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【5G NR】【一文读懂系列】移动通讯中使用的信道编解码技术-LDPC编码介绍(一)

ldpc编码

概述

低密度校验码(LDPC码)是一种前向纠错码,LDPC码最早在20世纪60年代由Gallager在他的博士论文中提出,但限于当时的技术条件,缺乏可行的译码算法,此后的35年间基本上被人们忽略,其间由Tanner在1981年推广了LDPC码并给出了LDPC码的图表示,即后来所称的Tanner图。1993年Berrou等人发现了Turbo码,在此基础上,1995年前后MacKay和Neal等人对LDPC码重新进行了研究,提出了可行的译码算法,从而进一步发现了LDPC码所具有的良好性能,迅速引起强烈反响和极大关注。经过十几年来的研究和发展,研究人员在各方面都取得了突破性的进展,LDPC码的相关技术也日趋成熟,甚至已经开始有了商业化的应用成果,并进入了无线通信等相关领域的标准。

LDPC编码的工作方式

LDPC编码是一种线性分组码,其核心思想是通过在数据中引入冗余信息,使得接收端能够检测和纠正传输过程中可能发生的错误。LDPC编码的名字来源于其校验矩阵的稀疏性,即矩阵中大部分元素为0,只有少部分元素为1。

LDPC编码过程可以简单概括为以下几个步骤:

1. 构造LDPC码的校验矩阵

LDPC编码的基础是一个稀疏的校验矩阵(H矩阵),其特点是矩阵中大部分元素为0,只有少数元素为1。这个矩阵的构造需要遵循特定的规则,以确保编码的性能和纠错能力。校验矩阵的设计是LDPC编码的关键一步,它决定了编码的纠错能力和复杂性。

2. 生成编码比特

在有了校验矩阵之后,接下来需要将待传输的信息比特(原始数据)转换成编码比特。这个过程通常是通过将信息比特与校验矩阵相乘(实际上是进行异或运算)来实现的。编码比特由信息比特和校验比特组成,其中校验比特是根据信息比特和校验矩阵计算出来的。

3. 传输编码比特

编码比特生成后,就可以通过通信信道进行传输了。在传输过程中,由于信道噪声、干扰等因素,编码比特可能会发生错误。

4. 接收和解码

在接收端,收到编码比特后,需要进行解码以恢复原始的信息比特。LDPC解码通常采用迭代解码算法,如置信传播算法(Belief Propagation, BP)或其简化版本(如最小和算法)。这些算法利用校验矩阵中的校验关系来检测和纠正错误。解码过程会持续进行迭代,直到满足某个停止条件(如达到最大迭代次数或错误率低于某个阈值)。

技术细节和目的

  • 稀疏性:LDPC码的校验矩阵之所以稀疏,是为了降低编码和解码的复杂度。稀疏矩阵中的大部分元素为0,意味着在进行矩阵运算时,大部分操作都是无效的(乘以0),从而减少了计算量。
  • 校验关系:校验矩阵定义了编码比特之间的校验关系。这些关系在解码过程中用于检测和纠正错误。具体来说,如果某个校验方程不满足(即校验失败),就说明对应的编码比特中至少有一个是错误的。
  • 迭代解码:LDPC解码采用迭代方式进行,每次迭代都会更新对每个比特的可靠性估计。通过多次迭代,解码器可以逐渐纠正错误,最终恢复出原始的信息比特。

LDPC编码的优点

  1. 高纠错能力:LDPC编码能够纠正较高比例的错误比特,使得在恶劣的无线环境下也能保持较好的通信质量。

  2. 低复杂度:尽管LDPC编码的校验矩阵很大,但由于其稀疏性,实际的编码和解码过程可以在较低的计算复杂度下实现。

  3. 灵活性:LDPC编码可以根据不同的应用场景和需求进行定制,包括调整码长、码率和纠错能力等。

  4. 接近香农限:在适当的条件下,LDPC编码的性能可以非常接近香农限,即理论上的最大信息传输速率。

LDPC编码与其他编码方案的比较

与LDPC编码相比,其他常见的编码方案如Turbo码和卷积码等也有各自的优点和应用场景。但LDPC编码在以下方面表现突出:

  1. 性能:在相同条件下,LDPC编码通常能够提供比Turbo码和卷积码更低的误码率。

  2. 并行处理能力:LDPC编码的解码过程具有较高的并行性,适合在硬件实现上进行并行处理,从而提高解码速度。

  3. 适用于大数据块:LDPC编码特别适合处理大数据块,如高清视频流或大规模数据传输等场景。

总的来说,LDPC编码流程涉及校验矩阵的构造、编码比特的生成、传输和解码等关键步骤。每个步骤都有其特定的技术细节和目的,共同实现了高效、可靠的数据传输。下一篇文章中,将结合3GPP协议详细介绍一下LDPC编码的流程。

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