羅路為,雷迎科,李 昕,邵 堃
(國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院,合肥,230037)
隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的編碼方式已經(jīng)漸漸不適用現(xiàn)代通信的需求,新型編碼體制的應(yīng)用范圍已經(jīng)十分廣泛[1]。在各類(lèi)新型編碼方式中,LDPC碼因其具有接近香農(nóng)極限的糾錯(cuò)性能,以及譯碼簡(jiǎn)單譯碼錯(cuò)誤可檢測(cè)等優(yōu)異性能,十分有利于高速信息傳輸[2]。因此,各種通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)廣泛采用了LDPC編碼。然而,目前大部分算法都是針對(duì)LDPC碼的閉集識(shí)別。LDPC碼的閉集識(shí)別是指,已知信息發(fā)送者所采用的協(xié)議,在協(xié)議規(guī)定的數(shù)種LDPC碼的集合內(nèi),對(duì)其編碼參數(shù)進(jìn)行識(shí)別,待識(shí)別的碼是該“閉集”中的一個(gè)。若是沒(méi)有或僅有少量這樣有先驗(yàn)信息則是開(kāi)集識(shí)別[3]。開(kāi)集識(shí)別是要識(shí)別的LDPC碼是“無(wú)數(shù)”中可能性中的一種。然而,LDPC碼僅用一個(gè)稀疏校驗(yàn)矩陣來(lái)定義而且碼長(zhǎng)較長(zhǎng),致使傳統(tǒng)的信道編碼識(shí)別方法根本不適用于LDPC碼的開(kāi)集識(shí)別,該問(wèn)題成為信道編碼識(shí)別中的一個(gè)難點(diǎn)[4]。
根據(jù)已經(jīng)公開(kāi)的文獻(xiàn),針對(duì)LDPC碼的識(shí)別技術(shù),國(guó)內(nèi)外已經(jīng)展開(kāi)了研究。文獻(xiàn)[5]提出了一種LDPC碼校驗(yàn)向量的識(shí)別方法,該方法依次搜索信道編碼預(yù)設(shè)集合中所有校驗(yàn)矩陣,用伴隨式Hamming重量最低的參數(shù)組合作為識(shí)別結(jié)果,但是這種方法需要接收序列中有足夠長(zhǎng)的無(wú)誤碼序列,因此在噪聲環(huán)境復(fù)雜的識(shí)別過(guò)程中,該算法的識(shí)別性能十分有限,識(shí)別效果也不盡人意。文獻(xiàn)[6]通過(guò)對(duì)已識(shí)別出的校驗(yàn)向量進(jìn)行加權(quán),利用已加權(quán)的校驗(yàn)向量進(jìn)行接收序列的迭代譯碼,重構(gòu)了(108,3,6)的規(guī)則LDPC碼。文獻(xiàn)[7]提出一種基于后驗(yàn)概率的LDPC碼校驗(yàn)矩陣的識(shí)別方法,利用后驗(yàn)概率對(duì)數(shù)似然比均值最大化準(zhǔn)則,實(shí)現(xiàn)了LDPC碼校驗(yàn)矩陣的逆向識(shí)別。但是該算法只能對(duì)具有準(zhǔn)循環(huán)結(jié)構(gòu)的校驗(yàn)矩陣進(jìn)行識(shí)別,具有一定的局限性,而且該算法的容錯(cuò)性很差,對(duì)信噪比有一定的要求。文獻(xiàn)[8]打破傳統(tǒng)束縛,提出一種LDPC碼稀疏校驗(yàn)矩陣的重建方法。通過(guò)對(duì)校驗(yàn)向量的行重進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了無(wú)誤碼條件下LDPC碼校驗(yàn)矩陣的有效重建。然而該方法在誤碼條件下,對(duì)于長(zhǎng)碼長(zhǎng)的LDPC碼,算法的識(shí)別性能不理想。
針對(duì)以上問(wèn)題,本文利用信道輸出的軟信息,對(duì)信道編碼識(shí)別方法進(jìn)行深入研究。結(jié)合軟判決序列分析法和現(xiàn)有的有限域LDPC碼開(kāi)集識(shí)別方法,提出一種利用軟判決的LDPC碼校驗(yàn)向量的迭代識(shí)別算法。
圖1為本文識(shí)別算法所應(yīng)用的基本通信模型。在發(fā)送端,記長(zhǎng)度為k的發(fā)送信息序列為bi=(bi,1,bi,2,…,bi,k),i是序列編號(hào),bi中的元素由LDPC碼編碼器編碼后,發(fā)送信息序列bi生成碼長(zhǎng)為n的碼字序列ci=(ci,1,ci,2,…,ci,n),ci,j∈GF(2),j=1,2,…,n。然后對(duì)碼字序列ci進(jìn)行調(diào)制(在本文中調(diào)制方式設(shè)為BPSK),最后將調(diào)制后的信號(hào)si發(fā)送至AWGN信道(噪聲功率為 σ2)上傳輸[9]。
圖1 開(kāi)集識(shí)別問(wèn)題的基本通信模型Fig.1 Basic communication model for open set identification problem
在接收端,首先對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào),解調(diào)方式有兩種:硬判決序列記為ai=(ai,1,ai,2,…,ai,n),軟判決序列記為ri=(ri,1,ri,2,…,ri,n),其中ai,j∈GF(2),ri,j∈R。本文研究的問(wèn)題可表述為:利用軟判決序列ri對(duì)LDPC碼的校驗(yàn)向量進(jìn)行迭代識(shí)別,然后由識(shí)別出的校驗(yàn)矩陣H?對(duì)接收序列ri進(jìn)行譯碼,為恢復(fù)信息序列b?i提供先驗(yàn)條件。
通常LDPC碼的識(shí)別主要包含:碼長(zhǎng)n,碼組起點(diǎn)和校驗(yàn)矩陣。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,通常LDPC碼的每一幀數(shù)據(jù)中只有1~2個(gè)完整的碼字,因此可以通過(guò)對(duì)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析來(lái)獲得碼組起點(diǎn)和碼長(zhǎng)n。由于本文主要是針對(duì)LDPC碼校驗(yàn)矩陣的識(shí)別,所以不討論LDPC碼的碼長(zhǎng)和碼組起點(diǎn)。
本文為利用軟判決接收條件下的校驗(yàn)關(guān)系,首先給出后驗(yàn)概率對(duì)數(shù)似然比(Log-likelihood ratio,LLR)的定義和性質(zhì)。GF(2)域上的隨機(jī)變量X和實(shí)數(shù)域上的隨機(jī)變量Y,在Y的條件下,定義X的后驗(yàn)對(duì)數(shù)似然比Lr(X|Y)為
根據(jù)Bayes理論,Lr(X|Y)可作如下恒等變換[10]
特別地,當(dāng)隨機(jī)變量X等概分布時(shí),Lr(X)=0,此時(shí),Lr(X|Y)=Lr(Y|X)。
由文獻(xiàn)[11]可知,LLR函數(shù)的部分運(yùn)算律如下:
兩個(gè)二維隨機(jī)變量(X1,Y1),(X2,Y2),其獨(dú)立同分布隨機(jī)變量X1,X2定義在GF(2)域上,而Y1,Y2定義在實(shí)數(shù)域上。那么X1⊕X2的后驗(yàn)對(duì)數(shù)似然比Lr(X1⊕X2|Y1,Y2)為
式中:“⊕”表示GF(2)域上的求和運(yùn)算;“?”為如式(4)所示的定義運(yùn)算。
由式(4)可以進(jìn)行多個(gè)二維隨機(jī)變量的推廣。對(duì)于N個(gè)二維隨機(jī)變量(X1,Y1),(X2,Y2),…,(XN,YN),有
在式(5)中,雙曲正切函數(shù)tanh(·)的運(yùn)算比較復(fù)雜,實(shí)際應(yīng)用中通常將式(5)近似為
對(duì)GF(2)域上任意一個(gè)n維向量xv=(xv,1,xv,2,…,xv,n)T,定義碼字ci與xv之間的校驗(yàn)關(guān)系為
記LDPC碼的校驗(yàn)向量構(gòu)成空間e⊥。由LDPC碼的性質(zhì)可知,當(dāng)xv∈e⊥時(shí),對(duì)任意碼字ci,總有ci·xv=0成立;而當(dāng) xv? e⊥時(shí),則 ci·xv等概地為“0”或“1”。結(jié)合式(1—6),在軟判決條件下,可定義式(7)的校驗(yàn)關(guān)系對(duì)數(shù)似然比(Check-relations log-likelihood ratio,CLLR)為
通常情況下,式(8)中的后驗(yàn)概率對(duì)數(shù)似然比Lr(ci,t|ri,t)未知,可以利用式(2)的結(jié)論,展開(kāi)Lr(ci,t|ri,t)為L(zhǎng)r(ri,t|ci,t)+Lr(ci,t)。因?yàn)閷?duì)于任意信道編碼而言,發(fā)送比特ci,t為0或1的概率幾乎相等,此時(shí)Lr(ci,t)=0,則有
圖1中,在噪聲功率為σ2的AWGN信道模型下,與BPSK調(diào)制相對(duì)應(yīng)的似然概率LLR有以下等式成立[12]。
記假設(shè) H0:xv∈ e⊥,H1:xv? e⊥。綜合式(7,8)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng) xv∈ e⊥時(shí),有 ci·xv=0成立,與之相對(duì)應(yīng)為正數(shù)的概率很大;相反,當(dāng)xv?e⊥時(shí),由于碼字ci與xv之間不存在約束關(guān)系,因而的取值正負(fù)不定。
接下來(lái)對(duì)假設(shè)H0,H1進(jìn)行檢驗(yàn)。首先要獲取在假設(shè)H0,H1下的概率分布。但是在式(8)中定義比較復(fù)雜,以至于精確求解概率分布函數(shù)特別困難。文獻(xiàn)[13]根據(jù)編碼分析的經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的概率分布為正態(tài)分布,從其實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,將設(shè)為正態(tài)分布能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)假設(shè)H0,H1的檢驗(yàn)。本文結(jié)合文獻(xiàn)[13]的方法,在低信噪比條件下,分析LDPC碼時(shí),設(shè)定在假設(shè)H0,H1下的概率密度函數(shù)為正態(tài)分布,即有
假設(shè)檢驗(yàn)后,從一組包含N個(gè)碼字的接收序列可以得到分布參數(shù)的估計(jì)值別為
通常對(duì)于長(zhǎng)碼長(zhǎng)的LDPC碼,校驗(yàn)向量的搜索空間極其龐大,運(yùn)算量也非常大。針對(duì)該問(wèn)題,本文將搜索校驗(yàn)向量的過(guò)程巧妙地分為兩步:(1)采用文獻(xiàn)[5]的方法,尋找最小漢明重量向量,將整個(gè)搜索的n維向量空間迅速縮小至一個(gè)低維的預(yù)搜索空間;(2)采用對(duì)偶空間法精細(xì)判決預(yù)搜索空間中的向量,最后可以得到預(yù)期的校驗(yàn)矩陣。
在利用解調(diào)軟判決接收序列時(shí),為使得在構(gòu)造預(yù)搜索空間時(shí),盡可能降低算法的復(fù)雜度,本文結(jié)合LDPC碼的自身特性,利用軟判決序列所提供的可靠度信息,對(duì)某些特定的向量進(jìn)行針對(duì)性分析判斷[14]。第1步,利用LDPC碼校驗(yàn)向量的稀疏特性,把校驗(yàn)向量的搜索范圍限定在低重量的向量上。例如在規(guī)則LDPC碼中,記其校驗(yàn)向量的Hamming重量為P0,則校驗(yàn)向量的搜索區(qū)間可固定在Hamming重量為P0的向量上。在非合作通信條件下,若接收方?jīng)]有關(guān)于P0的先驗(yàn)知識(shí),可以設(shè)定P0的可能取值集合為Λ={1,2,…,P},此時(shí)校驗(yàn)向量的搜索區(qū)間為Hamming重量小于P的n維向量。第2步,利用式(8)中的校驗(yàn)關(guān)系,可以根據(jù)在H0,H1兩種假設(shè)下取值的差異,排除不滿(mǎn)足校驗(yàn)關(guān)系的向量,進(jìn)而得到較小的預(yù)搜索空間Ω。
綜上所述,本文利用CLLR的預(yù)搜索空間構(gòu)造算法,通過(guò)將可靠的CLLR和LDPC碼校驗(yàn)向量的稀疏特性相結(jié)合,盡可能地壓縮預(yù)搜索空間。在低重量的n維空間中,快速剔除非校驗(yàn)向量,獲取規(guī)模較小的預(yù)搜索空間Ω。接下來(lái)用規(guī)則LDPC碼為例,對(duì)該方法進(jìn)行分析說(shuō)明。
在一組包含較多接收序列的接收數(shù)據(jù)中,為了迅速提取接收數(shù)據(jù)的特征,可以構(gòu)造分析矩陣,記為R'=(r1,r2,…,rB),分析矩陣R'是從N個(gè)接收序列中任意選取B個(gè)序列作為樣本。令當(dāng)前識(shí)別向量的Hamming重量為p,其中p∈Λ。對(duì)于Hamming重量為p的xv對(duì)應(yīng)于R',根據(jù)式(12),可以得到xv對(duì)應(yīng)于R'的CLLR為
因?yàn)樵?.2節(jié)構(gòu)造的預(yù)搜索空間Ω中,雖然有大量的校驗(yàn)向量,但仍會(huì)存在非校驗(yàn)向量,這就需要判定預(yù)搜索空間Ω中的向量。記Ω中向量為xw,對(duì)應(yīng)于N個(gè)接收序列的CLLR為γω中每個(gè)元素相互獨(dú)立。根據(jù)式(11),可以將γω在兩種假設(shè)下的概率密度函數(shù)定義為[15]
由式(15),采用廣義對(duì)數(shù)似然比檢驗(yàn),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)搜索空間Ω中向量的判定。然而廣義對(duì)數(shù)似然檢驗(yàn)公式比較復(fù)雜,為簡(jiǎn)化計(jì)算,式(15)的等價(jià)檢驗(yàn)公式為
經(jīng)過(guò)2.2和2.3節(jié)的運(yùn)算后,可以成功地識(shí)別出來(lái)大部分校驗(yàn)向量,但通常還會(huì)漏檢少量的校驗(yàn)向量,主要原因有兩個(gè)方面:(1)在低信噪比環(huán)境下,某些判定為可靠的也可能映射出錯(cuò)誤的結(jié)果,這就會(huì)把一些校驗(yàn)向量排除在Ω之外;(2)在判決Ω中的元素時(shí),為了保證識(shí)別正確率,通常要求校驗(yàn)向量虛警概率Pf盡可能地小,這會(huì)使得校驗(yàn)向量的漏檢概率增高。由譯碼理論可知[16],校驗(yàn)關(guān)系越完整,譯碼性能越好。為提高算法的譯碼增益,使得識(shí)別的校驗(yàn)矩陣獲得較好的譯碼性能,本文利用多組相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)向量的迭代識(shí)別,把校驗(yàn)向量搜索算法和譯碼迭代算法的結(jié)果相互不斷地更替,使校驗(yàn)矩陣H?更加完善。
圖2為校驗(yàn)向量迭代識(shí)別算法的結(jié)構(gòu)框圖,首先將接收數(shù)據(jù)切分為多個(gè)矩陣R,R由N個(gè)接收序列組成,進(jìn)行參數(shù)初始化。在第d次迭代時(shí),輸入的接收矩陣記為軟判決接收矩陣識(shí)別出的校驗(yàn)矩陣。然后對(duì)進(jìn)入系統(tǒng)的Rd進(jìn)行SISO譯碼,提高譯碼后矩陣的可靠性。然后,采用2.2節(jié)和2.3節(jié)的算法求出與相對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)矩陣。最后結(jié)合新識(shí)別出的對(duì)之前識(shí)別出的參數(shù)P,d進(jìn)行更新。
圖2 校驗(yàn)向量迭代識(shí)別算法的結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structural block diagram of iterative verification algorithm for check vectors
綜上所述,本文算法步驟如下:
(1)構(gòu)建軟判決接收矩陣R1,R2,…,對(duì)參數(shù)進(jìn)行初始化P=1,d=1,
(3)由2.2節(jié)和2.3節(jié),求解Hd;
(4)根據(jù)2.4節(jié)的分析,利用Hd與~H,判斷迭代停止的條件。如果不滿(mǎn)足停止條件,則更新參數(shù)~H和p,輸入新的分組數(shù)據(jù)Rd+1,然后返回(1);如果滿(mǎn)足停止條件,則輸出校驗(yàn)矩陣H?,并利用H?對(duì)接收序列ri進(jìn)行軟判決譯碼,最終恢復(fù)出信息序b?i。
為驗(yàn)證本文校驗(yàn)向量識(shí)別算法的性能,對(duì)其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)中(648,324),(1296,648)LDPC碼,對(duì)算法進(jìn)行100次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)。從預(yù)搜索空間Ω的數(shù)量、迭代次數(shù)對(duì)校驗(yàn)向量識(shí)別數(shù)量的影響以及算法的整體識(shí)別性能3方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在仿真過(guò)程中,每一個(gè)軟判決接收矩陣Rd中包含的接收序列數(shù)N=100,由校驗(yàn)矩陣~H對(duì)Rd進(jìn)行SISO譯碼,校驗(yàn)向量迭代識(shí)別的最大無(wú)更新次數(shù)TH=5。譯碼迭代次數(shù)為30次。
2.2 節(jié)的理論分析表明:通過(guò)構(gòu)造預(yù)搜索空間Ω,可以大幅度降低校驗(yàn)向量的搜索空間,減少算法的運(yùn)算量。對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中預(yù)搜索空間Ω的數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),表1和表2分別給出了兩種LDPC碼在不同誤碼率條件下,預(yù)搜索空間Ω中平均包含的校驗(yàn)向量數(shù),以及最后識(shí)別出的平均校驗(yàn)向量數(shù)。
表1 (648,324)LDPC碼的識(shí)別結(jié)果Table 1 Recognition result of(648,324)LDPC
表2 (1296,648)LDPC碼的識(shí)別結(jié)果Table 2 Recognition result of(1296,648)LDPC
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:隨著誤碼率的增大,需要的校驗(yàn)向量數(shù)目也逐漸增大。如果不構(gòu)建預(yù)搜索空間,這個(gè)數(shù)目將成指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),這說(shuō)明了構(gòu)建預(yù)搜索空間的必要性。從表2可以看出,即使是針對(duì)(1944,872)LDPC的識(shí)別,通過(guò)在預(yù)搜索過(guò)程中篩除非校驗(yàn)向量,使得在搜索校驗(yàn)向量時(shí),搜索空間的規(guī)模都能夠控制在105以?xún)?nèi),校驗(yàn)向量的搜索范圍得到了大幅度降低。
為分析迭代次數(shù)對(duì)校驗(yàn)向量識(shí)別數(shù)目的影響,對(duì)(648,324)LDPC碼進(jìn)行不同次數(shù)的迭代,統(tǒng)計(jì)識(shí)別出的校驗(yàn)向量數(shù)目的變化情況。圖3給出了校驗(yàn)向量搜索迭代次數(shù)在d=5,10,15這3種情況下,本文算法識(shí)別出的校驗(yàn)向量數(shù)目隨誤碼率的變化情況。
從圖3可知,隨著誤碼率的不斷增大,一次迭代識(shí)別出的校驗(yàn)向量數(shù)目逐漸減小。但是通過(guò)增大迭代次數(shù),在相同誤碼率條件下,獲得的有效校驗(yàn)向量數(shù)目逐漸增多,每增加5次迭代,平均多識(shí)別的校驗(yàn)向量數(shù)目約100個(gè)。即使在誤碼率為0.07的條件下,15次迭代后,本文算法識(shí)別的線(xiàn)性無(wú)關(guān)校驗(yàn)向量的平均數(shù)目可達(dá)302.3個(gè)(在(648,324)LDPC碼中線(xiàn)性無(wú)關(guān)校驗(yàn)向量有324個(gè)),識(shí)別率達(dá)到93%。由此可見(jiàn),增加迭代次數(shù)有利于獲得更多的有效校驗(yàn)向量數(shù),以及增強(qiáng)算法的抗誤碼性能。
為分析本文算法的識(shí)別率性能,對(duì)本文算法與文獻(xiàn)[5]算法識(shí)別率性能進(jìn)行比較。針對(duì)IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)中3種不同的LDPC碼,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。圖4給出了在相同條件下,本文算法與文獻(xiàn)[5]算法的識(shí)別率隨誤碼率的變化曲線(xiàn),其中識(shí)別率是指正確識(shí)別的校驗(yàn)向量數(shù)目與真實(shí)的校驗(yàn)向量數(shù)目的比值。
圖3 迭代次數(shù)d=5,10,15條件下識(shí)別出的校驗(yàn)向量數(shù)Fig.3 Number of check vectors identified when d=5,10,15
圖4 本文算法與文獻(xiàn)[5]算法的識(shí)別率對(duì)比Fig.4 Comparison of the recognition rate between the proposed algorithm and algorithm in Ref.[5]
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,針對(duì)IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)中兩種不同的LDPC碼,本文算法的識(shí)別率整體都大于文獻(xiàn)[5]算法的識(shí)別率,平均識(shí)別率提高約15%。而且,在不同的誤碼率條件下,本文算法識(shí)別率都高于文獻(xiàn)[5]算法的識(shí)別率。當(dāng)誤碼率大于0.03時(shí),本文算法針對(duì)兩種不同的LDPC碼的識(shí)別率都能達(dá)到90%以上。
為進(jìn)一步驗(yàn)證本文算法的識(shí)別性能,利用識(shí)別出的校驗(yàn)向量進(jìn)行譯碼分析。為統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)條件,仿真時(shí)統(tǒng)一迭代次數(shù)d=15。采用常規(guī)的最小和BP譯碼算法進(jìn)行譯碼。圖5給出了本文算法與文獻(xiàn)[5]算法的譯碼增益性能比較。
從圖5可以看出,隨著信噪比的上升,誤碼率逐漸減小,而且本文算法的譯碼增益整體上優(yōu)于于文獻(xiàn)[5]算法。在b?i誤碼率為10-3時(shí),相對(duì)于文獻(xiàn)[5]的算法,本文算法的信噪比增益約為2.3 dB。
圖5 本文算法與文獻(xiàn)[5]算法譯碼增益的比較Fig.5 Comparison of decoding gain between the proposedalgorithmandalgorithminRef.[5]
針對(duì)現(xiàn)有LDPC碼校驗(yàn)向量識(shí)別算法容錯(cuò)性差和識(shí)別率低的問(wèn)題,從軟判決的角度出發(fā),提出一種LDPC碼校驗(yàn)向量迭代識(shí)別算法。通過(guò)本算法,構(gòu)造的向量搜索空間得以大幅度降低。算法利用多組相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)向量的迭代識(shí)別,通過(guò)校驗(yàn)向量搜索算法和譯碼迭代算法之間的相互更替,使校驗(yàn)矩陣得以進(jìn)一步完善。仿真結(jié)果表明,與已有算法相比,本文算法的向量搜索空間大幅度降低,識(shí)別率明顯提高,而且算法獲得的譯碼增益提高約2.3 dB。