CN110798284A - 一种基于双bp译码图并行译码技术的极化码传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双BP译码图并行译码技术的极化码传输方法，与现有技术相比解决了多图BP译码复杂度过高以及译码延迟过高的缺陷。本发明包括以下步骤：筛选信道；构造信息块并进行编码传输；接收信息块并基于BP译码图进行译码。本发明提高了极化码BP译码的误码性能，且未增加译码复杂度，降低了译码延迟，大大提升了极化码译码算法的实用性。

Description

一种基于双BP译码图并行译码技术的极化码传输方法

技术领域

本发明涉及极化码技术领域，具体来说是一种基于双BP译码图并行译码技术的极化码传输方法。

背景技术

由Arikan提出的极化码已经被证明是一种在任意二进制输入离散无记忆信道(B-DMCs)达到信道容量的编码方案，这种方案使用串行抵消(SC)算法译码，且具有较低的编码和译码复杂度。SC算法译码是置信传播(BP)算法译码的一个特殊实例。总的来说，在加性高斯白噪声信道(AWGN)极化码的BP译码性能优于SC译码。同时，由于BP译码图的可变性，使得极化码的BP译码有了更多的选择，产生了多图BP译码。

现有的多图BP译码方法有三种：第一种，采用预先计算好的n(n＝log₂N)张BP译码图进行译码，当标准图译码失败时选取下一张图进行译码直到最后一张图；第二种，随机生成n张BP译码图进行译码，当标准图译码失败时选取下一张图进行译码直到最后一张图；第三种，循环移位产生n张BP译码图进行译码，当标准图译码失败时选取下一张图进行译码直到最后一张图。以上三种方法简称Gross BP、Random BP和Cyclic BP，并且Gross BP的译码性能最好。现有的多图BP译码方法存在译码延迟过高的现象，在限定总的译码迭代次数相同条件下，多图BP译码存在译码延迟过高的现象。

因此，如何在不增加译码复杂度的前提下，提出一种带有双种译码图的并行译码的的极化码置信传播译码方法已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中多图BP译码复杂度过高以及译码延迟过高的缺陷，提供一种基于双BP译码图并行译码技术的极化码传输方法来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于双BP译码图并行译码技术的极化码传输方法，包括以下步骤：

筛选信道：计算出信道参数向量P_e，根据信道参数向量P_e筛选出信息位信道和冻结位信道，并将信息位信道放入集合I中、冻结位信道放入集合F中；

构造信息块并进行编码传输：构造信息块U包含K-K_CRC个信息比特，K为每个极化码编码模块的信息长度，K_CRC为添加CRC校验位的个数；将CRC校验位添加到信息位中，那么K-K_CRC个信息位添加上K_CRC个CRC校验位进入极化码编码器；对极化码编码器编码后的信息块进行发送；

接收信息块并基于BP译码图进行译码：接收信息块，选择两张BP译码图，并进行译码过程。

所述筛选信道包括以下步骤：

针对于所有待传输比特信道，利用Tal-Vardy构造方法得到包含各分裂信道错误概率值的信道参数向量P_e；

根据信道参数向量P_e挑选信息位信道集合I和冻结位信道集合F，其具体步骤如下：

对比特信道的信道参数向量P_e中的元素按各分裂信道错误概率值进行升序排序，得到排序过后的信道参数向量P_temp，并求出P_temp中的每个元素在P_e中的索引，得到索引向量P_idx；

取出索引向量P_idx中的前K个元素，K为极化码的信息位数，对其按升序排序后放入信息位信道集合I中；将P_idx剩余元素按升序排序后放入冻结位信道集合F中。

所述构造信息块并进行编码传输包括以下步骤：

将顺序输入的消息比特划分为若干个信息帧，每个信息帧包含K个信息比特；

对于每一个信息帧，将其前K-K_CRC个信息比特放入信息块U中；

添加CRC校验码并进行传输：采用国际标准的CRC生成多项式，对信息块U，依据CRC多项式，在信息比特末端添加CRC校验码后进入极化码编码器进行编码；

对极化码编码器编码后的信息块进行发送传输。

所述接收信息块并基于BP译码图进行译码包括以下步骤：

选择两张BP译码图；

进行BP译码：

将收到的N个码字送入到两个并行BP译码器中进行BP译码，每进行一次并行BP译码迭代得到两组BP译码器信息块U的对数似然比LLR₁和LLR₂值，然后由LLR＝LLR₁+LLR₂得到信息块U的译码估计值

对所得到的译码估计值

进行CRC校验：如果估计的信息比特满足CRC校验，则可以停止译码；否则，将继续下一轮的BP迭代，直至满足CRC校验或达到设定最大迭代次数。

所述选择两张BP译码图包括以下步骤：

选择BP标准因子图作为第一张BP译码图；

设定置换因子图为第二张BP译码图，置换因子图的选取规则如下：

设信息位信道集合I＝(i₁,i₂,…,i_k)，并按比特信道质量的升序排列，设

是最差质量信息位信道索引i₁-1的二进制展开，且第二张BP译码图的选取允许低位1与高位0进行置换，不允许二进制数的最高位1与最低位0进行置换、次高位1与次低位0进行置换。

有益效果

本发明的一种基于双BP译码图并行译码技术的极化码传输方法，与现有技术相比提高了极化码BP译码的误码性能，且未增加译码复杂度，降低了译码延迟，大大提升了极化码译码算法的实用性。

本发明通过在译码迭代过程中采用两个并行的BP译码器并满足CRC校验条件便提前终止迭代以实现提高译码性能。在编码阶段，每个信息块添加CRC校验比特；在译码阶段，采用BP标准因子图与置换因子图相结合，出现估计信息比特

满足CRC校验时，提前结束译码迭代过程，输出译码。在总的迭代次数相同时，本发明所述方法(简称为Proposed BPwith two graphs方法)相对于现有的多图BP译码方法达到了与之相同的译码性能，并且译码延迟更低。

本发明的仿真结果表明，使用本发明所述的方法，在AWGN信道中，码长N＝256，码率R＝0.5，总的迭代次数为60的条件下，与Gross BP相比可以达到与之相同的译码性能，并且译码延迟更低。

附图说明

图1为本发明的方法顺序图；

图2为本发明所述并行BP译码方法编码译码系统模型图；

图3为在AWGN信道中每张图最大迭代次数为30的传统BP、Gross BP、Random BP、Cyclic BP译码与Proposed BP with two graphs方法(本发明所述方法)译码的误码性能对比图；

图4为在AWGN信道中每张图最大迭代次数为30的传统BP、Gross BP、Random BP、Cyclic BP译码与Proposed BP with two graphs方法(本发明所述方法)译码的平均迭代次数对比图；

图5为在AWGN信道中总的迭代次数为60的Proposed BP with two graphs(本发明所述方法)与Gross BP的误码性能对比图；

图6为在AWGN信道中总的迭代次数为60的Proposed BP with two graphs(本发明所述方法)与Gross BP的平均迭代次数对比图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

本发明首先通过现有的构造方法，例如Tal-Vardy算法或高斯近似法计算出信道参数P_e，然后根据信道参数挑选出信息位、冻结位；再对信息帧添加CRC校验码；再根据两个BP译码器以及CRC校验(在此采用CRC-12，其多项式是poly＝[1111100010011])的结果来进行译码，最后输出译码结果。

如图1所示，本发明所述的一种基于双BP译码图并行译码技术的极化码传输方法，包括以下步骤：

第一步，筛选信道。计算出信道参数向量P_e，根据信道参数向量P_e筛选出信息位信道和冻结位信道，并将信息位信道放入集合I中、冻结位信道放入集合F中。其具体步骤如下：

(1)针对于所有待传输比特信道，利用构造方法得到包含各分裂信道错误概率值的信道参数向量P_e。

(2)根据信道参数向量P_e挑选信息位信道集合I和冻结位信道集合F，其具体步骤如下：

A1)对比特信道的信道参数向量P_e，按现有方式调用matlab中的sort函数，将P_e中的元素按各分裂信道错误概率进行升序排序，函数返回排序过后的信道参数向量P_temp，以及P_temp中的每个元素在P_e中的位置索引向量P_idx。

A2)取出索引向量P_idx中的前K个元素，(K为极化码的信息位数，即一个极化码编码信息块中的信息比特数量，K_CRC为每个信息块中的CRC校验比特数量)对其按升序排序后放入信息位信道集合I，将P_idx剩余元素按升序排序后放入冻结位信道集合F。

第二步，构造信息块并进行编码传输。构造信息块U包含K-K_CRC个信息比特，K为每个极化码编码模块的信息长度，K_CRC为添加CRC校验位的个数；将CRC校验位添加到信息位中，那么K-K_CRC个信息位添加上K_CRC个CRC校验位进入极化码编码器；对极化码编码器编码后的信息块进行发送。其具体步骤如下：

(1)将顺序输入的消息比特划分为若干个信息帧，每个信息帧包含K个信息比特；

(2)对于每一个信息帧，将其前K-K_CRC个信息比特放入信息块U中；

(3)添加CRC校验码并进行传输：采用国际标准的CRC生成多项式，对信息块U，依据CRC多项式，在信息比特末端添加CRC校验码后进入极化码编码器进行编码；

(4)对极化码编码器编码后的信息块进行发送传输。

第三步，接收信息块并基于BP译码图进行译码：接收信息块，选择两张BP译码图，并进行译码过程。如图2所示，接收信息块并进行两个并行BP译码器译码；将译码估计值送至CRC校验模块，通过CRC校验模块返回校验结果；根据CRC校验模块返回校验结果选择是否进行新一轮的译码。

经过编码的码字信号在AWGN信道W中传输，并且在接收端被观测。接收端每次收集长度为N的码字。两个并行译码器生成对每个信息块U的译码估计值然后送至CRC校验，可能产生的CRC校验结果为：

情况1：CRC校验正确。

情况2：CRC校验错误。

对于情况1，由于CRC校验正确，则判定译码结果正确，提前终止迭代，输出译码；对于情况2，CRC校验错误，因此需要执行下一轮BP迭代直至满足CRC校验或迭代至最大迭代次数。

其具体步骤如下：

(1)选择两张BP译码图。

A1)选择BP标准因子图作为第一张BP译码图。BP标准因子图是极化码发明时的BP译码图，其给出了连接方式，之后其他选择的图都在此基础上进行变换的，都称为置换图。

A2)设定置换因子图为第二张BP译码图，置换因子图的选取规则如下：

设信息位信道集合I＝(i₁,i₂,…,i_k)，并按比特信道质量的升序排列，设是最差质量信息位信道索引i₁-1的二进制展开，且第二张BP译码图的选取允许低位1与高位0进行置换，不允许二进制数的最高位1与最低位0进行置换、次高位1与次低位0进行置换。以此类推，此规则避免使最差质量信息位信道变得更差或者最差。

选图规则由偏序(Partial Order,PO)定理得到，定理如下：设任意比特信道索引i-1的二进制展开为

设

(1≤c,d≤n)并且d＞c。交换

和

的位置将会产生一个新的比特信道i′,与比特信道i相比，新的比特信道i′会产生随机退化，也就是信道质量：

由于BP因子图有n！种置换方式，也就产生了n！种译码图，如何选取BP置换图是一个开放的问题，目前还没有定论。现有的多图BP译码：Gross BP、Random BP、Cyclic BP，他们的选图方式是以经验为主进行选取的。而不同的BP因子图，信息比特经历的比特信道质量是不同的。我们从PO定理出发，从理论上得到了选图规则，该选图规则是我们首先提出的，在此规则下，我们发明的译码方法是目前译码最快的。

(2)进行BP译码：

将收到的N个码字送入到两个并行BP译码器中进行BP译码，每进行一次并行BP译码迭代得到两组BP译码器信息块U的对数似然比LLR₁和LLR₂值，然后由LLR＝LLR₁+LLR₂得到信息块U的译码估计值

对所得到的译码估计值

进行CRC校验：如果估计的信息比特满足CRC校验，则可以停止译码；否则，将继续下一轮的BP迭代，直至满足CRC校验或达到设定最大迭代次数。

如图3所示，图3为本发明所述在AWGN中每张图最大迭代次数为30的传统BP、GrossBP、Random BP、Cyclic BP译码与Proposed BP with two graphs(本发明所述方法)译码的误码性能对比图。从图3中可以看出Gross BP有最好的误码性能，本发明所述的ProposedBP with two graphs误码性能低于Gross BP，但优于传统BP。

如图4所示，图4为在AWGN中每张图最大迭代次数为30的传统BP、Gross BP、RandomBP、Cyclic BP译码与Proposed BP with two graphs译码的平均迭代次数对比图。为了更加公平的比较，因为Proposed BP with two graphs中两个译码器是并行的，所以平均迭代次数要乘以2，从图4中可以看出在E_b/N₀≤2时，Proposed BP with two graphs的平均迭代次数要小于Gross BP、Random BP、Cyclic BP。

如图5所示，图5为本发明所述在AWGN中总的迭代次数为60的Proposed BP withtwo graphs与Gross BP的误码性能对比图。因为Gross BP有最好的误码性能，所以本发明所述的Proposed BP with two graphs仅与之相比较。当总的迭代次数为60时，由于本发明所述的Proposed BP with two graphs是两个并行工作的译码器，所以单个译码器最大迭代次数为30。从图中可以看出两者误码性能相同。

如图6所示，图6为本发明所述在AWGN中总的迭代次数为60的Proposed BP withtwo graphs与Gross BP的平均迭代次数对比图。当总的迭代次数为60时，这里我们强调译码延迟：需要多少次迭代译码可以译码完成所有数据。在这种情况下本发明所述的Proposed BP with two graphs的平均迭代次数不需要乘以2，因为两个译码器是并行工作的。换句话说，Gross BP译码采用串行多译码器，译码完成所有数据可能需要总的迭代次数。则在相同的误码性能下本发明所述的Proposed BP with two graphs有更少的迭代次数，也即有更小的译码延迟，所以也会有一个更高的吞吐量。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种基于双BP译码图并行译码技术的极化码传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

11)筛选信道：计算出信道参数向量P_e，根据信道参数向量P_e筛选出信息位信道和冻结位信道，并将信息位信道放入集合I中、冻结位信道放入集合F中；

12)构造信息块并进行编码传输：构造信息块U包含K-K_CRC个信息比特，K为每个极化码编码模块的信息长度，K_CRC为添加CRC校验位的个数；将CRC校验位添加到信息位中，那么K-K_CRC个信息位添加上K_CRC个CRC校验位进入极化码编码器；对极化码编码器编码后的信息块进行发送；

13)接收信息块并基于BP译码图进行译码：接收信息块，选择两张BP译码图，并进行译码过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于双BP译码图并行译码技术的极化码传输方法，其特征在于，所述筛选信道包括以下步骤：

21)针对于所有待传输比特信道，利用Tal-Vardy构造方法得到包含各分裂信道错误概率值的信道参数向量P_e；

22)根据信道参数向量P_e挑选信息位信道集合I和冻结位信道集合F，其具体步骤如下：

221)对比特信道的信道参数向量P_e中的元素按各分裂信道错误概率值进行升序排序，得到排序过后的信道参数向量P_temp，并求出P_temp中的每个元素在P_e中的索引，得到索引向量P_idx；

222)取出索引向量P_idx中的前K个元素，K为极化码的信息位数，对其按升序排序后放入信息位信道集合I中；将P_idx剩余元素按升序排序后放入冻结位信道集合F中。

3.根据权利要求1所述的一种基于双BP译码图并行译码技术的极化码传输方法，其特征在于，所述构造信息块并进行编码传输包括以下步骤：

31)将顺序输入的消息比特划分为若干个信息帧，每个信息帧包含K个信息比特；

32)对于每一个信息帧，将其前K-K_CRC个信息比特放入信息块U中；

33)添加CRC校验码并进行传输：采用国际标准的CRC生成多项式，对信息块U，依据CRC多项式，在信息比特末端添加CRC校验码后进入极化码编码器进行编码；

34)对极化码编码器编码后的信息块进行发送传输。

4.根据权利要求1所述的一种基于双BP译码图并行译码技术的极化码传输方法，其特征在于，所述接收信息块并基于BP译码图进行译码包括以下步骤：

41)选择两张BP译码图；

42)进行BP译码：

将收到的N个码字送入到两个并行BP译码器中进行BP译码，每进行一次并行BP译码迭代得到两组BP译码器信息块U的对数似然比LLR₁和LLR₂值，然后由LLR＝LLR₁+LLR₂得到信息块U的译码估计值

对所得到的译码估计值进行CRC校验：如果估计的信息比特满足CRC校验，则可以停止译码；否则，将继续下一轮的BP迭代，直至满足CRC校验或达到设定最大迭代次数。

5.根据权利要求4所述的一种基于双BP译码图并行译码技术的极化码传输方法，其特征在于，所述选择两张BP译码图包括以下步骤：

51)选择BP标准因子图作为第一张BP译码图；

52)设定置换因子图为第二张BP译码图，置换因子图的选取规则如下：

设信息位信道集合I＝(i₁,i₂,…,i_k)，并按比特信道质量的升序排列，设

是最差质量信息位信道索引i₁-1的二进制展开，且第二张BP译码图的选取允许低位1与高位0进行置换，不允许二进制数的最高位1与最低位0进行置换、次高位1与次低位0进行置换。

Images