高级搜索

多信源多中继编码协作系统准循环LDPC码的联合设计与性能分析

张顺外 魏琪

引用本文: 张顺外, 魏琪. 多信源多中继编码协作系统准循环LDPC码的联合设计与性能分析[J]. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT190069 shu
Citation:  Shunwai ZHANG, Qi WEI. Joint Design of Quasi-cyclic Low Density Parity Check Codes and Performance Analysis of Multi-source Multi-relay Coded Cooperative System[J]. Journal of Electronics and Information Technology, doi: 10.11999/JEIT190069 shu

多信源多中继编码协作系统准循环LDPC码的联合设计与性能分析

    作者简介: 张顺外: 男,1987年生,博士,副教授,硕士生导师,研究方向为编码协作网络;
    魏琪: 男,1993年生,硕士生,研究方向为QC-LDPC码及协作通信技术;
    通讯作者: 张顺外, swzhang@njupt.edu.cn
  • 基金项目: 国家自然科学基金(61501256),江苏省自然科学基金(BK20150857)

摘要: 为解决多信源多中继低密度奇偶校验(LDPC)码编码协作系统编码复杂度高、编码时延长的问题,该文引入一种特殊结构的LDPC码—基于生成矩阵的准循环LDPC码(QC-LDPC)码。该类码结合了QC-LDPC码与基于生成矩阵LDPC (G-LDPC)码的特点,可直接实现完全并行编码,极大地降低了中继节点的编码时延及编码复杂度。在此基础上,推导出对应于信源节点和中继节点采用的QC-LDPC码的联合校验矩阵,并基于最大公约数(GCD)定理联合设计该矩阵以消除其所有围长为4,6(girth-4,girth-6)的短环。理论分析和仿真结果表明,在同等条件下该系统的误码率(BER)性能优于相应的点对点系统。仿真结果还表明,与采用显式算法构造QC-LDPC码或一般构造QC-LDPC码的协作系统相比,采用联合设计QC-LDPC码的系统均可获得更高的编码增益。

English

    1. [1]

      RYAN W E and LIN Shu. Channel Codes: Classical and Modern[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2009: 201–254.

    2. [2]

      DEHGHAN A and BANIHASHEMI A H. On the tanner graph cycle distribution of random LDPC, random protograph-based LDPC, and random quasi-cyclic LDPC code ensembles[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2018, 64(6): 4438–4451. doi: 10.1109/TIT.2018.2805906

    3. [3]

      贺文武, 夏巧桥, 邹炼. 基于变量节点更新的交替方向乘子法LDPC惩罚译码算法[J]. 电子与信息学报, 2018, 40(1): 95–101. doi: 10.11999/JEIT170358
      HE Wenwu, XIA Qiaoqiao, and ZOU Lian. Alternating direction method of multipliers LDPC penalized decoding algorithm based on variable node update[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2018, 40(1): 95–101. doi: 10.11999/JEIT170358

    4. [4]

      LIU Yuanhua, NIU Xinliang, WANG Xinmei, et al. Design of quasi-cyclic LDPC codes based on Euclidean geometries[J]. Journal of Electronics(China) , 2010, 27(3): 340–344. doi: 10.1007/s11767-010-0348-0

    5. [5]

      KARIMI M and BANIHASHEMI A H. Counting short cycles of quasi cyclic protograph LDPC codes[J]. IEEE Communications Letters, 2012, 16(3): 400–403. doi: 10.1109/lcomm.2012.020212.112311

    6. [6]

      JIANG Xueqin and LEE M H. Large girth quasi-cyclic LDPC codes based on the Chinese remainder theorem[J]. IEEE Communications Letters, 2009, 13(5): 342–344. doi: 10.1109/lcomm.2009.082115

    7. [7]

      袁建国, 梁梦琪, 尚晓娟. 基于Fibonacci数列对QC-LDPC码的一种新颖构造方法[J]. 激光杂志, 2016, 37(6): 37–40. doi: 10.14016/j.cnki.jgzz.2016.06.037
      YUAN Jianguo, LIANG Mengqi and SHANG Xiaojuan. A novel construction method of QC-LDPC codes based on Fibonacci sequence[J]. Laser Journal, 2016, 37(6): 37–40. doi: 10.14016/j.cnki.jgzz.2016.06.037

    8. [8]

      ESMAEILI M and GHOLAMI M. Maximum-girth slope-based quasi-cyclic (2, k≥5) low-density parity-check codes[J]. IET Communications, 2008, 2(10): 1251–1262. doi: 10.1049/iet-com:20080013

    9. [9]

      VAN NGUYEN B, JUNG H, and KIM K. Physical layer security schemes for full-duplex cooperative systems: State of the art and beyond[J]. IEEE Communications Magazine, 2018, 56(11): 131–137. doi: 10.1109/MCOM.2017.1700588

    10. [10]

      BANNOUR A, SACCHI C, and SUN Yichuang. MIMO-OFDM based energy harvesting cooperative communications using coalitional game algorithm[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2017, 66(12): 11166–11179. doi: 10.1109/TVT.2017.2768622

    11. [11]

      WANG Jieling, YU Quan, LI Zan, et al. Distributed space time block transmission and QRD based diversity detector in asynchronous cooperative communications systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2018, 67(6): 5111–5125. doi: 10.1109/TVT.2018.2812901

    12. [12]

      ZHANG Shunwai, YANG Fengfan, and SONG Rongfang. Energy-harvesting-based RA-coded cooperative MIMO: Codes design and performance analysis[J]. Digital Signal Processing, 2017, 60(2): 56–62. doi: 10.1016/j.dsp.2016.08.013

    13. [13]

      MUGHAL S, YANG Fengfan, and UMAR R. Reed-Muller network coded-cooperation with joint decoding[J]. IEEE Communications Letters, 2019, 23(1): 24–27. doi: 10.1109/LCOMM.2018.2879101

    14. [14]

      陈紫强, 欧阳缮, 肖海林. 解码前传半双工中继信道下协作LDPC 码设计[J]. 电子与信息学报, 2011, 33(11): 2610–2615. doi: 10.3724/SP.J.1146.2011.00323
      CHEN Ziqiang, OUYANG Shan, and XIAO Hailin. Cooperative LDPC codes design for decode-and-forward half-duplex relay channels[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2011, 33(11): 2610–2615. doi: 10.3724/SP.J.1146.2011.00323

    15. [15]

      JANANI M, HEDAYAT A, HUNTER T E, et al. Coded cooperation in wireless communications: Space-time transmission and iterative decoding[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2004, 52(2): 362–371. doi: 10.1109/TSP.2003.821100

    16. [16]

      LI Zongyan, PENG Mugen, WU Zhanji, et al. Network coding scheme based on LDPC product codes in multiple-access relay system[C]. Proceedings of 2011 IEEE International Conference on Communications Workshops, Kyoto, Japan, 2011: 1–4.

    17. [17]

      ZHANG Shunwai, YANG Fengfan, TANG Lei, et al. Joint design of QC-LDPC codes for coded cooperation system with joint iterative decoding[J]. International Journal of Electronics, 2016, 103(3): 384–405. doi: 10.1080/00207217.2015.1036374

    18. [18]

      DU Bing and ZHANG Jun. Parity check network coding for wireless cooperative communications[J]. Chinese Journal of Electronics, 2010, 19(2): 339–344.

    19. [19]

      张顺外. LDPC编码协作系统性能与码的设计研究[D]. [博士论文], 南京航空航天大学, 2013.
      ZHANG Shunwai. LDPC-coded cooperation: performance studies and codes design[D]. [Ph.D. dissertation], Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2013.

    20. [20]

      ZHANG Shunwai, YANG Fengfan, and TANG Lei. Network-coding-based multisource multirelay LDPC-coded cooperative MIMO[J]. Transactions on Emerging Telecommunications Technologies, 2015, 26(3): 491–502. doi: 10.1002/ett.2659

    21. [21]

      ZHANG Guohua, SUN Rong, and WANG Xinmei. Construction of girth-eight QC-LDPC codes from greatest common divisor[J]. IEEE Communications Letters, 2013, 17(2): 369–372. doi: 10.1109/LCOMM.2012.122012.122292

    22. [22]

      ZHANG Jianhua and ZHANG Guohua. Deterministic girth-eight QC-LDPC codes with large column weight[J]. IEEE Communications Letters, 2014, 18(4): 656–659. doi: 10.1109/lcomm.2014.030114.132853

    23. [23]

      张国华, 陈超, 杨洋, 等. Girth-8 (3,L)-规则QC-LDPC码的一种确定性构造方法[J]. 电子与信息学报, 2010, 32(5): 1152–1156. doi: 10.3724/SP.J.1146.2009.00838
      ZHANG Guohua, CHEN Chao, YANG Yang, et al. Girth-8 (3,L)-regular QC-LDPC codes based on novel deterministic design technique[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2010, 32(5): 1152–1156. doi: 10.3724/SP.J.1146.2009.00838

    1. [1]

      王琼罗亚洁李思舫. 基于分段循环冗余校验的极化码自适应连续取消列表译码算法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180716

    2. [2]

      陈少真张怡帆任炯炯. 具有最小异或数的最大距离可分矩阵的构造. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT181113

    3. [3]

      王莉曹一凡杜高明刘冠宇王晓蕾张多利. 一种低延迟的3维高效视频编码中深度建模模式编码器. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180798

    4. [4]

      周洋吴佳忆陆宇殷海兵. 面向三维高效视频编码的深度图错误隐藏. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180926

    5. [5]

      王练张贺张昭张勋杨. 基于自适应随机线性网络编码的优先级调度方案. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180885

    6. [6]

      谢显中黎佳黄倩陈杰. 机器类通信中基于NOMA短编码块传输的高可靠低迟延无线资源分配优化方案. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT190128

    7. [7]

      曹成虎赵永波索之玲庞晓娇徐保庆. 基于频谱校正的中国余数定理多普勒频率估计算法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT181102

    8. [8]

      陈莹许潇月. 基于双向参考集矩阵度量学习的行人再识别. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT190159

    9. [9]

      孙兵阮怀林吴晨曦钟华. 基于Toeplitz协方差矩阵重构的互质阵列DOA估计方法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT181041

    10. [10]

      王逸林马世龙邹男梁国龙. 时空域联合的水下未知线谱目标检测方法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180796

    11. [11]

      殷茗王文杰张煊宇姜继娇. 一种基于邻接表的最大频繁项集挖掘算法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180692

    12. [12]

      张爱丽刘浩武林牛立杰张成陈雪吴季G矩阵修正法在一维综合孔径微波辐射计成像中的应用. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT181067

    13. [13]

      刘静刘涵黄开宇苏立玉. 基于自动秩估计的黎曼优化矩阵补全算法及其在图像补全中的应用. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT181076

    14. [14]

      徐保庆赵永波庞晓娇. 基于实值处理的联合波束域双基地MIMO雷达测角算法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180766

    15. [15]

      李扬张伟涛楼顺天. 基于联合对角化的声信号深度卷积混合盲分离方法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT190067

    16. [16]

      汤红波邱航游伟季新生. 基于联合备份的服务功能链可靠性保障的部署方法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT190013

    17. [17]

      全英汇陈侠达阮锋高霞李亚超邢孟道. 一种捷变频联合Hough变换的抗密集假目标干扰算法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT190010

    18. [18]

      唐伦马润琳杨恒陈前斌. 基于非正交多址接入的网络切片联合用户关联和功率分配算法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180770

    19. [19]

      柴蓉王令陈明龙陈前斌. 基于时延优化的蜂窝D2D通信联合用户关联及内容部署算法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180408

    20. [20]

      唐伦杨恒马润琳陈前斌. 基于5G接入网络的多优先级虚拟网络功能迁移开销与网络能耗联合优化算法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180906

  • 图 1  多信源多中继QC-LDPC编码协作系统模型

    图 2  采用联合设计QC-LDPC码的编码协作系统与点对点系统的BER比较

    图 3  编码协作系统在不同信源节点和中继节点数目下的BER比较

    图 4  采用联合设计QC-LDPC码与一般构造QC-LDPC码的编码协作系统BER比较

    图 5  采用联合设计QC-LDPC码与显式构造QC-LDPC码的编码协作系统BER比较

    图 6  编码协作系统在不同调制方式和不同接收天线数目情况下的BER比较

    表 1  双信源双中继编码协作及对应点对点系统所采用的QC-LDPC码

    信源节点所采用的QC-LDPC码中继节点所采用的QC-LDPC码
    双信源双中继系统$ {{{H}}_{{S_{1}}}} = {{{H}}_{1(1100 \times 2200)}} $$ {{{H}}_{{R_{1}}}} = [ {{{{A}}_{1(1100 \times 2200)}}}\quad {{{{B}}_{1(1100 \times 2200)}}}\quad {{I}}_{(1100 \times 1100)}]$
    ${{{H}}_{{S_{2}}}} = {{{H}}_{2(1100 \times 2200)}}$$ {{{H}}_{{R_{2}}}} = [ {{{{A}}_{2(1100 \times 2200)}}}\quad {{{{B}}_{2(1100 \times 2200)}}}\quad {{I}}_{(1100 \times 1100)}] $
    Rate=1/2Rate=4/5
    点对点系统${{{H}}_S} = {{{H}}_{(2200 \times 6600)}}$
    Rate=1/3
    \
    下载: 导出CSV

    表 2  不同信源节点、中继节点数目情况下编码协作系统所采用的QC-LDPC码

    信源节点所采用的QC-LDPC码中继节点所采用的QC-LDPC码
    双信源双中继$ {{{H}}_{{S_{1}}}} = {{{H}}_{1(1100 \times 2200)}} $$ {{{H}}_{{R_{1}}}} = [{\begin{array}{*{20}{c}} {{{{A}}_{1(1100 \times 2200)}}}&{{{{B}}_{1(1100 \times 2200)}}}&{{I}} \end{array}_{(1100 \times 1100)}}] $
    $ {{{H}}_{{S_{2}}}} = {{{H}}_{2(1100 \times 2200)}} $$ {{{H}}_{{R_{2}}}} = [{\begin{array}{*{20}{c}} {{{{A}}_{2(1100 \times 2200)}}}&{{{{B}}_{2(1100 \times 2200)}}}&{{I}} \end{array}_{(1100 \times 1100)}}]$
    Rate=1/2Rate=4/5
    双信源单中继$ {{{H}}_{{S_{1}}}} = {{{H}}_{1(1100 \times 2200)}} $${{{H}}_R} = [{\begin{array}{*{20}{c}} {{{{A}}_{(1100 \times 2200)}}}&{{{{B}}_{(1100 \times 2200)}}}&{{I}} \end{array}_{(1100 \times 1100)}}]$
    $ {{{H}}_{{S_{2}}}} = {{{H}}_{2(1100 \times 2200)}} $
    Rate=1/2Rate=4/5
    单信源双中继${{{H}}_S} = {{{H}}_{1(1100 \times 2200)}}$$\begin{gathered} {{{H}}_{{R_{1}}}} = [\begin{array}{*{20}{c}} {{{{A}}_{1(1100 \times 2200)}}}&{{{{I}}_{(1100 \times 1100)}}} \end{array}] \\ {{{H}}_{{R_{2}}}} = [\begin{array}{*{20}{c}} {{{{A}}_{2(1100 \times 2200)}}}&{{{{I}}_{(1100 \times 1100)}}} \end{array}] \\ \end{gathered} $
    Rate=1/2Rate=2/3
    下载: 导出CSV

    表 3  采用一般构造QC-LDPC码的协作系统各节点所采用的码字

    信源节点所采用的QC-LDPC码中继节点所采用的QC-LDPC码
    双信源双中继${d_v} = 2$, ${d_c} = 4$
    B=550
    ${d_v} = 2$, ${d_c} = 10$
    B=550
    注:dv指每列“1”的个数,dc指每行“1”的个数
    下载: 导出CSV

    表 4  采用显式构造QC-LDPC码的协作系统所采用的码字

    信源节点所采用的QC-LDPC码中继节点所采用的QC-LDPC码
    双信源双中继${d_v} = 2$, ${d_c} = 3$
    B=730
    ${d_v} = 2$, ${d_c} = 8$
    B=730
    下载: 导出CSV
  • 加载中
图(6)表(4)
计量
  • PDF下载量:  16
  • 文章访问数:  363
  • HTML全文浏览量:  159
  • 引证文献数: 0
文章相关
  • 通讯作者:  张顺外, swzhang@njupt.edu.cn
  • 收稿日期:  2019-01-24
  • 录用日期:  2019-06-16
  • 网络出版日期:  2019-06-26
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章