CN110868224B - 一种基于模4和分段校验辅助的极化码编译码方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及数字信息传输技术,具体涉及一种基于模4和分段校验辅助的极化码编译码方法。
背景技术
2009年,E.Arikan首次提出信道极化的概念和极化编码的信道编码方案,极化码是目前唯一可被理论证明达到香农极限的信道编码。极化码具有编译码复杂度低,易于设计和实现的优势;同时具有可以确保服务的质量,误码率低等特点。2016年华为的极化码方案正式被确定为5G控制信道的短码标准。
现有技术在分段校验辅助的基础上提出了一种奇偶分段校验辅助的SCL译码算法(即parity check SCL,简记为PC-SCL),通过在每个子段末尾添加奇偶校验位对本子段进行校验,剪除未通过校验的候选路径。与CRC分段校验辅助SCL算法相比,这种方法通过将奇偶校验代替CRC校验,进一步降低了译码的计算复杂度;同时每个子段只需一个校验位即可完成校验,因此相同数量的校验位可以分割更多的子段进行剪枝,奇偶校验位的放置也更加灵活,这在一定程度上可以更加提前的剪除错误译码路径,从而进一步降低误码率。但奇偶校验只能检出奇数个错误的误码块,对于偶数个错误的误码则无法检出,现有技术指出2位错误在误码中占据10%-20%比例不等,从而导致在信噪比较高时奇偶分段校验辅助的SCL译码算法误码性能不如CRC分段校验辅助的SCL译码算法。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足,本发明提供一种基于模4和分段校验辅助的极化码编译码方法,简记为M4SC-SCL方法。
本发明针对现有技术中奇偶分段校验辅助SCL译码算法只能检出奇数个错误的不足,提出了一种基于模4和分段校验辅助的极化码编译码方法。该方法与奇偶分段校验辅助SCL译码算法的计算复杂度相当,相对于奇偶校验只能检出奇数个错误的误码,本方法可以检出1/2的2个比特错误的误码,从而降低了错误路径无法检出而用于后续译码的概率,减少了无效计算,避免了错误传播,进一步的降低了误码率,提升了译码的误码性能。
本发明采用如下技术方案:
一种基于模4和分段校验辅助的极化码编译码方法,该方法的编码方法为:
S1:按照极化码经典构造方法,对2K个子信道进行信道组合和信道分裂,将可靠性高的K个子信道传送消息位,其余K个子信道设为固定位。
S2:将长度为K的消息位分成长度相同的前M-1个子段和最后1个子段,共M个子段。其中 为向下取整运算符,k为前M-1个子段中的每个子段的比特位数,最后1个子段的比特位数为K-k(M-1)(当K/k可整除时,最后1个子段比特位数为0)。在前M-1个子段中,在每个子段中分别取第个比特位和第k个比特位组成本子段的一组校验位,共分配2(M-1)个校验位。其余K-2(M-1)个消息位放置信息位。
S3:记m为子段序号,初始化m=1。
S5:对本子段的信息位和值sum进行模4运算,得到本子段校验和mod_val,即mod_val=sum%4(mod_val值域为{0,1,2,3})。
S6:进行校验位编码:
记valk/2为第一个校验位的值,valk为第二个校验位的值。
若mod_val=0,令valk/2=0,valk=0;
若mod_val=1,令valk/2=0,valk=1;
若mod_val=2,令valk/2=1,valk=0;
若mod_val=3,令valk/2=1,valk=1。
S7:更新子段序号,令m=m+1。
S8:重复S4-S7,直到第M-1个子段结束。
S9:将所有消息位和固定位组合,编码完成。
一种基于模4和分段校验辅助的极化码编译码方法,该方法的译码方法为:
S1:初始化译码器,令m=1,开始译码。
S2:进行SCL译码:若当前候选路径数Lnow<L,则保留所有候选路径,继续进行下一位译码;否则对所有候选路径按照路径度量值进行排序,保留路径度量值最大的L条候选路径,删除其他候选路径。
S3:判断是否完成一个子段的译码:如果是,则转入S4;否则,返回S2。
S4:判断m≤M-1是否成立。如果是,转入S5;否则,转入S14。
S5:记p为候选路径序号,cnt为通过校验的候选路径计数,初始化p=1,cnt=0。
S6:进入第p条候选路径。
S7:提取本子段的2个校验位,组成一组二进制校验值,并转换为十进制值chkval。
S8:对本子段不包括2个校验位的所有信息位进行模4求和运算,得到模4和值mod_sum。
S9:判断mod_sum=chk_val是否成立。如果是,则保留本条候选路径,更新cnt+1;否则,删除本条候选路径。
S10:更新候选路径序号p,令p=p+1。
S11:重复S6-S10,直到第L条路径校验结束。
S12:判断cnt=0是否成立。如果是,则保留所有候选路径,进入S2;否则,保留cnt条路径,进入S2。
S13:重复S2-S12,直到第M-1个子段译码结束。
S14:对所有候选路径按照路径度量值PM进行降序排序。
S15:保留PM最大的候选路径作为译码结果。
S16:译码结束。
本发明的有益效果:
(1)与CRC校验分段辅助译码算法相比,本方法校验时只需对所有信息位进行模4和运算,计算复杂度更低;同时每个子校验段所需的校验位更少,在校验位数量相同时,同等长度的码字可以分成更多的子校验段,每个子段长度更短。
(2)由于在SCL译码算法中,靠后序号的比特位译码高度依赖于靠前序号比特位译码的正确性,更短的子段长度在译码过程中可以更早的发现错误,剪除错误译码路径,避免错误传播,同时在每个子校验段中将两个校验位均匀的置于子段的中间和尾部,可以一定程度上增强校验位对错误比特译码的感知能力,提升校验的可靠性。
(3)奇偶校验算法只能发现奇数个错误的误码,而有文献指出在SCL译码的所有误码中2位比特的错误占据10%-20%左右的比例,奇偶校验算法无法检出2位比特的错误,保留了错误路径而继续用于后续译码过程,导致错误传播。相较于奇偶校验算法,模4和校验算法可以检出校验段中1/2比例的2位比特的误码,具备更强的正确校验能力,如图3所示;避免了不能及时检出错误路径导致的错误传播,进一步地降低了误码率。
(4)本发明和奇偶分段校验辅助SCL译码方法相比,如图4所示,在码长256,候选路径L=4时,在10-2到10-3的误块率区间获得了0.2-0.4dB的增益;如图5所示,在码长256,候选路径L=8时,在10-2到10-3的误块率区间获得了0.25-0.75dB的增益。
附图说明
图1为本发明方法中编码部分的工作流程图。
图2为本发明方法中译码部分的工作流程图。
图3为本发明方法中错误比特引起校验位变化的示意图,加粗的数字代表相对于奇偶校验改进后的本算法可以检出的误码变化。
图4为本发明中在码长256,候选路径数L=4时,CRC辅助校验SCL算法即CA-SCL算法,奇偶分段校验辅助SCL算法即PC-SCL算法,基于模4和分段校验辅助SCL算法即M4SC-SCL算法误块率对比示意图。
图5为本发明中在码长256,候选路径数L=8时,CRC辅助校验SCL算法即CA-SCL算法,奇偶分段校验辅助SCL算法即PC-SCL算法,基于模4和分段校验辅助SCL算法即M4SC-SCL算法误块率对比示意图。
图6为本发明中在码长512,候选路径数L=4时,CRC辅助校验SCL算法即CA-SCL算法,奇偶分段校验辅助SCL算法即PC-SCL算法,基于模4和分段校验辅助SCL算法即M4SC-SCL算法误块率对比示意图。
图7为本发明中在码长512,候选路径数L=8时,CRC辅助校验SCL算法即CA-SCL算法,奇偶分段校验辅助SCL算法即PC-SCL算法,基于模4和分段校验辅助SCL算法即M4SC-SCL算法误块率对比示意图。
图8为本发明中在码长1024,候选路径数L=2时,CRC辅助校验SCL算法即CA-SCL算法,奇偶分段校验辅助SCL算法即PC-SCL算法,基于模4和分段校验辅助SCL算法即M4SC-SCL算法误块率对比示意图。
图9为本发明中在码长1024,候选路径数L=4时,CRC辅助校验SCL算法即CA-SCL算法,奇偶分段校验辅助SCL算法即PC-SCL算法,基于模4和分段校验辅助SCL算法即M4SC-SCL算法误块率对比示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图,对本发明作进一步地详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本申请实施例应用于对信息比特进行极化码编码和译码的场景,例如可以应用于5G控制信道。
本实施例编译码方法的实施系统中包括发送端和接收端,其中发送端为编码侧,可以用于编码和输出编码信息,编码信息在信道上传输至译码侧;接收端为译码侧,可以用于接收发送端发送的编码信息,并对编码信息译码,发送端和接收端可以是终端、服务器、基站或其他可以编译码的设备。
本发明属于数字信息传输技术领域,具体是辅助极化码译码SCL算法技术。
一种基于模4和分段校验辅助的极化码编译码方法,如图1所示,该方法的编码方法为:
S1:按照极化码经典构造方法,对2K个子信道进行信道组合和信道分裂,将可靠性最高的K个子信道传送消息位,其余K个子信道设为固定位。
S2:将长度为K的消息位分成长度相同的前M-1个子段和最后1个子段,共M个子段。其中 为向下取整运算符,k为前M-1个子段中的每个子段的比特位数,最后1个子段的比特位数为K-k(M-1)(当K/k可整除时,最后1个子段比特位数为0)。在前M-1个子段中,在每个子段中分别取第个比特位和第k个比特位组成本子段的一组校验位,共分配2(M-1)个校验位。其余K-2(M-1)个消息位放置信息位。
S3:记m为子段序号,初始化m=1。
S5:对本子段的信息位和值sum进行模4运算,得到本子段校验和mod_val,即mod_val=sum%4(mod_val值域为{0,1,2,3})。
S6:进行校验位编码:
记valk/2为第一个校验位的值,valk为第二个校验位的值。
若mod_val=0,令valk/2=0,valk=0;
若mod_val=1,令valk/2=0,valk=1;
若mod_val=2,令valk/2=1,valk=0;
若mod_val=3,令valk/2=1,valk=1。
S7:更新子段序号,令m=m+1。
S8:重复S4-S7,直到第M-1个子段结束。
S9:将所有消息位和固定位组合,编码完成。
一种基于模4和分段校验辅助的极化码编译码方法,如图2所示,该方法的译码方法为:
S1:初始化译码器,令m=1,开始译码。
S2:进行SCL译码:若当前候选路径数Lnow<L,则保留所有候选路径,继续进行下一位译码;否则对所有候选路径按照路径度量值进行排序,保留路径度量值最大的L条候选路径,删除其他候选路径。
S3:判断是否完成一个子段的译码:如果是,则转入S4;否则,返回S2。
S4:判断m≤M-1是否成立。如果是,转入S5;否则,转入S14。
S5:记p为候选路径序号,cnt为通过校验的候选路径计数,初始化p=1,cnt=0。
S6:进入第p条候选路径。
S7:提取本子段的2个校验位,组成一组二进制校验值,并转换为十进制值chk_val。
S8:对本子段不包括2个校验位的所有信息位进行模4求和运算,得到模4和值mod_sum。
S9:判断mod_sum=chk_val是否成立。如果是,则保留本条候选路径,更新cnt+1;否则,删除本条候选路径。
S10:更新候选路径序号p,令p=p+1。
S11:重复S6-S10,直到第L条路径校验结束。
S12:判断cnt=0是否成立。如果是,则保留所有候选路径,进入S2;否则,保留cnt条路径,进入S2。
S13:重复S2-S12,直到第M-1个子段译码结束。
S14:对所有候选路径按照路径度量值PM进行降序排序。
S15:保留PM最大的候选路径作为译码结果。
S16:译码结束。
以极化码码长256为例。其编码为:
S1:按照极化码经典构造方法,对256个子信道进行信道组合和信道分裂,将可靠性最高的128个子信道设为消息位,其余128个子信道设置为固定位。
S2:将长度为K=128的消息位分成长度相同的前个子段和最后1个子段:前12个子段中的每个子段的比特位数为k=10,最后一个子段比特位数为8。在前12个子段中,在每个子段中分别取第个比特位和第k=10个比特位组成本子段的一组校验位,共分配2×12=24个校验位。其余K-2(M-1)=104个消息位放置信息位。
S3:记m为子段序号,初始化m=1。
S5:对本子段的信息位和值sum进行模4运算,得到本子段校验和mod_val,即mod_val=sum%4。
S6:进行校验位编码:
记ual5为第一个校验位的值,ualk为第二个校验位的值。
若mod_val=0,令ual5=0,ual10=0;
若mod_val=1,令ual5=0,ual10=1;
若mod_val=2,令ual5=1,ual10=0;
若mod_val=3,令ual5=1,ual10=1。
S7:更新子段序号,令m=m+1。
S8:重复S4-S7,直到第M-1个子段结束。
S9:将所有消息位和固定位组合,编码完成。
在高斯白噪声(AWGN)信道及BPSK调制的情况下,以(256,128)、(512,256)以及(1024,512)极化码为例,对比CRC校验辅助SCL译码算法即CA-SCL算法,奇偶分段校验辅助SCL译码算法即PC-SCL算法和本发明提出的基于模4和分段校验辅助SCL译码算法即M4SC-SCL算法的误块率。
在极化码码长256下,如图4所示,当候选路径L=4时,和PC-SCL算法相比,在10-2到10-3的误块率区间获得了0.2-0.4dB的增益,和CA-SCL算法相比,在10-2到10-3的误块率区间获得了0.1-0.15dB的增益;如图5所示,当候选路径L=8时,和PC-SCL算法相比,在10-2到10-3的误块率区间获得了0.25-0.75dB的增益,和CA-SCL算法相比,在10-2到10-3的误块率区间获得了0.15-0.3dB的增益。
在极化码码长512下,如图6所示,当候选路径L=4时,本发明的M4SC-SCL相对于CA-SCL算法,PC-SCL算法获得增益相对不太明显,但仍优于CA-SCL算法和PC-SCL算法;如图7所示,当候选路径L=8时,和PC-SCL算法相比,在10-2到10-3的误块率区间获得了0.1-0.2dB左右的增益,和CA-SCL算法相比,在10-2到10-3的误块率区间获得了0.2dB左右的增益。
在极化码码长1024下,如图8所示,当候选路径L=2时,本发明的M4SC-SCL相对于CA-SCL算法,PC-SCL算法获得增益相对不太明显,但仍优于CA-SCL算法和PC-SCL算法;如图9所示,当候选路径L=4时,和PC-SCL算法相比,在10-2到10-3的误块率区间获得了0.1-0.2dB左右的增益,和CA-SCL算法相比,在10-2到10-3的误块率区间表现相仿。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于模4和分段校验辅助的极化码编码方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:按照极化码经典构造方法,对2K个子信道进行信道组合和信道分裂,将可靠性高的前K个子信道传送消息位,其余K个子信道设为固定位;
S2:将K个消息位分为M个子段,其中前M-1个子段的长度相同,在前M-1个子段中,每个子段分别取第个比特位和第k个比特位构成本子段的一组校验位,每个子段除去两个校验位后的其他消息位放置信息位,第M个子段的消息位均放置信息位,其中k为前M-1个子段中的每个子段的比特位数,为向下取整运算符;
S3:记m为子段序号,其中m≤M-1,初始化m=1;
S4:进入第m子段,对本子段所有信息位进行求和运算得到sum;
S5:对本子段的信息位和值sum进行模4运算,得到本子段校验和mod_val,即mod_val=sum%4;
S6:根据本子段的校验和mod_val,进行校验位编码;
S7:更新子段序号,令m=m+1,重复S4-S7,直到第M-1个子段结束;
S8:将所有信息位和固定位组合,编码完成。
2.根据权利要求1所述的极化码编码方法,其特征在于,所述根据本子段的校验和mod_val,进行校验位编码,具体为将校验和转换成二进制形式赋予给校验位;
记valk/2为第一个校验位的值,valk为第二个校验位的值;
若mod_val=0,令valk/2=0,valk=0;
若mod_val=1,令valk/2=0,valk=1;
若mod_val=2,令valk/2=1,valk=0;
若mod_val=3,令valk/2=1,valk=1。
4.根据权利要求1所述的极化码编码方法,其特征在于,第M个子段的比特位数为K-k(M-1)。
5.根据权利要求3所述的极化码编码方法,其特征在于,当K/k可整除时,最后1个子段比特位数为0。
6.一种基于模4和分段校验辅助的极化码译码方法,其特征在于,包括:
S1:初始化译码器,令m=1,开始译码;
S2:进行SCL译码:若当前候选路径数Lnow<L,则保留所有候选路径,继续进行下一位译码;否则对所有候选路径按照路径度量值进行排序,保留路径度量值最大的L条候选路径,删除其他候选路径;
S3:判断是否完成一个子段的译码:如果是,则转入S4;否则,返回S2;
S4:判断m≤M-1是否成立,如果是,转入S5;否则,转入S14;
S5:记p为候选路径序号,cnt为通过校验的候选路径计数,初始化p=1,cnt=0;
S6:进入第p条候选路径;
S7:提取本子段的2个校验位,构成一组二进制校验值,并转换为十进制值chk_val;
S8:对本子段不包括2个校验位的所有信息位进行模4求和运算,得到模4和值mod_sum;
S9:判断mod_sum=chk_val是否成立,如果是,则保留本条候选路径,更新cnt+1;否则,删除本条候选路径;
S10:更新候选路径序号p,令p=p+1;
S11:重复S6-S10,直到第L条路径校验结束;
S12:判断cnt=0是否成立,如果是,则保留所有候选路径,进入S2;否则,保留cnt条路径,进入S2;
S13:重复S2-S12,直到第M-1个子段译码结束;
S14:对所有候选路径按照路径度量值PM进行降序排序;
S15:保留PM最大的候选路径作为译码结果。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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