CN107395324A - 一种基于qup方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法 - Google Patents

一种基于qup方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法 Download PDF

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Abstract

一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法，属于信道编解码技术领域。包括：步骤1：确定打孔位置和打孔参数；步骤2：构造信息序列；步骤3：极化编码，输出编码序列；步骤4：根据步骤1确定的打孔参数输出打孔后的编码序列；步骤5：发送端将经过步骤4打孔后的编码序列逐比特发送；步骤6：接收端接收经过信道传输的步骤5发送的编码序列；步骤7：根据步骤1确定的打孔参数优化译码器结构，输出优化的SC译码器；步骤8：采用步骤7优化的SC译码器进行极化码译码。本方法有效降低了极化码译码的空间复杂度和时间复杂度，且节省的空间和时间资源随着打孔位数的增加而增加。

Description

一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法
技术领域
本发明涉及一种低译码复杂度极化码传输方法，特别涉及一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法，属于信道编解码技术领域。
背景技术
2008年，信道极化的概念首次由Arikan提出，并被引入编码理论。2009年，Arikan提出了极化编码方案，Arikan证明，在所有二进制离散无记忆信道中，在SC译码下，极化码在码长趋于无限时可以达到信道容量，这是第一种也是目前已知的唯一一种信道容量可达的信道编码方案，因此极化码一经提出便引起广泛关注。针对SC译码的错误传递现象，人们对SC译码算法进行了改进，目前广泛应用的译码算法是CRC辅助的SCL译码(CA-SCL)译码算法，同时有学者设计了对应的硬件实现结构，目前通用的SCL译码器结构是利用L个SC译码器来实现，因此设计高效的SCL译码器实质上可通过对SC译码器的结构进行优化来实现。
在实际系统中，混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat reQuest,HARQ)等技术常要求对编码码率进行调整，而根据Arikan提出的极化码的构造方法，码长必须为2的幂次。为自适应地调节码长和码率，需要对其进行速率匹配操作。2013年Niu Kai等人提出将准均匀打孔(Quasi-Uniform Puncturing,QUP)方法应用于极化码的速率匹配中，得到了性能超越Turbo码的速率匹配极化码。
现有的极化码硬件结构设计是基于完整的长度为极化码母码长度N的SC译码结构实现的，在这种硬件结构的基础上通过调整计算单元的处理顺序可以对其空间复杂度或时间复杂度进行优化，但这种译码结构对于速率匹配极化码复杂度较高，且空间复杂度和时间复杂度通常不能同时降低。针对HARQ中常用的速率匹配极化码，根据硬件实现中校验节点和变量节点的更新策略，可设计更加高效的硬件译码结构来进一步提升译码效率，译码结构复杂度的改进还存在很大的空间。本发明的目的是致力于解决上述现有SC译码结构对于速率匹配极化码复杂度较高的缺陷，提出一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有的SC译码结构对于速率匹配极化码复杂度较高的技术缺陷，提出一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法。
本发明所述方法能够在不降低极化码译码BLER性能的情况下降低时间资源和空间资源的开销，并且随着打孔位数的增加，节省的资源也逐渐增加。本发明的传输模型与传统的极化码传输模型相比，额外包含根据打孔参数确定译码器优化结构的模块。
本发明的实质是对极化码SC译码结构中的校验节点和变量节点的更新策略进行优化，在两比特极化单元的译码结构中，对于y1被打孔的情况，u1和u2的对数似然比(LogLikelihood Ratio,LLR)可直接通过LLR(u1)＝LLR(y1)和LLR(u2)＝LLR(y2)得到，从而降低了计算单元的需求，节省了空间资源和时间资源。在译码前，根据速率匹配中需要利用QUP方法打孔的个数，对译码器的结构进行优化，从而可以实现低复杂度的SC译码。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：
设信息序列长为K，码率为R，码长为M＝K/R，母码长度为N。一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法包括以下步骤：
步骤一、确定打孔位置和打孔参数；
具体为：根据所需码率计算码长，从而确定采用QUP方法打孔的参数，记打孔数量为P＝N-M，打孔位置选为编码比特的前P个比特；
步骤二、构造信息序列u；
具体为：根据步骤一确定的打孔位置利用高斯近似方法对各极化子信道的可靠性进行估计并排序，从N个极化子信道中选择K个可靠性最高的信道放置信息比特，其余N-K个子信道放置冻结比特，从而构造信息序列u；
步骤三、极化编码，输出编码序列；
具体为：首先构造生成矩阵其中 表示克罗内克积，n＝log2N，然后根据生成矩阵进行极化编码，输出编码序列为x＝uGN；
步骤四、根据步骤一确定的打孔参数对编码序列进行打孔，输出打孔后的编码序列；
步骤五、发送端将经过步骤四打孔后的编码序列逐比特发送；
步骤六、接收端接收经过信道传输的步骤五发送的编码序列，记作y；
步骤七、根据步骤一确定的打孔参数优化译码器结构，输出优化的SC译码器；
具体为：对于生成矩阵根据QUP方法，在编码比特端按照索引由小到大的顺序进行打孔，译码器优化的准则如下：对于第i(i＝1,2,…,P)个打孔位置，在QUP方法中即为第i位编码比特，令(bnbn-1…b1)表示i-1的二进制形式，则对应任意一位bk＝0，相应地可以省略掉译码结构中第k层的第mod 2k个计算单元，即这些省略的计算单元可直接通过寄存器代替，从而降低空间复杂度和时间复杂度；
步骤八、采用步骤七优化的SC译码器进行极化码译码；
具体为：将接收序列根据步骤一确定的打孔参数映射到步骤七优化的SC译码器相应位置中，并对其进行译码；
至此，通过步骤一到步骤八，完成了一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法。
有益效果
本发明提出的一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法，克服了现有的SC译码结构对于速率匹配极化码复杂度较高的技术缺陷，具有如下有益效果：
(1)相对于现有的极化码译码结构，本发明可以根据打孔位数的不同，自适应地调节译码结构，从而降低译码的空间复杂度；且随着打孔位数的增加，节省的空间资源也逐渐增加；
(2)通过调整译码结构，减少冗余计算，可以有效地降低译码的时间复杂度，且节省的时间资源也随着打孔位数的增加而增加。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法及实施例中极化码传输模型示意图；
图2为本发明一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法及实施例中两比特极化码译码单元结构示意图；
图3为本发明一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法及实施例中译码器优化结构示意图；
图4为本发明一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法及实施例中的空间、时间资源节省示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法的实施方式做详细说明。
实施例1
本实施例详细阐述了本发明在信息序列长度为K＝4，码率为1/3，则码长为M＝12，母码长度为N＝16，信道为加性高斯白噪声信道，译码方式采用SC译码算法情况下具体实施时的步骤。
图1是本发明极化码传输模型示意图，由图1可见，本发明的极化码传输模型包含信息位选择单元、极化编码单元、速率匹配单元、优化译码器结构单元、SC/SCL译码单元和自适应编码调制单元，其中自适应编码调制单元根据估计的信道状态确定打孔参数，并将打孔参数信息输出给信息位选择单元和优化译码器结构单元；
步骤1、确定打孔位置和打孔参数；
具体到本实施例，由自适应编码调制单元根据所需码率计算码长，从而确定采用QUP方法打孔的参数，打孔数量为P＝N-M＝4，打孔位置为编码比特的前四个；
步骤2、构造信息序列u；
具体到本实施例，根据步骤1确定的打孔位置利用高斯近似方法对各极化信道的可靠性进行估计，得到极化信道按可靠度由小到大排序为[1,2,3,4,5,9,6,7,10,11,13,8,12,14,15,16]，从16个极化子信道中选择4个可靠性最高的信道放置信息比特，其余12个子信道放置冻结比特，即选择索引值为12、14、15、16的极化信道放置4位信息比特，而在其余位置放0，构造信息序列u；
步骤3、极化编码，输出编码序列；
具体到本实施例，首先构造生成矩阵其中 表示克罗内克积，n＝log2N＝4，然后根据生成矩阵进行极化编码，输出编码序列为x＝uGN；
步骤4、根据步骤1确定的打孔参数对编码序列进行打孔，输出打孔后的编码序列；
具体到本实施例，即打掉编码序列的前4个比特，输出打孔后的编码序列；
步骤5、发送端将经过步骤4打孔后的编码序列逐比特发送；
步骤6、接收端接收经过信道传输的步骤5发送的编码序列，记作y；
步骤7、根据步骤1确定的打孔参数优化译码器结构；
具体到本实施例，图2为两比特极化码译码单元结构示意图，译码单元的输入分别是y1和y2的LLR值，F和G分别代表校验节点和变量节点的更新方式，这样一组具有相同输入LLR值的F和G计算模块组成一个计算单元；
对于打孔位置i＝1,2,3,4,i-1的二进制形式分别为(0000,0001,0010,0011)，因此以省略掉的计算单元有第1层的第1、2个计算单元，第2层的第1、2个计算单元，第3、4层的第1、2、3、4个计算单元；
图3是译码器优化结构示意图，其中有阴影的部分表示省略掉的计算单元；
步骤8、采用步骤7优化的SC译码器进行极化码译码；
具体到本实例中，即将接收到的12个比特映射到图3译码器结构中的y5,y6,…,y16，并采用步骤7优化后的SC译码器对其进行译码。
图4为本实例空间、时间资源节省示意图，图中CC代表时钟周期，Stage i代表第i层译码结构，Fi,k和Gi,k分别代表第i层译码结构的第k个校验节点和变量节点的计算单元，阴影部分代表节省的资源，可以看到，对于实施例中情况，空间资源上可以节省12个计算单元，即空间资源消耗降为原来的(4*8-12)/(4*8)＝62.5％；时间资源上可以节省第2～9的时钟周期，即时间资源消耗降为原来的(30-8)/30＝73.3％。
为了说明本发明的内容及实施方法，本说明书给出了一个具体实施例。在实施例中引入细节的目的不是限制权利要求书的范围，而是帮助理解本发明所述方法。本领域的技术人员应理解：在不脱离本发明及其所附权利要求的精神和范围内，对实施例步骤的各种修改、变化或替换都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例及附图所公开的内容。

Claims (6)

1.一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法，其特征在于：本发明所述方法能够在不降低极化码译码BLER性能的情况下降低时间资源和空间资源的开销，并且随着打孔位数的增加，节省的资源也逐渐增加；本发明的传输模型与传统的极化码传输模型相比，额外包含根据打孔参数确定译码器优化结构的模块；
本发明的实质是对极化码SC译码结构中的校验节点和变量节点的更新策略进行优化，在两比特极化单元的译码结构中，对于y1被打孔的情况，u1和u2的对数似然比(LogLikelihood Ratio,LLR)可直接通过LLR(u1)＝LLR(y1)和LLR(u2)＝LLR(y2)得到，从而降低了计算单元的需求，节省了空间资源和时间资源；在译码前，根据速率匹配中需要利用QUP方法打孔的个数，对译码器的结构进行优化，从而可以实现低复杂度的SC译码；
为实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：
设信息序列长为K，码率为R，码长为M＝K/R，母码长度为N；包括以下步骤：
步骤一、确定打孔位置和打孔参数；
步骤二、构造信息序列；
步骤三、极化编码，输出编码序列；
步骤四、根据步骤一确定的打孔参数对编码序列进行打孔，输出打孔后的编码序列；
步骤五、发送端将经过步骤四打孔后的编码序列逐比特发送；
步骤六、接收端接收经过信道传输的步骤五发送的编码序列，记作y；
步骤七、根据步骤一确定的打孔参数优化译码器结构，输出优化的SC译码器；
步骤八、采用步骤七优化的SC译码器进行极化码译码；
至此，通过步骤一到步骤八，完成了一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法。
2.根据权利要求1所述的一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法，其特征在于：步骤一，具体为：根据所需码率计算码长，从而确定采用QUP方法打孔的参数，记打孔数量为P＝N-M，打孔位置选为编码比特的前P个比特。
3.根据权利要求1所述的一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法，其特征在于：步骤二，具体为：根据步骤一确定的打孔位置利用高斯近似(GaussianApproximation，GA)对各极化子信道的可靠性进行估计并排序，从N个极化子信道中选择K个可靠性最高的信道放置信息比特，其余N-K个子信道放置冻结比特，从而构造信息序列u。
4.根据权利要求1所述的一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法，其特征在于：步骤三，具体为：首先构造生成矩阵其中 表示克罗内克积，n＝log2N，然后根据生成矩阵进行极化编码，输出编码序列为x＝uGN。
5.根据权利要求1所述的一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法，其特征在于：步骤七，具体为：对于生成矩阵根据QUP方法，在编码比特端按照索引由小到大的顺序进行打孔，译码器优化的准则如下：对于第i(i＝1,2,…,P)个打孔位置，在QUP方法中即为第i位编码比特，令(bnbn-1…b1)表示i-1的二进制形式，则对应任意一位bk＝0，相应地可以省略掉译码结构中第k层的第个计算单元，即这些省略的计算单元可直接通过寄存器代替，从而降低空间复杂度和时间复杂度。
6.根据权利要求1所述的一种基于QUP方法的低译码复杂度速率匹配极化码传输方法，其特征在于：步骤八，具体为：将接收序列根据步骤一确定的打孔参数映射到步骤七优化的SC译码器相应位置中，并对其进行译码。
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