CN107276596A - 一种基于分段Hash序列的极化码译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种极化码译码方法，特别涉及一种基于分段Hash序列的极化码译码方法，属于信道编码领域。本发明是通过在信息比特序列中分段插入Hash序列，译码过程中利用Hash序列对信息比特序列分段进行校验，利用校验结果选择缩减译码搜索路径或提前终止译码，从而实现降低译码复杂度，降低译码时延的效果。

Description

一种基于分段Hash序列的极化码译码方法

技术领域

本发明涉及一种极化码译码方法，特别涉及一种基于分段Hash序列的极化码译码方法，属于信道编码领域。

背景技术

2009年，Arikan在一篇文章中提出的极化码编译码方案引起了信道编码界的广泛关注，这是信道编码历史上第一次给出了一种理论上可达信道容量的编译码方案。

极化码的核心原理为信道极化理论，信道极化分为信道组合和信道拆分。信道组合是将N个独立的信道W:X→Y通过线性变换合并成一个整体的信道W_N:X^N→Y^N，如附图1所示，图中分别给出了两个信道进行组合以及通过递归实现N个信道进行信道组合的示意图，其中u∈X为待编码信息，服从等概率分布，向量为编码后的信息序列，和分别表示集合{x₁,x₂,...,x_N}和{u₁,u₂,...,u_N}，G_N为生成矩阵，B_N为比特翻转矩阵， 表示克罗内克积，表示F的n次克罗内克积。经过信道组合后，可以得到一个整体的信道W_N，再将W_N组合信道拆分成N个协同信道，假设在译码第i个比特u_i时，前i-1个比特已经正确译出。经过信道组合和信道拆分之后，信道产生了信道极化现象，即任意的二进制离散无记忆信道(Binary-Discrete Memoryless Channel，B-DMC)中，一部分协同信道的信道容量趋近于1，且信道容量趋近于1的协同信道所占比例为I(W)，其余部分协同信道的信道容量趋近于0，且信道容量趋近于0的协同信道所占比例为1-I(W)，其中I(W)表示信道W的信道容量。基于信道极化理论，构建一种新的编码方式——极化码。在信道容量趋近于1的协同信道上放置信息序列，在信道容量趋近与0的协同信道上放置冻结比特序列(通常选取为全零序列)，送入编码器进行编码并发送。现有的极化码译码方式包括连续消除(Successive Cancellation，SC)译码算法，基于路径的连续消除(SuccessiveCancellation List，SCL)译码算法，为进一步提高译码可靠性，提出循环冗余校验辅助的SCL(Cyclic Redundancy Check Aided-SCL，CA-SCL)算法，该算法对信息比特序列进行循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)并级联在信息序列之后，译码时在译最后一个比特时对2L条路径进行CRC，从通过校验的路径中选择错误概率最低的一条作为译码结果。由于极化码具有低译码复杂度，高译码可靠性等优势，第三代伙伴计划协议(3rdGeneration Partnership Project，3GPP)，已经确定在eMBB场景的控制信道中采用极化码作为编码方案。

虽然SCL译码算法具有接近最大似然(Maximum Likelihood，ML)的性能，但是它仍然存在两个缺点：(1)SCL算法的高译码可靠性是以复杂度增加为代价的，其译码复杂度随着搜索路径L的增加而增加；(2)极化码译码算法为顺序译码，存在一定的错误传播现象，即如果前几个比特译码错误，后面的比特均会译码失败，而现有的CA-SCL算法，校验位在信息比特之后，只有所有比特全部译出后才能进行校验。

发明内容

针对上述SCL译码算法存在的问题，本发明提供一种基于分段Hash序列的极化码译码方法，该方法降低了译码复杂度，并且具有提前终止译码的特点，出现错误传播时可以及时停止译码，在反馈重传的协议中，可以降低译码时延。

本发明的实质是通过在信息比特序列中分段插入Hash序列，译码过程中利用Hash序列对该段信息进行校验，从而实现缩减译码搜索路径和提前终止译码的效果，本发明的整体流程图如附图2所示。

假设待译码的是长度为E经分段Hash极化码编码的序列y，所述分段Hash极化码编码是将长度为D比特的信息序列m分为K段，每段长l，再通过Hash极化码编码的序列u。本发明是通过以下技术方案实现的：

步骤1、根据信道状态信息(Channel State Information，CSI)计算各极化子信道的信道出错概率(常用的计算方法有巴氏参数计算法，密度演进法和高斯近似法)，从而得到信息比特集合、校验比特集合和冻结比特集合。

步骤2、对信息序列y按照u₁,u₂...,u_E的顺序依次分段进行按照路径搜索的极化码译码，优选的极化码译码算法是SCL算法。假设当前译码到第k段w_k＝[m_k,s_k]的第i个比特u_i，其中，i＝1,2,...,E，k＝1,2,...,K，具体方法为：

1.如果u_i为冻结比特，则译码结果为

2.如果u_i为信息比特中的任意信息位(即m_k中任意比特)或Hash校验位的前v-1位(即s_k的前v-1个比特)，其中v为每个译码段中Hash校验序列的长度，则按照SCL译码规则进行译码，搜索路径从第一个非冻结比特开始，以2的幂数从2⁰依比特扩展，直到搜索路径达到2L，保留其中错误概率最低的L条路径继续顺序向下扩展，其中L为SCL译码算法中最大保留路径数目；

3.如果u_i为信息比特中的Hash位s_k的第v个比特，则第k段译码结束。

步骤3、将第k段译码段2L条路径中的信息位m_k与第k-1段译码段中的Hash位s_k-1送入Hash函数，得到校验结果s_k'，与第k段译码段2L条路径中的Hash位s_k作比较，保留s_k'＝s_k的路径中错误概率最低的一条作为当前译码段的译码结果，如果没有路径满足条件：s_k'＝s_k，则终止译码，判定译码失败。

步骤4、如果上一段译码结果有路径通过校验，则重复步骤2和步骤3进行下一段译码，该过程直到译码失败或成功译出最后一段信息。

上述译码过程如图3所示。

本发明提出的基于分段Hash序列的极化码译码方案与现有技术相比具有以下优点：

1)由于本发明方法分段进行Hash校验，每一段译码结束后都会进行校验和路径选择，从而减小了路径搜索宽度，降低了极化码译码复杂度；

2)进行分段Hash校验时，如果该译码段没有通过校验，则提前终止译码，不需要再进行无意义的后续比特的译码，降低了译码时延；

3)与现有的SCL译码算法相比，本发明由于分段校验译码，可以更为细化的定位译码错误位置，可级联比特翻转等译码算法提高可靠性。

附图说明

图1为信道组合示意图。

图2为发明整体流程图。

图3为基于分段Hash校验的极化码译码流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施过程对本发明作进一步详细说明。

下面采用本发明提出的基于分段Hash校验极化码的译码方法对一个长度为512比特的信息序列m进行编译码，码长1024比特，码率为1/2，list大小32。我们选择one-at-a-time算法作为Hash函数算法。将512比特的信息序列m平均分成K＝4段，每段长l＝512/4＝128比特，进行分段Hash极化码编码后，得到长度为1024比特的编码序列u并发送。接收端具体操作步骤如下：

步骤1、根据信道状态信息按照高斯近似的方法计算各极化子信道的信道出错概率，得到信息比特集合、校验比特集合和冻结比特集合。

步骤2、接收端对接收到的信息序列y按照u₁,u₂...,u₁₀₂₄的顺序依次进行SCL算法译码。

2.1如果当前译码比特u_i为冻结比特，则译码结果为

2.2如果u_i为信息比特中的信息位(即m_k)或Hash位的前3位(即s_k的前3个比特)，则按照SCL译码规则进行译码，译码过程中搜索路径从该译码段的第一个非冻结比特开始，以2的幂数从2⁰依比特扩展，直到达到最大搜索路径2×32＝64，当达到最大搜索路径后，保留其中错误概率最低的32条路径继续进行译码；

2.3当u_i为信息比特中的Hash位的最后一位(即s_k的第4个比特)，则在该比特译码结束后对包括该比特在内的前128比特进行Hash校验，具体校验过程如步骤3；

步骤3、将当前译码段64条路径中的信息位(m_k)与分别上一个译码段中的Hash位s_k-1送入Hash函数，得到校验结果s_k'，与当前译码段64条路径中的Hash位s_k作比较，保留其中所有满足s_k'＝s_k的路径中错误概率最低的一条作为当前译码段的译码结果，如果没有路径满足s_k'＝s_k，则终止译码，判定译码失败。

步骤4、如果上一段译码结果有路径通过校验，则重复步骤2和步骤3进行下一段译码，该过程直到译码失败或成功译出最后一段信息。

Claims (5)

1.一种基于分段Hash序列的极化码译码方法，待译码的是长度为E经分段Hash极化码编码的序列y，所述分段Hash极化码编码是将长度为D比特的信息序列m分为K段，每段长l，再通过Hash极化码编码的序列u，其特征在于，所述极化码译码方法包括步骤：

一、根据信道状态信息计算各极化子信道的信道出错概率，得到信息比特集合、校验比特集合和冻结比特集合；

二、对信息序列y按照u₁,u₂...,u_E的顺序依次分段进行按照路径搜索的极化码译码，其中，i＝1,2,...,E；

三、将当前第k段译码段2L条路径中的信息位m_k与第k-1段译码段中的Hash位s_k-1送入Hash函数，得到校验结果s_k'，将s_k'与第k段译码段2L条路径中的Hash位s_k作比较，保留s_k'＝s_k的路径中错误概率最低的一条作为当前译码段的译码结果，如果没有路径满足条件s_k'＝s_k，则终止译码，判定译码失败，其中，k＝1,2,...,K；

四、如果第k段段译码结果有路径通过校验，则重复步骤二和三进行第k+1段译码，该过程直到译码失败或成功译出最后一段信息。

2.如权利要求1所述的极化码译码方法，其特征在于，所述的计算各极化子信道的信道出错概率的方法是巴氏参数计算法，密度演进法或者高斯近似法。

3.如权利要求1或2所述的极化码译码方法，其特征在于，步骤二中所述按照路径搜索的极化码译码是SCL算法译码。

4.如权利要求3所述的极化码译码方法，其特征在于，所述SCL算法译码方法中，假设当前译码到第k段w_k＝[m_k,s_k]的第i个比特u_i，具体判定方法为：如果u_i为冻结比特，则译码结果为如果u_i为信息比特中的任意信息位或Hash校验位的前v-1位，则按照SCL译码规则进行译码，搜索路径从第一个非冻结比特开始，以2的幂数从2⁰依比特扩展，直到搜索路径达到2L，保留其中错误概率最低的L条路径继续顺序向下扩展，其中，v为每个译码段中Hash校验序列的长度，L为SCL译码算法中最大保留路径数目；如果u_i为信息比特中的Hash位s_k的第v个比特，则第k段译码结束。

5.如权利要求1～4所述的极化码译码方法，其特征在于，步骤三所述Hash函数是one-at-a-time算法函数。