CN110752852B - 极化码的bp译码方法、装置、系统、设备及存储介质 - Google Patents

极化码的bp译码方法、装置、系统、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及极化码的BP译码方法、装置、系统、设备及存储介质。该方法包括：步骤一：根据接收的极化码中包含的对数似然比信息，使用BP译码算法进行迭代译码；其中，接收的极化码中的冻结比特全部为0或全部为1；步骤二：若当前迭代次数达到最大迭代次数，进行步骤四，否则进行步骤三；步骤三：若选定的冻结比特的对数似然比的绝对值大于等于设定阈值时，进行步骤四，否则返回步骤一继续迭代；步骤四：根据计算出的信息比特的对数似然比进行译码输出，结束译码。本发明通过简单的判断冻结比特的LLR幅值来终止迭代，不会造成误码性能的退化，可靠、高效地减少了大部分冗余迭代，提高了极化码的BP译码的效率。

Description

极化码的BP译码方法、装置、系统、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及极化码的BP译码方法、装置、系统、设备及存储介质。
背景技术
在信息的传输过程中，信息在信道总会受到不同程度的干扰，通过一定的编码技术可以实现信息的高速率、可靠传输。现代数字通信系统的基本过程为：信息通过信源编码使信息变成由二进制数字组成的二进制序列，再经过信道编码进行离散化，从而得到码字，接着通过调制器使离散的数字序列变成能够在信道上传输的调制波，调制波在有噪信道的传输过程中受到干扰，之后到达了信源，利用解调器得到解调序列，再通过信道译码得到二进制序列，也叫做估计比特序列，最后，估计比特序列经过信源译码恢复成原始信息。
Arikan在2008年基于信道极化理论提出了极化码(Polar码)，极化码在低复杂度下能够达到信道容量，而且当码长增大时，其优势更加明显，随着极化码被3GPP组织选为5G中控制信道的编码方案之后，对极化码的研究就层出不穷。BP(Belief-Propagation，置信度传播)译码算法作为极化码译码算法的一种，具有并行度高、译码延迟小的优点，因此也被广泛的研究。
BP算法中，LLR(Log-Likelihood Ratio，对数似然比)信息需要迭代才可以收敛，大量的迭代需要增加大量的计算量，耗费大量的时间。而当SNR(Signal-to-Noise Ratio，信噪比)较高时，无需达到设定的最大迭代次数就可以正确译码。但提前终止迭代有一个必须满足的要求：误码性能(Error Performance)不因提前终止迭代而有所损失。
因此，如何减少大部分冗余迭代的同时又不造成误码性能的退化是目前亟待解决的难题。
发明内容
本发明实施例提供了一种极化码的BP译码方法、装置、系统、设备及存储介质，以在不造成误码性能的退化的前提下减少大部分冗余迭代。
本发明实施例提供了以下方案：
第一方面，本发明实施例提供一种极化码的BP译码方法，该方法包括：
步骤一：根据接收的极化码中包含的对数似然比信息，使用BP译码算法进行迭代译码；
其中，接收的极化码中的冻结比特全部为0或全部为1；
步骤二：若当前迭代次数达到最大迭代次数，进行步骤四，否则进行步骤三；
步骤三：若选定的冻结比特的对数似然比的绝对值大于等于设定阈值时，进行步骤四，否则返回步骤一继续迭代；
步骤四：根据计算出的信息比特的对数似然比进行译码输出，结束译码。
进一步地，步骤三中，只有当前迭代次数大于等于设定最少迭代次数时，才比较冻结比特的对数似然比的绝对值与设定阈值的大小，否则返回步骤一继续迭代。
进一步地，该设定阈值和该设定最少迭代次数通过人为设定或根据极化码的长度预先进行仿真实验获得。
第二方面，本发明实施例提供一种极化码的BP译码装置，该装置包括：
迭代计算模块，用于根据接收的极化码中包含的对数似然比信息，使用BP译码算法进行迭代译码，并在结束迭代译码时根据计算出的信息比特的对数似然比进行译码输出；
其中，接收的极化码中的冻结比特全部为0或全部为1；
第一比较模块，用于在当前迭代次数达到最大迭代次数时，结束迭代译码；
第二比较模块，用于在选定的冻结比特的对数似然比的绝对值均大于设定阈值时，结束迭代译码。
进一步地，第一比较模块，还用于在当前迭代次数大于等于设定最少迭代次数时，激活第二比较模块工作。
进一步地，该设定阈值和该设定最少迭代次数通过人为设定或根据极化码的码长通过仿真实验获得。
第三方面，本发明实施例提供一种极化码通讯系统，该系统包括：
发送端，用于将极化码中的冻结比特全部初始化为0或全部初始化为1，以及将极化码编码后通过信道发送给接收端；
接收端，包括以上任一所述的BP译码装置。
第四方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行该计算机程序以实现以上任一所述的方法的步骤。
第五方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时以实现以上任一所述的方法的步骤。
本发明实施例提供的极化码的BP译码方法、装置、设备及存储介质，至少存在如下技术效果：
极化码中，用于传输冻结比特的子信道的错误概率要高于信息比特，也就意味着相同的信噪比下，信息比特比冻结比特更容易译码成功，若冻结比特可以成功译码，则假设信息比特也已经译码成功，基于上述特征，本发明创造性地通过简单的判断冻结比特的LLR幅值来终止迭代，并不会造成误码性能的退化，但是却会大幅提高BP译码器的平均吞吐率和降低译码延迟，从而可靠、高效地减少了大部分冗余迭代，提高了极化码的BP译码的效率。同时，发送端只需要将冻结比特初始化为0或1，不需要其他过多操作，非常方便实现。
另外，还增加了设定最少迭代次数用来触发冻结比特的LLR幅值的判断工作，进一步降低复杂度，减少冗余的计算量，大大提高了极化码的BP译码的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本说明书实施例提供的方法流程图；
图2是本说明书实施例提供的提前终止迭代策略的逻辑架构图；
图3是本说明书实施例提供的仿真实验结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供的一种极化码的BP译码方法，该译码过程均在通讯的接收端上进行，包括以下步骤：
步骤一：接收端根据信道输出的LLR信息，使用BP译码算法进行迭代译码。
其中，接收端接收到的极化码中的冻结比特均被预先初始化为0或1。
由于BP译码的迭代算法是本领域的公知常识，现有技术中存在大量的阐释内容，对于本领域技术人员来说，其具体过程是清楚的，本发明实施例的发明点在于提供一种新的可靠有效的提前终止迭代策略，对于BP译码迭代过程在此不予以赘述。
步骤二：比较当前迭代次数与最大迭代次数的大小，若当前迭代次数到达最大迭代次数，则结束迭代，根据计算出的信息比特的对数似然比进行译码输出，结束译码；若当前迭代次数没有到达最大迭代次数，则进行步骤三。
本步骤规定了一个最大迭代次数，其具体的数值可以预先设定，以避免无止境的迭代计算造成的数据溢出、死机等状况的发生。
步骤三：比较当前迭代次数与设定最少迭代次数M的大小，若当前迭代次数小于设定最少迭代次数M，则返回步骤一继续迭代；若当前迭代次数大于等于设定最少迭代次数M，则进行步骤四。
本步骤中的设定最少迭代次数M的物理意义是：确定码长的极化码在BP译码时通常所需的最少次数。设定最少迭代次数M的确定可依据经验进行人为设定，也可根据不同码长，通过大量的仿真实验来确定。
本步骤能够避免过早地触发提前终止迭代策略，避免无意义的计算，提高整体译码的效率。
步骤四：比较选定的冻结比特的LLR的绝对值与设定阈值Θ的大小，若最终所有冻结比特的LLR的绝对值大于等于设定阈值Θ时，则结束迭代，根据计算出的信息比特的对数似然比进行译码输出，结束译码；若最终所有冻结比特的LLR的绝对值小于设定阈值Θ时，则返回步骤一继续迭代。
所述选定的冻结比特，可以是全部冻结比特，也可以是筛选出的冻结比特中具有相对较低错误概率的那部分比特，即BFBs(Best Frozen Bits，最优的冻结比特)，其由技术人员根据实际进行设定。
本步骤中的设定阈值Θ的物理意义是：确定码长的极化码在BP译码时在不影响误码性能前提下冻结比特的LLR的绝对值的最小值。设定阈值Θ的确定可依据经验进行人为设定，也可根据不同码长，通过大量的仿真实验来确定。
由于在极化码中，冻结比特的信道容量大，出错概率较小，通过简单的判断冻结比特的LLR幅值来终止迭代，并不会造成误码性能的退化，但是却会大幅提高BP译码器的平均吞吐率和降低译码延迟，从而可靠、高效地减少了大部分冗余迭代，提高了极化码的BP译码的效率。
下面以BFBs作为选定的冻结比特为例，具体说明本发明实施例提供的提前终止迭代策略。
对数似然比LLR表示为：
其中，P(u＝0)表示输入比特为0的概率，P(u＝1)表示输入比特为1的概率。
假设BFBs的LLR初始化为0，此时BFBs的LLR为0的概率大于BFBs的LLR为1的概率，根据LLR的定义，BFBs的LLR应均大于0，因此，若LLR的幅度越大，也就意味着BFBs的LLR为零的概率越大。(BFBs的LLR初始化为1的情况与此刚好相反，在此不予以赘述。)
本发明实施例使用来表示BFBs的LLR的绝对值与设定阈值Θ的评估结果，具体为：
其中，表示第t次迭代后BFBs第i项的LLR。
之后，BFBs的LLR评估结果之和SCR(Sum of the Comparison Results)通过下式计算：
其中，NBFBs代表BFBs中比特的总数。
那么本发明实施例的提前终止迭代策略为：当SCR为0时，则认定译码完成，停止迭代。
当然还可以如图2所示，使用NBFBs输入的或门来对来进行判断是否提前终止迭代，如果或门的输出为零，则停止迭代。
以下给出一种通过仿真实验获得设定最少迭代次数M和设定阈值Θ的方法。
如图3所示，以码长N＝1024，码率R＝1/2的(1024,512)极化码为例说明如何获取最少迭代次数M和阈值Θ，仿真过程中最大迭代次数设定为40。
图3中给出了最少迭代次数M＝5，阈值Θ分别取值为6.2,6.9,7.3,7.6时，极化码BP译码器的误帧率(Frame Error Rate)情况。从图中可以看出，随着阈值Θ的增加，提前停止迭代的误帧率逐渐趋近于固定40次迭代的误码性能。当Θ＝7.6时，提前停止迭代的误码性能与固定40次迭代的误码性能相同，也就是说提前停止迭代并未造成译码性能的损失，因此M＝5，Θ＝7.6可以作为(1024，512)极化码BP译码器的一组停止迭代参数。需要指出的是ln(500)≈6.2，ln(1000)≈6.9，ln(1500)≈7.3，ln(2000)≈7.6。
当然，设定最少迭代次数M和设定阈值Θ还可以依据经验人为设定。
基于与方法同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种极化码的BP译码装置，所述装置包括：
迭代计算模块，用于根据接收的极化码中包含的对数似然比信息，使用BP译码算法进行迭代译码，并在结束迭代译码时根据计算出的信息比特的对数似然比进行译码输出；
其中，接收的极化码中的冻结比特全部为0或全部为1；
第一比较模块，用于在当前迭代次数达到最大迭代次数时，结束迭代译码；
第二比较模块，用于在选定的冻结比特的对数似然比的绝对值均大于设定阈值时，结束迭代译码。
第三比较模块，用于在当前迭代次数大于等于设定最少迭代次数时，触发第二比较模块开始工作。
所述设定阈值和所述设定最少迭代次数通过人为设定或根据极化码的码长预先进行仿真实验获得。
基于与装置同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种极化码通讯系统，所述系统包括：
发送端，用于将极化码中的冻结比特全部初始化为0或全部初始化为1，以及将极化码编码后通过信道发送给接收端；
接收端，包括以上任一所述的BP译码装置实施例。
基于与方法同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序以实现以上任一所述的方法实施例的步骤。
基于与方法同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时以实现以上任一所述的方法实施例的步骤。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，ReadOnly Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种计算机设备进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

Claims (9)

1.一种极化码的BP译码方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一：根据接收的极化码中包含的对数似然比信息，使用BP译码算法进行迭代译码；
其中，接收的极化码中的冻结比特全部为0或全部为1；
步骤二：若当前迭代次数达到最大迭代次数，进行步骤四，否则进行步骤三；
步骤三：若选定的冻结比特的对数似然比的绝对值大于等于设定阈值时，进行步骤四，否则返回步骤一继续迭代；
所述选定的冻结比特，为筛选出的冻结比特中具有相对较低错误概率的那部分比特；
步骤四：根据计算出的信息比特的对数似然比进行译码输出，结束译码。
2.根据权利要求1所述的极化码的BP译码方法，其特征在于，步骤三中，只有当前迭代次数大于等于设定最少迭代次数时，才比较冻结比特的对数似然比的绝对值与设定阈值的大小，否则返回步骤一继续迭代。
3.根据权利要求2所述的极化码的BP译码方法，其特征在于，所述设定阈值和所述设定最少迭代次数通过人为设定或根据极化码的码长预先进行仿真实验获得。
4.一种极化码的BP译码装置，其特征在于，所述装置包括：
迭代计算模块，用于根据接收的极化码中包含的对数似然比信息，使用BP译码算法进行迭代译码，并在结束迭代译码时根据计算出的信息比特的对数似然比进行译码输出；
其中，接收的极化码中的冻结比特全部为0或全部为1；
第一比较模块，用于在当前迭代次数达到最大迭代次数时，结束迭代译码；
第二比较模块，用于在选定的冻结比特的对数似然比的绝对值均大于设定阈值时，结束迭代译码；
所述选定的冻结比特，为筛选出的冻结比特中具有相对较低错误概率的那部分比特。
5.根据权利要求4所述的极化码的BP译码装置，其特征在于，所述装置包括：
第三比较模块，用于在当前迭代次数大于等于设定最少迭代次数时，触发第二比较模块开始工作。
6.根据权利要求5所述的极化码的BP译码装置，其特征在于，所述设定阈值和所述设定最少迭代次数通过人为设定或根据极化码的码长预先进行仿真实验获得。
7.一种极化码通讯系统，其特征在于，所述系统包括：
发送端，用于将极化码中的冻结比特全部初始化为0或全部初始化为1，以及将极化码编码后通过信道发送给接收端；
接收端，包括如权利要求4-6任一所述的BP译码装置。
8.一种计算机设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序以实现权利要求1-3任一所述的方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时以实现权利要求1-3任一所述的方法的步骤。
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