一种面向干扰环境的LDPC码结构优化方法及装置

本发明涉及信道编码与抗干扰通信，特别是涉及一种面向干扰环境的ldpc码结构优化方法、装置。

背景技术：

1、低密度奇偶校验（ldpc）码因其接近香农极限的纠错性能，被广泛应用于现代通信系统。然而，在部分带干扰（partial band interference, pbi）信道、窄带干扰或其他非均匀干扰环境下，ldpc码的译码性能会显著下降。

2、在pbi信道中，干扰能量集中于有限频带范围内，使得对应位置的对数似然比（llr）信息趋近于零，导致相关比特节点的信息可靠性严重降低。在基于置信传播（bp）算法的译码过程中，若受干扰位置构成停止集（stopping set），则该部分变量节点无法从校验节点获得有效更新信息，从而导致译码过程提前终止。

3、现有ldpc码构造方法主要关注于优化图结构中的环长（girth）以及外部边度（emd）等指标，以降低短环和弱连接结构带来的性能劣化。然而，上述方法未充分考虑停止集结构对译码性能的影响，特别是在pbi信道环境下，停止集往往成为导致译码失败的关键因素。

4、因此，亟需一种能够同时优化环结构、emd值以及停止集分布的ldpc码构造方法，以提升其在干扰环境下的鲁棒性。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、为此，本发明提出了一种面向干扰环境的ldpc码结构优化方法，通过构建ldpc码的基矩阵并经循环移位扩展生成校验矩阵；对所述校验矩阵的环结构进行初始优化，以增大最小环长并减少小外部边度环数量；基于优化后的结构，搜索各候选循环移位值对应的停止集，对停止集进行加权处理并计算归一化评价指标；在保证环结构性能不劣化的约束下，依据所述指标优化选择循环移位值，迭代执行直至满足预设终止条件，输出优化后的ldpc码结构。本发明解决了干扰环境下因停止集导致译码性能下降的问题，实现了码结构的抗干扰优化设计。

3、本发明的另一个目的在于提出一种面向干扰环境的ldpc码结构优化装置。

4、为达上述目的，本发明一方面提出一种面向干扰环境的ldpc码结构优化方法，包括：

5、构建ldpc码的基矩阵，并通过循环移位扩展生成对应的校验矩阵，所述校验矩阵对应tanner图；

6、对所述校验矩阵的环结构进行初始优化，增大最小环长并减少小外部边度环的数量，获得初始优化后的ldpc码结构；

7、基于初始优化后的ldpc码结构，搜索各候选循环移位值对应的停止集，并对不同规模的停止集进行加权处理，计算得到归一化停止集评价指标；

8、在保证环结构性能不劣化的约束下，根据归一化停止集评价指标优化选择循环移位值，迭代执行停止集搜索与优化过程，直至满足预设终止条件，输出优化后的ldpc码结构。

9、本发明实施例的一种面向干扰环境的ldpc码结构优化方法还可以具有以下附加技术特征：

10、在本发明的一个实施例中，所述构建ldpc码的基矩阵，并通过循环移位扩展生成对应的校验矩阵，所述校验矩阵对应tanner图，包括：

11、构造稀疏的基矩阵b，所述基矩阵b的元素表示对应子矩阵的循环移位量；

12、选取提升因子z，对基矩阵b中的每一个非零元素，生成对应的循环移位单位矩阵；

13、将所有子矩阵拼接，得到完整的校验矩阵h。

14、在本发明的一个实施例中，所述对所述校验矩阵的环结构进行初始优化，增大最小环长并减少小外部边度环的数量，获得初始优化后的ldpc码结构，包括：

15、搜索tanner图中的环结构，统计最小环长；

16、计算各环的外部边度，用于衡量环与外部节点的连接程度；

17、采用模拟退火算法对循环移位值进行优化，使最小环长不低于预设阈值，同时减少小外部边度环的数量，得到初始优化后的ldpc码结构。

18、在本发明的一个实施例中，搜索各候选循环移位值对应的停止集，包括：

19、针对校验矩阵中每一个待优化位置，枚举相应待优化位置所有可能的循环移位值，取值范围为0至z-1；

20、为每一个候选循环移位值构建对应的局部tanner图；

21、搜索所述局部tanner图中形成的停止集，记录停止集的数量及各停止集的规模，所述规模为变量节点数量。

22、在本发明的一个实施例中，对不同规模的停止集进行加权处理，包括：

23、确定所有候选循环移位值对应的停止集中的最小规模，记为；

24、对规模为的停止集赋予权重系数1；对规模大于的停止集，采用单调递减权重函数：

25、

26、其中τ为停止集搜索的最大范围，s为停止集规模；

27、根据权重系数对各循环移位值对应的停止集数量进行加权求和，得到归一化停止集评价指标。

28、在本发明的一个实施例中，根据归一化停止集评价指标优化选择循环移位值，包括：

29、若某一候选循环移位值在不增加环数量或不降低最小环长的条件下，使停止集评价指标降低，则优先选取对应值；

30、若存在候选值使环数量为零且停止集评价指标最优，则直接选用相应值并跳过后续优化。

31、在本发明的一个实施例中，还包括：

32、构造能量函数，能量函数综合反映环数量或环结构变化以及停止集评价指标；

33、在候选循环移位值中随机选择新解，若新解优于当前解则大概率直接接受，若新解劣于当前解则小概率接受相应解；

34、随迭代次数的增加逐步降低接受劣解的概率，且当存在不引入新环的候选值时，优先在相应候选集合中选择。

35、在本发明的一个实施例中，预设终止条件包括以下至少之一：

36、迭代过程中ldpc码结构在连续多轮迭代中保持不变；

37、迭代次数达到预设最大迭代次数；

38、停止集评价指标达到预设阈值。

39、在本发明的一个实施例中，迭代执行停止集搜索与优化过程，包括：

40、每轮迭代中，随机或按顺序选取待优化位置，更新相应待优化位置的循环移位值，并同步更新全局结构的环信息及停止集分布；

41、将更新后的ldpc码结构作为下一轮迭代的起点，直至满足终止条件。

42、为达上述目的，本发明另一方面提出一种面向干扰环境的ldpc码结构优化装置，包括：

43、校验矩阵生成模块，用于构建ldpc码的基矩阵，并通过循环移位扩展生成对应的校验矩阵，所述校验矩阵对应tanner图；

44、环结构优化模块，用于对所述校验矩阵的环结构进行初始优化，增大最小环长并减少小外部边度环的数量，获得初始优化后的ldpc码结构；

45、停止集评估模块，用于基于初始优化后的ldpc码结构，搜索各候选循环移位值对应的停止集，并对不同规模的停止集进行加权处理，计算得到归一化停止集评价指标；

46、迭代优选输出模块，用于在保证环结构性能不劣化的约束下，根据归一化停止集评价指标优化选择循环移位值，迭代执行停止集搜索与优化过程，直至满足预设终止条件，输出优化后的ldpc码结构。

47、本发明实施例的一种面向干扰环境的ldpc码结构优化方法及装置，通过初始优化校验矩阵的环结构，增大最小环长并减少小外部边度环数量，在此基础上搜索各候选循环移位值对应的停止集，对不同规模停止集进行加权处理并计算归一化评价指标，在保证环结构性能不劣化的约束下迭代优化循环移位值，有效解决了现有技术因忽略停止集影响而导致的译码性能恶化问题。实现了从环结构优化、停止集评估到循环移位值优选的全流程一体化求解，显著提升了ldpc码在干扰环境下的译码可靠性与鲁棒性，增强了优化方法在实际信道条件下的工程适用价值。

48、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。