CN112436923A - 一种极化码的编码方法、装置及计算机可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及测控通信及导航技术领域，公开了一种极化码的编码方法、装置及计算机可读存储介质，所述编码方法，包括：获取待编码序列及待编码序列的编码长度M，所述待编码序列包括多码率和/或多码长的序列；根据所述编码长度M，确定第一级码长N1，根据所述第一级码长N1、通过克罗内克幂计算得到满元生成矩阵；将所述满元生成矩阵进行重塑处理，获得当前重塑生成矩阵，所述当前重塑生成矩阵的码长为第二级码长N2；将所述待编码序列与所述当前重塑生成矩阵进行处理得到编码数据。本发明提供的极化码编码方法、装置及计算机可读存储介质，增加了编码的灵活性和编码效率，提高了测控通信以及导航系统中数据传输的可靠性。

Description

一种极化码的编码方法、装置及计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及测控通信与导航技术领域，尤其涉及一种极化码的编码方法、装置及计算机可读存储介质。
背景技术
信道编码是测控通信以及导航系统中用于提高数据传输的可靠性，保证信息传输质量的无线接入技术，极化码是一种理论上证明可以达到香农极限且具有低编译码复杂度的编码方式。极化码是一种线性块码，其生成矩阵为GN，其编码过程为：
x1 N=BN*u1 N*GN
其中x1 N为编码后的码长，u1 N为待编码比特信息，GN为行列为N的生成矩阵。生成矩阵的生成由克罗内克幂计算FVn计算获得，其中FVn表示矩阵F=[1 0；1 1]的n次克罗内克幂计算。BN为完成比特反序重排的矩阵，即对于信道索引x，其n比特二进制表示(bn-1,bn-2,.....，b1，b0)的信道索引j，所以转换后的现第x个信道即为原第j个信道。
上述方法描述的极化码编码是系统极化码编码，其中，码长为2n，通过极化码编码最终得到编码后的序列；而极化码编码采用待编码数据流与生成矩阵进行数学乘法运算，最终得到编码后的数据。当前大部分极化码编码仅适合当前方案的编码，具有很大的局限性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种极化码的编码实现方法、装置及计算机可读存储介质，以降低极化码编码算法复杂度与存储复杂度，加快编码时间，提高测控通信以及导航系统中数据传输的可靠性。
本发明提供的一种极化码的编码方法，包括： 获取待编码序列及待编码序列的编码长度M，所述待编码序列包括多码率和/或多码长的序列；根据所述编码长度M，确定第一级码长N1，根据所述第一级码长N1、通过克罗内克幂计算得到满元生成矩阵；将所述满元生成矩阵进行重塑处理，获得当前重塑生成矩阵，所述当前重塑生成矩阵的码长为第二级码长N2；
将所述待编码序列与所述当前重塑生成矩阵进行处理得到编码数据。
进一步的，所述根据所述编码长度M，通过克罗内克幂计算得到满元生成矩阵包括：
根据所述编码长度M确定满足第一级码长N1大于或等于M的最小正整数n，其中N1=2n，n=[log2 N1]（n为正整数），M小于等于N1；根据所述正整数n，通过克罗内克幂计算运算得到满元生成矩阵。
进一步的，所述将所述满元生成矩阵进行重塑处理，获得当前重塑生成矩阵包括：将N2和M进行比较，若N2=M则所述满元生成矩阵为当前重塑生成矩阵；若N2>M时，则从所述满元生成矩阵中从后往前选择列权重为1的列，当选择到列权重为1时，停止选择操作；接下来选择所述列权重为1所对应的行，删除所选择的行和列，得到当前重塑生成矩阵；以当前重塑生成矩阵为满元生成矩阵，继续将N2和M进行比较，重复所述重塑步骤，直到N2=M时，停止重塑。
进一步的，所述待编码序列由信息比特序列和固定比特序列组成。
进一步的，所述多码率序列为在待编码码长不变的情况下，改变信息比特的长度和固定比特的长度。
进一步的，所述多码长序列为在待编码码率不变的情况下，改变信息比特的长度和固定比特的长度。
进一步的，所述多码率和多码长序列为改变待编码码率和码长。
进一步的，所述将所述待编码序列与所述当前重塑生成矩阵进行处理得到编码数据包括：
对与待编码序列等长的序列A进行初始化；读取所述当前重塑生成矩阵；控制将所述待编码序列串行输入极化码编码器；控制M比特待编码比特异或完成。
进一步的，所述控制完成M比特待编码比特异或包括：判断当前时刻i的输入待编码比特是否为信息比特，若是，则继续判断当前时刻i输入待编码比特是否为1比特，若是，则将当前第i行的前i列重塑生成矩阵与序列A进行异或，最终得到当前时刻i的异或值；若当前时刻i输入待编码比特不为1比特，则保持序列A；重复所述比特异或步骤，直到待编码序列异或完成。
进一步的，若当前时刻i的输入待编码比特不为信息比特，则保持序列A上一时刻的异或值。
本发明还提供一种极化码的编码装置，包括：至少一个控制处理器和用于与所述至少一个控制处理器通信连接的存储器；所述存储器有可被所述至少一个控制处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个控制处理器执行，以使所述至少一个控制处理器能够执行上述极化码的编码方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质为非易失性存储介质或非瞬态存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行上述极化码的编码方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）通过生成重塑生成矩阵减少了极化码编码的运算量，同时在编码过程中为了减少逻辑门的使用，通过判断当前时刻的输入待编码比特是否为信息比特以及待编码比特是否为1比特，极大的降低了编码算法实现的复杂度，降低资源的使用，提高了极化码的编码效率。
（2）基于码率多样性、码长多样性及码率码长均多样性的极化码编码方法，适用于待编码序列长度少于满元生成矩阵行数的多种极化码编码要求，根据待编码序列的长度有效改变满元生成矩阵的大小，使用该方法增加极化码编码的灵活性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的极化码编码方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的基于重塑生成矩阵的极化码编码方法示意框图；
图3为本发明实施例提供的重塑生成矩阵产生示意图；
图4为本发明实施例提供的基于重塑生成矩阵的极化码编码算法示意图；
图5为现有技术提供的一种极化码编码示意框图；
图6为本发明实施例提供的多码率的极化码编码示意框图；
图7为本发明实施例提供的多码长的极化码编码示意框图；
图8为本发明实施例提供的混合多码率多码长极化码编码示意框图；
图9为本发明实施例提供的重塑生成矩阵元素写入存储器流程示意图；
图10为本发明实施例提供的从存储器中读出重塑生成矩阵元素流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
请一并参阅图1和图2，图1为本发明实施例提供的一种极化码编码方法的流程图，图2为本发明实施例提供的基于重塑生成矩阵的极化码编码方法示意框图，所述方法包括步骤：
S10，获取待编码序列及待编码序列的编码长度M，所述待编码序列包括多码率和/或多码长的序列。
S20，根据所述编码长度M，确定第一级码长N1，根据所述第一级码长N1、并通过克罗内克幂计算得到满元生成矩阵。
在实际过程中，在获取待编码序列的编码长度M后，确定在编码长度M范围内，满足N1=2n、且N1≥M的最小正整数n值，即n=[log2 N1]。根据所述N1得到所述n值，再通过克罗内克幂计算得到满元生成矩阵。
S30，将所述满元生成矩阵进行重塑处理，获得当前重塑生成矩阵，所述当前重塑生成矩阵的码长为第二级码长N2。
具体地，请一并参阅图3，图3为本发明实施例提供的重塑生成矩阵产生示意图。步骤S30包括：将N2和M进行比较：
如果N2=M，则所述满元生成矩阵为当前重塑生成矩阵；
如果N2>M，则从所述满元生成矩阵中从后往前选择列权重1的列，并选择所述列权重为1所对应的行，删除所选择的行和列，得到当前重塑生成矩阵；以当前重塑矩阵为满元生成矩阵，所述第二级码长N2更新为当前满元生成矩阵的码长。继续将N2和M进行比较，如果N2=M，则更新后的满元生成矩阵为当前重塑生成矩阵；如果更新后的第二级码长值N2>M，则继续从所述更新后的满元生成矩阵中从后往前选择列权重1的列，并选择所述列权重为1所对应的行，删除所选择的行和列，得到当前重塑生成矩阵；以当前重塑矩阵为满元生成矩阵，所述第二级码长N2更新为当前满元生成矩阵的码长。
继续将N2和M进行比较，重复前述重塑处理，直到N2=M时，停止重塑。此时的重塑生成矩阵为当前重塑生成矩阵。
S40，将所述待编码序列与所述当前重塑生成矩阵进行处理得到编码数据。
具体地，请一并参阅图4，图4为本发明实施例提供的基于重塑生成矩阵的极化码编码算法示意图。所述待编码序列由信息比特序列和固定比特序列组成，固定比特位置上的元素为全0比特。步骤S40具体包括：
S401，对与待编码序列等长的序列A进行初始化；
S402，读取所述当前重塑生成矩阵；
S403，控制将所述待编码序列串行输入极化码编码器；
S404，控制待编码比特异或完成。
在本实施方式中，S404具体包括：判断当前时刻i的输入待编码比特是否为信息比特，若是，则继续判断当前时刻i输入待编码比特是否为1比特，若是，则将当前第i行的前i列重塑生成矩阵与序列A进行异或，最终得到当前时刻i的异或值；若当前时刻i输入待编码比特不为1比特，则保持序列A；重复所述比特异或步骤，直到待编码序列异或完成。
具体地，当满元生成矩阵的行列为4096，重塑后的生成矩阵为256，码率为1/2，即待编码序列长度为256，信息比特长度为128，信息比特占用的位置如下：{59，61，62，63，79，87，91，93，94，95，103，105，106，107，108，109，110，111，113，114，115，116，117，118，119，120，121，122，123，124，125，126，127，143，150，151，153，154，155，156，157，158，159，163，165，166，167，169，170，171，172，173，174，175，177，178，179，180，181，182，183，184，185，186，187，188，189，190，191，195，197，198，199，201，202，203，204，205，206，207，208，209，210，211，212，213，214，215，216，217，218，219，220，221，222，223，224，225，226，227，228，229，230，231，232，233，234，235，236，237，238，239，240，241，242，243，244，245，246，247，248，249，250，251，252，253，254，255}，固定比特的位置为编号0到255中除去信息比特占用的位置。根据步骤S404，满元生成矩阵的行列为4096，重塑后的生成矩阵为256，码率为1/2，即待编码序列长度为256，信息比特长度为128，信息比特占用的位置如下：{59，61，62，63，79，87，91，93，94，95，103，105，106，107，108，109，110，111，113，114，115，116，117，118，119，120，121，122，123，124，125，126，127，143，150，151，153，154，155，156，157，158，159，163，165，166，167，169，170，171，172，173，174，175，177，178，179，180，181，182，183，184，185，186，187，188，189，190，191，195，197，198，199，201，202，203，204，205，206，207，208，209，210，211，212，213，214，215，216，217，218，219，220，221，222，223，224，225，226，227，228，229，230，231，232，233，234，235，236，237，238，239，240，241，242，243，244，245，246，247，248，249，250，251，252，253，254，255}，固定比特的位置为编号0到255中除去信息比特占用的位置。根据步骤S404，需要等到第59个待编码比特输入才开始进行异或操作，减少了前面58个待编码比特与重塑生成矩阵的相与及与序列A的异或处理。
此外，判断第i时刻的待编码比特数据是否为1比特，也减少了与操作。假若当前比特为1，则比特1与第i行的生成矩阵相与之后得到的数据流与第i行的生成矩阵一致；假若当前比特为0时，则比特0与与第i行的生成矩阵相与之后得到的数据流为全0。采用一个判断机制，当第i时刻的比特为1时，则直接将第i行的重塑生成矩阵中的元素与前一时刻的异或值相异或，在忽略与操作的同时，又进一步降低了异或操作。
综上，本发明实施例提供的极化码编码方法，通过生成重塑生成矩阵减少了极化码编码的运算量，同时在编码过程中为了减少逻辑门的使用，通过判断当前时刻的输入待编码比特是否为信息比特以及待编码比特是否为1比特，极大的降低了编码算法实现的复杂度，降低资源的使用，提高了极化码的编码效率。
为了适合多样性极化码，在编码器内部需要预先设定信息比特存在的地址或者固定比特存放的位置，下面分为三种情况对待编码序列包括多码率或多码长或多码率和多码长序列的情况进行说明。
请参阅图5，所示为现有技术提供的一种极化码编码示意框图，满元生成矩阵的大小为N*N，待编码码长的长度为M，为了适合矩阵相乘，需要在待编码码长补N-M位0比特信息。
图6为本发明实施例提供的多码率的极化码编码方法示意框图。在待编码序列不变的情况下，改变信息比特的长度和固定比特的长度，图5与图6中的待编码长度相等，信息比特长度和固定比特长度不一样。图6中的码率等于K1/M。随着K1的增加，码率增大，K1减少，码率降低。在常见的极化码中，码率一般设置为1/2，比如克罗内克幂计算的系数n为3，信息比特序列长度为4比特，假设对于0~7个比特位置，信息数据占用的位置为第2、3、4、5四个比特位置，固定比特占用的位置为第0、1、6、7四个比特位置；对于同一个生成矩阵而言，码长为8，码率设置为1/4时，信息比特的长度为2，假设对于0~7个比特位置，信息数据占用的位置为第4、6两个比特位置，固定比特的位置占用在第0、1、2、3、5、7六个比特位置。通过极化码编码最终获得码长为8的编码后数据。对于同一个生成矩阵而言，通过设定信息比特与固定比特的长度，从而达到码率的多样性。
请参阅图7，所示为本发明实施例提供的多码长的极化码编码示意框图，在码率不变的情况下，信息比特的长度和固定比特的长度呈倍数增加，码长也呈倍数增加，图7中的码率为K2/M3，信息比特长度变为z*K，固定比特长度变为z*F，码长M3等于z*M，其中z为不为0的正数。比如克罗内克幂计算的系数n为4，码率为1/2，待编码比特的长度为16，信息比特序列长度和固定比特序列长度都为8，假设信息比特序列在0~15个位置编号中占用第0、1、4、7、9、12、14、15八个位置，固定比特占用第2、3、5、6、8、10、11、13四个位置，此时的生成矩阵为16*16，通过极化码编码最终获得码长为16的编码后数据；保持码率1/2不变的情况下，当待编码比特的长度为8时，则信息比特序列长度和固定比特序列长度都为8，其中信息比特占用第0、3、5、7四个位置的地址，固定比特占用第1、2、4、6四个位置的地址，此时需要对满元16*16的生成矩阵进行重塑，重塑生成矩阵的行列都为8，通过极化码编码最终获得码长为16的编码后数据。
请参阅图8，所示为本发明实施例提供的混合多码率多码长极化码编码示意框图，码率和码长均发生改变，信息比特的长度为K2，固定比特的长度为F2，编码后的码长长度M2为K2+F2，码率为K2/M2，与此同时，重塑生成矩阵的行列为M2*M2。比如克罗内克积的系数为5，满元生成矩阵的行列为64，对于码长和码率均多样性的极化码而言，M2不能超过64，且系数都为正整数。对于满元生成矩阵的行列为64，当码率为1/4，信息比特长度为16，对于比特位置为0~63而言，假设信息比特占用的位置为第1、5、6、9、15、16、23、28、29、34、36、38、39、45、61、62，其他位置存放固定比特的0比特数据。设定M2等于16，对于码率为1/2而言，待编码比特的长度为8，对于待编码比特占用的地址为第0~15的编号地址进行存储，设定信息比特存放的地址为第1、2、7、9、11、12、14、15，固定比特存放的地址为第0、3、4、5、6、8、10、13，通过极化编码后，得到16比特的编码后的数据；设定M2等于33，码率为1/3，信息比特长度为11，固定比特长度为22，对于比特位置为0~32而言，假设信息比特占用的位置为第0、9、11、15、17、19、21、23、24、26、27，其他位置存放固定比特为0比特的数据，此时的生成矩阵通过重塑，最终生成了一个行列都为33的矩阵，通过极化码编码后，得到33比特的编码后的数据。
基于以上码率多样性、码长多样性及码率码长均多样性的极化码编码方法，适用于待编码序列长度少于满元生成矩阵行数的多种极化码编码要求，根据待编码序列的长度有效改变满元生成矩阵的大小，使用该方法能够增加极化码编码的灵活性。
重塑生成矩阵与满元生成矩阵是方阵且为下三角矩阵。为了进一步降低资源的占用，本发明实施例对重塑生成矩阵的传递过程进行处理。具体地，请参阅图9，图9为本发明实施例提供的重塑生成矩阵元素写入存储器流程示意图。所述方法包括：
S901：定义变量index初始值为0；
S902：判断index与待编码序列长度M的大小，若小于则进入S903，若大于则结束流程；
S903：存储重塑生成矩阵前index+1行的前index+1个数据到存储器中；
S904：index=index+1，进入步骤S902。
存储到存储器中元素个数最多为((1+M)*M)/2。根据下三角矩阵，第i时刻重塑生成矩阵中的有效数据有i位，在存储器中写入i位数据，地址增加i个。
重塑生成矩阵存放在存储器中后，需要依次读出存储器中的数据，图10为本发明实施例提供的从存储器中读出重塑生成矩阵元素流程示意图，包括：
S1001：定义待编码序列串行输入至编码装置的初始时刻index1的值为0；
S1002：判断index1值与待编码序列长度M的大小，若小于则跳入S1003步骤，否则重塑生成矩阵读取完成；
S1003：第index1+1时刻依次读出index1+1个地址；
S1004：index1=index1+1，跳转到步骤S1002。
输入第i比特的待编码数据，需要从存储器中依次读出i个地址所对应的比特流G。
当第i时刻的待编码数据为比特1时，则需要将比特流G与前一时刻的异或值进行异或，得到当前时刻的比特流G，后面M-i个地址位的信息为比特0。
本发明实施例提供的极化码的编码方法，减少了大量的异或处理单元，降低了极化码编码算法复杂度与存储复杂度，加快了编码时间，提高了测控通信以及导航系统中数据传输的可靠性。
本发明实施例提供一种极化码的编码装置包括：至少一个控制处理器和用于与所述至少一个控制处理器通信连接的存储器；所述存储器有可被所述至少一个控制处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个控制处理器执行，以使所述至少一个控制处理器能够执行上述任一一种所述极化码的编码方法对应的步骤，此处不再赘述。
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质为非易失性存储介质或非瞬态存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行上述任一一种所述极化码的编码方法对应的步骤，此处不再赘述。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (11)

1.一种极化码的编码方法，其特征在于，包括：
获取待编码序列及待编码序列的编码长度M，所述待编码序列包括多码率和/或多码长的序列；
根据所述编码长度M，确定第一级码长N1，根据所述第一级码长N1、并通过克罗内克幂计算得到满元生成矩阵；
将所述满元生成矩阵进行重塑处理，获得当前重塑生成矩阵，所述当前重塑生成矩阵的码长为第二级码长N2，所述将所述满元生成矩阵进行重塑处理包括：若N2>M时，则从所述满元生成矩阵中从后往前选择列权重为1的列，当选择到列权重为1时，停止选择操作；接下来选择所述列权重为1所对应的行，并删除所选择的行和列，得到当前重塑生成矩阵；以当前重塑生成矩阵为满元生成矩阵，继续将N2和M进行比较，重复所述重塑处理，直到N2=M时，停止重塑；
将所述待编码序列与所述当前重塑生成矩阵进行处理得到编码数据。
2.根据权利要求1所述的编码方法，其特征在于，根据所述编码长度M，确定第一级码长N1，根据所述第一级码长N1、并通过克罗内克幂计算得到满元生成矩阵具体包括：
根据所述编码长度M确定满足第一级码长N1大于或等于M的最小正整数n，其中N1=2n， n=[log2 N1]；
根据所述正整数n，通过克罗内克幂计算得到满元生成矩阵。
3.根据权利要求1所述的编码方法， 其特征在于，所述待编码序列由信息比特序列和固定比特序列组成。
4.根据权利要求3所述的编码方法，其特征在于，所述多码率序列为在待编码序列码长不变的情况下，改变信息比特的长度和固定比特的长度。
5.根据权利要求3所述的编码方法，其特征在于，所述多码长序列为在待编码序列码率不变的情况下，改变信息比特的长度和固定比特的长度。
6.根据权利要求3所述的编码方法，其特征在于，所述多码率和多码长待编码序列为改变待编码码率和码长。
7.根据权利要求3所述的编码方法，其特征在于，将所述待编码序列与所述当前重塑生成矩阵进行处理得到编码数据具体包括：
对与待编码序列等长的序列A进行初始化；
读取所述当前重塑生成矩阵；
控制将所述待编码序列串行输入极化码编码器；
控制待编码比特异或完成。
8.根据权利要求7所述的编码方法，其特征在于，控制所述待编码比特异或完成具体包括：判断当前时刻i的输入待编码比特是否为信息比特，若是，则继续判断当前时刻i输入待编码比特是否为1比特，若是，则将当前第i行的前i列重塑生成矩阵与序列A进行异或，最终得到当前时刻i的异或值；若当前时刻i输入待编码比特不为1比特，则保持序列A；重复所述比特异或步骤，直到待编码序列异或完成。
9.根据权利要求8所述的编码方法，其特征在于，若当前时刻i的输入待编码比特不为信息比特，则保持序列A。
10.一种极化码的编码装置，其特征在于，包括：至少一个控制处理器和用于与所述至少一个控制处理器通信连接的存储器；所述存储器有可被所述至少一个控制处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个控制处理器执行，以使所述至少一个控制处理器能够执行如权利要求1至9任一项所述编码方法。
11.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质为非易失性存储介质或非瞬态存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述计算机指令运行时执行权利要求1至9任一项所述编码方法的步骤。
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