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CN105359447B - 用于编码信息比特的方法和设备 - Google Patents

用于编码信息比特的方法和设备 Download PDF

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CN105359447B CN201480038744.0A CN201480038744A CN105359447B CN 105359447 B CN105359447 B CN 105359447B CN 201480038744 A CN201480038744 A CN 201480038744A CN 105359447 B CN105359447 B CN 105359447B
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Abstract

本文给出用于编码信息比特的技术。所述信息比特基于各个比特的对信道损害的固有可靠性和免疫性被划分为至少两组。每组信息比特利用不同的编码强度被编码。产生的码字可在存储介质中存储或在通信信道中发送。

Description

用于编码信息比特的方法和设备
技术领域
本公开涉及用于通信和数据存储应用的编码技术。
背景技术
低密度奇偶校验(LDPC)编码技术正变得越来越流行，并且已为若干通信标准所接受，例如IEEE 802.11(Wi-FiTM)WiMAXTM、长期演进(LTE)、数字视频广播(DVBc2)、电缆数据服务接口规范(DOCSIS3.1)等。
LDPC编码是一种块编码。在编码侧，编码器向每k个信息比特添加m个奇偶(冗余)比特以形成n＝k+m个编码比特。在解码侧，解码器使用m个奇偶校验等式从n个编码比特提取k个信息比特。码率被定义为k/n。
像所有的前向纠错(FEC)编码技术一样，LDPC编码使用冗余比特中携带的额外信息来恢复丢失或损坏的信息比特。换言之，LDPC码字发送比原始信息比特更多的“信息”并将原始信息与冗余信息“互连”以便解码器能够恢复丢失或损坏的原始信息比特。所使用的编码的恢复能力被定义为编码强度。
附图说明
图1是用图片例示了本文给出的编码技术的图示。
图2A和图2B是根据本文给出的技术在组合的单个码字中使用的两个示例码的Tanner图。
图3例示了图2A和图2B的Tanner图的组合/并联。
图4是类似于图3、但示出在图2A和图2B的两个Tanner图之间连接的交叉分支的图示。
图5是更详细地示出图2A和图2B的两个Tanner图之间的交叉分支的放置的图示。
图6是描绘了根据本文给出的技术的用于编码信息比特的操作的流程图。
图7是例示了符号星座的示例的图示，该符号星座中不同位置的比特利用不同的编码强度被分组并编码。
图8是根据本文给出的技术被配置来编码信息比特的设备的框图。
具体实施方式
概览
本文给出用于编码信息比特的技术。所述信息比特基于各个比特的对信道损害的免疫性和固有可靠性被划分为至少两组。每组信息比特利用不同的编码强度/编码率被编码。产生的码字可在存储介质中存储或在通信信道中发送。
示例实施例
目前的低密度奇偶校验(LDPC)编码技术对所有信息比特同等地应用相同的编码强度。即，单个码率被用于码字中包含的所有信息比特。
本文给出的是基于对相应信息比特的信道损害的固有可靠性和免疫性、不同编码强度/编码率被应用于不同信息比特的编码技术。多个编码强度/编码率被用在单个LDPC码字内。该多编码强度/编码率LDPC码字的优点包括更好的编码增益和更少的编码开销。
信息比特被用来表示用于在数据存储设备或介质中存储或在通信信道中通信的数据。一般地，每个信息比特对信道损害不具有相同可靠性或免疫性。例如，在通信应用中，比特被映射到符号并且比特到符号映射是“不同等的”，导致对信道损害的可靠性和免疫性的不同。该不同等的比特到符号映射的示例在下面结合图7来描述。
对所有信息比特应用相同的编码强度(编码率)不对所有信息比特提供同等的纠错能力，因为比特天生具有不同的可靠性(不同的编码要求)。这与编码的目的，即，“平均”所有比特的可靠性以便丢失或损坏的比特能够被恢复相矛盾。
因此，本文给出了这样的编码方案，其中取决于信息比特对信道损害(诸如通信信道中的损害或与特定存储设备或存储介质相关的损害)的固有可靠性和免疫性，不同的编码强度被应用于单个码字(例如，单个LDPC码字)内的不同组的信息比特。码字是从利用不同编码强度(编码率)编码的多个成分码字构造的，内分支将多个码字连接在一起。内分支被结构化以满足某种码的性能标准(例如，满足预定标准的复合码的围长)。
该LDPC编码方案存在若干优点。第一，它减少了复杂性。一些信息比特可以利用较高码率来编码，导致较少的计算。第二，它具有更好的编码增益。比特的固有可靠性作为因素被计入代码结构，在产生的码字中取得改善的编码增益。第三，它享有较少的编码开销。一些比特利用较高的码率被编码，使得总编码率增加，导致降低的编码开销。
现在参考图1，图1是用图片示出根据这些技术的编码方案的图示。在图1中，信息比特串在标号10处被示出。该比特串10待编码以用于通信信道中的通信或存储。在信息比特串10中，一些比特天生地更容易遭受信道损害或较不可靠，并且这些比特在标号12处被示出。相反，串10中的其他比特天生地较不易遭受信道损害并且更可靠，并且这些比特在标号14处被示出。较高可靠性比特14被分组在一起并利用较低编码强度/较高编码率被编码，如标号16处所示。较低可靠性比特12被分组在一起并利用较高编码强度/较低编码率被编码，如标号18处所示。产生的码字20因而包括利用较低编码强度/较高编码率来编码较高可靠性比特14所产生的第一成分码字的第一多个比特22，以及利用较高编码强度/较低编码率来编码较低可靠性比特12所产生的第二成分码字的第二多个比特24。码字20是具有多个编码强度/编码率、即具有分别被利用不同编码强度来编码的两个(或更多个)互连的成分码字的单个码字。图1的示例中示出的比特数目不打算成为限制性的，而是仅用于本文给出的编码技术的一般概念的例示性目的。
现在参考图2A和图2B。这些图中示出的图示被称为Tanner图。Tanner图是LDPC奇偶校验矩阵的图形表示，并且被广泛用于LDPC编码/解码。Tanner图包括两列节点，左列包括表示信息比特的可变节点，右列包括表示约束(奇偶校验等式)或冗余比特的校验节点。在可变节点的数目为k、校验节点的数目为m的示例中，编码率为k/(k+m)。
图2A示出用于第一码C1的Tanner图G1，其中C1(n1,k1,m1＝n1-k1)，图2B示出用于第二码C2的Tanner图G2，其中C2(n2,k2,m2＝n2-k2)。图2A和图2B示出的节点数目仅用于例示目的并且不打算精确指示编码器和解码器中使用的校验节点和信息节点的实际数目，也不打算精确指示图2A和图2B所示示例中使用的编码率。码C1的编码率为CR1＝k1/n1，并且C2的编码率为CR2＝k2/n2。在这些示例中，CR1>CR2，意味着码C2强于码C1。编码率被定义为k/n，k为信息比特的数目，n为编码比特的数目。编码率越高，码中的奇偶比特越少，所以编码强度越弱，反之亦然。编码强度与码率/编码率成反比。图2A和图2B所示的码C1和C2的Tanner图在下文中被用于描述将信息比特编码到单个多编码强度码字中的编码方案。
图3例示了码C1和C2的Tanner图G1和G2的组合/并联，以构造用于复合码字的具有k＝k1+k2个可变节点和m＝m1+m2个校验节点的更大Tanner图G。在组合的Tanner图G中，码C1和C2被称为成分码或成分码字。
接下来，在图4中，分支被放置在码C1和C2的Tanner图G1和G2之间。这些分支在标号30处被示出并被称为交叉分支。这些交叉分支的数目L可通过Tanner图G1和G2的“度”来确定。例如，L＝max(D1,D2)，其中D1和D2分别为Tanner图G1和G2的平均度。“度”指代从k个节点(表示信息比特)到m个校验节点(表示冗余或校验比特)的连接的数目。
现在转向图5，示出Tanner图G1和G2之间的交叉分支30的连接的图示被提供。将交叉分支连接到可变节点和校验节点的过程被描述如下。
1.第一交叉分支被连接到Tanner图G1中的第一可变节点。
2.被选交叉分支被连接到Tanner图G2的第一校验节点。
3.带有添加的交叉分支的复合Tanner图G的最小围长值被计算。码的围长是其Tanner图中最短循环的长度。如本领域已知的，“循环”指代在穿过信息节点和校验节点后从开始点节点回到该同一节点的所有路径之和。
4.如果最小围长满足预定标准，则下一交叉分支被选择并且处理在操作1处重复。否则，不同的对被选择，所述对是G1的可变节点和G2的校验节点，或者是G2的可变节点和G1的校验节点，并且处理去往操作3。例如，预定标准可以是最小围长为3。
5.如果所有交叉分支被连接，则处理停止。如果不是，则最小围长标准(降低要求)改变或者不同的成分码C1和C2被选择。
总而言之，(与不同编码强度/编码率相关的)成分码字的Tanner图表示之间的交叉分支被计算，其中交叉分支的数目是基于每个码字的Tanner图表示的平均度的。交叉分支被计算以便产生的作为成分码字的复合的单个码字具有满足预定标准的围长。
现在参考图6来描述描绘了根据本文给出的技术的编码处理的操作的流程图。为了该描述，还参考图5。在40处，待编码的信息比特基于各个比特的对信道损害的固有可靠性和免疫性被划分成(至少两)组。例如，如图5所示，k个信息比特被划分成分别具有k1和k2个信息比特的两组，使得k1+k2＝k。该划分是以k1个比特天生比k2个比特更可靠的方式完成的。
在50处，每组信息比特利用不同的编码强度/编码率被编码。例如，在图5中，k1个比特根据码强度/码率CR1被映射到Tanner图G1中的可变节点上，并且k2个比特根据码强度/码率CR2被映射到Tanner图G2中的可变节点上。该映射的实际实施可通过相应的复合奇偶校验矩阵来完成。编码率对于k1和k2个比特分别为CR1和CR2。有效编码率将为(k1+k2)/(n1+n2)。再次，在本示例中，CR1>CR2。
在60处，产生的码字被存储在存储设备或存储介质中，或在通信信道中被发送到一个或多个目的地设备。应该意识到，实践中，该编码方案针对大块比特来执行，以便将大量比特编码到表示原始信息比特的多个码字中供存储或在通信信道中发送。
转向图7，本文提出的编码技术的示例应用的图示被示出。在本示例中，64正交幅度调制(QAM)符号星座70被示出。如图中所指示，在80处，星座的内部符号的比特更可靠并且可利用相对较低的编码强度/较高的编码率被编码。另一方面，90处所示的外部符号的比特较不可靠并且利用相对较高的编码强度/较低的编码率被编码。
编码方案支配解码处理。解码处理获得编码比特，并使用复合奇偶校验矩阵(复合的Tanner图)来对比特进行解码，而无需明确知晓奇偶校验奇偶矩阵是如何构造的以及为何以该方式来构造。一般地，对根据本文提出的编码方案编码的码字进行解码涉及接收包括分别利用不同编码强度编码的两个(或更多个)互连的成分码字的码字。互连的成分码字根据它们相应的编码强度被联合解码以恢复所有成分码字的所有信息比特。
现在参考图8，其中可使用本文提出的编码技术的设备的示例框图被示出。如上面所解释的，可在对用于存储在存储介质或设备中的或用于在通信信道上发送的信息进行编码的设备中采用该编码技术。图8示出设备100，设备100包括编码器110、处理器或中央处理单元(CPU)120、其中存储了编码控制软件135的存储器130、发送器140和存储系统150。编码器110是被配置成执行本文描述的编码操作以将信息比特编码到码字中的硬件块。例如，编码器110可在被配置成执行本文给出的编码操作的可编程逻辑器件或一个或多个专用集成电路(ASIC)中的数字逻辑门中实施。
处理器120可以是运行编码控制软件135的存储器130中存储/编码的指令以便结合编码器来辅助本文描述的编码操作中的一个或多个或执行本文描述的全部编码处理的微控制器或微处理器。例如，处理器120可将待编码的信息比特供应到编码器110。处理器120也可在将信息比特供应到编码器之前执行比特到符号映射。本文描述的编码操作可部分在硬件中部分在软件中执行、完全在硬件中执行或完全在软件中执行。
发送器140可以是被配置成格式化码字并通过通信信道160将码字发送到目的地设备170的有线或无线发送器。例如，发送器140可被配置成通过有线或无线网络发送数据。
存储系统150可以是写入用于存储在数据存储介质或设备(如图8所示的存储设备152)的数据的存储器写入子系统。存储设备152的示例是光压缩盘、通用串行总线(USB)盘驱动器、磁硬盘驱动器等。
存储器130可包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质设备、光存储介质设备、闪速存储器设备、电气、光或其他物理/有形存储器存储设备。一般地，存储器130可包括编码有包括计算机可运行指令的软件的一个或多个有形(非暂态)计算机可读存储介质(例如，存储器设备)，并且当该软件(被处理器120)运行时可操作来执行本文描述的操作。
总而言之，本文给出了如下编码技术，其中信息比特基于它们对信道损害的固有可靠性和免疫性被划分成组，并且对于支持多个编码率的单个LDPC码字，不同的组利用不同的编码强度(编码率)被编码。
根据这些技术，多个编码率在单个LDPC码字中被支持。LDPC码对单个码字内的不同组的信息比特应用不同的编码强度(编码率)。如本文所描述的，LDPC码字可通过并联每个较短码字(成分码字)的Tanner图来从具有不同编码强度的多个成分码字构造。LDPC码字是通过在较短码字的Tanner图表示之间添加交叉分支来从具有不同编码强度/编码率的多个较短码字构造的。所述分支可通过复合码的围长满足预定要求或标准的方式被添加。
总之，提供了一种方法，包括：在具有要在存储介质中存储或在通信信道中发送的信息比特的设备处，基于各个比特的对信道损害的固有可靠性和免疫性将所述信息比特划分成至少两组；以及利用不同编码强度对每组信息比特进行编码。
类似地，在另一形式中，提供了编码有包括计算机可运行指令的软件的一个或多个计算机可读存储介质，当该软件被运行时所述指令可用于：将要在存储介质中存储或在通信信道中发送的信息比特基于各个比特的对信道损害的固有可靠性和免疫性来划分成至少两组；以及利用不同编码强度对每组信息比特进行编码。
此外，提供了一种设备，所述设备包括编码器和处理器，所述处理器被耦合到所述编码器并被配置成供应待编码的信息比特；其中所述编码器被配置成：基于各个比特的对信道损害的固有可靠性和免疫性将所述信息比特划分成至少两组；以及利用不同编码强度对每组信息比特进行编码。
上面所描述的是示例。本文描述的概念在不脱离其精神或本质特性的情况下可通过其他具体形式来体现。前述示例因此在所有方面被认为是例示性的，而不打算成为限制性的。因此，旨在涵盖落入根据要求优先权的申请中提交的权利要求公平、合法且公正地享有的宽度来解读的、任何权利要求的精神和范围内的所有这种变更、修改和变化。

Claims (11)

1.一种用于编码信息比特的方法，包括：
在具有要在存储介质中存储或在通信信道中发送的信息比特的设备处，基于各个比特的对信道损害的固有可靠性和免疫性将所述信息比特划分成至少两组；
利用不同编码强度对每组信息比特进行编码；
并联每组信息比特的Tanner图表示以生成复合的Tanner图表示；
基于每组信息比特的Tanner图表示的平均度，来计算多组信息比特之间的交叉分支的数目；以及
通过以下操作构建每个交叉分支：
连接所述至少两个组中的第一组的第一可变节点和所述至少两个组中的第二组的第一校验节点；
计算复合的Tanner图表示的最小围长；
当计算出的复合的Tanner图表示的最小围长满足预定标准时，继续构造下一个交叉分支；以及
当计算出的复合的Tanner图表示的最小围长超过预定标准时，连接所述第一组的可变节点和所述第二组的校验节点的不同的对，并且再次计算最小围长直到满足预定标准。
2.根据权利要求1所述的方法，其中编码包括对低密度奇偶码字的信息比特进行编码，以使得不同编码强度被应用于单个码字内的不同组的信息比特。
3.根据权利要求1所述的方法，其中编码包括将多组信息比特编码到支持多个编码强度的单个低密度奇偶码字中。
4.根据权利要求1所述的方法，其中编码包括利用相对较高的编码强度来编码对信道损害具有相对较低可靠性和免疫性的信息比特组以及利用相对较低的编码强度来编码对信道损害具有相对较高可靠性和免疫性的信息比特组。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在存储介质中存储产生的码字或在通信信道中发送所述码字。
6.一种或多种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行指令，并且当所述指令被处理器执行时能执行以下操作：
基于各个比特的对信道损害的固有可靠性和免疫性，将要在存储介质中存储或在通信信道中发送的信息比特划分成至少两组；
利用不同编码强度对每组信息比特进行编码；
并联每组信息比特的Tanner图表示以生成复合的Tanner图表示；
基于每组信息比特的Tanner图表示的平均度，来计算多组信息比特之间的交叉分支的数目；以及
通过以下操作构建每个交叉分支：
连接所述至少两个组中的第一组的第一可变节点和所述至少两个组中的第二组的第一校验节点；
计算复合的Tanner图表示的最小围长；
当计算出的复合的Tanner图表示的最小围长满足预定标准时，继续构造下一个交叉分支；以及
当计算出的复合的Tanner图表示的最小围长超过预定标准时，连接所述第一组的可变节点和所述第二组的校验节点的不同的对，并且再次计算最小围长直到满足预定标准。
7.根据权利要求6所述的计算机可读存储介质，其中编码包括对低密度奇偶码字的信息比特进行编码，以使得不同编码强度被应用于单个码字内的不同组的信息比特。
8.根据权利要求6所述的计算机可读存储介质，其中编码包括将多组信息比特编码到支持多个编码强度的单个低密度奇偶码字中。
9.根据权利要求6所述的计算机可读存储介质，其中编码包括利用相对较高的编码强度来编码对信道损害具有相对较低可靠性和免疫性的信息比特组以及利用相对较低的编码强度来编码对信道损害具有相对较高可靠性和免疫性的信息比特组。
10.一种用于编码信息比特的设备，包括：
编码器；和
处理器，所述处理器被耦合到所述编码器并被配置成供应待编码的信息比特；
其中所述编码器被配置成：
基于各个比特的对信道损害的固有可靠性和免疫性，来将所述信息比特划分成至少两组；
利用不同编码强度对每组信息比特进行编码；
并联每组信息比特的Tanner图表示以生成复合的Tanner图表示；
基于每组信息比特的Tanner图表示的平均度，来计算多组信息比特之间的交叉分支的数目；以及
通过以下操作构建每个交叉分支：
连接所述至少两个组中的第一组的第一可变节点和所述至少两个组中的第二组的第一校验节点；
计算复合的Tanner图表示的最小围长；
当计算出的复合的Tanner图表示的最小围长满足预定标准时，继续构造下一个交叉分支；以及
当计算出的复合的Tanner图表示的最小围长超过预定标准时，连接所述第一组的可变节点和所述第二组的校验节点的不同的对，并且再次计算最小围长直到满足预定标准。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述编码器被配置成对低密度奇偶码字的信息比特进行编码，以使得不同编码强度被应用于单个码字内的不同组的信息比特。
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