CN114614835A - 一种适用于水声通信的极化码bp译码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于水声通信的极化码BP译码方法。现有的极化码译码方法中，BP译码方法相较于SC译码方法有着更低的译码延时，适用于水声通信。本发明考虑了水声通信信道的多径效应，提出一种基于信息后处理的极化码BP译码方法，首先在迭代过程中采用基于振荡修正的信息后处理方法对振荡错误进行软信息修正。然后，当达到最大迭代次数且未通过早期终止机制时，利用每次迭代得到的软信息选择最可靠比特和最不可靠比特，采用基于比特翻转的信息后处理方法更新比特先验信息，重新执行BP译码。本发明针对水声通信场景，改进极化码的BP译码算法，以复杂度有限增加为条件，提升水声通信信道下极化码的性能。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种适用于水声通信的极化码置信传播(BeliefPropagation，BP)译码方法，具体是对水声通信信道下的极化码BP译码方法进行优化，提高译码性能。
背景技术
海洋资源已经成为促进国家经济、军事发展的重要战略资源，而水下通信技术是海洋资源开发技术的关键。传统的陆地通信一般采用电磁波作为信息的载体，但是无线电在水下衰减严重、光波在水下存在严重的散射，它们都无法进行长距离通信，不适合作为水下通信的信息载体。因此在水下通信中，常采用声波作为信息的载体进行远距离通信。然而，水声通信信道多径严重、带宽受限、信号衰减严重，如何保证通信的可靠性成为了水声通信中需要考虑的问题。
信道编码是一种纠错技术，可以增强信号的抗干扰能力，是实现水声通信可靠传输的关键技术之一。早期的水声通信中使用BCH码、卷积码等传统编码方法，但是这些都不是信道容量可达码。近年来，低密度奇偶校验(Low Density Parity Check,LDPC)码和Turbo码凭借其逼近香农限的优良性能，被广泛应用于水声通信中。2009年，Arikan在论文“Channel Polarization:A Method for Constructing Capacity Achieving Codes forSymmetric Binary-Input Memoryless Channels[J].IEEE Transactions onInformation Theory,2009,vol.55,no.7,pp.3051-3073”中首次提出了信道极化定理，并给出了极化码的编译码算法。极化码作为第一种理论上严格证明能达到二进制离散无记忆信道容量的码字，凭借其较低的编译码复杂度，得到了业界的广泛关注。
目前将极化码应用于水声通信的研究刚起步。因为极化码具有结构性，编码算法固定，因此译码算法成为了适用于水声通信中的极化码主要的研究方向之一。申请号为202110814480.5的专利中将极化码和均衡器应用到水声通信中，采用串行抵消列表串行抵消列表(Successive Cancellation List,SCL)译码算法和自适应均衡算法提高通信系统的性能，其局限性在于没有针对水声通信信道对极化码的译码算法进行优化。
由于水声通信信道带宽有限，采用的信道编码的码字不宜过长。极化码的串行抵消(Successive Cancellation,SC)译码算法的译码延时高，同时因其采用串行译码结构，在有限码长下存在错误传播问题，会出现明显的性能退化；SCL译码算法虽然可以明显改善译码性能，但算法复杂度急剧增加。极化码BP译码算法是一种软信息传递的迭代译码算法，其可并行结构使译码延时较低，适用于水声通信。但是极化码的固有结构使得因子图中存在较多环，同时多径效应会使因子图中产生新的环路，现有的极化码BP译码算法在水声通信信道下性能不佳。
发明内容
本发明的目的是针对水声通信场景，改进极化码的BP译码算法，提出一种基于信息后处理的极化码BP译码方法，以提高极化码的BP译码算法在水声信道下的性能。
本发明方法具体步骤是：
步骤(1)基于射线理论和波束追踪模型，建立水声信道传输函数：水声信道近似由线性时不变有限冲激响应滤波器表示，其冲激响应z变换为
其中M为多径数量，Am为第m条多径的归一化幅度，τm为第m条多径相对于第1条多径的相对时延，m＝1,2,…,M；
所述的射线理论将声波的传播近似为沿着从声源到接收点的特定空间路径行进的射线；波束在射线基础上添加了垂直于射线轨迹的强度分布(如高斯分布)，可以更准确地计算空间内给定点的声强；假设声速和折射率不随水平方向变化，仅与海水深度有关；假设声源和接收点的位置静止不变；通过设置海洋环境参数，即可通过波束追踪模型得到水声信道真实的冲激响应。
步骤(2)信息初始化：
发送端构造码长N、信息比特长度K、信息比特集合
冻结比特集合
的极化码，其承载消息的信息序列U＝[u0,u1,…,uN-1]包含K个信息比特和N-K个冻结比特，冻结比特默认为0，极化编码后得到码字序列X＝[x0,x1,…,xN-1]。
接收端接收到经过水声信道传输的接收序列Y＝[y0,y1,…,yN-1]后，计算接收对数似然比LLR＝{llrn}，n＝0,1,…,N-1，N为码长；设置最大迭代次数itermax、最大翻转次数flipmax和先验值α，α＞0；初始化迭代次数和翻转次数，即iter＝0，flip＝0；
初始化从右向左传递矩阵L和从左向右传递矩阵R，其中L和R均为N×(t+1)矩阵，t＝log2N，接收对数似然比LLR(Log Likelihood Ratio)作为因子图最右侧的输入数据
信息比特和冻结比特的先验信息作为因子图最左侧的数据
步骤(3)软信息迭代更新：
通过下式对因子图每个节点先从右向左更新，
表示第iter次迭代过程中为位于因子图(i,j)节点处从右向左传递的信息，即左信息；然后从左向右更新，
表示第iter次迭代过程中为位于因子图(i,j)节点处从左向右传递的信息，即右信息；
其中，函数
近似
步骤(4)判断是否出现振荡错误：若存在振荡错误，执行基于振荡修正的信息后处理方法，如果信息比特n是振荡错误比特，将信息比特n的左信息置零
如不存在振荡错误，执行步骤(5)；
振荡错误的判断准则为：
信息比特n的硬判决值
的符号在振荡周期T内不断翻转，即满足
则认为信息比特n是振荡错误比特。
步骤(5)判断是否满足早期终止机制，如果满足，执行步骤(7)；
如果不满足，迭代次数加1，即iter＝iter+1，若迭代次数iter＜itermax，继续下一次迭代，执行步骤(3)；若迭代次数iter＝itermax，译码失败，执行步骤(6)；
早期终止机制如下：
a.每一次迭代结束后都进行信息序列
和码字序列
的判决；即
b.判断
是否成立，矩阵
如果成立，则判断为译码成功，结束迭代。
步骤(6)执行基于比特翻转的信息后处理；翻转次数加1，即flip＝flip+1，若翻转次数flip＜flipmax，更新最大迭代次数，即itermax＝iterflip，执行步骤(3)；若翻转次数flip＝flipmax，执行步骤(7)；
基于比特翻转的信息后处理方法如下：
(6-1)信息比特n每一次迭代结束后的LLR值进行求和，
计算绝对值的均值
并升序排列；
(6-2)取均值最小的比特作为最不可靠比特，根据其最终判决值的符号
进行比特翻转，即根据预设先验值α，最不可靠比特的先验信息更新为
(6-3)取均值最大的比特作为最可靠比特，根据其最终判决值的符号
进行比特赋值，即根据预设先验值α，最可靠比特的先验信息更新为
(6-4)根据更新后的先验信息R重新进行BP译码。
步骤(7)输出译码结果
本发明考虑了水声通信信道的多径效应，针对因多径而产生的环路使现有极化码BP译码算法性能退化的问题，提出了一种适用于水声通信的极化码BP译码方法。本发明增加了信息后处理的过程，在中高信噪比区域可以提升水声通信信道下极化码的性能，同时所需额外的译码时延可以忽略不记。现有的水声通信中极化码的译码算法并没有针对水声通信信道进行优化。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为码长N＝8的极化码因子图；
图3为图2因子图中基本计算单元的示意图；
图4为水声通信中极化码采用现有的BP译码算法、基于信息后处理的BP译码算法、SC译码算法和SCL译码算法(列表长度为4)的误块率比较图；
图5为水声通信中极化码采用现有的BP译码算法、基于信息后处理的BP译码算法的迭代次数比较图。
具体实施方式
以下结合附图并举实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提出了一种适用于水声通信的极化码BP译码算法，其流程图如图1所示，以码长N＝8的极化码为例，具体通过以下步骤实现：
步骤(1)根据波束追踪模型得到水声信道传输函数为
H(z)＝1.3559+0.3582z-5+0.3446z-10+0.3247z-16+0.3186z-29+0.2937z-44+0.2792z-57+0.2617z-78+0.2334z-101。
步骤(2)初始化迭代次数和翻转次数，即iter＝0，flip＝0，设置最大迭代次数itermax＝50、最大翻转次数flipmax＝10和先验值α＝10；
发送端构造码长N＝8、信息比特长度K＝4、信息比特集合
冻结比特集合
的极化码，其消息序列为U＝[0,0,0,1,0,1,1,1]，极化编码后的码字序列为X＝[0,1,1,0,1,0,0,1]。初始化从右向左传递矩阵L和从左向右传递矩阵R，其中L和R均为8×4矩阵，接收端接收到经过水声信道传输的接收序列Y＝[y0,y1,…,y7]后，计算接收对数似然比LLR＝{llrn}，n＝0,1,…,7作为因子图最右侧的输入数据
信息比特和冻结比特的先验LLR作为因子图最左侧的数据
步骤(3)软信息迭代更新：
极化码的BP译码算是基于因子图表示的，码长为N的极化码由t＝log2N级的因子图表示，包含N×(t+1)个节点，节点(i,j)包含从右向左传递的LLR值Li,j和从左向右传递的外部输入软信息Ri,j。结合图2所示的码长N＝8的极化码因子图，其基本计算单元如图3所示。
具体地，通过下式对因子图每个节点先从右向左更新，
表示第iter次迭代过程中为位于因子图(i,j)节点处从右向左传递的信息，即左信息；然后从左向右更新，
表示第iter次迭代过程中为位于因子图(i,j)节点处从左向右传递的信息，即右信息；
其中，函数
近似
步骤(4)判断是否出现振荡错误，若存在振荡错误，执行基于振荡修正的信息后处理方法；
假设信息比特n＝5从第10次迭代开始发生振荡，即
则第14次迭代开始之前将比特n＝5的左信息置零
步骤(5)判断是否满足早期终止机制，如果不满足，迭代次数加1，即iter＝iter+1，若迭代次数iter＜50，继续下一次迭代，执行步骤(3)；若iter＝50，译码失败，执行步骤(6)；
假设第20次迭代完成后信息序列判决为
码字比特判决为
此时
满足
迭代结束，iter＝20，转到步骤(7)，输出译码结果
步骤(6)执行基于比特翻转的信息后处理；翻转次数加1，即flip＝flip+1，若翻转次数flip＜10，更新最大迭代次数，即itermax＝30，执行步骤(3)；若翻转次数flip＝10，执行步骤(7)。
基于比特翻转的信息后处理方法如下：
(6-1)统计信息比特n,n∈{3,5,6,7}每一次迭代输出的LLR值之和并取绝对值的均值，即计算
并升序排序；
(6-2)取均值最小的比特作为最不可靠比特，假设为比特n＝5,根据比特n＝5最终的判决符号进行比特翻转，更新初始先验信息，
(6-3)取均值最大的比特作为最可靠比特，假设为比特n＝7,根据比特n＝7最终的判决符号进行比特赋值，更新初始先验信息，
(6-4)假设L5,0+R5,0≥0，L7,0+R7,0≥0，此时初始R矩阵变为
重新执行(3)。
步骤(7)输出最终的译码结果
如图4所示的水声通信中极化码采用现有的BP译码算法、基于信息后处理的BP译码算法、SC译码算法和SCL译码算法(列表长度为4)的误块率比较结果，码长N＝256，码率R＝1/2，可以看到在水声信道环境下，相比于现有的极化码BP译码算法，基于信息后处理的极化码BP译码算法在中高信噪比区域存在1dB左右的性能提升，同时基于信息后处理的极化码BP译码算法也可以获得接近SCL译码算法(列表长度为4)的性能。
如图5所示的水声通信中极化码采用现有的BP译码算法、基于信息后处理的BP译码算法迭代次数比较结果，迭代次数可以等效为译码时延，迭代次数越多译码时延越大，可以看到基于信息后处理的极化码BP译码算法在中高信噪比区域所需额外的译码时延可以忽略不记。
上述对实施例的描述仅仅是对本发明实现形式的列举，本发明的保护范围不应限于实施例所述的具体形式，本领域技术人员根据本发明的揭示对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种适用于水声通信的极化码BP译码方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)建立水声信道传输函数：水声信道近似由线性时不变有限冲激响应滤波器表示，其冲激响应z变换为
其中M为多径数量，Am为第m条多径的归一化幅度，τm为第m条多径相对于第1条多径的相对时延，m＝1,2,…,M；
步骤(2)信息初始化：
发送端构造码长N、信息比特长度K、信息比特集合
冻结比特集合
的极化码，其承载消息的信息序列U＝[u0,u1,…,uN-1]包含K个信息比特以及N-K个冻结比特，冻结比特默认为0，极化编码后得到码字序列X＝[x0,x1,…,xN-1]；接收端接收到经过水声信道传输的接收序列Y＝[y0,y1,…,yN-1]后，计算接收对数似然比LLR＝{llrn}，n＝0,1,…,N-1，N为码长；设置最大迭代次数itermax、最大翻转次数flipmax和先验值α，α＞0；初始化迭代次数和翻转次数，即iter＝0，flip＝0；
初始化从右向左传递矩阵L和从左向右传递矩阵R，其中L和R均为N×(t+1)矩阵，t＝log2 N，接收对数似然比LLR作为因子图最右侧的输入数据
信息比特和冻结比特的先验信息作为因子图最左侧的数据
步骤(3)软信息迭代更新：
通过下式对因子图每个节点先从右向左更新，
表示第iter次迭代过程中为位于因子图(i,j)节点处从右向左传递的信息，即左信息；然后从左向右更新，
表示第iter次迭代过程中为位于因子图(i,j)节点处从左向右传递的信息，即右信息；
其中，函数
近似
步骤(4)判断是否出现振荡错误：若存在振荡错误，执行基于振荡修正的信息后处理方法，若信息比特n是振荡错误比特，将信息比特n的左信息置零
如不存在振荡错误，执行步骤(5)；
步骤(5)判断是否满足早期终止机制，如果满足，执行步骤(7)；
如果不满足，迭代次数加1，即iter＝iter+1，若迭代次数iter＜itermax，继续下一次迭代，执行步骤(3)；若迭代次数iter＝itermax，译码失败，执行步骤(6)；
步骤(6)执行基于比特翻转的信息后处理；翻转次数加1，即flip＝flip+1，若翻转次数flip＜flipmax，更新最大迭代次数，即itermax＝iterflip，执行步骤(3)；若翻转次数flip＝flipmax，执行步骤(7)；
步骤(7)输出译码结果
2.如权利要求1所述的一种适用于水声通信的极化码BP译码方法，其特征在于：所述的射线理论将声波的传播近似为沿着从声源到接收点的特定空间路径行进的射线；波束在射线基础上添加了垂直于射线轨迹的强度分布，更准确地计算空间内给定点的声强；假设声速和折射率不随水平方向变化，仅与海水深度有关；假设声源和接收点的位置静止不变；通过设置海洋环境参数，即可通过波束追踪模型得到水声信道真实的冲激响应。
3.如权利要求1所述的一种适用于水声通信的极化码BP译码方法，其特征在于，步骤(4)中振荡错误的判断准则为：信息比特n的硬判决值
的符号在振荡周期T内不断翻转，即满足
则认为信息比特n是振荡错误比特。
4.如权利要求1所述的一种适用于水声通信的极化码BP译码方法，其特征在于，步骤(5)中的早期终止机制如下：
a.每一次迭代结束后都进行信息序列
和码字序列
的判决；即
b.判断
是否成立，矩阵
如果成立，则判断为译码成功，结束迭代。
5.如权利要求1所述的一种适用于水声通信的极化码BP译码方法，其特征在于，步骤(6)中基于比特翻转的信息后处理方法如下：
(6-1)信息比特n每一次迭代结束后的LLR值进行求和，
计算绝对值的均值
并升序排列；
(6-2)取均值最小的比特作为最不可靠比特，根据其最终判决值的符号
进行比特翻转，即根据预设先验值α，最不可靠比特的先验信息更新为
(6-3)取均值最大的比特作为最可靠比特，根据其最终判决值的符号
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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