CN113556134A - 适用于简化串行抵消译码的极化码删余编码器及编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于简化串行抵消译码的极化码删余编码器及编码方法。传统简化串行抵消译码器的译码速度低。本发明包括参数配置模块、极化码构造模块、信息位选择模块、删余图样设计模块。参数配置模块为其它模块提供编码过程中需要用到的参数信息。极化码构造模块利用高斯近似构造方法计算给定参数下的信道错误概率。信息位选择模块根据极化码构造模块计算得到的信道错误概率，以及参数配置模块中的参数信息，选择信息位索引集合和冻结位索引集合。删余图样设计模块计算当前结点匹配收益，最终选择匹配收益最大的删余比特索引集合构成删余图样。本发明可以构造任意码长极化码，提升快速串行抵消译码算法对删余极化码的译码速度，减少译码时延。

Description

适用于简化串行抵消译码的极化码删余编码器及编码方法

技术领域

本发明属于通信领域，尤其是信道编码技术领域，涉及一种适用于简化串行抵消译码的极化码删余编码器及编码方法。

背景技术

极化码(Polar Code)是一类在数学上被严格证明当其码长接近于无穷大时可以达到信道容量的线性纠错码。极化码编码方案已经在RANI第87次会议讨论中被采纳为第五代通信系统控制信道的编码方式，其在超大规模机器通信(mMTC)及超可靠低时延(URRLC)通信和增强型移动宽带通信(eMBB)都有着广泛的应用。

极化码译码器中采用的译码算法主要有串行抵消(Successive Cancellation,SC)译码算法。该译码算法通过信息位以及冻结位索引集合构造译码二叉树，译码过程相当于以深度优先遍历该二叉树，在每个叶节点计算信道估值并经过硬判决后得到译码估计值。但SC译码器的译码时延并不佳。因此在后续的研究中提出了改善SC译码时延的快速简化串行抵消(Fast-SSC，Fast Simplified Successive Cancellation)译码器。快速简化串行抵消译码器利用5种特殊节点对SC译码树进行裁剪，使得无需完整的遍历译码子树，直接在该译码子树的特殊节点表示的根节点进行译码运算，大大简化了译码时延。

在某些应用场景下需要码长为非2的幂次方的极化码，目前构造码长任意的极化码主要是对极化码进行删余编码。删余极化码的关键点是选择删余图样，传统的删余极化码采用重新构建生成矩阵来构建删余极化码。重新构建生成矩阵是在原极化码生成矩阵上通过删除矩阵中1最少的行和此行中1对应的列来缩减生成矩阵，其删余图样就是对应1较少的行组成的序列。在接收端设定删余图样与冻结位相对应译码原则。

若接收端采用快速简化串行抵消译码器进行译码，传统删余极化码将破坏译码树中节点的信息位和冻结位分布，特殊节点的结构被破坏，导致快速简化串行抵消译码器的译码速度降低。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统删余极化码若采用快速简化串行抵消译码器进行译码将降低译码速度的问题，提供一种适用于快速简化串行抵消译码的极化码删余编码器。

本发明的极化码删余编码器包括：参数配置模块、极化码构造模块、信息位选择模块、删余图样设计模块。

所述参数配置模块，包括存储单元，参数配置模块为其它模块提供编码过程中需要用到的参数信息。

所述极化码构造模块，包括信道错误概率计算单元以及存储单元，极化码构造模块利用高斯近似构造方法计算给定参数下的信道错误概率。

所述信息位选择模块，包括信道错误概率排序单元以及存储单元，信息位选择模块根据极化码构造模块计算得到的信道错误概率，以及参数配置模块中的参数信息，选择信息位索引集合和冻结位索引集合。

所述删余图样设计模块，包括译码树层数存储单元、匹配单元、字典单元、匹配收益计算单元，删余图样设计模块对极化码的译码树在不同层的节点，进行删余匹配五种特殊节点，在删余匹配的过程中通过参数配置模块中的删余比特个数选择删余比特，计算当前节点能够得到的匹配收益，进行迭代更新最终选择匹配收益最大的删余比特索引集合构成删余图样。

本发明的另一目的是提供利用上述删余编码器进行极化码删余编码方法，具体是：

步骤(1)编码开始时，根据极化码的给定参数(N,M,K)，确定极化码的候选信息位索引集合A的大小|A|＝K+N-M，即候选信息位的比特总数；删余图样，即删余比特索引集合S的大小初始为|S|＝N-M，|S|表示需要进行删余的比特个数；其中，N表示极化码母码长度，即子信道个数，其值满足2的整数幂次方；M表示设定的极化码删余编码后长度，K表示极化码母码的信息比特的总数；集合A、S初始化都为空集；设定匹配总收益P的初始值为0；将|A|、|S|、P的信息存储在参数配置模块中，用于给其它三个模块提供参数信息；

步骤(2)极化码构造模块中的信道错误概率计算单元利用高斯近似构造方法，获得每个极化信道的信道错误概率，并将计算结果写入到极化码构造模块中的存储单元；

步骤(3)信息位选择模块中的信道错误概率排序单元对极化码构造模块计算得到的N个极化子信道的错误概率进行排序，选择其中错误概率相对小的|A|个子信道组成候选信息位索引集合A′，剩余的M-K个子信道构成冻结位索引集合A^C；将候选信息位索引集合A′和冻结位索引集合A^C写入信息位选择模块的存储单元；

步骤(4)由候选信息位索引集合A′和冻结位索引集合A^C获得译码树，初始化设置层数存储单元中的层数信息l＝log₂N，根据l生成对应的五种特殊节点写入到字典单元中，将译码树的根节点送入匹配单元进行删余匹配；

步骤(5)删余匹配：从参数配置模块中取出|S|作为参数，在允许当前信息位转换为冻结位且最多只允许转换|S|个信息位的情况下，判断转换后的节点内冻结位和信息位分布情况是否匹配字典中的任意一个元素，若能够匹配则将该节点的删余比特索引集合s送入到参数配置模块中，更新S＝S∪s、|S|＝|S|-|s|，并进行步骤(6)；若不能匹配，则进行步骤(7)；

步骤(6)利用匹配收益计算单元计算匹配收益，并更新参数配置模块中的匹配总收益P，送入节点的匹配收益p＝δk，δ为匹配收益系数，k为送入节点的比特个数，P＝∑p；判断送入节点是否为当前所在层的最后一个节点，若是则进行步骤(8),若不是则将送入节点的邻居节点送入到匹配单元，并进行步骤(5)；

步骤(7)更新层数存储单元中的l＝l-1，并根据更新后的层数信息生成相应的五种特殊节点并存入到字典单元中，将送入节点的左孩子节点送入到匹配单元进行删余匹配，进行步骤(5)；

步骤(8)结束本次迭代遍历，得到本次删余匹配的总收益P和相应的删余图样，即删余比特索引集合S；若参数模块中的|S|＞0，则从候选信息位索引集合A中选择|S|个错误概率较大的且不在删余图样集合S中的信息位，将这些信息位的索引添加到删余图样集合S中；否则不需要更新删余索引集合，根据删余图样S对给定参数(N,M,K)的极化码进行删余编码，得到删余极化码(M,K)。

本发明方法提出的删余编码器在一方面可以构造出任意码长的极化码，另一方面该删余编码器构造的删余极化码特别适用于快速简化串行抵消译码器。本发明构建了一种特别适用于快速简化串行抵消译码器的可变长极化码，利用五种特殊节点的匹配收益选择删余图样，可以进一步提升快速串行抵消译码算法对删余极化码的译码速度，减少译码时延。

附图说明

图1为本发明中极化码删余编码器示意图；

图2为删余匹配过程示意图；

图3～图7为快速简化串行抵消译码中的五种特殊节点示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

如图1所示，适用于简化串行抵消译码的极化码删余编码器，包括：参数配置模块、极化码构造模块、信息位选择模块、删余图样设计模块。

所述参数配置模块，包括存储单元，参数配置模块为其它模块提供编码过程中需要用到的参数信息。

所述极化码构造模块，包括信道错误概率计算单元以及存储单元，极化码构造模块利用高斯近似构造方法计算给定参数下的信道错误概率。

所述信息位选择模块，包括信道错误概率排序单元以及存储单元，信息位选择模块根据极化码构造模块计算得到的信道错误概率，以及参数配置模块中的参数信息，选择信息位索引集合和冻结位索引集合。

所述删余图样设计模块，包括译码树层数存储单元、匹配单元、字典单元、匹配收益计算单元，删余图样设计模块对极化码的译码树在不同层的节点，尝试进行删余匹配五种特殊节点，在删余匹配的过程中通过参数配置模块中的删余比特个数选择删余比特，计算当前节点能够得到的匹配收益，进行迭代更新最终选择匹配收益最大的删余比特索引集合构成删余图样。

该编码器的具体编码方法是：

步骤(1)编码开始时，根据极化码的给定参数(N,M,K)，确定极化码的候选信息位索引集合A的大小|A|＝K+N-M，即候选信息位的比特总数；删余图样，即删余比特索引集合S的大小初始为|S|＝N-M，|S|表示需要进行删余的比特个数；其中，N表示极化码母码长度，即子信道个数，其值满足2的整数幂次方；M表示设定的极化码删余编码后长度，K表示极化码母码的信息比特的总数；集合A、S初始化都为空集；设定匹配总收益P的初始值为0；将|A|、|S|、P的信息存储在参数配置模块中，用于给其它三个模块提供参数信息。

步骤(2)极化码构造模块中的信道错误概率计算单元利用高斯近似构造方法，获得每个极化信道的信道错误概率，并将计算结果写入到极化码构造模块中的存储单元。

所述的高斯近似构造方法具体如下：

对于二进制加性高斯白噪声信道经过信道极化后，每个极化后子信道的最大对数似然比LLR近似满足方差是均值两倍的高斯分布：

1≤i≤N；其中，N(·)表示高斯分布，

表示第i个子信道的最大对数似然比，

表示第i个子信道的最大对数似然比的均值，

通过如下递归方式计算得到：

设定初始值

σ为噪声标准差；其中：函数

x为函数变量，u为积分变量；

函数变量x>0时，函数简化为

各极化子信道的错误概率

步骤(3)信息位选择模块中的信道错误概率排序单元对极化码构造模块计算得到的N个极化子信道的错误概率进行排序，选择其中错误概率相对小的|A|个子信道组成候选信息位索引集合A′，剩余的M-K个子信道构成冻结位索引集合A^C；将候选信息位索引集合A′和冻结位索引集合A^C写入信息位选择模块的存储单元。

步骤(4)由候选信息位索引集合A′和冻结位索引集合A^C获得译码树，初始化设置层数存储单元中的层数信息l＝log₂N，根据l生成对应的五种特殊节点写入到字典单元中，将译码树的根节点送入匹配单元进行删余匹配。

步骤(5)删余匹配：

从参数配置模块中取出|S|作为参数，在允许当前信息位转换为冻结位且最多只允许转换|S|个信息位的情况下，判断转换后的节点内冻结位和信息位分布情况是否匹配字典中的任意一个元素，若能够匹配则将该节点的删余比特索引集合s送入到参数配置模块中，更新S＝S∪s、|S|＝|S|-|s|，并进行步骤(6)，删余比特索引集合s即转换部分信息位的索引集合；若不能匹配，则进行步骤(7)。

步骤(6)利用匹配收益计算单元计算匹配收益，并更新参数配置模块中的匹配总收益P，送入节点的匹配收益p＝δk，δ为匹配收益系数，k为送入节点的比特个数，P＝∑p。判断送入节点是否为当前所在层的最后一个节点，若是则进行步骤(8),若不是则将送入节点的邻居节点送入到匹配单元，并进行步骤(5)。

步骤(7)更新层数存储单元中的l＝l-1，并根据更新后的层数信息生成相应的五种特殊节点并存入到字典单元中，将送入节点的左孩子节点送入到匹配单元进行删余匹配，进行步骤(5)。

步骤(8)结束本次迭代遍历，得到本次删余匹配的总收益P和相应的删余图样，即删余比特索引集合S。若参数模块中的|S|＞0，则从候选信息位索引集合A中选择|S|个错误概率较大的且不在删余图样集合S中的信息位，将这些信息位的索引添加到删余图样集合S中；否则不需要更新删余索引集合，根据删余图样S对给定参数(N,M,K)的极化码进行删余编码，得到删余极化码(M,K)。

如图2，具体删余匹配过程具体陈述如下：

1、初始化设置节点指针cur指向第l层节点，设置删余比特个数为S＝N-M，匹配收益初始化为p＝0，并且申请一个栈空间stack。

2、判断当前节点指针cur是否在给定允许删余比特个数为S情况下能够匹配五种特殊节点，若可以则根据该节点的大小统计更新匹配收益p，并跳转到步骤3，否则跳转到步骤4。

3、判断栈stack当前是否为空，若为空，则记录该次匹配总收益p，并且结束本次匹配过程。若不为空，则弹出栈中的一个节点，并让节点指针cur指向该节点的右孩子节点，跳转到步骤2。

4、将节点指针cur指向的当前节点压入到栈中，并且让节点指针cur指向当前节点的左孩子节点，跳转到步骤2。

图3-图7给出了码长为8的极化码组成的译码树图。图中译码树根节点即为快速简化串行抵消译码中的5种特殊节点，译码树的叶节点代表每个比特。对于一个码长为N的极化码，译码树中共有log₂N+1层。在第s层中，2^s个比特构成一个节点。根据叶子节点信息位以及冻结位的分布，可以将译码树的节点分为以下几类：快速简化串行抵消译码中的五种特殊节点特点如下：其中N_v＝2^t表示在第t层的特殊节点v的比特个数。

(1)Type-I Node：

该节点仅有最后两个比特为信息位，其余的全部为冻结位。信息比特索引集合为α＝{N_v-2,N_v-1}。该特殊节点的N_v≥4。

(2)Type-II Node：

该节点仅有最后三个比特为信息位，其余的全部为冻结位。信息比特索引集合为α＝{N_v-3,N_v-2,N_v-1}。该特殊节点的N_v≥4。

(3)Type-III Node：

该节点仅有最开始两个比特为冻结位，其余的全部为信息位。冻结比特索引集合为

该特殊节点的N_v≥4。

(4)Type-IV Node：

该节点仅有最开始的三个比特为冻结位，其余的全部为信息位。冻结比特索引集合为

该特殊节点的N_v≥4。

(5)Type-V Node：

该节点仅有四个比特为信息位，其余的全部为冻结位。信息比特索引集合为α＝{N_v-5,N_v-3,N_v-2,N_v-1}。该特殊节点的N_v≥8。

Claims (3)

1.适用于简化串行抵消译码的极化码删余编码器，其特征在于，包括：参数配置模块、极化码构造模块、信息位选择模块、删余图样设计模块；

所述参数配置模块，包括存储单元，参数配置模块为其它模块提供编码过程中需要用到的参数信息；

所述极化码构造模块，包括信道错误概率计算单元以及存储单元，极化码构造模块利用高斯近似构造方法计算给定参数下的信道错误概率；

所述信息位选择模块，包括信道错误概率排序单元以及存储单元，信息位选择模块根据极化码构造模块计算得到的信道错误概率，以及参数配置模块中的参数信息，选择信息位索引集合和冻结位索引集合；

所述删余图样设计模块，包括译码树层数存储单元、匹配单元、字典单元、匹配收益计算单元，删余图样设计模块对极化码的译码树在不同层的节点，进行删余匹配五种特殊节点，在删余匹配的过程中根据参数配置模块中的删余比特个数选择删余比特，计算当前节点能够得到的匹配收益，进行迭代更新最终选择匹配收益最大的删余比特索引集合构成删余图样。

2.利用如权利要求1所述的删余编码器进行极化码删余编码方法，其特征在于，该方法具体是：

步骤(1)编码开始时，根据极化码的给定参数(N,M,K)，确定极化码的候选信息位索引集合A的大小|A|＝K+N-M，即候选信息位的比特总数；删余图样，即删余比特索引集合S的大小初始为|S|＝N-M，|S|表示需要进行删余的比特个数；其中，N表示极化码母码长度，即子信道个数，其值满足2的整数幂次方；M表示设定的极化码删余编码后长度，K表示极化码母码的信息比特的总数；集合A、S初始化都为空集；设定匹配总收益P的初始值为0；将|A|、|S|、P的信息存储在参数配置模块中，用于给其它三个模块提供参数信息；

步骤(2)极化码构造模块中的信道错误概率计算单元利用高斯近似构造方法，获得每个极化信道的信道错误概率，并将计算结果写入到极化码构造模块中的存储单元；

步骤(3)信息位选择模块中的信道错误概率排序单元对极化码构造模块计算得到的N个极化子信道的错误概率进行排序，选择其中错误概率相对小的|A|个子信道组成候选信息位索引集合A′，剩余的M-K个子信道构成冻结位索引集合A^C；将候选信息位索引集合A′和冻结位索引集合A^C写入信息位选择模块的存储单元；

步骤(4)由候选信息位索引集合A′和冻结位索引集合A^C获得译码树，初始化设置层数存储单元中的层数信息l＝log₂N，根据l生成对应的五种特殊节点写入到字典单元中，将译码树的根节点送入匹配单元进行删余匹配；

步骤(5)删余匹配：从参数配置模块中取出|S|作为参数，在允许当前信息位转换为冻结位且最多只允许转换|S|个信息位的情况下，判断转换后的节点内冻结位和信息位分布情况是否匹配字典中的任意一个元素，若能够匹配则将该节点的删余比特索引集合s送入到参数配置模块中，更新S＝S∪s、|S|＝|S|-|s|，并进行步骤(6)；若不能匹配，则进行步骤(7)；

步骤(6)利用匹配收益计算单元计算匹配收益，并更新参数配置模块中的匹配总收益P，送入节点的匹配收益p＝δk，δ为匹配收益系数，k为送入节点的比特个数，P＝∑p；判断送入节点是否为当前所在层的最后一个节点，若是则进行步骤(8),若不是则将送入节点的邻居节点送入到匹配单元，并进行步骤(5)；

步骤(7)更新层数存储单元中的l＝l-1，并根据更新后的层数信息生成相应的五种特殊节点并存入到字典单元中，将送入节点的左孩子节点送入到匹配单元进行删余匹配，进行步骤(5)；

步骤(8)结束本次迭代遍历，得到本次删余匹配的总收益P和相应的删余图样，即删余比特索引集合S；若参数模块中的|S|＞0，则从候选信息位索引集合A中选择|S|个错误概率较大的信息位，将这些信息位的索引添加到删余图样集合S中；否则不需要更新删余索引集合，根据删余图样S对给定参数(N,M,K)的极化码进行删余编码，得到删余极化码(M,K)。

3.如权利要求2所述的极化码删余编码方法，其特征在于：所述的高斯近似构造方法具体是：

对于二进制加性高斯白噪声信道经过信道极化后，每个极化后子信道的最大对数似然比LLR近似满足方差是均值两倍的高斯分布：

其中，N(·)表示高斯分布，

表示第i个子信道的最大对数似然比，

表示第i个子信道的最大对数似然比的均值，

通过如下递归方式计算得到：

设定初始值

σ为噪声标准差；其中：函数

x为函数变量，u为积分变量；

函数变量x>0时，函数简化为

各极化子信道的错误概率

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