CN107659318A - 一种自适应的极化码译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种自适应的极化码译码方法，包括如下步骤：选取最坏信息比特的位置；进行试探性置信传播译码，以判断信道状态；置信传播译码过程中的CRC校验；串行抵消列表译码。本发明方法结合极化码的置信传播译码方法和串行抵消列表译码方法，能够充分利用置信传播译码速度快的特点，只有当置信传播译码失败后，才使用串行抵消译码，通过自适应地设定置信传播译码的迭代次数和串行抵消列表译码的列表规模，以及使用两段CRC校验进行译码早期终止，进一步降低串行抵消列表译码的时延，既能保证译码速度，又能提高误比特率性能，实现了误码率性能和译码时延的有效折衷。

Description

一种自适应的极化码译码方法

技术领域

本发明属于无线通信中信道编码技术领域，涉及极化码译码方法，更为具体的说，是涉及极化码译码中的自适应调整方法。

背景技术

极化码(Polar Code)是一种新型信道编码技术，它是第一类可以被严格证明达到二进制对称输入离散无记忆信道容量的信道编码技术。极化码属于线性分组码，但其原理与传统线性分组码编码不同。传统的线性分组码的设计目标是最大化码字的最小汉明距离，而极化码则利用信道组合和信道分裂方式，把物理信道的N次复用等效地转化为N个比特信道，分析这N个比特信道的信道容量或者巴特查理亚系数，从而决定信息比特和冻结比特在发送序列中的位置，然后利用极化码生成矩阵的递归结构进行编码。

极化码译码的主流方法有两种，分别是置信传播(BP，Belief Propagation)方法和串行抵消列表(Successive CancellationList，SCL)方法，这两种方法各有利弊。置信传播方法可以并行计算，译码速度快，但是误比特率性能不如串行抵消列表方法；串行抵消列表方法只能顺序译码，译码速度比置信传播方法慢，但是误比特率性能优于置信传播方法。上述两种方法都可以结合循环冗余校验码(CRC，CyclicRedundancy Check)进行译码的早期终止，降低译码时延。针对置信传播和串行列表抵消译码方法的优缺点，已有结合这两种方法进行译码的方案，即先进行可以并行计算的置信传播译码，如果置信传播译码所得比特序列未通过CRC校验，再进行串行抵消列表译码方法。但这种方案也有缺陷：置信传播译码的迭代次数和串行抵消列表译码的列表规模是固定的，不能根据信道条件自适应的变化，导致在信道状态好的时候进行了冗余的译码计算，而在信道状态差的时候没有进行充足的译码计算。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种自适应设定置信传播译码迭代次数、自适应设定串行抵消列表译码列表规模的自适应译码方法，能够降低译码时延。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种自适应的极化码译码方法，包括如下步骤：

步骤1：选取最坏信息比特的位置

在中，选取b个最大的位置，记这些位置的集合为

其中，为对码长为N的极化码，在高斯加性白噪声信道中通过高斯近似方法进行极化码的构造得到的误特率数列，其中是极化码信息比特u_i所经历的等效比特信道，表示信道的误比特率；通过观测置信传播译码过程中集合中的对数似然比(LLR，Log-Likelihood Ratio)在前后两次迭代中的正负号变化次数，判断信道状态；

步骤2：进行试探性置信传播译码，以判断信道状态

设定置信传播译码试探性迭代次数为λ，总迭代次数记为km次，k∈{2,4}由信道状态决定；第λ-1次迭代和第λ次迭代中，中的对数似然比正负号变化次数记为μ，如果μ＜αK，则判定信道状态好，k＝2，设定译码迭代次数为2m次，其中m＝log₂N，K是信息比特的长度；如果μ≥αK，则认为信道状态差，k＝4，设定译码迭代次数为4m次；

步骤3：置信传播译码过程中的CRC校验

在λ次试探性置信传播译码结束后，继续进行余下的km-λ次置信传播译码；对每次迭代的译码结果进行CRC校验；如果通过CRC校验，判定译码成功，终止整个译码过程；如果没有通过CRC校验，则本次迭代译码失败，继续下一次迭代计算，直到到达最大迭代次数，如果译码依然有通过CRC校验，则终止置信传播译码，转入串行抵消列表译码；

步骤4：串行抵消列表译码

当置信传播译码失败后，进行串行抵消列表译码，初始设定列表规模为l，各个码字比特逐一被判决，当得到和后，进行一次CRC校验，如果存在一条路径校验通过，则继续译码，当得到和后，再进行第二次CRC校验，表示对的估计，表示对的估计；如果检验通过，则本次译码成功，输出通过校验并且度量最优的路径中的比特；如果上述两次CRC校验有任意一次未通过，则判定本次串行抵消列表译码失败，改用βL的列表规模重新译码，其中L是当前列表规模，如果到达预设的最大列表数L_max后仍不能通过校验，则本次译码失败，输出度量最优的路径中的比特作为译码结果。

进一步的，所述步骤3中CRC校验位的总长度为2r，包括两段r长的CRC校验码两段CRC校验码分别添加在前半部分信息比特之后和后半部分信息比特之后。

进一步的，所述步骤1中b取K/4。

进一步的，所述步骤2中λ设为5，α为5％。

进一步的，所述步骤4中l为4，β为2，L_max为128。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明方法结合极化码的置信传播译码方法和串行抵消列表译码方法，能够充分利用置信传播译码速度快的特点，只有当置信传播译码失败后，才使用串行抵消译码，通过自适应地设定置信传播译码的迭代次数和串行抵消列表译码的列表规模，以及使用两段CRC校验进行译码早期终止，进一步降低串行抵消列表译码的时延，既能保证译码速度，又能提高误比特率性能，实现了误码率性能和译码时延的有效折衷。

附图说明

图1为两段CRC校验添加示意图；

图2为自适应极化码译码流程图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本方法首先对接收信号进行置信传播译码，根据信道状态设定置信传播译码的迭代次数，如果置信传播译码结果通过CRC校验，则译码成功，终止译码过程；如果已到达预设的最大迭代次数且置信传播译码结果没有通过CRC校验，则置信传播译码失败，转入串行抵消列表译码。如果串行抵消列表译码结果通过CRC校验，则译码成功，终止译码过程；如果没有通过CRC校验，则增大列表规模重新译码，如果串行抵消列表译码结果仍未通过CRC校验且到达最大允许的列表规模，则译码失败，终止译码过程。

为了进一步降低串行抵消列表译码的时延，本方法使用了两段CRC校验码，在第一段CRC校验码的译码完成时，就能够对当前译码结果进行一次CRC校验，根据校验结果决定是否进行早期终止，从而不必等到整个码字译完再进行CRC校验。

本发明中极化码的构造如下：对码长为N的极化码，在高斯加性白噪声信道中，通过高斯近似方法进行极化码的构造，并得到误特率数列，记为其中是极化码信息比特u_i所经历的等效比特信道，表示信道的误比特率。选择中最小的K+2r个位置放置信息比特和CRC校验位，记这些位置集合为 其余位置记为运算符\是取补集运算符，表示在{1，2,...,N}中的补集，中放置冻结比特，K是信息比特的长度，r是一段CRC校验码的长度。和冻结比特的值对于发射机和接收机都是已知的。CRC校验位的总长度为2r，是因为本方法中使用了两段r长的CRC校验码。两段CRC编码的添加方法如图1所示，其中表示前半部分信息比特，表示后半部分信息比特，是针对其前面的信息比特生成的循环冗余校验位。

本实施例以在高斯加性白噪声信道中使用二进制相移键控调制，码长N＝256，信息比特数K＝128的极化码为例进行说明。

本发明方法如图2所述，包括如下步骤：

第一步：选取最坏信息比特的位置。在中，选取b个最大的位置，记这些位置的集合为b的典型值可以取K/4。集合的作用是：通过观测置信传播译码过程中中的对数似然比(LLR，Log-Likelihood Ratio)在前后两次迭代中的正负号变化次数，判断信道状态。观测LLR正负号是因为LLR的正负号直接决定比特判决结果，如果LLR的正负号在前后两次迭代中变化过多，则意味着前后两次判决结果在很多比特位置上不一致，从而信道状态差，译码方法未收敛，需要设置较大的迭代次数；如果LLR的正负号在前后两次迭代中变化次数少，则意味着前后两次判决结果基本一致，从而信道状态好，译码过程接近收敛，可以设置较小的迭代次数。另外，对于硬件实现来讲，LLR正负号容易判断。索引集合对于发射机和接收机都是已知的。

第二步：进行试探性置信传播译码，以判断信道状态。设定置信传播译码试探性迭代次数为λ(λ的典型值可设为5)。第λ-1次迭代和第λ次迭代中，中的对数似然比正负号变化次数记为μ，如果μ＜αK(α的典型值为5％)，则判定信道状态好，设定译码迭代次数为2m次，其中m＝log₂N。设置2m次是由于置信传播方法在迭代2m次之后，才能把从信道直接接收的LLR值进行充分传播；如果μ≥αK，则认为信道状态差，设定译码迭代次数为4m次。设置4m次是由于当置信传播译码迭代达到4m次之后，译码方法基本收敛，继续迭代不仅不能提升性能，还会增加译码时延。这样总迭代次数可以记为km次，k∈{2,4}由信道状态决定，当信道状态好时k＝2，当信道状态差时k＝4。

第三步：在λ次试探性置信传播译码结束后，继续进行余下的km-λ次置信传播译码。对每次迭代的译码结果进行CRC校验，如果通过CRC校验，判定译码成功，终止整个译码过程；如果没有通过CRC校验，则本次迭代译码失败，继续下一次迭代计算，直到到达最大迭代次数，如果译码依然有通过CRC校验，则终止置信传播译码，转入串行抵消列表译码。

第四步：串行抵消列表译码。当置信传播译码失败后，进行串行抵消列表译码。由于置信传播译码已经失败，说明该接收信号失真严重，因此列表的初始规模不宜太小，初始设定列表规模为l，l的典型值为4。由于串行抵消译码是序贯译码，各个码字比特逐一被判决，当得到和(表示对的估计，表示对的估计)后，进行一次CRC校验，如果存在一条路径校验通过，则继续译码，当得到和(表示对的估计，表示对的估计)后，再进行第二次CRC校验，如果检验通过，则本次译码成功，输出通过校验并且度量最优的路径中的比特；如果上述两次CRC校验有任意一次未通过，则判定本次串行抵消列表译码失败，改用βL的列表规模重新译码，其中L是当前列表规模，β的典型值为2。如果到达预设的最大列表数L_max后仍不能通过校验，则本次译码失败，输出度量最优的路径中的比特作为译码结果。L_max的典型值为128，虽然理论上L_max可以设置为任意大，但考虑到实现时的硬件复杂度，L_max设置为128为宜。

本发明结合极化码的置信传播译码方法和串行抵消列表译码方法，通过自适应地设定置信传播译码的迭代次数和串行抵消列表译码的列表规模，以及使用两段CRC校验进行译码早期终止，实现了误码率性能和译码时延的有效折衷。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种自适应的极化码译码方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：选取最坏信息比特的位置

在中，选取b个最大的位置，记这些位置的集合为

其中，为对码长为N的极化码，在高斯加性白噪声信道中通过高斯近似方法进行极化码的构造得到的误特率数列，其中是极化码信息比特u_i所经历的等效比特信道，表示信道的误比特率；通过观测置信传播译码过程中集合中的对数似然比(LLR，Log-Likelihood Ratio)在前后两次迭代中的正负号变化次数，判断信道状态；

步骤2：进行试探性置信传播译码，以判断信道状态

设定置信传播译码试探性迭代次数为λ，总迭代次数记为km次，k∈{2,4}由信道状态决定；第λ-1次迭代和第λ次迭代中，中的对数似然比正负号变化次数记为μ，如果μ＜αK，则判定信道状态好，k＝2，设定译码迭代次数为2m次，其中m＝log₂N，K是信息比特的长度；如果μ≥αK，则认为信道状态差，k＝4，设定译码迭代次数为4m次；

步骤3：置信传播译码过程中的CRC(CyclicRedundancy Check)校验

在λ次试探性置信传播译码结束后，继续进行余下的km-λ次置信传播译码；对每次迭代的译码结果进行CRC校验；如果通过CRC校验，判定译码成功，终止整个译码过程；如果没有通过CRC校验，则本次迭代译码失败，继续下一次迭代计算，直到到达最大迭代次数，如果译码依然有通过CRC校验，则终止置信传播译码，转入串行抵消列表译码；

步骤4：串行抵消列表译码

当置信传播译码失败后，进行串行抵消列表译码，初始设定列表规模为l，各个码字比特逐一被判决，当得到和后，进行一次CRC校验，如果存在一条路径校验通过，则继续译码，当得到和后，再进行第二次CRC校验，表示对的估计，表示对的估计；如果检验通过，则本次译码成功，输出通过校验并且度量最优的路径中的比特；如果上述两次CRC校验有任意一次未通过，则判定本次串行抵消列表译码失败，改用βL的列表规模重新译码，其中L是当前列表规模，如果到达预设的最大列表数L_max后仍不能通过校验，则本次译码失败，输出度量最优的路径中的比特作为译码结果。

2.根据权利要求1所述的自适应的极化码译码方法，其特征在于：所述步骤3中CRC校验位的总长度为2r，包括两段r长的CRC校验码两段CRC校验码分别添加在前半部分信息比特之后和后半部分信息比特之后。

3.根据权利要求1所述的自适应的极化码译码方法，其特征在于：所述步骤1中b取K/4。

4.根据权利要求1所述的自适应的极化码译码方法，其特征在于：所述步骤2中λ设为5，α为5％。

5.根据权利要求1所述的自适应的极化码译码方法，其特征在于：所述步骤4中l为4，β为2，L_max为128。