CN111654292A - 一种基于动态阈值的分裂简化极化码连续消除列表译码器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于动态阈值的分裂简化极化码连续消除列表(Dynamic Threshold‑based Splitting‑reduced Successive Cancellation List,DTSR‑SCL)译码器。该译码器由处理单元模块、路径度量值更新模块、动态阈值更新模块、排序模块等组成。在传统连续消除列表(Successive Cancellation List,SCL)译码器中增加动态阈值更新模块，基于动态阈值来减少不必要的路径分裂数量。通过在路径分裂前把当前保留的路径动态地划分成两段，将第一段路径度量值加上惩罚值与第二段未施加惩罚值的路径度量值比较，由此确定动态阈值，第一段中施加惩罚值后路径度量值大于阈值的路径不分裂，第二段中的路径可提前剪枝。分裂前通过动态阈值更新模块减少SCL译码器冗余的路径分裂次数，进一步减少路径复制和排序模块的计算复杂度，同时保证译码性能没有下降。

Description

一种基于动态阈值的分裂简化极化码连续消除列表译码器
技术领域
本发明属于通信信道编码的译码技术领域，涉及一种连续消除列表极化码译码器，尤其在路径分裂时通过动态阈值更新模块减少不必要的分裂路径，达到在不影响译码性能的情况下减少译码器的实现复杂度。
背景技术
极化码在2007年被Arikan首次提出，在二进制离散无记忆信道下能够达到香农极限，是目前5G信道编码领域的基础。针对极化码的编码结构，Arikan提出了连续消除(Successive Cancellation,SC)译码算法，其译码复杂度低，当码长趋近于无穷时，译码性能比较优秀，但在中短码长下性能不太理想。为了对SC译码进行性能上的改进，连续消除列表(Successive Cancellation List,SCL)译码算法被提出。SCL译码器是目前在极化码译码方面应用最广泛的译码器，SCL译码对每个信息比特进行路径分裂和剪枝，同时保留L条译码的候选路径，每条路径都有一个衡量路径可靠性的路径度量值。路径度量值越小，路径越可靠，被保留下来作为最终译码结果的概率也就越大。SCL译码随着列表L增大能达到十分优越的性能，但同时译码复杂度和资源消耗也随之增加。
为了降低SCL译码器的实现复杂度，可通过减少路径的冗余分裂次数来减少不必要的译码运算。目前，从路径分裂方面看，已有部分改进的SCL译码算法被提出，如：Z.Zhaoyang等提出在译码比特的可靠性很高时不需要进行路径分裂。C.Gao等提出基于rate-1节点建立搜索集合，由于rate-1节点的第一个比特更容易发生错误，因此只在搜索集合所包含的索引比特上进行路径分裂来减少复杂度。在此基础上，J.Houren等提出利用每次译码最差路径的度量值作为阈值来控制路径减少不必要的分裂。这种用阈值控制减少分裂路径的方法可以进一步被优化。因此，本发明基于路径度量值，在原有的SCL译码器中加入了一个动态阈值更新模块，在不需要先验知识的前提下仅仅利用当前路径度量值以及LLR值就能够根据计算得到的动态阈值减少不必要的路径分裂。
发明内容
本发明为了解决已有的减少路径分裂所存在的局限问题，提出了一种基于动态阈值的分裂简化极化码连续消除列表(Dynamic Threshold-based Strict Splitting-reduced Successive Cancellation List,DTSR-SCL)译码器。其译码结构如图1所示，DTSR-SCL译码器由处理单元模块、路径度量值更新模块、动态阈值更新模块、排序模块等组成。DTSR-SCL译码器相比于传统连续消除列表(Successive Cancellation List,SCL)译码器增加了动态阈值更新模块，具有分裂路径数少，不需要引入先验知识，完全依靠当前路径的度量值和LLR值来减少分裂路径等特点；同时其减少路径分裂的准确率高，对性能不构成损失。
本发明的基本构思：为了解决现有减少路径分裂方法不够严格精确的问题，在现有阈值的基础上，通过引入动态阈值更新模块确定一个动态阈值来约束路径分裂，将分裂的路径数降到最低，提出了一种更加精确的分裂简化极化码SCL译码器。
基于以上技术问题，本发明所采用的技术方案为：本发明提供的极化码DTSR-SCL译码器，通过处理单元模块对接收向量的LLR值进行f运算和g运算，依次得到LLR并采取硬判决得到译码结果，同时路径度量值更新模块根据当前LLR值和译码结果是否相符进行度量值更新。每个信息比特进行路径分裂，同时保留0和1两种译码结果。当路径数达到L时，通过动态阈值更新模块确定下一个信息比特的阈值，找出不需要分裂的路径。将分裂后的路径通过排序模块对路径度量值进行升序排序，保留较优的L条路径。这L条路径继续通过处理单元模块译码，在遇到信息比特后通过动态阈值更新模块确定阈值，再将分裂后的路径通过排序模块进行剪枝，直到译码结束。实验的码长为1024，码率为0.5，信噪比为0.5-2.5dB。动态阈值更新模块的实现过程为首先在当前基于路径度量值升序排序的L条路径中，从排序后度量值末位动态分段，标记分段的位置在第k条路径之前，分段后的路径度量值存放在两个一维数组中，第一段对应的数组长度为k-1，存放较小的k-1个路径度量值PMm,(m＝1,2,…,k-1)，第二段对应的数组长度为L-k+1，存放较大的L-k+1个路径度量值PMw,(w＝k,k+1,…,L)。初始化k＝L，第一段对应的数组存放较小的L-1个路径度量值PMm,(m＝1,2,…,L-1)，第二段对应的数组存放最大的路径度量值PML。将第一个数组中存放的路径度量值PMm分别加上对应的惩罚值|LLRm|，记为PMm'，逐个与第二个数组中的路径度量值PMk比较，比较的结果存放在一个
Figure BDA0002591869490000031
的数组Ω中，若PMm'≤PMk，对应位置Ωm,k标1，反之标0。比较结束后令k＝k-1，将第一个数组中最大的路径度量值移到第二个数组的首位，再将第一段对应数组中剩余的L-2个路径度量值PMm,(m＝1,2,…,L-2)加上惩罚值后与第二段数组中的PMk相比较，以此类推，当比较到两个数组长度都为
Figure BDA0002591869490000032
时比较结束。对数组Ω每个列向量的元素为1的个数进行计算，得到一个新的
Figure BDA0002591869490000033
数组Θ，若满足
Figure BDA0002591869490000034
则第
Figure BDA0002591869490000035
条路径的度量值
Figure BDA0002591869490000036
将作为阈值来权衡其他路径是否需要进行分裂。对于第
Figure BDA0002591869490000037
条路径前加上惩罚值后路径度量值大于阈值的路径不需要进行分裂。对第
Figure BDA0002591869490000038
条路径后度量值大于阈值的路径进行提前剪枝。这样可以尽可能地将不必要分裂的路径找到，同时还能剪枝掉可靠性低的路径。由于未分裂出来的路径和剪枝的路径是不可靠的，即使对他们进行保留，也会在排序模块中被剪枝掉，因此不影响译码器的纠错性能。
本发明相对现有技术具有的优点和有益效果为：
1)本发明不需要先验知识作为阈值确定不需要分裂的路径。
2)本发明的剪枝与减少分裂操作准确性高，不影响译码性能。
3)本发明可以在SCL及其衍生方法中的任何分裂比特位置进行应用。
附图说明
图1为本发明极化码DTSR-SCL译码器系统框图；
图2为本发明极化码DTSR-SCL译码器初始路径分裂过程示意图；
图3为本发明极化码DTSR-SCL译码器阈值更新模块比较结果图；
图4为本发明极化码DTSR-SCL译码器L＝4阈值更新模块比较结果图；
图5为本发明极化码DTSR-SCL译码器L＝4路径分裂示意图；
图6为本发明极化码DTSR-SCL译码器剩余路径数和剪枝路径数的点列图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述，以下实施例有助于对本发明的理解，是比较好的应用实例，但不应看作是对本发明的限制。
如图1所示，DTSR-SCL译码器由处理单元模块、路径度量值更新模块、动态阈值更新模块、排序模块等组成。DTSR-SCL译码器对信道LLR值经过处理单元模块进行f运算、g运算和硬判决得到当前译码比特的LLR值和译码结果，同时通过路径度量值更新模块更新度量值，若译码结果和LLR值的硬判决结果相符则保持度量值不变，否则对路径度量值施加惩罚值|LLR|。在每个信息比特进行路径分裂，当路径数量等于L后，在下一个信息比特分裂前通过动态阈值更新模块进行阈值的更新，根据阈值减少分裂，再对分裂出来的路径通过排序模块进行剪枝，直到译码结束。
如图2所示，假定SCL(Lmax＝L)译码器实现过程中保留下来的路径按照路径度量值升序排列，即PM1≤PM2≤...≤PML，在进行路径分裂时，每条路径分裂成0和1两种可能，其中只有一条路径符合LLR值的硬判决结果，对不符合LLR硬判决的路径施加路径惩罚值|αl|,(1≤l≤L)，即PMl'＝PMl+|αl|,(1≤l≤L)，其中αl＝LLRl，显而易见PMl'≥PMl。为了找到分裂后的2L条路径中度量值较小的L条路径，需要对2L条路径的度量值通过排序器进行升序排列，找到前L条较优路径。为了减少不必要的分裂，我们致力于找到一个动态阈值，超过这个阈值的路径度量值所在的路径就不需要进行分裂。从图2中可以看到，PM4'≥PM4，且PM4≥PMi,(1≤i≤3)，则至少有4条路径的度量值优于PM4'，故PM4'所在的路径不需要进行分裂，这条路径必不会在最优的4条路径中保留下来。在此基础上，将PM4之前的所有路径加上惩罚值之后的路径度量值与PM4进行比较，若PMl'≥PM4,(1≤l'≤3)，则PMl'所在路径不需要进行分裂。为了进一步减少分裂不必要的路径，我们不满足于只将PML作为动态阈值，只要满足当前有L条路径度量值小于等于PMl,(1≤l≤L)，就可将PMl作为新的动态阈值，所有施加惩罚值后度量值大于动态阈值的路径都不需要分裂。
动态阈值更新模块中路径度量值之间的比较运算如图3所示，初始化PML作为动态阈值。将PMk与PMl'的比较结果存放在数组中。若PMl'≤PMk，则在相应位置标1，否则标0。经过分析可知，针对PMk，当至少有L条路径的度量值小于等于PMk时，则PMk可作为阈值。已知有k条未施加惩罚值的路径度量值小于等于PMk，故在施加惩罚值的路径度量值中只要保证有L-1-k个值小于等于PMk，就可以更新阈值为PMk。将比较的结果用一个
Figure BDA0002591869490000051
的数组Ω来表示，计算每个列向量中元素1的个数组成一个新的
Figure BDA0002591869490000052
数组Θ。若满足
Figure BDA0002591869490000053
则
Figure BDA0002591869490000054
所在路径不需要分裂，并可将
Figure BDA0002591869490000055
作为阈值，这条路径之前路径度量值施加惩罚值后大于阈值的路径都不需要分裂，并且在
Figure BDA0002591869490000056
之后的路径可以直接进行剪枝，不需要进行额外的比较。
如图4所示，在SCL译码(L＝4)中，为了通过动态阈值更新模块确定动态阈值，将第二段的路径度量值分别与第一段加上惩罚值后的路径度量值进行比较，比较的结果存放在数组Ω中，同时得到Θ＝[1 3]，其中Θ2≥0，可将PM4作为初始阈值，又有Θ1≥1，故可将PM3更新为阈值。
其路径分裂过程如图5所示，在确定PM3为新的阈值后，PM3所在列元素为0所对应的路径都不需要分裂，即PM2'这条路径不必被分裂出来，对于路径度量值为PM2的路径，只需要根据当前译码比特的LLR值直接译码，不需要保留两种译码可能。此外，PM3后的路径，即PM4所在的路径可直接进行剪枝，不需要译码。采用这种译码方法将保留下来的路径数量降低到4，大大降低了路径复制与度量值排序的实现复杂度。
如图6所示，采用本发明DTSR-SCL译码器，在码长为1024，码率为0.5，信噪比为2dB，L＝16时，给出了分裂后的路径总数均值以及剪枝掉的路径数目均值。假设动态阈值为PMi,
Figure BDA0002591869490000061
则
Figure BDA0002591869490000062
前i-1条路径中有
Figure BDA0002591869490000063
条路径需要分裂，
Figure BDA0002591869490000064
条路径不需要分裂，对PMi后面的路径直接进行剪枝，计算得知分裂后路径数量为
Figure BDA0002591869490000065
当PMi作为阈值时，
Figure BDA0002591869490000066
的值接近于L-i，因此路径数量接近于L，能够大幅减少度量值排序的复杂度。从图中可以看到该译码器能够保证L＝16时分裂后的总路径数在16至18之间，与原始的对2L＝32条路径度量进行排序相比能够大大降低排序器的实现复杂度。在进行度量值比较时，由于原始L条路径是按照度量值升序排列的，因此一旦检测到PMl'＞PMk，则必有PMl'＞PMi,
Figure BDA0002591869490000067
可直接将数组Ω对应位置记0，不需要继续比较。在L＝16时，额外的比较次数大部分分布在50以内，其效果为分裂后路径总数小于18，与原始的对2L＝32条路径进行排序来说进行额外的比较是值得的。并且随着译码的进行，所需要的额外比较次数慢慢收敛于L＝16。这是由于信息比特中靠后的比特可靠性较高，LLR的绝对值较大，因此前L-1条路径加上惩罚值后都大于PML，不需要进行额外的比较来更新阈值，故PML作为阈值，前L-1条路径都不需要分裂。此外，采用本发明的译码器不影响译码性能，这是因为由动态阈值更新模块得到的阈值所确定的不需要分裂的路径和提前剪枝的路径都必定会在排序模块中被剪枝掉，因此对于传统的SCL译码器来说不构成性能损失。同时在SCL衍生出的列表译码器中也同样适用。
上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用本发明的相似结构、方法及其相似变化方式所获得的技术方案，均在本发明的保护范围。

Claims (3)

1.所述的一种基于动态阈值的分裂简化极化码连续消除列表(Dynamic Threshold-based Splitting-reduced Successive Cancellation List,DTSR-SCL)译码器其特征在于在传统连续消除列表(Successive Cancellation List,SCL)译码器中增加了一个动态阈值更新模块，该模块利用当前路径的度量值和对数似然比(Log-likelihood Ratio,LLR)的绝对值之间的关系确定一个动态阈值，利用该阈值确定不必要分裂的路径。
2.根据权利要求1所述的DTSR-SCL译码器，其特征在于动态阈值更新模块不需要先验知识作为阈值进行路径的可靠性判断，仅仅根据当前译码路径的度量值以及当前比特的LLR值就能确定当前译码路径的度量值之一作为控制路径分裂的动态阈值，阈值在每个译码比特进行更新。
动态阈值更新模块首先将已经按路径度量值升序排列的L条路径从末位开始动态分段，标记分段的位置在第k条路径之前。分段后的路径度量值存放在两个一维数组中，第一段对应的数组长度为k-1，存放较小的k-1个路径度量值PMm,(m＝1,2,…,k-1)，第二段对应的数组长度为L-k+1，存放较大的L-k+1个路径度量值PMw,(w＝k,k+1,…,L)。初始化k＝L，第一段对应的数组存放较小的L-1个路径度量值PMm,(m＝1,2,…,L-1)，第二段对应的数组存放最大的路径度量值PML。将第一个数组中存放的路径度量值PMm分别加上对应的惩罚值|LLRm|，记为PMm'，逐个与第二个数组中的路径度量值PMk比较，比较的结果存放在一个
Figure FDA0002591869480000011
的数组Ω中，若PMm'≤PMk，对应位置Ωm,k标1，反之标0。整段比较结束后更新分段位置k＝k-1，
Figure FDA0002591869480000012
即将第一个数组中最大的路径度量值移到第二个数组的首位，再将第一段对应数组中剩余的L-2个路径度量值加上惩罚值后与PMk相比较，依次进行迭代直到
Figure FDA0002591869480000013
对数组Ω每个列向量的元素为1的个数进行计算，得到一个新的
Figure FDA0002591869480000014
数组Θ，若满足
Figure FDA0002591869480000015
则第
Figure FDA0002591869480000016
条路径的度量值
Figure FDA0002591869480000017
将作为阈值来权衡其他路径是否需要进行分裂。对于第
Figure FDA0002591869480000021
条路径前加上惩罚值后路径度量值大于阈值的路径不需要进行分裂。该译码器的动态阈值初始化为保留路径中最大的路径度量值，在进行度量值比较后更新阈值，得到的动态阈值相比较于其他阈值能够更加精确地减少不必要的路径分裂，且能对可靠的路径进行保护，不影响译码性能。
3.根据权利要求1所述的DTSR-SCL译码器，其特征在于能够进行提前剪枝。阈值更新完毕后，在按照度量值升序排列的路径中，度量值超过阈值的路径将被直接剪枝。与已有的连续消除列表译码器中减少路径分裂的方法相比，本译码器的动态阈值更新模块使路径分裂更加精确，对分裂的边界限制更加严格，甚至能够起到提前剪枝的作用。所减少的路径都是不必要的路径，因此保证了性能没有损失。在复杂度方面，由于减少了分裂路径，因此不仅能够减少路径复制的复杂度，同时也降低了路径度量排序器的复杂度。
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