CN114422084A - 基于高低llr占比的ad-scl译码方法 - Google Patents

基于高低llr占比的ad-scl译码方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于高低对数似然比(Log Likelihood Ratio,LLR)占比的自适应串行消除列表(Adaptive Successive Cancellation List,AD‑SCL)译码方法。该方法根据极化码译码时的信道信噪比(Signal to noise ratio,SNR)以及信道对数似然比(Log Likelihood Ratio,LLR)综合判决寻找最适合的AD‑SCL的起始列表L的大小，在低信噪比下令AD‑SCL译码起始列表Lbegin和最大列表Lmax都为16；在中间信噪比根据|LLR|的分布情况，制定两个阈值门限，动态选择Lbegin＝2，4，8；在高信噪比下直接令Lbegin＝2。通过起始列表大小的选择，与传统的AD‑SCL译码从Lbegin＝2遍历至Lmax相比，有效的降低了AD‑SCL译码算法的无效遍历次数，继而降低了AD‑SCL译码复杂度、译码时延和译码功耗。

Description

基于高低LLR占比的AD-SCL译码方法
技术领域
本发明涉及信道编码技术，尤其涉及极化码，具体涉及一种基于高低LLR占比的动态初值AD-SCL译码方法，该方法是针对AD-SCL译码方法在中低信噪比下复杂度、延迟、功耗过高的优化。
背景技术
极化码(polar)自2008年土耳其科学家E.Arikan提出以来得到了不断深入的研究和快速的发展。Arikan通过严谨的数学推导，证明出其在BEC信道(Binary ErasureChannel)下可达到香农极限，为极化码的发展提供了充足的理论依据。极化码也凭借优秀的性能在2016年3GPP的RAN1#87次会议上被确定为5G增强移动宽带(eMBB)中控制信道的信道编码方案。
SCL译码是极化码应用最为广泛的译码方式，但在高信噪比下往往不需要太大的译码列表L，(B.Li,H.Shen,and D.Tse,“An adaptive successive cancellation listdecoder for polar codes with cyclic redundancy check,”IEEE CommunicationsLetters,2012,vol.16,no.12,pp.2044–2047)提出了自适应串行消除译码表译码(Adaptive Successive Cancellation List,AD-SCL)，AD-SCL以L＝2为起始列表大小，若译码通过CRC校验则视为译码成功，反之将译码列表扩大到之前的2倍重新译码，直到译码成功或译码列表达到最大列表Lmax输出最小PM值所在的路径。这样的方式虽然在高信噪比下有效的降低了译码复杂度，但在中信噪比及以下往往需要多次译码尝试，即遍历过程增加了大量的译码延迟与译码复杂度。以本文采用的原始AD-SCL为例，若从Lbegin＝2遍历到Lmax＝16，SCL译码器需要工作4次才能结束译码，造成复杂度过高及译码延迟过大。冗余的复杂度，延迟也因此产生。
为进一步降低SCL译码所需要的功耗，(C.Condo,"Input-Distribution-AwareSuccessive Cancellation List Decoding of Polar Codes,"in IEEE CommunicationsLetters,May 2021,vol.25,no.5,pp.1510-1514)提出IDA-SCL译码，IDA-SCL不依赖一个固定的列表大小L，而是根据实验值将列表大小分为Llow与Lhigh两个选项，根据的|LLR|的大小制定阈值γ，并引入计数器count与数量阈值
Figure BDA0003475670620000021
若|LLR|>γ则count+1，若
Figure BDA0003475670620000022
则使用Llow，反之使用Lhigh。这样的方式使得译码时可以自动关闭部分译码器进而降低译码时的功耗与复杂度。但译码的|LLR|阈值以及计数器阈值在不同情况都需要实验才能确定，对不同情况的译码没有制定出普遍性的阈值准则，使用环境有局限性。
本发明根据极化码译码时的信道信噪比以及信道LLR综合判决寻找最适合的AD-SCL译码起点，在低信噪比下直接令AD-SCL译码列表起点Lbegin＝Lmax＝16；在中间信噪比根据|LLR|的分布情况，制定两个判决条件，动态选择Lbegin＝2，4，8；在高信噪比下直接令Lbegin＝2。通过高低LLR的占比与信噪比结合的方式动态的选择AD-SCL译码列表初值，与传统的AD-SCL译码从Lbegin＝2遍历至Lmax相比，有效的降低了AD-SCL译码算法的无效遍历次数，继而在降低了AD-SCL译码复杂度、译码时延、译码功耗的同时，其动态的阈值条件有效的改善了IDA-SCL译码在不同条件下阈值需要重新实验测定的情况。这使得本译码方法有更大的运用场景。
发明内容
有鉴于AD-SCL译码在中低信噪比下存在大量的无效遍历导致译码复杂度与时延过高的问题，提出一种基于高低LLR分布占比的AD-SCL译码方法。其特征在于，根据极化码译码时的信道信噪比以及信道|LLR|的高低占比分布综合AD-SCL的列表大小，使得所提出的基于高低LLR占比的AD-SCL译码方法在没有增加系统误块率的情况下，显著降低了AD-SCL的复杂度，译码延迟。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案，步骤如下：
步骤1：判断信道信噪比区间，若属于低信噪比区间,则令译码起始列表Lbegin和最大列表Lmax都为16，属于高信噪比区间区间则令Lbegin＝2，进行AD-SCL译码，若不属于这两个区间则执行步骤2。
步骤2：计算译码端输入的信道|LLR|的平均值aver_llr，与门限值exp_llr进行比较，若aver_llr>exp_llr执行步骤3，否则执行步骤4；其中门限值exp_llr为译码端|LLR|的理论期望值，对于AWGN下的BPSK系统，可由公式(1)求得；
Figure BDA0003475670620000031
步骤3：统计译码端输入的|LLR|大于μ+σ的数量count1，其中μ为|LLR|的理论均值，σ为|LLR|的理论标准差，对于AWGN信道下的BPSK调制系统，
Figure BDA0003475670620000032
的δn为信道噪声的标准差。得到count1后计算高|LLR|占比P1＝count1/N，N为极化码码长，与高|LLR|占比门限值
Figure BDA0003475670620000033
比较，若P1大于门限值
Figure BDA0003475670620000034
则令Lbegin＝2，反之令Lbegin＝4，进行AD-SCL译码。其中门限值
Figure BDA0003475670620000035
为|LLR|的概率密度函数在区间
Figure BDA0003475670620000036
的理论均值即期望值，对于AWGN下的BPSK系统，可由公式(2)求得；
Figure BDA0003475670620000037
步骤4：统计译码端输入的|LLR|小于1的数量count2，计算低|LLR|占比P2＝count2/N，与低|LLR|占比门限值
Figure BDA0003475670620000038
比较，若P2小于
Figure BDA0003475670620000039
则令Lbegin＝4，反之令Lbegin＝8，进行AD-SCL译码，其中门限值
Figure BDA00034756706200000310
为|LLR|的概率密度函数在区间(0，1)的理论均值即期望值，对于AWGN下的BPSK系统，可由公式(3)求得。
Figure BDA00034756706200000311
最后，在相同的仿真环境下，将本专利所提出的基于高低LLR占比的AD-SCL译码方法与传统AD-SCL译码方法以及传统的SCL译码方法进行仿真对比分析。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明提出的基于高低LLR占比的AD-SCL译码方法流程示意图。
图2为本发明提出的基于高低LLR占比的AD-SCL译码方法的误块率仿真图。
图3为本发明所提出的基于高低LLR占比的AD-SCL译码方法的复杂度对仿真图。
图4为本发明所提出的基于高低LLR占比的AD-SCL译码方法译码时SCL译码工作次数仿真图。
具体实施方案
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚地、完整地描述，以下给出一种基于高低LLR占比的AD-SCL译码方法的具体实现步骤。以极化码码长为8，码率为1/2，来说明本发明的具体实施方案。
(1)结合附图1说明，利用AWGN信道BPSK调制，基于高低LLR占比的AD-SCL译码方法具体实现方法如下：
首先在接收端接收到信息后
Figure BDA0003475670620000041
利用信道估计等方法判断信噪比以及噪声方差，并利用公式(4)计算相对应的信道LLR，
Figure BDA0003475670620000042
其中δn为噪声方差。
Figure BDA0003475670620000043
情况1：
若此时经估计信噪比为0.3dB，δn＝0.9661译码器接收到的信号为：
Figure BDA0003475670620000044
此时可由公式(4)求得对应的信道LLR为：
Figure BDA0003475670620000045
由于此时信噪比位0.3dB属于低信噪比区间，因此由图1可知直接令Lbegin＝16进行AD-SCL译码。
情况2：
若此时经估计信噪比为2dB，δn＝0.7943译码器接收到的信号为：
Figure BDA0003475670620000051
此时可由公式(4)求得对应的信道LLR为：
Figure BDA0003475670620000052
由于此时信噪比位2dB属于高信噪比区间，因此由图1可知直接令Lbegin＝2进行AD-SCL译码。
情况3：
若此时经估计信噪比为1dB，δn＝0.8913译码器接收到的信号为：
Figure BDA0003475670620000053
此时可由公式(4)求得对应的信道LLR为：
Figure BDA0003475670620000054
接着为了减少阈值条件计算所造成可能的译码延迟，可直接使用信噪比进行初步分段，在低信噪比下，由于信道条件较差，绝大部分译码终点在时Lmax结束，因此不需要计算两个阈值条件，直接令为Lbegin＝Lmax＝16；高信噪比下，由于信道条件较好，大部分码块在L＝2时即可完成译码，同样不需要计算两个阈值条件，直接令译码起点为Lbegin＝2。此时接收到的
Figure BDA0003475670620000055
不在两种信噪比区间，所以继续执行步骤3。
对于中间信噪比，首先利用公式(2)求得所有码块|LLR|理论均值门限averabs_llr，接着计算接收到的|LLR|均值，并判断与averabs_llr的大小。此时的输入的|LLR|的平均值exp_llr＝2.8126，此时的实际均值为aver_llr＝2.5821。
若aver_llr>exp_llr则利用count1参数统计|LLR|实际存在大于
Figure BDA0003475670620000056
的数量，若P1＝count1/N大于理论占比门限值
Figure BDA0003475670620000057
则令Lbegin＝2，反之令Lbegin＝4，进行AD-SCL译码，其中N为极化码码长。此时显然无法满足相关要求。
若aver_llr≤exp_llr则利用count2参数统计|LLR|实际存在小于1的数量，若P2＝count2/N小于
Figure BDA0003475670620000058
则令Lbegin＝4，反之令Lbegin＝8，进行AD-SCL译码。由公式(4)可知
Figure BDA0003475670620000061
此时
Figure BDA0003475670620000062
中小于1的数量为2，所以P2＝count2/N＝0.25>0.19此时使用AD-SCL,Lbegin＝8译码。
进行AD-SCL译码时首先以Lbegin为译码起点进行SCL译码，若译码通过CRC校验则视为译码成功，反之将译码列表扩大到之前的2倍重新译码，直到译码成功或译码列表达到Lmax输出最小PM值所在的路径。
(3)结合附图2、3、4说明基于高低LLR占比的AD-SCL译码方法的优越性，具体如下：
图2为基于高低LLR占比的AD-SCL译码方法在码长N＝1025、512、256，码率R＝1/2下的误码率仿真对比图，实线为本文所提出的译码方法，图3复杂度对比图，实线为本文所提出的译码方法，图4为其工作时SCL译码器工作次数仿真图，实线为本文所提出的译码方法，可以看到，在中低信噪比下，该方法在不同码长的复杂度与SCL译码器工作次数相比与AD-SCL译码方法都存在明显的下降，在0-1.5dB复杂度下降约1.527％-43.546％，译码器工作次数下降约25％-50％。

Claims (4)

1.一种基于高低对数似然比(Log Likelihood Ratio,LLR)分布的自适应串行消除列表(Adaptive Successive Cancellation List,AD-SCL)译码方法，其特征在于，根据极化码译码时的信道信噪比以及信道|LLR|的高低占比分布综合选择AD-SCL的列表大小，其具体步骤如下：
步骤1：判断信道信噪比区间，若属于低信噪比区间,则令译码起始列表Lbegin和最大列表Lmax都为16，属于高信噪比区间区间则令Lbegin＝2，进行AD-SCL译码，若不属于这两个区间则执行步骤2；
步骤2：计算译码端输入的信道|LLR|的平均值aver_llr，与门限值exp_llr进行比较，若aver_llr＞exp_llr执行步骤3，否则执行步骤4；
步骤3：统计译码端输入的|LLR|大于μ+σ的数量count1，其中μ为|LLR|分布均值，σ为|LLR|分布标准差，对于AWGN信道下的BPSK调制系统，
Figure FDA0003475670610000011
的δn为信道噪声的标准差。并计算高|LLR|占比P1＝count1/N，N为极化码码长，与高|LLR|占比门限值
Figure FDA0003475670610000012
比较，若P1大于门限值
Figure FDA0003475670610000013
则令Lbegin＝2，反之令Lbegin＝4，进行AD-SCL译码；
步骤4：统计译码端输入的|LLR|小于1的数量count2，计算低|LLR|占比P2＝count2/N，与低|LLR|占比门限值
Figure FDA0003475670610000014
比较，若P2小于
Figure FDA0003475670610000015
则令Lbegin＝4，反之令Lbegin＝8，进行AD-SCL译码。
2.根据权利要求1所述的起始列表大小计算方法，其特征在于，门限值exp_llr为译码端|LLR|的理论期望值，对于AWGN信道下的BPSK调制系统，可由公式(1)求得：
Figure FDA0003475670610000016
3.根据权利要求1所述的起始列表大小计算方法，其特征在于，门限值
Figure FDA0003475670610000017
为|LLR|的概率密度函数在区间(μ+σ，+∞)的理论均值即期望值。对于AWGN信道下的BPSK调制系统
Figure FDA0003475670610000021
这个区间变为
Figure FDA0003475670610000022
其大小可由公式(2)求得：
Figure FDA0003475670610000023
4.根据权利要求1所述的起始列表大小计算方法，其特征在于，门限值
Figure FDA0003475670610000024
为|LLR|的概率密度函数在区间(0，1)的理论均值即期望值，对于AWGN信道下的BPSK系统，可由公式(3)求得：
Figure FDA0003475670610000025
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