка производится по методу минимума хи-квадрат. Для получения оценки по данному методу пространство эмпирической выборки должно быть разбито предварительно на s<<N непересекающихся областей S₁, …, S_s, N - объем выборки. Искомой оценкой является такое значение вектора неизвестных параметров, при котором достигается минимум выражения:

где - относительно число реализаций случайной величины, попавших в область S_i; p_i(θ) - вероятность попадания случайной величины в область S_i, которая определяется:

Применительно к исходной задаче оценки дисперсии остаточного шума и отношения сигнал-шум на приемной стороне ограниченность объема выборки и вычислительных ресурсов ограничивает потенциал алгоритмов. Однако можно понизить размерность задачи, рассматривая эмпирическое распределение модулей-магнитуд комплексных ячеек .

Если комплексная случайная величина имеет гауссовское распределение, то ее модуль будет соответствовать распределению Райса. Тогда для некоторого набора передаваемых комплексных символов X_i, магнитуды которых равны m, распределение магнитуд ячеек после выравнивания будет иметь функцию плотности:

где А - магнитуда комплексного числа; I₀(x) - модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка.

В таком случае после распределения модулей всех будет представлять собой эмпирическую выборку из смеси некоторого числа Р, определяемого типом выбранной модуляции, частных распределений Райса с генеральной функцией плотности:

Для каждого значения SNR из выбранного диапазона проводится по десять измерений произведенных оценок дисперсии остаточного шума . На их основе производятся оценки отношения сигнал-шум по формуле:

где P_const - суммарная мощность позиций созвездия.

После определения ОСШ для принятого кодового слова сигнала обработку в зависимости от ОСШ начинает один из трех алгоритмов декодирования LDPC-кода.

Первым алгоритмом, используемым в предлагаемом способе декодирования LDPC-кода, является алгоритм "распространения доверия" (АРД), также известный под более общим названием - алгоритм "сумма-произведение" (АСП). В его основе лежит критерий максимума апостериорной вероятности, задачей которого является вычисление апостериорной вероятности того, что конкретный бит x_i в переданном кодовом слове x=[x₀, x₁, … x_N-1] равен единице, при принятом кодовом слове y=[y₀, y₁, … y_N-1].

p(x_i=1|y),

тогда отношение правдоподобия (ОП, likelihood ratio, LR) для этого бита равно:

,

или же в форме логарифмического отношения правдоподобия - ЛОП (log likelihood ratio):

.

Декодер инициализируется установкой всех исходящих из узла VNi сообщений L_i→j равными канальным ЛОП:

для всех i и j, для которых h_ij=1. Здесь y_i обозначает принятое из канала значение для символа i.

Условие прекращения декодирования - равенство нулю синдрома:

,

где кодовое слово - предположительный результат декодирования.

Таким образом, алгоритм АРД можно представить в виде следующих шагов:

1. Инициализация. В зависимости от используемой модели канала связи для всех узлов i инициализируют значения L_i по следующей формуле:

Затем для всех i и j, для которых h_ij=1, устанавливают L_i→j=L_i.

2. Обновление проверочных узлов. Для всех проверочных узлов CN вычисляют исходящие сообщения L_j→i:

и передают их соответствующим информационным узлам VN.

3. Обновление битовых узлов. Вычисляют сообщения L_i→j, исходящие от информационных узлов VN:

и передают их соответствующим проверочным узлам.

4. Вычисление апостериорных ЛОП. Для всех j=0, 1 …, N-1 вычисляют:

5. Получение жестких решений. Для всех i=0, 1 …, N-1 находят жесткие решения:

.

6. Проверка условия остановки. Вычисляют синдром . Если или число итераций достигло максимума, вычисления прекращаются, a считается результатом декодирования, в противном случае вычисления продолжаются с шага 2.

Данный алгоритм (АРД) очень хорошо справляется с декодированием сигналов даже при очень низком уровне отношения сигнал-шум (ОСШ). Однако имеет ряд недостатков. Самым существенным недостатком предложенного Галлагером алгоритма является высокая сложность его реализации.

Еще одним алгоритмом, используемым в предлагаемом способе декодирования LDPC-кода, является алгоритм "минимум-сумма" (АМС).

Обобщенная форма записи алгоритма минимальной суммы имеет вид:

1. Инициализация. Для всех узлов i инициализируют значения L_i по (8) в зависимости от используемой модели канала связи. Затем для всех i и j, для которых h_ij=1, устанавливают L_i→j=L_i.

2. Обновление проверочных узлов. Для всех проверочных узлов CN вычисляют исходящие сообщения: L_j→i:

и передают их соответствующим информационным узлам VN.

3. Обновление битовых узлов. Вычисляют сообщения L_i→j, исходящие от информационных узлов VN:

,

и передают их соответствующим проверочным узлам.

4. Вычисление апостериорных ЛОП. Для всех j=0, 1 …, N-1 вычисляют:

.

5. Получение жестких решений. Для всех i=0, 1 …, N-1 находят жесткие решения:

.

6. Проверка условия остановки. Вычисляют синдром . Если или число итераций достигло максимума, вычисления прекращаются, а считается результатом декодирования, в противном случае вычисления продолжаются с шага 2.

Достоинством алгоритма АМС является то, что значение исходящего сообщения для каждого информационного узла может быть вычислено нахождением всего двух минимальных значений достоверностей, входящих в проверку (что требует всего 1-log₂d_r-3 операций [Fossorier М., Mihaljevich М., Imai Н. Reduced complexity iterative decoding of low density parity check codes based on belief propagation, IEEE Transactions on Communications. - 1999, May. - Vol. 47. - №5. - pp. 673-680]), плюс вычисление его знака:

.

Второе несомненное достоинство заключается в том, что при использовании модели канала с АБГШ инициализация может осуществляться не канальными ЛОП, а принятыми из канала амплитудами соответствующих бит.

К недостаткам алгоритма (АМС) можно отнести низкую производительность при ОСШ меньше 1,5 дБ относительно алгоритма АРД, а также вычислительную неэффективность при ОСШ больше 5 дБ относительно алгоритма вычисления апостериорных вероятностей.

Еще одним алгоритмом, используемым в предлагаемом способе декодирования LDPC-кода, является алгоритм вычисления апостериорных вероятностей (ААВ).

Алгоритм вычисления апостериорных вероятностей (алгоритм АВ, ААВ, aposteriory probability, АРР) получил свое название благодаря шагу обновления битовых узлов - если в других АРД-подобных алгоритмах на этом шаге вычислялось сообщение (сумма ЛОП - за исключением ЛОП, исходящего из рассматриваемого узла), то в этом алгоритме сразу осуществляется расчет апостериорных вероятностей, именно они используются для дальнейших расчетов. Алгоритм АВ можно рассматривать как дальнейшее упрощение алгоритма АМС. Этот алгоритм отличается от алгоритма АМС шагом обновления битовых узлов. Здесь вычисляется только одно исходящее сообщение от битового узла i, вместо d_c (L_i вместо L_i→j), как это было во всех алгоритмах, основанных на алгоритме АСП. Выражение для подсчета исходящих из информационного узла сообщений имеет вид:

Обобщенная форма записи алгоритма имеет вид:

1. Инициализация. В зависимости от используемой модели канала связи для всех узлов i инициализируют значения L_i по формуле

Затем для всех i и j, для которых h_ij=1, устанавливают L_i→j=L_i.

2. Обновление проверочных узлов. Для всех проверочных узлов CN вычисляют исходящие сообщения L_j→i:

и передают их соответствующим информационным узлам VN.

3. Обновление битовых узлов. Вычисляют сообщения L_i→j, исходящие от информационных узлов VN:

и передают их соответствующим проверочным узлам.

4. Получение жестких решений. Для всех i=0, 1 …, N-1 находят жесткие решения:

.

5. Проверка условия остановки. Вычисляют синдром . Если или число итераций достигло максимума, вычисления прекращаются, a считается результатом декодирования, в противном случае вычисления продолжаются с шага 2.

Введение упрощения, применяемого в данном алгоритме, приводит к значительному ухудшению эффективности декодирования, с другой стороны, это позволяет существенно снизить вычислительные затраты и затраты памяти на реализацию алгоритма.

После декодирования кодового слова одним из трех алгоритмов происходит запись декодированного сигнала в общий массив декодированного сигнала.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Для принятого кодового слова сигнала в блоке определения отношения сигнал-шум 1 определяется отношение сигнал-шум. Далее в зависимости от определенного для принятого кодового слова значения ОСШ происходит переключение на оптимальный для данного значения отношения сигнал-шум алгоритм декодирования. Если значение ОСШ меньше 1,8 дБ, то обработка принятого кодового слова сигнала осуществляется блоком 3 вычисления алгоритма «распространения доверия». В случае, если значение ОСШ в диапазоне от 1,8 дБ до 4,95 дБ, то обработка принятого кодового слова сигнала осуществляется блоком 4 вычисления алгоритма «минимум-сумма». Если значение ОСШ больше 4,95 дБ, то обработка принятого кодового слова сигнала осуществляется блоком 5 вычисления алгоритма «апостериорных вероятностей».

После декодирования блок 6 объединения декодированного сигнала принимает информацию с задействованного блока декодирования сигнала и добавляет ее в общий массив декодированного сигнала.

Устройство просто и может быть реализовано на миникомпьютере Hardkernel Odroid XU4 с процессором ARM, 8 ядер. Язык реализации C/C++, возможно использование технологии openCL.

Предлагаемый способ оперативен, точен и позволяет снизить затраты на декодирование в 3,43-4,93 раза в зависимости от используемой структуры декодера по сравнению с использованием только алгоритма АРД и в 1,95 раз по сравнению с использованием только алгоритма АМС.

Изобретение относится к системам телекоммуникаций и эфирным видеоинформационным системам вещания и может найти применение в декодерах устройств приема дискретной информации. Технический результат заключается в снижении средней вычислительной сложности декодирования с сохранением качества декодирования принятого сигнала. Для этого способ декодирования LDPC-кодов, включающий определение соотношения сигнал-шум для каждого принятого кодового слова сигнала и декодирование принятых кодовых слов сигнала на основе алгоритма «распространения доверия» и «на основе алгоритма «минимум-сумма», отличающийся тем, что введено декодирование на основе алгоритма «апостериорных вероятностей», для каждого алгоритма устанавливают диапазон значений сигнал-шум, причем осуществляют переключение алгоритмов в зависимости от значения сигнал-шум для каждого слова с последующим последовательным объединением результатов декодирования сигналов по разным алгоритмам, при этом алгоритм «распространения доверия» применяют при значениях отношения сигнал-шум меньше 1,8 дБ, алгоритм «минимум-сумма» - при значениях сигнал-шум в диапазоне от 1,8 дБ до 4,95 дБ, алгоритм «апостериорных вероятностей» - при значениях отношения сигнал-шум больше 4,95 дБ. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ декодирования LDPC-кодов, включающий определение соотношения сигнал-шум для каждого принятого кодового слова сигнала и декодирование принятых кодовых слов сигнала на основе алгоритма «распространения доверия» и «на основе алгоритма «минимум-сумма», отличающийся тем, что введено декодирование на основе алгоритма «апостериорных вероятностей», для каждого алгоритма устанавливают диапазон значений сигнал-шум, причем осуществляют переключение алгоритмов в зависимости от значения сигнал-шум для каждого слова с последующим последовательным объединением результатов декодирования сигналов по разным алгоритмам, при этом алгоритм «распространения доверия» применяют при значениях отношения сигнал-шум меньше 1,8 дБ, алгоритм «минимум-сумма» - при значениях сигнал-шум в диапазоне от 1,8 дБ до 4,95 дБ, алгоритм «апостериорных вероятностей» - при значениях отношения сигнал-шум больше 4,95 дБ.

2. Устройство декодирования LDPC-кодов, включающее блок определения отношения сигнал-шум, соединенный выходом с коммутатором, блок вычисления алгоритма «распространения доверия», блок вычисления алгоритма «минимум-сумма», отличающееся тем, что введены блок вычисления алгоритма «апостериорных вероятностей» и блок объединения результатов декодирования сигналов по разным алгоритмам, причем первый, второй и третий выходы коммутатора соединены соответственно со входами блока вычисления алгоритма «распространения доверия», блока вычисления алгоритма «минимум-сумма» и блока вычисления алгоритма «апостериорных вероятностей», выходы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока объединения результатов декодирования сигналов по разным алгоритмам, выход которого является выходом устройства, входом которого является вход блока определения отношения сигнал-шум, при этом алгоритм «распространения доверия» применяют при значениях отношения сигнал-шум меньше 1,8 дБ, алгоритм «минимум-сумма» - при значениях сигнал-шум в диапазоне от 1,8 дБ до 4,95 дБ, алгоритм «апостериорных вероятностей» - при значениях отношения сигнал-шум больше 4,95 дБ.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что блок определения отношения сигнал-шум выполнен с возможностью задания диапазона значений отношения сигнал-шум соответственно для каждого блока вычисления алгоритма декодирования.