CN108063649A - 一种低时延低复杂度的极化码译码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低时延低复杂度的极化码译码方法，采用SCL方法进行译码，包括：(1)从待编码比特序列中选出FCR0节点和MSR1节点(2)对FCR0节点，根据接收机存储的冻结比特位的值直接获取译码结果；(3)对FCR0节点和MSR1节点之间的比特序列，若为冻结比特，则连接步骤(2)中的路径，直接根据接收机存储的冻结比特位的值获取译码结果；若为信息比特，则连接冻结比特译码路径，通过路径分裂和简化路径度量排序保留路径度量较小的路径；(4)对MSR1节点，采用LLR进行直接判决译码，并连接在步骤(3)中保留的所有路径上；(5)对于步骤(4)中的路径，选择一条路径度量最小的路径对应的译码序列作为译码输出。本发明时延更低复杂度更低。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信中信道译码技术领域，尤其涉及一种低时延低复杂度的极化码译码方法。
背景技术
极化码(Polar Codes)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的信道容量的信道编码技术。极化码的主流译码方法是串行抵消列表(Successive Cancellation List,SCL)译码和置信传播译码。与置信传播译码方法相比，SCL译码方法虽然误码率性能更好，但其缺陷也很明显：译码时延大且复杂度高，这是因为SCL译码是序贯译码且需要进行大量存储。本发明针对SCL译码方法的上述缺点，提出了一种低时延时延、低复杂度的SCL译码方法。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种低时延低复杂度的极化码译码方法。
技术方案：本发明所述的低时延低复杂度的极化码译码方法包括：
(1)在译码时，从待编码比特序列中选出FCR0节点和MSR1节点；其中，FCR0节点是待编码比特序列中从第一位开始连续的冻结比特构成的节点，MSR1节点是待编码比特序列中最后的连续的个数为2的幂的信息比特构成的节点；
(2)对FCR0节点的比特序列，根据接收机存储的冻结比特位的值直接获取译码结果，译码路径度量为初始值0；
(3)对FCR0节点和MSR1节点之间的比特序列，若为冻结比特，则连接步骤(2)中的路径，直接根据接收机存储的冻结比特位的值获取译码结果；若为信息比特，则连接冻结比特译码路径，通过路径分裂和简化路径度量排序保留路径度量较小的路径；
(4)对MSR1节点的比特序列，采用信道接收的LLR进行直接判决译码，得到MSR1节点译码结果，并连接在步骤(3)中保留的所有路径上；
(5)对于步骤(4)中的路径，选择一条路径度量最小的路径对应的译码序列作为译码输出。
进一步的，步骤(1)中FCR0节点的选择方法为：从待编码比特序列中，选择从u1开始的连续的|FCR0|个冻结比特构成FCR0节点，记为w＝{u1,u2,...,u|FCR0|}，其中，形如u*表示第*个比特位，|FCR0|表示FCR0节点包含的冻结比特的数量，且|FCR0|是偶数，N是待编码比特序列码长。步骤(1)中MSR1节点的选择方法为：从待编码比特序列中，选择最后的连续|MSR1|个信息比特，构成MSR1节点，记为p＝{uN-|MSR1|+1,uN-|MSR1|+2,...,uN}，其中，形如u*表示第*个比特，|MSR1|表示MSR1所包含的信息比特的数量，且是2的幂。
进一步的，所述步骤(3)具体包括：
对于FCR0节点和MSR1节点之间的比特序列，按照下面方法从前到后依次处理：
(3-1)判断当前待译码比特ui为冻结比特还是信息比特；若为冻结比特，执行(3-2)，否则执行(3-3)；
(3-2)对于当前待译码比特ui，连接步骤(2)中的路径，直接根据接收机存储的冻结比特位的值获取译码结果，并将译码路径进行存储，将i＝i+1，返回(3-1)；
(3-2)对于当前待译码比特ui，将已经存储的路径进行路径分裂，得到2l个度量值，存储在如下的矩阵中：
式中，l是已经存储的路径数，1≤l≤L，L为SCL译码器的列表最大规模，PMj和分别代表第j条路径分裂成为两条路径时，得到的两个路径的度量，一条代表译码结果0，另一条代表译码结果1，矩阵中的元素是无序的；
之后通过进行2l次比较，选出矩阵中的最小值和次小值，并选择剩余的尽可能小的l-2个值，从而得到l个路径并进行存储路径。
其中，2l次比较具体方法为：
第一次排序：比较同一列的两个元素PMj和把较小者放在第一行，较大者放在第二行，得到新的矩阵：
式中，表示PMj和中较小者，表示PMj和中较大者；
第二次排序：针对新的矩阵，比较和即第一行的元素与它右下方的元素比较，PMl和进行比较，选取和中较小者对应的路径作为幸存路径，从而得到l个路径并进行存储。
进一步的，所述步骤(4)具体包括：
(4-1)对MSR1节点的比特序列，采用信道接收的LLR进行直接判决译码，得到判决结果a|MSR1|＝{a1,a2,...,a|MSR1|}；其中|MSR1|为MSR1节点包含信息比特的数量，a*为MSR1节点的第*个比特的判决结果；
(4-2)根据判决结果计算得到MSR1节点译码结果：
vN-|MSR1|+1＝{vN-|MSR1|+1,...,vN}＝a|MSR1|G|MSR1|
其中是MSR1节点的译码结果，G|MSR1|是长度为|MSR1|的极化码的生成矩阵；
(4-3)将MSR1节点译码结果连接在步骤(3)保留的所有的路径上，得到
式中，表示第m条路径对应的译码结果，表示第m条路径中MSR1节点译码前对应的译码结果。
进一步的，所述步骤(5)具体包括：
(5-1)计算步骤(4)中保留的所有路径的路径度量值：
式中，PMm表示MSR1节点译码后第m条路径的路径度量值，PMk,m表示第m条路径在译码MSR1节点前，已经具有的度量值，表示因译码MSR1节点而引入的路径度量增量，|MSR1|表示MSR1节点包含信息比特的数量，α＝{α1,α2,...,α|MSR1|}表示MSR1节点对应的对数似然比，|αi|表示αi的绝对值；
(5-2)从所有路径中，选择一条路径度量最小的路径对应的译码序列作为译码输出。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明通过简化FCR0和MSR1节点的译码计算，以及简化译码过程中的排序过程，降低了极化码SCL译码方法的译码延时和复杂度。
附图说明
图1是本发明提供的低时延低复杂度的极化码译码方法的流程示意图；
图2是FRC0和MSR1节点示意图。
具体实施方式
本实施例提供了一种低时延低复杂度的极化码译码方法，如图1所示，包括如下步骤：
(1)在译码时，从待编码比特序列中选出FCR0节点和MSR1节点；其中，FCR0节点是待编码比特序列中从第一位开始连续的冻结比特构成的节点，MSR1节点是待编码比特序列中最后的连续的个数为2的幂的信息比特构成的节点。
其中，FCR0节点的选择方法为：从待编码比特序列中，选择从u1开始的连续的|FCR0|个冻结比特构成FCR0节点，记为w＝{u1,u2,...,u|FCR0|}，对应图2中的{u1,u2,u3,u4}，，图2中L＝8。其中，形如u*表示第*个比特位，|FCR0|表示FCR0节点包含的冻结比特的数量，且|FCR0|是偶数，N是待编码比特序列码长。MSR1节点的选择方法为：从待编码比特序列中，选择最后的连续|MSR1|个信息比特，构成MSR1节点，记为p＝{uN-|MSR1|+1,uN-|MSR1|+2,...,uN}，对应图2中的{u7,u8}。其中，形如u*表示第*个比特，|MSR1|表示MSR1所包含的信息比特的数量，且是2的幂。
(2)对FCR0节点的比特序列，根据接收机存储的冻结比特位的值直接获取译码结果，译码路径度量为初始值0。
其中，对FCR0节点进行译码的原理有以下两点：第一，FCR0所包含的冻结比特的值对于发射机和接收机都是已知的，因此这些冻结比特对应的对数似然比(Log-LikelihoodRatio，LLR)不必计算；第二，由于FCR0节点中的冻结比特位于待编码比特序列从u1开始的连续的个位置，因此在对FCR0包含的冻结比特进行译码时，译码路径中仅有一条路径，不存在路径分裂，因此不必计算路径度量(Path Metric,PM)，路径度量的初始值设为0，从而在FCR0节点的译码过程中，路径度量保持0值不变。由于不必计算FCR0节点对应的LLR和PM，译码延时得到降低。
(3)对FCR0节点和MSR1节点之间的比特序列，若为冻结比特，则连接步骤(2)中的路径，直接根据接收机存储的冻结比特位的值获取译码结果；若为信息比特，则连接冻结比特译码路径，通过路径分裂和简化路径度量排序保留路径度量较小的路径。
该步骤具体包括：
对于FCR0节点和MSR1节点之间的比特序列(如图2中的u5和u6)，按照下面方法从前到后依次处理：
(3-1)判断当前待译码比特ui为冻结比特还是信息比特；若为冻结比特，执行(3-2)，否则执行(3-3)。
(3-2)对于当前待译码比特ui，连接步骤(2)中的路径，直接根据接收机存储的冻结比特位的值获取译码结果，并将译码路径进行存储，将i＝i+1，返回(3-1)。同FCR0节点原理一致。
(3-2)对于当前待译码比特ui，将已经存储的路径进行路径分裂，得到2l个度量值，存储在如下的矩阵中：
式中，l是已经存储的路径数，1≤l≤L，L为SCL译码器的列表最大规模，PMj和分别代表第j条路径分裂成为两条路径时，得到的两个路径的度量，一条代表译码结果0，另一条代表译码结果1，矩阵中的元素是无序的；之后通过进行2l次比较，选出矩阵中的最小值和次小值，并选择剩余的尽可能小的l-2个值，从而得到l个路径并进行存储路径。
其中，路径度量的数值越小越好，即具有最小度量的路径是最优路径。常规的SCL译码器选择这2l个值中最小的l个值。但是在允许一定程度上损失误码率性能的场合，并不要求严格选出最小的l个值。本实施例中的排序方法通过进行2l次比较，选出矩阵(1)中的最小值和次小值，同时使得剩余的l-2个值尽可能小，尽可能小是指本实施例中的排序方法总是选择某两个数中的较小者，排序方法具体为：
第一次排序：比较同一列的两个元素PMj和把较小者放在第一行，较大者放在第二行，得到新的矩阵：
式中，表示PMj和中较小者，表示PMj和中较大者；此时已经进行了l次比较。
第二次排序：针对新的矩阵，比较和即第一行的元素与它右下方的元素比较，PMl和进行比较，选取和中较小者对应的路径作为幸存路径，从而得到l个路径并进行存储。这里进行了l次比较，所以共有2l次比较。可以证明，这种比较选出了(1)中的最小值和次小值，同时由于总是取和中较小者对应的路径作为幸存路径，所以使得剩余的l-2个值(指除去最小值和次小值后，剩下的l-2个值)尽可能小。之所以要选出2l个路径度量中的最小值和次小值，是因为这两个值对应的译码结果是正确译码结果的概率高(这可以通过系统仿真观察到)，因此要保存下来作为幸存路径。
(4)对MSR1节点的比特序列，采用信道接收的LLR进行直接判决译码，得到MSR1节点译码结果，并连接在步骤(3)中保留的所有路径上。
由信道编码理论可知，对于码率为1的线性分组码(即MSR1节点对应的情况)，直接判决从信道接收的对数似然比所得到的译码序列，等价于最大似然译码序列。因此，对于MSR1节点，可以对LLR进行直接判决，得到译码结果，不必进行递归的串行抵消译码计算，由此简化了译码过程，降低了译码时延。因此，步骤(4)具体包括：
(4-1)对MSR1节点的比特序列，采用信道接收的LLR进行直接判决译码，得到判决结果a|MSR1|＝{a1,a2,...,a|MSR1|}；其中|MSR1|为MSR1节点包含信息比特的数量，a*为MSR1节点的第*个比特的判决结果；
(4-2)根据判决结果计算得到MSR1节点译码结果：
vN-|MSR1|+1＝{vN-|MSR1|+1,...,vN}＝a|MSR1|G|MSR1|
其中是MSR1节点的译码结果，G|MSR1|是长度为|MSR1|的极化码的生成矩阵；
(4-3)将MSR1节点译码结果连接在步骤(3)保留的所有的路径上，得到
式中，表示第m条路径对应的译码结果，表示第m条路径中MSR1节点译码前对应的译码结果。
(5)对于步骤(4)中的路径，选择一条路径度量最小的路径对应的译码序列作为译码输出。具体包括：
(5-1)计算步骤(4)中保留的所有路径的路径度量值：
式中，PMm表示MSR1节点译码后第m条路径的路径度量值，PMk,m表示第m条路径在译码MSR1节点前，已经具有的度量值，表示因译码MSR1节点而引入的路径度量增量，|MSR1|表示MSR1节点包含信息比特的数量，α＝{α1,α2,...,α|MSR1|}表示MSR1节点对应的对数似然比，|αi|表示αi的绝对值；
(5-2)从所有路径中，选择一条路径度量最小的路径对应的译码序列作为译码输出。
本发明通过简化FCR0和MSR1节点的译码计算，以及简化译码过程中的排序问题，降低了极化码SCL译码方法的译码延时和复杂度。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (7)
1.一种低时延低复杂度的极化码译码方法，采用SCL方法进行译码，其特征在于：
(1)在译码时，从待编码比特序列中选出FCR0节点和MSR1节点；其中，FCR0节点是待编码比特序列中从第一位开始连续的冻结比特构成的节点，MSR1节点是待编码比特序列中最后的连续的个数为2的幂的信息比特构成的节点；
(2)对FCR0节点的比特序列，根据接收机存储的冻结比特位的值直接获取译码结果，译码路径度量为初始值0；
(3)对FCR0节点和MSR1节点之间的比特序列，若为冻结比特，则连接步骤(2)中的路径，直接根据接收机存储的冻结比特位的值获取译码结果；若为信息比特，则连接冻结比特译码路径，通过路径分裂和简化路径度量排序保留路径度量较小的路径；
(4)对MSR1节点的比特序列，采用信道接收的LLR进行直接判决译码，得到MSR1节点译码结果，并连接在步骤(3)中保留的所有路径上；
(5)对于步骤(4)中的路径，选择一条路径度量最小的路径对应的译码序列作为译码输出。
2.根据权利要求1所述的低时延低复杂度的极化码译码方法，其特征在于：步骤(1)中FCR0节点的选择方法为：
从待编码比特序列中，选择从u1开始的连续的|FCR0|个冻结比特构成FCR0节点，记为w＝{u1,u2,...,u|FCR0|}，其中，形如u*表示第*个比特位，|FCR0|表示FCR0节点包含的冻结比特的数量，且|FCR0|是偶数，N是待编码比特序列码长。
3.根据权利要求1所述的低时延低复杂度的极化码译码方法，其特征在于：步骤(1)中MSR1节点的选择方法为：
从待编码比特序列中，选择最后的连续|MSR1|个信息比特，构成MSR1节点，记为p＝{uN-|MSR1|+1,uN-|MSR1|+2,...,uN}，其中，形如u*表示第*个比特，|MSR1|表示MSR1所包含的信息比特的数量，且是2的幂。
4.根据权利要求1所述的低时延低复杂度的极化码译码方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括：
对于FCR0节点和MSR1节点之间的比特序列，按照下面方法从前到后依次处理：
(3-1)判断当前待译码比特ui为冻结比特还是信息比特；若为冻结比特，执行(3-2)，否则执行(3-3)；
(3-2)对于当前待译码比特ui，连接步骤(2)中的路径，直接根据接收机存储的冻结比特位的值获取译码结果，并将译码路径进行存储，将i＝i+1，返回(3-1)；
(3-2)对于当前待译码比特ui，将已经存储的路径进行路径分裂，得到2l个度量值，存储在如下的矩阵中：
<mfenced open = "[" close = "]">
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<mi>PM</mi>
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式中，l是已经存储的路径数，1≤l≤L，L为SCL译码器的列表最大规模，PMj和分别代表第j条路径分裂成为两条路径时，得到的两个路径的度量，一条代表译码结果0，另一条代表译码结果1，矩阵中的元素是无序的；
之后通过进行2l次比较，选出矩阵中的最小值和次小值，并选择剩余的尽可能小的l-2个值，从而得到l个路径并进行存储。
5.根据权利要求4所述的低时延低复杂度的极化码译码方法，其特征在于：所述步骤(3-2)中的2l次比较具体方法为：
第一次排序：比较同一列的两个元素PMj和把较小者放在第一行，较大者放在第二行，得到新的矩阵：
<mfenced open = "[" close = "]">
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式中，表示PMj和中较小者，表示PMj和中较大者；
第二次排序：针对新的矩阵，比较和即第一行的元素与它右下方的元素比较，PMl和进行比较，选取和中较小者对应的路径作为幸存路径，从而得到l个路径并进行存储。
6.根据权利要求1所述的低时延低复杂度的极化码译码方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括：
(4-1)对MSR1节点的比特序列，采用信道接收的LLR进行直接判决译码，得到判决结果a|MSR1|＝{a1,a2,...,a|MSR1|}；其中|MSR1|为MSR1节点包含信息比特的数量，a*为MSR1节点的第*个比特的判决结果；
(4-2)根据判决结果计算得到MSR1节点译码结果：
vN-|MSR1|+1＝{vN-|MSR1|+1,...,vN}＝a|MSR1|G|MSR1|
其中是MSR1节点的译码结果，G|MSR1|是长度为|MSR1|的极化码的生成矩阵；
(4-3)将MSR1节点译码结果连接在步骤(3)保留的所有的路径上，得到
<mrow>
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<mi>v</mi>
<mi>N</mi>
<mi>m</mi>
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<mn>2</mn>
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<mo>...</mo>
<mo>,</mo>
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<mi>v</mi>
<mi>N</mi>
</msub>
<mo>}</mo>
</mrow>
式中，表示第m条路径对应的译码结果，表示第m条路径中MSR1节点译码前对应的译码结果。
7.根据权利要求1所述的低时延低复杂度的极化码译码方法，其特征在于：所述步骤(5)具体包括：
(5-1)计算步骤(4)中保留的所有路径的路径度量值：
<mrow>
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<mi>PM</mi>
<mi>m</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
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<mi>l</mi>
<mi>n</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mo>|</mo>
<msub>
<mi>&alpha;</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>|</mo>
</mrow>
</msup>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中，PMm表示MSR1节点译码后第m条路径的路径度量值，PMk,m表示第m条路径在译码MSR1节点前，已经具有的度量值，表示因译码MSR1节点而引入的路径度量增量，|MSR1|表示MSR1节点包含信息比特的数量，α＝{α1,α2,...,α|MSR1|}表示MSR1节点对应的对数似然比，|αi|表示αi的绝对值；
(5-2)从所有路径中，选择一条路径度量最小的路径对应的译码序列作为译码输出。
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