CN113438023B - 一种自由空间光通信中极化码级联编码方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自由空间光通信中极化码级联编码方法及装置，所述方法包括将信息比特序列分割构造多个极化码，评估每个极化码中每个子信道的可靠性，根据可靠性，将每一极化码分为消息位和冻结位；通过湍流偏序法对每一极化码中的消息位和冻结位分开排列，形成消息位块和冻结位块，再根据子信道的可靠性对每一消息位块中的消息位逆序排列；对消息位块和冻结位块进行交织，将全部消息位块按照编码先后顺序排列，再将全部冻结位块以编码先后顺序排列在全部消息位块之后；将每一消息位块分别进行循环冗余校验编码；将消息位块和冻结位块进行脊髓码编码。通过本发明，解决了现有大容量、高质量的激光传输中信道质量下降和突发误差导致误码率高的问题。

Description

一种自由空间光通信中极化码级联编码方法及装置
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种自由空间光通信中极化码级联编码方法及装置。
背景技术
近年来，人们对光纤通信的使用越来越多，而为了满足人们对大容量通信的需求，自由空间光通信作为一种利用激光进行通信的无线光通信技术，受到了人们的广泛关注，认为其是一种满足大容量通信需求的方案。自由空间光通信使用的是100太赫兹频段，可以不依靠无线电调节实现高速传输，解决了目前无线电频段不足的问题。同时，激光传输和无线电波传输互不干扰，而光的高指向性可以保证通信的安全。许多通信技术研究团队进行了自由空间光通信方面的研究。然而大气湍流引起的光学闪烁和指向误差等现象，是自由空间光通信面临着的主要问题。当激光束通过空气时，如从卫星到地面的链路中，会发生光学闪烁，接收到的光功率会产生波动。另外，由于激光具有很强的指向性，所以发射器和接收器之间的夹角范围不能太大，否则易导致终端指向误差发生。这些由大气湍流引起的现象使得自由空间光通信系统误码率上升、信噪比降低。由于自由空间光通信通常以大容量传输为目标，所以即便衰减周期很短，但在激光信道中也会出现突发擦除或突发错误。因此，要实现大容量、高质量的激光传输，减少突发误差的措施是必不可少的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种自由空间光通信中极化码级联编码方法及装置，用于解决现有大容量、高质量的激光传输中信道质量下降和突发误差导致误码率高的问题。
本发明提供的一种自由空间光通信中极化码级联编码方法，所述方法包括：
将信息比特序列分割构造多个极化码，并评估每个极化码中每个子信道的可靠性，根据每个子信道的可靠性，将每一极化码区分为多个消息位和多个冻结位；
通过湍流偏序法对每一极化码中的消息位和冻结位分开排列，形成消息位块和冻结位块，再根据子信道的可靠性对每一消息位块中的消息位逆序排列；
对所有消息位块和冻结位块进行交织，将全部消息位块按照编码先后顺序排列，再将全部冻结位块以编码先后顺序排列在全部消息位块之后；
将每一消息位块分别进行循环冗余校验编码；
将所有循环冗余校验编码处理过的消息位块和所有冻结位块进行脊髓码编码。
进一步地，所述将所有循环冗余校验编码处理过的消息位块和所有冻结位块进行脊髓码编码具体包括：
对循环冗余校验编码后的全部消息位块进行脊髓码编码，生成与每一消息位块对应的编码比特，所述编码比特按照对应的消息位块编码先后顺序排列；
在完成全部消息位块的脊髓码编码后，对全部冻结位块进行脊髓编码，生成与每一冻结位块对应的编码比特，所述与每一冻结位块对应的编码比特按照对应的冻结位块编码先后顺序排列，且排列在与消息位块对应的编码比特后面；
将预设哈希种子与第一块编码比特块输入预设哈希函数，将运算得到的哈希种子与下一块编码比特块输入所述预设哈希函数运算得到哈希种子；重复将运算得到的哈希种子与下一块编码比特块输入所述预设哈希函数进行运算，直至最后的哈希种子与最后一块编码比特块输入所述预设哈希函数，运算得到待发送的脊髓码编码。
本发明提供的一种自由空间光通信中极化码级联编码装置，所述装置包括：
极化码构造单元，用于将信息比特序列分割构造多个极化码，并评估每个极化码中每个子信道的可靠性，根据每个子信道的可靠性，将每一极化码区分为多个消息位和多个冻结位；
排序单元，用于通过湍流偏序法对每一极化码中的消息位和冻结位分开排列，形成消息位块和冻结位块，再根据子信道的可靠性对每一消息位块中的消息位逆序排列；
交织单元，用于对所有消息位块和冻结位块进行交织，将全部消息位块按照编码先后顺序排列，再将全部冻结位块以编码先后顺序排列在全部消息位块之后；
检验单元，用于将每一消息位块分别进行循环冗余校验编码；
编码单元，用于将所有循环冗余校验编码处理过的消息位块和所有冻结位块进行脊髓码编码。
进一步地，所述编码单元包括：
第一编码子单元，用于对循环冗余校验编码后的全部消息位块进行脊髓码编码，生成与每一消息位块对应的编码比特，所述编码比特按照对应的消息位块编码先后顺序排列；
第二编码子单元，用于在完成全部消息位块的脊髓码编码后，对全部冻结位块进行脊髓编码，生成与每一冻结位块对应的编码比特，所述与每一冻结位块对应的编码比特按照对应的冻结位块编码先后顺序排列，且排列在与消息位块对应的编码比特后面；
运算子单元，用于将预设哈希种子与第一块编码比特块输入预设哈希函数，将运算得到的哈希种子与下一块编码比特块输入所述预设哈希函数运算得到哈希种子；重复将运算得到的哈希种子与下一块编码比特块输入所述预设哈希函数进行运算，直至最后的哈希种子与最后一块编码比特块输入所述预设哈希函数，运算得到待发送的脊髓码编码。
实施本发明，具有如下有益效果：
通过本发明，将极化码中消息位块中容易出错的信道排列在前面，通过CRC校验以及脊髓码编码，利用脊髓码不等差保护的特性，使得排列在前面的信道出错概率大幅降低，尤其是排在前面的1-3位进行重点保护，因为极化码中发生错误的位通常仅有1-3位，对于不携带重要信息的冻结位不进行保护；解决了现有大容量、高质量的激光传输中信道质量下降和突发误差导致误码率高的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的自由空间光通信中极化码级联编码方法的流程图。
图2是本发明实施例提供的极化码不等错误保护脊髓码级联编码结构图。
图3是本发明实施例提供的自由空间光通信中极化码级联编码装置的结构图。
图4是本发明实施例提供的截断译码树的结构图。
具体实施方式
本专利中，以下结合附图和实施例对该具体实施方式做进一步说明。
如图1所示，本发明实施例提供了自由空间光通信中极化码级联编码方法，所述方法包括：
步骤S11、将信息比特序列分割构造多个极化码，并评估每个极化码中每个子信道的可靠性，根据每个子信道的可靠性，将每一极化码区分为多个消息位和多个冻结位。
需要说明的是，可靠性高的子信道被区分为消息位用于传递信号，提高信号传输效率和正确率。参照图2，一个信息比特序列被分割构造成极化码1至极化码N。
S12、通过湍流偏序法对每一极化码中的消息位和冻结位分开排列，形成消息位块和冻结位块，再根据子信道的可靠性对每一消息位块中的消息位逆序排列。
参照图2，以极化码1为例，极化码1中消息位和冻结位通过湍流偏序的方法分成了消息位块11和冻结位块12，在消息位块11中将子信道可靠性最差的消息位放在最前面，子信道可靠性最好的消息位放在最后面，这就是基于子信道的可靠性对每一消息位块中的消息位逆序排列。
极化码受到信道噪声影响产生错误数十分有限，在大多数情况下只引入一到三个错误，即发生错误的位数通常只有1-3位；将可靠性差的消息位放在最前面，相当于重点保护易出错的，大幅降低了出差的概率。
S13、对所有消息位块和冻结位块进行交织，将全部消息位块按照编码先后顺序排列，再将全部冻结位块以编码先后顺序排列在全部消息位块之后。
参照图2，在交织前，消息位块与冻结位块排列顺序依次为消息位块11、冻结位块12、消息位块21、冻结位块22、消息位块31、冻结位块32、......消息位块N1和冻结位块N2；经过交织，形成排列顺序为消息位块11、消息位块21、消息位块31、......、消息位块N1以及排在后面的冻结位块12、冻结位块22、冻结位块32、......、冻结位块N2。
S14、将每一消息位块分别进行循环冗余校验编码。
参考图2，仅仅每一消息位块进行了循环冗余校验编码，冻结位块不用进行循环冗余校验编码。
S15、将所有循环冗余校验编码处理过的消息位块和所有冻结位块进行脊髓码编码。
需要说明的是，脊髓码编码自身具有不等差错保护特性，信息靠前的部分编译码正确率高，靠后部分则容易出错，进一步对可靠性差的消息位进行保护；基于极化码与脊髓码编码级联的方式，进一步提高了编码可靠性。
进一步地，所述步骤S15具体包括：
S21、对循环冗余校验编码后的全部消息位块进行脊髓码编码，生成与每一消息位块对应的编码比特，所述编码比特按照对应的消息位块编码先后顺序排列；
S22、在完成全部消息位块的脊髓码编码后，对全部冻结位块进行脊髓编码，生成与每一冻结位块对应的编码比特，所述与每一冻结位块对应的编码比特按照对应的冻结位块编码先后顺序排列，且排列在与消息位块对应的编码比特后面；
参照图2，与消息位块对应的编码比特包括M1、M2、M3、M4......，与冻结位块对应的编码比特Mn/k-3、Mn/k-2、Mn/k-1以及Mn/k排在后面，在极化码中，冻结位一般不会被用来传输信息并被发送方与接收方默认为“0”；因此步骤S22会在步骤S21后面执行，对于消息位重点保护，而对不携带重要信息的冻结位不保护，以降低编译码的难度和可靠度。
S23、将预设哈希种子与第一块编码比特块输入预设哈希函数，将运算得到的哈希种子与下一块编码比特块输入所述预设哈希函数运算得到哈希种子；重复将运算得到的哈希种子与下一块编码比特块输入所述预设哈希函数进行运算，直至最后的哈希种子与最后一块编码比特块输入预设哈希函数，运算得到待发送的脊髓码编码。
参照图2，预设哈希种子为S0、第一块编码比特块M1均被输入到预设哈希函数H，运算得到哈希种子S1与下一块编码比特块M2输入到所述预设哈希函数H运算得到哈希种子S2；运算得到的哈希种子S2与下一块编码比特块M3输入到所述预设哈希函数H继续运算，重复上述过程，直到最后的哈希种子Sn/k-1、最后一块编码比特块Mn/k输入所述预设哈希函数H，运算得到最终的结果，也就是待发送的脊髓码编码。需要说明的是，预设哈希函数可以是Lookup3函数。
如图3所示，本发明实施例提供了自由空间光通信中极化码级联编码装置，所述装置包括：
极化码构造单元31，用于将信息比特序列分割构造多个极化码，并评估每个极化码中每个子信道的可靠性，根据每个子信道的可靠性，将每一极化码区分为多个消息位和多个冻结位；
排序单元32，用于通过湍流偏序法对每一极化码中的消息位和冻结位分开排列，形成消息位块和冻结位块，再根据子信道的可靠性对每一消息位块中的消息位逆序排列；
交织单元33，用于对所有消息位块和冻结位块进行交织，将全部消息位块按照编码先后顺序排列，再将全部冻结位块以编码先后顺序排列在全部消息位块之后；
检验单元34，用于将每一消息位块分别进行循环冗余校验编码；
编码单元35，用于将所有循环冗余校验编码处理过的消息位块和所有冻结位块进行脊髓码编码。
进一步地，所述编码单元35具体包括：
第一编码子单元351，用于对循环冗余校验编码后的全部消息位块进行脊髓码编码，生成与每一消息位块对应的编码比特，所述编码比特按照对应的消息位块编码先后顺序排列；
第二编码子单元352，用于在完成全部消息位块的脊髓码编码后，对全部冻结位块进行脊髓编码，生成与每一冻结位块对应的编码比特，所述与每一冻结位块对应的编码比特按照对应的冻结位块编码先后顺序排列，且排列在与消息位块对应的编码比特后面；
运算子单元353，用于将预设哈希种子与第一块编码比特块输入预设哈希函数，将运算得到的哈希种子与下一块编码比特块输入所述预设哈希函数运算得到哈希种子；重复将运算得到的哈希种子与下一块编码比特块输入所述预设哈希函数进行运算，直至最后的哈希种子与最后一块编码比特块输入预设哈希函数，运算得到待发送的脊髓码编码。
由于编码采用脊髓码作为内码，所以需要优先对其进行译码，本方案以截断译码法为基础，加入了CRC校验，提高译码速度降低运算量。截断译码方案基于贪婪算法，将最大似然(ML)译码方法进行修改。在描述算法之前，首先对路径定义，即将根节点到树中的某一个节点之间的分支组合称为路径；若路径中分支数量为n/k，该路径为完整路径。截断译码的处理为：译码器由根节点开始扩展并计算相应分支的量度，同时将这些分支的量度按照相应的路径相加，其和作为路径量度。基于上述的量度累加运算，某个节点所指代路径的量度可以由其父节点指代的路径度量加上父节点与该节点之间分支的度量得到。截断译码树如图4所示。
当扩展到某个深度d，且得到的路径数量超过一个指定参数B时，译码器根据路径量度将这些路径进行删减，只保留量度最小的B个路径(图4所示为保留路径参数B＝4，实心节点为保留路径)，删掉其余的路径。之后将所保留的路径进行下一个深度的扩展。译码处理过程就是不断重复上述的扩展、量度计算和删除的步骤，直至到达第n/k深度的叶子节点为止。一旦段解码完成，就可以检查所有保留路径。如果至少有一条路径可以通过循环冗余校验检查，则解码将继续，否则解码将终止。此时将现存路径中量度最小的路径对应的信息序列输出，作为脊髓码译码结果。接着进行一个解交织后，通过SCL译码器进行极化码的译码。
实施本发明，具有如下有益效果：
通过本发明，将极化码中消息位块中容易出错的信道排列在前面，通过CRC校验以及脊髓码编码，利用脊髓码不等差保护的特性，使得排列在前面的信道出错概率大幅降低，尤其是排在前面的1-3位进行重点保护，因为极化码中发生错误的位通常仅有1-3位，对于不携带重要信息的冻结位不进行保护；解决了现有大容量、高质量的激光传输中信道质量下降和突发误差导致误码率高的问题。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种自由空间光通信中极化码级联编码方法，其特征在于，所述方法包括：
S11、将信息比特序列分割构造多个极化码，并评估每个极化码中每个子信道的可靠性，根据每个子信道的可靠性，将每一极化码区分为多个消息位和多个冻结位；
S12、通过湍流偏序法对每一极化码中的消息位和冻结位分开排列，形成消息位块和冻结位块，再根据子信道的可靠性对每一消息位块中的消息位逆序排列；
S13、对所有消息位块和冻结位块进行交织，将全部消息位块按照编码先后顺序排列，再将全部冻结位块以编码先后顺序排列在全部消息位块之后；
S14、将每一消息位块分别进行循环冗余校验编码；
S15、将所有循环冗余校验编码处理过的消息位块和所有冻结位块进行脊髓码编码。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S15具体包括：
S21、对循环冗余校验编码后的全部消息位块进行脊髓码编码，生成与每一消息位块对应的编码比特，所述编码比特按照对应的消息位块编码先后顺序排列；
S22、在完成全部消息位块的脊髓码编码后，对全部冻结位块进行脊髓编码，生成与每一冻结位块对应的编码比特，所述与每一冻结位块对应的编码比特按照对应的冻结位块编码先后顺序排列，且排列在与消息位块对应的编码比特后面；
S23、将预设哈希种子与第一块编码比特块输入预设哈希函数，将运算得到的哈希种子与下一块编码比特块输入所述预设哈希函数运算得到哈希种子；重复将运算得到的哈希种子与下一块编码比特块输入所述预设哈希函数进行运算，直至最后的哈希种子与最后一块编码比特块输入所述预设哈希函数，运算得到待发送的脊髓码编码。
3.一种自由空间光通信中极化码级联编码装置，其特征在于，所述装置包括：
极化码构造单元，用于将信息比特序列分割构造多个极化码，并评估每个极化码中每个子信道的可靠性，根据每个子信道的可靠性，将每一极化码区分为多个消息位和多个冻结位；
排序单元，用于通过湍流偏序法对每一极化码中的消息位和冻结位分开排列，形成消息位块和冻结位块，再根据子信道的可靠性对每一消息位块中的消息位逆序排列；
交织单元，用于对所有消息位块和冻结位块进行交织，将全部消息位块按照编码先后顺序排列，再将全部冻结位块以编码先后顺序排列在全部消息位块之后；
检验单元，用于将每一消息位块分别进行循环冗余校验编码；
编码单元，用于将所有循环冗余校验编码处理过的消息位块和所有冻结位块进行脊髓码编码。
4.如权利要求3所述装置，其特征在于，所述编码单元包括：
第一编码子单元，用于对循环冗余校验编码后的全部消息位块进行脊髓码编码，生成与每一消息位块对应的编码比特，所述编码比特按照对应的消息位块编码先后顺序排列；
第二编码子单元，用于在完成全部消息位块的脊髓码编码后，对全部冻结位块进行脊髓编码，生成与每一冻结位块对应的编码比特，所述与每一冻结位块对应的编码比特按照对应的冻结位块编码先后顺序排列，且排列在与消息位块对应的编码比特后面；
运算子单元，用于将预设哈希种子与第一块编码比特块输入预设哈希函数，将运算得到的哈希种子与下一块编码比特块输入所述预设哈希函数运算得到哈希种子；重复将运算得到的哈希种子与下一块编码比特块输入所述预设哈希函数进行运算，直至最后的哈希种子与最后一块编码比特块输入预设哈希函数，运算得到待发送的脊髓码编码。
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