CN109474283A - 具备提前终止和置信度增强的极化码译码方法及其架构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备提前终止和置信度增强的极化码BP译码方法以及其相应的硬件架构实现，其架构包括用于存储系统指令和运行逻辑的总控单元、用于完成极化码传统译码的BP译码单元和用于完成译码提前终止和置信度增强的条件判断单元，该方法包括以部分置信度为辅助的终止判断、基于置信度阈值的收敛增强、以分段式循环校验码为辅助的收敛增强等内容。本发明利用置信度稳定性的判断极大缩减传统BP译码中冗余的迭代次数，极大降低了极化码的译码延时；以置信度的数值变化趋势为依据进行置信度增强，极大加快收敛速度和收敛精度，从而进一步降低译码延时并有效保证误码率性能。

Description

具备提前终止和置信度增强的极化码译码方法及其架构
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种具备提前终止和置信度增强的极化码BP译码方法以及其相应的硬件架构实现。
背景技术
上世纪80年代以来，无线通信技术飞速发展，已成为当今通信领域内发展潜力最大、市场前景最广的热点技术。移动通信经历了第一代模拟通信(1G)，第二代蜂窝数字通信(2G)，第三代CDMA宽带通信(3G)的发展历程，目前已进入了第四代移动通信(4G)产业化的应用阶段。移动通信正朝着高速率，高容量，高频谱效率和低功耗的方向发展，不断满足人们日益增长的数据和视频需求。据主要运营商和权威咨询机构预测：移动宽带业务流量将在未来10年增长1000倍。现有4G技术在传输速率和资源利用率等方面仍然无法满足未来的需求，其无线覆盖和用户体验也有待进一步提高。世界各国在推动4G产业化工作的同时，第五代移动通信技术(5G)已经成为了国内外无线通信领域的研究热点。
5G移动通信标志性的关键技术主要体现在超高效能的无线传输技术和高密度无线网络技术。基于大规模多输入多输出(MIMO)的无线传输技术将有可能使频谱效率和功率效率在4G的基础上再提升一个量级。毋庸置疑，高性能、高效率的信道编码技术也将成为5G的一个重要研究方向。对于二进制输入的离散无记忆信道(B-DMCs)，理论上已经证明了极化码能够达到香农信道容量。作为第一个能够达到香农容量的信道编码，极化码是信息理论和无线通信领域的重大突破，引起了学术界和工业界的广泛关注。在5G移动通信的全新应用场景下，极化码将会取代Turbo码和LDPC码，在信道的纠错编码中大显身手。研究适用于5G移动通信系统的高效极化码构造及译码算法具有重大的理论意义与应用价值。
关于极化码的相关文献中，BP译码一直都存在译码延时长，译码精度不高的问题。针对译码延时，现存的解决方案主要为译码提前终止，但由于判断节点的设置，限制了译码延时的进一步降低；针对译码精度，现存的解决方案主要为置信度增强和置信度预测，用以提高收敛精度，但较高的运算复杂度难以兼顾高速译码的需求。因此，一种兼顾误码性能和低延时的提前终止方案和置信度增强方案对极化码BP译码器的高效应用就显得尤为重要。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种具备提前终止和置信度增强的极化码BP译码方法及其实现架构，可以极大的降低极化码译码延时并保证较优的误码率性能，相应的硬件架构亦给出该BP译码器的通用方案，有着较高的硬件使用效率。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种具备提前终止和置信度增强的极化码BP译码架构，包括用于存储系统指令和运行逻辑的总控单元、用于完成极化码传统译码的BP译码单元和用于完成译码提前终止和置信度增强的条件判断单元。
与极化码BP译码器相关的硬件架构，可大致分为总控模块、条件判断模块和BP译码模块，应用包含折叠、重定时技术在内的硬件设计手段，以获得具有通用性的包含提前终止和置信度增强的极化码BP译码方案。在实际设计中考虑数据的流向，以流水线运作形式对架构进行优化，从而保证较高的硬件效率和数据吞吐率。
一种具备提前终止和置信度增强的极化码BP译码方法，包括如下步骤：
1)通过总控单元选择解码需要使用的提前终止方案和置信度增强方案；
2)方案选择完毕后，总控单元将生成针对此种方案的指令集和数据存储格式，用于BP译码单元的后续解码操作；
3)接收到的极化码在BP译码单元中进行解码操作，其具体为：
3.1)顺序处理子单元从阶段1至阶段n-1传递置信度信息；
3.2)逆序处理子单元从阶段n至阶段2传递置信度信息；
3.3)符号判断子单元基于阶段2传至阶段1的置信度信息作出最后的符号判决；
4)条件判断单元与BP译码单元以每一次的单步迭代作为间隔进行信息交互，BP译码单元每一次迭代后得到置信度信息传递至条件判断单元，条件判断单元结合前后两次获取的置信度信息进行稳定性的分析和数值趋势的分析，并以总控单元中选择的方案作为计算依据，将计算得到的数值反馈给BP译码单元，当提前终止条件或置信度增强条件满足时，条件判断单元将控制BP译码单元完成相应操作；
5)当BP译码满足判断条件或达到最大迭代次数时，译码流程结束，译码器输出最终的极化码译码结果。
所述提前终止方案包括基于部分置信度值的提前终止判断方法，以预设精度eps为依据，在步骤3.2作出置信度信息稳定性判断，以保证仍以步骤3.1和步骤3.2作为迭代循环，通过改变置信度更新的步骤节点，将原先需要在符号判决步骤中完成的条件判断移动至置信度信息迭代循环步骤中，避免冗余的判决操作，保证更低的译码延时。
所述置信度增强方案包括基于置信度阈值的置信度增强和基于分段式循环校验码的置信度增强两种方法。
基于置信度阈值的置信度增强方法：依据置信度到达准稳定状态后数值单一方向变化的特点，设置正负两个判断阈值，当置信度数值达到阈值后，直接调节为系统最大值和系统最小值，加快准稳定状态后的收敛速度和收敛精度，保证较低的译码延时和较优的误码率性能。
基于分段式循环校验码的置信度增强方法：对极化码进行依据信息比特的分段式拆解，并在每个部分添加循环校验码的校验编码，在极化码的BP译码步骤中增添相应的循环校验码判断，对满足验证条件的置信度信息调节为系统最大值或系统最小值，采用循环校验码辅助的方式加快译码的收敛进程和收敛精度，保证较低译码延时和较优误码率性能。
有益效果：本发明与现有技术相比，将全新理念的译码提前终止方案和置信度增强方案应用在传统的极化码BP译码过程中，具备如下优点：
1、译码提前终止方案利用置信度稳定性的判断极大缩减了传统BP译码中冗余的迭代次数，极大降低了极化码的译码延时；
2、置信度增强方案以置信度的数值变化趋势为依据进行置信度增强，极大加快了收敛速度和收敛精度，从而进一步降低译码延时并有效保证误码率性能；
3、针对极化码译码的BP硬件架构作出时序和资源复用上的系列优化，得到具有较高通用性的译码器架构，该架构在处理速度允许的范围内，有着较低的硬件消耗和较高的硬件使用效率。
附图说明
图1是单一BP译码和采用LSA/PLA提前终止方案的误码率性能；
图2是采用LSA提前终止方案和采用PLA提前终止方案的平均迭代次数；
图3是单一BP译码和采用TB-LLR/SD-CRC置信度增强方案的误码率性能；
图4是结合了提前终止策略和置信度增强策略的通用性极化码BP译码架构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
实施例1：
如图4所示，一种具备提前终止和置信度增强的极化码BP译码架构，包括用于存储系统指令和运行逻辑的总控单元、用于完成极化码传统译码的BP译码单元和用于完成译码提前终止和置信度增强的条件判断单元。
根据如图4的架构，对一个具有n阶段的极化码进行BP译码，其具体包括如下步骤：
1)通过总控单元选择提前终止方案为基于部分置信度值的提前终止判断(PLA)、选择置信度增强方案为基于置信度阈值的置信度增强(TB-LLR)；
2)方案选择完毕后，总控单元将生成针对此种方案的指令集和数据存储格式，用于BP译码单元的后续解码操作；
3)接收到的极化码在BP译码单元中进行解码操作，其具体为：
3.1)顺序处理子单元从阶段1至阶段n-1传递置信度信息；
3.2)逆序处理子单元从阶段n至阶段2传递置信度信息；
3.3)符号判断子单元基于阶段2传至阶段1的置信度信息作出最后的符号判决；
4)条件判断单元与BP译码单元以每一次的单步迭代作为间隔进行信息交互，BP译码单元每一次迭代后得到置信度信息传递至条件判断单元，条件判断单元结合前后两次获取的置信度信息进行稳定性的分析和数值趋势的分析，并以总控单元中选择的方案作为计算依据，将计算得到的数值反馈给BP译码单元，当提前终止条件或置信度增强条件满足时，条件判断单元将控制BP译码单元完成相应操作；
5)当BP译码满足判断条件或达到最大迭代次数时，译码流程结束，译码器输出最终的极化码译码结果。
上述步骤中步骤3为传统的符号位判决(LSA)提前终止方法步骤，其为达到BP译码的提前终止，需以完整迭代的置信度信息于步骤3.3进行判决，导致步骤3.1、步骤3.2、步骤3.3构成新的更长的迭代循环，这样降低了译码效率；本实施例中通过步骤4采用基于部分置信度值的提前终止判断(PLA)，以预设精度eps为依据，在步骤3.2作出稳定性判断，以保证仍以步骤3.1和步骤3.2作为迭代循环，减少了译码耗时，其操作方式以程序化语言，描述如下：
并且在极化码的BP译码中，置信度数值在迭代初期处于不稳定阶段，在迭代中会经历大幅度的数值增加或数值减少，但当置信度数值达到一定“阈值”后，将会在接下来的迭代中持续增加或持续减少，本实施例采用基于置信度阈值的置信度增强(TB-LLR)方案，依据置信度到达准稳定状态后数值单一方向变化的特点，设置正负两个判断阈值，当置信度数值达到阈值后，直接调节为系统最大值和系统最小值，加快准稳定状态后的收敛速度和收敛精度，保证较低的译码延时和较优的误码率性能，其操作方式以程序化语言，描述如下：
实施例2：
如图4所示，一种具备提前终止和置信度增强的极化码BP译码架构，包括用于存储系统指令和运行逻辑的总控单元、用于完成极化码传统译码的BP译码单元和用于完成译码提前终止和置信度增强的条件判断单元。
根据如图4的架构，对一个具有n阶段的极化码进行BP译码，其具体包括如下步骤：
1)通过总控单元选择提前终止方案为基于部分置信度值的提前终止判断(PLA)、选择置信度增强方案为基于分段式循环校验码的置信度增强(SD-CRC)；
2)方案选择完毕后，总控单元将生成针对此种方案的指令集和数据存储格式，用于BP译码单元的后续解码操作；
3)接收到的极化码在BP译码单元中进行解码操作，其具体为：
3.1)顺序处理子单元从阶段1至阶段n-1传递置信度信息；
3.2)逆序处理子单元从阶段n至阶段2传递置信度信息；
3.3)符号判断子单元基于阶段2传至阶段1的置信度信息作出最后的符号判决；
4)条件判断单元与BP译码单元以每一次的单步迭代作为间隔进行信息交互，BP译码单元每一次迭代后得到置信度信息传递至条件判断单元，条件判断单元结合前后两次获取的置信度信息进行稳定性的分析和数值趋势的分析，并以总控单元中选择的方案作为计算依据，将计算得到的数值反馈给BP译码单元，当提前终止条件或置信度增强条件满足时，条件判断单元将控制BP译码单元完成相应操作；
5)当BP译码满足判断条件或达到最大迭代次数时，译码流程结束，译码器输出最终的极化码译码结果。
上述步骤中步骤3为传统的符号位判决(LSA)提前终止方法步骤，其为达到BP译码的提前终止，需以完整迭代的置信度信息于步骤3.3进行判决，导致步骤3.1、步骤3.2、步骤3.3构成新的更长的迭代循环，这样降低了译码效率；本实施例中通过步骤4采用基于部分置信度值的提前终止判断(PLA)，以预设精度eps为依据，在步骤3.2作出稳定性判断，以保证仍以步骤3.1和步骤3.2作为迭代循环，减少了译码耗时，其操作方式以程序化语言，描述如下：
上述步骤4中基于分段式循环校验码的置信度增强方法具体为：
设每一帧极化码具有K为信息位，将每一帧极化码分解为4个部分，并将生成多项式长度为4的循环校验码插入极化码的每一个部分，其具体的分解规则可描述为：
4.1)寻找极化码的第一个信息位，并设其为该帧第j比特；
4.2)对第一个信息位之后的每一比特i进行判断，看该比特是否属于信息比特集合
4.3)计数器进行计数，并以m表示所记录数值，若第i比特属于信息比特集合，则m的数值增加1，否则保持不变；当m＝K/4时，比特j至比特i构成拆解的1个部分；以同样的方式对剩余比特进行操作，获得另外3个部分；
4.4)在极化码拆解完成后，对每一个部分添加循环校验码的校验信息，并最终获得具有循环校验码辅助的极化码编码。
极化码的解码运算以及循环校验码的判决验证，可以用程序化的语言，描述如下：
将同一极化码分别采用单一BP译码、传统的符号位判决(LSA)提前终止方法进行BP译码以及实施例1中采用的基于部分置信度值的提前终止判断(PLA)模式进行BP译码，将译码后的误码率性能和平均迭代次数进行对比。
如图1所示为三者的码率性能对比图，可以看出结合了LSA和PLA提前终止技术的极化码译码与传统的极化码译码有着几乎相同的误码率性能，存在极小的性能损失。
如图2所示为采用LSA提前终止方案和采用PLA提前终止方案的平均迭代次数对比图，可以看出随着SNR的增大，PLA的平均迭代次数要多于LSA，但是均少于传统极化码译码的迭代次数，这里需要说明的是PLA的平均迭代次数虽然要多于LSA，但是其译码时间体现在其单步迭代内，其单步迭代的耗时要少于LSA，其总的译码耗时要短于LSA。
将同一极化码分别采用单一BP译码、实施例1的方法BP译码和实施例2的方法BP译码，由图3可知，结合了置信度增强和提前终止的译码方案，与单一BP译码相比，同时具备译码延时低和误码率性能高的优势，成为极化码译码的更优方案。

Claims (6)

1.一种具备提前终止和置信度增强的极化码BP译码架构，其特征在于：包括用于存储系统指令和运行逻辑的总控单元、用于完成极化码传统译码的BP译码单元和用于完成译码提前终止和置信度增强的条件判断单元。
2.一种具备提前终止和置信度增强的极化码BP译码方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)通过总控单元选择解码需要使用的提前终止方案和置信度增强方案；
2)方案选择完毕后，总控单元将生成针对此种方案的指令集和数据存储格式，用于BP译码单元的后续解码操作；
3)接收到的极化码在BP译码单元中进行解码操作，其具体为：
3.1)顺序处理子单元从阶段1至阶段n-1传递置信度信息；
3.2)逆序处理子单元从阶段n至阶段2传递置信度信息；
3.3)符号判断子单元基于阶段2传至阶段1的置信度信息作出最后的符号判决；
4)条件判断单元与BP译码单元以每一次的单步迭代作为间隔进行信息交互，BP译码单元每一次迭代后得到置信度信息传递至条件判断单元，条件判断单元结合前后两次获取的置信度信息进行稳定性的分析和数值趋势的分析，并以总控单元中选择的方案作为计算依据，将计算得到的数值反馈给BP译码单元，当提前终止条件或置信度增强条件满足时，条件判断单元将控制BP译码单元完成相应操作；
5)当BP译码满足判断条件或达到最大迭代次数时，译码流程结束，译码器输出最终的极化码译码结果。
3.根据权利要求2所述的一种具备提前终止和置信度增强的极化码BP译码方法，其特征在于：所述提前终止方案包括基于部分置信度值的提前终止判断方法，其具体为：以预设精度eps为依据，在步骤3.2作出置信度信息稳定性判断，以保证仍以步骤3.1和步骤3.2作为迭代循环。
4.根据权利要求2所述的一种具备提前终止和置信度增强的极化码BP译码方法，其特征在于：所述置信度增强方案包括基于置信度阈值的置信度增强和基于分段式循环校验码的置信度增强两种方法。
5.根据权利要求4所述的一种具备提前终止和置信度增强的极化码BP译码方法，其特征在于：所述基于置信度阈值的置信度增强方法具体为：依据置信度到达准稳定状态后数值单一方向变化的特点，设置正负两个判断阈值，当置信度数值达到阈值后，直接调节为系统最大值和系统最小值，加快准稳定状态后的收敛速度和收敛精度。
6.根据权利要求4所述的一种具备提前终止和置信度增强的极化码BP译码方法，其特征在于：所述基于分段式循环校验码的置信度增强方法具体为：对极化码进行依据信息比特的分段式拆解，并在每个部分添加循环校验码的校验编码，在极化码的BP译码步骤中增添相应的循环校验码判断，对满足验证条件的置信度信息调节为系统最大值或系统最小值，采用循环校验码辅助的方式加快译码的收敛进程和收敛精度。
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