CN110474648A - 一种低复杂度的串行抵消列表比特翻转译码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低复杂度的串行抵消列表比特翻转译码方法，所述方法如下，首先根据位置信息进行分段，分别在各段添加循环冗余CRC校验比特，并离线确定各段的关键集合；在译码部分，根据各段前后顺序依次译码，并针对串行抵消列表1比特翻转译码失败的情况下，进而尝试2比特翻转译码过程，增大错误纠正的概率。通过采用分段CRC辅助SCL比特翻转译码方法，可显著降低译码复杂度，获得较好的性能增益。

Description

一种低复杂度的串行抵消列表比特翻转译码方法
技术领域
本发明涉及一种串行抵消列表译码方法，尤其涉及一种低复杂度的串行抵消列表比特翻转译码方法，用本发明中的极化码译码方法进行译码，可纠正由信道噪声引起的译码错误。
背景技术
2008年在国际信息论ISIT会议上，土耳其教授Erdal首次提出信道极化的概念，将给出的信道编码方法命名为极化码，它是一种被严格证明到达信道容量的信道编码方法，其编译码复杂度低，性能优越。当极化码码长持续增加，选择在信道容量接近于1的可靠信道上面直接传输信息可逼近信道容量。2016年在3GPP RAN1 87次会议的5G短码方案讨论中，确定了极化码成为了eMBB控制信道编码标准。
Arikan教授首次提出串行抵消(Successive Cancellation，SC)译码方法，虽然在码长较长的情况下，SC译码方法取得明显的优势，但是SC译码器在有限码长下，其译码方法纠错性能不理想，因此寻找一种更好的译码方案来提高译码性能尤为重要。
串行抵消列表(Successive Cancellation List，SCL)译码方法是SC译码方法的一种优化，可实现接近最大似然(ML)译码的性能，它始终保持L条最佳候选路径，与此同时因其列表较大，计算复杂度较高。译码性能仍不理想。在SCL译码方法基础上，提出CRC辅助SCL(CRC Aided SCL，CA-SCL)译码方法，利用CRC校验比特筛选出最优候选路径，提高译码性能。为进一步降低译码复杂度，增加早期终止策略，又提出分段CRC辅助SCL译码方法，可降低译码延迟，提高译码性能。
串行抵消翻转译码(Successive Cancellation Flip，SCF)方法是在SC译码方法基础上提出来的一种翻转译码方案，由于译码过程中产生的错误码字最原始是由于信道噪声引起的，还有一部分是错误传递引起的，基于CRC校验比特的校验能力，来找出纠正后的译码序列。信道产生的错误有可能不止一个，可能会产生多个，一种改进的翻转多比特的SC译码器中提出在翻转1比特错误码字的基础上，进而翻转多比特错误码字，以纠正更多的译码错误。另外，翻转译码需要提前确定关键集合，可通过译码树结构来离线确定。
串行抵消列表比特翻转(Successive Cancellation List Flip，SCLF)译码方法是比特翻转译码策略在CA-SCL方法中的应用，改进确定关键集合以适应SCL译码方法，通过CRC校验比特来判断是否译码正确，如果不能译码正确，在译码过程中扩展路径时，对改进的关键集合里位置索引对应的信息比特尝试比特翻转译码，可实现对SCL译码的错误结果进行纠错。由于由信道噪声引起的错误主要有一位错和二位错，虽然SCL翻转1比特译码方法已经取得较好的译码效果，但是仍不能解决二位错误的问题。
发明内容
本发明正是针对以上方法中存在的问题，提供一种低复杂度的串行抵消列表比特翻转译码方法——分段CRC辅助串行抵消列表比特翻转(Segmented CRC-aidedSuccessive Cancellation List Bit-Flipping algorithm，SCA-SCLF)译码方法，根据信息比特位置，离线确定每段的长度，同样将对应关键集合划分区间，通过在编码时在每段中添加CRC校验比特信息，译码时执行分段CRC辅助SCL多比特翻转译码，扩大纠错的个数，同时又能缩小多比特翻转尝试次数，提高极化码译码性能，降低译码复杂度。
本发明具体采用的技术手段为：一种低复杂度的串行抵消列表比特翻转译码方法，包括以下步骤：
(1)根据极化码译码树结构离线构建比特翻转关键集合；(2)给定极化码(N,K+r)，根据信息比特的位置，对极化码进行分两段，每段中的信息比特数相同；(3)根据步骤(2)分段情况对确定的关键集合划分子关键集合，并采用SCLF方法中确定关键集合方法对各子关键集合进行进一步改进，并对各段中包含的子关键集里的信息比特索引划分成不重复的两两组合；(4)极化码编码过程，包括(4a)在每一段中添加循环冗余CRC校验比特；(4b)将信息比特和固定比特混合编码，经信道发送到译码器；(5)极化码译码过程：(6)根据译码器接收到的信息比特，各段依次执行CRC辅助串行抵消列表比特翻转译码方法；(7)译码失败，结束整个译码过程；(8)译码成功，输出译码信息序列。
进一步地，步骤(6)具体包括：
(6a)对第一段接收到的比特信息进行传统的串行抵消列表译码(SCL)过程；
(6b)用第一段的CRC校验比特对第一段译码结果进行校验，如果有路径通过CRC校验，保留路径度量值最大的1条路径并执行步骤(6g)，反之执行步骤(6c)；
(6c)根据第一段子关键集合里信息位索引，对第一段进行SCL翻转1比特译码，每翻转1比特就按照传统的SCL译码方法进行译码；
(6d)对第一段译码结果，用本段中CRC校验比特进行判断，如果有路径通过CRC校验，保留路径度量值最大的1条路径并执行步骤(6g)，反之执行步骤(6e)；
(6e)根据第一段子关键集合里信息位索引两两组合的结果，对第一段进行SCL翻转2比特译码，每翻转2比特就按照传统的SCL译码方法进行译码；
(6f)用第一段的CRC校验比特对第一段译码结果进行校验，如果有路径通过CRC校验，保留路径度量值最大的1条路径并执行步骤(6g)，反之执行步骤(7)；
(6g)对第二段接收到的比特信息进行传统的串行抵消列表译码过程；
(6h)用第二段的CRC校验比特对本段译码结果进行校验，如果有路径通过CRC校验，保留路径度量值最大的1条路径并执行步骤(8)，反之执行步骤(6i)；
(6i)根据第二段子关键集合里信息位索引，对第二段进行SCL翻转1比特译码，每翻转1比特就按照传统的SCL译码方法进行译码；
(6j)用第二段的CRC校验比特对第二段译码结果进行校验，如果有路径通过CRC校验，保留路径度量值最大的1条路径并执行步骤(8)，反之执行步骤(6k)；
(6k)根据第二段子关键集合里信息位索引两两组合的结果，对第二段进行SCL翻转2比特译码，每翻转2比特就按照传统的SCL译码方法进行译码；
(6l)用第二段的CRC校验比特对第二段译码结果进行判断，如果有路径通过CRC校验，保留路径度量值最大的1条路径并执行步骤(8)，反之执行步骤(7)。
进一步，步骤(3)所述的信息比特索引划分成不重复的两两组合是指，对该关键集包含的所有信息比特索引进行两两组合，划分成很多小组，每个小组有且只有2个元素，且这2个元素不能是同一个索引，另外，必须确保任意两个小组不能包含相同的2个元素。
进一步，步骤(6)所述的CRC辅助串行抵消列表比特翻转译码方法是指，用各段CRC检验比特对各段译码结果进行校验，判断是否译码正确。针对各子关键集合中指示的所有信息比特翻转1比特失败时，尝试翻转2比特译码。
相对于已存在的方法，本发明的增益如下，本发明中的分段CRC辅助极化码串行抵消列表多比特翻转译码方法，通过将分段策略应用到SCLF译码器中，同时将原来翻转1比特扩展成翻转2比特，提高了译码纠错能力，同时又能降低译码复杂度，从仿真结果来看，CRC辅助SCL翻转2比特译码性能比CRC辅助SCL翻转1比特译码性能较好，分段CRC辅助SCL翻转1比特译码性能比CRC辅助SCL翻转1比特译码性能较好，分段CRC辅助SCL翻转2比特译码性能比CRC辅助SCL翻转2比特译码性能较好；另外，分段CRC辅助SCL翻转1比特译码和分段CRC辅助SCL翻转2比特译码在译码复杂度上比不分段时明显降低，减少了译码延迟。
附图说明
图1为极化码(16,8)译码树结构示意图，实线框中是SC译码单元，虚线框表示了节点类型；
图2为翻转2比特CA-SCL(N,K+r)译码器结构示意图；
图3为本发明分两段CRC辅助SCL翻转2比特译码的结构示意图；
图4为本发明译码方法SCA-SCLF与现有的循环冗余校验辅助的串行抵消列表译码方法CA-SCL、串行抵消列表比特翻转译码方法SCLF在列表大小L＝8下，码长分别为256和512的误帧率曲线对比图；
图5为本发明译码方法SCA-SCLF与现有的循环冗余校验辅助的串行抵消列表译码方法CA-SCL、串行抵消列表比特翻转译码方法SCLF在列表大小L＝16下，码长分别为256和512的误帧率曲线对比图；
图6为本发明译码方法SCA-SCLF与现有的循环冗余校验辅助的串行抵消列表译码方法CA-SCL、串行抵消列表比特翻转译码方法SCLF在列表大小L＝8下，平均译码复杂度曲线对比图；
图7为本发明译码方法SCA-SCLF与现有的循环冗余校验辅助的串行抵消列表译码方法CA-SCL、串行抵消列表比特翻转译码方法SCLF在列表大小L＝8下，平均译码复杂度曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
1、极化码编码与译码
极化码在构造过程中是利用K个最可靠的比特信道发送信息比特，N-K个最不可靠的信道发送已知的预定义值0，即固定比特。
将信息比特与固定比特混合可得到码字序列对应的信息比特集合用A表示，
用构造N阶生成矩阵GN进行编码，表达式为
n＝log2 N， 表示n次克罗内克(Kronecker)幂。
经过信道传输后，在接收端得到接收码字序列为在译码器中完成码字估计
如果ui是固定比特，则否则，当i∈A，SC译码器计算每个比特信道的对数似然比(log likelihood ratio，LLR)
极化码(16,8)的SC译码树如图1所示。白色的叶子节点代表固定比特节点，黑色的叶子节点代表着信息比特节点。给定一个译码树节点V，用vp,vl,vr分别表示父节点，左孩子节点，右孩子节点，其译码单元如实线框中所示。
SCL译码器通过扩展路径，并保留路径度量值最大的L条搜索路径作为候选路径(L是路径搜索宽度)。当L＝1时，就简化为SC译码器。
CA-SCL译码器是在传统的SCL译码算法中添加CRC校验比特来筛选候选路径，从保留的L条路径中筛选出通过CRC校验的路径，返回硬判决结果，反之，译码失败，保留路径度量值最大的1条候选路径。
根据极化码译码树结构离线构建比特翻转关键集合，以极化码(16,8)为例进行说明，Rate-0节点(叶子节点全为0)、Rate-1节点(叶子节点全为1)、SPC节点和REP节点如图1所示，比特译码器用于确定最不可靠的信息比特(u7,u9,u10,u12)作为关键集合。翻转译码方法就是基于预定的CS，执行比特翻转译码过程，并使用CRC比特来判断译码是否成功。
2、一种低复杂度的串行抵消列表比特翻转译码方法
本发明中的分两段CRC辅助串行抵消列表译码方法，是采用BPSK调制在AWGN信道下，分别对码长为256和512的极化码在L＝8和L＝16的情况下进行仿真。
本发明使用的12位的CRC校验比特，生成多项式为g(x)＝x12+x11+x3+x2+1，24位的CRC生成多项式为g(x)＝x24+x23+x18+x17+x14+x11+x10+x7+x6+x5+x4+x3+x+1。
首先，构造比特翻转索引集，即关键集合，本发明每段中确定关键集合方法和SCLF中阐述的方法(首先搜索路径达到L之前，需要扩展路径，包含了所有情况，无需进行翻转，应从关键集合中去除达到L之前的位置，即前log2 L个，更新关键集合为RCS；由于搜索路径达到L后，仍需扩展路径，根据路径度量值大小排序，并对候选路径进行选择，保留路径度量值最大的L条路径。这时，会存在三种情况，一种是保留了同一棵树中的两条路径(复制状态)，再者就是同一棵树中的两条路径都被删除(删除状态)，除了这两种状态外就是“SC状态”，设置比特翻转次数，对RCS集合处于“SC状态”的路径比特翻转，该过程需要在译码过程中进行)一致，需要说明的是，每段都需要对关键集进行改进；
在编码器中，首先根据位置信息划分信息比特长度同等的两段(设第一段位置索引区间为[0,s]，第二段为[s+1,N-1])，在每段最后设置同样长度的CRC校验比特信息；
根据每段中含有关键集合里索引对应的信息比特，对关键集合进行分段；
进行极化码编码过程；
经过信道传输后，到达译码器进行译码过程；
(1)首先用CA-SCL方法对接收信号进行译码，如果L条候选路径中存在通过CRC校验的路径，则译码正确，输出通过CRC校验且路径度量值最大的1条路径作为译码结果，转入步骤(4)，反之转入步骤(2)；
(2)对第一段的1至log2 L信息比特按照SCL方法译码，从第1+log2 L信息比特开始，SCA-SCLF译码器根据第一段RCS集合中处于“SC状态”的路径执行比特翻转译码，每翻转1比特就进行一次CA-SCL译码，译码结束后，如果L条候选路径中存在通过第一段CRC校验的路径，则译码正确，保留通过CRC校验且路径度量值最大的1条路径作为译码结果，转入步骤(4)，如果第一段RCS集合处于“SC状态”的路径都尝试比特翻转一遍后，仍没有一条路径通过CRC校验，转入步骤(3)；
(3)对第一段的1至log2 L信息比特按照SCL方法译码，从第1+log2 L信息比特开始，SCA-SCLF译码器根据第一段RCS集合中处于“SC状态”的路径进行位置索引不重复的两两组合，然后对组合里两个索引对应的信息比特都进行翻转译码，每翻转一组信息比特就进行CA-SCL译码，如果L条候选路径中存在通过CRC校验的路径，则译码正确，保留通过CRC校验且路径度量值最大的1条路径作为译码结果，转入步骤(6)，如果所有位置组合都尝试比特翻转一遍，仍没有一条路径通过CRC校验，转入步骤(9)；
(4)用CA-SCL方法对第二段接收信号进行译码，如果L条候选路径中存在通过第二段的CRC校验的路径，则译码正确，输出通过CRC校验且路径度量值最大的1条路径作为译码结果，转入步骤(8)，反之转入步骤(6)；
(6)对第二段的s至s+log2 L信息比特采取SCL译码，从第s+log2 L信息比特开始，SCA-SCLF译码器根据第二段RCS集合中处于“SC状态”的路径执行比特翻转译码，每翻转1比特就进行一次CA-SCL译码，译码结束后，如果L条候选路径中存在通过第二段CRC校验的路径，则译码正确，保留通过CRC校验且路径度量值最大的1条路径作为译码结果，转入步骤(8)，如果第二段RCS集合处于“SC状态”的路径都尝试翻转一遍，仍没有一条路径通过CRC校验，转入步骤(9)；
(7)对第二段的s至s+log2 L信息比特按照SCL译码，从第s+log2 L信息比特开始，SCA-SCLF译码器根据第二段RCS集合处于“SC状态”的路径进行位置索引不重复的两两组合，然后对组合里两个索引对应的信息比特都进行翻转译码，每翻转一组信息比特就进行CA-SCL译码，如果L条候选路径中存在通过CRC校验的路径，则译码正确，保留通过CRC校验且路径度量值最大的1条路径作为译码结果，转入步骤(8)，如果所有位置组合都尝试比特翻转一遍，仍没有一条路径通过CRC校验，转入步骤(9)；
(8)译码成功，输出译码信息序列；
(9)译码失败，结束整个译码过程。

Claims (4)

1.一种低复杂度的串行抵消列表比特翻转译码方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)根据极化码译码树结构离线构建比特翻转关键集合；
(2)给定极化码(N,K+r)，根据信息比特的位置，对极化码进行分两段，每段中的信息比特数相同；
(3)根据步骤(2)分段情况对确定的关键集合划分子关键集合，并采用SCLF方法中确定关键集合方法对各子关键集合进一步改进，并对各段中包含的子关键集里的信息比特索引划分成不重复的两两组合；
(4)极化码编码过程；
(4a)在每一段中添加循环冗余CRC校验比特；
(4b)将信息比特和固定比特混合编码，经信道发送到译码器；
(5)极化码译码过程：
(6)根据译码器接收到的信息比特，各段依次执行CRC辅助串行抵消列表比特翻转译码方法；
(7)译码失败，结束整个译码过程；
(8)译码成功，输出译码信息序列。
2.根据权利要求1所述的低复杂度的串行抵消列表比特翻转译码方法，其特征在于，所述步骤(6)具体包括：
(6a)对第一段接收到的比特信息进行传统的串行抵消列表译码过程；
(6b)用第一段的CRC校验比特对第一段译码结果进行校验，如果有路径通过CRC校验，保留路径度量值最大的1条路径并执行步骤(6g)，反之执行步骤(6c)；
(6c)根据第一段子关键集合里信息位索引，对第一段进行串行抵消列表翻转1比特译码，每翻转1比特就按照传统的串行抵消列表译码方法进行译码；
(6d)对第一段译码结果，用本段中CRC校验比特进行判断，如果有路径通过CRC校验，保留路径度量值最大的1条路径并执行步骤(6g)，反之执行步骤(6e)；
(6e)根据第一段子关键集合里信息位索引两两组合的结果，对第一段进行串行抵消列表翻转2比特译码，每翻转2比特就按照传统的串行抵消列表译码方法进行译码；
(6f)用第一段的CRC校验比特对第一段译码结果进行校验，如果有路径通过CRC校验，保留路径度量值最大的1条路径并执行步骤(6g)，反之执行步骤(7)；
(6g)对第二段接收到的比特信息进行传统的串行抵消列表译码过程；
(6h)用第二段的CRC校验比特对本段译码结果进行校验，如果有路径通过CRC校验，保留路径度量值最大的1条路径并执行步骤(8)，反之执行步骤(6i)；
(6i)根据第二段子关键集合里信息位索引，对第二段进行串行抵消列表翻转1比特译码，每翻转1比特就按照传统的串行抵消列表译码方法进行译码；
(6j)用第二段的CRC校验比特对第二段译码结果进行校验，如果有路径通过CRC校验，保留路径度量值最大的1条路径并执行步骤(8)，反之执行步骤(6k)；
(6k)根据第二段子关键集合里信息位索引两两组合的结果，对第二段进行串行抵消列表翻转2比特译码，每翻转2比特就按照传统的串行抵消列表译码方法进行译码；
(6l)用第二段的CRC校验比特对第二段译码结果进行判断，如果有路径通过CRC校验，保留路径度量值最大的1条路径并执行步骤(8)，反之执行步骤(7)。
3.如权利要求1所述的低复杂度的串行抵消列表比特翻转译码方法，其特征在于，步骤(3)所述的信息比特索引划分成不重复的两两组合是指，对该关键集包含的所有信息比特索引进行两两组合，划分成很多小组，每个小组有且只有2个元素，且这2个元素不能是同一个索引，另外，必须确保任意两个小组不能包含相同的2个元素。
4.如权利要求1所述的低复杂度的串行抵消列表比特翻转译码方法，其特征在于，步骤(6)所述的CRC辅助串行抵消列表比特翻转译码方法是指，用各段CRC检验比特对各段译码结果进行校验，判断是否译码正确；针对各子关键集合中指示的所有信息比特翻转1比特失败时，尝试翻转2比特译码。
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