CN112422135B - 基于子矩阵校验的scan-bf提前翻转译码器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于子矩阵校验的SCAN‑BF提前翻转译码器，由分段子矩阵校验模块、构建翻转信息位集合模块和提前比特翻转模块组成。实验采用5G协议信道排序矩阵。SCAN‑BF译码首先统计出错概率较高的ε个信息位构建错误集合ξ，再通过分段子矩阵校验提前判断本次译码是否失败。当第m段子因子图的子矩阵校验失败时，从子因子图译码序列中选T个LLR值较小且位于集合ξ中的信息位，得到待翻转索引集合依次进行单比特翻转。实验仿真表明当N＝256，翻转次数T＝32时，SCAN‑BF译码器相比于SCAN译码器有0.6dB的增益。本发明能够根据子矩阵校验、统计错误集合及LLR较小值方法迅速定位错误比特，提前判断本次译码是否失败，从而终止译码，降低了译码时延。

Description

基于子矩阵校验的SCAN-BF提前翻转译码器

技术领域

本发明涉及电子通信技术领域，尤其涉及极化码信道译码技术领域，在译码过程中通过分段子矩阵校验，提前判断子因子图信息位是否译码失败，根据统计错误集合和对数似然比(log-likelihood ratio，LLR)较小值方法设计软删除翻转(softcancellationbit-flip，SCAN-BF)译码器。

背景技术

2009年Arikan提出了信道极化概念，通过对相同信道进行组合，再对合成之后的信道进行拆分，拆分之后形成的信道容量一部分趋近于0，另外一部分趋近于1，形成两极分化的现象。极化码是一种基于信道极化提出的新型信道编码，迄今为止唯一可以达到香农极限的信道编码方法，在编码理论上具有里程碑式意义。极化码翻转译码思想源于连续删除(successive cancellation，SC)译码算法。在SC译码中，由于码字之间存在关联，上一位的错误比特判决会影响到下一位以及之后的比特判决。错误的比特判决由信道噪声导致，O.Afisiadis等人论述了仅由信道噪声造成的一位和两位的错误比特判决相对频率高达99％，并首先提出了SC翻转(SC-Flip)译码算法。L.Chandesris等人提出一个优化的度量器能更精确地查找SC译码过程中出现第一个译码错误的概率，提升了SC Flip译码器的纠错性能。Z.Zhang等人通过实验和理论构建了具有高概率(大于99％)出错的信息位关键集合，并证明了当SC译码失败，第一个不正确的信息位基本位于该关键集(critical set，CS)。基于SC翻转译码思想，Y.Yu等人将Bit-Flip的概念引入BP译码器并提出两种翻转方法：当BP译码失败时采用G-matrix校验的方法找出不可靠的信息位从而进行翻转；借助Z.Zhang等人提出的CS概念识别不可靠的信息位，进行了单比特翻转和多比特翻转。

基于SC和BP的翻转译码思想，本发明提出了一种基于子矩阵校验的SCAN-BF提前翻转译码器，在译码过程中通过分段子矩阵校验的方法提前判断是否需要翻转译码，当SCAN译码发生错误时及时终止译码，避免出现错误扩散并减少不必要的译码时延消耗，然后通过统计错误集合和LLR较小值方法寻找错误的信息位并进行翻转译码。而且根据华为5G协议的信道极化排序矩阵在加性高斯白噪声(additive white gaussian noise，AWGN)信道下进行了仿真，实验结果证明在5G短码通信系统中，所提出的SCAN-BF译码器获得了较好的纠错性能提升。当码长为256、码率为0.5、BER＝10^-u并且翻转次数T＝32时，SCAN-BF译码器的误码率相比于SCAN译码器提升了0.6dB的译码性能。

发明内容

本发明为了优化SCAN的译码性能，提出了一种基于子矩阵校验的SCAN-BF提前翻转译码器。

本发明研究了SCAN的译码错误传播，经过实验仿真发现SCAN译码出现的错误大部分是由于第一个信息位的错误判决而导致的错误传播，因此本发明提出基于子矩阵校验的SCAN-BF提前翻转译码器。SCAN-BF编译码系统由编码器、AWGN信道和译码器等组成。其中译码器由分段子矩阵校验模块、构建翻转信息位集合模块和提前比特翻转模块组成。首先通过发送码字信息，统计在AWGN下由信道噪声所引起信息位错误判决分布，并挑选出错误概率较高的ε个信息位作为统计错误集合ξ。分段子矩阵校验模块是将一段完整的译码分成几段进行译码，每一段译码结束之后立即执行子矩阵校验。分段子矩阵校验可以提前判断本次译码是否失败，避免不必要的译码；构建翻转信息位集合模块指的是当子因子图中不满足子矩阵校验时，通过统计错误集合ξ和LLR较小值方式寻找子因子图中错误的信息位，从而构建翻转索引集合；提前比特翻转模块指的是当子矩阵校验不成功，通过所构建的信息位翻转集合实现提前翻转译码，实验仿真采用华为5G协议极化信道排序矩阵，SCAN-BF编译码系统如图1所示。

图2给出了SCAN-BF提前翻转译码流程图。首先进行初始化操作，M表示最大分段数，m表示分段序号且初始值m＝1，T为最大翻转次数，t为当前翻转次数且初始值t＝0。当T＝0时SCAN-BF译码算法等同于SCAN译码算法。码长N的极化码被分成M段，当第m段译码的子矩阵校验不通过时，将子因子图中译码序列LLR绝对值按照从小到大排序，判断前T个较小的LLR值是否位于所统计的信息位错误集合ξ中，从而构造第m段翻转信息位索引集合其中/>在每次译码尝试过程中，翻转信息位的先验R信息初始值根据公式(2)更新，当T次译码尝试结束之后仍然不能输出正确译码序列则认定SCAN-BF译码失败。

SCAN算法是SC译码算法和BP译码算法的结合，它既有BP并行译码的优点，又有SC串行译码的特色。与BP译码算法相同，所有的比特信息都是通过因子图的左右迭代传递信息，冻结位携带的R信息从左向右更新，信息位携带的L信息从右向左更新。由于冻结位不携带有效信息，因此冻结位的R信息初始值设为正无穷，信息位的R信息初始值设为0。然而BP算法按列更新信息，码字信息更新无先后顺序，SCAN算法则是按位进行更新信息，码字信息更新有先后顺序。

在图3中，N＝8的SCAN译码器被分成N＝4上下两段，当第一段子因子图(上半部分方框)译码结束时执行子矩阵校验，在子矩阵校验的同时SCAN-BF译码器也继续第二段子因子图译码(下半部分方框)。如果第一段子因子图的子矩阵校验成功，接着校验第二段子因子图；若第一段子因子图校验不成功，SCAN-BF停止第二段子因子图译码，在不满足子矩阵校验的子因子图中，统计错误集合ξ和LLR较小值方式来构建翻转信息位索引集合，并开始对第一段子因子图的信息位执行翻转操作。

图4和图5是SCAN译码器、SCAN-BF译码器和SCAN-Augur译码器的误码率的比较，其中码长分别为256和1024、码率均为0.5，SCAN-Augur表示单比特翻转的临界值。从图4和图5可以看出，当分段数M＝4、翻转次数T＝32时，SCAN-BF译码器的误码率相比于SCAN译码器在N＝256和N＝1024时性能增益分别提升了0.6dB和0.4dB。在图6中，我们比较了SC、SCAN、SCAN-BF、SCAN-Augur以及CA-SCL(L＝2)译码器在Pr(1024,512)下的译码纠错性能。其中CA-SCL(L＝2)采用r位CRC校验(r＝24)，码率我们可以观察到SCAN算法完成一次迭代的译码性能基本优于SC算法。相比于SCAN译码算法，当T＝32，BER＝10^-4时，SCAN-BF译码器提升了0.4dB的译码性能。相比于CA-SCL(L＝2)，SCAN-BF的纠错性能优于CA-SCL的纠错性能，最大增益为0.3dB。当SNR>2.4dB时，随着信噪比的增加，两者的译码纠错性能差距在不断缩小。当SNR＝3.2dB时两者性能接近。当SNR>3.2dB时CA-SCL(L＝2)译码器的译码性能将优于SCAN-BF译码器的译码性能。

此外我们分析了SCAN-BF的译码时间复杂度。首先SCAN-BF提前翻转译码算法通过子矩阵校验的方式，可以提前判定此次译码是否失败。由于SCAN算法存在错误传播现象，如果发现错误并及时执行相应的翻转操作，不仅可以有效减少不必要的译码时延，而且可以提升纠错性能。对于子矩阵校验的时间消耗，根据B.Yuan等人的提出的G-Matrix校验中，一个生成矩阵G的校验时延与单位PE译码时延相当，因此子矩阵校验的时延几乎可忽略不计。传统SCAN译码算法时间复杂度为O(M_iter·(2N-2))，当迭代次数M_iter＝1时SCAN译码算法的时间复杂度等同于SC译码算法。在最坏的情况下(即翻转译码失败)，SCAN-BF译码算法的时间复杂度随翻转次数T线性增加，则SCAN-BF翻转译码算法最大时间复杂度为O(T·M_iter·(2N-2))。通过对图7中SCAN译码器、SCAN-BF译码器、SCAN-Augur译码器以及CA-SCL(L＝8)译码器在码长1024、码率0.5的译码时延进行比较分析，可以观察到，当SNR＝1.6dB时，SCAN-BF译码器的平均时钟周期数较多，几乎是SCAN译码器的3.5倍，而SCAN-Augur达到了SCAN译码器的4.5倍。随着信噪比的增加，SCAN-BF和SCAN-Augur所消耗的时钟周期数逐渐下降，在SNR>2.5dB时逐渐接近于SCAN译码器的平均时钟周期数。CA-SCL译码时间复杂度在中低信噪比区域，SCAN-BF的平均时钟周期数远大于CA-SCL平均时钟周期数。随着信噪比的增加，当SNR>2.4dB时，SCAN-BF的平均时钟周期数低于CA-SCL译码器的平均时钟周期数。

本发明首先制定分段校验规则，通过子矩阵校验的方法提前判断部分译码信息是否正确，然后通过逐位比特翻转，修改相应信息位R信息的初始值。当翻转的次数T小于16时，随着翻转次数T的增大，SCAN-BF译码器的性能提升越明显。当T增大至32时，SCAN-BF译码器的性能增益逐渐逼近临界值。其次分段校验思想可以提前判断译码是否失败，如果译码失败终止本次译码操作，立刻执行翻转操作，从而减少不必要的译码过程，节省了译码时延。本发明的SCAN-BF译码器是基于华为5G协议的信道极化排序矩阵进行了实验仿真。

附图说明

图1为SCAN-BF编译码系统原理图；

图2为译码流程图(M为分段总数、T为单比特翻转总数，m为分段序号)；

图3为SCAN因子结构图N＝8；

图4为SCAN译码器、SCAN-BF译码器(T＝4、16、32)以及SCAN-Augur译码器的BER性能比较，其中码长256、码率0.5。(T为单比特翻转次数)；

图5为SCAN译码器、SCAN-BF译码器(T＝4、16、32)以及SCAN-Augur译码器的BER性能比较，其中码长1024、码率0.5(T为单比特翻转次数)；

图6为SC、SCAN、SCAN-BF、SCAN-Augur以及CA-SCL(L＝2)译码器在Pr(1024,512)下的译码纠错BER性能比较；

图7为SCAN译码器、SCAN-BF译码器、SCAN-Augur译码器以及CA-SCL(L＝2)译码器在Pr(1024,512)下的译码所需的时钟周期比较；

图8为子信道w信息位在误判下的错误概率P分布图，其中码长256，码率0.5，SNR＝2.0dB；

图9为子信道w信息位在误判下的错误概率P分布图，其中码长1024，码率0.5，SNR＝2.0dB。

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。

步骤一：如图8和图9所示，通过发送10⁶帧码字信息，统计了Pr(256,128)、Pr(1024,512)在AWGN下由信道噪声所引起信息位错误判决分布，并挑选出错误占比较高的ε个信息作为统计错误集合ξ。

步骤二：将极化码分成M段译码，每个子因子图译码结束时执行子矩阵校验，子矩阵校验的同时SCAN-BF译码器也继续下一段译码，译码方式如公式1所示。

其中n^*＝logN^*,and N^*表示分段后每段的码长。

步骤三：当第m段译码的子矩阵校验不通过时，我们将从子因子图译码序列中选取T个LLR值较小且位于统计错误集合ξ中的信息位，得到待翻转信息位索引集合

步骤四：构造翻转信息位索引集合之后，执行比特翻转操作。在每次翻转译码过程中，单个/>的先验R信息初始值根据公式2更新，而且根据公式3可知M段的最大翻转次数为T。

步骤五：当比特翻转次数达到T次后仍然不能输出正确译码序列则认定SCAN-BF译码失败，则输出SCAN译码结果。

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 (2)

1.基于子矩阵校验的软删除翻转译码器翻转译码器，其特征在于：包括分段子矩阵校验模块、构建翻转信息位集合模块和提前比特翻转模块；

所述分段子矩阵校验模块将一段完整的软删除翻转序列均匀分成M段子因子图译码，在每个子因子图译码结束之后，根据子矩阵校验判断本段译码是否成功；

所述构建翻转信息位集合模块用于统计信息位错误分布，挑选出出错概率较高的ε个信息作为统计错误集合ξ；其次在第m段失败的子矩阵校验译码序列中，选取T个LLR绝对值较小且位于统计错误集合ξ中的信息位，构建第m段待翻转比特索引集合根据/>可知，M段最大翻转次数为T。

2.根据权利要求1所述的基于子矩阵校验的软删除翻转译码器，其特征在于：所述子因子图译码序列进行子矩阵校验期间，同时进行下一段子因子图的译码，若上一段子因子图的子矩阵校验不通过，停止译码，进行单比特翻转再重新译码。