CN109981114A - 使用关键集的极化码连续消除反转优化译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了使用关键集的极化码连续消除反转优化译码方法，关键集采用统计的方法借助Oracle‑assisted译码器进行计算。具体的，本方法使用分段译码的策略，对关键集内的信息比特进行独立的CRC校验，只对第一次出现CRC校验错误的分段进行比特反转译码，且只需要对分段内的关键集信息比特进行反转，有效提升了极化码的纠错性能，同时可以提前终止译码，降低译码复杂度。

Description

使用关键集的极化码连续消除反转优化译码方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种极化码中连续消除反转译码算法的改进算法。

背景技术

极化码(Polar Codes)由土耳其科学家在2008年国际信息论大会上首次提出，因其在理论上证明能够达到二进制离散对称信道的信道容量而备受关注。2015年，在3GPP会议上将极化码定为第五代移动通信eMBB场景下控制信道的编码方案。

极化码的提出来源于信道极化现象，当对N个信道进行极化变换后，一部分极化子信道的信道容量趋于1，另一部分极化子信道的信道容量趋于0。因此，可以在信道容量趋于1的子信道上传输信息比特，对应的位置称为非冻结位；在信道容量趋于0的子信道上传输固定比特(一般为零)，对应的位置称为冻结位。

极化码的基本译码算法是连续消除(Successive Cancellation-SC)译码算法。但是，该算法在中短码长时具有较差的误码纠错性能。为了进一步提高极化码在SC算法下的误码纠错性能，基于比特反转的SC译码算法(SC-Flip)被提出。

SC-Flip算法的基本思想是通过反转SC译码失败时的第一个错误比特来提高误帧率(Frame Error Rate-FER)。在编码端加入CRC校验比特，当SC译码结果的CRC校验失败时，SC-Flip算法生成候选反转比特的集合，并根据每个候选反转比特重新从该比特处进行SC译码。当CRC校验通过或者候选反转比特全部尝试完成后，SC-Flip算法退出并输出更新后的SC译码结果。

当最大允许反转次数受限时，SC-Flip算法的纠错能力也受限，同时SC-Flip算法根据SC译码过程中非冻结位对应的似然值的绝对值由小到大选择候选反转比特，存在似然值很小但是对应的第一个比特错误概率也很小的情况，这导致根据似然值大小排序选择候选反转比特有误差。针对以上问题，本发明提出了使用关键集的极化码连续消除反转优化译码方法。

发明内容

本发明提出了使用关键集的极化码连续消除反转优化译码方法，该算法能够在降低极化码译码复杂度的同时，有效提高极化码的误码纠错性能。

假设极化码(N，K)，CRC校验比特数量为C，SC-Flip算法在全码字内维持最大反转次数Tmax，这导致译码器每一次需要从K+C个非冻结位比特中选取Tmax个比特作为候选反转比特。

当最大反转次数Tmax受限时，真正的错误比特可能位于Tmax个候选比特之外，导致译码器付出额外的代价，但是没有纠正错误比特。如果限制候选比特的搜索范围，效果上相当于增大最大反转次数Tmax，可以增加第一个错误比特被识别的概率。

基于以上考虑，可以把K+C个非冻结位比特进行分段校验，即使用分段CRC对每一段比特进行单独校验，当译码时出现第一个CRC校验错误时，则说明第一个错误比特在该段内。因此，候选比特的搜索范围被限制在分段内，相当于提高了最大反转次数Tmax，增加了真正的第一个错误比特被反转的概率。

考虑到存在似然值很小但是对应的第一个比特错误概率也很小的情况，基于错误统计的关键集被使用，即使用关键集分段。

关键集的计算使用Oracle-assisted SC译码器，该译码器的特点是能够提前获取发送端发送的信息，关键集的计算适用以下步骤：

步骤1，设置仿真最大帧数为100万次，编码器每次生成K个信息比特和C个CRC校验比特，经编码后送入高斯信道；

步骤2，Oracle-assisted SC译码器接收信息进行SC译码，如果当前译码码字只有一个错误比特，则记录该错误比特的位置；

步骤3，统计非冻结位发生第一个错误比特的频率：设发生一个错误比特的帧数为E，第i个非冻结位为第一个错误比特的帧数为E_i，则对应的第一个错误比特发生的概率f_i可以近似为f_i＝E_i/E；

步骤4，对非冻结位位置按照f_i由大到小排序，取前s个位置的比特作为关键集，且s满足

在编码端，只对分段内的关键集内的比特进行CRC校验；在译码端，当第一次出现CRC校验错误时，只按照似然值绝对值大小对关键集比特进行筛选，作为候选反转比特。

对于各分段，分配相同的CRC校验比特。由于CRC的检错能力随着CRC长度的增加而增加，因此各段的错误概率应该相同，为此，基于错误概率的分段策略被采用。

基于错误概率的分段策略适用以下步骤：

步骤1，对极化码(N，K)进行Oracle-assisted译码，仿真次数至少10万，记录每个信息位出现第一个错误的数目ρ_i；

步骤2，计算信息位错误概率ε_i＝ρ_i/∑ρ_i；

步骤3，计算累计错误概率ω_j＝ω_j+θ_j,其中如果j对应的是信息位，则θ_j＝ε_i，否则，θ_j＝0，j和i的对应关系由信息位位置确定；

步骤4，假设分为p段，根据累计错误概率ω_j确定分段标记P＝{P₁,P₂,…,P_p}，则P_i＝j,且满足i＝1，2,…,p。

根据关键集和分段策略，本译码算法适用以下步骤：

步骤1，初始化接收信息非冻结位集合关键集Critical和分段标记P，初始化j＝1；

步骤2，对第j段进行SC译码得到译码结果

步骤3，从中根据关键集提取关键信息比特,并对关键信息比特进行CRC校验；

步骤4,若CRC校验通过，则j＝j+1，并返回步骤2，否则进入步骤5；

步骤5,初始化候选反转比特集合：设分段内关键比特位置对应的似然值为α＝{α₁,α₂,…,α_s′}，对应的在码字中的序号为index＝{c₁,c₂，…,c_s′}且c₁<c₂<,…,<c_s，对似然值α的绝对值由小到大排序后对应的码字序号为index_s＝{c_1s,c_2s,…,c_s′s},则候选反转比特集合为Flip_set＝{c_is|i≤Tmax},Tmax为最大允许反转次数；

步骤6，对于t∈{1，2，…，Tmax}，在第j段内依次反转第Flip_set[t]个比特，每次反转后从反转比特位置继续SC译码，直到该段译码结束，并对译码结果进行CRC校验；

步骤7，当CRC校验通过时，则j＝j+1，并进入步骤8，若经过Tmax次反转CRC校验仍有错，则结束译码；

步骤8，对第j段进行SC译码得到译码结果

步骤9，若j＝p,则输出译码结果，否则j＝j+1，并进入步骤8。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下创新点：

本方法使用关键集分段译码的策略，只对第一次出现CRC校验错误的段进行比特反转译码，有效提高了在最大反转次数受限的情况下搜索错误比特的效率，同时可以提前终止译码，降低译码复杂度。

本方法使用CRC校验对段内的关键集信息比特进行保护，在译码端只需要对分段内的关键集信息比特进行反转，有效提升了极化码的纠错性能。

附图说明

图1为译码流程示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图1和实施例对本发明做进一步的描述。

在译码之前，需要设计关键集和分段方案，下面结合极化码(1024，256)，CRC-16，分段数目P＝2，每段的CRC为相等且使用CRC-8来说明如何设计。对于关键集合，考虑的非冻结位包括信息比特和CRC校验比特，因此应使用Oracle-assisted译码器统计256+16＝272个位置上发生错误的频率，作为概率；然后对概率排序，取概率之和满足0.9999的前s个位置作为关键集，分段时只对关键集内的信息比特进行CRC校验。分段只考虑256个信息位置的错误概率，计算累计分布错误概率后按照每段应占相同错误概率的思想进行分段，例如P＝2的情况下，分段标记j应满足累积概率在0.5附近。

译码流程如图1所示：译码器接收信道信息后，首先对第一段进行译码，输出译码结果，然后从结果中找出关键集对应的信息比特，对其进行CRC校验(CRC-1)，假设第一段CRC-1通过校验，则继续进行第二段的译码，假设第2-(i-1)段CRC全部通过，但是第i段CRC-i校验失败，则根据当前段的似然值和关键集生成候选反转比特集合Flip_set,然后反转候选比特后在该段的对应出进行译码，若CRC通过，则进行下一段的译码，并且认为第一个错误已经纠正，后面的段不在进行CRC校验；若CRC一直未通过，则结束译码，且后面的段不再译码，译码失败。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明提出的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.使用关键集的极化码连续消除反转优化译码方法，其特征在于，分段CRC比特用于保护分段的关键信息比特，在译码阶段，按照顺序对每一段进行译码并进行CRC校验，当第一个CRC校验失败时，则在该段内只反转可能出错的关键信息比特，若在允许反转的最大次数内CRC校验成功，则继续进行后面分段的译码，且不再进行CRC校验；若CRC一直未通过，则结束译码，译码失败。

2.根据权利要求1所述的使用关键集的极化码连续消除反转优化译码方法，其特征在于，分段CRC校验用于保护关键集内的关键信息比特，因此，在译码时只需要考虑反转分段内的关键信息比特。

3.根据权利要求1所述的使用关键集的极化码连续消除反转优化译码方法，其特征在于，当某一段的CRC校验失败时，则只在该段内进行比特反转译码，无论本段CRC校验是否通过，后面的分段不再进行CRC校验。