基于循环差族的QC-LDPC码构造方法的研究

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低密度奇偶校验(Low Density Parity Check,LDPC)码是一种经典的线性分组码,其纠错性能极其逼近Shannon限,且由于其校验矩阵具有稀疏特性,它还具有编译码复杂度低、便于硬件实现的优点。准循环(Quasi-Cyclic,QC)-LDPC码是一种结构型LDPC码,其校验矩阵具有准循环特性,可通过结构简单的线性移位寄存器实现高效编码,所需存储空间少,硬件实现复杂度低,已成为了编码界的研究焦点。循环差族(Cyclic Difference Family,CDF)理论是组合数学中一类十分重要的设计理论,循环差集(Cyclic Difference Set,CDS)属于CDF的一个子类,它们在通信系统的信道编码领域都有很好的应用。本文在CDF及CDS的基础上,针对QC-LDPC码的构造方法进行研究,主要研究工作如下:1.针对当前通过打孔构造的码率可变的QC-LDPC码的校验矩阵较大而复杂度高的问题,基于CDF提出了一种无4环的码率可变的Type-I QC-LDPC码的构造方法。该方法通过灵活地选择CDF的参数t及k来构造基矩阵,从而构造出一种码率可变的Type-I QC-LDPC码。由于基矩阵P由循环矩阵和单位矩阵排列组成,因此,该Type-I QC-LDPC码储存复杂度仅考虑对基矩阵P中的循环矩阵的首行及单位矩阵中的1元素的存储,极大地降低了矩阵H所需要的存储空间。相应地,这也一定程度上降低了硬件实现的复杂度。仿真结果表明:在误比特率(Bit Error Rate,BER)为10-5时,该方法构造的码率为2/3的Type-I QC-LDPC码与随机构造的同码长码率的Mackay码和渐进边增长(Progressive Edge Growth,PEG)码相比,净编码增益(Net Coding Gain,NCG)均提升了约0.1dB。2.通过对Type-II QC-LDPC码的研究发现,与Type-I QC-LDPC码相比它具有更高的最小距离上界,从而抗干扰能力更好。针对当前Type-II QC-LDPC码的校验矩阵中存在权重为2的循环矩阵(Weight-2 Circulant Matrices,W2CM)导致Tanner图更容易产生短环,从而影响迭代译码收敛性的问题,基于完备CDS提出了一种围长(girth)为8的Type-II QC-LDPC码的新颖构造方法。该方法构造的校验矩阵由权重为0的零矩阵、权重为1的单位矩阵和W2CM组成,保留了Type-II QC-LDPC码的具有更高最小距离上界的优点,改善了码的纠错性能;且Tanner图中无4、6环的出现,在高信噪比区域具有良好的译码收敛性。仿真结果表明:在BER为10-5、码率为0.5的相同条件下,该方法所构造的girth-8 Type-II CDS-QC-LDPC(2184,1092)码比girth-6 Type-II CDS-QC-LDPC(2212,1108)码和基于最大公约数(Greatest Common Divisor,GCD)构造的girth-8 Type-I GCD-QC-LDPC(2200,1100)码的NCG分别提升了0.39dB和0.11dB;所构造的girth-8 Type-II CDS-QC-LDPC(6056,3028)码比基于Sidon序列构造的girth-6 Type-II Sidon-QC-LDPC(6056,3028)码和girth-8Type-I GCD-QC-LDPC(6100,3050)码的NCG分别提升了0.38dB和0.12dB。3.针对Type-II QC-LDPC码采用传统生成矩阵编码算法而复杂度较高的问题,基于完备CDS提出了一种可快速编码的非规则Type-II QC-LDPC码的新颖构造方法。该方法构造的校验矩阵H由权重为0的零矩阵、权重为1的循环置换矩阵和权重为2的W2CM组成,W2CM的引入可使码字之间的最小距离具有更大值,改善了码的纠错性能;Tanner图中围长至少为6,译码收敛性良好;并且校验矩阵H具有准双对角线结构,可直接利用校验矩阵进行快速编码,有效降低了LDPC码的编码复杂度。且仿真结果表明:在BER为10-5、码率为0.5的条件下,该方法所构造的非规则Type-II CDS QC-LDPC(1098,549)码与规则Type-II CDS QC-LDPC(1092,546)码和基于等差数列(Arithmetic Progression Sequence,APS)构造的Type-I APS-QC-LDPC(1008,504)码相比,NCG分别提升了0.39dB和0.22dB;在BER为10-5、码率为0.67的条件下,该方法构造的非规则Type-II CDS QC-LDPC(4977,3318)码比通过删除校验矩阵的行构造的码长相当的QC-LDPC(4665,3114)码和规则Type-II CDS QC-LDPC(5226,3486)码的NCG分别提升了0.59dB和0.31dB。
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