LDPC码及其在5G高频通信中的标准进展
高频段的吸引力在于其带宽资源丰富,无论Ka-band、Q-band还是E-band都有102MHz至GHz的频谱资源作为候选,这对于提高系统峰值吞吐率是非常有利的,但对于信道编码而言则需要面临大码块的挑战,需要在满足一定的译码性能条件下,寻找能量效率与面积效率均有优势的信道编码方案。
2016年10月14日凌晨,里斯本,3gpp RAN1将准循环LDPC码确定为第5代移动通信系统的大数据包的信道编码方案。这对于已经提出近半个世纪的LDPC码而言,是一个振奋的消息。
3GPP RAN1会议(86bis)的结论如下:
- 在至少信息长度大于X情况下,eMBB场景采用LDPC编码方案;
- 在下一次会议(87次)中,从polar、LDPC、turbo三种编码中确定信息长度小于X所采用的信道编码方案;
- 128 <= X <= 1024,以及下一次会议从复杂度等角度进一步考虑X的取值。
那么,什么是LDPC码?让我一一道来。其实,LDPC码已经出来很久了,它比现在最常用的turbo码更为久远。早在20世纪60年代,由Gallager在他的博士论文中提出LDPC码。但是,限于当时的技术限制,译码算法比较高,所以在此后的35年间基本上被人们忽略。后来随着迭代译码的进一步研究,大家重新认识了LDPC码,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,目前已广泛应用于深空通信、光纤通信、卫星数字视频和音频广播等领域,以及进入了无线通信等相关领域的标准,例如卫星数字视频广播标准DVB-S2, IEEE802.16e(即WIMAX),IEEE802.11n,IEEE802.11ad,特别是下一代5G移动通信系统的大数据包已经采纳LDPC码。
原理
LDPC码是通过校验矩阵定义的线性分组码,即LDPC码块和校验矩阵必须满足,校验矩阵中是由0或者1构成,0表示不参与校验,1表示参与校验。看个例子,校验矩阵H如图1所示。
图1 LDPC码校验矩阵示例
采用二分图表示,可以包括2种节点:变量节点和校验节点。对于以上所给的校验矩阵,可以知道二分图如图2所示。图2 LDPC码二分图示例
从二分图中,可以看出校验节点和变量节点的连线数目和校验矩阵中的元素“1”的数目是相等的。所以在校验矩阵中,如果元素“1”的数目比较多,那么意味着校验节点和变量节点之间的连线也会非常复杂,从硬件角度看就是复杂度非常高。为了使译码算法可实现,所以,在LDPC码校验矩阵设计时,需要校验矩阵满足“稀疏性”,即校验矩阵中元素“1”的密度比较低,例如要求校验矩阵中“1”的个数远小于“0”的个数,并且如果码长越长,密度就要越低。码长比较长的LDPC码可以在极低的信噪比条件下实现无差错传输,具有逼近香农限的性能。 由于LDPC码直接采用稀疏的校验矩阵表示的话,在码长较长情况下,如果要存储该校验矩阵,那必然带来较大存储消耗。所以常用的LDPC码是一种结构化的LDPC码(Structured LDPC codes),又称为准循环LDPC码(Quasi-cyclic LDPC codes),这类LDPC码采用一个基础矩阵和扩展因子(提升值)来定义LDPC码,即校验矩阵中只包括2种子矩阵:1.单位阵的循环移位;2.全0方阵。例如,基础矩阵中的每个元素替换成一个单位阵的循环移位后可以获得扩展后的LDPC码校验矩阵,那么扩展因子就是所述单位阵的大小。例如,基础矩阵Hb如下所示,“-1”代表全0方阵,其他元素数值是小于Z并大于等于0,其数值代表所述基础矩阵扩展后的对应子矩阵块的循环移位数目。 则扩展矩阵如图3所示。图3 结构化LDPC码的校验矩阵示例
结构化LDPC码或者准循环LDPC码最早出现在WIMAX标准,WIMAX LDPC支持4种码率,每种码率有19种码长,每种码率有一个24列的基础矩阵,该方案是由摩托罗拉、三星和中兴提出的。后来,相似的结构化LDPC码被11n,11ac,11ad和15等WLAN或者WPAN标准采纳。 效果 从3GPP RAN1会议(86bis)中的关于LDPC码的所有提案中,我们可以发现,LDPC码不仅可以支持灵活的码长码率设计,而且可以支持增量冗余重传技术,而且其吞吐量更高,以及吞吐量效率较好。以下是从各个公司提案截取部分性能图。 1. 吞吐量 下一代移动通信系统的吞吐量要求:下行数据需要达到20Gbps的吞吐量,以及上行数据传输需要达到10Gbps的吞吐量。由于LDPC码本身具有并行性,所以可以采用更大的译码并行度,所以吞吐量会高于其他同等码长的编码方案(如turbo码、polar码等)。LDPC译码一般包括2个模块:校验节点更新模块和变量节点更新模块,2个模块之间进行迭代更新。根据各个公司对LDPC码的分析,如图4和图5所示,可以看出LDPC码的吞吐量在高码率时候是非常高的,以及其面积效率和能量效率也是远高于turbo码。图4 LDPC码的吞吐量对比
2. 性能 LDPC码的性能还是非常优异的,以下是从86b会议的各个公司的LDPC码提案中截取的一些性能,供大家欣赏。(a)
(b)
(c)
(d)
(e) 图6 LDPC码的各个码率下不同码长下的性能
3. IR-HARQ LDPC码可以通过基础矩阵扩展,可以获得更多校验比特,进而可以支持更低码率的LDPC码。而在混合自动重传需求技术(HARQ)中,如果重传数据中能传输更多的校验比特,使得接收端的总数据的码率更低,则说明该重传技术是增量冗余(IR)方式。而LDPC码经过基础矩阵扩展就可以获得更低码率和校验比特,那么重传数据中可以支持IR-HARQ方式。LDPC码的基础矩阵扩展方法,如图7所示,原木基础矩阵大小为,经过基础矩阵扩展可以获得行和列。图7 LDPC码基础矩阵扩展示例
性能如图8所示,LDPC码的IR-HARQ相对吞吐量和turbo是相当的。图8 归一化IR-HARQ吞吐量示例
BLER性能如图9所示,图9 在LDPC码长为2000下不同码率下的性能
小结 由上述分析可以看到,LDPC码具有与Turbo码相当甚至更优的性能,结构化的设计非常有利于并行化的低复杂度设计,吞吐量大,能量效率与面积效率均非常优秀,特别适合于高频大带宽下的应用场景,3GPP选择LDPC作为5G长码的信道编码方案是非常正确合理的选择。关注公众号:拾黑(shiheibook)了解更多
[广告]赞助链接:
四季很好,只要有你,文娱排行榜:https://www.yaopaiming.com/
让资讯触达的更精准有趣:https://www.0xu.cn/
关注网络尖刀微信公众号
随时掌握互联网精彩
随时掌握互联网精彩
赞助链接
排名
热点
搜索指数
- 1 跟着总书记写好中国绿色新答卷 4996917
- 2 全球首颗用牡丹制成钻石亮相 4915850
- 3 36岁女子存300万后提前退休 4827770
- 4 “美丽经济”助推乡村蝶变 4745153
- 5 茶企老板一家3口遇害 嫌犯系其弟弟 4678729
- 6 金店疑因金价上涨拒绝发货 4543640
- 7 阿联酋一天下了一年的雨 4468848
- 8 第一批甘露寺在逃打工人提前还俗 4318663
- 9 小浪底景区未开展9.9元门票活动 4208167
- 10 马斯克财富蒸发超1万亿 4100862