基于LT码的无码率极化码的设计与实现

发布时间：2020-07-26 09:20

【摘要】：自从香农提出香农定理之后,构造能够达到香农极限的信道编码方式一直是通信领域经久不衰的研究方向。LT码由Michael Luby于2002年提出,是第一类可实现的数字喷泉码。数字喷泉码是无码率的。LT码是基于不规则稀疏二分图构造出来的一种非系统码,其编码符号甚至可以仅在需要时动态产生。极化码于2009被Erdal Arikan提出,其拥有者线性时间内的编译码复杂度以及能在二进制擦除信道中达到香农极限的优越性能等优点,成为通信领域内信道编译码方向的又一热点研究方向。在无线通信、深空通信、网络数据等领域,数据的多播、组播以及分发等场景对无码率码的性能有着较高的要求,极化码作为一种优秀的前向纠错码,研究其在多播、组播以及分发等场景下的应用有着十分重要的意义。本文针对极化码在多播、组播以及分发等场景下的应用设计了一种基于LT码的无码率极化码并主要研究了其译码单元的数字逻辑实现。首先,本文介绍了LT码和极化码的基本原理和编译码算法。在LT码的译码算法介绍中,本文主要介绍了置信传播译码算法和高斯消去译码算法,并对二者在不同接受编码分组数量下的译码成功率进行了对比。在极化译码算法的介绍中,本文主要介绍了复杂度较低的串行抵消(Successive Cancellation,SC)译码算法,并介绍串行抵消译码算法中的对数似然比在逻辑实现上的简化计算方法,即最小和算法。然后,本文研究了极化码在组播、广播场景下的应用,使用极化码作为内码,LT码作为外码,将极化码和LT码级联成无码率极化码,并设计了基于LT码的无码率极化码的译码单元硬件逻辑实现。译码单元的极化码译码部分的逻辑实现部分算法选用串行抵消译码算法并用最小和算法简化对数似然比运算。译码单元的LT码单元使用置信传播译码算法,并针对LT码编码分组和信息分组的相关新信息的稀疏性,采用数字逻辑实现链表数据结构以达到性能和资源之间的平衡。最后,经过资源和性能的评估,本文所设计的译码单元在系统时钟为300M Hz的情况下,单个译码单元的吞吐率能够达到7.31 Mbps,能够以较低的复杂度达到较好的性能。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN911.22
【图文】：

图 3.5 异或计算单元功能仿真时序图3.2.3 存储单元LT 码译码单元的储存单元由度存储 RAM、输入数据存储 RAM、相关信息存储RAM 以及解码输出数据 RAM 组成。输入数据存储 RAM 用于缓存输入的编码分组，度存储 RAM 用于储存对应编码分组的度值。输入数据存储 RAM 和度存储 RAM 的大小为 LT 码译码设定的最大编码分组数目。在 AXI4-Stream 接口输入有效时，对这两个 RAM 进行写入操作，这两个 RAM 的寻址规律为顺序寻址，每次地址加 1。在度为 1 读取状态和异或计算过程数据读取状态下，对这两个 RAM 进行读取操作，在度为 1 读取状态，地址顺序寻址，每次地址加 1，在异或计算过程数据读取状态下，读取地址需要根据控制逻辑产生。除此之外在度为 1 数据计算和存储状态和异或计算过程数据计算和存储状态下也需要对这两个 RAM 进行写入操作，写入操作的地址和上一状态读取的地址相同。由于

图 3.10 输入控制单元功能仿真时序图3.3.3 比特状态计数器比特状态计数器用于指示当前译码比特的序号，每当完成一个比特的对数似然比和部分和计算后，比特状态计数器的值就会加 1，极化码译码单元的其他单元均根据当前比特的指示进行工作。1b10bLoadCounter Value10bResetLoad ValueCNTREGLOADVALUEREGMUX1b

图 3.13 对数似然比功能仿真时序图1.当前层计算单元对于单个比特，SC 译码算法可视为如图 3.14 所示的一颗计算树[39,40]，对于单个对数似然比计算核心的译码单元设计需要根据内部计数器的计数器值确定当前计算的对数似然比在树中的层序号，定义顶层序号为第 0 层。当前层的计算输入为内部计数器的计数器值。

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