CN109889266B - 基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码方法和系统 - Google Patents

基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码方法和系统 Download PDF

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CN109889266B CN201910088926.3A CN201910088926A CN109889266B CN 109889266 B CN109889266 B CN 109889266B CN 201910088926 A CN201910088926 A CN 201910088926A CN 109889266 B CN109889266 B CN 109889266B
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Abstract

本发明公开了一种基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码方法，包括：S2，根据初始化设置的信噪比求出信道的初始似然值，利用高斯逼近量化算法求出每个子信道的对数似然比
Figure DDA0001962624970000011
根据每个子信道的对数似然比
Figure DDA0001962624970000012
得到N个子信道的巴氏参数Z(W)，N为设定的极化码的码长；S3，将N个子信道的巴氏参数进行排序，根据码率从排序后的巴氏参数选择出信息位集合和冻结位集合；从而分析出各个子信道的好坏；巴氏参数越小，代表信道的信道容量越大，这样就可以挑选出更优的信道。S4，将信息位集合结合生成矩阵GN；S5，根据生成的矩阵GN将待传输的源信息
Figure DDA0001962624970000013
线性映射为编码序列
Figure DDA0001962624970000014
完成可见光通信信道下极化码的编码。

Description

基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码方法和系统
技术领域
本发明涉及可见光通信的信道编码技术领域，具体涉及一种基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码方法和系统。
背景技术
可见光通信是未来通信的一个发展趋势，在兼顾照明的同时还提供了通信功能。与RF相比，其具有安全性高，绿色通信，并且可以免费使用400THz到800THz之间的频谱，免电磁干扰，可以使用在飞机机舱、医院以及石化行业等射频敏感的领域。可见光通信系统包括三个部分：可见光通信发射部分、可见光通信信道模型、可见光通信接收部分。发送端LED驱动电路将待发送信息经过编码，调制发送到LED上，以光信号的形式发射出去，调制后的信号经过可见光通信信道传输后到达接受端。接收端的光电探测器和信号处理电路将接收到的光信号转化为电信号，然后经过放大、采样、解调以及解码来恢复用户有效信息。在信息传输的过程中，不可避免地会引入噪声。为了降低误码率或提高信道增益，信道编码技术被应用在可见光通信系统中。
极化码是2009年由土耳其科学家E.Arikan提出的。极化码属于一种线性分组码，已经作为5G eMBB场景下控制信道的编码方案，在码长无限长时已被证明可以达到香农极限。对于任意一个B-DMC信道W，利用一定的线性变化，使各个子信道的信道容量呈现出不同的变化并且随着码长N的增加，各个子信道的信道容量趋于两个极端。一类是信道容量为0的纯噪声信道，另一类是没有噪声的信道容量为1的无噪声信道。在极化码的传输过程中，将信息比特放在信道容量为1的无噪声子信道上进行传输，将冻结比特放在信道容量为0的纯噪声子信道进行传输，这样能很好的降低误码率和提高信道增益。所以基于极化码的信道编码关键之处在于信道的挑选问题。
当然，基于极化码的信道编码中，极化码中生成矩阵的构造也是非常重要的。生成矩阵
Figure GDA0003348666970000021
其中
Figure GDA0003348666970000022
BN为逆比特置换矩阵，
Figure GDA0003348666970000023
RN为逆洗牌操作，I2表示两阶单位矩阵。
此外，基于极化码的信道编码中，极化码的另外一个关键就是译码算法。其中一种译码算是CA-SCL译码算法。CA-SCL译码算法是在SC译码算法的基础上建立起来的。SC译码算法就是指，为了对ui进行译码操作，我们需要利用
Figure GDA0003348666970000024
和
Figure GDA0003348666970000025
的值。译码必须是串行执行的，最开始应该对u1译码，接着按照标号的递增顺序对后续的比特进行译码，直到进行到最后一个比特得到完整的估计序列为止。在接收端接收到信息序列
Figure GDA0003348666970000026
后，考虑第i个比特ui对应的分裂信道
Figure GDA0003348666970000027
当该比特通过信道
Figure GDA0003348666970000028
时，对数似然比为：
Figure GDA0003348666970000029
由于消息序列
Figure GDA00033486669700000210
是由消息比特以及冻结比特组成的，所以先要针对当前的ui是否消息比特做出判断，当ui是消息比特时，则
Figure GDA00033486669700000211
Figure GDA00033486669700000212
否则，直接令ui＝0(假设收发双方约定冻结比特取0)。
SCL算法与SC算法相比，共同点是在操作过程中都是从译码树的根源节点逐渐向叶部节点进行路径的搜索与判断。SC译码算法是选择局部最优解，进行“0”和“1”的扩展，而SCL译码算法在局部最优解的情况下还保留其他相对比较优的解，保留L个最优解，然后选择一个存储路径度量值最小的路径当做译码结果，并将其路径上对应的比特输出，即译码比特结果。在SCL译码算法的基础上引入CRC校验就是在初始信息后加入CRC校验码，然后进行极化码编码。然后在接收端使用SCL算法译码后对所得码字进行CRC校验，则可得到最终译码结果。
在可见光通信系统中，调制方法包括OOK调制、PPM调制、PAM调制以及OFDM调制等。中国发明专利106788724A公开了一种基于极化码的可见光通信系统及其实现方法，该方法基于OOK调制，结合极化码编码方法，详细介绍了可见光通信系统的实现流程。但是在信道的挑选问题上，该专利并没有做过多地描述，无从得知其具体地选择信道方案。而基于上述描述，信道选择问题是极化码信道编码的关键之处，只有将好信道与坏信道挑选出来，才可以进行正确的编码操作。因此，行业内急需研发一种能够选择良好信道的极化码编码方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码方法。
本发明的另一目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码系统。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码方法，包括：
S1，设置可见光通信模型和调制方法；根据所述可见光通信模型和调制方法，得到用于描述信道好坏的巴氏参数的表达式；
S2，根据初始化设置的信噪比求出信道的初始似然值，利用高斯逼近量化算法求出每个子信道的对数似然比
Figure GDA0003348666970000041
根据每个子信道的对数似然比
Figure GDA0003348666970000042
得到N个子信道的巴氏参数Z(W)，N为设定的极化码的码长；
S3，将N个子信道的巴氏参数进行排序，根据码率从排序后的巴氏参数选择出信息位集合和冻结位集合；
S4，将信息位集合结合生成矩阵GN；
S5，根据生成的矩阵GN将待传输的源信息
Figure GDA0003348666970000043
线性映射为编码序列
Figure GDA0003348666970000044
完成可见光通信信道下极化码的编码。
优选地，所述可见光通信模型为y；
y＝SX+n；
其中，SX为光实际信道模型，s表示可见光实际信道模型的瞬时增益；n为AWGN模型，n是均值为零，方差为σ2的加性高斯白噪声，且s与n相互独立；
所述调制方法为开关键控调制方式，其中，信息1代表LED光源的亮，信息0分别代表LED光源的灭；
根据上述的可见光通信模型以及开关键控调制方式，当发送比特为0时，信道输出的似然函数为：
Figure GDA0003348666970000045
当发送比特为1时，信道输出的似然函数为：
Figure GDA0003348666970000051
根据巴氏参数的定义，巴氏参数的表达式为
Figure GDA0003348666970000052
优选地，步骤S2包括：
利用高斯逼近量化算法对对数似然比
Figure GDA0003348666970000053
求均值，得到每个子信道的巴氏参数Z(W)；其中对数似然比
Figure GDA0003348666970000054
是一簇服从均值为
Figure GDA0003348666970000055
方差为
Figure GDA0003348666970000056
的序列，6是噪声信道方差；
Figure GDA0003348666970000057
其中EbNo表示信噪比，N表示的是编码比特长度，K表示的是信息比特长度。(K-24)是因为我们采用了CRC辅助校验的译码算法，校验比特长度为24；
当信噪比EbNo已知时，初始似然值的均值为
Figure GDA0003348666970000058
令
Figure GDA0003348666970000059
则根据每个子信道的对数似然比
Figure GDA00033486669700000510
得到N个子信道的巴氏参数Z(W)的计算公式为：
Figure GDA00033486669700000511
Figure GDA00033486669700000512
的均值计算公式如下：
若i为奇数则：
Figure GDA0003348666970000061
若i为偶数则：
Figure GDA0003348666970000062
其中：
Figure GDA0003348666970000063
优选地，步骤S3包括：
将N个子信道的巴氏参数从小到大进行排序；当在码率为R时，选择前N*R个信道作为发送信息比特的信道，其余作为发送冻结比特的信道，其中子集A＝[1，2，...，N]，子集A表示信息位集合，子集A的补集Ac来表示冻结位集合。
优选地，所述生成的矩阵为
Figure GDA0003348666970000064
其中
Figure GDA0003348666970000065
BN为比特翻转矩阵，
Figure GDA0003348666970000066
编码序列
Figure GDA0003348666970000067
Figure GDA0003348666970000068
优选地，步骤S5之后包括：序列
Figure GDA0003348666970000069
在可见光信道进行传输；接收端接收信息序列
Figure GDA00033486669700000610
后，利用CA-SCL译码算法得到译码比特结果；根据译码比特结果进行误码率的分析。
本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：
一种基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码系统，包括：巴氏参数表达式计算模块、信道巴氏参数得到模块、巴氏参数排序模块、矩阵生成模块和映射模块；所述巴氏参数表达式计算模块，用于设置可见光通信模型和调制方法；根据所述可见光通信模型和调制方法，得到用于描述信道好坏的巴氏参数的表达式；所述信道巴氏参数得到模块，用于根据初始化设置的信噪比求出信道的初始似然值，利用高斯逼近量化算法求出每个子信道的对数似然比
Figure GDA0003348666970000071
根据每个子信道的对数似然比
Figure GDA0003348666970000072
得到N个子信道的巴氏参数Z(W)，N为设定的极化码的码长；所述巴氏参数排序模块，用于将N个子信道的巴氏参数进行排序，根据码率从排序后的巴氏参数选择出信息位集合和冻结位集合；所述矩阵生成模块，用于将信息位集合结合生成矩阵CN；所述映射模块，用于根据生成的矩阵GN将待传输的源信息
Figure GDA0003348666970000073
线性映射为编码序列
Figure GDA0003348666970000074
完成可见光通信信道下极化码的编码。
优选地，包括：所述可见光通信模型为y；
y＝sx+n；
其中，SX为光实际信道模型，s表示可见光实际信道模型的瞬时增益；n为AWGN模型，n是均值为零，方差为σ2的加性高斯白噪声，且s与n相互独立；
所述调制方法为开关键控调制方式，其中，信息1代表LED光源的亮，信息0分别代表LED光源的灭；
根据上述的可见光通信模型以及开关键控调制方式，当发送比特为0时，信道输出的似然函数为：
Figure GDA0003348666970000075
当发送比特为1时，信道输出的似然函数为：
Figure GDA0003348666970000081
根据巴氏参数的定义，巴氏参数的表达式为
Figure GDA0003348666970000082
优选地，所述信道巴氏参数得到模块，还用于利用高斯逼近量化算法对对数似然比
Figure GDA0003348666970000083
求均值，得到每个子信道的巴氏参数Z(W)；其中对数似然比
Figure GDA0003348666970000084
是一簇服从均值为
Figure GDA0003348666970000085
方差为
Figure GDA0003348666970000086
的序列，6是噪声信道方差；
Figure GDA0003348666970000087
其中EbNo表示信噪比，N表示的是编码比特长度，K表示的是信息比特长度。(K-24)是因为我们采用了CRC辅助校验的译码算法，校验比特长度为24；
当信噪比EbNo已知时，初始似然值的均值为
Figure GDA0003348666970000088
令
Figure GDA0003348666970000089
则根据每个子信道的对数似然比
Figure GDA00033486669700000810
得到N个子信道的巴氏参数Z(W)的计算公式为：
Figure GDA00033486669700000811
Figure GDA00033486669700000812
的均值计算公式如下：
若i为奇数则：
Figure GDA0003348666970000091
若i为偶数则：
Figure GDA0003348666970000092
其中：
Figure GDA0003348666970000093
优选地，所述巴氏参数排序模块，还用于将N个子信道的巴氏参数从小到大进行排序；当在码率为R时，选择前N*R个信道作为发送信息比特的信道，其余作为发送冻结比特的信道，其中子集A＝[1，2，...，N]，子集A表示信息位集合，子集A的补集Ac来表示冻结位集合。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
本方案通过设置可见光通信模型和调制方法；根据所述可见光通信模型和调制方法，得到用于描述信道好坏的巴氏参数的表达式；根据初始化设置的信噪比求出信道的初始似然值，利用高斯逼近量化算法求出每个子信道的对数似然比，根据每个子信道的对数似然比得到N个子信道的巴氏参数，N为设定的极化码的码长；将N个子信道的巴氏参数进行排序，根据码率从排序后的巴氏参数选择出信息位集合和冻结位集合；从而分析出各个子信道的好坏；巴氏参数越小，代表信道的信道容量越大，这样就可以挑选出更优的信道。将信息位集合结合生成矩阵GN；根据生成的矩阵GN将待传输的源信息
Figure GDA0003348666970000094
线性映射为编码序列序列
Figure GDA0003348666970000095
完成可见光通信信道下极化码的编码，相比于传统的蒙特卡洛构造方法，降低了子信道容量计算的复杂度，减少了极化码构造的时间。
附图说明
图1是本发明的基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码方法的示意性流程图。
图2是可见光通信模型示意图。
图3为当初始信噪比为2时，选取码长为1024，利用高斯近似方法得到的巴氏参数分布图，横坐标为合成信道的索引号，纵坐标为巴氏参数Z(W)的取值；
图4为当初始信噪比为2时，选取码长为1024，利用高斯近似方法得到的巴氏参数分布图，横坐标将巴氏参数Z(W)等分成10份，纵坐标为Z(W)落在每个区间的个数；
图5为设置一帧码长为1024，码率为1/2，选取CA-SCL译码算法，当保留路径数L为2，CRC校验码长为24，帧数为1000时，得到的误码率与信噪比的关系曲线；
图6为选用LDPC码作为可见光通信的编码方法，得到的误码率与信噪比的关系曲线；
图7是本发明的基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，一种基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码方法，包括：
S1，设置可见光通信模型和调制方法；根据所述可见光通信模型和调制方法，得到用于描述信道好坏的巴氏参数的表达式；
S2，根据初始化设置的信噪比求出信道的初始似然值，利用高斯逼近量化算法求出每个子信道的对数似然比
Figure GDA0003348666970000111
根据每个子信道的对数似然比
Figure GDA0003348666970000112
得到N个子信道的巴氏参数Z(W)，N为设定的极化码的码长；
S3，将N个子信道的巴氏参数进行排序，根据码率从排序后的巴氏参数选择出信息位集合和冻结位集合；
S4，将信息位集合结合生成矩阵GN；
S5，根据生成的矩阵GN将待传输的源信息
Figure GDA0003348666970000113
线性映射为编码序列
Figure GDA0003348666970000114
完成可见光通信信道下极化码的编码。
在步骤S1中，参见图2，在可见光通信系统中，白色LED灯既是光源，也是信号源。考虑LED灯的光线服从朗伯模型，光功率随发光角度的朗伯分布可表达为
Figure GDA0003348666970000115
m为朗伯指数，可表达为
Figure GDA0003348666970000116
φ1/2为发光半角，φ为发射光线与发射器法线方向夹角。
接收器被建模为活动区域Ar的光电探测器，收集入射角小于光电探测器视角(FOV)的入射光线。设ga为滤波器的光学增益系数，ψ为入射到光电探测器的入射角，具体如附图2所示。
根据LED发射器与光电探测器接收器之间的相对方式，通信链路可以分为两类：视距信道以及非视距信道。经过试验测试得到，可见光通信的接收信号主要是直接发射的视距得到的，所以本案例采用的是视距链路。即根据LED发射器模型、光电探测器接收器模型以及经过试验测试，选取视距信道作为可见光通信链路模型，构造了可见光通信传输模型。由上所述得到直射信道增益为：
Figure GDA0003348666970000121
在信息的传输过程中，不可避免地会引入噪声，所以可见光通信系统传输模型由可见光实际信道模型以及AWGN模型组成。数字模型可以描述为：
y＝sx+n；
其中，sx为光实际信道模型，s表示可见光实际信道模型的瞬时增益；n为AWGN模型，n是均值为零，方差为σ2的加性高斯白噪声，且s与n相互独立；
所述调制方法为开关键控(OOK)调制方式，其中，信息1代表LED光源的亮，信息0分别代表LED光源的灭；根据可见光通信的特殊性，由于光发射机发送的光信号不可能取负值，所以所有的调制方式必须满足非负约束的条件。OOK调制简单易操作，且容易用硬件电路实现。
根据上述的可见光通信模型以及开关键控调制方式，当发送比特为0时，信道输出的似然函数为：
Figure GDA0003348666970000122
当发送比特为1时，信道输出的似然函数为：
Figure GDA0003348666970000123
根据巴氏参数的定义，巴氏参数的表达式为
Figure GDA0003348666970000131
在步骤S2中，采用高斯近似的方法，将巴氏参数与信道对数似然比的均值联系起来，分析得到：
Figure GDA0003348666970000132
具体地，步骤S2包括：
利用高斯逼近量化算法对对数似然比
Figure GDA0003348666970000133
求均值，得到每个子信道的巴氏参数Z(W)；其中对数似然比
Figure GDA0003348666970000134
是一簇服从均值为
Figure GDA0003348666970000135
方差为
Figure GDA0003348666970000136
的序列，
Figure GDA0003348666970000137
是噪声信道方差；
Figure GDA0003348666970000138
其中EbNo表示信噪比，N表示的是编码比特长度，K表示的是信息比特长度。(K-24)是因为我们采用了CRC辅助校验的译码算法，校验比特长度为24；
当信噪比EbNo已知时，初始似然值的均值为
Figure GDA0003348666970000139
令
Figure GDA00033486669700001310
则根据每个子信道的对数似然比
Figure GDA00033486669700001311
导到N个子信道的巴氏参数Z(W)的计算公式为：
Figure GDA00033486669700001312
Figure GDA0003348666970000141
的均值计算公式如下：
若i为奇数则：
Figure GDA0003348666970000142
若i为偶数则：
Figure GDA0003348666970000143
其中：
Figure GDA0003348666970000144
初始化的
Figure GDA0003348666970000145
σ2为初始信道噪声的方差。
具体地，步骤S3包括：将N个子信道的巴氏参数从小到大进行排序；当在码率为R时，选择前N*R个信道作为发送信息比特的信道，其余作为发送冻结比特的信道，其中子集A＝[1，2，...，N]，子集A表示信息位集合，子集A的补集Ac来表示冻结位集合，从而分析出各个子信道的好坏；巴氏参数越小，代表信道的信道容量越大，这样就可以挑选出更优的信道。
在步骤S4中，所述生成的矩阵为
Figure GDA0003348666970000146
其中
Figure GDA0003348666970000147
BN为比特翻转矩阵，
Figure GDA0003348666970000148
编码序列
Figure GDA0003348666970000149
为：
Figure GDA00033486669700001410
举例：选取初始信噪比SNR为2，码长为1024，码率为1/2，CRC中校验码长为24，保留路径为2时，得到的巴氏参数随着索引号的变化情况，结果如附图3所示；
将上述得到的巴氏参数按区间进行划分，从0到1分成10份，结果如图4所示，处于左右两个极端的信道数目最多。经过分析可得，子信道的容量趋于两个极端，一部分的对称信道容量变为1，一部分的信道容量变为0。因此就可以在等于1的那一部分信道发送信息比特，而在等于0的那一部分信道发送冻结比特，这样就可以得到信道传递效率的最大转化。附图4也很好地解释了信道极化现象，表明采用高斯近似的方法可以很好地完成信道的挑选过程；
选用极化码作为可见光通信的编码方法，得出误码率与信噪比的关系曲线，如附图5。仿真环境设置为：码长为1024，码率为1/2，CRC中校验码长为24，保留路径为2，采用CA-SCL译码算法。从图中可以看出，在信噪比为6时，误码率接近于1e-2；
为了表示极化码在可见光通信信道中具有优良的性能，我们选用LDPC码作为可见光通信的编码方法，得出误码率与信噪比的关系曲线，如附图6。仿真环境设置为：码长为1024，码重为3，采用BP译码算法。从图中可以看出，在信噪比为1.7时，误码率接近于1e-2。相比于LDPC码来说，在误码率为1e-2时，极化码可得到大约4.3dB的编码增益提升，性能得到了很大的提升。
参见图7、上述一种基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码方法适用的基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码系统，包括：巴氏参数表达式计算模块、信道巴氏参数得到模块、巴氏参数排序模块、矩阵生成模块和映射模块；所述巴氏参数表达式计算模块，用于设置可见光通信模型和调制方法；根据所述可见光通信模型和调制方法，得到用于描述信道好坏的巴氏参数的表达式；所述信道巴氏参数得到模块，用于根据初始化设置的信噪比求出信道的初始似然值，利用高斯逼近量化算法求出每个子信道的对数似然比
Figure GDA0003348666970000161
根据每个子信道的对数似然比
Figure GDA0003348666970000162
得到N个子信道的巴氏参数Z(W)，N为设定的极化码的码长；所述巴氏参数排序模块，用于将N个子信道的巴氏参数进行排序，根据码率从排序后的巴氏参数选择出信息位集合和冻结位集合；所述矩阵生成模块，用于将信息位集合结合生成矩阵GN；所述映射模块，用于根据生成的矩阵GN将待传输的源信息
Figure GDA0003348666970000163
线性映射为编码序列
Figure GDA0003348666970000164
完成可见光通信信道下极化码的编码。
在本实施例，所述可见光通信模型为y；
y＝SX+n；
其中，SX为光实际信道模型，s表示可见光实际信道模型的瞬时增益；n为AWGN模型，n是均值为零，方差为σ2的加性高斯白噪声，且s与n相互独立；
所述调制方法为开关键控调制方式，其中，信息1代表LED光源的亮，信息0分别代表LED光源的灭；
根据上述的可见光通信模型以及开关键控调制方式，当发送比特为0时，信道输出的似然函数为：
Figure GDA0003348666970000165
当发送比特为1时，信道输出的似然函数为：
Figure GDA0003348666970000166
根据巴氏参数的定义，巴氏参数的表达式为
Figure GDA0003348666970000171
在本实施例，所述信道巴氏参数得到模块，还用于利用高斯逼近量化算法对对数似然比
Figure GDA0003348666970000172
求均值，得到每个子信道的巴氏参数Z(W)；其中对数似然比
Figure GDA0003348666970000173
是一簇服从均值为
Figure GDA0003348666970000174
方差为
Figure GDA0003348666970000175
的序列，6是噪声信道方差；
Figure GDA0003348666970000176
其中EbNo表示信噪比，N表示的是编码比特长度，K表示的是信息比特长度。(K-24)是因为我们采用了CRC辅助校验的译码算法，校验比特长度为24；
当信噪比EbNo已知时，初始似然值的均值为
Figure GDA0003348666970000177
令
Figure GDA0003348666970000178
则根据每个子信道的对数似然比
Figure GDA0003348666970000179
得到N个子信道的巴氏参数Z(W)的计算公式为：
Figure GDA00033486669700001710
Figure GDA00033486669700001711
的均值计算公式如下：
若i为奇数则：
Figure GDA00033486669700001712
若i为偶数则：
Figure GDA0003348666970000181
其中：
Figure GDA0003348666970000182
在本实施例，所述巴氏参数排序模块，还用于将N个子信道的巴氏参数从小到大进行排序；当在码率为R时，选择前N*R个信道作为发送信息比特的信道，其余作为发送冻结比特的信道，其中子集A＝[1，2，...，N]，子集A表示信息位集合，子集A的补集Ac来表示冻结位集合。
(1)本发明针对可见光通信系统，结合可见光通信传输模型以及OOK调制方法，提出了一种基于高斯近似的极化码构造方法，相比于传统的蒙特卡洛构造方法，降低了子信道容量计算的复杂度，减少了极化码构造的时间。
(2)本发明将描述信道好坏的巴氏参数与每个子信道的LLR(对数似然比)均值联系起来，省去了计算错误概率这一积分操作，大大的降低了计算的复杂性，使得算法更为简洁，为后面极化码的应用提供了想法。
(3)本发明将极化码应用在可见光通信系统信道编码上，与RS码、LDPC码相比，误码率以及误帧率有了很大的提升，为以后可见光通信的发展提供了技术支持。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码方法，其特征在于，包括：
S1，设置可见光通信模型和调制方法；根据所述可见光通信模型和调制方法，得到用于描述信道好坏的巴氏参数的表达式；
S2，根据初始化设置的信噪比求出信道的初始似然值，利用高斯逼近量化算法求出每个子信道的对数似然比
Figure FDA0003506409700000011
根据每个子信道的对数似然比
Figure FDA0003506409700000012
得到N个子信道的巴氏参数Z(W)，N为子信道个数；
S3，将N个子信道的巴氏参数进行排序，根据码率从排序后的巴氏参数选择出信息位集合和冻结位集合；
S4，将信息位集合结合生成矩阵GN；
S5，根据生成的矩阵GN将待传输的源信息
Figure FDA0003506409700000013
线性映射为编码序列
Figure FDA0003506409700000014
完成可见光通信信道下极化码的编码；
步骤S2包括：
利用高斯逼近量化算法对对数似然比
Figure FDA0003506409700000015
求均值，得到每个子信道的巴氏参数Z(W)；其中对数似然比
Figure FDA0003506409700000016
是一簇服从均值为
Figure FDA0003506409700000017
方差为
Figure FDA0003506409700000018
的序列，
Figure FDA0003506409700000019
是噪声信道方差；
Figure FDA00035064097000000110
其中EbNo表示信噪比，K表示的是信息比特长度，(K-24)是因为采用了CRC辅助校验的译码算法，校验比特长度为24；
当信噪比EbNo已知时，初始似然值的均值为
Figure FDA0003506409700000021
令
Figure FDA0003506409700000022
则根据每个子信道的对数似然比
Figure FDA0003506409700000023
得到N个子信道的巴氏参数Z(W)的计算公式为：
Figure FDA0003506409700000024
Figure FDA0003506409700000025
的均值计算公式如下：
若i为奇数则：
Figure FDA0003506409700000026
若i为偶数则：
Figure FDA0003506409700000027
其中：
Figure FDA0003506409700000028
2.根据权利要求1所述的基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码方法，其特征在于，所述可见光通信模型为y；
y＝sx+n；
其中，SX为光实际信道模型，s表示可见光实际信道模型的瞬时增益；n为AWGN模型，是均值为零、方差为σ2的加性高斯白噪声；且s与n相互独立；
所述调制方法为开关键控调制方式，其中，信息1代表LED光源的亮，信息0分别代表LED光源的灭；
根据所述可见光通信模型以及开关键控调制方式，当发送比特为0时，信道输出的似然函数为：
Figure FDA0003506409700000031
当发送比特为1时，信道输出的似然函数为：
Figure FDA0003506409700000032
根据巴氏参数的定义，巴氏参数的表达式为
Figure FDA0003506409700000033
3.根据权利要求1所述的基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码方法，其特征在于，步骤S3包括：
将N个子信道的巴氏参数从小到大进行排序；当在码率为R时，选择前N*R个信道作为发送信息比特的信道，其余作为发送冻结比特的信道，其中子集A＝[1,2,...,N]，子集A表示信息位集合，子集A的补集Ac来表示冻结位集合。
4.根据权利要求3所述的基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码方法，其特征在于，所述生成的矩阵为
Figure FDA0003506409700000034
其中
Figure FDA0003506409700000035
BN为比特翻转矩阵，
Figure FDA0003506409700000036
编码序列
Figure FDA0003506409700000037
为：
Figure FDA0003506409700000038
5.根据权利要求1所述的基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码方法，其特征在于，步骤S5之后包括：
序列
Figure FDA0003506409700000041
在可见光信道进行传输；
接收端接收信息序列
Figure FDA0003506409700000042
后，利用CA-SCL译码算法得到译码比特结果；
根据译码比特结果进行误码率的分析。
6.一种基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码系统，其特征在于，包括：巴氏参数表达式计算模块、信道巴氏参数得到模块、巴氏参数排序模块、矩阵生成模块和映射模块；
所述巴氏参数表达式计算模块，用于设置可见光通信模型和调制方法；根据所述可见光通信模型和调制方法，得到用于描述信道好坏的巴氏参数的表达式；
所述信道巴氏参数得到模块，用于根据初始化设置的信噪比求出信道的初始似然值，利用高斯逼近量化算法求出每个子信道的对数似然比
Figure FDA0003506409700000043
根据每个子信道的对数似然比
Figure FDA0003506409700000044
得到N个子信道的巴氏参数Z(W)，N为子信道个数；
所述巴氏参数排序模块，用于将N个子信道的巴氏参数进行排序，根据码率从排序后的巴氏参数选择出信息位集合和冻结位集合；
所述矩阵生成模块，用于将信息位集合结合生成矩阵GN；
所述映射模块，用于根据生成的矩阵GN将待传输的源信息
Figure FDA0003506409700000045
线性映射为编码序列
Figure FDA0003506409700000046
完成可见光通信信道下极化码的编码；
所述信道巴氏参数得到模块，还用于利用高斯逼近量化算法对对数似然比
Figure FDA0003506409700000047
求均值，得到每个子信道的巴氏参数Z(W)；其中对数似然比
Figure FDA0003506409700000048
是一簇服从均值为
Figure FDA0003506409700000051
方差为
Figure FDA0003506409700000052
的序列，
Figure FDA0003506409700000053
是噪声信道方差；
Figure FDA0003506409700000054
其中EbNo表示信噪比，K表示的是信息比特长度，(K-24)是因为采用了CRC辅助校验的译码算法，校验比特长度为24；
当信噪比EbNo已知时，初始似然值的均值为
Figure FDA0003506409700000055
令
Figure FDA0003506409700000056
则根据每个子信道的对数似然比
Figure FDA0003506409700000057
得到N个子信道的巴氏参数Z(W)的计算公式为：
Figure FDA0003506409700000058
Figure FDA0003506409700000059
的均值计算公式如下：
若i为奇数则：
Figure FDA00035064097000000510
若i为偶数则：
Figure FDA00035064097000000511
其中：
Figure FDA00035064097000000512
7.根据权利要求6所述的基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码系统，其特征在于，包括：所述可见光通信模型为y；
y＝sx+n；
其中，SX为光实际信道模型，s表示可见光实际信道模型的瞬时增益；n为AWGN模型，是均值为零、方差为σ2的加性高斯白噪声；且s与n相互独立；
所述调制方法为开关键控调制方式，其中，信息1代表LED光源的亮，信息0分别代表LED光源的灭；
根据所述可见光通信模型以及开关键控调制方式，当发送比特为0时，信道输出的似然函数为：
Figure FDA0003506409700000061
当发送比特为1时，信道输出的似然函数为：
Figure FDA0003506409700000062
根据巴氏参数的定义，巴氏参数的表达式为
Figure FDA0003506409700000063
8.根据权利要求6所述的基于高斯近似的可见光通信信道的极化编码系统，其特征在于，所述巴氏参数排序模块，还用于将N个子信道的巴氏参数从小到大进行排序；当在码率为R时，选择前N*R个信道作为发送信息比特的信道，其余作为发送冻结比特的信道，其中子集A＝[1,2,...,N]，子集A表示信息位集合，子集A的补集Ac来表示冻结位集合。
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