CN108494526A - 多进制正交扩频信号的极化码编译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多进制正交扩频信号的极化码编译码方法，主要解决现有技术的多进制正交扩频硬判决译码的误码性能差的问题。具体的步骤包括：(1)读入拟发送的信息序列；(2)对信息序列进行极化码编码；(3)对极化码编码序列进行交织处理；(4)进行多进制正交扩频；(5)提取对数似然比序列；(6)对对数似然比序列进行解交织；(7)极化码译码。本发明通过提取对数似然比序列的软判决方式将高效的极化码编译码与多进制正交扩频结合，具有误码性能好、实现复杂度低和频谱效率高等优点，满足信道编译码技术对效率和可靠性的要求。

Description

多进制正交扩频信号的极化码编译码方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及卫星通信技术领域中的一种将多进制正交扩频调制和极化码相结合进行编译码的方法。本发明可用于卫星应急通信系统中实现高效的信道纠错编译码，提高系统的可靠性和频带效率。

背景技术

极化码是于2007年提出的一种信道编码，也是现有唯一可用理论证明在码长无限长时达到信道容量的信道编码。

西安电子科技大学在其申请的专利文献“多进制正交信号低密度校验码编译码方法”(申请日：2014年3月4日，申请号：201410075153.2，申请公开号：CN 103812614 A)中公开了一种多进制正交信号低密度校验码编译码方法。该方法的具体步骤为：第一步，接收信号与本地的多个正交伪随机序列进行互相关运算获得矢量序列；第二步，获得矢量序列后，采用变量消息处理装置的方法计算出多进制低密度校验码的码元初始概率；第三步，采用基于快速哈达码矩阵的对数域置信传播译码方法进行迭代译码，直到满足校验方程则停止迭代或达到最大迭代次数，输出译码结果或译码失败。该方法存在的不足之处是：第一，迭代次数较多，时延大，导致系统的吞吐量减小，不能满足更高信息传输速率的需求；第二，由于多进制低密度奇偶校验码的消息更新过程复杂、计算量大，导致整个系统实现复杂，对芯片的处理能力要求更高，增加通信系统的成本。

Hessam Mahdavifar等人在其发表的论文“Polar Coding for Bit-InterleavedCoded Modulation”(IEEE Transactions on Vehicular Technology,2016,65(5):3115-3127)提出了一种联合高阶调制和极化码来提高系统误码性能的方法。该方法的具体步骤为：第一步，发射装置将极化码编码序列进行交织处理，再采用格雷码的映射方式进行高阶调制；第二步，对高阶调制信号进行解调和软判决，得到码元序列，再对码元序列的比特进行解交织处理得到二进制比特序列；第三步，采用极化码的连续消除译码方法，对比特序列进行极化码译码。该方法存在的不足之处是：第一，由于高阶调制对信道质量要求高，在信道质量较差时，系统误码率性能不满足可靠通信的要求，造成传输速率下降甚至通信中断；第二，已调信号矢量的欧式距离短，导致抗干扰性能差，无法应用于存在复杂干扰的应急通信场景中。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提出一种多进制正交扩频信号的极化码编译码方法，能够有效减小译码复杂度和时延，降低误码率，同时提高系统的可靠性和抗干扰性。

实现本发明目的的具体思路是，编译码系统的发送端通过对拟发送的信息序列依次进行极化码编码、交织和多进制正交扩频处理，得到正交扩频序列，编译码系统的接收端从正交扩频序列与本地的伪随机序列的互相关值中提取对数似然比序列，对对数似然比序列依次进行解交织和极化码译码处理。

本发明实现上述目的的具体步骤如下：

(1)编译码系统的发送端读入拟发送的信息序列；

(2)对信息序列进行极化码编码：

(2a)编译码系统的发送端，采用均等分割方法，将读入的信息序列均分为多个长度相等且互不重叠的子信息序列；

(2b)采用极化码编码器，对每个子信息序列进行极化码编码，得到二进制的子编码序列，将所有的子编码序列依次首尾相连组成极化码编码序列；

(3)对极化码编码序列进行交织处理：

编译码系统的发送端，采用伪随机交织器，对极化码编码序列进行随机交织处理，获得二进制比特序列；

(4)对二进制比特序列进行多进制正交扩频：

(4a)采用伪随机序列发生器，产生16个相互正交的伪随机序列，组成伪随机序列集合；

(4b)编译码系统的发送端，将二进制比特序列的每4个二进制比特映射为伪随机序列集合中一个伪随机序列，将所有的伪随机序列依次首尾相连组成正交扩频序列；

(4c)编译码系统的发送端，将正交扩频序列发送到高斯信道中；

(5)提取对数似然比序列：

(5a)编译码系统的接收端，从高斯信道中获得正交扩频序列；

(5b)编译码系统的接收端，将正交扩频序列均分为多个互不重叠的子正交扩频序列，每个子正交扩频序列的长度等于伪随机序列的长度，将所有的子正交扩频序列组成子正交扩频序列集合；

(5c)编译码系统的接收端，从子正交扩频序列集合中，依次取出一个子正交扩频序列；

(5d)利用互相关公式，分别计算所提取的子正交扩频序列与伪随机序列集合中的16个伪随机序列的互相关值，将16个互相关值组成互相关值序列；

(5e)按照下式，计算互相关值序列映射成十六进制码元中每个码元的初始概率：

其中，p_a表示互相关值序列映射成第a个十六进制码元的初始概率，e表示以自然常数为底的指数操作，r(b)表示互相关值序列中的第b个互相关值，b的取值与a的取值对应相等，δ表示高斯信道的噪声，q表示十六进制码元的码元总数，∑表示求和操作，k表示互相关值序列中的互相关值的序号，r(k)表示互相关值序列中第k个互相关值；

(5f)利用对数似然比公式，计算十六进制码元中每个比特的对数似然比，将所有的对数似然比组成子对数似然比序列；

(5h)判断是否取完子正交扩频序列集合中的子正交扩频序列，若是，则执行步骤(5i)，否则，执行步骤(5c)；

(5i)将所有的子对数似然比序列首尾相连组成对数似然比序列；

(6)对对数似然比序列进行解交织处理：

编译码系统的接收端，采用解交织器，将对数似然比序列进行与交织对应的解交织处理，得到解交织后的对数似然比序列；

(7)极化码译码：

(7a)编译码系统的接收端，将对数似然比序列均分为多个互不重叠的子对数似然比序列；

(7b)利用极化码译码器，对子对数似然比序列进行二进制极化码译码，得到二进制的子译码序列，将所有的子译码序列依次首尾相连组成极化码译码序列。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

第一，由于本发明采用互相关值序列映射成的码元的初始概率，将计算的每个比特的对数似然比组成对数似然比序列，对对数似然比序列进行极化码译码，克服了现有技术中的多进制正交扩频的硬判决译码会丢失部分有用信道信息导致误码性能差的缺点，使得本发明具有误码性能好、数据吞吐量大和实现复杂度低的优点。

第二，由于本发明采用多进制正交扩频方式将信息序列转化为正交伪随机序列，克服了现有技术在较差信道条件下译码性能急剧下降、抗干扰性能差的缺点，使得本发明在较差信道条件下能够实现可靠译码，并具有抗干扰能力强、频带效率高等优点，使得本发明满足卫星应急通信系统对信道编译码效率和可靠性的要求。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中提取对数似然比序列步骤的流程图；

图3为本发明的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1，对本发明的实现方法进一步描述。

步骤1，编译码系统的发送端读入拟发送的信息序列。

步骤2，对信息序列进行极化码编码。

编译码系统的发送端，采用均等分割方法，将读入的信息序列均分为多个长度相等且互不重叠的子信息序列。

所述的均等分割方法的具体步骤如下：

第1步，将读入的信息序列均分为多个互不重叠的子信息序列；

第2步，在均分后剩余的子信息序列的末尾补充I个零，使其长度与均分的子信息序列的长度相等，其中，I表示均分的子信息序列的长度减去均分后剩余的子信息序列的长度的值。

采用极化码编码器，对每个子信息序列进行极化码编码，得到二进制的子编码序列，将所有的子编码序列依次首尾相连组成极化码编码序列。

步骤3，对极化码编码序列进行交织处理。

编译码系统的发送端，采用伪随机交织器，对极化码编码序列进行随机交织处理，获得二进制比特序列。

步骤4，对二进制比特序列进行多进制正交扩频。

采用伪随机序列发生器，产生16个相互正交的伪随机序列，组成伪随机序列集合。

编译码系统的发送端，将二进制比特序列的每4个二进制比特映射为伪随机序列集合中一个伪随机序列，将所有的伪随机序列依次首尾相连组成正交扩频序列。

编译码系统的发送端，将正交扩频序列发送到高斯信道中。

步骤5，提取对数似然比序列。

下面结合附图2，对本发明提取对数似然比序列的具体步骤做进一步的描述：

第1步，编译码系统的接收端，从高斯信道中获得正交扩频序列。

第2步，编译码系统的接收端，将正交扩频序列均分为多个互不重叠的子正交扩频序列，每个子正交扩频序列的长度等于伪随机序列的长度，将所有的子正交扩频序列组成子正交扩频序列集合。

第3步，编译码系统的接收端，从子正交扩频序列集合中，依次取出一个子正交扩频序列。

第4步，利用互相关公式，分别计算所提取的子正交扩频序列与伪随机序列集合中的16个伪随机序列的互相关值，将16个互相关值组成互相关值序列。

第5步，按照下式，计算互相关值序列映射成十六进制码元中每个码元的初始概率：

其中，p_a表示互相关值序列映射成第a个十六进制码元的初始概率，e表示以自然常数为底的指数操作，r(b)表示互相关值序列中的第b个互相关值，b的取值与a的取值对应相等，δ表示高斯信道的噪声，q表示十六进制码元的码元总数，∑表示求和操作，k表示互相关值序列中的互相关值的序号，r(k)表示互相关值序列中第k个互相关值。

第6步，利用对数似然比公式，计算十六进制码元中每个比特的对数似然比，将对数似然比组成子对数似然比序列。

所述的对数似然比公式如下：

其中，λ_i表示十六进制码元中第i个比特的对数似然比，ln表示以自然常数为底的对数操作，表示第j个比特为1的十六进制码元，j的取值与i的取值对应相等，∈表示属于符号，表示第g个比特为1的所有十六进制码元的集合，g的取值与i的取值对应相等，P(s)表示第s个十六制码元的初始概率，s的取值与i的取值对应相等，表示第m个比特为0的十六进制码元，m的取值与i的取值对应相等，表示第h个比特为0的所有十六进制码元的集合，h的取值与i的取值对应相等，P(n)表示第n个十六制码元的初始概率，n的取值与i的取值对应相等。

第7步，判断是否取完子正交扩频序列集合中的子正交扩频序列，若是，则执行本步骤的第八步，否则，执行本步骤的第三步。

第8步，将所有的子对数似然比序列首尾相连组成对数似然比序列。

步骤6，对对数似然比序列进行解交织处理。

编译码系统的接收端，采用解交织器，将对数似然比序列进行与交织对应的解交织处理，得到解交织后的对数似然比序列。

步骤7，极化码译码。

编译码系统的接收端，将对数似然比序列均分为多个互不重叠的子对数似然比序列。

利用极化码译码器，对子对数似然比序列进行二进制极化码译码，得到二进制的子译码序列，将所有的子译码序列依次首尾相连组成极化码译码序列。

下面通过仿真实验对本发明的效果做进一步的说明。

1.仿真条件：

本发明的仿真实验使用Matlab2016仿真软件，多进制正交扩频的进制数为16，伪随机序列的长度设置为255，伪随机序列由m序列循环移位产生。极化码的码长为2048，极化码的码率为0.5，极化码采用连续消除链表译码器，链表个数为4。数字调制器采用二进制相移键控调制。

2.仿真内容：

本发明的仿真实验实验使用本发明提出的多进制正交扩频信号的极化码编译码方法和现有技术的多进制正交扩频信号的硬判决译码方法，分别对多进制正交扩频和极化码组成的编译码系统进行误码率性能的仿真实验，得到三条误码率性能曲线如附图3所示。图3中的横轴表示编译码系统的信噪比，单位dB，纵轴表示误比特率。图3中以五角星标志的曲线表示使用本发明提出的极化码编译码方法进行仿真实验得到的误码率曲线；以方块标志的曲线表示使用现有技术的硬判决译码方法进行仿真实验得到的误码率曲线；以圆圈标志的曲线表示不加信道编码的多进制正交扩频系统的误码率曲线。

3.仿真结果分析：

由图3可见，本发明的多进制正交扩频信号的极化码编译码方法，在误码率为10^-5时，比特信噪比仅为2.5dB左右，与现有技术中的多进制正交扩频信号的硬判决译码方法相比，有将近3dB的编码增益，与无信道编码的多进制正交扩频系统相比，有将近5dB的编码增益。由此可见，本发明的方法与现有技术的硬判决译码方法相比，能够显著地提高多进制正交扩频信号的极化码编译码系统的误码率性能。

Claims (3)

1.一种多进制正交扩频信号的极化码编译码方法，其特征在于，编译码系统的发送端通过对拟发送的信息序列依次进行极化码编码、交织和多进制正交扩频，得到正交扩频序列，编译码系统的接收端从正交扩频序列与本地的伪随机序列的互相关值中提取对数似然比序列，对对数似然比序列依次进行解交织和极化码译码处理，该方法的具体步骤包含如下：

(1)编译码系统的发送端读入拟发送的信息序列；

(2)对信息序列进行极化码编码：

(2a)编译码系统的发送端，采用均等分割方法，将读入的信息序列均分为多个长度相等且互不重叠的子信息序列；

(2b)采用极化码编码器，对每个子信息序列进行极化码编码，得到二进制的子编码序列，将所有的子编码序列依次首尾相连组成极化码编码序列；

(3)对极化码编码序列进行交织处理：

编译码系统的发送端，采用伪随机交织器，对极化码编码序列进行随机交织处理，获得二进制比特序列；

(4)对二进制比特序列进行多进制正交扩频：

(4a)采用伪随机序列发生器，产生16个相互正交的伪随机序列，组成伪随机序列集合；

(4b)编译码系统的发送端，将二进制比特序列的每4个二进制比特映射为伪随机序列集合中一个伪随机序列，将所有的伪随机序列依次首尾相连组成正交扩频序列；

(4c)编译码系统的发送端，将正交扩频序列发送到高斯信道中；

(5)提取对数似然比序列：

(5a)编译码系统的接收端，从高斯信道中获得正交扩频序列；

(5b)编译码系统的接收端，将正交扩频序列均分为多个互不重叠的子正交扩频序列，每个子正交扩频序列的长度等于伪随机序列的长度，将所有的子正交扩频序列组成子正交扩频序列集合；

(5c)编译码系统的接收端，从子正交扩频序列集合中，依次取出一个子正交扩频序列；

(5d)利用互相关公式，分别计算所提取的子正交扩频序列与伪随机序列集合中的16个伪随机序列的互相关值，将16个互相关值组成互相关值序列；

(5e)按照下式，计算互相关值序列映射成十六进制码元中每个码元的初始概率：

其中，p_a表示互相关值序列映射成第a个十六进制码元的初始概率，e表示以自然常数为底的指数操作，r(b)表示互相关值序列中的第b个互相关值，b的取值与a的取值对应相等，δ表示高斯信道的噪声，q表示十六进制码元的码元总数，∑表示求和操作，k表示互相关值序列中的互相关值的序号，r(k)表示互相关值序列中第k个互相关值；

(5f)利用对数似然比公式，计算十六进制码元中每个比特的对数似然比，将所有的对数似然比组成子对数似然比序列；

(5h)判断是否取完子正交扩频序列集合中的子正交扩频序列，若是，则执行步骤(5i)，否则，执行步骤(5c)；

(5i)将所有的子对数似然比序列首尾相连组成对数似然比序列；

(6)对对数似然比序列进行解交织处理：

编译码系统的接收端，采用解交织器，将对数似然比序列进行与交织对应的解交织处理，得到解交织后的对数似然比序列；

(7)极化码译码：

(7a)编译码系统的接收端，将对数似然比序列均分为多个互不重叠的子对数似然比序列；

(7b)利用极化码译码器，对子对数似然比序列进行二进制极化码译码，得到二进制的子译码序列，将所有的子译码序列依次首尾相连组成极化码译码序列。

2.根据权利要求1所述的多进制正交扩频信号的极化码编译码方法，其特征在于，步骤(2a)中所述的均等分割方法的具体步骤如下：

第一步，将读入的信息序列均分为多个互不重叠的子信息序列；

第二步，在均分后剩余的子信息序列的末尾补充I个零，使其长度与均分的子信息序列的长度相等，其中，I表示均分的子信息序列的长度减去均分后剩余的子信息序列的长度的值。

3.根据权利要求1所述的多进制正交扩频信号的极化码编译码方法，其特征在于，步骤(5f)中所述的对数似然比公式如下：

其中，λ_i表示十六进制码元中第i个比特的对数似然比，ln表示以自然常数为底的对数操作，表示第j个比特为1的十六进制码元，j的取值与i的取值对应相等，∈表示属于符号，表示第g个比特为1的所有十六进制码元的集合，g的取值与i的取值对应相等，P(s)表示第s个十六制码元的初始概率，s的取值与i的取值对应相等，表示第m个比特为0的十六进制码元，m的取值与i的取值对应相等，表示第h个比特为0的所有十六进制码元的集合，h的取值与i的取值对应相等，P(n)表示第n个十六制码元的初始概率，n的取值与i的取值对应相等。