CN109981115A - 一种基于Rate-one结点的极化码分段译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于Rate‑one结点的极化码分段译码方法，该算法首先通过Rate‑one结点构造反转比特选取集合,称为Rate‑one关键集，在译码时只需要考虑Rate‑one关键集内选择待反转比特。该算法采用分段策略，编码端对Rate‑one关键集内的比特进行独立的CRC校验，在译码端对相应的段内比特进行CRC校验。在译码端，当CRC校验错误时，按照似然值绝对值大小对Rate‑one关键集内的比特进行筛选，作为候选反转比特。本方法可以有效提高极化码的纠错性能，降低译码复杂度。

Description

一种基于Rate-one结点的极化码分段译码方法

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基于Rate-one结点的连续消除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，该算法可以看作在译码树上进行遍历。根据对应叶子结点的不同，SC译码树包含Rate-1,Rate-0和Rate-R三种类型的结点。但是，SC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。

但是，SC-Flip算法直接通过似然值绝对值由小到大从非冻结位比特中选择候选反转比特集合，这导致许多似然值绝对值很小但是错误概率很小的比特被选择，从而降低了极化码的性能。另外，在低信噪比时，SC-Flip算法需要较高的计算复杂度。针对以上问题，本发明提出了一种基于Rate-one结点的极化码分段译码方法。

发明内容

本发明提出了一种基于Rate-one结点的极化码分段译码方法，该算法能够有效降低极化码的误帧率，同时在低信噪比时具有很低的计算复杂度。

该算法首先通过Rate-one结点构造反转比特选取集合,称为Rate-one关键集，在译码时只需要考虑Rate-one关键集内选择待反转比特。

该算法采用分段策略，编码端对Rate-one关键集内的比特进行独立的CRC校验，在译码端对相应的段内比特进行CRC校验。

在译码端，当CRC校验错误时，按照似然值绝对值大小对Rate-one关键集内的比特进行筛选，作为候选反转比特。

由于本算法在每一段CRC校验失败的分段内都进行比特反转纠正操作，因此本算法可以纠正的最大错误数目为分段数目。

Rate-one关键集的计算适用以下步骤：

步骤1，初始化译码树T：初始化叶子结点类型：Rate-0结点对应冻结位，Rate-1结点对应非冻结位；

步骤2，初始化译码树T：初始化中间结点类型：从下到上遍历中间结点，若中间节点的左右子树都为Rate-0结点，则该结点为Rate-0结点，若中间节点的左右子树都为Rate-1结点，则该结点为Rate-1结点，否则，该结点为Rate-R结点；

步骤3，定位Rate-1结点：从根节点开始按照深度优先遍历从左到右遍历译码树，若当前节点为Rate-1结点则进入步骤4；

步骤4，将Rate-1结点当作根节点，遍历找到从左到右的第一个叶子结点，记录其序号，退回Rate-1结点继续遍历剩余结点；

步骤5，将所有的以Rate-1结点为根节点，从左到右的第一个叶子结点对应的比特作为Rate-one关键集的一个元素。

对于分段策略，每段分配相同的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,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映射确定；

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＝{P₀,P₁,P₂,…,P_p}，其中，P₀＝0,P_i＝j且满足

根据Rate-one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Rate-one关键集和分段标记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Rate-one关键集提取关键信息比特,并对Rate-one关键集内的信息比特进行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Rate-one关键集内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2；

步骤8，若经过Tmax次比特反转后CRC校验仍未通过，则结束译码。

该分段译码算法相当于在p段内对Rate-one关键集内信息比特进行比特反转操作，因此最多可以纠正p个错误，但是当某一段的CRC校验在Tmax次反转后一直未通过，则后续分段不再进行译码，直接退出译码。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下创新点：

本方法提出使用分段CRC对Rate-one关键集内的比特进行CRC校验，Rate-one关键集内的比特占据了较大的比特错误概率，因此考虑反转Rate-one关键集内的比特可以有效提升极化码的纠错性能。

本方法将Rate-one关键集与分段策略相结合，可以有效降低算法在低信噪比时的译码复杂度，同时最大可以纠正的错误数目为分段数目，因此可以有效提升比特反转译码的纠错性能。

附图说明

图1为Rate-one关键集构造示意图。

图2为译码流程示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和实施例对本发明做进一步的描述。

极化码(16，8)译码树如图1所示，经过遍历之后可以定位Rate-one结点A、B、C、D，以其为根节点的子树的第一个叶子结点分别为A、B、E、F，因此Rate-one关键集包括序号为7、9、10、12的非冻结位比特，序号从0开始。

译码流程如图2所示：假设错误发生在第2个和第i个分段内，且在Tmax次反转内错误被纠正，则译码流程如图2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Rate-one关键集对应的信息比特，对其进行CRC校验(CRC-1)，第一段CRC-1通过校验，则继续进行第二段的译码。对第二段译码结果当中的Rate-one集信息比特进行CRC校验，发现CRC-2校验失败，则从Rate-one集信息比特根据似然值生成候选反转比特集合，每一次反转一个候选比特后对Rate-one集信息比特进行CRC校验，直到CRC-2通过校验，则进行下一段的译码和校验。同样的，当第i段出现CRC校验失败时，执行相同的操作。后续分段CRC校验不再出错，则最后输出译码结果即可。

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 (2)

1.一种基于Rate-one结点的极化码分段译码方法，其特征在于，根据译码树中的Rate-one结点生成Rate-one关键集，在编码端使用分段CRC对Rate-one关键集内的信息比特进行保护，当译码时分段对极化码进行SC译码，并从译码结果中选取Rate-one关键集对应的信息比特进行CRC校验，若CRC校验通过，则继续进行SC译码，否则根据似然值绝对值由小到大生成候选反转比特，依次反转候选比特，并从反转比特处继续进行SC译码，最后对重新译码后的关键信息比特进行CRC校验，如果校验通过，则对下一段CRC校验错误的分段执行相同的比特反转操作，若CRC校验仍错误，则结束译码。

2.根据权利要求1所述的一种基于Rate-one结点的极化码分段译码方法，其特征在于，当CRC校验失败时，候选反转比特从Rate-one关键集内进行选取，即在分段内只考虑反转Rate-one关键集对应的非冻结比特。