CN101867379A - 一种循环冗余校验辅助的卷积码译码方法 - Google Patents
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Abstract
一种循环冗余校验辅助的卷积码译码方法,将改进的契斯译码应用于循环冗余校验与卷积码级联的编译码方案中。译码过程主要包括:首先根据卷积码编码的结尾方式,对接收序列进行相应的卷积码译码,并利用编码信息位中的循环冗余校验数据,进行一次循环冗余校验来判断卷积码译码输出的码字是否有效;如果循环冗余校验正确,则终止译码,并将该码字作为译码输出;否则用改进的契斯译码对卷积码译码输出的比特软信息进行译码,逐一对改进的契斯译码的输出码字进行循环冗余校验;如果循环冗余校验正确,则终止改进的契斯译码并将该码字作为译码输出;否则若改进的契斯译码未获得循环冗余校验正确的码字,则终止译码,译码失败。
Description
技术领域
本发明为循环冗余校验辅助的卷积码译码方法,属于信道纠错编码的译码技术领域。
背景技术
信道纠错编码技术是移动通信系统不可或缺的一项关键技术。卷积码作为一种高效的信道编码,不仅误码性能优异,而且具有编译码结构简单、处理延时小等优点,在现代通信系统中获得了广泛的应用。一个码率R=K0/N0、存储级数为m的卷积码编码器,接受K0比特分组的输入序列,产生N0比特分组的输出序列。每一个编码分组不仅取决于当前单位时间对应的K0比特消息组,而且与前m个消息组有关。与常规的分组码不同的是,卷积码不是通过增加K0和N0,而是通过增加存储级数m来实现大的最小距离和低的误码率。
根据卷积码码字是否以零比特结尾,可以分为零尾卷积码(Zero-tailConvolutional Code)和咬尾卷积码(Tail-biting Convolutional Code)。对于零尾卷积码,编码寄存器的初始状态为全零,并且在最后一个信息比特进入编码器后还要附加输入m个零比特使编码器的状态归零。因此,零尾卷积码的实际编码效率为R=K0/(N0+m)。而咬尾卷积码没有这些结尾清零比特,编码时用信息序列的最后m个比特初始化编码器的状态,以保证编码器的初始状态和结尾状态相等。与零尾卷积码相比,这种咬尾处理提高了编码效率,节约了载波资源。
卷积码具有很自然的网格结构,基于这种结构有两种译码算法:维特比算法(Viterbi Algorithm)和最大后验概率(MAP)译码方法。以某种特定准则而言,这两种算法都是最优的。维特比算法是卷积码的最大似然(ML)译码算法,译码器选择的输出总是使接收序列条件概率最大的码字,即整个序列的误码率是被最小化的。ML算法仅给出了硬译码比特,并没有给出它们的可靠性度量。而在MAP译码中,信息位的误码率被最小化;同时,作为一种软输入软输出(SISO)算法,MAP译码还提供译码比特的可靠性度量。
循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check,CRC)是一种非常重要的检错码,它不但编码简单,而且误判概率很低。CRC实质上就是把长度为N的输入序列,按照一定的规则产生一个长度为L的校验码(CRC码),添加到原始序列的后面,构成一个新的长度为N+L的序列发送出去。接收端把接收序列按照相同的规则进行检验,就可以发现数据传输是否出错。这个规则,在差错控制理论中称为“生成多项式”。CRC的主要作用是用来检测出传输数据块中是否有误码,但对于误码本身并没有纠正的能力。其实现步骤如下:
设输入序列长度为A,表示成二进制多项式a(x)=aA-1xA-1+aA-2xA-2+...+a1+a0。循环冗余校验的生成多项式表示成g(x)=gLxL+gL-1xL-1+...+g1x+g0。发送端的编码步骤可以表示为:
步骤1:在输入序列尾部添加L个零,对应的二进制多项式表示就是xLa(x);
步骤2:用生成多项式g(x)除xLa(x),得到余式p(x),该式对应的长度为L的二进制序列即为CRC;
步骤3:联合xLa(x)和p(x),获得码多项式xLa(x)+p(x),该式对应的长度为A+L的二进制序列即为添加了CRC的已编码序列。
接收端在译码时只需用相同的g(x)除接收序列对应的二进制多项式。若余式为零,表示数据传输过程中没有错误,将接收序列的最后L位去掉即得到原始输入序列;否则,表示数据传输出错。
契斯(Chase)译码算法最初是针对纠个错误的二进制线性分组码设计的,d是线性分组码的最小汉明距离。它的基本思想是:将接收序列加上(对二进制码为模2加)测试序列,然后对这个新的序列进行硬判决译码;通过选择一定的测试向量集,就可以获得多个译码结果,在这些译码结果中选择与接收序列欧氏距离最小的码字作为最终的译码输出。可以看出,契斯算法是通过测试向量集的选择来达到扩展译码器纠错能力的目的。
长度。契斯II型算法的测试序列为个置信度最小的位置(LRP)选择所有可能的错误测试序列,此时该集合数量为契斯III型算法则更为简单,仅仅包括个测试序列。契斯II型算法在性能和译码复杂度之间比其它两种算法取得更好的折中,因此在实际通信系统中得到更多的应用。
为了获得系统性能与实现复杂度之间的平衡,现代通信系统中普遍采用检错码级联纠错码作为信道编码方案,循环冗余校验作外码、卷积码做内码的级联编码方案就是其中的一个典型。该方案的传统译码方法首先对接收序列进行内码卷积码译码,得到硬判决码字序列后进行一次循环冗余校验。若校验结果为零,则认为译码正确,否则认为译码错误。这种方法仅使用了内码译码器的硬判结果,而没有利用内码译码器提供的每个译码符号的可靠性度量。本发明联合基于可靠性度量的改进的契斯译码算法,提出了一种循环冗余校验辅助的卷积码译码方法。这种方法充分利用了每个译码符号的可靠性度量,可以在计算复杂度增加极少的基础上,使译码性能获得较大的提高。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种循环冗余校验辅助的卷积码译码方法,可以在计算复杂度增加极少的基础上,使译码性能获得较大的提高。
技术方案:本发明的一种循环冗余校验辅助的卷积码译码方法,首先根据卷积码编码的结尾方式,对接收序列进行相应的卷积码译码,并利用编码信息位中的循环冗余校验数据,进行一次循环冗余校验来判断卷积码译码输出的码字是否有效;如果循环冗余校验正确,则终止译码,并将该码字作为译码输出;否则用改进的契斯译码对卷积码译码输出的比特软信息进行译码,逐一对改进的契斯译码的输出码字进行循环冗余校验;如果循环冗余校验正确,则终止改进的契斯译码并将该码字作为译码输出;否则若改进的契斯译码未获得循环冗余校验正确的码字,则终止译码,译码失败。
卷积码编码的结尾方式可采用零尾结尾,得到零尾卷积码,零尾卷积码的译码可采用简化的对数域最大后验概率译码方法,
设卷积码码率为1/N,即每个编码分组的输入比特数为1,输出比特数为N,编码器存储级数为m,状态总数为M=2m,信息序列长度为K,记为B=(b0,b1,...,bK-1),信息序列经卷积码编码得到长度为N(K+m)的编码序列再经方差为σ2的加性高斯白噪声信道传输,输入译码器的似然比序列为
定义Bl为时刻l输入编码器的信息比特,s′和s分别为该比特输入前后编码器的状态,γl(s′,s)为编码器从状态s′转移到状态s的分支转移概率,αl(s)为状态s的前向概率,βl(s)为状态s的后向概率,Λ(bl)为信息比特bl解码判决的对数似然比,简化的对数域最大后验概率译码方法,按照以下步骤进行:
步骤(1):初始化
步骤(2):对信息比特bl,l=0,...,K-1,分别计算γl、αl、βl和Λ(bl),
步骤(3):解码得到长度为K的信息比特对数似然比序列U=(Λ(b0),Λ(b1),...,Λ(BK-1)),并根据信息比特的对数似然比符号进行判决,获得长度为K的译码输出序列 其中
所述的改进的契斯译码,采用的是P阶契斯II型算法,P为契斯译码方法中设定的最不可靠比特数;该算法主要包括:根据卷积码译码输出的比特软信息序列U=(Λ(b0),Λ(b1),...,Λ(bK-1))中元素的绝对值大小|Λ(Bl)|,l=0,1,...,K-1作为可靠度,进行比特可靠度排序,确定P个可靠度最小的比特位置(o0,o1,...,oP-1);这P个最不可靠的译码输出比特为对第t,t=1,2,...,2P-1次契斯译码,构建一个P比特的二进制数作为错误图样,错误图样以P比特的二进制形式,取值按照从Q1=1=(00...1)b到序列递增变化,
共计2P-1种取值,将第t,t=1,2,...,2P-1个二进制数值Qt对应的错误图样对序列做异或操作修正得到第t,t=1,2,...,2P-1次修正的序列并进行相应的循环冗余校验若则输出逻辑0,即终止译码并将该码字作为译码的输出,否则如果P阶错误图样遍历,仍然没有输出逻辑0,则终止译码,译码失败。
卷积码编码的结尾方式也可采用咬尾结尾,得到咬尾卷积码,咬尾卷积码的译码可采用简化的对数域最大后验概率译码方法,
咬尾卷积码的编码序列D、输入的似然比序列Y长度均为NK,分别记为和译码步骤(1)的初始化过程修改为α0(s)=1/M,s=0,...,M-1,βN(s)=1/M,s=0,...,M-1,其余译码过程与权利要求2中的零尾卷积码译码相同。
有益效果:本发明的有益效果主要体现在以下几个方面:
1)卷积码译码后不仅输出码字的硬判结果,还输出码字的比特软信息;契斯译码方法通过错误图样集合的构造,充分利用了该软信息,进一步提高了译码性能。
2)与标准的契斯II型方法相比,本发明所采用改进的契斯II型方法更为灵活。
3)与现有的循环冗余校验辅助的卷积码译码方法相比,本发明在计算复杂度增加极少的基础上,使译码性能获得较大的提高。
附图说明
图1为本发明一实施例的循环冗余校验作外码、卷积码做内码的级联系统示意图;
图2为本发明一实施例的译码方法流程图;
图3为本发明一实施例的契斯译码方法流程图;
图4为本发明一实施例的译码误帧率性能仿真结果图。
具体实施方式
在对本发明例具体实施方式提供的方案进行详细描述之前,首先对实施例中将出现的概念和符号进行说明:
长度为K的信息比特序列经过L位循环冗余校验编码后得到长度K+L的序列B,记为B=(b0,b1,...,bK+L-1);然后经过码率为1/N、存储级数为m的卷积码编码,结尾采用零尾处理,得到编码序列D ,记为编码序列长度为N(K+L+m);序列D经二相移相键控BPSK调制得到发送序列序列X经过零均值方差为σ2的加性高斯白噪声AWGN信道传输得到接收序列序列的可靠性度量用比特的对数似然比表示。译码方法对接收序列进行译码,获得对原始信息序列的估计
本发明实施例中,循环冗余校验编码、卷积码编码和速率匹配使用的方案均基于3GPP LTE标准。
循环冗余校验编码采用系统码编码方法,由循环生成多项式gCRC16(D)=[D16+D12+D5+1]计算得到长度L=16的校验序列PCRC16=(p0,p1,...,p15),追加到信息序列后端,即得到序列B,
bk=ak for k=0,1,2,…,A-1
bk=pk-A for k=A,A+1,A+2,...,A+15-1.
卷积码采用表示为(3,1,7)的ODS(Optimal Distance Spectrum:最优距离谱)卷积码,其生成多项式为八进制的[133;171;165],且它所包含的1/2码也是一种ODS卷积码,生成多项式为[133;171]。本发明实施例采用编码效率更高的咬尾卷积码编码方案,在编码开始前用序列B的最后6个比特初始化移位寄存器组,编码得到长度为K+L的三个比特序列,分别记为最后,将这三个比特序列经过LTE标准的速率匹配,得到长度为N的发送序列。
本发明实施例提供一种循环冗余校验辅助的卷积码译码方法的具体实施方式,如图2所示,主要包括:
S201,初始化:将接收序列的可靠性度量用对数似然比来表示;设定契斯译码方法中最不可靠比特的个数P。
S202,卷积码译码:译码算法是简化的对数域最大后验概率译码算法,译码后得到译码序列各比特的可靠性度量即后验似然比,以及硬判决输出序列。
S203,循环冗余校验:采用循环冗余校验编码时的生成多项式对S202步骤得到的硬判决序列进行校验。
S204,判断S203步骤中循环冗余校验是否获得有效码字,如果是,则执行S206,如果否,则执行S205,开始契斯译码。
其中,判断循环冗余校验中所得码字是否有效的检验方法为:如果校验结果为零,表示该码字有效,用逻辑0表示,否则,表示该码字无效,用逻辑1表示。
S205,契斯译码:将卷积码译码输出的比特软信息序列进行契斯译码。
S206,终止迭代,如果S204步骤判断为获得有效码字,则输出该有效码字;否则,将契斯译码的结果作为译码输出。
本发明实施例提供的循环冗余校验辅助的卷积码译码方法中,契斯译码算法使用的是改进的契斯II型方法,与标准的契斯II型方法相比,该方法具有较为灵活的优点。
标准的契斯II型方法必须构造个最不可靠位的错误图样,尝试总数为的错误图样集合,将错误图样加在最不可靠比特上,进行代数硬判决译码,直到所有的错误图样都被遍历,并从所有的译码结果中选择和输入序列的欧氏距离最小的码字作为译码码字输出,其复杂度较高。
实际应用中为了减少复杂度,我们只选取一部分错误图样,因为当错误图样达到一定的数量以后,即使再增加图样,性能的增长也很有限。为了保证获得较好的性能,对大部分码字采用至少8个错误图样,即最不可靠比特数P≥3。并且,在我们的方法中,契斯译码方法直接取第一个通过校验的译码结果作为译码码字输出。如果进一步提高错误图样数量的上限,我们可以得到更好的性能,但是计算复杂度也相应的增加了。因此,具体采用多高的上限要根据具体的情况进行权衡。
本发明实施例提供循环冗余校验辅助的卷积码译码方法中,契斯译码方法的具体实施方式,如图3所示,主要包括:
S303,构造错误图样集合{Qt,t=1,2,...,2P-1},构建一个P比特的二进制数错误图样以P比特的二进制序列形式,按照从Q1=1=(00...1)b到递增顺序给出,每个二进制数据对应一个错误图样,初始化t=1。
S306,判断S305步骤中是否获得有效码字,如果是,则执行S309,如果否,则执行S307。判断码字是否为有效码字的检验方法,同S205。
S307,判断是否已经遍历集合{Qt,t=1,2,...,2P-1}对应的所有错误图样,如果是,则执行S309,如果否,则执行S308。
S308,t=t+1中,取Qt+1对应的错误图样,为下一轮译码准备。
另外,在S304步骤中,每次可以产生一个或多个错误图样用于译码,同时使用多个错误图样可通过并行的译码结构来实现,即多组结构同时执行S304、S305、S306、S307和S308。同时使用的错误图样数越多,译码吞吐量也将越大,所需的硬件结构也越多,实际中可以根据所需的译码吞吐量和可行的硬件复杂度进行权衡。
本发明实施例还给出了一种常用的循环冗余校验码级联卷积码的性能仿真结果,图4绘制了不同信噪比下的译码误帧率性能曲线。其中,信噪比采用的是比特信噪比(Eb/Nb)。标注中,K表示输入信息序列的长度,L表示循环冗余校验序列的长度,N表示经过循环冗余校验编码、咬尾卷积码编码和速率匹配得到的发送序列的长度,P表示契斯译码方法中设定的最不可靠比特数。
从图中不同输入信息序列的长度、不同输出序列的长度和不同最不可靠比特数对应曲线的对比和两图之间译码误帧率性能的对应可以看到,级联改进的契斯译码算法的循环冗余校验辅助的卷积码译码方法,其有益结果主要体现在:契斯译码方法通过错误图样集合的构造,充分利用了卷积码输出的译码序列的比特软信息,可以在计算复杂度增加极少的基础上,使译码性能获得较大的提高。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成,该程序可以存储于计算机可读取存储介质中,如:ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种循环冗余校验辅助的卷积码译码方法,其特征在于,首先根据卷积码编码的结尾方式,对接收序列进行相应的卷积码译码,并利用编码信息位中的循环冗余校验数据,进行一次循环冗余校验来判断卷积码译码输出的码字是否有效;如果循环冗余校验正确,则终止译码,并将该码字作为译码输出;否则用改进的契斯译码对卷积码译码输出的比特软信息进行译码,逐一对改进的契斯译码的输出码字进行循环冗余校验;如果循环冗余校验正确,则终止改进的契斯译码并将该码字作为译码输出;否则若改进的契斯译码未获得循环冗余校验正确的码字,则终止译码,译码失败。
2.如权利要求1所述的循环冗余校验辅助的卷积码译码方法,其特征在于:卷积码编码的结尾方式可采用零尾结尾,得到零尾卷积码,零尾卷积码的译码可采用简化的对数域最大后验概率译码方法,
设卷积码码率为1/N,即每个编码分组的输入比特数为1,输出比特数为N,编码器存储级数为m,状态总数为M=2m,信息序列长度为K,记为B=(b0,b1,...,bK-1),信息序列经卷积码编码得到长度为N(K+m)的编码序列再经方差为σ2的加性高斯白噪声信道传输,输入译码器的似然比序列为
定义bl为时刻l输入编码器的信息比特,s′和s分别为该比特输入前后编码器的状态,γl(s′,s)为编码器从状态s′转移到状态s的分支转移概率,αl(s)为状态s的前向概率,βl(s)为状态s的后向概率,Λ(bl)为信息比特bl解码判决的对数似然比,简化的对数域最大后验概率译码方法,按照以下步骤进行:
步骤(1):初始化
步骤(2):对信息比特bl,l=0,...,K-1,分别计算γl、αl、βl和Λ(bl),
4.如权利要求1所述的循环冗余校验辅助的卷积码译码方法,其特征在于,所述的改进的契斯译码,采用的是P阶契斯II型算法,P为契斯译码方法中设定的最不可靠比特数;该算法主要包括:根据卷积码译码输出的比特软信息序列U=(Λ(b0),Λ(b1),...,Λ(bK-1))中元素的绝对值大小|Λ(bl)|,l=0,1,...,K-1作为可靠度,进行比特可靠度排序,确定P个可靠度最小的比特位置(o0,o1,...,oP-1);这P个最不可靠的译1码输出比特为对第t,t=1,2,...,2P-1次契斯译码,构建一个P比特的二进制数作为错误图样,错误图样以P比特的二进制形式,取值按照从Q1=1=(00...1)b到序列递增变化,
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