CN111200444A - 基于可靠性的系统极化码删余方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可靠性的系统极化码删余及系统。包括：对码长为N的系统极化码进行可靠性计算；假设需要缩短L位，首先选择最后的L个子信道为冻结位的第一部分，从剩下的(N‑L)个子信道中将可靠性度量值最高的K个子信道作为信息位，将剩余的子信道作为冻结位的第二部分；将冻结位第一部分的索引值进行比特反转置换，得到码字端凿孔向量索引s；对系统极化码编码；根据凿孔向量索引s删除相应位置的码字比特；通过高斯信道传输删余后的系统极化码；在译码端将凿孔索引向量s对应的对数似然比初始化为无穷大；对删余方法进行评价。利用本发明，系统极化码可以在不改变系统极化码基本结构的前提下，适应不同的码长。

Description

基于可靠性的系统极化码删余方法及系统

技术领域

本发明涉及极化码编码领域，具体涉及一种基于可靠性的系统极化码删余方法及系统。

背景技术

近年来，数据流量的急剧增加、各种新型业务和场景的不断涌现，以及各类连接设备的不断增加，促进了第五代移动通信(Fifth Generation Mobile Communication,5G)的出现和发展。5G相比于3G、4G,速度有几十倍的提高，同时也引进了更加先进的技术构建一个超高速的传输需求、超高容量、超可靠性、超短时延的网络社会。信道编码作为移动通信系统物理层的重要关键技术之一，5G对纠错码提出了更高的要求，要求更好的纠错能力，更低的编译码时延。

极化码是由土耳其Bilkent大学的Arikan Erdal教授于2008年提出的一种新型的信道编码技术，是第一种在二进制离散无记忆信道下被理论证明可以达到香农限的一种编码方法，具有递归的编码结构；同时，极化码在采用串行抵消(Successive cancellation,SC)译码算法下有O(NlogN)的编译码复杂度，从而受到了得到广泛的关注，并于2016年11月被第三代合作伙伴计划(3rd generation partnership project,3GPP)确定为第五代移动通信中增强型移动宽带(Enhanced mobile broadband,eMBB)场景下控制信道的编码方案。

极化码最常用的形式是非系统码，即信息位不会透明地表现为码字的一部分。从极化码的结构上看，极化码属于线性分组码，而线性码可以被转换为系统码，所以极化码也有对应的系统结构。2011年，Arikan Erdal提出了系统极化码，并且给出了编译码方法，不仅保证了非系统极极化码编译码的低复杂性，而且保证了相同误帧率(Frame ErrorRatio,FER)的条件下，误比特率(Bit Error Ratio,BER)性能优于非系统极化码。但目前来看，很多的研究都是基于极化码的原始结构，即非系统极化码，对系统极化码的研究较少。为了使极化码的码长更加灵活，需要对极化码进行删余处理。现有的码长删余方案大多是针对极化码的，对于系统极化码缺少相应的删余方法。

因此，现有系统极化码编码技术存在缺少针对性的码长删余方案，码长不灵活的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于可靠性的系统极化码删余方法及系统，在不改变极化码基本结构的前提下，能够解决系统极化码码长不灵活的问题。

一种基于可靠性的系统极化码删余方法，该方法包括：

步骤一，基于可靠度度量对N个子信道进行可靠性计算，得到各个子信道的可靠性度量值，可靠性计算采用的是高斯近似的方式；

步骤二，对(N，K)的系统极化码进行码构造：假设缩短之后的码长是C，且L＝N-C；首先选择index＝{C+1，C+2，...，N}作为冻结位集合的第一部分，再从剩下的(N-L)个子信道中选择K个可靠性高的子信道作为信息位；最后剩下的子信道再作为冻结位的第二部分，冻结位的第一部分和第二部分共同组成了系统极化码的冻结位集合；

步骤三，将L位索引值index进行比特反转置换，得到码字端凿孔向量索引s；

步骤四，根据系统极化码的编码方法对编码端的输入序列进行编码，得到系统极化码的码字；

步骤五，依据凿孔索引向量s删除对应位置的码字比特，然后将删余后的系统极化码通过高斯信道传输至接收端；

步骤六，在译码端将凿孔索引向量s对应位置的对数似然比初始化为无穷大，其余位的对数似然比保持原系统极化码的初始化方式；

步骤七，计算所得系统极化码的可靠性，对删余方法进行评价。

系统极化码编码方法为：生成的系统极化码字可以表示为

其中，码字的信息位部分

码字的校验位部分

集合A、B是集合{1,2，…N}的子集，这里取A＝B，A^c是A的补集，B^c是B的补集，u_A是输入信息序列，

是输入冻结序列，G_AB、

是生成矩阵G_N的子矩阵，G_AB表示生成矩阵G_N中由行集合A、列集合B构成的子矩阵。

一种基于可靠性的系统极化码删余系统，该系统包括：

可靠性计算单元，用于基于可靠度度量对N个子信道进行可靠性计算，得到各个子信道的可靠性度量值，可靠性计算采用的是高斯近似的方式；

码构造单元，用于对(N，K)的系统极化码进行码构造：假设缩短之后的码长是C，且L＝N-C；首先选择index＝{C+1，C+2，...，N}作为冻结位集合的第一部分，再从剩下的(N-L)个子信道中选择K个可靠性高的子信道作为信息位；最后剩下的子信道再作为冻结位的第二部分，冻结位的第一部分和第二部分共同组成了系统极化码的冻结位集合；

凿孔比特获得单元，用于将L位索引值index进行比特反转置换，得到码字端凿孔向量索引s；

编码单元，用于根据系统极化码的编码方法对编码端的输入序列进行编码，得到系统极化码的码字；

信道传输单元，用于依据凿孔索引向量s删除对应位置的码字比特，然后将删余后的系统极化码通过高斯信道传输至接收端；

译码单元，用于在译码端将凿孔索引向量s对应位置的对数似然比初始化为无穷大，其余位的对数似然比保持原系统极化码的初始化方式；

错误统计单元，用于计算所得系统极化码的可靠性，对删余方法进行评价。

本发明的有益效果在于：

本发明针对系统极化码提出了一种系统极化码的删余方法及系统，基于可靠性度量、比特反转置换等技术手段，实现了系统极化码的码长适配，在不改变极化码的基本结构的前提下，能够解决码长不灵活的问题。

附图说明

图1为基于可靠性的系统极化码删余方法流程图；

图2为缩短的极化码误帧率曲线图；

图3为缩短的极化码误比特率曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据Arikan提出的极化码的构造规则：在N＝2ⁿ(n＝1,2,...)个独立的B-DMC上进行信道极化变换后，可靠性高的子信道用于传输信息比特，可靠性低的子信道用于传输收发端都已知的冻结位。因此，可以通过从可靠性高的子信道集合添加或删除一个子信道来精确地改变码率，即在码长一定的情况下，很容易调整极化码的信息位长度，即码率是非常容易适配的；但由于极化码具有特定的结构，码长需受限于2的幂次方，并不能适应码长。在实际的应用中，为了实现简单，本发明的目的是不改变系统极化码的基本结构，同时系统极化码可以适应不同的码长。

本发明提供一种基于可靠性的系统极化码删余方法及系统。图1是本发明方法流程图，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一：

一种基于可靠性的系统极化码删余方法包括：

步骤一，基于可靠度度量对码长为N的编码端输入序列进行可靠性计算，得到各信道的可靠性度量值。这里用的可靠性度量方法是高斯近似方法。

步骤二，对母码为(8，4)的系统极化码进行码构造：即假设缩短之后的码长是6,且L＝N-C＝2；选择集合index＝{7，8}，首先选择index索引作为冻结位集合的第一部分，再从剩下的6个子信道中选择K个可靠性高的子信道作为信息位，这里信息位集合是{3，4，5，6}；最后剩下的子信道{1，2}再作为冻结位的第二部分。冻结位的第一部分和第二部分共同组成了系统极化码的冻结位集合，即冻结位集合是{1，2，7，8}。

步骤三，将index进行比特反转置换，得到码字端凿孔向量索引s＝{4，8}。

步骤三的比特反转是指对二进制数值的一种操作，若i的二进制表示是(b₀b₁b₂...b_n)，比特反转之后的结果是(b_nb_n-1b_n-2...b₀)。例如：码长是16，10需要用log2(16)＝4位二进制表示，即1010，经过比特反转之后的结果是0101，可以说在码长是16的时候，10的比特反转的结果是5。同理，码长是256时，78(01001110)比特反转之后的结果是114(01110010)。经过比特翻转置换，可以得到码字段凿孔索引向量。

步骤四，根据系统极化码的编码方法对编码端的输入序列进行编码，得到系统极化码。

系统极化码编码方法为：生成的系统极化码字

其中，码字的信息位部分

码字的校验位部分

集合A＝B＝{3，4，5，6}。A^c＝B^c＝{1，2，7，8}。

步骤五，依据凿孔索引向量s删除对应位置的码字比特，即删除码字中{4，8}位置的比特，然后将删余后的系统极化码通过高斯信道传输至接收端。

步骤六，在译码端将凿孔索引向量s＝{4，8}位置的对应的对数似然比初始化为无穷大，其余位的对数似然比保持原系统极化码的初始化方式，即：对数似然比＝2y/(sigma²)，y是接收信号，sigma²是噪声的方差，然后再进行系统极化码的译码。

和非系统极化码一样，系统极化码的译码也可以采用传统的SC译码，输入为(y,u_Ac)，输出u的估计

但是非系统极化码的SC译码在输出

之后，译码器就不再工作了；而对于系统极化码，需要多计算一个步骤，即：

而选择

作为输出，

表示选择A对应位置的

作为输出。

步骤七，计算所得系统极化码的误帧率和误比特率，对删余方法进行评价。

系统极化码在使用时受到码长是2的幂次方的制约，本发明的技术方案可以灵活地适配码长。缩短的极化码误帧率曲线图如图2所示，与非系统极化码缩短相比，本发明的系统极化码删余方法具有相同的误帧率性能，其中，横坐标表示信噪比，单位是dB，Eb为信号的功率，N0为噪声功率。然而根据图3误比特率曲线图，在FER性能相同的情况下，相比非系统极化码缩短方法，系统极化码的BER性能得到约0.5dB的改善。

本发明针对系统极化码提出了一种删余方案，基于可靠性度量、比特反转置换等技术手段，实现了系统极化码的码长适配，在不改变极化码的基本结构的前提下，能够解决系统极化码码长不灵活的问题。

以上实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于可靠性的系统极化码删余方法，其特征在于，该方法包括：

步骤一，基于可靠度度量对N个子信道进行可靠性计算，得到各个子信道的可靠性度量值，可靠性计算采用的是高斯近似的方式；

步骤二，对(N，K)的系统极化码进行码构造：假设缩短之后的码长是C，且L＝N-C；首先选择index＝{C+1，C+2，...，N}作为冻结位集合的第一部分，再从剩下的(N-L)个子信道中选择K个可靠性高的子信道作为信息位；最后剩下的子信道再作为冻结位的第二部分，冻结位的第一部分和第二部分共同组成了系统极化码的冻结位集合；

步骤三，将L位索引值index进行比特反转置换，得到码字端凿孔向量索引s；

步骤四，根据系统极化码的编码方法对编码端的输入序列进行编码，得到系统极化码的码字；

步骤五，依据凿孔索引向量s删除对应位置的码字比特，然后将删余后的系统极化码通过高斯信道传输至接收端；

步骤六，在译码端将凿孔索引向量s对应位置的对数似然比初始化为无穷大，其余位的对数似然比保持原系统极化码的初始化方式；

步骤七，计算所得系统极化码的可靠性，对删余方法进行评价。

2.如权利要求1所述的基于可靠性的系统极化码删余方法，其特征在于，所述系统极化码编码方法为：生成的系统极化码字可以表示为

其中，码字的信息位部分

码字的校验位部分

集合A、B是集合{1，2，...N}的子集，这里取A＝B，A^c是A的补集，B^c是B的补集，u_A是输入信息序列，

是输入冻结序列，G_AB、

是生成矩阵G_N的子矩阵，G_AB表示生成矩阵G_N中由行集合A、列集合B构成的子矩阵。

3.一种基于可靠性的系统极化码删余系统，其特征在于，该系统包括：

可靠性计算单元，用于基于可靠度度量对N个子信道进行可靠性计算，得到各个子信道的可靠性度量值，可靠性计算采用的是高斯近似的方式；

码构造单元，用于对(N，K)的系统极化码进行码构造：假设缩短之后的码长是C，且L＝N-C；首先选择index＝{C+1，C+2，...，N}作为冻结位集合的第一部分，再从剩下的(N-L)个子信道中选择K个可靠性高的子信道作为信息位；最后剩下的子信道再作为冻结位的第二部分，冻结位的第一部分和第二部分共同组成了系统极化码的冻结位集合；

凿孔比特获得单元，用于将L位索引值index进行比特反转置换，得到码字端凿孔向量索引s；

编码单元，用于根据系统极化码的编码方法对编码端的输入序列进行编码，得到系统极化码的码字；

信道传输单元，用于依据凿孔索引向量s删除对应位置的码字比特，然后将删余后的系统极化码通过高斯信道传输至接收端；

译码单元，用于在译码端将凿孔索引向量s对应位置的对数似然比初始化为无穷大，其余位的对数似然比保持原系统极化码的初始化方式；

错误统计单元，用于计算所得系统极化码的可靠性，对删余方法进行评价。

4.如权利要求3所述的基于可靠性的系统极化码删余系统，所述系统极化码编码方法为：生成的系统极化码字可以表示为

其中，码字的信息位部分

码字的校验位部分

集合A、B是集合{1，2，...N}的子集，这里取A＝B，A^c是A的补集，B^c是B的补集，u_A是输入信息序列，

是输入冻结序列，G_AB、

是生成矩阵G_N的子矩阵，G_AB表示生成矩阵G_N中由行集合A、列集合B构成的子矩阵。

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