基于bch和ldpc码的块高效纠错理论与关键技术

国家科技基金项目申报
题目：基于BCH和LDPC码的高效块纠错理论与关键技术
摘要：项目研究内容和意义简介：（400字）
高效可靠传送信息所用的纠错技术，是下一代移动通信系统和网络信息存取中关键技术之一。

本申请项目要研究内容有：1、用BCH和LDPC 码构成块（块：信息单位是以千位计）纠错理论方法，要用到群变换编码、解码理论和方法。

做到具有能查错、纠错高效数据传送速率，如用BCH码纠正1到8位随机错误，有效率99%到92%之间，即冗余度在1%到8%之间. 2、纠错中信息位可变长，纠错位可变理论和方法，可适应性和扩展性（Scalability ）可通过编程的方法来实现，就可适应对不同速率的调制方式，作为分组信道编码可以在移动通信不同信道中使用。

3、研究用硬件如何实现块纠错电路，这是重要的关键技术，主要用大规模、超大规模集成电路，如CPLD或FPGA电路实现，这不是一个简单的实现，其中块纠错含有若干创新要点。

块纠错理论研究是通信系统中关键技术，研究意义重大，为下一代移动通信系统、超宽带无线局域网等方面提供技术支撑。

块纠错的大规模电路实现后，具有特别重要的实际意义和经济效益。

关键词：
块纠错，BCH和LDPC码，群变换，信道编码，超宽带无线局域网
一、立项依据与研究内容。

（4000－8000字）
1、研究意义。

无线信道和有线网络是有限的资源，能否最大地高效而可靠的传送信息，其研究具有非常重要的实际意义和可观经济效益。

除了研
究和利用高效调制、解调方式和信源编码压缩传输技术以外，减少数据自身的冗余度，提高单位频带内信息的传送速率就非常重要。

由于实际信道和有线网络难免有复杂噪声和各种干扰，保密通信和电子对抗等方面也都需要高效和可靠传送信息，再加上社会发展，信息传送量的急剧扩大，块纠错技术是必不可少的技术，可作为下一代移动通信系统（B3G/4G），超宽带无线局域网（UWBWN），数字电视地面广播（DVB－T），网络和有线电视系统（CATV）等领域中的关键技术，对于我国在新一代信息技术和产业领域的竞争是至关重要。

2、国内研究现状和分析
1）对于“块纠错”的理解
对于比较传统的移动通信系统的各个信道中，信道纠错码是常用的卷积码和Turbo码，有效码率在3/4 和1/2 之间，有的甚至更低。

本申请项目中的“块纠错”对块的定义，利用BCH码构成的编码器和解码器结构在千位（K位）以上，而且是通过编程实现可变长结构，要传送的信息位可以根据信道中帧的大小而变化，纠错的能力（或纠错的位数t ）也可以变化。

BCH码的“块纠错”是一个新概念，要用到群变换编码、解码理论和方法；做到具有能查错、纠错高效数据传送速率，如用BCH码纠正1到8位随机错误，码率能做到在99%到92%之间，即冗余度在1%到8%之间.
2）国内研究的现状
关于纠错码理论中的BCH码和LDPC码研究与应用方面，主要有北京邮电大学，西安交大，西安电子科大，东南大学等有名院校研究比较优秀，但BCH码长结构大于1000位以上的并不多见，用Google 网站查询：北京邮电大学顾畹仪教授
/Technique/2004/10/17438.htm
北京邮电大学顾畹仪教授等文章报道：随着超长距离传输系统发展的要求，人们需要具有更强纠错能力的超强纠错编码。

考虑到目前高速集成电路的复杂性和工艺水平问题，当前所采用的超强纠错编码多采用级联码方案，即编码由内码和外码两套不同的纠错码交织级联而成，以便更好地纠正多个连续错误，例如与标准RS(255、239)码相比，级联的RS(255、239)+RS(255、239)能多获得1.4dB的编码增益得到10-13的BER，而RS(255、239)+RS(255、
223)可使增益增加到1.9dB。

当高速集成电路技术更加成熟后，有望实现第三代纠错编码，即Turbo乘积码（TPC），它对码块的行和列分别进行编码，而且在译码过程中采用软判决和迭代译码技术，能进一步提高编码增益。

有报道说，采用基于BCH的TPC（BCH（128、113、6）×BCH（256、239、6），码率为0.82）可以取得10.1dB的编码增益。

/profile/xwdt/txjs/file29.html 1．模拟移动通信系统中数字信令的BCH编码
模拟移动通信系统中数字信令的BCH编码
模拟蜂窝系统中，以英国系统为例，采用FSK调制，传输速率为8kb/s。

基站采用的是BCH（40，28）编码，汉明距离d =5, 具有纠正2位随机错码的能力。

之后重发5次，以提高抗衰落、抗干扰能力；移动台采用了BCH（48，36）进行纠错编码，汉明距离d =5，可纠正2个随机差错或纠正1个及检测2个差错,然后也是重复5次发送。

上述纠错编码是提高数字信令传输可靠性必需的，也是行之有效的。

但卷积码有一个非常好的译码方法，就是VA（Viterbi）译码，
BCH码的群变换译码方法，如同卷积码中VA（Viterbi）译码方法。

块：系统级芯片
基于BCH和LDPC码的块（Block Frame）高效纠错理论与关键技术
信道编码
分组数据信道定义了4种分组数据编码方案，CS-1到CS-4。

编码块结构如图5-3和图5-4所示。

除了PRACH、PTACH/U, 其它所有的分组控制信道一般使用CS-1。

对于PRACH的接入突发，指定了两种编码方案。

MS都必须提供所有的编码方案，而网络端只需提供CS-1。

/profile/xwdt/txjs/file29.html “移动通信中纠错编码技术的应用和发展”一文中介绍，
模拟移动通信系统中数字信令的BCH编码，，以提高抗衰落、抗干扰能力；移动台采用了BCH（48，36）进行纠错编码，汉明距离d =5，可纠正2个随机差错或纠正1个及检测2个差错,然后也是重复5次发送。

模拟蜂窝系统中，业务信道主要是传输模拟FM电话以及少量模拟信令，因此未应用数字处理技术。

而控制信道均传输数字信令，并进行了数字调制和纠错编码。

以英国系统为例，采用FSK调制，传输速率为8kb/s。

基站采用的是BCH（40，28）编码，汉明距离d =5, 具有纠正2位随机错码的能力。

之后重发5次，以提高抗衰落、抗干扰能力；移动台采用了BCH（48，36）进行纠错编码，汉明距离d =5，可纠正2个随机差错或纠正1个及检测2个差错,然后也是重复5次发送。

上述纠错编码是提高数字信令传输可靠性必需的，也是行之有效的。

/profile/xwdt/txjs/file790.html
摘要：多业务传送节点(MSTP)技术作为近年来城域传送网技术的发展重点，在近5年时间内取得了巨大的进步，MSTP的标准化进程随着技术发展，也取得了较多成果。

MSTP技术从初期的对透传和二层交换的要求，发展到对内嵌弹性分组环(RPR)和进一步的对内嵌MPLS的要求，还制订了相关的测试方案。

文章详细介绍了MSTP的标准化成果和未来的工作重点，并对技术发展进行了简要的分析。

关键词：城域传送网；SDH；MSTP；标准化；以太网
城域光传送网的主要技术包括同步数字体系(SDH)、以SDH为基础的多业务传送节点(MSTP)、城域波分复用(WDM)环网、粗波分复用(CWDM)以及弹性分组环(RPR)；城域宽带无线接入技术主要有本地多点分配业务(LMDS)、自由空间光通信(FSO)。

长距离大容量DWDM传输关键技术
北京邮电大学全光网络实验室闻和
北京邮电大学教授顾畹仪
（4）纠错编码技术
/Technique/2004/10/17438.htm
纠错编码是超长距离传输中有效增加系统余量的一项关键技术，它通过在信号中加入少量的冗余信息来发现并剔除传输过程中由噪声引起的误码，以较低的成本和较小的带宽损失换取高质量的传输。

例如标准的RS（255、239）编码方案具有5dB以上的编码增益而冗余度仅仅为7%，这等效于提高了1~2dB的OSNR，在不增加其他额外设施条件下进一步增
加了传输距离。

由于纠错编码只需要在收发端增加相应的编译码器，无需增加和改动线路设备，具有成本低、灵活便捷、效果明显的优势，所以备受青睐。

随着超长距离传输系统发展的要求，人们需要具有更强纠错能力的超强纠错编码。

考虑到目前高速集成电路的复杂性和工艺水平问题，当前所采用的超强纠错编码多采用级联码方案，即编码由内码和外码两套不同的纠错码交织级联而成，以便更好地纠正多个连续错误，例如与标准RS(255、239)码相比，级联的RS(255、239)+RS(255、239)能多获得1.4dB 的编码增益得到10-13的BER，而RS(255、239)+RS(255、223)可使增益增加到1.9dB。

当高速集成电路技术更加成熟后，有望实现第三代纠错编码，即Turbo乘积码（TPC），它对码块的行和列分别进行编码，而且在译码过程中采用软判决和迭代译码技术，能进一步提高编码增益。

有报道说，采用基于BCH的TPC（BCH（128、113、6）×BCH（256、239、6），码率为0.82）可以取得10.1dB的编码增益。

目前人们在FEC方面的主要工作是继续寻找简单高效的纠错编码方案，例如低密度极性校验码（LDPC）以及纠错编码方案的高速集成电路实现等等。

/profile/xwdt/txjs/file789.html
国外研究调查：
http://china.nikkeibp.co.jp/china/news/news/200502/elec200502140106.html 【ISSCC】采用LDPC码纠错的UWB和DVB-S2芯片亮相
在半导体技术国际会议“ISSCC 2005”上，有2个研究小组于2005年2月9日就在LSI中封装LDPC码（低密度奇偶校验码）的结果发表了演讲。

LDPC码是正向纠错码的一种，纠错性能高，易于并行设计处理电路，可在大冗余度下使用，业界评价很高。

在下一代无线通信、光通信、广播电视以及存储设备领域的应用正在急剧增加。

发表LDPC码演讲的是，台湾新竹交通大学的研究小组开发的宽带无线UWB用基带LSI （演讲序号为24.2），和意法半导体公司于2005年1月发表的基于卫星数字电视新规格“DVB-S2”的调制与解码LSI（演讲序号为24.3）。

新竹交大研究小组提交的论文称，UWB基带LSI采用MBOA（多频段OFDM联盟）制定的调制方式，实现了480Mbit/秒的最大数据传输速度。

包括IFFT等处理电路在内，晶体管总数为426万个。

LDPC码处理电路占芯片面积的53.7%。

芯片的LSI 性能大大超过了旨在实现基于UWB的WPAN（无线专用局域网）的IEEE802.15 TG3a 标准。

在分组错误率不足8%的条件下，最大通信距离方面，通过改变扩散增益，数据传输速度为120Mbit/秒时为13.6m，480Mbit/秒时为7.5m。

比“120Mbit/秒时为10m，480Mbit/秒时为2m”的标准规定要远。

调制方式为QPSK。

所采用的LDPC码长度为600位，编码率为3/4。

编解码器由150个信息节点单元和50个检查节点单元构成。

意法半导体：离香农极限仅差0.305dB
DVB-S2属于在外码中使用BCH码，在内码中使用LDPC码的组合纠错码规格。

由于卫星数字电视也需支持数字高清规格，为了提高频率使用效率，在DVB-S2中采用了LDPC码。

该规格规定的LDPC码长度n为6万4800bit，或者1万6200bit。

这样就使得电路的规模增大。

意法半导体的论文介绍说，此LSI具有很高的性能。

调制方式为QPSK时，离纠错码的理论极限----香农极限（Shannon Limit）仅差0.305dB。

这是反复进行50次解码处理时获得的结果。

（记者：野泽哲生）
h ttp://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20050623/106070/「無線版USB
2.0はウチもやる」，Freescale社がUWBで真っ向勝負へ
）
米Intel Corp.は，米国時間の2006年3月7日から開催中のIDFにおいて，モバイルWiMAX （IEEE802.16e）と無線LANの両方の送受信に利用できる1チップICを開発したことを発表した。

開発コード名は「Ofer」。

同社Executive Vice PresidentのSean Maloney氏の基調講演で，試作品の動作を実演した。

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因此，MLC NAND闪存通常需要更复杂的纠错码(ECC)电路，SBC和MLC NAND闪存现行的纠错方法都是通过系统处理器执行纠错算法。

...这个专用的处理器执行高效的纠错技术
BCH(Bose-Chaudhuri-Hocquenghem)，BCH算法被广泛用于WLAN以及其它的需要可靠地检测纠正...
电子系统设计
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项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题（此部分为重点阐述内容）
块纠错编码是超长距离传输中、高速数据传送条件下有效增加系统可靠性的一项关键技术，随着大规模集成电路的高速发展和各种通信系统的标准要求提高，如何在块（帧或包）高速数据传送条件下，用构成大规模
1、用BCH和LDPC码构成块（块：信息单位是以千位计）纠错理论方法，要用到群变换编码、解码理论和方法。

做到具有能查错、纠错高效数据传送速率，如用BCH码纠正1到8位随机错误，有效率99%到92%之间，即冗余度在1%到8%之间.
2、纠错中信息位可变长，纠错位可变理论和方法，可适应性和扩展性（Scalability ）可通过编程的方法来实现，就可适应对不同速率的调制方式，作为分组信道编码可以在移动通信不同信道中使用。

3、研究用硬件如何实现块纠错电路，这是重要的关键技术，主要用大规模、超大规模集成电路，如CPLD或FPGA电路实现，这不是一个简单的实现，其中块纠错含有若干创新要点。