基于Nesterov动量加速的ADMM译码算法

作     者：张冀 陈安民 冀保峰 

作者机构：河南科技大学数学与统计学院 河南科技大学信息工程学院 龙门实验室 工业物联网与网络化控制教育部重点实验室 

出 版 物：《信号处理》 (Journal of Signal Processing)

年 卷 期：2025年

核心收录：

学科分类：07[理学] 08[工学] 070104[理学-应用数学] 081101[工学-控制理论与控制工程] 0701[理学-数学] 0811[工学-控制科学与工程] 

基　　金：国家重点研发计划(2024YFB2907700) 国家自然科学基金项目(62271192、62172142) 河南省重大科技专项(231100220400、231100220300) 中原科技创新领军人才项目(244200510048) 教育部智能群体系统工程研究中心开放基金(ZZU-CISS-2024003) 

主　　题：线性规划译码 交替方向乘子法译码 动量加速 梯度下降 

摘      要：交替方向乘子法（Alternating Direction Method of Multiplier，ADMM）因具有线性规划（Linear Programming，LP）译码条件约束的几何结构，同时利用了消息传递机制，被认为是一种第5代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）低密度校验（Low Density Parity Check，LDPC）码新型优化译码算法。通过在LP译码模型的目标函数中引入惩罚项，基于ADMM的变量节点惩罚译码有效地减轻了非积分解，从而提高了误帧率（Frame Error Rate，FER）性能。尽管ADMM在许多实际应用中表现出色，其收敛速度较慢以及对初始条件和参数设置敏感的问题仍然限制了其在高维、实时性要求高的场景中的进一步应用。特别是在LDPC线性规划译码过程中，ADMM的交替更新机制容易导致优化路径振荡，且在处理非精确约束时表现不佳。针对ADMM算法收敛速度慢的问题，我们提出了一种新的优化算法，该算法将Nesterov动量加速方法与ADMM相结合，以解决ADMM对LDPC译码器错误修正能力和收敛效率的影响。算法通过动量项减少迭代次数将一个Nesterov加速格式从无约束复合优化问题推广到ADMM惩罚函数模型，利用ADMM算法将原问题的约束条件有效转化为目标函数的一部分，从而构造出无约束优化子问题；在此基础上，进一步采用Nesterov加速技术对梯度下降迭代过程进行改进，以提高收敛速度和求解精度。仿真实验使用了三种不同码率的5G LDPC短码。结果表明，相对于现有ADMM惩罚译码算法，所提出的基于动量加速的ADMM译码算法不仅有大约0.2 dB的信噪比增益，而且平均迭代次数也降低了20%左右，加快了收敛速度。