[發明專利]一種有限碼長的高進制Raptor碼編譯碼方法

在審

• 申請號: 201710624145.2
• 申請日: 2017-07-27
• 公開（公告）號: CN107483147A
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 焦健;張可;馮博文;黃子軒;吳紹華;張欽宇
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學深圳研究生院
• 主分類號: H04L1/00
• 分類號: H04L1/00;H03M13/37
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所(普通合伙)44248
• 代理人: 胡吉科

技術領域

本發明屬于通信中的查錯控制技術領域，具體涉及一種有限碼長的高進制Raptor碼編譯碼方法。

背景技術

在未來的無線通信技術設想中，出現了一些新的應用場景，比如超高可靠通信和大規模機器對機器通信場景，這些新型的應用場景對通信傳輸有很多新的需求，給物理層及控制層的設計帶來了新的挑戰。

在上述場景下有一個共同的需求，這就需要在物理層的設計中，使用短碼長的碼字進行傳輸，并盡可能地降低發送端的傳輸能耗和編碼復雜度，因此，中短碼長，特別是短碼長的碼字研究和應用將會變得愈發重要。不幸的是，當使用大碼長碼字在無線信道中進行傳輸時并考慮其傳輸可靠性時，由于大數定理的存在，信道中的熱噪聲和衰落可以被均衡，然而短碼長的碼字無法做到這一點。因此，直接將現有編碼算法的短碼長碼字，應用在傳統無線系統中，將會造成碼字譯碼性能的降低。

為了解決這個問題，很多針對物理層和控制層設計的新技術被提出，其中，高進制的編碼技術成為了針對短碼長碼字設計的重點研究方向。

無速率碼在有限長領域因其無需反饋信道、拓展性強、適應時變信道等特性也引起了學界的廣泛關注，以低密度生成矩陣碼(LDGM)為預編碼的系統Raptor碼(R10碼)的編碼方案已被作為標準系統Raptor碼，并被納入3GPP MBMS的傳輸標準中。在此基礎上，3GPP面向4G LTE及未來的5G通信需求，進一步開發多進制系統Raptor碼技術草案，目前已提出了RQ碼的技術草案。作為R10碼的增強型編碼方式，RQ碼在成功譯碼時所需的開銷更少且能夠支持更長碼長的碼字進行傳輸，因此相比R10碼，RQ碼可以應用在對碼字性能要求更高、更“苛刻”的應用場景下。

但是相應的，為了獲得更好的性能，RQ碼相比R10碼在生成矩陣的構造上更加復雜，且使用了高進制元素，因此其譯碼時間及編譯碼復雜度相比R10碼都大幅上升。當碼長為300，譯碼冗余為0.01時，R10碼的編譯碼時間為RQ碼的17％；當碼長為500，譯碼冗余為0.2時，R10碼的編譯碼時間為RQ碼的14.6％。但是，上述R10和RQ碼都是在無限碼長條件下獲得漸進性能，且在實際應用中也需要10⁴級的碼長才能獲得較好的性能。

不論R10碼還是RQ碼都是針對刪除信道而設計的有限長Raptor碼，在刪除信道下，其生成矩陣均是偽隨機矩陣，矩陣中各元素的生成由原始符號長度決定，一旦原始符號長度k確定，則生成矩陣確定且保證滿秩，譯碼失敗概率為0。但是在未來對碼字性能較“嚴苛”的新型通信應用場景中，R10碼支持的信息分組長度較短，而RQ碼的編譯碼復雜度太高，我們還需要尋找新的有限長高性能無速率碼，以適用于未來的移動通信應用場景。

發明內容

為解決現有技術中存在的問題，本發明基于R10和RQ碼的系統碼構造思想，在保證生成矩陣隨機性和預編碼過程的基礎上，加入高進制元素進行編碼，提出了一種新的有限長高進制Raptor碼的編碼方案，并推導得到了這種高進制碼字的ML譯碼性能界，該性能界可以通過改變編碼參數及不同的進制選擇，對碼字的譯碼失敗概率性能進行評估。

本發明具體通過如下技術方案實現：

一種有限碼長的高進制Raptor碼編譯碼方法，包括對原始符號數量為k的數據進行預編碼，得到長度為n的中間符號，再對中間符號進行LT編碼，得到編碼冗余為γ的逼近有限碼長條件下性能極限的Raptor碼；所述預編碼碼字Φ為高進制LDGM碼集合Φ(n,k,η)，整個Raptor碼的預編碼生成矩陣及LT碼生成矩陣中的元素和原始符號b均為q元域上的高進制元素，所述預編碼碼字的生成矩陣滿秩，中每一行的非零元素的出現概率為伯努利變量η；LT編碼生成矩陣按照度分布Ω進行矩陣構造，其中Ω＝(Ω₁,Ω₂,...Ω_n)，每一行的度值d服從概率分布且生成矩陣和中的非零元素都是隨機產生的，定義高進制Raptor碼中高進制非零元素的生成矩陣為GF(q)中所有的非零元素的合集，即對任意一個高進制Raptor碼中的非零元素x，有：

其中，F_q為有限域的數學表達形式F_q＝GF(log₂(q))。

進一步地，所述碼長小于40。

進一步地，所述高進制Raptor碼譯碼采用ML譯碼算法。

進一步地，所述高進制Raptor碼的譯碼失敗概率性能上界為：