5G通信系统中LDPC编译码器的设计与实现

LDPC码编译码算法的研究与实现的开题报告一、研究背景和意义随着现代通信技术的不断发展，纠错编码逐渐成为提高无线通信和有线通信性能不可或缺的一个技术手段。

LDPC码（Low-Density Parity-Check Code），是一种具有良好性能的纠错编码方案，被广泛应用于无线通信和有线通信领域。

如何高效地进行LDPC 码的编码和解码，成为LDPC码的研究重点。

LDPC码的编码可以采用矩阵形式来表述，解码可以采用消息传递算法，如Belief Propagation算法、Min-Sum算法等。

当前研究重点是如何提高编码和解码效率，减少复杂度，并增强对信道噪声的抵抗能力。

本文将研究LDPC码编译码算法的现有研究，探究其在高纠错性能、低复杂度和适应于不同噪声环境等方面的改进和优化，以期提高LDPC码系统的性能，为通信领域的发展做出贡献。

二、研究内容和技术路线（一）研究内容:1. 探究当前LDPC码编解码算法的现有研究，分析其中存在的问题和可改进的方向。

2. 深入探讨LDPC码的编码和解码原理，分析编码和解码算法的理论优势和实际应用局限性。

3. 提出LDPC码编解码算法的改进，以提高其纠错性能和降低复杂度。

- 对消息传递算法进行优化，改进权值的更新方式，提高迭代收敛速度，增强对噪声的容错性。

- 在码长、码率和最小距离等方面做出兼顾，实现对指定信道下LDPC码系统的自适应调节- 提出模块化LDPC码编码方案，可动态添加LDPC码单元，支持LDPC码编码系统的灵活性和可扩展性。

4. 实现LDPC码编解码算法，验证算法的正确性和性能。

（二）技术路线1. 文献研究法：进行国内外相关领域的文献资料查询与阅读，了解当前LDPC码编解码算法的研究现状和存在的问题，为后续的研究打下基础。

2. 理论研究法：探究LDPC码的编码和解码原理，分析其算法优劣势，通过归纳总结分析，提出改进方案。

3. 模拟验证法：使用MATLAB等工具对提出的算法进行模拟和验证，评估算法的运行性能和准确性。

LDPC码编译码器的设计与实现
LDPC码在深空通信中有很好的实用价值，同时LDPC码也被广泛应用于光纤通信、卫星数字视频和音频广播等领域。

在加性高斯白噪声信道环境下，BPSK 调制时，归一化最小和译码算法能很好地平衡译码性能和算法复杂度，易于硬件实现，且常以流水线的形式出现在译码器的设计中。

本文针对LDPC译码器提出一种新的设计思路，将流水线思想从译码算法本身扩展到译码器的整体设计中，设计出可以多帧并行且结构简单的译码器，最后通过仿真与实现对其性能进行验证。

本文主要的研究工作如下：首先，利用双对角QC-LDPC码校验矩阵的特点，设计双递归流水线编码器，详细介绍其编码原理与编码器的结构，并细致分析编码器的工作流程，给出仿真时序图与资源消耗情况。

其次，按照LDPC码译码算法的演化进程对概率域BP算法、对数域BP算法以及归一化最小和算法分别进行介绍，并对它们的性能进行仿真比较。

然后分别对归一化系数、迭代次数以及初始值量化位数等译码参数进行性能仿真，并根据仿真结果做出适当的选择。

之后，提出流水线式译码器的设计思想，给出归一化最小和译码算法的流水线化方法，详细介绍流水线式译码器的结构与工作原理，针对规则与准循环LDPC 码设计两款译码器，并给出仿真结果，提出进一步优化的方向。

最后，将两组编码器和译码器在FPGA实验板上进行实现，在Matlab以及串口调试助手等软件的帮助下，通过串口与计算机进行配合，组成两套编译码系统，实现数据的编译码工作，并检验编译码器在实际应用中的性能。

Technology Analysis技术分析DCW115数字通信世界2019.071 引言到目前为止，移动通信系统已经发展了四代，4G 移动通信系统的下行峰值速率为1 Gb/s ，上行峰值速率为500 Mb/s 。

前四代移动通信系统已满足了人与人之间通信的大多需求。

但随着移动互联网、物联网、车联网的迅速发展，除了高数据速率这一需求外，低时延、低功耗和高可靠性需求也已成为5G 移动通信系统面临的新挑战。

国际电信联盟-无线电通信标准化部门给出了未来5G 网络的三大应用场景：增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband ，eMBB ）、超可靠低时延通信（Ultra-Reliable Low-Latency Communications ，URLLC ）和大规模机器通信（MassiveMachine Type Communications ，mMTC ）[1-3]。

相比于4G LTE （Long Term Evolution ）网络，5G 网络的传输速率要提高10~100倍；用户体验速率达到0.1~1 Gb/s ；在时延方面要降低5~10倍；连接设备密度提升10~100倍，达到每平方公里数百万个；流量密度提升10~1000倍，达到每平方公里每秒数十太比特；移动性方面，达到500km/h 以上，实现高铁环境下的良好用户体验[4]。

2 5G 中LDPC 码的优势为了满足5G 通信的需求，5G 新无线技术（New Radio ，NR ）采用了很多新的传输技术如非正交多址接入、大规模阵列天线、新的信道编码技术等[5]。

相比于4G 移动通信系统，5G 移动通信系统在数据信道和控制信道分别采用了一对新的信道编码技术。

具体来说，低密度奇偶校验（Low-Density Parity-Check ，LDPC ）码取代了数据信道的Turbo 码，极化码[6]代替了控制信道的咬尾卷积码。

LDPC 码最初是由Gallager 博士提出，但是由于硬件条件的限制，当时并未收到重视。

多元LDPC码编译码器的设计与实现近些年来,低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Codes,LDPC)因为其优异的纠错性能和高度并行的译码方案而受到极大的关注,被广泛考虑为下一代通信系统中的纠错码标准,而多元LDPC码作为二元LDPC码的延伸,并没有被人们深入的研究。

但是,相对二元LDPC码,多元LDPC码有更好的译码性能,其应用前景潜力巨大。

多元LDPC码的实现复杂度和译码器的资源消耗很大是制约其发展的重要原因,至今没有重要的硬件研究结果问世。

本文,把编码和译码协同起来考虑,提出一种基于准循环RA结构编码算法,扩展最小和(Extended Min-Sum,EMS)译码算法的多元LDPC码的编译码实现方案。

系统详细的阐述其内部结构,功能,工作原理,设计细节。

准循环的校验矩阵结构有利于高速的并行编译码,RA结构大大的简化了编码复杂度,而EMS译码算法很大程度上简化了译码实现复杂度和资源消耗。

本文采用4元LDPC码为例在Xilinx FPGA上做了实际验证,综合后的编码器时钟频率为123.277MHz,折算成编码器输出端的数据率为246.554Mbit/s,译码器工作时钟频率为175.352MHz,折合成译码器输入端的数据率最大为87.676Mbits/s,并进行相关分析和对比,证明其可用性。

本文提出一种双进双出信息调度算法,有效地提高了时钟利用率和吞吐量,译码速率增加到原来的1.93倍。

针对这些情况,本文的主要研究内容包括:首先,对多元LDPC码的校验矩阵构造方法,编码方案,几种常见的译码算法做了简单介绍,详细介绍了基于RA结构的构造方法和EMS译码算法。

其次,便于对比,详细阐述了RU编码方法和本文采用的RA结构编码方法的硬件实现具体过程,并对二者的性能进行分析,给出了相关仿真结果。

再次,系统阐述了基于EMS译码算法的译码器硬件实现方案,包括各模块功能,结构,工作原理,着重对译码器资源占用、速度、性能进行详细分析,对比,并提出一种优化的信息调度算法,证明了其可行性。

摘要随着无线通信技术的不断发展与进步，数字电视广播、移动视频点播等对数据吞吐量要求很高的业务逐渐变得可能。

为了在有限的带宽内用有限的发射功率保证信息在空间传播时的可靠性，需要在系统中引入具有很强纠错能力的信道编码技术。

低密度奇偶校验码（LDPC）码具有与香农限非常接近的纠错性能，因此成为现代通信系统中信道编码的强有力竞争者。

目前，包括欧洲数字电视卫星广播标准DVB-S2、中国数字电视地面广播标准CDTV-T 等在内的标准已经将LDPC 码作为信道编码的解决方案，而IEEE 802.11n、IEEE 802.16e等无线局/城域网标准也将LDPC 码作为一种候选方案。

随着LDPC 码进入应用的脚步不断加快，有必要对LDPC 码在实现过程中存在的问题和困难进行研究并加以解决和克服，这也正是本文对LDPC 码的实现与应用进行研究的出发点。

本文介绍了LDPC 码,综述了其编码方法和译码方法,同时对LDPC 码编译码方法的发展作了分析。

关键词:LDPC 码;编码;译码;奇偶校验矩阵AbstractWith the development of wireless communication technology, wirelessservices that require high data throughput, such as digital TV broadcastingand mobile TV, have been increasingly practical. In order to ensure thereliability of communication with limited bandwidth and limited transmission power, we need to implant powerful channel coding technique into the system.Low-density parity-check codes, with the error-correcting ability approaching Shannon limit very closely, are therefore highly competitive candidate of channel codes in modern communication systems.In present,European digital TV satellite broadcasting standard DVB-S2 and Chinese digital TV terrestrial broadcasting standard CDTV-T have chosen LDPC codes as the channel codes while wireless local/metropolitan area network(WLAN/WMAN) standards IEEE 802.11n and IEEE 802.16e have considered LDPC codes as an option for channel codes. Therefore, it is necessary to study the difficulties and solve the problems on the way of applying LDPC codes into practical systems, which is the point this thesis mainly addresses.While briefly introducing LDPC codes are introduced briefly ,this paper summarizes the encoding and decoding algorithms. The development of encoding and decoding methods is analyzed as well .Key words : LDPC codes ; encoding ; decoding ; parity check matrix目录摘要 (1)Abstract (2)第一章绪论 (4)1.1 LDPC码简介 (4)1.2 LDPC码发展历史 (4)1.3 LDPC码技术背景 (5)1.4 LDPC码的优缺点 (6)1.5 LDPC码基本原理 (8)1.6 LDPC码基本概念 (8)第二章LDPC 码的编码方法 (11)2.1 编码方法概述 (11)2.2 Ｒichardson 等提出的有效编码方案 (11)2.3 其它编码方案 (14)2.4 编码方案小结 (14)2.5 编码方法的发展 (14)第三章 LDPC 码的译码算法 (16)4.1 译码基础 (16)4.2 译码算法简单描述 (16)3.2.1 硬判译码算法 (16)3.2.2 软判译码算法 (17)3.2.3 线性规化算法 (17)3.2.4 性能比较 (17)3.3 译码方案小结 (19)3.4 译码方法的发展 (19)第四章 H 矩阵的构造方法 (20)4.1 随机构造方法 (20)4.2 代数构造方法 (20)4.3 LDPC 码构造方法 (21)4.4 LDPC 码小结 (22)第五章 LDPC 码的应用与展望 (23)5.1 LDPC 码的应用 (23)5.2 LDPC码的展望 (23)结论 (25)致谢 (26)参考文献 (27)第一章绪论1.1 LDPC码简介LDPC 码(Low Density Parity Check codes ,低密度奇偶校验码) 是Gallager 于上世纪60 年代提出的一类基于奇偶校验矩阵定义的线性分组码,因其校验矩阵只含有少量的非零元素,其余元素均为零,故而得名。

LDPC编译码方法及应用编译码是一种用于纠正或检测码字中错误的技术，在通信系统和存储系统中得到了广泛的应用。

LDPC (Low-Density Parity-Check)编码是一种性能优异的编译码方法，具有较低的复杂度和较高的纠错能力。

本文将介绍LDPC编码的原理、编码方法和在通信系统和存储系统中的应用。

一、LDPC编码原理LDPC码是一种线性块码，编码矩阵稀疏且低密度。

编码矩阵的特点是：每一行包含有k个‘1’，每一列包含有d个‘1’，其中d≥2k，通常d=k+m。

编码矩阵为M×N维，将k个信息位编码成N个码字。

编码过程：首先将k个信息位按照编码矩阵进行线性变换，得到N个码字。

然后，将码字通过信道传输或存储。

在接收端，利用LDPC的解码算法对收到的码字进行纠错。

解码过程：LDPC解码是一种迭代译码算法，基于图论的概念。

解码过程中，将码字作为节点，根据编码矩阵中的连接关系构建一个图，即Tanner图。

图中包含了从码字到校验位的连接和从校验位到码字的连接。

迭代解码算法基于概率图模型，通过消息传递的方式进行信息交换和校验。

解码过程中，每个节点将从相邻节点接收到的消息进行更新，直到满足停止准则为止。

二、LDPC编码方法1. Gallager的生成矩阵构造方法：Gallager提出了一种通过密度增长的方式生成LDPC码的方法，称为GCC（Gallager's construction class）码。

该方法包含三个参数：列重参数r，每列的非零元个数d，每行的非零元个数w。

通过调整这三个参数，可以生成不同性能和复杂度的LDPC码。

2. MacKay-Neal构造方法：MacKay-Neal构造方法是一种基于正交矩阵的构造方法。

首先利用Hadamard矩阵生成一个正交矩阵，然后通过调整行和列的顺序，得到具有良好性能的LDPC码。

3. Quasi-Cyclic（QC）构造方法：QC-LDPC码是一种结构化的LDPC 码，其编码矩阵具有循环性。

北京大学学报(自然科学版)网络版(预印本),第2卷第2期,2007206230Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis On Line ,V ol.2,N o.2,June 30,2007论文编号(Paper C ode ):pkuxbw2007018 Web :http :ΠΠ　3国防预先研究基金(9140A22030106JW02)资助项目收稿日期:2007201224;修回日期:2007204216LDPC 码高速译码器的设计与实现3乔　华　管　武　董明科　项海格1)(北京大学信息科学技术学院,卫星与无线通信实验室,北京,100871;1)通讯作者,E 2mail :xianghg @ )摘　要　通过对LDPC 码(低密度奇偶校验码)的迭代译码算法的分析,提出了一种同时能够对两个码字进行译码,使得译码器中的变量节点和校验节点交替被两个码字使用的译码器结构。

该结构不仅适用于全并行结构的LDPC 码译码器,也适用于目前广泛采用的半并行结构译码器。

以此结构为基础,实现了一个长度为1008bit ,改进半并行结构的LDPC 码译码器。

此结构能够充分利用现有半并行结构译码器的逻辑资源,将译码器数据吞吐率提高近一倍。

测试结果表明,本文实现的译码器的有效信息速率达到45Mbps 。

关键词　低密度奇偶校验码(LDPC 码);译码器;FPG A ;高速实现中图分类号　T N 911Design and Implementation of LDPC Decoder with H igh ThroughputQIAO Hua G UAN Wu DONG Mingke XIANG Haige1)(Satellite and Wireless Communication Laboratory ,School o f Electronics Engineering and Computer Science ,Peking Univer sity ,Beijing ,100871;1)Corresponding Author ,E 2mail :xianghg @ )Abstract The decoding alg orithm is investigated and an im proved architecture for the decoders is presented.The architecture makes variable nodes and check nodes w ork for tw o different code w ords at the same time.And the architecture is not only fit for full 2parallel LDPC decoders but als o fit for the semi 2parallel decoders which are m ostly used in the practical communication systems.A semi 2parallel LDPC decoder with code length equal to 1008bits is im plemented based on this architecture on FPG A platform.Synthesize results show that the im proved architecture can im prove the efficiency of the logic cells.And the throughputs of in formation bits attain 45Mbps which is twice of the throughputs of the decoder without the im proved architecture.K ey w ords low density parity check (LDPC )codes ;decoder ,FPG A ;high throughput0　引　言 LDPC 码是近年来备受关注的一类线性分组码,由于它的误码性能能够逼近理论极限[1,2],而且译码算法在理论上能做到完全并行的计算,因此它被认为是未来通信领域的主要信道编码之一。

LDPC码信道编译码方法及其实现的开题报告题目：LDPC码信道编译码方法及其实现一、选题的背景和意义LDPC（Low-Density Parity-Check）码是一种近年来被广泛应用的一种编码方式，其具有优秀的译码性能，被广泛应用于通信领域中的编码和解码上。

LDPC码的主要特点是码长长、纠错性能高、编码/译码复杂度低，尤其对于具有低SNR信道的传输系统，其译码性能显著优于其他编码方式。

因此，在通信领域中，LDPC码已经成为一种理想的信道编码方式。

本课题的研究意义主要体现在以下几个方面：1. LDPC码具有很好的纠错性能，但其译码算法较为复杂，难以应用于实际通信中。

因此，如何优化LDPC码译码的算法，提高其性能，是一个亟待解决的问题。

2. 尽管目前已经提出了很多的LDPC码译码算法，但其实现方面仍具有一定的难度。

如何实现一种高效、稳定的LDPC码译码器，对于LDPC码的实际应用具有重要的意义。

3. 通过对LDPC码译码算法和实现方式的研究，可以加深对纠错编码原理的理解和应用，提升学术水平和实践能力。

二、研究内容和研究方案1. 研究内容（1）LDPC码原理和基本性质：研究LDPC码的基本原理和性质，包括LDPC码的构造方法、校验矩阵的生成和描述方式等。

（2）LDPC码译码算法：分析LDPC码的主要译码算法，包括基于BP算法、SPA算法、MP算法等译码算法的原理、优缺点以及应用范围。

（3）LDPC码译码实现方法：研究LDPC码的译码实现方法，包括软硬件相结合的实现方案和纯软件实现方案。

2. 研究方案（1）利用Matlab软件对LDPC码的构造和性质进行模拟和分析。

（2）对LDPC码的主要译码算法进行模拟和分析，并比较其性能。

（3）设计并实现LDPC码的译码器，采用软硬件相结合的方式进行实现。

三、预期效果1. 掌握LDPC码的基本原理和性质，熟悉LDPC码的译码算法，了解LDPC码的译码实现方式。

2. 对LDPC码的译码算法进行分析和比较，深入理解其优缺点。