Analysis of Non-binary Hybrid LDPC Codes
非均相催化臭氧化催化剂载体研究进展
Lv等"门将天然凹凸棒土进行酸改性后,采 用凝胶法负载Fe3 .Mn2制得Fe-Mn负载凹凸 棒土催化剂,在用于甲基橙模拟废水处理的实验 中,色度去除率达99. 96%, COD(>去除率达 92.50%。动力学实验表明上述过程符合一级动 力学反应模型,添加叔丁醇进行自由基猝灭实验, 验证其氧化过程遵循自由基氧化机理。 2.2 陶粒
Wang等[19]合成了负载有氟的碳纳米管FCNT,对草酸的降解能力远超过单独臭氧处理, 甚至高于ZnO、A12 O3、Fe O3传统金属基催化 剂,对降解有机污染物表现出良好的催化活性。 使用BMPO和TEMP作为自由基捕获剂进行电 子顺磁共振(EPR)的实验表明是O-在催化臭氧 化中起着关键性的作用,F-CNTs表面的碱性基 团和离域n电子以及C-F共价键协同促进催化 臭氧化过程中活性氧(ROS)的形成,使其具有高 催化效率。 1.3石墨烯
Wang等[4]采用混合法制备了 Al O3-CuOCe(“/膨润土臭氧催化剂,在800 C下焙烧4 h时 获得最高催化性能。在pH值为7的高盐度废水 中,当臭氧投加量为32. 1 mg/L,催化剂投加量为 1 50 g/L 时,COD 去除率超过了 80 %。Yuan 等[5]以硅藻土为载体,利用共沉淀法制备了 n Fe3()/硅藻土去除膜滤浓缩液混沉出水,在溶液 pH值为7 ,催化剂投加量0. 8 g/L,臭氧气体流量 1. 0L/min时,其COD与UV24的去除率分别为 67. 8%和 86. 3%。
非线性非齐次Bloch方程与混合态的几何量子相位
II
目录
摘 要....................................................... I Abstract ..................................................... II 第一章 引 言 ................................................... 1 §1.1 概述 ...................................................... 1 §1.2 几何量子相位 .............................................. 2 §1.3 混合态几何量子相位 ........................................ 3 §1.4 几何量子相位的应用 ........................................ 4
The results are applied to the fluorescent oscillation and nuclear spin polarization system. We find that by adjusting the initial conditions and external controlling physical parameters, we can obtain the conditional geometric phase and further realize a controllable fault-tolerant quantum memory in terms of this conditional geometric phase in the fluorescent oscillation and nuclear spin polarization system.
非局部扩散的非自治抛物方程动力学行为
非局部扩散的非自治抛物方程动力学行为常伟伟;李晓军【摘要】考虑带非局部扩散的非自治抛物方程解的长时间行为,当时间符号项于L2loc (瓗;H -1(Ω))和 L2loc (瓗;L2(Ω))中平移有界时,证明该系统所对应的过程在 L2(Ω)与 H10(Ω)中存在一致吸引子。
【期刊名称】《河南科技大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2016(037)005【总页数】6页(P77-82)【关键词】一致吸引子;非局部扩散;非自治抛物方程【作者】常伟伟;李晓军【作者单位】河海大学理学院,江苏南京 210098;河海大学理学院,江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】O175由于非局部问题在物理学、生物学和自动控制等诸多领域的广泛应用,其研究日益受到人们重视。
在半导体方程中,非局部形式a=a(l(u))的出现,可以用来描述依赖非局部数量的热力学扩散速率[1-2]。
在生物方程中,如一个密闭容器细菌种群数量的迁移速率=a▽u,取决于某个指定区域细菌的数量密度u[3]。
关于非局部问题有许多数学方面的研究[4-6],非局部抛物方程解的渐近行为研究也备受关注。
文献[7]研究了解的适定性,并用能量方法详细论述了拉回吸引子的存在性。
另外,在弱外力假设下,关于非自治系统渐近动力学行为,近期也有较多的研究[7-10]。
然而,非局部抛物方程在L2(Ω)和(Ω)一致吸引子的研究相对较少。
一致吸引子用来描述其动力学行为时,比较常用的是斜积流法,该方法牵涉到符号空间,且一般要求外力符号在符号空间作紧性平移[11]。
本文仅在时间符号平移有界,不要求平移紧的条件下,研究下列非局部非线性抛物方程一致吸引子的存在性:其中:Ω⊂N为有界开集;a∈C(,+)为局部Lipschitz连续函数,满足其中:m,M为正常数。
l∈(L2(Ω))′,f∈C()且存在常数η>0,cf≥0满足假设(;H-1(Ω))或(;L2(Ω))。
用和(,.,)分别表示L2(Ω)中的范数及对应的内积;和((. , .))分别表示(Ω)中的范数及对应的内积;〈. , .〉表示H-1(Ω)与间的对偶积;表示H-1(Ω)范数。
准循环多进制LDPC码构造
第35卷第2期电子与信息学报Vol.35 No.2 2013年2月 Journal of Electronics & Information Technology Feb. 2013准循环多进制LDPC码构造杨民①张文彦②钟杰*②吴杰②①(同方电子科技有限公司九江 332000)②(浙江大学信息与通信工程研究所杭州 310027)摘要:该文研究准循环多进制LDPC码的构造,给出多进制LDPC码的设计流程和构造方法。
详细讨论了多进制LDPC码的性能影响因素,综合考虑了环长和环的连通性对性能的影响,研究了母矩阵扩展中偏移因子的选择以及GF(q)上非零元素替代。
同时提出了次优解的搜索方法,以降低搜索复杂度。
最后,将提出的方法用于不同阶数下LDPC码的构造。
仿真结果表明,通过新方法构造得到的多进制LDPC码与二进制码相比,在BPSK调制方式下在误帧率410−附近有0.2 dB的性能提升;在有限域阶数与调制阶数匹配的情况下,有更大的性能提升。
与相近码长,相同码率的多进制循环码相比,该文构造得到的多进制LDPC码在误帧率410−附近有0.25 dB的性能提升。
关键词:多进制LDPC;码构造;环长;满秩条件中图分类号:TN911.22 文献标识码:A 文章编号:1009-5896(2013)02-0297-06 DOI: 10.3724/SP.J.1146.2012.00403Construction of Non-binary QC-LDPC CodesYang Min① Zhang Wen-yan② Zhong Jie②Wu Jie②①(Tong Fang Electronic Technology Co., Ltd., Jiujiang 332000, China)②(Institute of Information and Communication Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)Abstract: The construction of non-binary quasi-cyclic low-density parity-check codes are investigated. Important factors that influence the performance of non-binary LDPC codes are discussed in detail. The circle length and connectivity are taken into account in the construction. The selection of shift values to extend the mother matrix and the replacement of non-zero elements over GF(q) for the parity check matrix are studied. Meanwhile, a suboptimum method with lower complexity is proposed to search for the solution according to the new formula.The method is applied to the construction of non-binary LDPC codes over different Galois fields. Simulation results show that the codes constructed by this method outperform the corresponding binary codes by 0.2 dB at FER around 410− on the BPSK AWGN channel. The performance gap is larger when the order of the Galois field equals the order of the modulation. Compared with non-binary cycle code with the same code rate and approximate code length, the constructed non-binary LDPC code gets an improvement of 0.25 dB at FER around 410−.Key words: Non-binary LDPC; Code construction; Girth; Full Rank Condition (FRC)1引言LDPC码是一种具有接近香农极限的优秀信道编解码方案。
QC-LDPC码基矩阵构造方法
QC-LDPC码基矩阵构造方法朱磊基;汪涵;施玉松;邢涛;王营冠【摘要】By using the special properties of Dayan Sequence and Golomb-Ruler, two methods are proposed to construct basis matrix of parity check matrix for quasi cyclic low density parity check code. According to the necessary and sufficient condition for parity check matrix that has no circle of length four, the designed QC-LDPC codes have circles no less than six. At the BER of 10-5, the simulation shows that comparing with RS and convolution code concatenate methods, the designs have nearly 2 dB more performance improvement. Meanwhile, comparing with methods proposed by IEEE802. 16e standard, Golomb-Ruler method has 0. 8dB performance decrease and Dayan Sequence method has 0. 9dB performance decrease. Those two methods have almost the same performance, the former has 0.1 dB gain than the latter.%利用发现的大衍数列和Golomb-Ruler的特殊性质,给出了两种准循环LDPC码的校验矩阵基矩阵的构造方法.根据校验矩阵不含长度为4的环的充要条件判断,设计的两种准循环LDPC码的环长至少为6.仿真显示,在10-5误码率条件下,这两种设计方案比传统的RS码和卷积码级联编码方案有接近2 dB的性能提升;相比于IEEE 802.16e标准给出的设计方案,基于Golomb-Ruler构造的QC-LDPC码在性能上有0.8 dB的差距,基于大衍数列构造的QC-LDPC码在性能上有0.9dB的差距;基于Golomb-Ruler构造的QC-LDPC码与基于大衍数列构造的QC-LDPC码有几乎接近的性能,前者比后者大约有0.1 dB的增益.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(035)005【总页数】3页(P68-70)【关键词】准循环;校验矩阵;基矩阵;大衍数列;Golomb-Ruler【作者】朱磊基;汪涵;施玉松;邢涛;王营冠【作者单位】中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050;中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050;中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050;中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050;中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050【正文语种】中文【中图分类】TN919-340 引言LDPC码最初由Gallager在1962年发现[1],在被忽略了30年左右,由Mackay 等再度发现,并被证明具有接近香农限的优异性能[2-3]。
一种混合多边缘型LDPC码密度进化算法
doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2019.02.008引用格式:孙尔京,李学华,欧莹,等.一种混合多边缘型LDPC码密度进化算法[J].电讯技术,2019,59(2):167-174.[SUN Erjing,LI Xuehua, OU Ying,et al.A hybrid multi-edge LDPC code density evolution algorithm[J].Telecommunication Engineering,2019,59(2):167-174.]一种混合多边缘型LDPC码密度进化算法*孙尔京,李学华**,欧 莹,姚媛媛(北京信息科技大学信息与通信工程学院,北京100101)摘 要:在二进制输入加性高斯白噪声信道下,研究了基于多边缘型低密度奇偶校验码(Multi-edge Low Density Parity Check,MET-LDPC)的密度进化算法㊂针对高斯近似算法在前期迭代中的不准确问题,提出了一种改进算法㊂在分析MET-LDPC码的密度进化的基础上,将全密度进化与高斯近似算法结合,通过设置切换限制条件,弥补早期迭代的不准确,提高编码阈值估计的准确性㊂仿真结果表明,与MET-LDPC全密度进化算法相比,所提算法可以有效提高编码阈值估计的准确性,对LDPC 编码的设计有一定的参考价值㊂关键词:多边缘型低密度奇偶校验(MET-LDPC);密度演化;高斯近似;编码阈值估计开放科学(资源服务)标识码(OSID):微信扫描二维码听独家语音释文与作者在线交流中图分类号:TN911.22 文献标志码:A 文章编号:1001-893X(2019)02-0167-08A Hybrid Multi-edge LDPC Code Density Evolution AlgorithmSUN Erjing,LI Xuehua,OU Ying,YAO Yuanyuan(School of Information and Communication Engineering,Beijing Information Scienceand Technology University,Beijing100101,China)Abstract:In the binary input additive Gauss white noise channel,the density evolution algorithm based on the multi-edge low density parity check(MET-LDPC)code is studied.An improved algorithm is proposed for the inaccuracy of the Gauss approximation in the previous iteration.According to the analysis of the den⁃sity evolution of MET-LDPC code,full density evolution is combined with Gauss approximation algorithm, the inaccuracy of the early iteration is offset,and the accuracy of the code threshold estimation is improved by setting the switching restriction conditions.The simulation results show that,compared with that of the MET-LDPC full density evolution algorithm,the accuracy of the code threshold estimation can effectively be improved with the hybrid density evolution algorithm,which has a certain reference value for the design of LDPC coding.Key words:multi-edge low density parity check(MET-LDPC);density evolution;Gauss approximation; code threshold estimation1 引 言低密度奇偶校验(Low Density Parity Check,LD⁃PC)码是Gallager于1962年提出的一种具有接近香农限的优秀编码方案[1]㊂多边类型低密度奇偶校㊃761㊃第59卷第2期2019年2月电讯技术Telecommunication Engineering Vol.59,No.2 February,2019* **收稿日期:2018-05-21;修回日期:2018-09-09基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(61601038);北京信息科技大学师资补充与支持计划(5029011103)通信作者:lixuehua@验(Multi-edge LDPC,MET-LDPC)码不同于一般LDPC码以节点的角度定义LDPC码,其结构更加灵活多样,在更低的译码复杂度下能够获得更好的纠错性能[2]㊂多边缘型LDPC码在编码中引入了删余变量节点,这种节点的优点在于只参加了编码和译码过程,没有实际通过信道,因此在节约带宽和提升码字的纠错能力两方面有较大优势[3]㊂MET-LDPC 码概念较新,最早是2004年由Richardson[4]提出的㊂文献[5]提出了一种联合优化算法可以实现最大化解码阈值㊂文献[6]在OFDM系统中将MET-LDPC码与网络成形结合在一起有效降低了峰均比㊂在我国学者相关的研究中[7-13],虽然许多作者已经通过优化解码算法的存储结构以及提出新的密度演化近似算法来降低算法复杂度,提高纠错的速度,但仅研究了全密度演化,没有与高斯近似相结合,即便提高了纠错速度,但对于代码阈值估计的准确性依然不够理想㊂密度演化(Density Evolution,DE)是用于分析BP译码下给定LDPC码集合的收敛行为(即码阈值)的一种方法,其中码阈值被定义为当编码块长度达到无穷大时译码错误概率收敛到零的最大信道噪声㊂通过迭代译码过程跟踪相应Tanner图中沿边缘传递消息的概率密度函数(Probability Density Function,PDF)来确定给定集合的BP译码性能,然后,可以测试对于给定的信道条件和给定的度分布,译码器是否能够成功地译出所发送的消息(随着迭代的增加,译码错误概率趋于零)㊂可以使用DE设计出LDPC码和MET-LDPC的度分布(即使用DE 找到编码阈值),然而使用DE计算阈值并设计LD⁃PC和MET-LDPC的度分布需要很密集的计算,因为在每个迭代译码中都需要对沿Tanner图边缘传递的消息进行PDF数值评估,即对于全密度演化,数以千计的点被用来精确地描述一个消息PDF㊂因此,对于在二进制输入加性高斯白噪声(Binary In⁃put Additive White Gaussian Noise,BI-AWGN)通道下的LDPC码,现在的研究大多是通过高斯PDF近似信息PDF,使用单个参数来简化分析㊂文献[14]研究了用于标准LDPC码的BP解码的高斯近似的准确性,证明它对于中高速率的码字是准确的㊂大多数关于MET-LDPC码密度演化的文献仅研究了全密度演化,没有从全密度演化切换到高斯近似,致使编码阈值估计的准确性依然不够理想,并且算法过于复杂,性能不够好㊂因此,本文在传统算法的基础上将LDPC码的高斯近似扩展到MET-LDPC码,在MET-LDPC码中讨论高斯近似的精度,在此基础上提出一种新的密度演化方法从而提高编码阈值估计的准确性,并且在保证效率的前提下新算法较高斯近似算法更加精确,对码字的设计有一定的参考作用㊂2 用于MET-LDPC码的高斯近似2.1 BP译码和密度演化在BP译码算法中,消息自Tanner图的边缘开始从变量节点传递到校验节点,反之亦然,直到找到一个有效的码字或达到预定的最大解码迭代次数㊂每个BP译码迭代涉及两个步骤:(1)变量节点处理从邻近校验节点接收的消息及其对应的信道,并将消息输出到其相邻检查节点;(2)校验节点处理来自其相邻变量节点的输入,并将消息传回其邻近的变量节点㊂在大多数情况下通过BI-AWGN信道传输的是二进制码,这些BP译码信息表示为对数似然比(Likelihood Ratio,LLR)㊂这样可以降低BP译码器的复杂性,因为消息概率的乘法对应于相应的LLR的总和㊂设v l e表示在BP译码的第l次迭代时由变量节点发送到边缘e的校验节点(即可变-检验)的消息LLR,u(l)e表示在BP解码的第l次迭代时,校验节点向边缘e发送的变量节点(校验-变量)的消息LLR㊂在变量节点处,u(l)e是基于观察到的信道LLR(u0)和从相邻检查节点接收的消息LLR来计算的,除了正在计算输出消息的当前边缘上的输入消息之外㊂在第l次译码迭代的边缘e处的可变-校验节点消息如下:v(l)e=u0,l=1u0+∑i≠e u l-1i,l{>1㊂(1)可以从 双曲正切准则”获得在第l次解码迭代的边缘e处校验节点的消息:u(l)e=2arctanh(∏j≠e tanh(v(l)j2))㊂(2)对于BI-AWGN通道的BP译码,这些LLR值(υ,u,u0)是连续随机变量,可以用PDF描述以便使用DE进行分析㊂为了分析BP解码器中这些PDF 的演化,我们定义f(v(f))㊁f(u(l))㊁f(u0)分别表示变量-校验的PDF㊁校验-变量的PDF和信道LLR㊂与标准LDPC码不同,在MET-LDPC中,由于㊃861㊃电讯技术 2019年存在多个边缘类型,所以假设来自相同边缘类型的传入消息为相同分布㊂然而,所有传入的消息被假设为不相关的㊂因此从式(1)可以看出,在第l次解码迭代中沿着边缘类型为i的来自变量节点类型(b,d)的变量-检查消息的PDF可以写成f(v(l)b,d(i))=f(u b)⊗[f(u l-1(i))]⊗(d i-1)⊗Q t k=1,k≠i[f(u(l-1)(k))]⊗d k㊂(3)式中:⊗表示卷积,f(u b)代表信道LLR的PDF㊂由式(2)可以计算在第l次解码迭代中沿着边缘类型为i的校验节点d类型校验-变量消息的PDF,表达式如下:f(u(l)d(i))=[f(v l(i))]⊗(d i-1)⊗Q t k=1,k≠i[f(v(l)(k))]⊗d k㊂(4) 2.2 MET-LDPC码的高斯近似本节将高斯近似方法扩展到MET-LDPC码,并在BI-AWGN信道下进行分析㊂由于高斯PDF可以完全由均值m和σ2方差确定,在BP译码算法中,只需要跟踪这两个参数㊂根据相关文献,变量-校验㊁检验-变量㊁信道输入的PDF满足对称条件f(x)=e x f(-x),其中,f(x)为变量x的PDF㊂有了这个条件,分析过程大大简化,因为这里σ2=2m,可以用单个参数来描述PDF㊂因此,通过跟踪迭代中平均值(m)的变化,可以确定校验节点消息的PDF的演化㊂校验节点处的PDF可以表示为f(u l)=N(m l u,2m l u),(5)变量节点处的PDF可以表示为f(v l)=N(m l v,2m l v)㊂(6)式中:N(m,σ2)为高斯PDF㊂3 混合MET-LDPC码密度演化算法设计3.1 高斯近似对密度演化估计的有效性分析通过高斯近似对密度演化估计的有效性分析分为三个部分,即信道消息㊁变量-校验消息和校验-变量消息㊂(1)信道消息在BI-AWGN信道上,令C=(c1,c2 )为二进制码字(c i∈{0,1})㊂一个码字比特C i的映射为传输符号x i,若C i≠0,则x i=1;若C i=0,则x i=-1㊂第l次在AWGN信道的接收端接收信号为y i= E c x i+z i,其中E c是每个发射符号的能量,Z i是噪声,Z i~N(0,σ2n),信道消息由下式给出:u0=L(x i|y i)=lg Pr(y i|x i=1)Pr(y i|x i=-1)=2E cσ2n y i㊂(7)假设全零码字被发送且E c=1,则u0=L(x i|y i)=2σ2n y i(8)由于方差是平均值的2倍,信道消息是遵循对称高斯分布的㊂因此它的方差是Var[u0]=4/σ2n,平均值是E[u0]=2/σ2n且均是高斯随机变量㊂(2)变量-校验节点信息设第l次译码迭代的边缘e处的可变-校验节点消息如下:v(l)e=u0,l=1u0+∑i≠e u l-1i,l{=1㊂(9)式中的变量节点更新为:在第一次BP解码的迭代中,每个变量节点仅从信道接收非零消息,因此,从变量节点传递到校验节点的第一组消息遵循对称高斯的PDF;BP译码器的第l(l>1)次迭代中可变-校验节点消息的交换㊂变量节点的分布是信道消息和来自校验节点的输入消息的总和(u i)l㊂由于信道是BI-AWGN,u0为对称高斯分布㊂如果所有(u i)l s(相互独立)是满足高斯分布的,那么v l也是满足高斯分布的,因为它是独立的高斯随机变量之和;如果(u i)l s不满足高斯分布,根据中心极限定理可以得出,当变量节点度趋于无穷大,v l的PDF收敛到高斯分布㊂(3)校验-变量节点信息在分析校验-变量消息之前,首先说明一些有用的引理和定义,以下的分析以这些为基础㊂定义1:如果随机变量X是高斯分布, X=ln(Y),则随机变量Y被称为对数分布㊂引理1:如果均值m1,m2,m3, ,m n和方差σ21,σ22,σ23, ,σ2n是相互独立的高斯随机变量,{a i}是一组任意非零常数,那么线性组合Z=∑n i=1a i x i也服从高斯分布㊂引理2:令Y为对数正态随机变量,那么(Y)a服从对数正态分布(a∈)㊂高斯近似的假设n个独立对数正态随机变量之和可以很好的逼近另一个对数正态随机变量㊂现在考虑第l次译码迭代的边缘e处校验节点的消息(式(2)),如果变量-校验信息是服从高斯近似分布且合理可靠,那么该检验-变量信息在第l次的迭代译码v l(变量消息)的PDF也服从高斯分布,并且校验节点的考虑度很小㊂㊃961㊃第59卷孙尔京,李学华,欧莹,等:一种混合多边缘型LDPC码密度进化算法第2期考虑度为d c 的校验节点可以重写为u(l )e=(∏d c -1j =1sign(v j l))φ∑d c -1j =1φ(v l j ))㊂(10)式中:φ(x )=lg (tanh x 2)=lg (e x -1)e x +1),x ≥0,φ-1(x )=lg(e x +1e x -1)=φ(x ),假设v ls j 是合理可靠的㊂使用泰勒级数展开,φ(v )可以表示为φ(v )=lg(e x -1e x +1)=2(e v )-1+23(e v )-3+25(e v )-5+ ㊂(11)为了简单起见,此处省略了索引j ㊁l ㊂由于v 遵循高斯近似分布,根据定义1,e v 遵循近似对数正态分布;根据引理2,(e v )b i (b i ∈)遵循近似对数正态分布㊂假设一组独立的对数正态随机变量之和在设定值较小时遵循近似对数正态,则φ(v )遵循近似对数正态分布㊂这是因为当v 是高概率时,泰勒级数展开的φ(v )的高阶项和前几项相比是可以忽略不计的㊂其次,φ(v l j )是相互独立的㊂因此,根据引理1,∑d c -1j =1φ(v l j )是遵循近似对数正态分布的㊂最后,如果∑d c -1j =1φ(v l j )的结果服从对数正态分布,根据定义1,φ∑d c -1j =1φ(v l j )将遵循一个高斯近似分布㊂n 个独立对数正态随机变量之和可以近似为另一个对数正态随机变量,当n 很大时,这种假设是不成立的㊂在满足一定条件时,通过以上理论分析,信道消息㊁变量-校验消息㊁校验-变量消息的PDF 是遵循高斯近似分布的㊂3.2 MET-LDPC 码的高斯近似仿真分析在仿真中,基于以上分析结果,我们发现不同信噪比㊁删余变量节点的存在㊁校验节点度数对MET-LDPC 码高斯近似的准确性有较大影响,下面来展示这些仿真结果并分析其原因㊂3.2.1 低信噪比下的高斯近似效果从图1可以看出,不同信噪比下,随着迭代次数的增加,KL(Kullback-Leibler)值越来越小㊂低信噪比下校验-变量节点信息的PDF 变化曲线从开始迭代时,其对应的KL 散度值就很大,与另两条始终有很大差距,也就是低信噪比下的KL 散度值大于高信噪比下的KL 散度值㊂迭代次数直到9次时,低信噪比时PDF 曲线还未收敛㊂这表明当信噪比低时,消息节点的PDF 明显偏离高斯分布㊂随着迭代次数越多才会渐渐遵循高斯分布,并且信噪比越低,则需要更多的译码迭代来实现㊂因此,在低信噪比下高斯近似不是密度演化的良好近似㊂图1 不同信噪比下PDF 随迭代次数变化的KL 散度情况仿真编码的码率为1/10,度分布为R (x )=0.025x 151+0.875x 32x 3,L (r ,x )=0.1r 1x 31x 202+0.025r 1x 31x 252+0.875r 1x 3㊂3.2.2 存在删余变量节点的高斯近似结果MET-LDPC 码与标准LDPC 码的不同之处之一是添加了删余变量节点来提高代码阈值(与提高码率来提升阈值的方式不同)㊂从图2可以观察到,这些删余变量节点对于变量-校验节点消息和校验-变量节点消息的高斯近似的准确性具有显著影响㊂在相同的编码下,来自删余变量节点的变量-校验消息相应的对称高斯PDF 的KL 散度比非删余变量节点的KL 更大㊂因为来自删余变量节点的v l e 不遵循高斯分布,所以u l e 也可能不遵循高斯分布,导致最终结果是,删余变量节点降低了v l e 和u l e 高斯近似的有效性㊂图2 删余变量节点对PDF 高斯近似的影响3.2.3 校验节点度数较大时的高斯近似效果图3为不同校验节点度时,校验-变量节点消息PDF 值随信噪比的增加,KL 散度值的变化情况㊂当校验节点度很大时,从PDF 的变化趋势可以明显看出校验节点度为3的KL 散度值明显小于度为15的KL 值,因为校验-变量消息明显偏离了对称高斯㊃071㊃ 电讯技术 2019年分布,虽然变量-校验节点消息是接近高斯分布的㊂度数为3㊁15的两条变化曲线从开始的差异就很大,说明对于拥有过大校验节点度的LDPC 码不能很好地遵循高斯近似过程,即高斯近似方法对校验节点度数敏感,过大则导致高斯近似的不准确㊂图3 不同校验节点度数对PDF 高斯近似的影响仿真编码的码率为1/10,度分布为L (r ,x )=0.372r 1x 21+0.625r 1x 61,R (x )=0.15x 151+0.75x 31㊂综合上面的仿真分析可以得出,对于MET-LD⁃PC 码的高斯近似,在低信噪比下㊁删余变量节点存在㊁校验节点度数大时,是不能严格遵循高斯近似的㊂3.3 一种混合密度演化优化算法设计LDPC 码的高斯近似基于以下假设:变量-校验和校验-变量消息节点的PDF 可以通过对称高斯分布很好地近似㊂这个假设在后期解码迭代中是非常准确的,但是在前期解码迭代中,特别是在低信噪比或具有删余变量节点时是不准确的㊂在DE 计算开始时假设对称高斯分布在估计和真实分布之间会产生较大的误差㊂即使真正的分布确实为高斯,由于前期的错误,近似给出了不正确的高斯分布㊂这些错误在整个DE 计算中传播,并导致MET-LDPC 码的最终代码阈值结果会出现较大误差㊂由3.2节的分析知,当信道信噪比高于码阈值时,随着解码迭代的进行,节点消息的PDF 最终将变为对称的高斯分布㊂这意味着在DE 计算的后续解码迭代中假设对称高斯分布是合理的㊂因此,本文提出一种新的算法,即将全DE 和基于均值的高斯近似组合在一起㊂从全DE 切换到高斯近似,切换时机的选取与切换时的参考参数很重要㊂由3.2节的分析可知,当信道信噪比低于阈值时MET-LDPC 码并不能严格遵循高斯近似,而使用DE 计算阈值设计MET -LDPC 的度分布需要很密集的计算,换而言之,对于全DE 需要数以千计的点来精确地描述一个消息PDF 这样的方式计算量太大且过于复杂,因此可以在消息PDF 达到一定精度时切换到高斯近似㊂另外一方面,可以使用消息PDF 和对称高斯分布的KL 散度来作为参考,精确地判断何时可以由全DE 切换到高斯近似㊂因此,从全DE 切换到高斯近似的方式有两种,如图4所示㊂图4 全DE 切换到高斯近似的方式方式1:设定一个最大全DE 的迭代次数n ,由公式(3)和公式(4)来计算消息PDF,当迭代次数l ≤n 时,使用全DE 进行计算;当l >n 时,由全DE 切换到高斯近似㊂这种方式在前期先进行了n 次全DE 迭代,然后切换到高斯近似,其最主要的优点是后期的计算量减少,提升了效率,缺点是精度上有些欠缺㊂方式2:利用消息PDF 和对称高斯分布的KL 散度作为参考,可以很好地衡量消息PDF 与对称高斯分布的近似度㊂设置目标KL 散度(见式(12))为m ,如果KL 散度减小到m 即D ≤m ,那么就由全DE 切换到高斯近似,显然这个方式更加准确㊂D (p ‖q )=∑ni =1p (x )lgp (x )q (x )㊂(12)式中:p (x )是消息PDF,q (x )是对称高斯分布㊂但上面方式依然存在一些缺陷㊂对于方式1来说,如果信道的信噪比远大于码阈值,前期的节点消息的PDF 就已经接近对称的高斯分布,因此就没有必要在迭代次数没到达预设的次数n 之前进行n -1次的全DE,显然这增加了额外的运算时间㊂此时可以结合方式2,计算消息PDF 和对称高斯分布的KL 散度,一旦消息PDF 高度相似于对称高斯分布即D ≤m ,就立即停止全DE,从而既可以减少计算量又保证了不错的精度㊂对于方式2,如果信道信噪比㊃171㊃第59卷孙尔京,李学华,欧莹,等:一种混合多边缘型LDPC 码密度进化算法第2期低于码阈值,则随着解码迭代的进行,解码器不会收敛到零误差概率,因此节点消息可能不会遵循对称的高斯分布,导致方式2永远都不会满足条件D≤m,因此整个运算过程中始终保持全DE的运算㊂此时可以结合方式1,通过预设的迭代次数来从全DE 切换至高斯近似,这样可以在损失能接受范围内的精度的同时提升计算的效率㊂通过上述分析可知,单独使用其中的某一种方式无法同时满足准确性和效率的要求,因此需要结合两种方式来权衡准确性和效率㊂于是新的混合DE算法将方式1作为硬限制,而方式2作为软限制㊂本文选择具有最大校验节点度数的校验-变量消息来检查KL散度,因为与PDF估计相关的最主要的错误发生在具有很大度的校验节点处㊂运行时,DE算法周期性地计算实际的消息PDF(全DE)和对称的高斯PDF之间的KL散度,其中所选择的校验节点消息具有相同的平均值㊂混合DE继续使用全DE,直到KL散度小于预定义的目标KL散度,或者当其切换到高斯近似时,达到预定的最大数量的全DE迭代㊂因此,可以通过改变目标KL发散度或最大数量的全DE迭代来对混合DE方法的效率进行权衡㊂4摇仿真分析全密度演化与混合密度演化方法在BI-AWGN 下的仿真均采用BPSK调制,编码1码率为0.5,编码2码率为0.2,设置迭代次数最大为1000㊂图5的4条变化曲线为编码1㊁编码2选用全DE算法和改进DE算法后,不同全DE迭代数目下阈值误差的变化情况㊂仿真结果表明,混合DE的阈值误差小于全DE,差值明显㊂对于改进的混合DE算法,当达到预定的最大全DE迭代数目后,切换到高斯近似方法,直至计算到设置的1000次上限㊂但该算法没有对KL散度进行限制㊂在初始迭代时,编码1在混合密度演化下的阈值误差比其在全密度演化下低约40%;编码2在混合密度演化下的阈值误差比其在全密度演化下低约58%,这是全DE算法与高斯近似间的差异造成的㊂混合密度演化方法就算只执行很少的全DE算法,也能拥有较小的阈值误差㊂后继伴随最大全DE迭代数量的增长,改进前后算法的阈值误差均很小,渐渐收敛,因为对于改进算法而言,全DE迭代越多(越接近1000次),高斯近似计算越少,改进的算法就与全DE一样了㊂图5 混合DE与全DE的阈值误差与迭代次数关系编码1的度分布为L(γ,x)=0.5001γ1x21+0.3γ1x31+0.1999γ0x32x33+0.1999γ1x4, R(x)=0.0998x41x2+0.1005x51x22+0.1997x51x22+0.1999x33x4㊂编码2的度分布为L(γ,x)=0.7281γ1x1+0.0052γ1x31+0.2669γ0x32x33+0.2669γ1x4, R(x)=0.1284x1x2+0.6711x21x2+0.0006x21x22+0.2669x33x4㊂图6为设置不同目标KL散度值时阈值计算精度的变化曲线㊂编码1~5的码率为0.1㊁0.2㊁0.3㊁0.4㊁0.5㊂针对不同码率的编码,目标KL散度设置的不同对阈值误差有较大影响㊂图6没有设置目标全DE迭代数目,仅仅考察KL散度这个切换条件,图中曲线随KL值的变大,阈值误差也变大㊂KL散度值的设置需要参考具体编码㊂其他仿真环境中,可以根据KL散度值的变化确定一个合适的目标KL作为软判决条件㊂图6 混合DE的阈值误差与KL散度关系综合图5和图6,可以通过相应地改变最大数量的全DE迭代和目标KL发散来权衡阈值计算的准确性㊂为了方便比较,图5中显示了全DE的阈值误差百分比与全DE迭代的最大次数的变化,可以看出,即使限制混合DE算法中的全DE迭代次数,与具有相同最大迭代次数的全DE的阈值相比,通过继续高斯近似迭代可以获得的阈值精度方面仍㊃271㊃电讯技术 2019年然存在相当大的性能改进,并且没有再单独进行额外的高斯近似迭代(与全DE 进行同样总数目的1000次迭代计算),故提出的混合DE 算法对编码阈值计算比现有方法更加准确㊂图7给出了高斯近似算法和优化算法在不同码率下阈值误差的变化曲线㊂仿真分析所采用的方法是固定一个变量,改变其余变量㊂设置A㊁B㊁C 3条曲线是为了分别改变目标散度和迭代次数以得到阈值误差的变化曲线㊂3条曲线均使用优化的密度进化算法,其中高斯近似算法设置的切换条件为:最大目标全DE 迭代数量设置10次,目标KL 散度设置为0.05;A 设置的切换条件为最大目标全DE 迭代数量设置10次,目标KL 散度设置为0.05;B 设置的切换条件为最大目标全DE 迭代量设置100次,目标KL 散度设置为0.05;C 设置的切换条件为最大目标全DE 迭代数量设置100次,目标KL 散度设置为0.02㊂在目标散度和最大迭代次数均相同的情况下,从图中可以看出,曲线A 的阈值误差明显小于高斯近似算法的阈值误差,且随着码率越来越大,两算法之间的差距越来越小,当码率缩小为0.7时可以获得相近的阈值误差㊂曲线A 与曲线B 的全DE 迭代次数不同,曲线B 的性能更好,也就是说全DE 迭代次数对性能的影响很大,在目标散度相同㊁迭代次数也相同的条件下,曲线A 比高斯近似算法的性能好㊂曲线B 与曲线C 的目标KL 散度不同,KL 散度为0.02的曲线C 性能更好㊂目标散度和迭代次数都会对性能造成影响㊂图7 高斯近似与优化算法的阈值误差对比图图8给出了高斯近似算法和优化算法在不同码率下CPU 时间增益的变化曲线,参数设置同图7的仿真,参数的设置体现出精度和效率之间的权衡㊂仿真可以反映出高斯近似的CPU 时间增益曲线大于改进的任意一条优化算法曲线㊂曲线B㊁C 可以获得最多10倍的CPU 时间增益㊂对于高斯近似算法只能以提高码率的方式提升阈值估计的准确性,因为码率增加到0.6以后高斯近似的性能才会与优化算法的相近㊂从图8可知,即使优化算法 曲线A 只做了10次全DE 迭代计算,仍然可以得到比高斯近似方法更精确的阈值计算和更低的CPU 时间增益㊂图8 高斯近似与优化算法的CPU 时间增益对比图高斯近似算法是密度进化算法的一种改进算法,复杂度较低,而本文的算法是高斯近似算法的改进算法㊂从图8可以看出,改进算法的复杂度更低,并且实现了计算复杂度和效率两者的平衡,可以得到更精确的阈值计算和更低的CPU 时间增益,这使得优化DE 算法更适合于代码设计,具有一定的参考价值㊂5摇结束语本文研究了二进制输入加性高斯白噪声信道下多边缘类型低密度奇偶校(MET -LDPC)码高斯近似的有效性,并提出了一种新的密度演化算法㊂通过分析高斯近似模型,发现在低信噪比㊁删余校验节点㊁校验节点度大时高斯近似的准确性较差㊂性能仿真验证了该算法在一定程度上提高了高斯近似的准确性,同时通过限制全DE 的迭代次数以及参考KL 散度值确定早期全DE 的迭代过程,然后切换到高斯近似,可以减小高斯近似在早期的迭代误差,且对后继迭代产生很大影响而且提高了编码阈值的准确性㊂与已有算法相比,所提算法能更有效地提高系统性能㊂但目前只研究编码技术不能够满足多样化场景的要求,不同技术的结合是一个未来趋势㊂与调制的联合优化㊁与Polar 码等编码的联合都是目前很热的研究方向,所以,后继的工作可以与多种技术结合㊂由于现在对于mMTC㊁URLLC 场景下的编码方案还没有确定,未来选择的标准还未知,作为一般化的LDPC 码,MET-LDPC 码是有一定竞争力的㊂密度进化方法的探究对MET-LDPC 码是很有价值的,因为该方法可以帮助我们设计出更好的度分布㊃371㊃第59卷孙尔京,李学华,欧莹,等:一种混合多边缘型LDPC 码密度进化算法第2期。
LDPC的BP译码算法
课程名称:现代编码理论任课教师:王琳洪少华论文题目:LDPC码的BP译码算法姓名:曹沙沙赵卜寒学号:************** **************2014 年07月06日目录摘要 .............................................................................................................................. I I Abstract . (III)第一章 LDPC码的概述 (1)1.1 LDPC码的发展史 (1)1.2、LDPC码的表示 (1)1.3 二进制LDPC码的编码方法 (3)1.3.1校验矩阵的生成 (3)1.3.2编码算法 (4)第二章 LDPC码译码算法 (6)2.1 Gallager概率译码基本思路 (6)2.2 BP算法研究 (8)2.3 用对数似然比表示的BP算法 (11)第三章 LDPC的性能分析 (14)3.1 LDPC的仿真模型 (14)3.2 LDPC的译码性能 (15)3.2.1码长对性能的影响 (15)3.2.2迭代次数对译码性能的影响 (16)结论 (18)参考文献 (19)摘要低密度奇偶校验码是Gallager提出的一种线性分组码,其性能可以非常接近香农极限。
它是根据低密度稀疏校验矩阵H和二分图来构造的,本文详细的阐述了二进制,规则的LDPC的BP译码算法,其校验矩阵每一行和每一列的1的个数是相同的,分别为p和q,其Tanner图中比特节点的度和校验节点的度分别对应着一个固定值,通常用(m,n,p,q)表示。
BP译码算法是一种迭代的概率译码算法,本文着重于BP译码算法及其简化运算。
本论文主要介绍了LDPC码的构造、编码和译码基本原理。
阐述了LDPC编译码的过程,并通过MATLAB仿真工具对LDPC码在AWGN信道的误比特率性能进行了仿真,分析了信噪比、码长和迭代次数对误比特率性能的影响。
LDPC的BP译码算法
课程名称:现代编码理论任课教师:王琳洪少华论文题目:LDPC码的BP译码算法姓名:曹沙沙赵卜寒学号:************** **************2014 年07月06日目录摘要 .............................................................................................................................. I I Abstract . (III)第一章 LDPC码的概述 (1)1.1 LDPC码的发展史 (1)1.2、LDPC码的表示 (1)1.3 二进制LDPC码的编码方法 (3)1.3.1校验矩阵的生成 (3)1.3.2编码算法 (4)第二章 LDPC码译码算法 (6)2.1 Gallager概率译码基本思路 (6)2.2 BP算法研究 (8)2.3 用对数似然比表示的BP算法 (11)第三章 LDPC的性能分析 (14)3.1 LDPC的仿真模型 (14)3.2 LDPC的译码性能 (15)3.2.1码长对性能的影响 (15)3.2.2迭代次数对译码性能的影响 (16)结论 (18)参考文献 (19)摘要低密度奇偶校验码是Gallager提出的一种线性分组码,其性能可以非常接近香农极限。
它是根据低密度稀疏校验矩阵H和二分图来构造的,本文详细的阐述了二进制,规则的LDPC的BP译码算法,其校验矩阵每一行和每一列的1的个数是相同的,分别为p和q,其Tanner图中比特节点的度和校验节点的度分别对应着一个固定值,通常用(m,n,p,q)表示。
BP译码算法是一种迭代的概率译码算法,本文着重于BP译码算法及其简化运算。
本论文主要介绍了LDPC码的构造、编码和译码基本原理。
阐述了LDPC编译码的过程,并通过MATLAB仿真工具对LDPC码在AWGN信道的误比特率性能进行了仿真,分析了信噪比、码长和迭代次数对误比特率性能的影响。
基于小波核聚类的非高斯过程故障检测方法
基于小波核聚类的非高斯过程故障检测方法王坤;杜文莉;钱锋【摘要】Detective variables of industrial processes show nonlinear and non-Gaussian behavior. This paper proposes the kernel principal component analysis (WKPCA) based on wavelet kernel clustering to handle the nonlinearity of the process, and introduces support vector data description (SVDD) to model the process. The first step is to construct the kernel function by using Morlet wavelet because of its advantages of multi-resolution analysis and good fitness, which could enhance nonlinear mapping and anti-noise capability of the kernel function. Then this method uses cluster analysis in the feature space, and chooses the data which represent the characteristic center in every cluster, which could decrease calculation load of the kernel function. Finally the method uses the monitor statistics offered by SVDD to describe the non-Gaussian information. Application to the Tennessee-Eastman benchmark process showed effectiveness and accuracy of detecting fault and exception generated by the system.%针对工业过程检测变量具有的非线性和非高斯性等特点,提出了一种基于小波核聚类的核主元分析(WKPCA)方法来处理过程数据的非线性特性,同时引用支持向量数据描述(SVDD)对过程进行建模.本算法先根据Morlet 小波具有多分辨分析和能以更高的精度逼近任意函数的特点,将其构建为小波核函数,可以增强KPCA的非线性核映射和抗噪能力,然后在映射后的特征空间中进行均值聚类分析,选择每个聚类中展现特征中心的数据,大大减少了核函数的计算量;最后通过SVDD提出监控指标来描述过程的非高斯特性.将上述方法用在一个标准仿真平台Tennessee-Eastman上,结果表明,该方法能及时有效地检测出系统产生的故障和异常情况.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2011(062)002【总页数】6页(P427-432)【关键词】均值聚类;小波核;故障检测【作者】王坤;杜文莉;钱锋【作者单位】华东理工大学化工过程先进控制和优化技术教育部重点实验室,上海,200237;华东理工大学化工过程先进控制和优化技术教育部重点实验室,上海,200237;华东理工大学化工过程先进控制和优化技术教育部重点实验室,上海,200237【正文语种】中文【中图分类】TP277近年来,过程监控己成为过程自动化和过程控制领域的重要研究方向,并成为系统可靠性、安全性的关键技术之一。
基于微流控的植物根部-微生物相互作用研究进展
基于微流控的植物根部-微生物相互作用研究进展陈登博1,付玉明1,2∗,冯佳界1,2(1.北京航空航天大学生物与医学工程学院,北京100191;2.北京航空航天大学空天生物技术与医学工程国际联合研究中心,北京100191)摘要:基于微流控技术研究空间环境下植物的根-菌互作,有利于揭示植物-微生物稳态对空间环境效应的响应与适应机制㊂介绍了微流控技术中关于根-菌互作的成像技术,重点阐述了微流控技术针对不同栽培基质的成像以及对根际化学环境的操控/采样功能的优势,分析了芯片技术针对不同根系形态需求的研究,并对微流控技术在空间环境根-菌互作研究中的应用进行展望㊂关键词:微流控芯片;植物-微生物相互作用;根部生理学;空间生命保障中图分类号:Q948.12㊀文献标识码:A㊀文章编号:1674-5825(2022)06-0845-08收稿日期:2022-04-24;修回日期:2022-09-19基金项目:国家自然科学基金(31870852)第一作者:陈登博,男,硕士研究生,研究方向为空间生命保障技术与纳米生物技术㊂E-mail:chendengbo@∗通讯作者:付玉明,男,博士,副教授,研究方向为航天居室环境-微生物组-人体健康轴研究㊂E-mail:fuyuming@Research Progress of Microfluidics-based Plant-Microbe InteractionCHEN Dengbo 1,FU Yuming1,2∗,FENG Jiajie 1,2(1.School of Biological Science and Medical Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China;2.International Joint Research Center of Aerospace Biotechnology &Medical Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)Abstract :The study of plant-microbe interactions in space environment based on microfluidic tech-nology is conducive to revealing the response and adaptation mechanism of plant-microbe homeostasis to the space environment.In this paper,the imaging technology of root-bacteria interaction in mi-crofluidic technology was introduced,the advantages of microfluidic technology for imaging different cultivation substrates and manipulating /sampling the rhizosphere chemical environment were dis-cussed,and the researches of microfluidic technology for different root morphological requirements were analyzed.In addition,the application of microfluidic technology in the study of root-bacteria interaction in space environment was prospected.Key words :microfluidic chip;plant-microbe interaction;root physiology;space life support1㊀引言㊀㊀植物栽培是地面和受控生态生命保障系统的重要组成部分㊂植物的根系有固定植株㊁吸收水分和养分等重要功能,根际微生物在植物根表或近根部位生长繁殖,是植物微生物组的重要组成部分㊂植物脱落物或分泌物可到达根际微区,在根系周围形成丰富而复杂的化学环境[1],是植物在长期进化过程中形成的一种适应外界环境变化的重要机制[2]㊂这些植物脱落物或分泌物为微生物提供营养,以此构建和调节根际微生物菌群[3];另一方面,根际微生物也会深度参与调解植物生理活动[4-5]㊂因此,植物与微生物的根际相互作用(简称根-菌互作)是植物学和微生物学第28卷㊀第6期2022年㊀12月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀载㊀人㊀航㊀天Manned Spaceflight㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Vol.28㊀No.6Dec.2022研究的热点问题㊂传统的根-菌互作研究所用的栽培方式难以实时营造对根际研究所需化学环境,且由于需要将植物根部取出进行采样和成像观察,使得采样和成像不具有实时性(时间分辨率较低),难以复现动态的互作过程㊂并且根毛可增加根表面积,为根部探索更大空间,在根生理学研究中具有重要地位,但却因为尺度过小而难以采样和成像等㊂因此,根-菌相互作用的实时化㊁可视化和操控性研究是一项新的挑战㊂近年来,控制小体积流体的微流控芯片技术(或称为芯片实验室)为生物学研究的实时化和可视化提供了新方法,在根-菌互作研究中展现出巨大潜力㊂微流控技术在根-菌互作研究中具有三大优势:①透明的芯片可实现根-菌互作的实时成像;②可实现对根际环境的多次采样;③可对根际化学环境实现准确操控,以研究化学环境对互作的影响㊂目前最广泛采用的芯片构建流程及材料为:按照所需的芯片设计图纸,以光刻机制作与其互补的光刻胶材质或3D打印制作塑料材质的模板(Template/mold),以聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)浇注到模板上成型后剥离,再以等离子体氧化PDMS的需封装面(即有芯片通道的面)以活化其表面基团,最后放置玻璃片至封装面上键合以完成封装[6]㊂相对于二氧化硅㊁热固性塑料㊁热塑性塑料等其他可选的芯片材质,PDMS的价格低廉㊁偏软质㊁制作模板后可快速批量浇注制取等优势,使其成为主流芯片制作流程中常用材料[6]㊂等离子体氧化封装方式是不可逆的,即封装后很难将PDMS从玻璃片上拆卸;若实验有拆卸需求,可考虑可逆的封装方式,直接在室温下依赖PDMS和玻璃片间的范德华力封装,但这样封装不严密,在外力和内压下容易因意外拆卸开[7]㊂高等植物可以再生氧气㊁食物和水,是生物再生生命保障系统(Bioregenerative Life Support Sys-tem,BLSS)的功能核心[8]㊂而空间特殊环境(微重力㊁辐射㊁磁场㊁密闭㊁微生物多样性受限等)对根-菌互作的影响尚不明晰,前期搭载实验表明植物对微生物病害的敏感性可能增加[9]㊂而微流控技术体积小㊁性价比高,对于空间研究也独具优势㊂本文综述了基于微流控的植物根部发育和根-菌互作的研究,阐述微流控芯片针对不同栽培基质的成像及对根际化学环境的操控/采样功能的优势,分析了芯片针对不同根系形态需求的研究,并对微流控技术在空间环境根-菌互作研究中的重要作用进行展望㊂2㊀根-菌互作芯片的成像技术㊀㊀主流微流控芯片的材质(PDMS㊁玻璃片等)透光性好,对根-菌互作的成像观察独具优势㊂若能结合荧光等生物发光技术和一些高级成像技术,将可以更全面地还原根-菌互作过程㊂图1㊀针对根-菌互作的芯片Fig.1㊀Chip for root bacteria interaction Massalha等[10-11]构建的微流控系统TRIS (Tracking Root Interactions System)是一个研究根-菌互作的典型装置,如图1(a)所示,体现了生物荧光技术在芯片根-菌互作成像中的出色效果㊂TRIS系统采用PDMS-玻璃片材质,在灌有固体植物培养基的移液器吸头中令拟南芥发苗,在根长出吸头前移栽至芯片通道入口令其向芯片中生长,并使用注射泵将液体培养基和所感兴趣的根际菌(枯草芽孢杆菌作为植物有益菌,大肠杆菌作为有害菌)注射进芯片通道内,这些方法在根-菌互作的芯片研究中被普遍使用㊂为了实时显微观察,该装置直接安装在显微镜上㊂在无菌芯片中接种了表达红色荧光蛋白的枯草芽孢杆菌和表达绿色荧光蛋白的大肠杆菌,使用激光扫描共焦显微镜分别荧光成像并叠加图像,发现在接种后12h当中,枯草芽孢杆菌向根伸长区聚集并定殖,大肠杆菌却被排除在根表面之外,通过图像观察菌群行为动态,可推测出有益菌对植物针对病648载人航天第28卷原体的保护机制㊂除使用荧光标记的细菌之外,该研究还使用了仅在6个特定根区(皮层㊁脉管系统㊁根毛等)表达绿色荧光蛋白的6种荧光拟南芥株系,并与红色荧光蛋白的枯草芽孢杆菌图像叠加,观察到了杆菌接种后6h内向根伸长区的明显趋化行为,实现荧光标记的植物和细菌共同成像㊂在可见光(包括荧光)手段之外,电子显微镜和原子力显微镜等先进成像技术的分辨率更高,可在根-菌互作研究中作为更高级的㊁细胞器水平的成像手段㊂比如根毛就是一种微米级的根部结构,可以应用这两种高级成像手段㊂与光学显微镜不同,这两者都要求观察面暴露在外,而根却被封装在芯片中㊂由于等离子体氧化法的封装是不可逆的,很难打开封装以将根和根际区暴露在外㊂针对这一需求,Aufrecht等[12]设计了一种可拆卸的㊁针对根毛研究的芯片,PDMS并未化学键合到玻璃片上,而只是在高压灭菌时形成了较弱的物理键,且用琼脂固化围住PDMS以进一步固定及保湿,如图1(b)所示㊂其可在光学成像完成后拆卸开以供电镜等成像㊂针对根毛研究的目的,芯片被设计成了两层(Two-layer)式的阶梯状腔室,较高的腔室(200μm)容纳主根㊁两侧较低的腔室(20μm)容纳根毛,实测证明根毛生长时可自然粘附在PDMS面上,在拆卸过程中可保持在原位,利于后续的电子显微镜/原子力显微镜对根毛的成像研究㊂研究人员进一步使用该芯片跟踪了2种植物益生菌在拟南芥发育早期根部定殖情况[13],结果发现,无论细菌种类和接种浓度如何, 4天后细菌细胞在根表面的覆盖面积均为1%~ 2%,且根的发育情况很大程度上取决于细菌接种的种类和浓度㊂3㊀芯片技术对不透明栽培基质的成像优势㊀㊀芯片通道中装载液体基质时,其在光学上透明的性质有助于成像,但液体并不是自然界或人工栽培的主流基质,自然环境中的根-菌互作大多发生在土壤等固体基质中㊂若将土壤引入芯片,以解决土壤颗粒不透明导致的可见光成像困难等问题,生物荧光和某些显微光谱成像技术或可成为其研究手段㊂Mafla-Endara等[14]设计了土壤芯片,将土壤置于芯片通道入口处,以可见光观察土壤及微生物扩散进入通道的过程,以揭示土壤生态系统的形成过程㊂研究发现,土壤液体和真菌菌丝是土壤物质扩散的主要驱动力,土壤颗粒和微生物在充满液体的通道中扩散比在空气中快得多,且真菌菌丝可携带细菌穿过气体障碍而扩散定殖㊂芯片成像还可用于量化土壤颗粒的运动模式,对所得显微视频中2~6μm土壤颗粒使用自动追踪算法制作速度-位置热图,发现土壤颗粒被芯片内部的流水拖拽形成蜿蜒的运动模式,也使细菌很快地移动㊂虽未引入植物,该研究使用的土壤芯片已展现了对根-菌互作的可见光成像研究潜力㊂图2㊀EcoFAbs的应用[15]Fig.2㊀The applications of EcoFABs[15]也有研究尝试让植物根进入装载有固体基质的芯片,以研究基质中的根-菌互作㊂Gao等[15]描述了EcoFAB(Ecosystem Fabrication)芯片制作方法,可向通道内装载沙子或土壤作为基质,以期在更接近自然条件的微环境中研究根-菌互作,如图2所示㊂观察发现,虽然在亮场(可见光)下,沙子和土壤的不透明性质让埋在其中的根系和微生物不可见,但在荧光显微镜下,荧光标记的根际益生菌Pseudomonas simea在土中清晰可见,展现了荧748第6期㊀㊀㊀㊀陈登博,等.基于微流控的植物根部-微生物相互作用研究进展光技术克服土壤不透明性成像的潜力㊂这种益生菌在沙子中集中于植物根尖,而在土壤中集中于芯片开口处㊂研究表明沙子的贫营养迫使益生菌定殖于根尖以摄取分泌物,而土壤的富营养使芯片开口处的氧气成为益生菌的首要需求㊂值得注意的是,EcoFAB的实验流程认为可使用镊子将裸露的植物幼苗直接从发苗的固体培养基上移栽至芯片的孔道内[15];而几乎所有其他芯片-植物的结合研究都选择使用内有固体培养基的移液器吸头作为发苗载体,并模块化地整体移栽至芯片孔道内[10,13,16],以防止移栽过程对根的伤害㊂使用移液器的成活率明显高于使用镊子的移栽,虽然使用镊子的做法更接近自然条件,但对实验操作要求较高,很难不伤害根系㊂至于直接在灌注培养基的芯片中发苗的方法[17],由于植物的发芽率并非100%等原因,失败率相对更高㊂针对土壤颗粒对可见光的不透明性,Puce-taite等[18]推荐对土壤芯片使用可见光光谱之外的㊁先进的显微光谱成像技术,以克服土壤的不透明性,利于在微观尺度监测土壤微生物和相关的生物地球化学过程㊂这些非可见光的显微光谱成像技术包括红外吸收㊁拉曼散射和基于同步辐射的X射线显微光谱技术等,有时需要在土壤中加入稳定同位素或纳米贵金属粒子等辅助成像定位,在微生物鉴定㊁代谢物/污染物的定量/定位等方面各有优势,也可运用于基于固体基质芯片的根-菌互作研究中㊂4㊀芯片技术对根际化学环境的操控/采样功能优势㊀㊀利用微流控亦可在时空上快速操控/监测根周围的化学环境,研究根部对生物或非生物因素的动态响应,例如一系列以RootChip命名的芯片设计[19],如图3所示㊂最初Grossmann等[19]开发的RootChip被用于根对化学环境的响应研究,并以根内的葡萄糖荧光传感器开展荧光成像,成功发现细胞内糖水平的改变主要发生在灌注了葡萄糖的根尖㊂对于使用拟南芥的研究,RootChip可在几厘米内(<10cm)部署多个平行通道,以一次性开展多个植株的重复性实验㊂Fendrych等[20]采用竖直放置的vRootChip(v意为vertical,竖直以不影响根向地性)研究根部生长的基因通路,观察拟南芥根生长情况数天,发现无生长素存在时拟南芥的根生长速度会在30s内迅速下降;补充少量生长素后,根生长速度又会在2min内恢复;并通过向芯片中根际环境注入cvxIAA㊁ccvTIR1等人工配体,最终确认了以TIR1/AF-BAux/IAA共受体复合物为基础的一个调节根生长的非转录分支[20]㊂Guichard等[21]开发了根生长通道更长的RootChip-8S微流控装置,Denninger 等[22]用其跟踪观察了与根毛形成相关的细胞极化过程机理,发现基因GEF3在细胞极化过程中有作为细胞膜标志物的作用㊂图3㊀安装8个植物的RootChip[19]Fig.3㊀Image of a RootChip with eight mounted live plants[19]一些芯片设计甚至可令同一植株的根部的不同部位分别处于不同化学环境中,以在完全排除个体差异因素的前提下,直观对比不同化学环境对根双侧的影响或对特定根段的影响㊂面向根生理学或环境异质性研究,研究人员通常使用双流或多流汇总的方式,即多种液体从多个入口汇总到同一条芯片通道中,来营造分界式共存的液体化学环境㊂对于分根段施加不同的化学环境,Meier 等[23]在2010年开发了可对拟南芥施加多层流化学刺激的芯片,实际使用生长素类似物2,4-D和生长素抑制剂NPA,层流的方向与根垂直,以验证生长素和抑制剂对指定根段的影响㊂研究设置了3个进液口以达成3层的层流,以控制流量的手段成功制造了厚度10μm(约1个根细胞长度)的2,4-D层,这一厚度是被掺杂在2,4-D中的荧光微球所显示㊂因为使用了生长素调节剂偶联荧光蛋白的拟南芥株系,采用荧光显微镜观察到了2,4-D在短短几分钟后令10μm长的根段长出了848载人航天第28卷根毛,表明了生长素影响可在单个根细胞尺度上发生,也证明了微流控研究在很小尺度(~10μm)上的化学刺激对根影响的能力㊂值得一提的是,由于层流的方向与根垂直,验证了大/小的流量中根的生长没有显著区别,从而排除了剪切力(~10dyne/cm2)可能造成的额外影响㊂对于双侧施加不同的化学环境,Stanley等[16]设计了双流RootChip(Dual-flow-RootChip),令2种液体平行于根轴同时进入通道,形成不对称的化学环境,也描述了详细的芯片实验步骤[24]㊂研究分别采用NaCl㊁磷酸盐和聚乙二醇在双流Ro-otChip中模拟干旱等胁迫形式,在根双侧不对称处理,研究根毛生长情况,证明根在生理和转录水平上具有局部适应环境中异质条件的能力,也证明双流芯片方法有助于还原根与环境相互作用的决策过程[16]㊂研究表明,每个根毛细胞可以自主地对环境做出响应[16,23]㊂微流控芯片的采样功能有较大潜力㊂芯片的流出液是其内部环境的重要样品,通过收集芯片的流出液,即可完成植物根际微生物和根系分泌物的采集,从而进行根际微生物组与代谢组分析㊂但实际开展了采样并使用组学手段分析的研究并不多㊂其原因是关注复杂微生物群落研究较少,而对有限个菌株的行为,使用荧光标记等技术即可揭示,如Massalha等[10]和Aufrecht等[13]的研究;另外对于根际研究,很多根际菌定殖在根部表面甚至内部,难以随流出液流出㊂5㊀芯片技术对根系形态等特殊需求的优势㊀㊀植物根系具有多种形状和尺寸,可为之相应设计适合的微流控通道和腔体,以让植株正常生长或方便成像㊂为研究根系较粗的植物,Khan 等[25]使用3D打印的模具制备了腔体高度10mm 的PDMS材质芯片,如图4(a)所示,用于研究二穗短柄草(Brachypodium distachyon,根系直径1~ 3mm)的根细胞和分析渗透胁迫下的基因表达,发现了基因BdDi19在幼苗短期渗透胁迫期间有表达㊂此外,针对须根系统研究,相对于传统的单条直道的芯片设计,Chai等[26]采用多室设计的微流控芯片,如图4(b)所示,令水稻的分枝根生长到一组径向的花瓣形室中,用以研究渗透胁迫图4㊀应用于不同植物的芯片Fig.4㊀Chips for different plants (模拟干旱环境)对根系发育的影响,发现随着聚乙二醇(PEG6000,用于营造渗透胁迫)浓度的增加,根的生长变慢,根毛的数量和长度增加,根尖边缘细胞的发育和聚集增多㊂为了方便显微观察,微流控芯片的尺寸普遍设计得较小,并且使用拟南芥等小型草本物种,这让根-菌互作的长期化观察以及对个体较大的木本植物的研究成为挑战㊂Noirot-Gros等[27]设计的根系-微生物相互作用芯片(RMI-chip),如图4(c)所示,通道长达36mm,可以培养山杨(木本植物)幼苗的根超过1个月,并且可以连续使用显微镜观察根-菌互作㊂研究发现细菌需要在山杨根部表面形成生物膜才能持久定殖㊂RMI芯片加以修改或优化,可以用于长期观察生长缓慢的植物,或者短期研究生长较快的植物㊂此外,设计功能导向性很强的特殊结构芯片,如Massalha等[10]的TRIS系统还有一个双根通道版本,在同一腔室里生长2株拟南芥的根,并设计了分隔结构避免双根的物理接触,却允许微生物948第6期㊀㊀㊀㊀陈登博,等.基于微流控的植物根部-微生物相互作用研究进展细胞和信号分子的自由流动,以直观地显示细菌对不同基因型株系根部的定殖偏好㊂根据具体需求而设计开发出来的微流控芯片更能满足各种植物生长的特殊需求,也是微流控芯片的优势之一㊂图5㊀空间环境下微流控技术在根-菌互作研究中的运用Fig.5㊀Application of microfluidic technique in the study of root-bacteria interaction in spatial environment6㊀根-菌互作空间研究现状及展望㊀㊀高等植物是BLSS 的功能核心,但空间环境因素导致植物生长处于逆境,对植物的生长发育具有显著影响㊂在太空飞行等空间环境下发现在微重力下生长的植物表现出对植物病菌的敏感性增加[28],地面3D 回转模拟微重力效应下的实验也证明了在模拟微重力效应下病菌更易侵染植物[29-31]㊂一方面可能是因为微重力对细胞壁的重生和木质素的合成起到了抑制作用[32],从而利于病原真菌的侵染;另一方面推测是微重力影响了植物宿主与自身微生物的相互作用㊂虽然植物遗传适应相对较慢,但植物共生的微生物却能够很快地适应环境变化[33]㊂而植物根际微生物组是植物的第2套基因组的组成部分,在植物生长发育过程当中起着至关重要的作用㊂植物益生菌对植物具有保护机制,可以形成生物膜以及生产植物激素从而提高植物个体抵御非外来的微生物环境胁迫的免疫能力㊁诱导免疫抗性等多种手段,从而来增强其对宿主的免疫抗逆㊁抗病能力[34],且微生物是BLSS 中必然存在的一个链环,因此有必要研究空间环境下植物的根-菌互作㊂但是受控条件下植物根际微生物的结构变化以及潜在威胁微生物研究甚少㊂由于空间实验的空间有限,即使对于探空火箭等所拥有的超过10cm ˑ10cm ˑ10cm 体积的实验空间[35-36],对于使用传统栽培方式的根-菌互作研究也明显不够㊂而且,由于空间搭载机会的稀缺和昂贵,很多实验必须先期在地面开展,在回转仪等模拟的微重力环境下进行[37-38]㊂与真正的空间实验相似,回转仪可供实验的区域非常狭小,同样难以容纳传统栽培方式的植株㊂微流控技术可以成为空间生物学研究中很有前途的工具,已经运用在国际空间站或卫星搭载的太空实验上㊂如应用于国际空间站的一种新的不依赖培养物的微生物监测系统(the Lab-On-a-Chip Application Development Portable Test Sys-tem,LOCAD-PTS)[39],在15min 内定量分析了舱室表面的内毒素(革兰氏阴性细菌和真菌的标志)㊂在目前第一个长时间的活体生物立方体卫星实验中,Nicholson 等[40]开展生命有机体轨道空间环境生存性(Space Environment Survivability ofLiving Organisms,SESLO)实验6个月,测定了枯草芽孢杆菌孢子在空间环境中长期静止(14㊁91和181天)后的萌发㊁生长和代谢情况㊂但目前空间生物学研究中,未将微流控技术应用在植物根-菌互作研究上㊂而微流控芯片体积小,且目前已有一些微流控根-菌互作研究没有采用注射泵,同样可实现根际营养液的更新[15]㊂微流控芯片作为载体更能满足研究需求㊂因此,如图5所示,对于长期进化适应1G 重力的地球环境的植物而言,空间微重力环境属于典型的逆境环境,可能导58载人航天第28卷致植物菌群失调,但目前对其机理并不清楚㊂基于微流控技术能更直观地研究植物-微生物在空间极端环境下相互作用机理,并可以通过其机理精准调控植物根部菌群,使植物拥有更大的固碳能力和更强的抗逆特性㊂微流控技术在根-菌互作研究中的显著优势能进一步帮助研究者理解植物学和微生物学研究的热点问题㊂但在空间环境下基于微流控技术开展植物根-菌互作研究依然存在着许多问题:①空间环境下,植物根生长会改变方向,对基于微流控技术的根菌互作观察有一定影响;②在芯片设计的过程中还需要考虑表面张力会成为界面的主要力;③目前的微流控技术主要针对在透明基底上成像,这将偏离自然土壤系统中根际的群落结构㊂这些问题需要利用更有效的方法来解决㊂7㊀结语㊀㊀目前,已有研究将微流控技术运用于根-菌互作中,显著提高了实验效率与根菌研究结果的分辨率㊂然而迄今为止,国际上在空间环境下应用微流控技术研究植物-微生物相互作用仍是空白㊂微流控技术具有便于对根菌互作实时成像以及对根际化学环境的操控/采样等优势,能够精细刻画反映出空间环境下植物-微生物互作规律,有益于揭示植物-微生物稳态对空间环境效应的响应与适应机制,从而助力空间环境下植物健康稳定生产,为BLSS空间实际构建应用奠定基础㊂参考文献(References)[1]㊀Sasse J,Martinoia E,Northen T.Feed your friends:Do plantexudates shape the root microbiome?[J].Trends in PlantScience,2018,23(1):25-41.[2]㊀李月明,杨帆,韩沛霖,等.植物根系分泌物响应非生物胁迫机理研究进展[J].应用与环境生物学报,2022,28(4):1-10.Li Y M,Yang F,Han P L,et al.Research progress on themechanism of root exudates in response to abiotic stresses[J].Chinese Journal of Applied&Environmental Biology,2022,28(4):1-10.(in Chinese)[3]㊀Ahmad R A,Michael D J,Segun G.Synergistic plant-mi-crobes interactions in the rhizosphere:A potential headway forthe remediation of hydrocarbon polluted soils[J].Internation-al Journal of Phytoremediation,2019,21(1/7):71-83.[4]㊀Berendsen R L,Vismans G,Yu K,et al.Disease-inducedassemblage of a plant-beneficial bacterial consortium[J].Isme Journal,2018,12(6):1496-1507.[5]㊀Jacoby R,Peukert M,Succurro A,et al.The role of soil mi-croorganisms in plant mineral nutrition-current knowledge andfuture directions[J].Frontiers in Plant Science,2017,(9):1-8.[6]㊀Ren K,Zhou J,Wu H.Materials for microfluidic chip fabri-cation[J].Accounts of Chemical Research,2013,46(11):2396-2406.[7]㊀Mcdonald J C,Duffy D C,Anderson J R,et al.Fabricationof microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane)[J].Elec-trophoresis:An International Journal,2000,21(1):27-40.[8]㊀Fu Y,Liu H,Shao L,et al.A high-performance ground-based prototype of horn-type sequential vegetable productionfacility for life support system in space[J].Advances inSpace Research,2013,52(1):97-104.[9]㊀Foster J S,Wheeler R M,Pamphile R.Host-microbe interac-tions in microgravity:Assessment and implications[J].Life,2014,4(2):250-266.[10]㊀Massalha H,Korenblum E,Malitsky S,et al.Live imagingof root-bacteria interactions in a microfluidics setup[J].Pro-ceedings of the National Academy of Sciences of the UnitedStates of America,2017,114(17):4549-4554. [11]㊀Massalha H,Korenblum E,Shapiro O H,et al.TrackingRoot Interactions System(TRIS)experiment and quality con-trol[J].Bio-protocol,2019,9(8):e3211. [12]㊀Aufrecht J A,Ryan J M,Hasim S,et al.Imaging the roothair morphology of arabidopsis seedlings in a two-layer mi-crofluidic platform[J].Jove-Journal of Visualized Experi-ments,2017,(8):1-6.[13]㊀Aufrecht J A,Timm C M,Bible A,et al.Quantifying thespatiotemporal dynamics of plant root colonization by benefi-cial bacteria in a microfluidic habitat[J].Advanced Biosys-tems,2018,2(6):1-6.[14]㊀Mafla-Endara P M,Arellano-Caicedo C,Aleklett K,et al.Microfluidic chips provide visual access to in situ soilecology[J].Communications Biology,2021,4(1):1-12.[15]㊀Gao J,Sasse J,Lewald K M,et al.Ecosystem fabrication(EcoFAB)protocols for the construction of laboratory ecosys-tems designed to study plant-microbe interactions[J].Jove-Journal of Visualized Experiments,2018,134(4):1-26.[16]㊀Stanley C E,Shrivastava J,Brugman R,et al.Dual-flow-ro-otchip reveals local adaptations of roots towards environmentalasymmetry at the physiological and genetic levels[J].NewPhytologist,2018,217(3):1357-1369.[17]㊀Sun L,Liu L,Lin X,et al.Microfluidic devices for monito-ring the root morphology of Arabidopsis thaliana in situ[J].Analytical Sciences,2021,37(4):605-611. [18]㊀Pucetaite M,Ohlsson P,Persson P,et al.Shining new lightinto soil systems:Spectroscopy in microfluidic soil chips re-veals microbial biogeochemistry[J].Soil Biology and Bio-chemistry,2021,153(2):1-9.[19]㊀Grossmann G,Guo W J,Ehrhardt D W,et al.The RootCh-ip:An integrated microfluidic chip for plant science[J].Plant Cell,2011,23(12):4234-4240.[20]㊀Fendrych M,Akhmanova M,Merrin J,et al.Rapid and re-versible root growth inhibition by TIR1auxin signalling[J].Nature Plants,2018,4(7):453-459.[21]㊀Guichard M,Olalla E,Stanley C E,et al.Microfluidic sys-tems for plant root imaging[J].Methods in Cell Biology,2020,160(1):381-404.[22]㊀Denninger P,Reichelt A,Schmidt V A F,et al.DistinctRopGEFs successively drive polarization and outgrowth of roothairs[J].Current Biology,2019,29(11):1854-1865.[23]㊀Meier M,Lucchetta E M,Ismagilov R F.Chemical stimula-158第6期㊀㊀㊀㊀陈登博,等.基于微流控的植物根部-微生物相互作用研究进展。
ISI信道下LDPC码ADMM译码算法研究
摘要摘要低密度校验码(Low-Density Parity-Check Codes,LDPC码)具有逼近信道容量限的良好性能和较低的译码复杂度,其已经成为学者们研究的热点之一。
而且,低密度校验码被ITU-T G.9960、Wi-Fi、CCSDS、DTMB、CMMB等许多通信标准所采纳。
特别地,2016年的3GPP会议确定LDPC码为5G增强移动带宽场景数据信道的编码方案。
LDPC码的交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)译码算法在无记忆信道下表现出较好的译码性能,而目前有记忆信道下LDPC码ADMM译码算法的研究工作还相对较少。
符号间干扰(Inter Symbol Interference,ISI)信道是数字存储系统的一种常用有记忆信道模型,本文对ISI信道下LDPC码的ADMM译码方法进行了比较深入的研究,主要工作概括如下:1. 概述了LDPC码和线性分组码。
详细分析了ISI信道下基于Turbo均衡的LDPC 码和积译码算法及ISI信道下基于内点法的LDPC码译码算法的性能。
同时对无记忆信道下LDPC码的ADMM译码算法、和积译码算法及其最小和译码算法进行了仿真,并分析了三种典型译码算法下LDPC码的性能。
2. ISI信道下传统的基于Turbo均衡的LDPC码译码利用的是和积译码算法,而LDPC码的ADMM惩罚译码算法在无记忆信道下比和积译码算法具有更好的译码性能。
本文提出了一种ISI信道下LDPC码的基于Turbo均衡思想的ADMM惩罚译码算法。
通过对LDPC码仿真结果的分析可知,与现有的ISI信道下基于Turbo均衡的和积译码算法相比较,所提出的译码算法在高信噪比区域具有更好的性能。
3. ISI信道下LDPC码的译码问题可以看作是一个二次规划问题,通过深入分析交替方向乘子法这一经典的凸优化问题求解方法,提出了一种ISI信道下基于ADMM 的LDPC码惩罚译码算法。
非编码RNA来源的小肽:“微不足道”却“功能强大”
第 62 卷第 3 期2023 年 5 月Vol.62 No.3May 2023中山大学学报(自然科学版)(中英文)ACTA SCIENTIARUM NATURALIUM UNIVERSITATIS SUNYATSENI非编码RNA来源的小肽:“微不足道”却“功能强大”*陈晓彤,赵文龙,孙林玉,王文涛,陈月琴中山大学生命科学学院,广东广州 510275摘要:非编码RNA(ncRNA, non-coding RNA)长久以来被认为不具有编码能力。
近年来随着研究技术和生物信息学工具的迅速发展,研究发现在基因组的非编码区域上存在大量小开放阅读框(sORFs,small/short open read‐ing frames),其翻译产物被称作小ORF编码肽(SEPs,sORF encoded peptides)或小肽(micropeptides)。
部分小肽被证实在细胞内稳定存在并独立于其来源RNA发挥重要作用。
本文系统总结了非编码RNA来源小肽的鉴定方法、可编码小肽的RNA类型以及其研究困难和瓶颈,并重点回顾了疾病和植物中发现的功能小肽,以期对小肽的筛选鉴定提供思考,对小肽作为药物研发或者农作物增产的关键靶点提供新的思路和方向。
关键词:非编码RNA;小肽;非经典翻译;鉴定方法;调控机制中图分类号:Q71 文献标志码:A 文章编号:2097 - 0137(2023)03 - 0001 - 13 Micropeptides derived from non-coding RNAs: Tiny but powerful CHEN Xiaotong, ZHAO Wenlong, SUN Linyu, WANG Wentao, CHEN Yueqin School of Life Sciences, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275,ChinaAbstract:It was long presumed that non-coding RNAs (ncRNAs) are lacking in protein-coding poten‐tial. However, recent advances in technology and tools have led to an important finding that a number of small open reading frames (sORFs) were found in different kind of ncRNAs, and their translated products have been termed sORF encoded peptides (SEPs) or micropeptides. Some micropeptides have been confirmed to exist stably in cells and play important roles independently of their source RNA. In this review,we summarize the identification methods of micropeptides derived from ncRNAs,the types of RNA that can encode micropeptides,and focus on the functional micropeptides found in diseases and plants. The purpose of the review is to provide a thought on the screening and identifica‐tion of micropeptides, and provide new ideas for micropeptides as potentials for drug development or crop yield improvement.Key words: non-coding RNA; micropeptide; non-canonical translation; identification methods; regula‐tion mechanism随着人类基因组计划的完成以及ENCODE计划的开展,科学家发现,约75%的基因组可以产生转录本(Derrien et al.,2012;Djebali et al.,2012)。
非编码RNA组科学数据库:NONCODE
TECHNOLOGY非编码RNA组科学数据库:NONCODE任菲1,2 何顺民1 刘长宁1 赵屹11. 中国科学院计算技术研究所前瞻实验室,北京 1001902. 中南大学,湖南 410083NONCODE科学数据库是中国科学院计算技术研究所生物信息学研究组和中国科学院生物物理研究所生物信息学实验室共同开发和维护的一个提供给科学研究人员分析非编码RNA基因的综合数据平台。
自从其2005年发布以来,非编码RNA基因的数量飞速增长[1-3],而且人们也逐步认识到非编码RNA基因在大多数物种中都发挥着重要的调控作用[4]。
《Science》杂志在2005年1月的期刊中曾给予NONCODE数据库较高的评价和推荐。
2006年,ISI Web of Knowledge 邀请收录NONCODE科学数据库;2007年,中国国家医药卫生科学数据共享平台收录了NONCODE科学数据库。
目前在NONCODE 2.0数据库中,非编码RNA基因的数量大约为20多万条目,其中包括了microRNA,Piwi-interacting RNA和mRNA-like ncRNA等。
同时,在NONCODE中的非编码RNA基因数据分析平台中,还为研究人员提供了BLAST序列比对服务,非编码RNA基因在基因组中定位以及它们的上下游相关注释信息的浏览服务。
研究人员可以通过/ 或者 / 网站来访问该数据平台。
非编码RNA;科学数据库;RNA组学摘 要:关键词:本页已使用福昕阅读器进行编辑。
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TECHNOLOGYN o n -c o d i n g R N A S c i e n t i f i c D a t a b a s e :NONCODERen Fei 1, He Shunmin 1,2, Liu Changning 1, Zhao Yi 11. Center for Advanced Computing Research, Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190,China2. Central South University, Changsha, Hunan Province 410083, ChinaThe NONCODE database is an integrated knowledge database designed for theanalysis of noncoding RNAs (ncRNAs). Since NONCODE was firstly released in 2005, the number of known ncRNAs has grown rapidly, and there is a growing acknowledgement that ncRNAs play important regulatory roles in most organisms. In the NONCODE database, the number of collected ncRNAs has reached 206226, including a wide range of microRNAs, Piwi-interacting RNAs and mRNA-like ncRNAs. The improvements of the database include not only new and updated ncRNA data sets, but also an incorporation of BLAST alignment search service and access through our custom UCSC Genome Browser. NONCODE can be accessed through or .Non-coding RNA; Scientific database; Rnomics本页已使用福昕阅读器进行编辑。
elnon-destructive analysis -回复
elnon-destructive analysis -回复什么是非破坏性分析(Nondestructive Analysis)?非破坏性分析(Nondestructive Analysis,简称NDA)是一种对材料或结构进行评估和检测的方法,其特点是在无需破坏原始材料或结构的情况下获得所需信息。
这种分析方法用于确定材料的物理性质、缺陷、表面质量和结构完整性等特征,对于许多行业和领域的研究和应用具有重要意义。
NDA的原理和技术NDA技术有许多种,包括声学、电磁、光学、放射性和电子等。
这些技术可以用于探测材料或结构中的缺陷、污染、损伤等问题,并在不破坏原始材料或结构的前提下提供有关其性能和可靠性的信息。
声学技术是一种利用声波传播和反射特性进行分析的方法。
通过发送声波信号并观察其传播速度和反射模式,可以确定材料的密度、弹性模量和声阻抗等特性。
电磁技术是采用电磁波的传播和相互作用原理来评估材料性质的方法。
根据电磁波在不同材料中传播的特性,可以确定材料的导电性、磁导率和电阻等性质。
光学技术是一种利用可见光、红外光和紫外光等光学波段的传播和反射特性来评估材料性质的方法。
通过观察光线在材料内部和表面的传播和反射情况,可以推断材料的组成、表面质量和光学性质等。
放射性技术利用放射性物质的放射性衰变和衰变产物与材料间的相互作用来评估其性质。
通过测量放射性物质和衰变产物发出的射线能量和强度,可以确定材料的成分、密度和厚度等。
电子技术是利用电子束或电流与材料相互作用来评估其性质的方法。
通过测量电子束在材料中的传播和散射情况,可以推断材料的结构、成分和缺陷等。
NDA的应用领域非破坏性分析在许多行业和领域广泛应用。
以下是其中几个主要的应用领域:1. 材料工程和制造业:在材料制备和加工过程中,NDA技术可用于确定材料性质,监测材料的质量和可靠性。
它可以用于探测材料中的缺陷、损伤和杂质等问题。
2. 航空航天和汽车工业:在飞机、火箭、汽车等运输工具的制造和维护过程中,NDA技术可用于检测结构的完整性、材料的疲劳和腐蚀等问题,确保其安全和性能。
基于改进的非二进制LDPC解码算法
基于改进的非二进制LDPC解码算法甘胜江;孙连海;何俊林【期刊名称】《计算机工程与设计》【年(卷),期】2017(038)003【摘要】由于传统的LDPC码位翻转解码算法在计算复杂度方面无法得到提高等缺点,为降低传统非二进制低密度奇偶校验码解码算法的复杂度和误码率,提出一种改进的基于NB-LDPC解码算法.对现有的并行符号翻转解码算法(parallel symbol flipping decoding algorithm,PSFD)进行优化改进,采用多次投票方法,使每个不满意的校验节点对相应的变量节点进行多次投票,并结合误差估计方法.考虑到额外的复杂性,两级投票是提出优化算法的最佳选择.大量实验结果表明,相比原有的LDPC 码位翻转解码算法,该优化算法避免使用码相关的投票阈值,在BER等于10-5时,误码率低约0.4 dB,在中低数值的SNR上,具有最优参数的优化算法比原有算法收敛得更快.%Because the computation complexity of the traditional LDPC decoding algorithm cannot be improved, to reduce the complexity and error rate of the decoding algorithm of non-binary low density parity check codes, a NB-LDPC decoding algorithm was proposed.The existing algorithm of parallel symbol flipping decoding (PSFD) was optimized and improved, the multiple voting method was used, making every unsatisfied check node vote for corresponding variable nodes, and the error estimation method was combined.Considering the extra complex factors, tow-level voting method was the optimal strategy for decoding algorithm.The experimental results show that the proposed algorithmavoids the use of the code related voting threshold.When the BER is equal to 10-5, the bit error rate is about 0.4 dB lower.In addition, for the low and middle value SNR, the optimization algorithm with the optimal parameters converges faster than the original algorithm.【总页数】5页(P698-702)【作者】甘胜江;孙连海;何俊林【作者单位】成都师范学院计算机科学学院,四川成都 611130;成都师范学院计算机科学学院,四川成都 611130;成都师范学院计算机科学学院,四川成都611130【正文语种】中文【中图分类】TP393【相关文献】1.探讨非二进制LDPC码编码调制在光纤通信中的应用 [J], 邹良营2.非二进制LDPC码编码调制在光纤通信中的应用 [J], 王鹏翔;王中训;张超;朱晓瑜;尹爽爽3.改进LDPC解码算法的DSP实现 [J], 张赟;吴乐南4.基于二进制序列构造非规则LDPC码 [J], 闻斌;李上钊;唐锋;欧卫华5.探讨非二进制 LDPC 码编码调制在光纤通信中的应用 [J], 刘继新因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
基于卫星通信系统的多元RC-LDPC信息安全传输算法
收稿日期:2020-05-07基金项目:国家自然科学基金资助项目(61671141ꎬ61501038).作者简介:刘㊀军(1969-)ꎬ男ꎬ辽宁沈阳人ꎬ东北大学副教授.第42卷第2期2021年2月东北大学学报(自然科学版)JournalofNortheasternUniversity(NaturalScience)Vol.42ꎬNo.2Feb.2021㊀doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2021.02.007基于卫星通信系统的多元RC-LDPC信息安全传输算法刘㊀军1ꎬ张立立1ꎬ姜向宏2ꎬ张永芳1(1 东北大学计算机科学与工程学院ꎬ辽宁沈阳㊀110169ꎻ2 湖北工业大学工程技术学院ꎬ湖北武汉㊀430068)摘㊀㊀㊀要:基于卫星通信的信息传输极易通过无线信道被非法接收ꎬ导致信息泄露ꎬ因此本文在现有物理层安全研究的基础上ꎬ提出一种多元速率兼容低密度奇偶校验(ratecompatiblelowdensityparitycheckꎬRC-LDPC)码的星地信道编码方法ꎬ并应用在自适应调制编码(adaptivemodulationcodingꎬAMC)系统上.利用信道状态信息将私密信息隐藏在删除位置ꎬ通过缩小安全间隙ꎬ提高合法接收误码曲线的下降速率ꎬ保证信息的安全性.利用NIUSRP与LabVIEW搭建的平台对本文提出的算法进行仿真分析ꎬ结果表明ꎬ算法能够保证接收端正确接收ꎬ窃听端误码率达0 5左右ꎬ保证了信息安全传输.关㊀键㊀词:卫星通信系统ꎻRC-LDPCꎻ打孔算法ꎻ缩短算法ꎻ自适应调制编码中图分类号:TP393㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1005-3026(2021)02-0196-05Non ̄binaryRC ̄LDPCInformationSecurityTransmissionAlgorithmBasedonSatelliteCommunicationSystemLIUJun1ꎬZHANGLi ̄li1ꎬJIANGXiang ̄hong2ꎬZHANGYong ̄fang1(1.SchoolofComputerScience&EngineeringꎬNortheasternUniversityꎬShenyang110169ꎬChinaꎻ2.EngineeringandTechnologyCollegeꎬHubeiUniversityofTechnologyꎬWuhan430068ꎬChina.Correspondingauthor:ZHANGLi ̄liꎬE ̄mail:zhanglili@cse.neu.edu.cn)Abstract:Itiseasyforsignaltransmissionbasedonsatellitecommunicationtobereceivedillegallythroughwirelesschannelsꎬleadingtoinformationleakage.Thereforeꎬweproposeanon ̄binaryRC ̄LDPC(ratecompatiblelowdensityparitycheck)encodingmethodforsatellitechannelbasedontheexistingphysicallayersecurityresearchꎬandapplythemethodtotheAMCsystem.Thealgorithmuseschannelstateinformationtosecretetheprivateinformationinthedeletedposition.Bynarrowingthegapofsafetyꎬtheproposedmethodelevatesthedroprateoferrorcurveofthelegalreceivertoensureinformationsecurity.ThealgorithmwassimulatedandanalyzedbasedonNIUSRPandLabVIEW.Thesimulationresultsshowthattheproposedalgorithmcanguaranteethereceivertoreceivecorrectlyandthebiterrorrateofeavesdropperuptoabout0 5ꎬensuringthesafetransmissionofinformation.Keywords:satellitecommunicationsystemꎻRC ̄LDPC(ratecompatiblelowdensityparitycheck)ꎻpunchingalgorithmꎻshorteningalgorithmꎻadaptivemodulationcoding㊀㊀卫星通信系统利用具有空间通信能力的卫星或星座网络与地面站和地面终端相互协作ꎬ具有覆盖面积广㊁成本较低㊁组网灵活的特点ꎬ在民用领域和军事领域均有重要作用.然而ꎬ卫星通信方式具有开放性㊁广播性等特点ꎬ信息极易受到窃听等安全攻击ꎬ所以物理层安全技术成为研究的热点.安全编码的设计与实现是物理层安全传输技术的核心.由于卫星信道属于无线通信信道ꎬ通信系统中信道编码的码率应该能够根据信道特性做出灵活调整.现代卫星通信技术要求信息传输速率具有多边性ꎬ以此适应网络的动态变化性ꎬ因此复杂度较低的信道编码速率兼容(ratecompatibleꎬRC)技术ꎬ成为研究速率兼容技术的一种有效解决方案[1].物理层安全编码研究的一个主流方向是在已有保密容量的基础上设计相应的安全编码.Mitchell等[2]研究了多元速率兼容低密度奇偶校验(ratecompatiblelowdensityparitycheckꎬRC-LDPC)码的优化度分布问题.Lin等[3]提出了非二进制低密度奇偶校验(NB-LDPC)码ꎬ它是二进制LDPC码的扩展ꎬ比二进制LDPC码具有更强的纠错能力.Chung等[4]假设码长无限长ꎬ在BPSK调制条件下ꎬ1/2码率下LDPC码距Shannon限只有0 0045dB.多元LDPC码具有更低的错误平层和更低的误码率等性能[5]ꎬ尤其在高阶调制下ꎬ多元LDPC码性能优势更明显[6]ꎬ因此很快受到学术界的关注.现代卫星通信技术要求信息传输速率随信道状态灵活多变.低复杂度信道编码的速率兼容技术具有易实现等优点ꎬ引起广泛关注.LDPC码的速率兼容技术成功应用在IEEE802 16e协议中.Chen等[7]对二元RC-LDPC码进行分析和研究ꎬ只用一对编译码器就可以实现码率变化.Mu等[8]对结构化构造多元RC-LDPC码进行研究.Taieb等[9]提出基于非系统RC-LDPC码ꎬ来保证高斯窃听信道上的通信安全.周林等[10]针对多元RC-LDPC码的设计展开研究ꎬ提出一种针对码长无限长的多元LDPC码生成方案的打孔和缩短算法ꎬ拓展了码率范围.本文使用RC-LDPC信道编码ꎬ并与自适应编码技术相结合ꎬ利用信道状态信息ꎬ设计一种基于打孔和缩短算法的多元RC-LDPC码的自适应编码系统.该系统不仅可以提高授权信道误码曲线的下降速率ꎬ同时提高窃听信道的误码率ꎬ使得窃听节点不能无差错解码ꎻ即使通过大量运算获得解码信息ꎬ由于错误率过高ꎬ也不能得到有效信息ꎬ所以研究多元RC-LDPC的自适应编码系统对于物理层防窃听安全设计有重要意义.1㊀多元RC-LDPC算法设计与二元RC-LDPC码类似ꎬ无限长的多元RC-LDPC码也可以选用简单的随机打孔或者均匀打孔方案ꎬ但是当大量校验比特被删除时容易产生陷阱集和停止集ꎬ影响性能.实际应用中ꎬ中短码长的LDPC码应用更广泛ꎬ针对中短码长的二元LDPC码ꎬHa等[11]从置信传播的角度提出一类基于迭代恢复变量节点删除信息的可靠度的实用化打孔算法.针对此算法中存在的问题ꎬ本文提出了高码率多元RC-LDPC码ꎬ以适配卫星通信信道的高性能.多元RC-LDPC码的译码算法中信息传递是在变量节点和校验节点之间传送ꎬ需要一定的迭代次数来成功完成译码.如果某一个变量节点v承载的信息符号在接收端设置为未知ꎬ则变量节点v等效定义为在发送端被打孔ꎬ并且不参与信道传输.根据QSPA算法变量节点更新法则ꎬ当传递过来的相邻校验节点信息至少有一个有效时ꎬ被打孔的变量节点v被记为vp将能够被恢复.相应地ꎬ将这个打孔后的变量节点vp定义为一步可恢复(简记为1-SR)变量节点ꎬ同理ꎬ经过l步可迭代恢复的变量节点记为l-SR.因为l步可迭代打孔变量节点的恢复需要建立在前一变量节点迭代恢复和其他所有未打孔的变量节点传递信息无错的基础上ꎬ因此在打孔变量节点的迭代恢复过程中ꎬ一个打孔变量节点需要迭代恢复的步数越多ꎬ信息越不可靠.图1为l-SR变量节点恢复树图.图1㊀l-SR变量节点恢复树图Fig 1㊀Variablenoderecoverytreegraphofl ̄SR㊀㊀如图1所示ꎬ星地通信中节点{v1ꎬv2ꎬ ꎬv5}处的信息是要传输的私密信息ꎬ在接收端可以通过置信传播的方法利用直接或间接相连的节点传递过来的信息迭代恢复出原始信息.变量节点v1和v4只需一步就可以通过其他完整的变量节点恢复出自身的信息符号ꎬv2需要在v1有效恢复的前提下才能恢复出自身的信息符号.同理ꎬ变量节点v3需要3步迭代才可恢复出原始携带的信息ꎻ变量节点v5需要在其他打孔节点正确恢复的基础上才可以迭代恢复出自身信息符号ꎬ故v5所恢复的信息最不可靠.用S(v)来表示v5的最小树图中没有经过打孔的变量节点的总数ꎬ对于恢复信息所需迭代步数相同的变量节点ꎬ选择打孔节点时ꎬ优先选择S(v)小的.在图1中ꎬ对于变量节791第2期㊀㊀㊀刘㊀军等:基于卫星通信系统的多元RC-LDPC信息安全传输算法㊀㊀点v1和v4ꎬ应当优先选择v4打孔.故多元LDPC码打孔时需要遵循以下两个规则:①优先选择迭代步数较少的变量节点打孔ꎻ②对于迭代步数相同的变量节点ꎬ优先选取S(v)小的变量节点打孔.根据打孔变量节点的恢复迭代步数ꎬ将0-SRꎬ1-SRꎬ ꎬl-SR变量节点的集合分别记为G0ꎬG1ꎬ ꎬGlꎬ其中G0代表未打孔的变量节点的集合.根据打孔变量节点的选取原则ꎬ首先尽量使容纳1-SR节点的集合G1中的节点数目达到最大ꎬ然后使容纳2-SR的节点的集合G2达到最大ꎻ依此类推ꎬ把所有迭代恢复的变量节点按所需迭代步数完全分类.按照迭代步数从小到大的次序ꎬ从集合G1ꎬG2ꎬ ꎬGl中选取变量节点删除ꎬ从而达到最高的码率.假设母码码率为Rmꎬ码率兼容操作可达到的最大码率为Rmax=Rm nn-ðlk=1|Gk|.(1)式中n为母码码长.显然ꎬ可以得到码率从Rm到Rmax的一系列速率兼容码.多元RC-LDPC算法具体步骤如下:1)初始化操作:定义一个多元LDPC码校验矩阵Hmˑnꎻ定义Λcꎬ用于存储第c列中非零行索引的集合ꎻ集合R={1ꎬ2ꎬ ꎬm}存储校验矩阵的行标.2)挑选优先级高的变量节点:构造一个索引的集合cl={c1ꎬc2ꎬ ꎬcjꎬ }ꎬcl对应的变量节点取自同一个集合Glꎬ找出有效列重最大的列标.此时ꎬ满足该条件的列可能有多个ꎬ需要进一步取舍ꎻ继续搜索ꎬ令c∗j为具有有效列重最大的列ꎬ从中选择度值最小的列优先删除.如果有多个这样的节点ꎬ则从中随机选一个ꎬ记为c∗.c∗即为打孔优先级最高的变量节点对应的列标.3)更新集合及停止条件:Gl=Gl\{c∗}ꎬR=R\Λc∗直到满足码率约束ꎬ或者Gl为空集ꎬ则令l=l+1ꎬ继续搜索下一个相同SR的变量节点集合.2㊀多元RC-LDPC的AMC-OFDM系统在基于多元RC-LDPC码的AMC-OFDM(adaptivemodulationcoding-orthogonalfrequencydivisionmultiplexing)系统中ꎬ定义子带K=N/N0ꎬ其中N为带宽B划分的子载波数ꎬN0为每个子带包含的子载波数ꎬ并定义为一个自适应单元ꎻ设一帧中包括M个OFDM符号ꎬ一个自适应块包括MˑN0个自适应单元ꎬ则一帧中包含K个自适应块.基于多元RC-LDPC的AMC-OFDM系统结构如图2所示.CRC:循环冗余校验ꎻMCS:调制与编码策略ꎻFFT:快速傅里叶变换ꎻIFFT:逆FFTꎻCP:保护间隔.图2㊀多元RC-LDPC的AMC-OFDM系统Fig 2㊀Non ̄binaryRC ̄LDPCAMC ̄OFDMsystem㊀㊀接收端得到的卫星信道的状态信息ꎬ经过信道估计后选择的自适应调制编码方式为MCSkꎬ以信令的形式反馈回发送端.在发送端ꎬ加入打孔缩短算法ꎬ按照适合MCSk的码率和调制方式对第k个自适应块的数据进行多元LDPC编码和调制后发射信号.在接收端ꎬ引入母码H和相应的解调方式ꎬ通过多元LDPC进行译码ꎬ得到恢复的原始信息.假设信道在一帧内被认为是平坦衰落的ꎬ发射端按照接收端反馈的CSI(channelstateinformation)选择合适的编码调制方式.根据设计的系统误码率标准Ptargetꎬ把信噪比891东北大学学报(自然科学版)㊀㊀㊀第42卷㊀㊀㊀㊀分割成N+1个连续的区间ꎬ各个区间门限为γnꎬn=0ꎬ1ꎬ2ꎬ ꎬNꎬγ0=1ꎬγN+1=+ɕ.当信噪比落在区间[γ0ꎬγ1)时ꎬ表示卫星信道状态不好ꎬ此时不发送数据ꎻ当信噪比落在区间[γnꎬγn+1)(n=1ꎬ2ꎬ ꎬN)时选择第n种传输模式.若卫星信道采用多元RC-LDPC码ꎬ其信噪比随着误码率的变化关系可以用式(2)表示:PERn(γn)=1ꎬ0<γn<γpꎬnꎻan1+exp[cn(γn+bn)]ꎬγpꎬnɤγn.ìîíïïï(2)式中:PERn表示差错率ꎻanꎬbnꎬcn是拟合参数值ꎬ根据式(2)与实际仿真得到的多元RC-LDPC码的译码性能曲线可以得到ꎻγpꎬn表示截止信噪比ꎬ当信噪比低于γpꎬn时ꎬ卫星信道状态差ꎬ此时不传输信息.3㊀仿真性能分析本系统仿真针对四元域上的多元RC-LDPC码进行设计.设定发送信息长度l=6000ꎬ母码编码码率为0 5ꎬ译码器迭代次数取20ꎬ50ꎬ100.多元RC-LDPC码的母码的校验矩阵通过PEG算法构造生成ꎬ则非零元素有3种选择ꎬ即{1ꎬ2ꎬ3}.卫星信道的模型设定为理想AWGN信道ꎬ调制方式使用QAM方式.选用FFT-QSPA算法进行解码.由信道唯一性与时变特性可知ꎬ窃听信道和主信道的信噪比存在差异性.窃听信道和主信道的信噪比分别记为SNREꎬSNRBꎬ窃听端和接收端的差错率分别记为pEe和pBe.信息传输的可靠性要求:pBeɤpBeꎬmax.安全性要求:pEeȡpEeꎬmin.安全间隙的大小取决于主信道和窃听信道的质量及差错率.主要思想就是提高合法用户端接收信息的可靠性ꎬ增大第三方窃听用户端截获信息的译码错误概率.本文研究基于多元RC-LDPC的星地信息安全传输方案与仿真实现ꎬ通过缩小安全间隙ꎬ保证星地信息的安全可靠传输.图3为窃听节点和合法接收端的误码率随信噪比变化的仿真图ꎬ其中参考方案采用二元RC-LDPC编码方式.由图3可知ꎬ本文方案采用多元RC-LDPC码应用在AMC-OFDM系统中ꎬ窃听节点的误码率增加ꎬ窃听端由于无法获知合法信道的信道状态而不能正确译码ꎬ同时ꎬ多元RC-LDPC编码在合法接收端表现出较好的可靠性ꎻ所以相比于二元RC-LDPCꎬ多元RC-LDPC误码率性能有所改善ꎬ有助于系统安全性的提升.将本文方案与参考方案(采用缩短算法的多元RC-LDPC方案)都应用于AMC-OFDM系统ꎬ分析比较不同方案在安全间隙方面的性能ꎬ仿真结果如图4所示.假设合法用户可以承受的差错率为pBeꎬmax=10-5ꎬ当窃听端误码率达到0 4时ꎬ参考方案对应的安全间隙需要达到3dB以上ꎬ而本文的多元RC-LDPC编码方案仅需要达到2dB.通过分析窃听端的误码率可知ꎬ本文编码方案能够进一步减小安全间隙.仿真还验证了与二元RC-LDPC相比ꎬ多元RC-LDPC安全性能更好ꎬ这也充分解释了本文采用多元LDPC的原因.图3㊀窃听端和合法接收端误码率比较Fig 3㊀Biterrorratecomparisonbetweentheeavesdropperandthereceiver图4㊀安全间隙性能曲线Fig 4㊀Performancecurvesofsecuritygap991第2期㊀㊀㊀刘㊀军等:基于卫星通信系统的多元RC-LDPC信息安全传输算法㊀㊀如图5所示ꎬ本文设计的多元RC-LDPC算法ꎬ综合考虑了多种因素ꎬ不局限于局部最优ꎬ降低了对迭代次数的依赖ꎬ改善了译码性能.在一定范围内ꎬ随着迭代次数的增加ꎬ误码率会有所下降ꎬ在一定程度上改善了由于迭代次数增加而造成的错误概率增大的问题.但是ꎬ在实际应用中ꎬ并不是好的算法就可以设置很大的迭代次数ꎬ因为迭代次数越多ꎬ说明译码越复杂ꎬ耗时越长ꎻ而这个过程受信道状态的影响很大.因此要根据具体的应用场景与业务类型设置迭代次数.图5㊀迭代次数对误码率的影响Fig 5㊀Influenceofiterativestepsonbiterrorrate4㊀结㊀㊀语本文研究了基于多元RC-LDPC码的星地信息安全传输方案ꎬ并设计了基于多元RC-LDPC码的仿真测试程序.测试验证分析表明ꎬ本文算法可以进一步缩小安全间隙ꎬ不仅能够根据卫星的信道状态动态地调整编码码率ꎬ提高信息传输的可靠性ꎬ还能降低窃听用户对信息的可知性.参考文献:[1]㊀YazdaniMRꎬBanihashemiAH.Onconstructionofrate ̄compatiblelow ̄densityparity ̄checkcodes[J].IEEECommunicationsLettersꎬ2004ꎬ8(3):159-161.[2]㊀MitchellDGMꎬLentmaierMꎬPusaneAEꎬetal.RandomlypuncturedLDPCcodes[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunicationsꎬ2016ꎬ34(2):408-421.[3]㊀LinCLꎬTuSWꎬChenCLꎬetal.AnefficientdecoderarchitecturefornonbinaryLDPCcodeswithextendedMin ̄Sumalgorithm[J].IEEETransactionsonCircuits&SystemsII:ExpressBriefsꎬ2016ꎬ63(9):863-867.[4]㊀ChungSYꎬForneyGDꎬRichardsonTJꎬetal.Onthedesignoflow ̄densityparity ̄checkcodeswithin0.0045dBoftheShannonlimit[J].IEEECommunicationsLettersꎬ2001ꎬ5(2):58-60.[5]㊀HaJꎬKimJꎬMclaughlinSW.Rate ̄compatiblepuncturingoflow ̄densityparity ̄checkcodes[J].IEEETransactionsonInformationTheoryꎬ2015ꎬ50(11):2824-2836.[6]㊀BochererGꎬSteinerFꎬSchulteP.Bandwidthefficientandrate ̄matchedlow ̄densityparity ̄checkcodedmodulation[J].IEEETransactionsonCommunicationsꎬ2015ꎬ63(12):4651-4665.[7]㊀ChenXꎬXieMXꎬLiuHB.AnRC ̄LDPCcodedadaptivecooperativecommunicationschemebasedonthemutualinformationmodel[C]//15thIEEEInternationalConferenceonCommunicationTechnology.Guilinꎬ2013:615-619.[8]㊀MuLWꎬLiuZYꎬFangY.Constructionoftime ̄invariantrate ̄compatible ̄low ̄densityparity ̄checkconvolutionalcodes[J].IETCommunicationsꎬ2016ꎬ10(9):1021-1026.[9]㊀TaiebMHꎬChouinardJY.EnhancingsecrecyoftheGaussianwiretapchannelusingratecompatibleLDPCcodeswitherroramplification[C]//IEEE14thCanadianWorkshoponInformationTheory.St.John sꎬNLꎬ2015:41-45.[10]周林ꎬ白宝明ꎬ邵军虎ꎬ等.多元LDPC码的速率兼容技术研究[J].西安电子科技大学学报(自然科学版)ꎬ2011ꎬ38(1):147-152.(ZhouLinꎬBaiBao ̄mingꎬShaoJun ̄huꎬetal.Onnonbinaryrate ̄compatibleLDPCcodes[J].JournalofXidianUniversity(NaturalScience)ꎬ2011ꎬ38(1):147-152.)[11]HaJꎬKimJꎬKlincDꎬetal.Rate ̄compatiblepuncturedlow ̄densityparity ̄checkcodeswithshortblocklengths[J].IEEETransactionsonInformationTheoryꎬ2006ꎬ52(2):728-738.002东北大学学报(自然科学版)㊀㊀㊀第42卷㊀㊀。
多元LDPC码与二元LDPC码的性能分析
多元LDPC码与二元LDPC码的性能分析陈明阳;高兴龙;王中训;颜飞;殷熔煌【摘要】为了比较多元LDPC码与二元LDPC码的性能,文章从校验矩阵、Tanner 图、BP译码算法等方面将两者进行有效的分析,并结合具体的Monte Carlo仿真实验,得出多元LDPC码的性能确实优于等长度码长的二元LDPC码.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2013(021)023【总页数】2页(P94-95)【关键词】LDPC码;校验矩阵;Tanner图;BP译码算法【作者】陈明阳;高兴龙;王中训;颜飞;殷熔煌【作者单位】烟台大学光电信息科学技术学院,山东烟台264005;烟台大学光电信息科学技术学院,山东烟台264005;烟台大学光电信息科学技术学院,山东烟台264005;烟台大学光电信息科学技术学院,山东烟台264005;烟台大学光电信息科学技术学院,山东烟台264005【正文语种】中文【中图分类】TN911.22随着近几年来现代通信技术,软件无线电技术、处理器技术的不断发展,编译码算法被提上了日程,如何找到适应现代通信的好码,是信息理论界不断探索的课题。
Gallager提出的LDPC码一直被认为是最接近Shannon限的好码。
近年来二元LDPC码得到了极大地发展[1-5],多元LDPC码也在发展当中。
多元LDPC码与二元LDPC码有着重要的联系,然而多元LDPC码在性能上相比二元LDPC码更具有优势。
本文分别从检验矩阵、Tanner图和BP译码算法方面比较LDPC码的性能,论证了多元LDPC码的确是性能优异的好码,需要我们花大力气去研究。
1 多元LDPC码与二元LDPC码的构建众所周知,二元LDPC码定义为二元域上的校验矩阵H的零空间,矩阵H的结构具有如下的性质:1)每行有定常重量ρ;2)每列有定常重量r;3)没有两行或两列有多余一个位置上是1,即其对应的Tanner图无四环,从而保证译码的性能。
一种非二进制LDPC与SCMA系统的联合检测译码方案
一种非二进制LDPC与SCMA系统的联合检测译码方案孙垠;葛文萍;乔威;张世伟【期刊名称】《中国科技论文》【年(卷),期】2024(19)2【摘要】针对现有的一些低密度奇偶校验码(low-density parity code,LDPC)与稀疏码多址(sparse code multiple access,SCMA)系统联合检测方案复杂度高、误码率高、传输时延大、收敛速度慢的问题,提出一个非二进制低密度奇偶校验码(non-binary lowdensity parity code,NB-LDPC)与SCMA系统的联合检测译码(joint detection decoding,JDD)方案。
在SCMA多用户检测部分改进基于阈值辅助的期望传播算法(expect propagation algorithm,EPA),在LDPC部分采用NB-LDPC并且在两节点更新过程选取部分消息状态值来改进译码算法,同时,利用联合因子图在联合检测译码信息交互时加入一种消息阻尼因子来提高收敛速度,最终完成联合检测译码过程。
通过多角度仿真发现,该方案降低了复杂度和误码率,减小了传输时延,提高了收敛速度,并且在不同码本下均验证了所提方案的适用性。
【总页数】8页(P241-248)【作者】孙垠;葛文萍;乔威;张世伟【作者单位】新疆大学信息科学与工程学院【正文语种】中文【中图分类】TN929.5【相关文献】1.基于LDPC码的MIMO-OFDM系统联合迭代检测译码2.一种改进的LDPC编码调制系统解调译码方案3.MIMO系统中基于因子图的联合迭代检测和LDPC译码4.一种用于DS/CDMA系统的联合信道估计与多用户检测方案5.基于因子图的SCMA和LDPC联合检测和译码因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
GMR-1卫星通信16-APSK信号软解码算法
GMR-1卫星通信16-APSK信号软解码算法段红光;张源【期刊名称】《信息通信》【年(卷),期】2016(000)002【摘要】针对GMR-1卫星通信中的高阶APSK解调方式,文章提出了一个实用的16-APSK信号软解码算法。
因为16-APSK是一种非恒定包络调制方案,利用不完美的格雷码形成两个环(内环与外环)的星座映射,我们采用一个实用的和统计的方法获得象征码字的逐位指标。
该算法可用于LDPC码(低密度奇偶校验码)或Turbo码的二进制迭代译码器。
文章也通过计算机模拟迭代Turbo译码器显示出该算法比知名的Max-Log-MAP算法有更好的性能。
%For high-order APSK demodulation way of GMR-1 satellite communication, this paper proposes a practical soft de-coding algorithm of 16-APSK signal. Because the 16-APSK is one of non-constant envelope modulation schemes with two rings (inner and outer) in the constellation mapped with imperfect Gray code,we use a pragmatic and statistical approach to obtain bitwise metrics of a symbol codeword. The proposed algorithm can be used for binary iterative decoder with LDPC (Low Den-sity Parity Check) or Turbo code. This paper show the proposed algorithm has better performance comparing to the well-known Max-Log-MAP algorithm through computer simulation with iterative Turbo decoder.【总页数】3页(P22-24)【作者】段红光;张源【作者单位】重庆邮电大学通信与信息工程学院,重庆400065;重庆邮电大学通信与信息工程学院,重庆400065【正文语种】中文【中图分类】TN927.23【相关文献】1.GMR-1卫星通信系统中基于判决的切换算法 [J], 吴广富;姜玉洁;赵为粮2.GMR-1卫星通信系统中的降低切换时延算法 [J], 吴广富;姜玉洁;唐璇;付仕明3.GMR-1卫星通信系统的下行同步研究 [J], 段红光;张满军;商震;钱继坤4.GMR-1卫星通信频率初始捕获算法 [J], 段红光;张满军5.基于GMR-1卫星通信系统的无线分组调度算法研究 [J], 郑建宏;朱致远因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
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arXiv:0801.2233v1 [cs.IT] 15 Jan 2008
Abstract— This paper is eligible for the student paper award. In this paper, we analyse asymptotically a new class of LDPC codes called Non-binary Hybrid LDPC codes, which has been recently introduced in [7]. We use density evolution techniques to derive a stability condition for hybrid LDPC codes, and prove their threshold behavior. We study this stability condition to conclude on asymptotic advantages of hybrid LDPC codes compared to their non-hybrid counterparts.
1 This
II. T HE C LASS OF H YBRID C ODES We define a Non-binary Hybrid LDPC code as LDPC code whose variable nodes belong to finite sets of different orders. More precisely, this class of codes is not defined in a finite field, but in finite groups. We will only consider groups whose cardinality qk is a power of 2, that says groups of the type Z pk with pk = log2 (qk ). Thus to each element G(qk ) = 2 Z of G(qk ) corresponds a binary map of pk bits. Let us call the minimum order of codeword symbols qmin , and the maximum order of codeword symbols qmax . The class of hybrid LDPC pmin × ... × codes is defined on the product group 2Z Z p max Z . Let us notice that this type of LDPC codes built on 2Z product groups has already been proposed in the literature [2], but no optimization of the code structure has been proposed and its application was restricted to the mapping of the codeword symbols to different modulation orders. Parity check codes defined on (G(qmin ) × . . . × G(qmax )) are particular since they are linear in 2Z Z , but could be non-linear in the product group. Although it is a loss of generality, we have decided to restrict ourselves to hybrid LDPC codes that are linear in their product group, in order to bypass the encoding problem. We will therefore only consider upper-triangular parity check matrices and a specific sort of the symbol orders in the codeword, which ensures the linearity of the hybrid codes. The structure of the codeword and the associated parity check matrix is depicted in Figure 1. We hierarchically sort the
Analysis of Non-binary Hybrid LDPC Codes
Lucile Sassatelli and David Declercq
ETIS ENSEA/UCP/CNRS UMR-8051 95014 Cergy, FRANCE {sassatelli,declercq}@ensea.fr
each symbol that participates in the parity check as an element of the highest group, which is only possible if the groups are sorted as in Figure 1. This clearly shows that encoding is feasible in linear time by backward computation of the check symbols. In order to explain the decoding algorithm for hybrid LDPC codes, it is useful to interpret a parity check of a hybrid code as a special case of a parity check built on the highest order group of the symbols of the row, denoted G(ql ) and have a look at the binary image of the equivalent code [8]. For codes defined over Galois fields, the nonzero values of H correspond to the companion matrices of the finite field elements and are typically rotation matrices (because of the cyclic property of the Galois fields). In the case of hybrid LDPC codes, a nonzero value is a function that connects a row in G(ql ) and a column in G(qk ), i.e., that maps the qk symbols of G(qk ) into a subset of qk symbols that belongs to G(ql ). Such application is not necessarily linear, but in the case it is, its equivalent binary representation is a matrix of dimension (pl × pk ). Note that, with the above mentioned constraints, we have necessarily pk ≤ pl . It is possible to generalize the Belief propagation decoder to hybrid codes, and it has been shown that even for those very specific structures, it is possible to derive a fast version of the decoder using FFTs [5]. In this work, we consider only maps that are linear applications, and hence that have a binary representation, in order to be able to apply all known results on linear codes. We call the message passing step through hij (cf. figure 2) extension when it is from G(qk ) to G(ql ) and truncation when it is from G(ql ) to G(qk ).
I. I NTRODUCTION Like Turbo Codes, LDPC codes are pseudo-random codes which are well-known to be channel capacity-approaching. LDPC codes have been rediscovered by MacKay under their binary form and soon after their non-binary counterpart have been studied by Davey [1]. Non-binary LDPC codes have recently received a great attention because they have better performance than binary LDPC codes for short block length and/or high order modulations [3], [8], [4]. However, good short length non-binary LDPC codes tend to be ’ultra-sparse’, and have worse convergence threshold than binary LDPC codes. Our main motivation in introducing and studying the new class of hybrid LDPC codes is to combine the advantages of both families of codes, binary and non-binary. Hybrid codes families aim at achieving this trade-off by mixing different order for the symbols in the same codeword. Our resulting codes are called Non-binary Hybrid LDPC Codes because of the mixture of different symbol sets in the codeword. In [7], we have demonstrated the interest of the Hybrid LDPC codes by designing codes that compare favorably with existing codes for quite moderate code length (a few thousands bits). Hybrid LDPC codes appear to be especially interesting for low rate codes, R ≤ 0.25. In this paper, we study the asymptotic behavior and properties of Hybrid LDPC codes under iterative belief propagation (BP) decoding. The section two of this paper highlights the generality of our new codes structure, and explains why we have focused the asymptotic study on the particular subclass of linear codes. In third and fourth sections, we present the context of the study, and detail symmetry and linear-invariance properties which are useful for the stability condition.This condition is then expressed and analyzed to show theoretic advantages of Hybrid LDPC codes.