CN109889308A - 物联网中联合极化编译码的混合自动重传请求方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物联网中联合极化编译码的混合自动重传请求方法。在物联网通信场景下，首次信息包在CRC编码后直接经调制送入信道，若接收端未检测出错误，反馈ACK信号并开始新一包传输；若首次传输出错，接收端反馈NACK信号，发送端对信息包采用极化码编码和译码传输。若译码失败，则进行联合编译码，即从上一次传输失败的信息包中选出一定数量的信息与新的信息包联合编码，在接收端执行回退冻结方式的联合译码。并对信息包大小、重传信息率两个参数优化以获得最大吞吐量。本发明的传输机制简单有效，适用于物联网场景，能在保证物联网终端设备低功耗的条件下，有效改善系统的吞吐量。

Description

物联网中联合极化编译码的混合自动重传请求方法

技术领域

本发明涉及无线通信的信道编码技术领域，更具体地说，是一种物联网中联合极化编译码的混合自动重传请求方法。

背景技术

极化码是土耳其学者Arikan于2009年首次基于信道极化理论提出的一种新的信道编码方式，也是第一种能够通过理论方法证明能够达到信道容量的可构造编码方法。除了可达容量以外，极化码编码结构规则，具有出色的鲁棒性以及结构化的构造方式。

极化码编码的思想基础是信道极化。将待编码的N＝2ⁿ(n＝1,2,3...)个比特看作在对应的N个比特信道中传输，对这N个比特信道进行线性合并与拆分处理后，会出现“两级分化”的现象，即一部分比特信道的容量会趋近于“1”，该部分信道可靠度高，而另一部分比特信道的容量会趋近于“0”，该部分的信道可靠度降低。极化编码的思想是用可靠度高的比特信道传输信息比特，用可靠度低的比特信道传输固定的冻结比特，这些冻结比特在发送端和接收端都是已知的。待编码序列的编码过程可表示为其中，G_N是维度为N×N的生成矩阵。G_N可以表示为：B_N为N×N的行置换矩阵，对序列进行比特反序操作； 为Kronecker算子。在极化码译码方面，连续消除(Successive Cancellation，SC)译码算法是由Arikan最早提出的一种译码算法。SC算法基于递归的思想来进行实施，用迭代的方式计算各比特信道的似然概率值，并且第i(1≤i≤N)个比特信道的似然概率值的获得需要用到之前的i-1个译码判决结果，然后对似然值进行硬判决实现译码。由于在码长不够长时，SC译码的性能并不理想，许多研究人员相继基于SC算法提出改进措施，完善译码算法。基于列表的SC(SC List，SCL)译码算法在SC译码方案的基础上，通过计算相应的路径度量值挑选出更多可能的译码路径，将原来SC算法单一的译码路径扩展到L条，再从这L条候选路径中选出路径度量值最大的一条路径作为译码输出，使得极化码的性能得以明显改善。循环冗余校验(cyclic redundancy check，CRC)辅助的SCL算法(CA-SCL)借助CRC对候选路径逐一检测，L条路径中通过CRC校验的路径被输出作为译码结果，从而提高了路径选择的正确概率，使译码性能进一步提升。在工程应用方面，极化码已经成为5G-eMBB(增强移动宽带)场景的控制信道编码方案。

在一些对延时不敏感通信系统中，混合自动重传请求(Hybrid Automatic RepeatreQuest,HARQ)是一种灵活有效的链路自适应传输手段，将前向纠错编码与重传机制相结合来提高系统的吞吐量。HARQ技术是在发送端和接收端之间利用反馈链路，将数据包是否被正确接收的确认信号(ACK)或非确认信号(NACK)反馈给发送端，然后发送端根据反馈信号，发送一包新数据或者按照设计的重传规则对前一次接收失败的信息重新编码后发送。HARQ技术已经被广泛用于已有通信系统，如WCDMA、LTE等系统。然而现有基于极化码的HARQ传输机制并不适用于物联网场景。基于Chase合并的HARQ重传控制简单，但吞吐效率低；基于增量冗余的HARQ虽然可获得较高的吞吐量，但由于重传控制复杂，计算复杂度高，存储空间大，硬件实现要求高，也无法很好地适用于终端设备低复杂度、低功耗的物联网应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种物联网中联合极化编译码的混合自动重传请求方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种物联网中联合极化编译码的混合自动重传请求(HARQ)方法。在物联网通信场景下，首次发送端发送的信息包在循环冗余校验(CRC)编码后直接经过调制送入通信信道，接收端对接收信号解调，并进行CRC校验；若接收端未检测出错误，反馈确认(ACK)信号并开始新一包传输；若首次传输出错，接收端反馈非确认(NACK)信号，发送端对上一次未正确接收的信息包采用极化码编码和译码传输；若译码失败，则进行2级联合编译码，即从上一次传输失败的信息包中选出一定数量的信息与新的信息包联合编码，在接收端执行联合译码；具体的传输过程包括下述步骤：

(1)在第一次传输中，发送端对信息包s₁进行CRC编码，附加L_CRC位的校验比特组后成数据包m_[1]，对数据包缓存并调制后送入信道；接收端对接收信号解调并作CRC校验，若校验成功，通过反馈信道发送ACK信号，发送端确认后开始新的信息包的发送；

(2)若CRC校验失败，发送端对数据包执行码长为N的极化码编码，对码字调制后送入信道传输，在接收端执行极化码译码和译码结果的校验；若未检测到错误，开始新一轮的传输；

(3)若检测到译码错误，则缓存接收信号y₁，并反馈NACK信号，发送端从数据包m_[1]中选出ρN(ρ表示所选比特数占码长的比例)个比特与新的信息包s₂合为一包s_[2]；值得注意的是，从前一次的数据包m_[1]中选择要重传的信息比特时，选取对象是ρN个可靠度最低的比特信道位置上的比特；对联合包s_[2]执行CRC编码变为m_[2]，对m_[2]进行码长为N的极化码编码后发送至信道；其中在对m_[2]极化编码时，m_[2]中包含的重传部分应置于ρN个最高可靠度的比特信道中传输；接收端对接收信号y₂进行极化码译码和CRC校验，若校验出译码错误，则丢弃所有译码结果和缓存内容，返回到步骤(1)开始新一轮传输；

(4)若译码结果通过校验，则将译出的作为已知的冻结位比特，与前一次缓存的接收信号y₁再次进行极化码译码，得到数据包m_[1]中剩余信息比特的译码结果；并根据校验结果对译码结果保留或丢弃；

所述步骤(3)中，从前一次的数据包m_[1]中选择要重传的信息比特时，选取对象是ρN个可靠度最低的比特信道位置上的比特；若需要下一次重传，对m_[2]极化编码时，m_[2]中包含的重传部分应置于ρN个最高可靠度的比特信道中传输。

所述步骤(4)中，若第三次传输的译码结果通过校验，则执行联合译码，具体过程是将译出结果的作为已知的冻结位比特，与缓存的上一包接收信号y₁再次进行极化码译码，以获得数据包m_[1]中剩余信息比特的译码结果。

在上述过程中，对传输体制中的参数：首次传输的信息包s₁的大小K、重传信息率ρ进行优化，使得系统吞吐量η达到最大；优化操作首先估计吞吐量，吞吐量与信息长度K、CRC校验比特长度L_CRC、极化码编码码率R、重传信息率ρ以及每轮传输的误包率PER有关，在给定L_CRC、信噪比SNR和编码码长N时，η只与参数K和ρ有关；可利用优化算法获得K和ρ的最优取值和η的最大值。

在信息传输之前，可根据信道条件对首次传输的信息包s₁的大小K、重传信息率ρ进行优化，优化结果存入二维表，实际传输时可查表配置系统参数，使得系统吞吐量η达到最大；吞吐量定义式为：

其中，计算为

表示计算期望值，SNR_S,SNR₁,SNR₂分别表示首次传输和后续两次传输时的信噪比，PER(K；SNR_S)、PER(R；SNR₁/SNR₂)、PER(R,ρ；SNR₁)分别表示首次不编码传输、编码传输和联合译码的数据包错误概率，R＝K/N；注意PER(R，ρ；SNR₁)在HARQ中可以近似计算为

的计算式为

从吞吐量计算式可以看出，吞吐量与信息长度K、CRC校验比特长度L_CRC、极化码编码码率R、重传信息率ρ以及每轮传输的误包率PER有关，在给定L_CRC、信噪比SNR和编码码长N时，η只与参数K和ρ有关；由于PER(K；SNR_S)＝1-(1-Q(1/σ))^K(Q(·)是标准高斯分布的Q函数)，且PER(R；SNR)和PER(R,ρ₁；SNR₁)可用高斯近似方法估计，因而吞吐量η可被估计，表示为从而在实际传输信息前，可以事先搜索确定使得达到最大时的K和ρ值，将其作为实际传输信息时的参数配置；为确定达到最大时，对应的优化值K和ρ，可以选用动态规划算法，将K和ρ分别作为对应多轮传输过程中状态变化的激励变量，对其逐一递进优化，从而获得K和ρ的最优取值和的最大值。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明通过首次直接传输信息比特，不做编译码操作，能够降低物联网终端设备复杂度和功耗，并且在高信噪比时获得高吞吐效率；(2)通过设计基于极化码的联合编译码，并且对关键的传输参数作优化处理，能够进一步提高接收端的吞吐量；(3)本发明传输方法总体上操作简单，复杂度低，编译码次数少，而且采用的极化码方案本身的编码、译码复杂度就很低，因此本发明满足物联网终端设备的通信需求，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明物联网中联合极化编译码的混合自动重传请求方法的示意图。

图2是联合编码模块中选择和重新编码重传信息比特的示意图。

图3是联合译码模块中联合译码的示意图。

图4是传输参数优化的流程图。

图5是加性高斯白噪声(AWGN)信道中吞吐量比较图。

图6是瑞利衰落信道中吞吐量比较图。

具体实施方式

本发明物联网中联合极化编译码的混合自动重传请求方法，能够在物联网终端设备低复杂度、低功耗的要求下，提高接收端的可靠性，提高通信系统的吞吐量；并且本发明操作简单，复杂度低，适用于物联网等应用场景。

下面结合附图对本发明作进一步描述。

本发明物联网中联合极化编译码的混合自动重传请求方法，包含联合编码，信道传输，联合译码以及重传控制四个模块，首次发送端发送的信息包在循环冗余校验(CRC)编码后直接经过调制送入通信信道，接收端对接收信号解调，并进行CRC校验；若接收端未检测出错误，反馈确认(ACK)信号并开始新一包传输；若首次系统性传输出错，接收端反馈非确认(NACK)信号，发送端对上一次未正确接收的信息包采用极化码编码和译码传输；若译码仍失败，则采取多包联合编译码，即从上一次传输失败的信息包中选出一定数量的信息与新的信息包联合编码，在接收端执行联合译码；参见图1，具体的操作步骤为：

(1)在第一次传输中，发送端对信息包s₁CRC编码，与附加的校验比特组成数据包m_[1]，对数据包缓存并调制后送入信道；接收端对接收信号解调并作CRC校验，若校验成功，通过反馈信道发送ACK信号，发送端确认后开始发送新的信息包；

(2)若CRC校验失败，发送端对数据包执行码长为N的极化码编码，对码字调制后送入信道传输，在接收端执行极化码译码；若经CRC校验未检测到译码结果的错误，开始新一轮的传输；

(3)若检测到译码错误，则缓存接收信号y₁，并反馈NACK信号，发送端通过筛选器从数据包m_[1]中选出ρN(ρ表示所选比特数占码长的比例)个比特与新的信息包s₂合并为一包s_[2]；需要注意的是，参见图2示意图，从前一次的数据包m_[1]中选择要重传的信息比特时，选取对象是ρN个可靠度最低的比特信道位置上的比特；对联合包s_[2]执行CRC编码变为m_[2]，对m_[2]进行码长为N的极化码编码后发送至信道；在对m_[2]极化编码时，参见图2，m_[2]中包含的重传部分应置于ρN个最高可靠度的比特信道中传输；接收端对接收信号y₂进行极化码译码和CRC校验，若校验出译码错误，则丢弃所有译码结果和缓存内容，返回到步骤(1)开始新一轮传输；

(4)若译码结果通过校验，参见图3所示，则将译出的作为已知的冻结位比特，对缓存的接收信号y₁重新进行极化码译码，获得数据包m_[1]中剩余信息比特的译码结果，并根据校验结果对译码结果保留或丢弃；

在上述过程中，对传输体制中的两个参数：首次传输的信息包s₁的大小K、重传信息率ρ优化，以使得系统吞吐量η达到最大；参见图4优化流程图，操作步骤如下：(1)估计系统的吞吐量，吞吐量与参数信息长度K、CRC校验比特长度L_CRC、极化码编码码率R、重传信息率ρ以及每轮传输的误包率PER有关，其中误包率的估计可以利用高斯近似方法；(2)将L_CRC、信噪比SNR和编码码长N设定为固定的参数值，在此条件下，η只与参数K和ρ有关；(3)利用优化算法优化参数信息包s₁的长度K、重传信息率ρ，例如，采用动态规划算法，将K和ρ作为算法中状态的激励函数依次优化；(4)获得K和ρ的最优取值和η的最大值。

本发明进行了多次仿真实验，下面就仿真实例介绍本发明的实施过程和性能：

在二进制加性高斯白噪声信道下，符号信噪比SNR＝{-6，-4,-2，0，2，4，6,8,10},极化码编码码长N＝128，CRC校验序列长度L_CRC＝16，采用串行抵消译码算法，吞吐量曲线参见图5；与之对比的现有方案是：方案1：无线体域网中IEEE802.15.6-2012标准采用的基于BCH码的HARQ方案；方案2：基于半码率极化码的码字翻转HARQ方案；参见图5所示的吞吐量比较图，可以看到本发明方法能够提高低、高信噪比条件下的吞吐量性能；在瑞利衰落信道下，进一步比较本发明和方案2的吞吐量，参见图6所示的仿真实验结果，可以看到本发明提供的HARQ传输方法能明显提高物联网中接收端的吞吐量。

Claims (6)

1.一种物联网中联合极化编译码的混合自动重传请求方法，其特征在于：在物联网通信场景下，首次发送端发送的信息包在循环冗余校验CRC编码后直接经过调制送入通信信道，接收端对接收信号解调，并进行CRC校验；若接收端未检测出错误，反馈确认ACK信号并开始新一包传输；若首次传输出错，接收端反馈非确认NACK信号，发送端对上一次未正确接收的信息包采用极化码编码和译码传输；若译码失败，则进行2级联合编译码，即从上一次传输失败的信息包中选出信息与新的信息包联合编码，在接收端执行联合译码；并在上述过程中，对首次传输的信息包大小、重传信息率参数优化，使得接收端的吞吐量最大。

2.根据权利要求1所述的混合自动重传请求方法，其特征在于，具体的传输过程包括以下步骤：

(1)在第一次传输中，发送端对包含K个信息比特的信息包s₁进行CRC编码，附加L_CRC个校验比特后组成数据包m_[1]，对数据包缓存并调制后送入信道；接收端对接收信号解调并作CRC校验，若校验成功，通过反馈信道发送ACK信号，发送端确认后开始新的信息包的发送；

(2)若CRC校验失败，发送端对数据包执行码长为N的极化码编码，对码字调制后送入信道传输，在接收端执行极化码译码和译码结果的校验；若未检测到错误，开始新一轮的传输；

(3)若检测到译码错误，则缓存接收信号y₁，并反馈NACK信号，发送端从数据包m_[1]中选出ρN个比特与新的信息包s₂合为一包s_[2]，ρ表示所选比特数占码长的比例，对联合包s_[2]执行CRC编码变为m_[2]，对m_[2]进行码长为N的极化码编码后发送至信道；接收端对接收信号y₂进行极化码译码，获得译码结果并对其作CRC校验，若校验出译码错误，则丢弃所有译码结果和缓存内容，返回到步骤(1)开始新一轮传输；

(4)若译码结果通过校验，则将译出的作为冻结位比特，与缓存的接收信号y₁进行极化码译码，得到数据包m_[1]中剩余信息比特的译码结果；并根据校验结果对译码结果保留或丢弃。

3.根据权利要求1所述的混合自动重传请求方法，其特征在于：所述步骤(3)中，从前一次的数据包m_[1]中选择要重传的信息比特时，选取对象是ρN个可靠度最低的比特信道位置上的比特；若需要下一次重传，对m_[2]极化编码时，m_[2]中包含的重传部分应置于ρN个最高可靠度的比特信道中传输。

4.根据权利要求1所述的混合自动重传请求方法，其特征在于：所述步骤(4)中，若第三次传输的译码结果通过校验，则执行联合译码，具体过程是将译出结果的作为已知的冻结位比特，与缓存的上一包接收信号y₁再次进行极化码译码，以获得数据包m_[1]中剩余信息比特的译码结果。

5.根据权利要求1所述的混合自动重传请求方法，其特征在于：在信息传输之前，根据信道条件对首次传输的信息包s₁的大小K、重传信息率ρ进行优化，优化结果存入二维表，实际传输时查表配置系统参数，使得系统吞吐量η达到最大；吞吐量定义式为：

其中，计算为

表示计算期望值，SNR_S,SNR₁，SNR₂分别表示首次传输和后续两次传输时的信噪比，PER(K；SNR_S)、PER(R；SNR₁/SNR₂)、PER(R,ρ；SNR₁)分别表示首次不编码传输、编码传输和联合译码的数据包错误概率，R＝K/N；PER(R,ρ；SNR₁)在HARQ中近似计算为

的计算式为

6.根据权利要求5所述的混合自动重传请求方法，其特征在于，优化流程的具体步骤为：

(1)估计系统的吞吐量；根据参数K、CRC校验比特长度L_CRC、极化码编码码率R、重传信息率ρ以及每轮传输的误包率PER估计吞吐量，其中误包率的估计利用高斯近似方法；

(2)将L_CRC、信噪比SNR和编码码长N设定为固定的参数值，在此条件下，η只与参数K和ρ有关；

(3)利用优化算法优化参数信息包s₁的长度K、重传信息率ρ；

(4)获得K和ρ的最优取值和η的最大值。