CN113114274A - 一种基于分段关键集合的简化极化码连续消除列表译码器 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种基于分段关键集合的简化极化码移位剪枝连续消除列表(Partition Successive Cancellation List with Shifted‑pruning,PSCL‑SP)译码器，由编码模块、分段集合生成模块、路径移位剪枝模块、初始SCL译码模块和校验模块组成。在连续消除移位剪枝列表译码器中增加分段集合生成模块，基于分段集合来减少路径移位剪枝的搜索范围。首先根据错误概率把编码确定的关键集合进行不均匀分段，然后通过译码器初始尝试以后的译码信息来确定第一个错误发生的位置和所在的分段位置，如果错误发生在第一段则进行正常路径移位剪枝操作，第二段采用连续消除译码，如果第二段发生错误则直接对第二段关键集合进行路径移位剪枝操作，减少了SCL‑SP译码器额外的路径移位剪枝次数，进一步减少译码器的计算复杂度，同时保证译码性能没有下降。

Description

一种基于分段关键集合的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，涉及一种基于分段关键集合的简化极化码连续消除列表译码器，使用一种新的基于错误概率的分段方法对关键集合进行分段，并通过改变连续消除列表译码器结构，降低译码器额外移位剪枝操作的次数，在不影响译码性能的情况下减少译码器的计算复杂度。
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。为了改进SC译码性能，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，从关键集合方面看，Z.Zhaoyang等提出并证明了在SC译码中译码错误绝大多数分布于rate-1节点的第一个信息位。通过对该集合的信道索引进行翻转可以达到提高性能的目的。在此基础上，M.Rowshan和E.Viterbo等提出的移位剪枝译码器(Successive Cancellation List with Shifted-pruning，SCL-SP)可对出现错误的比特进行移位剪枝操作，提高SCL译码器的性能并且降低复杂度。这种移位剪枝译码器还需要进一步被优化。因此，本发明提出了新的基于错误概率的关键集合分段方法，设计了PSCL-SP译码算法，降低了译码过程的额外尝试次数从而降低了计算复杂度。
发明内容
本发明为了解决连续消除移位剪枝列表(Successive Cancellation List withShifted-pruning，SCL-SP)译码器中计算复杂度过高的问题，提出了一种基于分段关键集合的简化极化码连续消除列表(Partition Successive Cancellation List withShifted-pruning，PSCL-SP)译码器。其译码结构如图1所示，PSCL-SP译码器由编码模块、分段集合生成模块、路径移位剪枝模块、初始SCL译码模块、校验模块组成。相比于传统SCL-SP译码器增加了分段集合生成模块，具有额外移位剪枝操作次数少，根据初始译码的译码信息来进行关键集合分段，根据第一次错误发生的位置对译码器的结构进行调整等特点，并且译码器的性能不会损失。
本发明的基本构思：传统SCL-SP译码器在译码过程中为了寻找进行移位剪枝操作的信息位，会从关键集合的第一位开始移位剪枝操作，直到译码正确或者全部尝试完成，而错误发生在后半段时，从第一位开始移位剪枝操作会造成很大的额外译码复杂度。为了解决现有SCL-SP译码器额外译码复杂度过高的问题，对关键集合进行分段处理并根据初始译码结果对译码过程进行调整。
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PSCL-SP译码器，首先对极化码进行处理，在极化码中间和末端插入两段8位CRC校验码
Figure BDA0003024168860000021
进行级联P(N,K,r)。通过初始SCL译码模块对接收向量的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，对L条路径进行分裂。将分裂后的路径根据路径度量值进行升序排序，保留较优的L条路径。这L条路径继续译码和剪枝直到初始译码结束。当初始SCL译码模块获得译码结果
Figure BDA0003024168860000022
以后，把
Figure BDA0003024168860000023
输入到校验模块，确定译码结果是否正确，如果译码成功则输出译码结果
Figure BDA0003024168860000024
如果译码失败则对
Figure BDA0003024168860000025
进行分段校验。然后对关键集合进行分段处理，为了尽可能减少复杂度，分段依据为两段的信息位发生错误概率的和
Figure BDA0003024168860000026
Figure BDA0003024168860000027
是否相等，其中Ei表示SCL译码器译码过程中正确路径轨迹被删除的事件，p表示信息位中没有进行硬判决的索引，设分段位置在第i个信息位ui，q表示第i个信息位前面的所有信息位的索引，LLRl+L[0]表示初始译码已经被删除的第l+L条路径的LLR值信息。如果存在一个信息位ui，使得∑P(Ei)＝∑P(EK)，那么则在ui处分段。分段后的译码结果
Figure BDA0003024168860000031
存放在两个子矩阵P1{d1，d2，…,di}和P2{di+1,di+2,…,dK}中，两个子矩阵分别存放di-8和K-di-8个译码结果。在进行CRC校验以后如果第一个子矩阵通过检验，而第二个CRC校验没有通过，则说明第一个译码错误出现在第二个子矩阵。那么只需要对P2矩阵中存放的索引从第di+1位进行顺序移位剪枝操作。如果错误出现在第一个矩阵P1，从第d1到di位进行翻转操作，并只对前i个码字译码和校验，如果通过校验，后K-i个码字使用SC译码器进行译码而不使用SCL译码器。如果没有通过校验，则译码失败，提前终止译码过程。
本发明相对现有技术具有的优点和有益效果为：
1)本发明使用新的基于错误概率的分段方法对关键集合进行分段，降低复杂度。
2)本发明的错误定位准确性高，不影响译码性能。
3)本发明可以在使用关键集合的SCL及其衍生译码器进行应用。
附图说明
图1为PSCL-SP译码器的系统框图；
图2为码长为1024，信息位为512的CA-SCL译码器、SCL-SP译码器与PSCL-SP译码器的误帧率性能比较图；
图3码长为1024，信息位为512的SCL-SP译码器与PSCL-SP译码器的额外翻转次数比较图；
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，PSCL-SP译码器由编码模块、分段集合生成模块、路径移位剪枝模块、初始SCL译码模块和检验模块组成。对编码模块输出的LLR值输入到初始SCL译码模块进行f运算、g运算和硬判决得到初始译码码字的LLR值和译码结果，同时更新路径度量值，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|。对每个信息比特进行路径分裂，当路径数量等于L后，L条路径分裂成2L条路径。将分裂后的路径根据路径度量值进行升序排序，保留较优的L条路径。这L条路径继续译码和剪枝直到初始译码结束并获得译码信息。
将译码信息输入到分段集合生成模块进行CRC校验和关键集合分段处理，为了使码率不变，只对关键集合进行两次分段，找到一个信息位ui，使得∑P(Ei)＝∑P(Ek)，并在信息位ui处分段。然后将译码信息输入校验模块，对译码码字进行CRC校验来选择L条译码路径中正确的一条路径输出，如果CRC校验通过，那么将正确码字输出，否则对分段的两段码字分别进行校验，这样就可以精确得到错误码字的位置。
如果错误位置在第一段，那么从关键集合中选择第一位比特索引输入到路径移位剪枝模块重新进行译码操作，由于译码器是串行译码，所以当译码到关键集合第一位比特索引位置的时候，路径移位剪枝模块将PM值较大的L条路径与PM值较小的L条路径进行交换位置，也就是将PM值较大的L条路径删去。操作完成后继续对前半段码字进行译码，直到译码完成并进行CRC校验，如果校验通过则输出前半段正确译码码字，后半段码字译码则使用SC译码器，如果校验失败则从关键集合中取出集合中的下一位比特索引重复上述步骤直到译码成功或者前半段关键集合全部尝试结束。
如果错误位置在第二段，那么则可以确定第一段的码字译码是没有错误的，首先将第一段正确的码字保存，将第二段关键集合的第一位索引输入路径移位剪枝模块进行第二段码字的译码，如果通过CRC校验则输出全部正确码字，如果校验失败则从关键集合中取出关键集合中的下一位比特索引重复上述步骤直到译码成功或者后半段关键集合全部尝试结束。这种简化的译码器可以大大降低译码复杂度，并且与传统的SCL-SP译码器相比不会出现性能损失，如图2所示。
由于关键集合的分段处理，额外译码次数也会大大降低，比起传统的SCL-SP译码器，额外翻转次数降低约百分之五十，如图3所示。

Claims (2)

1.所述的一种基于分段关键集合的简化极化码连续消除列表(Partition SuccessiveCancellation List with Shifted-pruning，PSCL-SP)译码器，其特征在于在连续消除移位剪枝列表(Successive Cancellation List with Shifted-pruning，SCL-SP)译码器中增加了一个分段集合生成模块，该模块根据信息位错误概率将编码生成的关键集合进行不均匀分段处理，根据错误发生的位置设计了PSCL-SP译码算法，减少不必要的移位剪枝操作。
2.根据权利要求1所述的基于分段关键集合的简化极化码连续消除列表译码器，其特征在于根据初始译码的译码信息，包括路径度量(Path Metric，PM)和对数似然比(Log-likelihood Ratio，LLR)来进行关键集合分段，设计了PSCL-SP译码算法。
首先对极化码进行处理，在极化码中间和末端插入两段8位循环冗余校验码(CyclicRedundancy Check，CRC)
Figure FDA0003024168850000011
进行级联P(N，K，r)。在通过初始SCL译码模块获得译码结果
Figure FDA0003024168850000012
以后，把
Figure FDA0003024168850000013
输入到校验模块，确定译码结果是否正确，如果译码成功则输出译码结果
Figure FDA0003024168850000014
如果译码失败则对
Figure FDA0003024168850000015
进行校验来确定错误发生的位置。然后对关键集合进行分段处理，为了尽可能减少复杂度，分段依据为两段的信息位发生错误概率的和∑P(Ei)是否相等。设分段位置在第i个信息位ui，那么在分段后的译码结果
Figure FDA0003024168850000016
存放在两个子矩阵P1{d1，d2，...，di}和P2{di+1，di+2，...，dK}中，两个子矩阵分别存放di-8和K-di-8个译码结果。在进行CRC校验以后如果第一个子矩阵通过检验，而第二个CRC校验没有通过，则说明第一个译码错误出现在第二个子矩阵。那么只需要对P2矩阵中存放的索引从第di+1位进行顺序移位剪枝操作。如果错误出现在第一个矩阵P1，则从d1到di进行翻转操作，并只对前i个码字译码和校验，如果通过校验，后K-i个码字使用SC译码器进行译码而不使用SCL译码器。如果没有通过校验，则译码失败，提前终止译码过程。
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