CN112039536B - 一种基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法 - Google Patents

一种基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，更具体的是涉及一种基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法，包括以下步骤：S1：对编码数据进行预处理，得到信息块B；S2：对编码数据进行数目检查；S3：编码得到编码信息块B’；S4：调制编码信息块B’，形成传输信息块S；S5：解调译码，形成评估信息,利用反馈机制对编码数据进行调整。本发明通过改变传统编码的映射方式，克服了传统正交频分复用技术中带入极化码编译码产生误差的问题；同时引入反馈机制，可以实现极化码码长的自适应调整以及自适应剔除信道状态差的子载波，以进一步减少系统运算资源及运算时间的使用，提升系统性能，提高抗干扰能力。

Description

一种基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，更具体地是涉及一种基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法。
背景技术
极化码在2008由土耳其科学家Arikan教授提出，其为一种新型的信道编码方式，相比于其他信道编码方式，极化码是目前唯一能够在数学上被严格证明达到对称二进离散无记忆信道的信道容量，也是迄今为止理论上能够达到香农极限的信道编码方式。其通过信道融合和信道分裂的方式，使得信道的状态两极化分类，随即通过分析各个信道的信道容量，来决定信息位和冻结位并利用极化码递归产生的生成矩阵进行编码。
中国专利201810228503.2提供的一种极化码优化的编译码方法，在计算生成矩阵的过程中避免克罗内克乘积，采用循环复制的方法得出生成矩阵，以避免空间的重复开辟并节省时间。但是其运用的是传统的串行抵消译码算法，进行递归运算完成译码工作。而目前，在无线通信和可见光通信中，常用的一种多载波传输技术为正交频分复用技术(OFDM)。一般地，若将经过极化编码后的信息比特运用OFDM技术进行调制，其在对信息比特进行串并转化的时候，会将同一组的极化码映射到不同的子载波上，而在传输的过程中，不同的子载波所经历的信道状态是不一致的，且可能存在着极大的差距，导致译码出现一定的偏差。同时，一般地，极化码的时间计算成本和空间计算成本与极化码的码长成正相关关系且码长越长稳定性相对越好，而现有技术中传输系统使用的是某一特定的码长，不会根据不同的情况对极化码的码长进行自适应的调整，若默认的码长较短，当系统发生变化时，将容易产生较大的误码；若使用的码长较长，虽然可以避免多次克罗内克乘积且不需要多次开辟空间，但是其运用的还是较长的码长，在系统环境状态较好时，将浪费计算空间与时间，而且子载波数目是固定的，系统性能还是得不到最优化。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中极化码运用在通信传输中编译码过程中存在一定误差、码长及子载波数目不能调整、系统性能得不到最优化的不足，提供了一种能够消除误差、利用反馈机制调整码长的基于正交频分复用技术的极化码编译码方法。
在本技术方案中，提供了一种基于正交频分复用技术的极化码编译码方法，包括以下步骤：
S1：对编码数据进行预处理，得到信息块B；
S2：对编码数据进行数目检查；
S3：编码得到编码信息块B’；
S4：调制编码信息块B’，形成传输信息块S；
S5：解调译码，形成评估信息反馈，利用反馈机制对编码数据进行调整。
本发明中通过步骤S2中对编码数据进行检查，若编码数据不符合规定的信息比特数目，则对编码信息进行比特补充，使其符合得到规定的数目要求；另外，在步骤S5的译码过程，形成评估信息以及利用反馈机制对码长进行调整和对子载波数目进行进行剔除，减少系统运算资源及运算时间的使用，提高抗干扰能力，进一步优化系统性能。
优选地，上述的步骤S5中评估信息为各子载波的信噪比、误码率等。
优选地，上述的步骤S5中反馈机制包括码长反馈机制和子载波反馈机制，码长的反馈机制为：
Figure GDA0004128248980000021
其中，N为码长；S为评估信息的值；S0、S1为设定的判断阀值；
子载波的反馈机制为：
S＜S2且E＞e
其中，S为子载波信噪比的值，S2为设定的判断阀值；E为误码率，e为设定的判断阀值。
优选地，上述的步骤S1包括以下步骤：
S11：初始化极化码编码码长集合为{N}和初始化子载波数目为H；
S12：对信息比特进行串并转化，其中转化规则为先进行行向排列为H行，H为子载波数目，再进行列向排列为W列，形成初始的信息块B，其大小为H*W。
优选地，上述的步骤S2包括以下步骤：
S21：选取极化码的码率R；
S22：根据码率R与极化码码长集合{N}对信息块B的每行信息比特进行数目检查；
S23：若信息块B的每行信息比特数目不为R*Ni的倍数，则进行比特补充，补充的比特记为{bi1}，使每行的信息比特数目都为R*Ni的倍数；若信息块B的每行信息比特数目均为R*Ni的倍数，则进入步骤S3。
其中{bi1}为比特“0”的集合或比特“1”的集合或比特“0”和比特“1”构成的随机集合；Ni为码长。
优选地，上述的步骤S3包括以下步骤：
S31：利用信道容量估计的方式，如巴氏参数，计算子信道的信道容量，记为I(W)；
S32：根据码率R、码长集合{N}以及信道容量I(W)确定信息比特位和冻结比特位；
S33：利用各行的极化码生成矩阵GN对信息块B中各行信息比特进行编码，形成编码信息块B’。
优选地，上述的步骤S4包括以下步骤：
S41：检查编码信息块B’中的每行信息比特数目可否被完全调制；
S42：若每行信息比特数目无法被完全调制，则根据调制方式进行比特补充，补充的比特记为{bi2}，使每行的比特数目可被该调制方式完全调制；若每行信息比特数目的都可被完全调制，则进入步骤S43。其中{bi2}为比特“0”的集合或比特“1”的集合或比特“0”和比特“1”构成的随机集合；
S43：对编码信息块B’进行高价信源调制，形成传输信息块S，进行传输。
优选地，上述的步骤S5包括以下步骤：
S51：接收端接收传输信息块S，进行解调译码，得到接收信息块R；
S52：根据接收信息块R与信息块B进行子载波信道状态评估，得到评估信息；
S53：根据反馈机制对极化码码长集合{N}进行调整和子载波进行剔除，得到极化码码长集合{N}’和子载波数目H’,返回S12继续执行新的编码进程，完成一次编码循环。在下一轮的编码循环时，步骤S11会对极化码码长集合{N}’和子载波数目H’进行初始化。
优选地，上述的步骤S51中的接收端为PIN、光电二极管、无线接收器等常见的接收设备。
优选地，上述的步骤S43中高阶信源调制方式为QPSK调制方式，QAM调制方式，BPSK调制方式等常见信源调制方式中的一种。
与现有技术相比，有益效果是：
本发明通过在步骤S1改变传统编码的串并转化规则，以及在S2利用比特补充，使每行的信息比特数目均为R*Ni的倍数来构造新的编码方式，以消除极化码编译码过程中的误差问题；另外，在步骤S5的译码过程，形成评估信息反馈回编码过程，利用反馈机制对码长进行调整，减少系统的运算资源及运算时间的使用，以及自适应剔除信道状态差的子载波，进一步优化系统性能，保障系统健壮度，提高抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明实施例基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法的流程示意图；
图2为本发明实施例基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法的编码过程图；
图3为本发明实施例基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法的码长为1024的阀值信噪比示意图；
图4为本发明实施例基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法的码长为512的阀值信噪比示意图；
图5为本发明实施例基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法的码长为256的阀值信噪比示意图；
图6为本发明实施例基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法的不同子载波的信噪比示意图；
图7为本发明实施例基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法的不同子载波的自适应极化码码长分布图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例
如图1至图7为一种基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法的实施例，包括以下步骤：
S1：对编码数据进行预处理，得到信息块B；
S2：对编码数据进行数目检查；
S3：编码得到编码信息块B’；
S4：调制编码信息块B’，形成传输信息块S；
S5：解调译码，形成评估信息，利用反馈机制对编码数据进行调整。
其中，步骤S5中评估信息为各子载波的信噪比、误码率等。
另外，步骤S5中反馈机制包括码长反馈机制和子载波反馈机制，码长的反馈机制为：
Figure GDA0004128248980000051
其中，N为码长；S为评估的信噪比值；
子载波的反馈机制为：
S<18且E>3.8*10-3
其中E为误码率；
需要说明的是，码长反馈机制中的判断阀值22及20只是本实施例中根据在64QAM的信源调制方式下，不同极化码码长在误码率低于3.8*10-3下的所需的最低信噪比，为了使得不同码长之间的信噪比之间存在一定的保护间隔，以此能够一定程度上避免由于系统的变化，导致信噪比发生一定变化，而反馈后选用不恰当的极化码码长，所以间隔选取为2dB。
其中，子载波反馈机制中的判断阈值18是码长反馈机制确定的，其与判断阈值20的间隔同为2dB，误码率上限为向前纠错门限所对应的误码率。当然也可以采用其他不同的信噪比阀值或者误码率的阀值。
另外，步骤S1包括以下步骤：
S11：初始化极化码编码码长集合为{N}，初始化各子载波的极化码码长均为1024，初始化子载波数目为128，信息比特个数为61440；需要说明的是，这只是本发明实施例中选取其中一组数据值作为参考，其他的数据组合同样在本发明的保护范围内。
S12：对信息比特进行串并转化，其中转化规则为先进行行向排列为H行，H为子载波数目，即128行，再进行列向排列为480列，形成初始的信息块B，其大小为128*480。
其中，步骤S2包括以下步骤：
S21：选取极化码码率R＝0.5；
S22：根据码率R与极化码码长集合{N}对信息块B的每行信息比特进行数目检查；
S23：判断信息块B中的行数480不是0.5*1024的倍数，每行补充32个信息比特，补充的比特记为{bi1}，使每行的信息比特数目都为128*512，即为0.5*1024的倍数，随后进入步骤S3。
其中本实施例中{bi1}为比特“0”和比特“1”构成的随机集合，{bi1}同样可以为比特“0”的集合或比特“1”的集合；码长为1024。
另外，步骤S3包括以下步骤：
S31：利用巴氏参数，计算子信道的信道容量，记为I(W)；
S32：根据码率R＝0.5、码长＝1024以及信道容量I(W)，确定信道容量I(W)从大到小排序的前512个信道作为信息比特位，其余的为冻结比特位，并赋比特“0”；
S33：选取码长为1024＝210的极化码生成矩阵GN对信息块B中各行信息比特进行编码，形成编码信息块B’为128*1024。
其中，步骤S4包括以下步骤：
S41：检查编码信息块B’中的每行信息比特数目可否被64QAM调制方式完全调制；
S42：64QAM调制方式中每6个比特组成一个64QAM的信息符号，显然1024不是6的倍数，每行信息比特数目无法被完全调制，对编码信息块B’的每行补充2个随即比特，补充的比特记为{bi2}，使每行的比特数目可被该64QAM调制方式完全调制；
S43：对编码信息块B’进行64QAM调制，形成传输信息块S，为128*171，将其加载到通信系统上进行传输。值得注意的是，64QAM调制方式只是本实施例中采取的一种方式，当然可以采用QPSK调制方式或BPSK调制方式等其他常见信源调制方式。
另外，步骤S5包括以下步骤：
S51：接收端接收传输信息块S，进行解调译码，得到接收信息块R；
S52：如图2或图6所示，根据接收信息块R与信息块B进行子载波信道状态评估，得到评估信息；
S53：如图2或图7所示，根据反馈机制对码长集合{N}进行调整和对的子载波进行剔除，得到极化码码长集合{N}’和子载波数目H’,返回S12继续执行新的编码进程，完成一次编码循环。在下一轮的编码循环时，步骤S11会对极化码码长集合{N}’和子载波数目H’进行初始化。
其中，步骤S51中的接收端为PIN、光电二极管、无线接收器等常见的接收设备。
本发明通过在步骤S1改变传统编码的串并转化规则，以及在S2利用比特补充，使每行的信息比特数目均为R*Ni的倍数来构造新的编码方式，以消除极化码编译码过程中的误差问题；另外，在步骤S5的译码过程，形成评估信息反馈回编码过程，利用反馈机制对码长进行调整，减少系统的运算资源及运算时间的使用，进一步优化系统性能。例如当行初始码长为1024，自适应调整后变为256，则该行的极化码编码的运算复杂度从O(1024log21024)变为O(1024log2256)，变为原来的80％，即当行运算复杂度下降为原来的80％，这对于子载波数越多，发送信息比特快数目越多的系统来说，其效果越为显著，能够节省大量的运算资源和时间成本，进而优化系统性能。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对编码数据进行预处理，得到信息块B；
S2：对编码数据进行数目检查；
S3：编码得到编码信息块B’；
S4：调制编码信息块B’，形成传输信息块S；
S5：解调译码，形成评估信息，利用反馈机制对编码数据进行调整；其中：
评估信息为各子载波的信噪比、误码率；
反馈机制包括码长反馈机制和子载波反馈机制，所述码长的反馈机制为：
Figure FDA0004128248970000011
其中，N为码长；S为子载波信噪比的值；S0、S1为设定的判断阀值；
所述子载波的反馈机制为：
S＜S2且E＞e
其中，S为子载波信噪比的值，S2为设定的判断阀值；E为误码率，e为设定的判断阀值。
2.根据权利要求1所述的一种基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
S11：初始化极化码编码码长集合为{N}和初始化子载波数目为H；
S12：对信息比特进行串并转化，其中转化规则为先进行行向排列为H行，H为子载波数目，再进行列向排列为W列，形成初始的信息块B，大小为H*W。
3.根据权利要求1所述的一种基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
S21：选取极化码的码率R；
S22：根据码率R与极化码码长集合{N}对信息块B的每行信息比特进行数目检查；
S23：若信息块B的每行信息比特数目不为R*Ni的倍数，则进行比特补充，补充的比特记为{bi1}，使每行的信息比特数目都为R*Ni的倍数；若信息块B的每行信息比特数目均为R*Ni的倍数，则进入步骤S3；
其中{bi1}为比特“0”的集合或比特“1”的集合或比特“0”和比特“1”构成的随机集合；Ni为码长。
4.根据权利要求1所述的一种基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
S31：利用信道容量估计的方式，计算子信道的信道容量，记为I(W)；
S32：根据码率R、码长集合{N}以及信道容量I(W)确定信息比特位和冻结比特位；
S33：利用各行的极化码生成矩阵GN对信息块B中各行信息比特进行编码，形成编码信息块B’。
5.根据权利要求1所述的一种基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：
S41：检查编码信息块B’中的每行信息比特数目可否被完全调制；
S42：若每行信息比特数目无法被完全调制，则根据调制方式进行比特补充，补充的比特记为{bi2}，使每行的比特数目可完全调制；若每行信息比特数目都可被完全调制，则进入步骤S43；其中{bi2}为比特“0”的集合或比特“1”的集合或比特“0”和比特“1”构成的随机集合；
S43：对编码信息块B’进行信源调制，形成传输信息块S，进行传输。
6.根据权利要求1所述的一种基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：
S51：接收端接收传输信息块S，进行解调译码，得到接收信息块R；
S52：根据接收信息块R与信息块B进行子载波信道状态评估，得到评估信息；
S53：根据反馈机制对极化码码长集合{N}进行调整和对子载波进行剔除，得到极化码码长集合{N}’和子载波数目H’,返回S12继续执行新的编码进程，完成一次编码循环。
7.根据权利要求5所述的一种基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法，其特征在于，所述步骤S43中信源调制方式为QPSK调制方式，QAM调制方式，BPSK调制方式。
8.根据权利要求6所述的一种基于正交频分复用技术的自适应极化码编译码方法，其特征在于，所述步骤S51中的接收端为PIN、光电二极管、无线接收器。
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