LDPC 码在存储及无线通信系统中的应用研究

文/柳克会1　李明杰2

随着科学技术的发展， 存储和通信领域对大数据的处理也越来越复杂，迫切需要一种安全性和实现性都很好的编码方法。LDPC(Low Density Parity Check)码是目前编码研究的主要工作，其性能满足当今数据编码的需求，LDCP 码在存储和通信领域正在被广泛的使用。本文从LDPC 码的发展、原理以及应用等方面，简单的介绍了LDPC 码的研究情况。LDPC 码是一种比Turbo 码更先进，性能更好的编码方法，具有其他编码技术所不具备的优点，在大数据存储和高速通信方面具有极其广泛的应用前景，市场潜力巨大。

【关键词】 LDPC 存储 通信

1 LDPC码的发展

在1948 年，美国数学家，信息论创始人Claude Elwood Shannon 提出并证明了著名的有扰信道编码定理。定理中提出了一个理论上存在的最佳编码值，在理论提出以后，大量接近Shannon 理论极限的编码方式被发现。虽然这些编码越来越接近理论极限值，但是与极限值还是有不小的差距，在应用方面还有些欠缺。在1965 年，Gallager 博士在论文中首先提出了LDPC 码的算法，但是由于当时的计算机技术水平有限，没有人计算出对应的译码算法，此后的35 年间基本上被人们忽略。后来，在1993 年两位法国教授Berrou、Glavieux 在ICC 会议上提出了一种全新的编码方法——Turbo。Turbo 码比之前的编码方式更加逼近Shannon 理论极限值，被广泛使用在3G 通信上。在Turbo 码研究成功的带动下，研究人员对LDPC 编码重新进行了研究，找到了针对LDPC 的译码算法，发现了LDPC 编码的优良性能。随后经过十几年的研究和发展，LDPC码有了突破性的进展，相关技术也越来越成熟，甚至成为数据存储和通信编码的领域标准。

2 LDPC码的原理

LDPC 码是通过校验矩阵构造的一种线性编码，为了译码的可行性，校验矩阵必须为稀疏矩阵，满足“稀疏性”，也就是说，校验矩阵中元素“1”的数量应该远远小于元素“0”的数量，并且，随着码字的越长，“1”密度就要越低。在接收端，使用和- 积算法进行译码。使用稀疏校验矩阵定义LDPC 编码的另一个原因就是为了降低译码的复杂度，实现起来相对容易

2.1 规则LDPC码和非规则LDPC码

LDPC 码是“低密度”分组码，校验矩阵中的元素大多数是“0”，只有少量的“1”元素。定义一个码长为N 的LDPC 码(N，m，n)，如果校验矩阵HMxN：

（1）每一行含有n 个“1”即行重为n；

（2）每一列含有m 个“1”即列重为m；

（3）任意两行或两列之间位置相同的“1”的个数不大于1；

（4）n<<N，m<<M( 低密度)。

就称此LDPC 码为规则LDPC 码。如果各行（列）重量不同，则此LDPC 码叫做非规则LDPC 码。非规则LDPC 码的性能比规则码的性能更加优良，并且其性能更是远远超过了Turbo 码。

2.2 LDPC码的译码

LDPC 码的译码方式主要有两种算法：硬判决译码和软判决译码。硬判决译码算法最开始是由Gallager 提出来的一种算法，将接收到的数据先通过解调器解调，在进行判决，得到0、1 序列，最后将得到的序列输送到硬件译码器译码。虽然这种译码算法的复杂度非常低，但是性能却是LDPC 译码算法中最差的，一般仅仅使用在性能要求不高的场合。

软判决算法对硬件的要求不高，它使传输信道的利用率得到最大的利用，在信道传输上传输判决信息，利用接收到的判决信息对LDPC 码进行译码，同时使得译码可以迭代进行，充分利用信道信息，获得非常出色的译码性能。这种译码方式虽然使得信道的利用率很高，由于硬件依赖较少，其译码的复杂度是比较高的。常见的软判决译码算法有Gallager 概率译码算法和BP 译码算法。

3 LDPC码的主要应用

3.1 LDPC在数据存储方面的应用

磁存储器是目前数据存储大量使用的存储介质，最常见的就是电脑硬盘，根据转盘表面所镀磁性的不同磁化状态来表示计算机数据的原始数据0 和1。由于磁存储器的特点，使得其单位的数据存储量非常巨大，这也正是磁存储器飞速发展的原因。由于数据量的巨大，必须有一种编码算法对数据进行纠错和判决，以保证数据的准确传输和使用。在LDPC编码被发现之前，一般都是采用RS 编码检测数据的随机错误和突发错误。但是RS 编码的效果离Shannon 理论的极限值还有一定的差距。而LDPC 译码复杂度低，性能上最佳逼近Shannon 理论的极限值，使用的硬件结构也比RS 编码少。LPDC 能有效的纠正存储信道的随机错误，再配合RS编码，是纠正硬盘坏扇区，关盘划痕区等突发性错误的极佳选择。在未来的大数据存储方向必然有着无可估量的应用前景。

3.2 LDPC无线通信方面的应用——4G标准

当今社会，随着计算机技术的发展，由最起初的有线通信进化到了无处不在的无线通信。通信方式的改变正极大的改变着人们的日常生活。随着通信方式的改变，对通信的要求也越来越高，不仅要求更高的传输速度，还要求更高的传输精度。由于LDPC 编码技术的出现比较滞后，很可惜与3G 通信标准擦肩而过。LDPC 码具有优秀的编码增益，在不理想的通信环境下仍然能保证满意的通信质量，并且具有较高的传输速度，使其成为了第四代移动通信的最佳选择。目前非常流行的4G 标准就是LDPC 编码实现的，4G 系统能够以10MB 的速度除送数据，比上一代通信系统提高数倍，并能够传输高质量的视频图像，是可视电话的首选。无疑，4G 标准是LDPC 编码最典型最成功的应用。

4 结束语

本文主要从LDPC 的发展、原理以及应用等方面，简单介绍了LDPC 编码的体系结构。正是由于LDPC 具有其他编码无法替代的优秀性能，成为推动存储技术和通信技术飞速发展的最大贡献者。无疑，在今后的技术发展中，LDPC 具有不可估量的市场前景。

参考文献

[1] 贺鹤云.LDPC 码基础与应用[M]. 人民邮电出版社，2009.

[2] 史治平. 多元LDPC 码及其在无线通信中的应用[M]. 国防工业出版社,2012.

作者单位

1. 山东省莱芜市无线电管理局 山东省莱芜市 271100

2. 莱芜市人民医院 山东省莱芜市 271100

未来无线通信系统中的无线资源分配

文/叶绿霞

文中针对未来无线通信系统中的无线资源分配主要阐述了:动态子信道分配、分布式网络架构设计以及动态资源分配方面的问题。

随着无线通信技术的发展，无线通信的接入速度提升到100Mbit/s 量级，这对于正处于发展期的窝移动通信系统形成了挑战。文章基于这一背景对未来无线通信系统中的无线资源分配进行了阐述。为了解决多径快衰这一问题，并使频谱得到更充分的利用，从而出现了动态资源分配机制，现在主要是研究如何提高边缘用户数据速率以及系统容量。未来无线通信系统中的无线资源分配如下：

1 动态子信道分配

对于一个无线通信系统而言，最基础的就是调制技术与多址方式。第三代合作伙伴计划组织在进行相关讨论与研究后决定，将正交频分多址（简称OFDMA）技术和单载波频分多址（简称SC-FDMA）技术分别应用于3GLTE系统的下行和上行中。单载波频分多址技术具有较低的峰均比。以上两项多址技术在子信道选择方面均具有灵活性，可对频域资源进行动态分配，使得频率及多用户分集得到有效的利用，从而使得系统性能达到最佳状态。这也是LTE 系统无线资源分配的又一特征。

2 分布式网络架构设计

一般，构成3GPP 接入网UTRAN 的节点有两层，即NodeB 与RNC，但为了简化LTE系统网络， 使延迟时间变短，E-UTRAN 的组成部分仅为演进型NodeB。下图为LTE 系统的网络架构图，其组成部分主要是演进型NodeB 与接入网关。演进型NodeB 底层的传输是通过IP 实现的，由X2 接口实现逻辑上的连接，也就是建立Mesh 型网络。这种网络结构设计的目的是支持UE 可在网络中任意移动，从而使用户可进行无缝切换。所有演进型NodeB 与接入网关之间的连接都是由S1 接口来实现的，一个演进型NodeB 能够连接多个接入网关，同样，一个接入网关也能够与多个演进型NodeB 进行连接。事实上，接入网关就是一个边界节点，若认为核心网的组成部分包括接入网关，那么演进型NodeB 是接入网的主要组成部分。

由于网络架构不是固定不变的，故在协调无线资源分配中的小区间时，管理信令开销与控制时延是不能忽略掉的，LTE 系统无线资源管理的第三个特征就是其网络架构为分布式，如图1 所示。

3 动态资源分配方向

不同于传统方式，LTE 系统无线资源分配机制具有自己的特点，以下就动态资源分配展开讨论，调度与功率控制是动态资源分配的主要内容。　　

3.1 调度

在以分组交换为基础的无线网络中，频率资源的调度十分关键，3GPP 对调度进行了如下定义：时频资源是由基站调度器在相应的时间内分配给用户。评价调度算法好与坏的依据就是是否既满足了用户的QoS 要求，又使其系统容量最大化，所以要平衡系统与用户两者的关系。如今，无线网络发展迅速，许多VoIP 与多媒体等不同类型的新业务也随之出现，不同业务的QoS 要求区别非常大，怎样设计出一个调度器既能适应当前复杂的网络环境，又可满足不同业务的要求是我们需要思考的一个问题。