CN108923891B - 一种突发信道下的极化码的编译码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于信道编码技术领域，具体涉及一种突发信道下的极化码的编译码方法。本发明的方案在编码端，设计了单突发差错信道与AWGN信道的混合信道下极化码的构造方法；在信道前后设计了随机交织器与解交织器使得突发差错离散化；在译码端，设计了相应的译码算法对新构造方法下的极化码进行译码。运用本结构的极化码与原有方案相比，能够在编码前提前预知信道中可能会出现的突发差错的情况并据此对极化码的构造方法进行了改进，使得极化码在历经突发干扰信道时的性能得到显著的提升，具备一定的抗突发干扰的能力。

Description

一种突发信道下的极化码的编译码方法
技术领域
本发明属于信道编码技术领域，具体涉及一种突发信道下的极化码的编译码方法。
背景技术
极化码是Arikan Erdal于2007年提出的一种信道编码方法，在二进制离散无记忆信道下，当码长为无限长时，极化码是现有可证明的唯一一种能够达到信道容量的编码方法。在移动通信中，由于无线信道的复杂性和时间变化，信号在传输期间可能经历不同种类的衰落，基于此情况，Fan H L，Bravo-Santos A.和Liu S提出了用于衰落信道的极化码的构造。然而在实际情况中，还存在一种信道传输错误连续突然的发生，这里称之为突发错误。这种错误的发生受多种因素的影响，例如在移动电话信道中，其突发差错是由多径传输而导致的信号衰落引起的；在电缆传输中可能受脉冲开关噪声和串扰的影响；以及一些人为噪声，如利用电磁干扰来破坏或降低敌方电子设备和系统在电子对抗中的有效传输。为了抵抗较长的突发错误，传统的通信方案通常需要大量的自动重复请求协议来提高系统的错误控制性能，这将大大增加计算复杂度。
发明内容
本发明的目的在于，针对实际通信中因受多重因素的影响，干扰往往造成成串的连续的突发差错的问题，提出了一种突发差错信道中的极化码编译码方法。该方法在编码端使用一种单突发差错信道与AWGN信道的混合信道下极化码的构造方法对极化码进行构造继而编码产生码字，在通过信道前设计了随机交织器使突发差错离散化，并且在译码端设计了对应单突发差错信道与AWGN信道的混合信道下极化码的译码算法，对接收的码字进行译码校验，完成整个极化码译码。
本发明的技术方案如下：
设码长为N比特，其中N＝2n的极化码的码字，码率为R，总的信息位比特为K＝NR比特。在这里我们假设发端已知信道中可能发生的突发差错的长度，并依据此信息设计了改进的突发信道中极化码的构造算法。为了使信道中发生的突发差错对传输数据的影响分散化，我们使用了随机交织器对编码码字进行辅助传输，即将编码完成后的码字进行随机交织的操作，并将随机交织后的编码码字通过突发模拟信道，在接收端对接收信息进行解交织操作。最后对接收端的接收信息进行分段CRC辅助的自适应的SCL译码、校验，最大保存路径为L条。
为方便起见，对于一次N比特的传输，本方案中将突发错误设为基于AWGN信道传输的一段长度为Lburst(Lburst<N)连续的单突发差错，发生突发差错的位置是随机的，且取到这些位置的概率相等，其产生突发差错的信息结构如图1所示。突发干扰从第i个比特开始，在第j个比特结束，令
Figure GDA0002642003580000021
表示信道的输入序列，
Figure GDA0002642003580000022
表示通过信道W的输出序列，可以得到，
Figure GDA0002642003580000023
nk为加性高斯白噪声；
在本方案中使用了随机交织器对编码码字进行辅助传输。将编码完成后的码字进行随机交织的操作，并将随机交织后的编码码字通过模拟的突发信道，在接收端对接收信息进行解交织操作，即可将通过信道时的突发差错离散化随机化。经过此操作后，将随机交织器、突发信道、解交织器这三部分看作一个整体，可以得到一个等效的有着两个状态的信道W，即一个混合信道，其结构如图2所示。在传送信息的过程中，信道W以概率形式呈现不同状态：呈现AWGN信道状态的概率为p1，呈现一个删除概率为1的BEC信道的概率为p2。
由于在信道中引入了交织使得突发错误随机化，对于突发差错的长度Lburst(Lburst<N)，可以得到信道W状态的概率值p1＝(N-Lburst)/N，p2＝Lburst/N。由上文可知AWGN信道的噪声方差为σ2，可以得到等效信道W的概率转移函数W(y|x)为
Figure GDA0002642003580000024
在得到了等效信道W的转移概率函数W(y|x)的计算方法之后，根据巴氏参数定义，
Figure GDA0002642003580000025
推导得等效信道W的巴氏参数Z(W)为：
Figure GDA0002642003580000031
对于删除符号ε，在仿真实现时，接收端会将删除符号ε设置为0，即表示接收端从接收到的0符号中没有得到任何信息，在效果上与删除符号等价。此时，突发长度为Lburst的突发信道下的极化码，便可以等效为信道W下的极化码。
由随机交织器辅助的突发长度为Lburst的突发信道下，码长为N，消息长度为K的极化码编译码方法，具体步骤如下：
第一步：极化信道可靠性的计算；
1)根据等效信道W的巴氏参数计算公式计算得其巴氏参数Z(W)；
2)根据极化信道的递归计算公式
Figure GDA0002642003580000032
Figure GDA0002642003580000033
递归计算得到全部N个极化信道
Figure GDA0002642003580000034
的巴氏参数
Figure GDA0002642003580000035
3)根据得到的巴氏参数
Figure GDA0002642003580000036
选择出K个巴氏参数值最小的位置，构成信息位集合A；
第二步：对信息位进行CRC辅助的编码；
第三步：对生成的码字经过突发信道进行传输，在通过信道前先利用随机交织器将编码码字进行交织，在通过信道后将接收信息进行解交织操作，以此来将信道中的突发干扰随机化；
第四步：接收端对接收到的信息进行译码，得到信息估计。
1)突发噪声的功率非常大，即σ2 noise＞＞σ2，消息信号会被突发噪声完全淹没。接收端可以通过接收到的信号的功率，来判断当前位置接收到的信号是否被突发噪声淹没，对于被突发噪声淹没的信号，将接收结果丢弃，并将其标为删除符号ε；
2)接收到的标记有符号ε的发生了突发干扰位置，对于接收端来说该位置的接收信息是无用的也即对应的发送端的信息是未知的，因此我们将这些干扰信道的译码判决的对数似然比值LLR设为0，也即将接收到的干扰传输的信息yi设为0，基于此更新接收信息的向量
Figure GDA0002642003580000041
3)将更新的接收信息
Figure GDA0002642003580000042
应用于译码计算中，这里我们运用的是CRC辅助的自适应的SCL译码方法，得到译码最终结果。
本发明的有益效果为，本发明基于传统AWGN信道中的极化码构造的方法，提出了在实际通信中应用场景更为广泛的突发干扰信道下的极化码的编译码方法。该方法借助随机交织器构建了一个可以将信道中连续的单突发差错分散化的突发干扰信道模型，在编码前使用一种适用于单突发差错信道与AWGN信道的混合信道下极化码的构造方法进行构造并编码产生码字，在译码端设计了对应的极化码的译码算法，对接收的信息进行译码校验。该方法能够在编码前提前预知信道中可能会出现的突发差错的情况，并据此对极化码的构造方法进行了改进，使得极化码在历经突发干扰信道时的性能得到显著的提升，具备一定的抗突发干扰的能力，为实际通信带来很大的性能提升。
附图说明
图1是突发位置示意图；
图2是随机交织器辅助的极化码编译码系统框图；
图3是单突发信道和AWGN信道的混合信道下的构造方法和传统构造方法的极化码性能对比示意图；
图4是突发干扰较为极端的情况下的极化码性能示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，详细说明本发明的技术方案。
在本发明中，提出了一种简单有效的单突发差错信道与AWGN信道的混合信道下极化码的构造方法。根据该信道的特性，构建了一个等效的混合信道的信道模型，根据该等效信道的特征设计了一种改进的信息位选择方法，并在接收端相应的改进了译码方法，同时在信道前后辅助随机交织器，使信道中发生的突发差错对传输数据的影响分散化随机化，进一步提高了极化码的性能，该优化方法使得有限长的极化码具有良好的抗突发干扰的性能。此外，本发明中优化的构造方法可以在代码长度1024，码率0.25时完全纠正超过400位长度的突发错误，然而BLDPC码和Turbo码可以分别校正长度为t≤86位和q≤41位的突发错误。因此本发明中的极化码拥有比BLDPC码和Turbo码更优的突发纠错能力，也即抗突发干扰的能力，为极化码在通信中的应用带来了很大程度上的性能提升。
实施例
本例码长为N＝256比特的极化码的码字，码率R＝0.5，总的信息位比特为K＝NR＝128比特。为进一步提高极化码的编译码的性能，本例使用的是CRC辅助校验的自适应的SCL译码算法，现在牺牲一定的信息比特(16位)作为CRC校验比特位，译码过程中的最大保存路径设置为为L＝32条。信息比特经过编码、信道传输，最后对接收端的接受信息进行译码、校验，最大保存路径为L条。突发长度为Lburst的突发信道下的极化码编译码方法，具体步骤如下：
第一步：极化信道可靠性的计算；
4)根据等效信道W的巴氏参数计算公式计算得其巴氏参数Z(W)；
5)根据极化信道的递归计算公式
Figure GDA0002642003580000051
Figure GDA0002642003580000052
递归计算得到全部256个极化信道
Figure GDA0002642003580000053
的巴氏参数
Figure GDA0002642003580000054
6)根据得到的巴氏参数
Figure GDA0002642003580000055
选择出K个巴氏参数值最小的位置，构成信息位集合A；
第二步：对信息位进行CRC辅助的编码；
第三步：对生成的码字经过突发信道进行传输，在通过信道前先利用随机交织器将编码码字进行交织，在通过信道后将接收信息进行解交织操作，以此来将信道中的突发干扰随机化；
第四步：接收端对接收到的信息进行译码，得到信息估计。
3)突发噪声的功率非常大，即σ2 noise＞＞σ2，消息信号会被突发噪声完全淹没。接收端可以通过接收到的信号的功率，来判断当前位置接收到的信号是否被突发噪声淹没，对于被突发噪声淹没的信号，将接收结果丢弃，并将其标为删除符号ε；
4)接收到的标记有符号ε的发生了突发干扰位置，对于接收端来说该位置的接收信息是无用的也即对应的发送端的信息是未知的，因此我们将这些干扰信道的译码判决的对数似然比值LLR设为0，也即将接收到的干扰传输的信息yi设为0，基于此更新接收信息的向量
Figure GDA0002642003580000061
5)将更新的接收信息
Figure GDA0002642003580000062
应用于译码计算中，这里我们运用的是CRC辅助的自适应的SCL译码方法，得到译码最终结果。
如图3所示，为本发明中的优化的构造方法与传统构造方法的极化码的性能的比较，此时，码长为N＝256，码率为R＝0.5，最大保存路径为L＝32，并且两种信息都通过由随机交织器辅助的单突发错误信道。由图3可以看出，当突发长度分别为80和60时，优化方法优于传统方法，并且在误比特率BER为10-3时分别提供约0.1dB和0.5dB的增益。这证明，除了可以通过将信道中的突发错误进行交织操作来离散连续错误进而改善极化码的性能，本发明中的优化的极化码构造方法在提高性能方面也起到了重要作用。
图4展示了当信道中突发干扰较为极端的情况下本发明的构造方法的良好性能，这里码长为N＝1024，K＝256即码率R＝0.25，这里我们将参数突发比率定义为描述突发错误长度与码字长度之比。对于信道中突发干扰达到60％的情况，当信噪比SNR约为8.4dB时，误比特率BER可以降低至10-5以下，当SNR约为8.2dB时，可以使帧错误率(FER)降低至10-4。图4还表明，若信道中突发错误的长缩短也即随着突发干扰程度的下降，极性码的性能将会提高。正如我们从图4中可以看到的，当信道中的突发比率分别为40％和50％时，相比于信道中突发比率为60％的情况，在误比特率达到10-4时，其信噪比将分别获得大约3dB和1.8dB的增益。
由此可以看出，突发差错信道下新的构造方法构造的极化码其误码性能确实要超出传统方法构造的极化码，本发明提出的单突发差错信道与AWGN信道的混合信道下极化码的构造方法比传统AWGN信道中的极化码构造方法在抗突发干扰的性能上具有很大优越性，该方法能够在编码前提前预知信道中可能会出现的突发差错的情况，使得极化码在历经突发干扰信道时的性能得到显著的提升，具备一定的抗突发干扰的能力，为实际通信带来很大的性能提升。

Claims (1)

1.一种突发信道下的极化码的编译码方法，设定码长为N比特，即N＝2n的极化码的码字，码率为R，总的信息位比特为K＝NR比特，且将突发错误设为基于AWGN信道传输的一段长度为Lburst连续的单突发差错，Lburst<N，发生突发差错的位置是随机的，取到这些位置的概率相等；突发干扰从第i个比特开始，在第j个比特结束，令
Figure FDA0002642003570000011
表示信道的输入序列，
Figure FDA0002642003570000012
表示通过信道W的输出序列，得到：
Figure FDA0002642003570000013
其中，nk为加性高斯白噪声；
在传送信息的过程中，信道W以概率形式呈现不同状态：呈现AWGN信道状态的概率为p1，呈现一个删除概率为1的BEC信道的概率为p2；则得到信道W状态的概率值p1＝(N-Lburst)/N，p2＝Lburst/N；令AWGN信道的噪声方差为σ2，得到等效信道W的概率转移函数W(y|x)为：
Figure FDA0002642003570000014
其特征在于，所述编译码方法包括以下步骤：
S1、获取极化信道的可靠性，具体为：
S11、根据等效信道W的巴氏参数计算公式计算得其巴氏参数Z(W)：
Figure FDA0002642003570000015
ε为删除符号；
S12、根据极化信道的递归计算公式：
Figure FDA0002642003570000016
Figure FDA0002642003570000017
递归计算得到全部N个极化信道
Figure FDA0002642003570000018
的巴氏参数
Figure FDA0002642003570000019
S13、根据得到的巴氏参数
Figure FDA0002642003570000021
选择出K个巴氏参数值最小的位置，构成信息位集合A；
S2、对信息位进行CRC辅助的编码；
S3、对生成的码字经过突发信道进行传输，在通过信道前先利用随机交织器将编码码字进行交织，在通过信道后将接收信息进行解交织操作，以此来将信道中的突发干扰随机化；
S4、接收端对接收到的信息进行译码，得到信息估计，具体包括：
S41、若突发噪声的功率非常大，即σ2 noise＞＞σ2，消息信号会被突发噪声完全淹没；接收端通过接收到的信号的功率，来判断当前位置接收到的信号是否被突发噪声淹没，对于被突发噪声淹没的信号，将接收结果丢弃，并将其标为删除符号ε；
S42、接收到的标记有符号ε的发生了突发干扰位置，对于接收端来说该位置的接收信息是无用的也即对应的发送端的信息是未知的，将这些干扰信道的译码判决的对数似然比值LLR设为0，也即将接收到的干扰传输的信息yi设为0，基于此更新接收信息的向量
Figure FDA0002642003570000022
S43、将更新的接收信息
Figure FDA0002642003570000023
应用于译码计算中，运用CRC辅助的自适应的SCL译码方法，得到译码最终结果，具体为：对于码长为N＝256比特的码字，码率R＝0.5，采用16位信息比特作为CRC校验比特位，译码过程中的最大保存路径设置为为L＝32条，信息比特经过编码、信道传输，最后对接收端的接受信息进行译码、校验，最大保存路径为L条。
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