ldpc modified weighted bit flipping算法 c语言

以下是LDPC Modified Weighted Bit Flipping算法的C语言实现：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <math.h>

// 定义LDPC码参数
#define N 256 // 码字长度
#define K 128 // 信息长度
#define M 128 // 码字检验矩阵的行数
#define Q 6 // 权重因子，取值范围[1, 8]

// 定义模拟参数
#define MAX_ITER 100 // 最大迭代次数
#define ERR_THRESHOLD 1e-6 // 误码率阈值

// 定义随机数生成器
#define RAND() ((double)rand() / RAND_MAX)

// 生成LDPC码矩阵，采用随机方式生成
void generateLdpcMatrix(int H[M][N])
{
    int i, j, k, rowWeight, colWeight;

    // 初始化H矩阵
    for (i = 0; i < M; i++) {
        for (j = 0; j < N; j++) {
            H[i][j] = 0;
        }
    }

    // 随机生成每行的权重
    for (i = 0; i < M; i++) {
        rowWeight = rand() % (Q + 1) + 1;

        // 随机生成每行的列下标
        for (j = 0; j < rowWeight; j++) {
            do {
                k = rand() % N;
            } while (H[i][k] != 0);
            H[i][k] = 1;
        }
    }

    // 计算每列的权重
    for (j = 0; j < N; j++) {
        colWeight = 0;
        for (i = 0; i < M; i++) {
            colWeight += H[i][j];
        }

        // 如果权重为0，则重新生成一行
        if (colWeight == 0) {
            do {
                i = rand() % M;
            } while (H[i][j] != 0);
            H[i][j] = 1;
        }
    }
}

// 生成随机的信息位
void generateMessage(int message[K])
{
    int i;

    for (i = 0; i < K; i++) {
        message[i] = (int)(RAND() + 0.5);
    }
}

// 生成LDPC码字
void generateCodeword(int H[M][N], int message[K], int codeword[N])
{
    int i, j;

    // 初始化码字向量
    for (i = 0; i < N; i++) {
        codeword[i] = 0;
    }

    // 计算码字向量
    for (i = 0; i < M; i++) {
        for (j = 0; j < N; j++) {
            codeword[j] ^= H[i][j] & message[i];
        }
    }
}

// 生成高斯噪声
void generateNoise(double sigma, double noise[N])
{
    int i;

    for (i = 0; i < N; i++) {
        noise[i] = sigma * sqrt(-2.0 * log(RAND())) * sin(2.0 * M_PI * RAND());
    }
}

// AWGN信道
void awgnChannel(double sigma, int codeword[N], double received[N])
{
    int i;

    generateNoise(sigma, received);
    for (i = 0; i < N; i++) {
        received[i] += codeword[i];
    }
}

// 计算似然比
void computeLLR(double sigma, double received[N], double llr[N])
{
    int i;

    for (i = 0; i < N; i++) {
        llr[i] = 2.0 * received[i] / (sigma * sigma);
    }
}

// 计算权重向量
void computeWeight(int H[M][N], double llr[N], double weight[N])
{
    int i, j;

    for (j = 0; j < N; j++) {
        weight[j] = 0.0;
        for (i = 0; i < M; i++) {
            weight[j] += H[i][j] * llr[j];
        }
    }
}

// 计算误码率
double computeBer(int message[K], int decMessage[K])
{
    int i;
    double err = 0.0;

    for (i = 0; i < K; i++) {
        if (message[i] != decMessage[i]) {
            err += 1.0;
        }
    }

    return err / K;
}

// Modified Weighted Bit Flipping译码算法
void MWBFDecoder(int H[M][N], double llr[N], int decMessage[K], int *iterCnt)
{
    int i, j, k, l, rowWeight, colWeight, maxIdx;
    double weight[N], prob[N], maxProb, tmp;
    int syndrome[M], decCodeword[N], dec[N];

    // 初始化译码结果
    for (i = 0; i < K; i++) {
        decMessage[i] = 0;
    }

    // 初始化译码次数
    *iterCnt = 0;

    // 初始化译码向量
    for (i = 0; i < N; i++) {
        decCodeword[i] = (llr[i] < 0.0) ? 1 : 0;
    }

    // 迭代译码
    while (1) {
        // 判断是否达到最大迭代次数
        if (*iterCnt >= MAX_ITER) {
            break;
        }

        // 计算校验和
        for (i = 0; i < M; i++) {
            syndrome[i] = 0;
            for (j = 0; j < N; j++) {
                syndrome[i] ^= H[i][j] & decCodeword[j];
            }
        }

        // 如果校验和为0，则译码成功
        for (i = 0; i < M; i++) {
            if (syndrome[i] != 0) {
                break;
            }
        }
        if (i >= M) {
            break;
        }

        // 计算权重向量
        computeWeight(H, llr, weight);

        // 根据权重向量进行修正
        for (i = 0; i < N; i++) {
            if (decCodeword[i] == 0) {
                prob[i] = exp(-weight[i]);
            } else {
                prob[i] = exp(weight[i]);
            }
        }
        for (i = 0; i < K; i++) {
            dec[i] = 0;
            rowWeight = 0;
            for (j = 0; j < N; j++) {
                if (H[i][j] != 0) {
                    rowWeight++;
                }
            }
            for (j = 0; j < rowWeight; j++) {
                maxProb = -1.0;
                for (k = 0; k < N; k++) {
                    if (H[i][k] != 0 && prob[k] > maxProb) {
                        maxProb = prob[k];
                        maxIdx = k;
                    }
                }
                dec[i] ^= decCodeword[maxIdx];
                prob[maxIdx] = -1.0;
            }
            decMessage[i] = dec[i];
        }

        // 计算修正后的码字向量
        for (i = 0; i < N; i++) {
            decCodeword[i] = 0;
            colWeight = 0;
            for (j = 0; j < M; j++) {
                if (H[j][i] != 0) {
                    colWeight++;
                    tmp = 2.0 * weight[i] / rowWeight;
                    decCodeword[i] ^= (tmp >= 0.0) ? 0 : 1;
                    tmp = fabs(tmp);
                    if (tmp > 1.0) {
                        tmp = 1.0;
                    }
                    prob[i] = tmp;
                }
            }
        }

        // 更新译码次数
        (*iterCnt)++;
    }
}

int main()
{
    int i, j, iterCnt, message[K], decMessage[K], codeword[N], decCodeword[N];
    double sigma, received[N], llr[N], weight[N], ber;

    // 初始化随机数种子
    srand((unsigned)time(NULL));

    // 生成LDPC码矩阵
    int H[M][N];
    generateLdpcMatrix(H);

    // 生成随机信息位
    generateMessage(message);

    // 生成LDPC码字
    generateCodeword(H, message, codeword);

    // 设置信噪比
    sigma = 0.2;

    // AWGN信道传输
    awgnChannel(sigma, codeword, received);

    // 计算似然比
    computeLLR(sigma, received, llr);

    // Modified Weighted Bit Flipping译码
    MWBFDecoder(H, llr, decMessage, &iterCnt);

    // 误码率
    ber = computeBer(message, decMessage);
    printf("BER = %e (iterCnt=%d)\n", ber, iterCnt);

    return 0;
}