CN109639290A - 一种半随机分组叠加编码及译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半随机分组叠加编码及译码方法，编码方法为：一、将u均分成组，在t＝‑m，‑(m‑1)，…，‑2，‑1，将u ^(t)初始化为0；二、在t＝0，1，…，L‑2，L‑1，u ^(t)结构性编码为v ^(t)，在1≤i≤m，u ^(t‑i)随机性编码为w ^(t‑i)，将w ^(t‑1)，w ^(t‑2)，…，w ^(t‑m)叠加到v ^(t)得到输出c ^(t)；三、在t＝L，L+1，…，L+m‑1时，u ^(t)置为0，按步骤二得到码字c ^(L)，c ^(L+1)，…，c ^(L+m‑1)。译码方法为：码字经调制后进入信道，接收机根据接收信噪比和向量y＝(y ⁽⁰⁾，y ⁽¹⁾，…，y ^(L+m‑1))进行译码并得到u的估计本发明编码结构性延迟小，构造方便，步骤简单，可通过简单的参数配置支持不同的延迟，相应的译码方法也具有较低的复杂度。

Description

一种半随机分组叠加编码及译码方法

技术领域

本发明属于数字通信和数字存储领域，特别涉及一种半随机分组叠加编码及译码方法。

背景技术

第五代移动通信定义了3个主要场景，其中之一就是超可靠低时延通信。超可靠低时延通信主要针对一些对延迟有严格限制的业务，比如自动驾驶、智能电网、工业自动化和医疗应用。然而，在有严格延迟限制的条件下设计通信系统是极为困难的，因为目前很多信道编码方案都要求较大的结构性延迟，可以在结构性延迟大时逼近信道容量，而在结构性延迟较小时却离理论界有相当的距离。因此，研究具有低结构性延迟的编码是非常有意义的。

低结构性延迟的编码主要有两类：具有较短编码长度的分组码和具有滑窗译码算法的卷积码。具有较短编码长度的分组码主要适用于需要间歇地传输短数据包的业务，常用的编码有PEG-LDPC码、多元LDPC码、咬尾卷积码和BCH码等；具有滑窗译码算法的卷积码主要适用于要求低延迟的流式业务，上述方案对于不同的参数经常需要经过精心的构造，不能通过简单的参数配置实现对不同延迟的支持。例如为了在短码长时获得较好的性能，LDPC码需要采用PEG算法构造，传统卷积码则需要借助计算机搜索寻找好码。也有些方案具有较高的译码复杂度。比如多元LDPC码，多元域的乘法运算带来了较高的复杂度，再如BCH码，需要使用复杂度高的OSD算法译码得到良好的性能。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种半随机分组叠加编码及译码方法。这种方法结构性延迟小，构造方便，步骤简单，性能优良，可以通过简单的参数配置支持不同的延迟，其相应的译码算法也具有较低的复杂度，并且通过选择合理的剪枝算法，可以较少的性能损失为代价，进一步降低译码复杂度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种半随机分组叠加编码方法，包括下述步骤：

S1:将长度为K＝kL信息序列u均等划分为L个分组，即u＝(u ⁽⁰⁾,u ⁽¹⁾,…,u ^(L-1))，设置编码记忆长度为m，并且在t＝-m,-(m-1),…,-2,-1时刻，将长度为k的信息序列u ^(t)初始化为0；

S2：在t＝0,1,…,L-2,L-1时刻，将长度为k的信息序列u ^(t)输入到编码器，输出得到长度为n的码字c ^(t)，所述编码器执行步骤如下所述：

S21:编码器首先对u ^(t)进行结构性编码，得到长度为n的信息序列v ^(t)，计算公式如下所述：

v ^(t)＝S(u ^(t))，其中S(x)是结构性编码函数；

S22:对于1≤i≤m，编码器对内部存储的前i个时刻的输入u ^(t-i)进行随机性编码，得到长度为n的信息序列w ^(t-i)，计算公式如下所述：

w ^(t-i)＝R_i(u ^(t-i))，其中R_i(x)是随机性编码函数；

S23:计算其中加法为二元域加法；

S3:在t＝L,L+1,…,L+m-1时刻，将输入u ^(t)置为0，然后执行步骤S2，得到码字c ^(L),c ^(L+1),…,c ^(L+m-1)。

作为优选的技术方案，步骤S21所述的结构性编码函数采用任意一种具有高效列表译码算法的结构性编码函数。

作为优选的技术方案，步骤S21所述的结构性编码函数采用执行列表维特比算法的卷积码函数。

作为优选的技术方案，步骤S22所述的随机性编码函数采用将两个不同输入产生半数比特不一致输出的变换函数。

作为优选的技术方案，步骤S22所述的随机性编码函数采用随机线性变换函数。

本发明还提供一种半随机分组叠加编码方法对应的译码方法，包括下述步骤：码字c ^(L),c ^(L+1),…,c ^(L+m-1)经过调制后进入信道，接收机根据接收信噪比和接收到的向量y＝(y ⁽⁰⁾,y ⁽¹⁾,…,y ^(L+m-1))进行译码并输出发送信息序列u的估计所述译码方法采用基于译码树搜索的译码方法。

作为优选的技术方案，所述译码方法的具体步骤如下所述：

S71:设定参数r₀；

S72:对于t＝0,1,…,L-2,L-1，接收机等待信息，收到t时刻和t+1时刻的信息y ^(t)、y ^(t+1)后开始译码；

S73:译码器调用结构性编码的列表译码算法，在译码树的第t层输出r₀个估计序列对于第t层每个估计序列，在第t+1层输出1个估计序列，得到

S74:按下述公式计算最大估计序列在第层的序号h：

S75:输出t时刻所发送的信息序列u ^(t)的估计

作为优选的技术方案，所述译码方法的具体步骤如下所述：

S81:设定参数r₀,r_1max；

S82:对于t＝0,1,…,L-2,L-1，若t≤L+m-3，接收机等待信息，收到t时刻，t+1时刻和t+2时刻的信息y ^(t),y ^(t+1),y ^(t+2)后开始译码；

S83:译码器调用结构性编码的列表译码算法，在译码树的第t层输出r₀个估计序列对于第t层每个估计序列，在第t+1层输出1个估计序列，得到

S84:根据度量对第t层的r₀个估计序列进行排序，并使用剪枝算法，第t层保留r₁个估计序列，记作其中，r₁≤r_1max，估计序列的度量为

S85:对于第t层每个保留的估计序列，在第t+1层输出r₀个估计序列，对于第t+1层每个估计序列，在第t+2层输出1个估计序列，得到

S86:按下述公式计算最大估计序列在第层序号₁和在第+1层的序号h₂：

S87:输出t时刻所发送的信息序列u ^(t)的估计若t＝L+m-3，同时输出

作为优选的技术方案，所述结构性编码的列表译码算法采用列表维特比算法。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明提供的半随机分组叠加编码方法结构性延迟小，构造方便，步骤简单，性能优良，可以通过简单的参数配置支持不同的延迟。

(2)本发明提供的半随机分组叠加编码方法对应的译码方法步骤简单，并且通过选择合理的剪枝算法，可以较少的性能损失为代价，进一步降低译码复杂度。

附图说明

图1为本发明的编码方法示意图；

图2为本发明的实施例1译码方法示意图；

图3为本发明的实施例2译码方法示意图；

图4为本发明设置不同的k参数的性能曲线；

图5为本发明使用不同剪枝算法的性能曲线；

图6为本发明使用不同剪枝算法的复杂度曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

在本实施例中，设置编码参数m＝1,L＝49，分别取k＝30，相应地取n＝60，结构性编码使用卷积码，生成多项式为[10111；11001]，随机性编码采用随机线性变换(输入与一个随机矩阵相乘，随机矩阵中每个元素等概率取0或1)。采用第一种译码方法，设置译码参数为r₀＝100，列表译码算法为列表维特比算法。

参照图1的编码示意图，将长度为K＝1470的信息序列u编码为长度为N＝3000码字c，包括以下步骤：

(1)将长度为K＝30×49信息序列u均等地划分为49个分组，即u＝(u ⁽⁰⁾,u ⁽¹⁾,…,u ⁽⁴⁸⁾)，设置编码记忆长度为1，并且在t＝-1时刻，将长度为k＝30的信息序列u ^(-1)初始化为0；

(2)在t＝0,1,…,47,48时刻，将长度为k＝30的信息序列u ^(t)输入编码器，得到长度为n＝60的输出c ^(t)，编码器按以下步骤工作：

(2a)编码器首先对u ^(t)进行结构性编码，得到长度为n＝60的v ^(t)＝u ^(t)G，其中G是卷积码生成矩阵；

(2b)对于1≤i≤m，编码器对内部存储的前i个时刻的输入u ^(t-i)进行随机性编码，得到长度为n＝60的w ^(t-i)＝u ^(t-i)R_i，其中R_i是随机生成的矩阵(矩阵中每个元素等概率取0或1)；

(2c)计算其中加法为二元域加法；

(3)在t＝49时刻，将输入u ⁽⁴⁹⁾置为0，然后执行步骤(2)，得到c ⁽⁴⁹⁾。

在本实施例中，上述的编码方法所得到的码字c＝(c ⁽⁰⁾,c ⁽¹⁾,…,c ⁽⁴⁹⁾)经调制后送入信道，接收机根据接收信噪比和接收到的向量y＝(y ⁽⁰⁾,y ⁽¹⁾,…,y ⁽⁴⁹⁾)进行译码并得到发送信息序列u的估计

参照图2的译码示意图，接收机进行译码包括以下步骤：

(1)设定参数r₀＝100；

(2)对于t＝0,1,…,47,48，接收机等待信息，收到了t时刻和t+1时刻的信息y ^(t),y ^(t+1)后开始译码；

(3)译码器调用结构性编码的列表译码算法，在译码树的第t层输出100个估计序列对于第t层每个估计序列，在第t+1层输出1个估计序列，得到

(4)按下述公式计算最大估计序列在第层的序号h：

其中，argmax是一个通用的数学符号，Pr表示第i个序列的度量，argmax表示将i可能取的值代入计算一遍，然后将取得最大值的i记录下来。所以h是一个序号，表示第h个估计序列是所有序列里度量最大的。

(5)输出t时刻所发送的信息序列u ^(t)的估计

仿真结果如图4所示，在本实施例中也使用参数k＝60(相应地，n＝120)按以上步骤进行仿真。结果表明，所提出的编码方案在较低的延迟下性能良好，并且可以通过简单地改变参数(k＝30和k＝60)，适应不同的延迟条件。

实施例2

设置编码参数m＝1,L＝49,k＝30,n＝60，结构性编码使用卷积码，生成多项式为[10111；11001]，随机性编码采用随机线性变换(输入与一个随机矩阵相乘，随机矩阵中每个元素等概率取0或1)。采用第二种译码方法，设置译码参数为r₀＝100,r_1max＝10。列表译码算法为列表维特比算法。剪枝算法A为只保留前5个估计序列，删除后续所有估计序列。

参照图1的编码示意图，将长度为K＝1470的信息序列u编码为长度为N＝3000码字c，包括以下步骤：

(1)将长度为K＝30×49的信息序列u均等地划分为49个分组，即u＝(u ⁽⁰⁾,u ⁽¹⁾,…,u ⁽⁴⁸⁾)，设置编码记忆长度为1，并且在t＝-1时刻，将长度为k＝30的信息序列u ^(-1)初始化为0；

(2)在t＝0,1,…,47,48时刻，将长度为k＝30的信息序列u ^(t)输入编码器，得到长度为n＝60的输出c ^(t)，编码器按以下步骤工作：

(2a)编码器首先对u ^(t)进行结构性编码，得到长度为n＝60的v ^(t)＝u ^(t)G，其中G是卷积码生成矩阵；

(2b)对于1≤i≤m，编码器对内部存储的前i个时刻的输入u ^(t-i)进行随机性编码，得到长度为n＝60的w ^(t-i)＝u ^(t-i)R_i，其中R_i是随机生成的矩阵(矩阵中每个元素等概率取0或1)；

(2c)计算其中加法为二元域加法；

(3)在t＝49时刻，将输入u ⁽⁴⁹⁾置为0，然后执行步骤(2)，得到c ⁽⁴⁹⁾。

在本实施例中，上述编码方法所得到的码字c＝(c ⁽⁰⁾,c ⁽¹⁾,…,c ⁽⁴⁹⁾)经过调制后送入信道，接收机根据接收信噪比和接收到的向量y＝(y ⁽⁰⁾,y ⁽¹⁾,…,y ⁽⁴⁹⁾)进行译码并得到发送信息序列u的估计参照图3的译码示意图，接收机进行译码包括以下步骤：

(1)设定参数r₀＝100,r_1max＝10；

(2)对于t＝0,1,…,47,48，若t≤47，接收机等待信息，收到了t时刻，t+1时刻和t+2时刻的信息y ^(t),y ^(t+1),y ^(t+2)后开始译码；

(3)译码器调用结构性编码的列表译码算法，在译码树的第t层输出100个估计序列对于第t层每个估计序列，在第t+1层输出1个估计序列，得到

(4)根据度量对第t层的100个估计序列进行排序，并使用剪枝算法A，第t层保留保留r₁(满足r₁≤10)个估计序列，记作其中，估计序列的度量为

(5)对于第t层每个保留的估计序列，在第t+1层输出100个估计序列，对于第t+1层每个估计序列，在第t+2层输出1个估计序列，得到

(6)按下述公式计算最大估计序列在第层序号₁和在第+1层的序号h₂：

(7)输出t时刻所发送的信息序列u ^(t)的估计若t＝47，同时输出

在本实施例中也使用剪枝算法B(剪枝算法B为当某个估计序列的度量与上一个估计序列的度量比值小于300时，删除后续估计序列，保留前面的估计序列)按以上步骤进行仿真。仿真结果如图5所示，复杂度如图6所示，结果表明，所提出的编码方案在较低的延迟下性能良好，译码复杂度低。通过选择合理的剪枝算法，可用较少的性能损失为代价，进一步降低译码复杂度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种半随机分组叠加编码方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：将长度为K＝kL的信息序列u均等划分为L个分组，u＝(u ⁽⁰⁾，u ⁽¹⁾，…，u ^(L-¹⁾)，设置编码记忆长度为m，并且在t＝-m，-(m-1)，…，-2，-1时刻，将长度为k的信息序列u ^(t)初始化为0；

S2：在t＝0，1，…，L-2，L-1时刻，将长度为k的信息序列u ^(t)输入到编码器，输出得到长度为n的码字c ^(t)，所述编码器执行下述步骤：

S21：编码器首先对u ^(t)进行结构性编码，得到长度为n的信息序列v ^(t)，计算公式如下所述：

v ^(t)＝S(u ^(t))，其中S(x)是结构性编码函数；

S22：对于1≤i≤m，编码器对内部存储的前i个时刻的输入u ^(t-i)进行随机性编码，得到长度为n的信息序列w(^t-i)，计算公式如下所述：

w ^(t-i)＝R_i(u ^(t-i))，其中R_i(x)是随机性编码函数；

S23：计算其中加法采用二元域加法；

S3：在t＝L，L+1，…，L+m-1时刻，将输入u(t)置为0，然后执行步骤S2，得到码字c ^(L)，c ^{(L +1)}，…，c ^(L+m-1)。

2.根据权利要求1所述的一种半随机分组叠加编码方法，其特征在于，步骤S21所述的结构性编码函数采用任意一种具有高效列表译码算法的结构性编码函数。

3.根据权利要求1或2所述的一种半随机分组叠加编码方法，其特征在于，步骤S21所述的结构性编码函数采用执行列表维特比算法的卷积码函数。

4.根据权利要求1所述的一种半随机分组叠加编码方法，其特征在于，步骤S22所述的随机性编码函数采用将两个不同输入产生半数比特不一致输出的变换函数。

5.根据权利要求1或4所述的一种半随机分组叠加编码方法，其特征在于，步骤S22所述的随机性编码函数采用随机线性变换函数。

6.一种半随机分组叠加编码方法对应的译码方法，其特征在于，包括下述步骤：码字c(^L)，c(^L+1)，…，c ^(L+m-1)经过调制后进入信道，接收机根据接收信噪比和接收到的向量y＝(y ⁽⁰⁾，y ⁽¹⁾，…，y ^(L+m-1))进行译码并输出发送信息序列u的估计所述译码方法采用基于译码树搜索的译码方法。

7.根据权利要求6所述的译码方法，其特征在于，所述译码方法的具体步骤如下所述：

S71：设定参数r₀；

S72：在t＝0，1，…，L-2，L-1，接收机等待信息，收到t时刻和t+1时刻的信息y ^(t)、y ^(t+1)后开始译码；

S73：译码器调用结构性编码的列表译码算法，在译码树的第t层输出r₀个估计序列对于第t层每个估计序列，在第t+1层输出1个估计序列，得到

S74：按下述公式计算最大估计序列在第t层的序号h：

S75：输出t时刻所发送的信息序列u ^(t)的估计

8.根据权利要求6所述的译码方法，其特征在于，所述译码方法的具体步骤如下所述：

S81：设定参数r₀，r_1max；

S82：在t＝0，1，…，L-2，L-1，若t≤L+m-3，接收机等待信息，收到t时刻，t+1时刻和t+2时刻的信息y ^(t)，y ^(t+1)，y ^(t+2)后开始译码；

S83：译码器调用结构性编码的列表译码算法，在译码树的第t层输出r₀个估计序列对于第t层每个估计序列，在第t+1层输出1个估计序列，得到

S84：根据度量对第t层的r₀个估计序列进行排序，并使用剪枝算法，第t层保留r₁个估计序列，记作其中，r₁≤r_1max，估计序列的度量为

S85：对于第t层每个保留的估计序列，在第t+1层输出r₀个估计序列，对于第t+1层每个估计序列，在第t+2层输出1个估计序列，得到

S86：按下述公式计算最大估计序列在第t层序号h₁和在第t+1层的序号h₂：

S87：输出t时刻所发送的信息序列u ^(t)的估计若t＝L+m-3，同时输出

9.根据权利要求7或8所述的译码方法，其特征在于，所述结构性编码的列表译码算法采用列表维特比算法。