CN106936548A - 一种基于极化码的混合自动重传请求方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于极化码的混合自动重传请求方法及其装置。该方法包括以下步骤：在发送失败的情况下自动发起重传时，对一定码率极化编码的第一次传输比特序列进行线性组合，得到第二次传输比特序列，第二次传输比特序列的码率低于第一次传输比特序列的码率。本发明将第二次传输比特序列设为第一次传输比特序列的线性组合，第二次传输后，将两次传输接收到的软信息按照一定的方式串行组合，以更低码率、更长码长的极化码译码，在获得分集增益的同时实现一定的编码增益。

Description

一种基于极化码的混合自动重传请求方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种混合自动重传请求方法，尤其涉及一种基于极化码的混合自动重传请求方法，同时也涉及使用该方法的装置，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着无线通信业务范围的进一步扩展，物联网、传感网、数据采集等各方面业务对通信的需求日益增长，这些网络具有小数据包、低功耗、海量连接等特点，因此对高效、低复杂度的短数据包信道编码有着迫切的需求。
极化码具有确定性的构造方法，是第一种，也是已知的唯一一种被严格证明“达到”信道容量极限的信道编码方法。根据Arikan提出的信道极化理论，通过对信道W的N次的占用，能够得到N个独立的具有相同信道特性的二进制离散无记忆信道。然后对这W个信道进行信道变换，在各个独立信道之间引入相关性，能够得到一组具有前后依赖关系的极化信道。对足够多个信道进行信道变换后，即N足够大时，会出现一部分极化信道的信道容量趋于1，其余信道趋于0。同时，容量为1的信道占全部信道的比例正好为原二进制输入离散信道的容量I(W)。
如图1所示，BEC(0.5)信道进行信道变换后，各极化信道信道容量所占比例：左上N＝8，右上N＝32，左中N＝64，右中N＝128，左下N＝1024，右下N＝220＝1048576。
从图1中可以直观的看到，当N较大时，极化信道的两极化非常明显，而在短码的情况下，信道极化结果并不十分理想。
在传感网和数据采集的应用场景中，由于传输的业务是非对称的，因此混合自动重传(Hybrid Automatic Repeat reQuest，简写为HARQ)是一种可以采用的技术。基于极化码的HARQ方案成为实现低功耗短包传输的关键技术之一。
混合自动重传请求是一种将前向纠错编码和自动重传请求相结合而形成的技术。HARQ的关键技术包括存储、请求重传、合并解调。接收方在解码失败的情况下，保存接收到的数据，并要求发送方重传数据，接收方将重传的数据和先前接收到的数据进行合并后再解码。
在单纯的HARQ机制中，接收到的错误数据包是直接被丢弃的。虽然这些错误数据包不能够独立地正确译码，但是它们依然包含有一定的信息。软合并(Chase Combine，简写为CC)算法利用了这部分信息，即将接收到的错误数据包保存在存储器中，与重传的数据包合并在一起进行译码，提高了传输效率，但软合并算法只利用了传输分集增益，两次传输合并能够带来3dB的性能提升，并未考虑重传与原始数据的编码增益。在论文《Polar codedHARQ scheme with Chase combining》(刊载于Proc.IEEE WCNC，pp.474-479，2014)中，牛凯等人提出极化码与HARQ结合时采用软合并的方案。在该技术方案中，发送端每次重传都是发送与初传时相同的码字，接收端则将新接收到的信号与之前接收到的信号软合并，根据合并后的接收信号软信息进行译码。第一次和后续重传的码字的码率均相同，合并译码后获得了重传的分集增益。该技术方案的算法简单，容易实现，但性能上仍有继续提升的空间。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种基于极化码的混合自动重传请求方法。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种使用上述混合自动重传请求方法的装置。
为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
一种基于极化码的混合自动重传请求方法，包括如下步骤：
在发送失败的情况下自动发起重传时，对一定码率极化编码的第一次传输比特序列进行线性组合，得到第二次传输比特序列，
第二次传输比特序列的码率低于所述第一次传输比特序列的所述码率。
其中较优地，所述线性组合是轮流依次逐一将第一次传输比特序列与组合前填充比特编码的比特进行线性组合。
其中较优地，所述线性组合是轮流依次逐一将第一次传输比特序列与组合前填充比特编码的比特进行异或计算。
其中较优地，所述组合前填充比特编码是对固定比特的填充比特序列进行极化编码得到的。
其中较优地，所述组合前填充比特编码的码率与所述第一次传输比特序列的编码码率相同。
其中较优地，接收端从第二次接收到的比特信息序列以及第一次接收到的比特信息序列，进行重新串行排序。
其中较优地，所述串行排序是从第二次接收到的比特信息序列以及第一次接收到的比特信息序列中，轮流依次逐一取出比特信息，进行重新排序。
一种使用上述混合自动重传请求方法的装置，包括：
线性组合单元，用于对第一次传输比特序列与填充比特序列的极化编码进行线性组合，得到第二次传输比特序列。
其中较优地，还包括编码器、HARQ控制器、和填充比特序列编码器；
所述编码器对信息序列进行一定码率的极化编码，得到组合前编码；
所述填充比特序列编码器，用于构造填充比特序列，并且对所述填充比特序列进行所述码率的极化编码，得到组合前填充比特序列编码。
本发明将第二次传输比特序列设为第一次传输比特序列的线性组合，第二次传输后，将两次传输接收到的软信息按照一定的方式串行组合，以更低码率、更长码长的极化码译码，在获得分集增益的同时实现一定的编码增益。本发明可以以类似的方式将重传次数扩展为n次。n次重传后以码率码长2nN的极化码译码，可以获得更大的编码增益和合并增益。同时，该方法编译码简单，易于实现，适用于低成本，低复杂度的短包应用场景。
附图说明
图1为极化码的特性示意图；
图2为极化码与HARQ的传输示意图；
图3为发送端构造码率为的极化码的示意图；
图4为本发明中，发送端重传电路的示意图；
图5为本发明所提供的混合自动重传请求方法的性能仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。
如图2所示，发送端在发送信息序列时，首先对信息序列进行一次极化编码。第一次传输比特序列，即第一次传输信息序列编码后的比特序列其中N为编码后的码长。
将编码后的码字经过信道发送给接收端，接收端对接收到的信号进行信道译码，并且对译码结果进行CRC校验。若检验通过则通过反馈链路给发送端发送一个确认信号(ACK)；否则发送一个非确认信号(NACK)。若发送端收到的是NACK，则说明接收端对信息序列接收失败、需要再次发送，于是发送端再发送一次信号。接收端接收到后合并尝试再次译码。
以下将参照附图详细描述本发明实施例，其中，提供以下实施例是为了帮助对本发明的全面和透彻的理解，而不是对本发明做任何限制。
本发明可以以短码极化码与HARQ相结合的方式提升无线通信系统的性能，具体说明如下：
在本发明的一个实施例中，假设发送端码率R，信息比特数为K，编码后比特为N，最大传输次数为2，即最多重传1次。按照极化码原理，对信道进行极化，选择信道容量较大的前K个信道作为信息比特的传输信道，剩下N-K个信道用比特0填充。这样，得到编码前的信息序列
如图2和图3所示，发送端在发送信息序列时，首先对信息序列进行一次极化编码。此时，对混合有信息比特和固定比特的信息序列进行码率为R的极化编码，得到第一次传输比特序列发送端将第一次传输比特序列，经发送缓存，发送出去。
经过信道传输，接收端接收到软比特信息序列对其按照码率为R(即，与发送端编码码率一致)的极化码译码。接收端对接收到的信号进行信道译码后，进一步对译码结果进行CRC校验。当译码后CRC校验正确，则接收端反馈发送确认信号ACK给发送端，发送端进行新的信息序列的传输。当译码后CRC校验错误，则接收端反馈非确认信号NACK给发送端。
若发送端收到的是非确认信号NACK，则说明接收端对信息序列接收失败，需要再次发送。于是发送端准备重传信息序列。
此时，发送端第二次传输比特序列记为第二次发送的序列为第一次发送序列的线性组合，即函数f(x)代表线性组合的方式，该线性组合方式可参见图3。
下面参考图3，详细说明第二次传输比特序列的构造方式。
发送端对信息序列进行码率为R的极化编码，得到组合前编码(参考图3)。这里可以直接用第一次传输时极化编码后的第一次传输比特序列代替组合前编码
同时，发送端对填充比特序列，例如N个0比特(对应图3中u1，u2……uN)，也进行码率为R的极化编码，得到组合前填充比特编码用于第二次传输(参考图3)。加入填充比特序列，是为了能和第一次传输的数据构成新的码率更低的极化码。可以理解，填充比特序列一般都用全0填充，但也可以用其他比特填充，例如不全为0。
然后，发送端轮流依次逐一将组合前编码与组合前填充比特编码进行异或计算，得到第二次传输比特序列换言之，如图3所示，将组合前编码中的第一个码v2与组合前填充比特编码中的第一个码v1进行异或计算，得到x1，然后将组合前编码中的第二个码v4与组合前填充比特编码中的第一个码v3进行异或计算，得到x3，以此类推，得到组合前编码中的第N个码v2N与组合前填充比特编码中的第N个码v2N-1进行异或计算，得到x2N-1，于是得到第二次传输比特序列
发送端发出第二次传输比特序列之后，经过信道传输，接收端接收到软比特信息序列在接收端的组合电路中，将第一次接收到的比特信息序列与第二次接收到的比特信息序列进行组合。将和按照的方式组合，即从第二次接收到的比特信息序列以及第一次接收到的比特信息序列，轮流依次逐一取出比特信息，进行重新排序。具体而言，首先从第二次接收到的比特信息序列中取出第一个比特y1，然后从第一次接收到的比特信息序列中取出第一个比特y2，再从第二次接收到的比特信息序列中取出第一个比特y3，然后从第一次接收到的比特信息序列中取出第一个比特y4，以此类推，组合成
换言之，是将和重新串行组合，从而得到2N个软比特信息本实施例仅以串行组合为例进行了说明，但是本领域技术人员可以理解，还可以用其他方式实现和的线性组合。
在接收端，对组合后的比特信息(由2N个比特构成)，可以按照码率为的极化码进行解码。因为发送端在重传编码时运用了两个码率为R的极化码，第二次传输的序列是由第一次传输序列的线性组合得到的，接收端译码时的比特信息的线性组合方式运用了码率为R的极化码。并且极化码具有这样的特性：码率为R的极化码可以拆分为两个码率为2R的极化码，所以比特信息可以采用码率更低(码率为)、码长更长(码长为2N)的译码方式。
如图3所示，发送端利用两个码率为R的极化码编码序列构造出码率为的极化码编码序列。
由于发送端第二次传输的比特序列为是轮流依次逐一将组合前编码与组合前填充比特编码v1(2)、v2(2)……vN(2)进行异或计算得到的，接收端将和按照的方式组合，并且以码率为的极化码译码，不仅获得了分集增益，同时还获得编码增益。
合并后的译码算法仍然可以采用极化码的译码算法。比如串行抵消译码算法和串行抵消列表译码算法。
在前一次传输(第一次传输)中选择信道时，若极化码的码率为R，选择K个信道容量大的信道(信道集合为SR)传输信息比特。本次传输(重传)时，对于极化码码率为的极化码，同样选择K个信道容量大的信道(信道集合为SR/2)传输信息比特。
但是在特殊情况下，重传时选择的K个信道与前一次传输中选择的K个信道为不完全相同信道。那么，SR与SR/2中相同信道用于传输相同的信息比特。对于SR与SR/2中不相同信道，用S1表示在SR中的与SR/2不相同的信道，S1为SR的子集；用S2表示在SR/2中的与SR不相同的信道，S2为SR/2的子集。在S1和S2中对应的信道传输相同的比特。
图4为本发明中，发送端重传电路的示意图。参见图4所示，发送端包括编码器、HARQ控制器、填充比特序列编码器和线性组合单元。
编码器用于对信息序列进行一次极化编码。此时，对混合有信息比特和固定比特的信息序列进行码率为R的极化编码，得到第一次传输比特序列
HARQ控制器用于在第一次传输出直接发送第一次传输比特序列；在发送失败的情况下自动发起重传，将编码数据发送给线性组合单元。。
填充比特序列编码器，用于构造填充比特序列，并且对填充比特序列进行码率为R的极化编码，得到组合前填充比特编码(也可以是，第一次传输比特序列
线性组合单元用于轮流依次逐一将组合前编码与组合前填充比特编码的比特进行异或计算，得到第二次传输比特序列并发送。
接收端收到发送端重传的第二次接收到的比特序列后，采用常规软合并电路，调取接收缓存中的第一次接收到的比特序列，进行组合。
图5为本发明所提供的混合自动重传请求方法的性能仿真图。码率为编码后的码长为128比特。信道为高斯白噪声信道。从图5中可以看出，以10-4的误包率作为比较标准，本发明所提供的方法比现有软合并方法在性能上提升0.8dB左右。同时，两者编译码复杂度基本一致。由此可以看出，本发明所提供的方法，其极化码重传的误码率性能优于现有技术中的简单重传软合并的方法。
与现有技术相比较，本发明提出了：对于码率为R、码长为N的极化码，第二次传输比特序列是第一次传输比特序列的线性组合，使得第一次传输比特序列与第二次传输比特序列一起构成了码率为码长为2N的极化码。第二次传输译码时，以码率为码长为2N的极化码译码，性能优于两次码率为R、码长为N的极化码软合并的性能，但是编译码算法复杂度基本不变。
在本发明中，可以以类似的方式将重传次数扩展为n次。n次重传后以码率码长2nN的极化码译码，获得编码增益和合并增益。
本发明将第二次传输比特序列设为第一次传输比特序列的线性组合，第二次传输后，将两次传输接收到的软信息按照一定的方式串行组合，以更低的码率、更长的码长的极化码译码，获得分集增益的同时，有一定的编码增益。本发明可以以类似的方式将重传次数扩展为n次。n次重传后以码率码长2nN的极化码译码，可以获得更大的编码增益和合并增益。同时，该方法编译码简单、易于实现，尤其适用于低成本、低复杂度的短包应用场景。
上面对本发明所提供的基于极化码的混合自动重传请求方法及其装置进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种基于极化码的混合自动重传请求方法，其特征在于包括如下步骤：
在发送失败的情况下自动发起重传时，对一定码率极化编码的第一次传输比特序列进行线性组合，得到第二次传输比特序列，
第二次传输比特序列的码率低于所述第一次传输比特序列的所述码率。
2.如权利要求1所述的混合自动重传请求方法，其特征在于：
所述线性组合是轮流依次逐一将第一次传输比特序列与组合前填充比特编码的比特进行线性组合。
3.如权利要求2所述的混合自动重传请求方法，其特征在于：
所述线性组合是轮流依次逐一将第一次传输比特序列与组合前填充比特编码的比特进行异或计算。
4.如权利要求3所述的混合自动重传请求方法，其特征在于：
所述组合前填充比特编码是对固定比特的填充比特序列进行极化编码得到的。
5.如权利要求4所述的混合自动重传请求方法，其特征在于：
所述组合前填充比特编码的码率与所述第一次传输比特序列的编码码率相同。
6.如权利要求1～5中任意一项所述的混合自动重传请求方法，其特征在于：
接收端从第二次接收到的比特信息序列以及第一次接收到的比特信息序列，进行重新串行排序。
7.如权利要求1～5中任意一项所述的混合自动重传请求方法，其特征在于：
所述串行排序是从第二次接收到的比特信息序列以及第一次接收到的比特信息序列中，轮流依次逐一取出比特信息，进行重新排序。
8.一种使用权利要求1所述混合自动重传请求方法的装置，其特征在于包括：
线性组合单元，用于对第一次传输比特序列与填充比特序列的极化编码进行线性组合，得到第二次传输比特序列。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于还包括：
编码器、HARQ控制器和填充比特序列编码器；
所述编码器对信息序列进行一定码率的极化编码；
所述填充比特序列编码器，用于构造所述填充比特序列，并且对所述填充比特序列进行所述码率的极化编码，得到所述组合前填充比特序列编码。
10.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于：
所述线性组合单元是依次轮流逐一对所述第一次传输比特序列与所述组合前填充比特序列编码中的比特进行异或计算。
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