用于將校驗(yàn)不規(guī)則非系統(tǒng)ira碼編碼和解碼的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于將校驗(yàn)不規(guī)則非系統(tǒng)I RA碼編碼和解碼的系統(tǒng)和方法
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求由相同發(fā)明人于2012年12月3日提交的、題為"用于將校驗(yàn)不規(guī)則非 系統(tǒng)IRA碼編碼和解碼的系統(tǒng)和方法"的第13/693, 029號美國專利申請的優(yōu)先權(quán)，其全部 內(nèi)容通過引用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及用于在其中期望實(shí)現(xiàn)編碼的的容量的任何通信系統(tǒng)中編碼和解碼消 息的方法和系統(tǒng)，其中該通信系統(tǒng)包括全數(shù)字或混合數(shù)字無線電（HD無線電或HDR)通信發(fā) 射器和接收器，以及其他無線或有線通信系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004] Turbo碼和低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC)碼是先進(jìn)的前向糾錯（FEC)方案。隨著信息塊 大小增大，已知這些碼性能接近香農(nóng)極限。同樣，這些碼在設(shè)計(jì)現(xiàn)代有線和無線通信系統(tǒng)， 諸如 3G 蜂窩、Wi-Fi、Wi-MAX、DVB-x (-C2/T2/S2、-SH、-RCS/RCS2、-NGH)、ADSL2+ 和遙測技 術(shù)（CCSDS)中以及對于磁盤的可靠性是有吸引力的。實(shí)踐中，考慮到并行解碼架構(gòu)，LDPC碼 可有效實(shí)施并實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)吞吐量。LDPC碼可具有比turbo碼更好的糾錯能力，尤其是對于 較高的編碼速率和較大的塊大小。如本領(lǐng)域中已知，不規(guī)則重復(fù)累積（IRA)碼是特征在于 比通常的LDPC碼更低的編碼復(fù)雜性的具有可比較的誤碼率性能的一類LDPC碼。
[0005] 在本領(lǐng)域中普遍意識到這些容量實(shí)現(xiàn)碼（例如，turbo、LDPC和IRA)需要是系統(tǒng) 性的以使得能夠在低信噪比實(shí)現(xiàn)其收斂。在系統(tǒng)碼中，信息位與編碼位或奇偶校驗(yàn)位一起 經(jīng)由信道傳輸。信息數(shù)目對奇偶校驗(yàn)位數(shù)目的比率取決于編碼率（R)。在非系統(tǒng)碼中，不 傳輸信息位但僅傳輸編碼位。直到近來，缺少關(guān)于非系統(tǒng)容量實(shí)現(xiàn)碼的工作。然而，應(yīng)注意 在某些現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中，非系統(tǒng)IRA碼可與系統(tǒng)IRA碼一樣執(zhí)行。重要地，在一些通信情境 下，非系統(tǒng)容量實(shí)現(xiàn)碼可具有優(yōu)于系統(tǒng)容量實(shí)現(xiàn)碼的顯著優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 非系統(tǒng)碼優(yōu)于系統(tǒng)碼的典型情境是：（i)在所接收的編碼位流的一小部分上存在 強(qiáng)干擾或其他信道損害；（ii)衛(wèi)星分集（當(dāng)由于嚴(yán)重的遮蔽或多徑衰落因此來自一個(gè)衛(wèi)星 的信號損失時(shí)）；傳輸，或通常的傳輸分集（例如，來自兩個(gè)或更多個(gè)站點(diǎn)或天線 的信號傳輸，或在時(shí)間或頻率上的多個(gè)信號傳輸）；以及（iv)混合自動重復(fù)請求（HARQ或 混合ARQ)系統(tǒng)（其中包重發(fā)可采用全互補(bǔ)編碼位）。
[0007] 例如，在具有雙衛(wèi)星分集的系統(tǒng)諸如Sirius衛(wèi)星數(shù)字無線電系統(tǒng)中，例如，其中 相同信息包從兩個(gè)衛(wèi)星傳輸，期望在兩個(gè)衛(wèi)星編碼符號流上實(shí)施互補(bǔ)編碼，使得每個(gè)流具 有編碼率R但來自兩個(gè)流的組合信號具有編碼率R/2。這可用非系統(tǒng)碼通過采用速率R/2 的已編碼流的互補(bǔ)刪余（puncturing)以獲得每個(gè)的速率均為R的兩個(gè)互補(bǔ)的已編碼流容 易地實(shí)現(xiàn)。因此，當(dāng)來自兩個(gè)衛(wèi)星的信號都有效接收時(shí)，接收具有強(qiáng)FEC的組合信號。如果 來自衛(wèi)星中的一個(gè)的信號被樹或建筑物衰減或遮擋，則來自另一衛(wèi)星的信號仍受速率R的 FEC碼保護(hù)。關(guān)于系統(tǒng)容量實(shí)現(xiàn)碼，互補(bǔ)編碼和組合不是有效的，因?yàn)橥ǔＫ邢到y(tǒng)位需要 在兩個(gè)流中重復(fù)，并且僅奇偶校驗(yàn)位可以是互補(bǔ)的，因此，引起組合信號中較低效的FEC保 護(hù)。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，在包括上述通信情境的其他前述通信情境下系統(tǒng)碼為什么不可 以是期望的相似推論是明顯的。因此，需要具有低錯誤平層的容量接近的非系統(tǒng)碼，包括改 善的IRA編碼策略。
[0008] 非系統(tǒng) IRA 碼的設(shè)計(jì)在 S. ten Brink 和G. Kramer/'Design of Repeat-Accumulate Codes for Iterative Detection and Decoding'，，IEEE Trans, on Signal Processing， Vol. 51，No. 11，pp. 2764-2772, 2003年11月中為了僅碼率R= 1/2,采用二進(jìn)制相移鍵控 (BPSK)調(diào)制而提出。S. ten Brink等人的方法的非系統(tǒng)IRA碼具有雙規(guī)則校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)， 度數(shù)1的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的子集，即也稱為校驗(yàn)旁路，用于摻雜，和剩余的度數(shù)3的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，也 稱為度數(shù)3的校驗(yàn)組合器。度數(shù)η的校驗(yàn)組合器執(zhí)行在{0,1}域中表示的η個(gè)輸入位的 模2加法。S. ten Brink等人的方法中的IRA碼的缺點(diǎn)中的一個(gè)是由于相對大部分的低度 數(shù)位重復(fù)節(jié)點(diǎn)引起的該碼展現(xiàn)相對高的錯誤平層。另外，需要非常大數(shù)目的迭代以實(shí)現(xiàn)收 斂。展現(xiàn)改善的錯誤平層的某些碼可通過用線性塊碼諸如漢明（8,4)塊碼替代一小部分度 數(shù) 2 的位碼來實(shí)現(xiàn)，與在 S. I. Park 和 K. Yang，"Extended Hamming Accumulate Codes and Modified Irregular Repeat Accumulate Codes'，，IEE Electronics Letters, Vol. 38, No. 10，pp. 467-468, 2002年5月中的IRA碼的情況一樣。Park等人的方法中的IRA碼是具 有度數(shù)3的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的校驗(yàn)規(guī)則碼。然而，實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果示出校驗(yàn)規(guī)則非系統(tǒng)IRA碼諸如 源自Park等人的該碼在許多情況下不收斂。
[0009] 因此，進(jìn)一步需要改善的IRA編碼策略，包括采用容量接近非系統(tǒng)IRA碼，其中該 IRA碼是不規(guī)則的并展現(xiàn)低錯誤平層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 根據(jù)某些實(shí)施方式，提供將不規(guī)則非系統(tǒng)IRA碼編碼和解碼的方法和系統(tǒng)，即包 括幫助開始迭代解碼的某一部分的度數(shù)1的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，以及較高度數(shù)例如度數(shù)3和4的一 些其他校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)。除改善解碼收斂速率和錯誤平層之外，通過具有改變位和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)度數(shù) 的自由，本文中所述的校驗(yàn)不規(guī)則非系統(tǒng)IRA碼優(yōu)選地還提供在設(shè)計(jì)各種期望的FEC速率 上的額外靈活性。IRA碼還以適度數(shù)目的迭代非常好地執(zhí)行。
[0011] 不失一般性，某些方面和實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)在以下部分中通過R= 1/3和R= 5/12 碼率與不同調(diào)制，諸如二進(jìn)制相移鍵控（BPSK)和64正交幅度調(diào)制（64-QAM)的示例來表 明。
[0012] 如先前解釋的那樣，在非系統(tǒng)碼的情況下，源自相同編碼器的單獨(dú)的高編碼率碼 可以互補(bǔ)形式在接收器適當(dāng)組合，產(chǎn)生低編碼率碼。例如，兩個(gè)非系統(tǒng)互補(bǔ)的R = 4/5碼的 組合產(chǎn)生R = 4/10 = 2/5非系統(tǒng)碼，并因此在接收器形成更強(qiáng)的碼。然而，這不是系統(tǒng)碼 諸如本領(lǐng)域中已知的系統(tǒng)turbo碼和LDPC碼的情況。在這些情況下，假設(shè)系統(tǒng)位在兩個(gè)組 件碼中重復(fù)（這是必需的，因?yàn)橄到y(tǒng)位的刪余導(dǎo)致顯著的性能惡化），則兩個(gè)系統(tǒng)R = 4/5 碼的組合產(chǎn)生R = 4/6 = 2/3系統(tǒng)碼。因此，預(yù)期組合信號流的性能相對于對應(yīng)的R = 2/5 非系統(tǒng)碼惡化。為此，非系統(tǒng)IRA碼具有特別的重要性，因?yàn)楫?dāng)在接收器處適當(dāng)組合時(shí)，其 產(chǎn)生具有較低等效碼率的更強(qiáng)碼。這使得非系統(tǒng)IRA碼的設(shè)計(jì)具有實(shí)際重要性，因?yàn)椋海╥) 其允許產(chǎn)生更強(qiáng)較低速率碼的較高速率碼的適當(dāng)組合；以及（ii)在一個(gè)較高速率碼損失 的情況下，解碼器仍能利用接收的僅一個(gè)較高速率碼操作。
[0013] 在一些實(shí)施方式中，校驗(yàn)不規(guī)則非系統(tǒng)IRA碼與互補(bǔ)刪余一起使用，以改善HD無 線電（HDR)數(shù)字廣播系統(tǒng)的性能。混合HDR是用于地面數(shù)字無線電廣播的系統(tǒng)，其中模擬 AM/FM和數(shù)字無線電信號基于正交頻分復(fù)用（OFDM)同時(shí)傳輸，其中數(shù)字信號在低功率級在 模擬主機(jī)信號的兩側(cè)上的子帶中傳輸。在全數(shù)字HDR系統(tǒng)中，僅傳輸數(shù)字OFDM子載波，但 上下邊帶可仍經(jīng)歷不同的信道損害。由于頻率選擇性多徑衰落和可能的鄰信道干擾（ACI)， 邊帶中之一中的信號可顯著受損。顯然一些接收器可在信道失真后損失一個(gè)邊帶，并且HDR 系統(tǒng)使用卷積碼在兩個(gè)邊帶上采用互補(bǔ)刪余/編碼，以在損失一個(gè)邊帶或沒有損失一個(gè)邊 帶的情況下允許最有效的解碼。然而，HDR系統(tǒng)中的卷積碼，以及一些情況下的鏈接的卷積 碼和Reed-Solomon碼遠(yuǎn)離信道容量進(jìn)行操作。在一些情況下，它們令人不滿意地執(zhí)行。因 此，通過采用與本發(fā)明的原理一致的更有效的FEC編碼來改善HDR系統(tǒng)的性能。
[0014] 在一些實(shí)施方式中，采用校驗(yàn)不規(guī)則非系統(tǒng)IRA碼而不是FEC碼用于混合（即，模 擬和數(shù)字）AM HDR。在其他實(shí)施方式中，采用校驗(yàn)不規(guī)則非系統(tǒng)IRA碼改善混合FM HDR的 性能。在一些實(shí)施方式中，校驗(yàn)不規(guī)則非系統(tǒng)IRA碼應(yīng)用于全數(shù)字AM HDR。在其他實(shí)施方 式中，校驗(yàn)不規(guī)則非系統(tǒng)IRA碼應(yīng)用于全數(shù)字FM HDR。
[0015] 在一些實(shí)施方式中，在多天線系統(tǒng)諸如snro、Miso和Mnro中有利地采用校驗(yàn)不規(guī) 則非系統(tǒng)IRA碼。
[0016] 在又一些實(shí)施方式中，在具有全互補(bǔ)編碼重傳的HARQ系統(tǒng)中有利地采用校驗(yàn)不 規(guī)則非系統(tǒng)IRA碼。
[0017] 本文中所述的方法和系統(tǒng)可以依靠信息位重復(fù)器、一個(gè)或多個(gè)交織器、校驗(yàn)節(jié)點(diǎn) 組合器、校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)旁路和累加器以將校驗(yàn)不規(guī)則非系統(tǒng)不規(guī)則重復(fù)累加碼編碼，并依靠一 個(gè)或多個(gè)調(diào)制映射器，并可用于包括AM或FM、全數(shù)字或混合系統(tǒng)、HD無線電系統(tǒng)的不同通 信系統(tǒng)。信息位重復(fù)器產(chǎn)生被交織的第一級編碼位。校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)組合器具有大于或等于2的 不同度數(shù)，并且其中至少之一包括一個(gè)或多個(gè)模2加法器。校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)旁路將該組第一級編 碼位轉(zhuǎn)到另一編碼級，累加器將其與源自校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)旁路的輸出一起編碼。累加器可用具有 較大存儲器順序的R=1的卷積碼替代。外部編碼器可在第一級編碼前將至少一些信息位 編碼。較不有效的源位可被引導(dǎo)至較不容錯的位置，而更有效的源位被引導(dǎo)至較高度數(shù)位 重復(fù)器。
[0018] 相似地，這些方法和系統(tǒng)可依靠解映射器、一個(gè)或多個(gè)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)處理器、累加器解 碼器、位解碼器與一個(gè)或多個(gè)交織器/去交織器，以將校驗(yàn)不規(guī)則非系統(tǒng)不規(guī)則重復(fù)累加 碼解碼，并可用于包括AM或FM、全數(shù)字或混合系統(tǒng)、HD無線電系統(tǒng)的不同通信系統(tǒng)。一個(gè) 或多個(gè)解映射器用于將接收的有噪音符號序列軟解調(diào)以產(chǎn)生第三級編碼位的對數(shù)似然比。 校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)處理器產(chǎn)生與源自進(jìn)入消息和源自先驗(yàn)信息（例如，交織的外部信息）的第一級 編碼位對應(yīng)的外發(fā)消息，并產(chǎn)生作為第二級編碼位的先驗(yàn)信息用于轉(zhuǎn)到累加器解碼器的第 二級編碼位的外部信息。累加器解碼器產(chǎn)生軟位，即與從第三級編碼位的對數(shù)似然比和先 驗(yàn)信息獲得的第二級編碼位對應(yīng)的外發(fā)消息，該先驗(yàn)信息對應(yīng)于第二級編碼位。位解碼器 處理與第一級編碼位對應(yīng)的去交織的更新進(jìn)入消息，以產(chǎn)生用于第一級編碼位的外部信息 和信息位軟輸出。交織器/去交織器分別將用于第一級編碼位的