CN109873686B - 一种基于极化码的5g广播信道合并接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法，属于信道编译码技术领域。本发明在发送端利用高斯近似对各子信道可靠程度进行估计，将各传输块相同信息比特映射到可靠程度较低的信息比特子信道中，将不同信息比特映射到可靠程度较高的信息比特子信道中，在接收端，对于不同信息比特，各传输块分别做判决，对于相同信息比特，将各传输块的软信息进行合并后统一做判决。本发明在有效提升译码正确率的同时，降低了广播信道成功接收的时延。

Description

一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法

技术领域

本发明涉及一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法，属于信道编译码技术领域。

背景技术

第五代移动通信系统(the fifth generation communication system,5G)是为了应对数据流量和设备连接数剧增、超低时延等的需求而产生的。要想实现这些指标需求，5G必须在多方面技术上有所突破。由于无线信道存在干扰和衰落，信号在传输的过程中可能会出错，信道编码技术通过增加信息冗余量来抵抗并纠正恶劣信道带来的错误。高效的编译码方案可以减少系统的业务开销，增加网络的覆盖率和数据传输的可靠性，改善频谱效率。构造可达或逼近系统信道容量的信道编码算法，降低译码算法的复杂度，一直是信道编译码技术中研究的目标。

信道编码的发展经历了从2G系统的卷积码到3G、4G系统的Turbo码，由于5G对性能指标有着很高的要求，之前的信道编码技术不能再满足要求。国际无线标准化组织(the3rd Generation Partnership Project,3GPP)确定了5G广播信道的信道编码方案为极化码(polar code)。极化码是Erdal Arikan于2007年首次提出的，它是目前唯一可理论证明达到香农极限的编码方式，其具有线性的编译码复杂度。

极化码的编码基于信道极化现象，通过将独立同性质的信道合并成一个信道，再根据转移概率拆分为相互独立的极化信道，使得各信道的容量呈现极化分布的状态。容量较高的极化信道上传输信息比特，容量较低的极化信道上传输收发双发均已知的冻结比特。

对于极化码的译码算法，Arikan在其论文中给出了基于递归结构的串行消除(Successive Cancellation,SC)译码算法，其译码复杂度低，但各个信道传输比特的译码之间相互有关联，会造成错误传递。在后续研究中出现了对SC算法的改进，包括串行消除列表(Successive Cancellation List,SCL)译码算法、CRC辅助的串行消除列表(CRC AidedSuccessive Cancellation List,CA-SCL)译码算法，均提升了性能。

5G的广播信道中，传输块(Transport Block,TB)周期为80ms，在每个传输块中包含32位信息比特和24位CRC，在半帧内的不同传输块中，3位SSB index不同，导致24位CRC不同，因此，在半帧内不同传输块的56位信息比特中，有29位相同比特和27位不同比特。

其中，5G广播信道指的是5G协议里的PBCH(物理广播信道)，不是空口发送的时候那个广播的形式；5G里这种信道划分是按里面穿的内容分的，比如广播信道就是放广播信息，控制信道放的是一些调度信息，信令的信息，业务信道放的是业务数据。

发明内容

本发明的目的在于针对5G广播信道中不同传输块内信息比特不完全相同导致的译码前无法合并的技术缺陷，提出了一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法，在译码过程中，对于传输块间的相同比特进行软信息合并，并根据合并后的软信息判决比特；而对于不同比特，各传输块根据自己的软信息进行判决，不增加译码时延的前提下，提高广播信道译码正确率。

其中，软信息是指对数似然比值，英文全称为Log Likelihood Ratio，缩写为LLR；

一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法，具体包括以下步骤：

步骤一、发送端对K个传输块分别进行编码、调制并通过加性高斯白噪声信道传输，具体包括如下子步骤：

步骤1.A：系统初始化循环计数最大值K，循环计数值k＝1；

步骤1.B：发送端基于高斯近似对各子信道可靠程度进行估计并排序，选取可靠程度最低的子信道映射冻结比特，其他子信道映射信息比特；

步骤1.C：对第k个传输块的信息比特序列加扰并添加CRC校验码，得到添加CRC校验后的序列；

其中，添加CRC校验后的序列记为

I为添加CRC校验后序列的长度；

步骤1.D：对第k个传输块进行映射，得到子信道映射后序列；具体为：

从传输信息比特的子信道中选取可靠程度较低的子信道映射第k个传输块中相同的信息比特，选取可靠程度较高的子信道映射第k个传输块中不同的信息比特，得到子信道映射后序列；

其中，其他子信道指除可靠程度最低的子信道以外的子信道，冻结比特的集合用F表示，相同信息比特的集合用C表示，不同信息比特的集合用D表示；子信道映射后序列记为

M为子信道映射后序列的长度；

步骤1.E：发送端对子信道映射后序列进行极化编码，得到极化编码后的序列；

其中，极化编码后的序列记为

N为极化编码后序列的长度；

步骤1.F：发射端对极化编码后序列进行BPSK调制，得到调制后的符号序列；

其中，调制后的符号序列记为

步骤1.G：发射端将步骤1.F输出的调制后的符号序列输入到无线信道；

其中，无线信道为加性高斯白噪声信道，其输入输出关系为y＝s+n，其中，n为加性高斯白噪声；

步骤1.H：判断循环计数值k是否已经达到计数最大值K，并决定是否完成步骤一，具体为：

若是，则完成步骤一，跳至步骤二；

若否，则令k＝k+1，跳至步骤1.C；

步骤二、接收端接收经加性高斯白噪声信道传输的符号序列，并进行译码初始化，具体包括如下子步骤：

步骤2.A：译码器设置循环计数最大值K，初始化循环计数值k＝1；

步骤2.B：接收端接收经加性高斯白噪声信道传输的第k个传输块的符号序列；

其中，接收的符号序列记为

步骤2.C：接收端对接收的符号序列进行译码初始化，即按(1)式计算当前传输块接收的符号序列的对数似然比值：

其中，ln是以e为底的对数，

对应着极化编码后的序列

中的第i个元素，

对应着接收到的符号序列

中的第i个元素；

步骤2.D：判断循环计数值k是否已经达到计数最大值K，并决定是否完成步骤一，具体为：

若是，则完成步骤二；

若否，则令k＝k+1，跳至步骤2.B；

步骤三、接收端对步骤二接收的K个传输块进行合并接收译码，具体包括如下子步骤：

步骤3.A：译码器初始化循环计数最大值N，循环计数值i＝1；

步骤3.B：译码器初始化循环计数最大值K，循环计数值k＝1；

步骤3.C：接收端基于SC译码计算得到第k个传输块中第i个比特的对数似然比值，记为

其中，y_k对应着

对应着判决得到的子信道映射后序列

步骤3.D：判断循环计数值k是否已经达到计数最大值K，若是，则跳至步骤3.E，若否，则令k＝k+1，跳至步骤3.C；

步骤3.E：接收端对第i个比特进行判决，具体为：

若第i个比特属于冻结比特集合F，将该比特直接判为0；

若第i个比特属于相同信息比特集合C，按(2)式计算各传输块对应对数似然比值之和

根据得到的LLR值之和，按(3)式对该比特进行判决：

若第i个比特属于不同信息比特集合D，对每个传输块分别按(4)式对该比特进行判决：

步骤3.F：判断循环计数值i是否已经达到计数最大值N，并决定是否完成步骤三，具体为：

若是，则输出K个传输块的译码结果，完成步骤三；

若否，则令i＝i+1，跳至步骤3.B；

步骤四、对步骤三输出的K个传输块的译码结果分别进行CRC校验，输出校验结果；

至此，经过步骤一到步骤四，完成了一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法。

有益效果

本发明提出的一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、在译码过程中，对不同传输块相同信息比特的对数似然比值进行合并，可以有效提高译码的可靠性，避免更多传输块的传输，降低了广播信道成功传输的时延；

2、在编码过程中，依据高斯近似算法对各子信道的可靠程度进行估计并排序，选取传输信息比特的子信道中可靠程度较低的子信道映射各传输块的相同信息比特集合，可最大化合并接收对提高译码可靠性的增益。

附图说明

图1为本发明“一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法中5G广播信道加扰和编码流程；

图2为本发明“一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法”的整体流程图；

图3为本发明“一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法”具体实施例在实施本方法后的BLER仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法进行详细说明。

实施例1

本实施例在发送端包含4个传输块，每个传输块包含长度为32比特的信息序列u，其中29比特为相同的信息比特，3比特为不同的信息比特，每个传输块对信息序列添加24比特的CRC校验码，进行极化编码和BPSK调制，在AWGN信道中传输，其中码长为128比特。在接收端采用本发明提出的基于极化码的5G广播信道合并接收方法进行译码。仿真通信链路得到SNR和BLER的关系曲线。同时，在相同条件下与各传输块分别单独接收仿真得到的BLER进行比较，验证本发明的效果。图1为本发明“一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法”编码过程中的加扰与编码流程。图2为本发明“一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法”的整体流程图；图3为本发明“一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法”具体实施例中BLER与SNR的仿真关系曲线图。

其具体操作流程如下：

步骤A、对信息序列进行加扰并添加CRC；

具体到本实施例，初始化循环计数值k＝1，计数最大值K＝4，对第k个传输块长度为32比特的信息序列

进行加扰操作，并添加24比特的CRC校验码，得到序列

其中各传输块前29比特为相同信息比特，后27比特为不同信息比特，若循环计数值k达到计数最大值K，则完成步骤A，否则令k＝k+1，重复上述操作；

步骤B、对添加CRC后的序列进行极化编码；

具体到本实施例，利用高斯近似对各子信道的可靠程度进行估计并排序，将第k个传输块对应的添加CRC后的序列

中相同信息比特映射到可靠程度较低的信息比特子信道中，将不同信息比特映射到可靠程度较高的信息比特子信道中，得到子信道映射后序列

在本实施例中，相同信息比特映射子信道集合为C＝{32,48,54,55,56,58,59,60,61,76,78,79,80,84,86,87,90,91,93,100,101,102,103,105,106,107,109,113,114}，不同信息比特映射子信道集合为D＝{62,63,64,88,92,94,95,96,104,108,110,111,112,115,116,117,118,119,120,121,122,123,124,125,126,127,128}；

步骤C、对子信道映射后序列进行polar编码，得到编码后序列；

具体到本实施例，初始化循环计数值k＝1，计数最大值K＝4，对第k个传输块对应的子信道映射后序列

进行polar编码，码长为128比特，得到极化编码后的序列

若循环计数值k达到计数最大值K，则完成步骤C，否则令k＝k+1，重复上述操作；

步骤D、对编码后的序列进行BPSK调制，并在AWGN信道中传输；

具体到本实施例，初始化循环计数值k＝1，计数最大值K＝4，对第k个传输块对应的极化编码后的序列

进行BPSK调制，得到调制后符号序列

得到调制后的符号序列

并在AWGN信道中传输，若循环计数值k达到计数最大值K，则完成步骤D，否则令k＝k+1，重复上述操作；

步骤E、接收端接收经加性高斯白噪声信道传输的符号序列，并送入译码器初始化；

具体到本实施例，初始化循环计数值k＝1，计数最大值K＝4，将第k个传输块对应的接收的符号序列

送入译码器初始化，按照(1)式初始化各传输块接收符号的对数似然比值，若循环计数值k达到计数最大值K，则完成步骤E，否则令k＝k+1，重复上述操作；

步骤F、接收端对接收符号序列进行合并译码；

具体到本实施例，初始化循环计数值i＝1，计数最大值N＝128，对各传输块基于SC译码计算得到第i个比特的对数似然比值，将第k个传输块对应的第i个比特的对数似然比值记为

若第i个比特属于冻结比特集合F，将其判为0，若第i个比特属于相同信息比特集合C，依据(2)、(3)式对其进行判决，若第i个比特属于不同信息比特集合D，对各传输块依据(4)式进行判决，若循环计数值i达到计数最大值N，则完成步骤F，否则令i＝i+1，重复上述操作；

步骤G、对各传输块的译码结果分别进行CRC校验，输出校验结果。

从步骤A到步骤G，完成了本实施例一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法。

实施例1的仿真结果如图3所示，图3是基于极化码的5G广播信道合并接收方法(码长为128比特)的BLER与各传输块分别单独接收在相同仿真条件下的BLER对比，在BLER为10^-2时，采用合并接收方法相对分别单独接收方法可以提供约0.3dB的增益。

从图3可以看出，基于极化码的5G广播信道合并接收方法的性能与传统极化码BP译码方法相比，可以有效提升正确率，一定程度上减少正确译码需要的传输块数。因此，本发明提出的一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法可以提高译码正确率，降低5G广播信道成功译码时延。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、发送端对K个传输块分别进行编码、调制并通过加性高斯白噪声信道传输，具体包括如下子步骤：

步骤1.A：系统初始化循环计数最大值K，循环计数值k＝1；

步骤1.B：发送端基于高斯近似对各子信道可靠程度进行估计并排序，选取可靠程度最低的子信道映射冻结比特，其他子信道映射信息比特；

步骤1.C：对第k个传输块的信息比特序列加扰并添加CRC校验码，得到添加CRC校验后的序列；

其中，添加CRC校验后的序列记为

I为添加CRC校验后序列的长度；

步骤1.D：将第k个传输块对应的添加CRC后的序列中相同信息比特映射到可靠程度较低的信息比特子信道中，将不同信息比特映射到可靠程度较高的信息比特子信道中，得到子信道映射后序列；

步骤1.E：发送端对子信道映射后序列进行极化编码，得到极化编码后的序列；

其中，极化编码后的序列记为

N为极化编码后序列的长度；

步骤1.F：发射端对极化编码后序列进行BPSK调制，得到调制后的符号序列；

其中，调制后的符号序列记为

步骤1.G：发射端将步骤1.F输出的调制后的符号序列输入到无线信道；

步骤1.H：判断循环计数值k是否已经达到计数最大值K，并决定是否完成步骤一，具体为：

若是，则完成步骤一，跳至步骤二；

若否，则令k＝k+1，跳至步骤1.C；

步骤二、接收端接收经加性高斯白噪声信道传输的符号序列，并进行译码初始化，具体包括如下子步骤：

步骤2.A：译码器设置循环计数最大值K，初始化循环计数值k＝1；

步骤2.B：接收端接收经加性高斯白噪声信道传输的第k个传输块的符号序列；

其中，接收的符号序列记为

步骤2.C：接收端对接收的符号序列进行译码初始化，即按(1)式计算当前传输块接收的符号序列的对数似然比值

其中，ln是以e为底的对数，

对应着极化编码后的序列

中的第i个元素，

对应着接收到的符号序列

中的第i个元素；

步骤2.D：判断循环计数值k是否已经达到计数最大值K，并决定是否完成步骤二，具体为：

若是，则完成步骤二；

若否，则令k＝k+1，跳至步骤2.B；

步骤三、接收端对步骤二接收的K个传输块进行合并接收译码，具体包括如下子步骤：

步骤3.A：译码器初始化循环计数最大值M，循环计数值i＝1；

步骤3.B：译码器初始化循环计数最大值K，循环计数值k＝1；

步骤3.C：接收端基于SC译码计算得到第k个传输块中第i个比特的对数似然比值，记为

其中，y_k对应着

对应着判决得到的子信道映射后序列

步骤3.D：判断循环计数值k是否已经达到计数最大值K，若是，则跳至步骤3.E，若否，则令k＝k+1，跳至步骤3.C；

步骤3.E：接收端对第i个比特进行判决，具体为：

若第i个比特属于冻结比特集合F，将该比特直接判为0；

若第i个比特属于相同信息比特集合C，按(2)式计算各传输块对应对数似然比值之和

根据得到的LLR值之和，按(3)式对该比特进行判决：

若第i个比特属于不同信息比特集合D，对每个传输块分别按(4)式对该比特进行判决：

步骤3.F：判断循环计数值i是否已经达到计数最大值M，并决定是否完成步骤三，具体为：

若是，则输出K个传输块的译码结果，完成步骤三；

若否，则令i＝i+1，跳至步骤3.B；

步骤四、对步骤三输出的K个传输块的译码结果分别进行CRC校验，输出校验结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法，其特征在于：步骤1.D中，从传输信息比特的子信道中选取可靠程度较低的子信道映射第k个传输块中相同的信息比特，选取可靠程度较高的子信道映射第k个传输块中不同的信息比特，得到子信道映射后序列。

3.根据权利要求1所述的一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法，其特征在于：其他子信道指除可靠程度最低的子信道以外的子信道，冻结比特的集合用F表示，相同信息比特的集合用C表示，不同信息比特的集合用D表示；子信道映射后序列记为

M为子信道映射后序列的长度。

4.根据权利要求1所述的一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法，其特征在于：步骤1.G中，无线信道为加性高斯白噪声信道，其输入输出关系为y＝s+n，其中，n为加性高斯白噪声。

5.根据权利要求1所述的一种基于极化码的5G广播信道合并接收方法，其特征在于：步骤3.E中，对于相同信息比特，按照(2)式和(3)式将各传输块的对数似然比值合并后进行判决。

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