CN110611551B - 一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法，属于信道编译码技术领域。在发送端引入动态冻结比特，使得对应不同聚合等级的码字具有嵌套结构；在接收端对低聚合等级的码字进行译码，确定高聚合等级码字的搜索顺序。包括：1、发送端对控制信息进行嵌套编码、调制并通过信道传输；2、接收端接收控制信道数据，并对信道状态信息进行估计，依据信道状态选择搜索的起始聚合等级；3、接收端对起始聚合等级的候选码字进行译码；4、根据译码的路径度量排序对较高聚合等级的候选码字进行译码；5、对译码结果进行CRC校验。所述方法能保证编码码字具有嵌套结构；在盲检过程中确定高聚合等级中目标码字的位置，降低了盲检的时延。

Description

一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法
技术领域
本发明涉及一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法，属于信道编译码技术领域。
背景技术
第五代移动通信系统(the fifth generation communication system,5G)是为了应对数据流量和设备连接数剧增、超低时延等的需求而产生的。要想实现这些指标需求，5G必须在多方面技术上有所突破。针对一些对时延和可靠性都非常敏感的应用，高效的信道编译码方案被提出，以抵抗并纠正恶劣无线信道中干扰衰落和噪声带来的错误，从而提升数据传输的可靠性，提升频谱效率。
信道编码的发展经历了从2G系统的卷积码到3G、4G系统的Turbo码。随着5G系统对性能指标要求的提高，国际无线标准化组织(the 3rdGeneration Partnership Project,3GPP)确定了5G控制信道的信道编码方案为极化码(polar code)。极化码是ErdalArikan于2007年首次提出的，它是目前唯一可理论证明达到香农极限的编码方式。
在极化码的译码方面，Arikan首先给出了基于递归结构的串行消除(SuccessiveCancellation,SC)译码方法，由于其固有的错误传递特性，导致短码长情况下的误码性能不理想，后续提出的串行消除列表(Successive Cancellation List,SCL)译码方法、CRC辅助的串行消除列表(CRC Aided SCL,CA-SCL)译码方法，均提升了译码性能。但由于译码过程是串行操作的，所以译码时延较高。
在5G控制信道中，控制信息通过极化码编码后承载到控制信道，并发送到接收端。控制信息的码字长度由聚合等级确定，为提高频谱资源利用率，基站对接收端控制信息码字的聚合等级和在控制信道中的位置进行动态分配。然而在接收端无法预先知道分配的聚合等级和位置，仅知道自己的搜索空间，即知道控制信息可能分布在哪些资源单元上，因此需要在自己对应的搜索空间中盲检，把所有可能的情况尝试一遍，来确定控制信息码字的聚合等级和位置。这会引入比较大的时延。
发明内容
本发明的目的在于针对目前5G控制信道采用的极化码构造方案会引入较大盲检时延的技术缺陷，提出了一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法，在发送端引入动态冻结比特，使得对应不同聚合等级的码字具有嵌套结构；在接收端对低聚合等级的码字进行译码，确定高聚合等级码字的搜索顺序，降低盲检中搜索带来的时延。
一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法，具体包括以下步骤：
步骤一、发送端对控制信息进行嵌套编码、调制并通过信道传输，具体包括如下子步骤：
步骤1.A：发送端为接收端确定控制信息长度为K，控制信息码字的聚合等级AL＝2l，对应码字长度为Ml，母码长度为Nl；
步骤1.B：系统初始化循环计数值i＝0；
步骤1.C：发送端确定聚合等级为2i时对应的码字长度为Mi，母码长度为Ni，基于极化权重对索引为Nl-Ni+1至Nl的子信道可靠程度进行排序，选取可靠程度最高的K个子信道映射信息比特，并将承载信息比特的子信道索引集合记为Ii，其他子信道映射冻结比特，跳至步骤1.E；
其中，映射信息比特的子信道索引集合记为I0；
步骤1.D：发送端确定聚合等级为2i时对应的码字长度为Mi，母码长度为Ni，基于极化权重对索引为Nl-Ni+1至Nl的子信道可靠程度进行排序，将可靠程度最高的K个子信道索引集合记为Ii，得到承载冗余信息比特的子信道索引集合为Ri＝Ii-1\Ii，承载扩展信息比特的子信道索引集合为Ei＝Ii\Ii-1，将Ri中的信息比特复制到Ei对应的子信道中；
步骤1.E：发送端对索引为Nl-Ni+1至Nl的子信道承载的信息比特添加CRC后进行极化编码，得到聚合等级为2i时极化编码后的序列；
步骤1.F：发送端基于极化权重对“极化编码后的序列”的索引进行排序，选择极化权重最低的Ni-Mi个索引对应的编码比特打孔，得到聚合等级为2i时速率匹配后的序列；
步骤1.G：发送端对聚合等级为2i时速率匹配后的序列进行调制并映射到控制信道中，生成控制信道数据；
其中，调制包括但不限于QPSK调制、OFDM调制；
步骤1.H：判断循环计数值i是否达到l，若是，则跳至步骤1.I，否则i＝i+1，跳至步骤1.D；
步骤1.I：发送端将控制信道数据输入到无线信道；
步骤二、接收端接收经无线信道传输的控制信道数据，并对信道状态信息进行估计，依据信道状态选择搜索的起始聚合等级；
步骤三、接收端对起始聚合等级的候选码字进行译码，具体包括如下子步骤：
步骤3.A：初始化循环计数值k＝1，记选择的起始聚合等级为AL＝2s，对应的候选码字个数Ns为循环计数最大值；
步骤3.B：基于CA-SCL译码方法对第k个候选码字进行译码，保存路径度量值，输出译码结果；
步骤3.C：对步骤3.B输出的译码结果进行CRC校验，若译码结果通过CRC校验，跳至步骤五；若未通过CRC校验，跳至步骤3.D；
步骤3.D：判断循环计数值k是否已经达到计数最大值Ns，若是，则跳至步骤3.E，若否，则令k＝k+1，跳至步骤3.B；
步骤3.E：对所有聚合等级为AL＝2s的候选码字译码的路径度量值进行排序，输出路径度量排序结果；
步骤四、根据步骤3.E输出的路径度量排序结果对较高聚合等级的候选码字进行译码，输出候选码字的译码结果；
其中，较高聚合等级是指聚合等级为AL＝2s+1；
步骤四，具体包括如下子步骤：
步骤4.A：从AL＝2s的候选码字中选择译码路径度量最小的C个；
步骤4.B：根据编码时的嵌套特性，从聚合等级为AL＝2s+1的候选码字中选出对应的码字，基于CA-SCL译码方法对选出的码字逐个译码，输出各候选码字的译码结果；
步骤五、对各候选码字的译码结果分别进行CRC校验，输出校验结果；
至此，经过步骤一到步骤五，完成了一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法。
有益效果
本发明提出的一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、采用基于极化权重的信息比特选择方法和基于极化权重的打孔方法，可以保证编码码字具有嵌套结构；
2、在盲检过程中，通过对低聚合等级的候选码字译码，可以确定高聚合等级中目标码字的位置，降低了盲检的时延。
附图说明
图1为本发明“一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法”的发送端编码流程图；
图2为本发明“一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法”的接收端盲检流程图；
图3为本发明“一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法”具体实施例搜索空间示意图；
图4为本发明“一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法”具体实施例在实施本方法后的时延仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法进行详细说明。
实施例1
本实施例考虑5G系统中，基站在向用户通过数据信道发送数据前，通过控制信道发送数据信道的资源分配情况、码长、码率、调制方式等信息，其中基站是发送端，用户是接收端。
本实施例选择DCI格式为“DCI Format 0_0”，对应控制信息比特长度为37，发送端为接收端分配聚合等级为4，对应码长为480比特，在嵌套构造过程中，聚合等级为1和2对应的码长分别为120比特和240比特，发送端对控制信息进行嵌套编码和QPSK调制后，在AWGN信道中传输，在接收端采用本发明提出的盲检方法进行盲检，仿真通信链路得到盲检时延，同时在相同条件下与非嵌套编码下的盲检时延进行比较，验证本发明的效果。
图1为本发明“一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法”的发送端编码流程图；
从图1可以看出，具体实施时，调制方式选用QPSK调制。
图2为本发明“一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法”的接收端盲检流程图；
从图2可以看出，盲检过程分为两个阶段，在第一阶段对较低聚合等级的候选码字进行译码，在第二阶段按之前译码得到的路径度量值的排序对较高聚合等级的候选码字进行译码。
图3为本发明“一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法”具体实施例搜索空间示意图；
图3中每一个方块代表一个CCE，共有16个CCE，索引为0-15，每组连续的阴影的方块中包含一个候选码字，对于聚合等级为1、2、4，一个候选码字分别包含1、2、4个CCE，候选码字编号为#0至#13，大括号里为包含的CCE的索引；
图4为本发明“一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法”具体实施例中盲检时延与SNR的仿真关系图；
图4中横坐标为信噪比，纵坐标为基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法与传统控制信道编码与盲检方法相比的盲检时延降低比例。
其具体操作流程如下：
步骤A、对控制信息进行嵌套编码，得到编码后序列；
具体到本实施例，发送端首先对控制信息添加16比特CRC，确定聚合等级为4对应码长为480，母码码长为512，确定聚合等级为1对应码长为120，母码码长为128，基于极化权重对索引为385至512的子信道可靠程度排序，选取I0＝{416,432,439,440,442,443,444,445,446,447,448,462,463,464,468,470,471,472,474,475,476,477,478,479,480,484,486,487,488,489,490,491,492,493,494,495,496,497,498,499,500,501,502,503,504,505,506,507,508,509,510,511,512}，确定聚合等级为2时对应的码字长度和母码长度分别为240和256，基于极化权重对索引为257至512的子信道可靠程度进行排序，并得到R1＝{439,442,462,463,468,489}，E1＝{368,376,380,382,383,384}，将R1中的信息比特复制到E1中；基于极化权重对索引为1至512的子信道可靠程度进行排序，并得到R2＝{368,470,497},E2＝{254,255,256}，将R2中的信息比特复制到E2中；对得到的聚合等级为1、2、4的信息序列进行极化编码，得到聚合等级为1、2、4时极化编码后的序列；
步骤B、对编码后序列进行打孔，得到速率匹配后序列；
具体到本实施例，对聚合等级为1的码字打孔比特索引为{385,386,387,388,389,393,401,417}，对聚合等级为2的码字打孔比特索引为{257,258,259,260,261,262,263,265,266,267,269,273,274,275,289,321}，对聚合等级为4的码字打孔比特索引为{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,17,18,19,20,21,25,33,34,35,37,41,65,66,67,69,129,257}；
步骤C、对速率匹配后序列进行QPSK调制，映射到控制信道中，并在AWGN信道中传输；
具体到本实施例，以图3所示的搜索空间为例，映射到CCE 0的QPSK调制符号对应的码字索引为{390,391,392,394,395,396,397,398,399,400,402,403,404,405,406,407,408,409,410,411,412,413,414,415,416,418,419,420,421,422,423,424,425,426,427,428,429,430,431,432,433,434,435,436,437,438,439,440,441,442,443,444,445,446,447,448,449,450,451,452,453,454,455,456,457,458,459,460,461,462,463,464,465,466,467,468,469,470,471,472,473,474,475,476,477,478,479,480,481,482,483,484,485,486,487,488,489,490,491,492,493,494,495,496,497,498,499,500,501,502,503,504,505,506,507,508,509,510,511,512}；映射到CCE 1的QPSK调制符号对应的码字索引为{264,268,270,271,272,276,277,278,279,280,281,282,283,284,285,286,287,288,290,291,292,293,294,295,296,297,298,299,300,301,302,303,304,305,306,307,308,309,310,311,312,313,314,315,316,317,318,319,320,322,323,324,325,326,327,328,329,330,331,332,333,334,335,336,337,338,339,340,341,342,343,344,345,346,347,348,349,350,351,352,353,354,355,356,357,358,359,360,361,362,363,364,365,366,367,368,369,370,371,372,373,374,375,376,377,378,379,380,381,382,383,384,385,386,387,388,389,393,401,417}；映射到CCE 2、3的QPSK调制符号对应的码字索引为{16,22,23,24,26,27,28,29,30,31,32,36,38,39,40,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,68,70,71,72,73,74,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,85,86,87,88,89,90,91,92,93,94,95,96,97,98,99,100,101,102,103,104,105,106,107,108,109,110,111,112,113,114,115,116,117,118,119,120,121,122,123,124,125,126,127,128,130,131,132,133,134,135,136,137,138,139,140,141,142,143,144,145,146,147,148,149,150,151,152,153,154,155,156,157,158,159,160,161,162,163,164,165,166,167,168,169,170,171,172,173,174,175,176,177,178,179,180,181,182,183,184,185,186,187,188,189,190,191,192,193,194,195,196,197,198,199,200,201,202,203,204,205,206,207,208,209,210,211,212,213,214,215,216,217,218,219,220,221,222,223,224,225,226,227,228,229,230,231,232,233,234,235,236,237,238,239,240,241,242,243,244,245,246,247,248,249,250,251,252,253,254,255,256,258,259,260,261,262,263,265,266,267,269,273,274,275,289,321}；映射完成后，将控制信道数据在AWGN信道中传输；
步骤D、接收端接收经AWGN信道传输的控制信道数据，并对信道状态信息进行估计，依据信道状态选择搜索的起始聚合等级；
具体到本实施例，设定搜索的起始聚合等级为AL＝2；
步骤E、接收端对起始聚合等级的候选码字进行译码；
具体到本实施例，接收端对图3中的#8、#9、#10、#11候选码字采用CA-SCL译码方法进行译码，并对各候选码字的译码结果分别进行CRC校验，若有通过CRC校验的，则跳至步骤；若否，则对各候选码字译码的路径度量值进行排序，并跳至步骤F；
步骤F、接收端根据译码的路径度量值排序，从较高聚合等级中选择候选码字进行译码；
具体到本实施例，接收端根据对#8、#9、#10、#11候选码字译码的路径度量值，由小到大排序，并按路径度量值由小到大的顺序找到聚合等级为AL＝4的对应的候选码字进行译码；
步骤G、接收端输出译码结果。
从步骤A到步骤G，完成了本实施例一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法。
实施例1的仿真结果如图4所示，图4是基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法与传统控制信道编码与盲检方法相比的盲检时延降低比例，所提方法盲检时延可降低约60％。
从图3可以看出，基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法与传统方法相比，可以有效降低盲检时延。因此，本发明提出的一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法可以有效降低5G控制信道盲检时延。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、发送端对控制信息进行嵌套编码、调制并通过信道传输，具体包括如下子步骤：
步骤1.A：发送端为接收端确定控制信息长度为K，控制信息码字的聚合等级AL＝2l，对应码字长度为Ml，母码长度为Nl；
步骤1.B：系统初始化循环计数值i＝0；
步骤1.C：发送端确定聚合等级为2i时对应的码字长度为Mi，母码长度为Ni，基于极化权重对索引为Nl-Ni+1至Nl的子信道可靠程度进行排序，选取可靠程度最高的K个子信道映射信息比特，并将承载信息比特的子信道索引集合记为Ii，其他子信道映射冻结比特，跳至步骤1.E；
其中，映射信息比特的子信道索引集合记为I0；
步骤1.D：发送端确定聚合等级为2i时对应的码字长度为Mi，母码长度为Ni，基于极化权重对索引为Nl-Ni+1至Nl的子信道可靠程度进行排序，将可靠程度最高的K个子信道索引集合记为Ii，得到承载冗余信息比特的子信道索引集合为Ri＝Ii-1\Ii，承载扩展信息比特的子信道索引集合为Ei＝Ii\Ii-1，将Ri中的信息比特复制到Ei对应的子信道中；
步骤1.E：发送端对索引为Nl-Ni+1至Nl的子信道承载的信息比特添加CRC后进行极化编码，得到聚合等级为2i时极化编码后的序列；
步骤1.F：发送端基于极化权重对“极化编码后的序列”的索引进行排序，选择极化权重最低的Ni-Mi个索引对应的编码比特打孔，得到聚合等级为2i时速率匹配后的序列；
步骤1.G：发送端对聚合等级为2i时速率匹配后的序列进行调制并映射到控制信道中，生成控制信道数据；
步骤1.H：判断循环计数值i是否达到l，若是，则跳至步骤1.I，否则i＝i+1，跳至步骤1.D；
步骤1.I：发送端将控制信道数据输入到无线信道；
步骤二、接收端接收经无线信道传输的控制信道数据，并对信道状态信息进行估计，依据信道状态选择搜索的起始聚合等级；
步骤三、接收端对起始聚合等级的候选码字进行译码，具体包括如下子步骤：
步骤3.A：初始化循环计数值k＝1，记选择的起始聚合等级为AL＝2s，对应的候选码字个数Ns为循环计数最大值；
步骤3.B：基于CA-SCL译码方法对第k个候选码字进行译码，保存路径度量值，输出译码结果；
步骤3.C：对步骤3.B输出的译码结果进行CRC校验，若译码结果通过CRC校验，跳至步骤五；若未通过CRC校验，跳至步骤3.D；
步骤3.D：判断循环计数值k是否已经达到计数最大值Ns，若是，则跳至步骤3.E，若否，则令k＝k+1，跳至步骤3.B；
步骤3.E：对所有聚合等级为AL＝2s的候选码字译码的路径度量值进行排序，输出路径度量排序结果；
步骤四、根据步骤3.E输出的路径度量排序结果对较高聚合等级的候选码字进行译码，输出候选码字的译码结果；
步骤五、对各候选码字的译码结果分别进行CRC校验，输出校验结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法，其特征在于：步骤四中，较高聚合等级是指聚合等级为AL＝2s+1。
3.根据权利要求1所述的一种基于嵌套极化码的控制信道编码与盲检方法，其特征在于：步骤四，具体包括如下子步骤：
步骤4.A：从AL＝2s的候选码字中选择译码路径度量最小的C个；
步骤4.B：根据编码时的嵌套特性，从聚合等级为AL＝2s+1的候选码字中选出对应的码字，基于CA-SCL译码方法对选出的码字逐个译码，输出各候选码字的译码结果。
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