高性能极化码译码算法制造技术

本发明专利技术公开了一种高性能极化码译码算法。当极化码基于标准的串行抵消（SCL）译码完成后，若译码正确则直接输出译码结果。若译码失败，则启动比特翻转（bit‑flip）机制。首先通过计算得到的各信息子信道的翻转度量值，将各信息子信道的位置索引依据翻转度量值从大到小的顺序排列，选取前T个存储到翻转列表中。然后开始T次新的译码尝试，每一次都选择翻转列表中的一个信息位置(从翻转度量值最大的开始)，当SCL译码进行到所选择的信息位置时，所有路径中当前由标准SCL译码算法得到的译码比特全部被翻转，以此试图将正确译码路径恢复至候选路径中。该算法在较高信噪比时，可以在不增大译码复杂度的同时，极大地改善极化码译码性能。

High Performance Polarization Decoding Algorithms

The invention discloses a high performance polarization decoding algorithm. When the standard-based serial cancellation (SCL) decoding of polarization codes is completed, if the decoding is correct, the decoding results will be directly output. If the decoding fails, the bit flip mechanism is activated. Firstly, by calculating the flip metrics of each information subchannel, the location indexes of each information subchannel are arranged in the order of the flip metrics from large to small, and the first T are selected and stored in the flip list. Then T new decoding attempts are started. Each time, one of the information locations in the flip list is selected (starting from the maximum flip metric). When the SCL decoding proceeds to the selected information locations, all the decoding bits currently obtained by the standard SCL decoding algorithm in all the paths are flipped to try to restore the correct decoding path to the candidate path. When the SNR is high, the decoding performance of polarization codes can be greatly improved without increasing the decoding complexity.

【技术实现步骤摘要】
高性能极化码译码算法
本专利技术属于无线通信技术，特别是一种针对极化码的基于比特翻转机制的高性能译码算法。
技术介绍
极化(polar)码由ArikanErdal在2008年提出。在无限码长时，极化码采用串行抵消(SuccessiveCancellation，SC)译码算法可以达到二进制离散无记忆信道(B-DMC)容量。但是，在有限码长下SC译码算法并不能为极化码提供令人满意的译码性能。为了弥补这一缺陷，现阶段主要有两种可以提高SC译码性能的方法。一种是由I.Tal和A.Vardy于2015年5月在IEEEInformationTheory第61卷第5期2213-2226页的“Listdecodingofpolarcodes”中提出的连续消除列表(SuccessiveCancellationlist，SCL)算法，另一种是O.Afisiadis等于2014年在第48届IEEEAsilomarConferenceonSignals会议上提出的基于比特翻转(bit-flip)的SC译码算法(SCFlip)。与SC译码算法不同，SCL算法保留多条译码结果(又称译码路径)，在译每一个信息比特时，可以同时考虑所有译码路径等于0和1的可能性，为了限制译码复杂度，在每个信息比特位置仅最多总共保留L条最可靠的路径。路径的可靠度，采用文中给出的路径可靠度量值近似估计。由于路径可靠度量值并不总是准确，I.Tal和A.Vardy发现，如果用一个循环冗余校验(CRC)与极化码级联，则可以加强最终译码路径选择的准确性，从而大幅提高了极化码性能。正是这一译码方式，使得极化码入选了5GeMbb场景下，控制信道的编码方式。但是，该译码算法同样存在缺陷，主要是译码复杂度较高、时延大、存储空间开销大等等。SCFlip则是一种既可以提升SC译码性能，又能不像SCL需要很大存储空间和译码复杂度的译码算法。他的核心思想为当一次标准的SC译码算法失败后，则利用译码结果寻找到该错误帧中的第一个出错比特，并在新的一次译码尝试中，翻转寻找到的这个比特的硬判决值。根据统计结果显示，如果能准确寻找到该错误帧中的第一个出错比特，则90％的错误帧可以通过此算法得以纠正，从而大幅提高译码性能。实际上，比特翻转算法为标准译码器在出错条件下提供了一种译码性能和复杂度可调节的折衷。通过T次译码尝试，去寻找第一个出错的位置，以提高性能。T越大，则重新译码正确的可能性就越大，但是复杂度也随之上升。在SC译码中，比特翻转机制已经得以很好地利用。但是，尚未应用于SCL译码算法中，这是因为，SC的翻转准则(即利用最终译码结果寻找第一个出错比特)无法直接运用到SCL中以提供良好的译码性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高性能极化码译码方法。该方法具有计算复杂度低和检测误码率低的优点。可以作为极化码译码技术迈向商业化应用的重要参考资料。实现本专利技术目的的技术方案为：一种高性能极化码译码方法，步骤如下：第一步，对K个信息比特进行CRC编码，而后对所得到的码字进行极化码编码。极化码码字序列的编码过程为：其中，G为极化码的生成矩阵，为极化核矩阵，为克罗奈克积，是极化编码的输入序列，其中包含K个信息比特、r个CRC校验比特和N-K-r个冻结比特。用来传输信息比特的极化子信道的位置(又称为索引)集合表示为而其余位置不属于的子信道则用来传输冻结比特。调制方式为BPSK。第二步，在接收端，接收信道数据序列为其中为高斯白噪声序列，假设信道噪声方差σ已知，可求得信道对数似然比(LLR)序列Y为:接收端采用现有的标准串行抵消列表(SCL)译码器进行译码试图恢复发送序列。将Y作为译码的输入，译码列表空间大小为L；当每一个信息比特译码完成后，立即计算当前位置的翻转度量值，直至最后译码结束；第三步，对SCL译码结果进行CRC检测，如果有译码路径可以通过CRC，则选择能够通过CRC中最可靠的路径作为译码输出。如果没有路径可以通过CRC，则启动比特翻转机制，即进行T次重新译码尝试，每次译码尝试中，确定正确路径最有可能被删除出候选路径列表的位置i，翻转全部路径在位置i的由标准SCL译码所得到的译码比特。其余比特仍采用标准SCL译码方法。每次新的译码尝试完成后，将所得到的新的L条译码结果进行CRC检测。重译过程直到有路径能通过CRC检测或者达到最大重译次数T为止。如果有译码路径能通过CRC检测，则挑选过检路径中最可靠的路径作为译码输出，如果没有，则选择原始SCL译码中最可靠的路径作为译码输出。本专利技术与现有的基于极化码的标准SCL译码方法相比，其显著优点为：(1)有效地提升了译码性能。当标准SCL译码错误后，通过T次译码尝试，可以以较大概率将正确路径在候选路径中恢复。并且由于其余L-1条干扰路径也参与比特翻转，故均受到额外的路径可靠度量值惩罚，进一步保证了正确译码路径被保留至最后输出。(2)几乎无复杂度增加。在高信噪比下，本方法下的平均译码复杂度相比标准SCL译码器几乎没有提升。附图说明图1是采用本专利技术中公开的译码算法与标准SCL译码算法性能在不同码长下的对比示意图。(a)是L＝8下的SCLFlip译码算法同基于CRC辅助下的标准SCL译码算法性能比较，码长为256，码率为0.5；(b)是L＝8下的SCLFlip译码算法同基于CRC辅助下的标准SCL译码算法性能比较，码长为1024，码率为0.5。图2是采用本专利技术中公开的译码算法与标准SCL译码算法的平均复杂度对比示意图。具体实施方式下面对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术为一种高性能极化码译码方法。首先对信息序列进行CRC编码、极化编码和调制后得到发送信号。接收端采用基于比特翻转下的串行抵消译码算法(bit-flipbasedSCL,SCLFlip)。该方法包含两个部分，首先由标准SCL译码算法进行译码，译码结果由CRC进行检测，如果有译码路径可以通过CRC检测，则用可通过CRC检测且最可靠的译码路径作为译码结果。如果无译码路径通过CRC检测，则立即启动比特翻转机制：即寻找到正确路径掉出候选路径的位置，将此位置的所有路径的当前由标准SCL译码得到的译码比特进行翻转，从而将正确路径在候选路径中恢复。其余信息比特仍采用标准SCL算法译码。本专利技术为基于极化码的比特翻转串行抵消译码算法，其具体实施步骤如下：第一步，对K个信息比特进行CRC编码，而后对所得到的码字进行极化码编码。极化码码字序列的编码过程为：其中，G为极化码的生成矩阵，为极化核矩阵，为克罗奈克积，是极化编码的输入序列，其中包含K个信息比特、r个CRC校验比特和N-K-r个冻结比特。用来传输信息比特和CRC校验比特的极化子信道的位置(又称索引)集合表示为而其余位置不属于的子信道则用来传输冻结比特。调制方式为BPSK。第二步，在接收端，接收信道数据序列为其中n为高斯白噪声，假设信道噪声方差σ已知，可求得信道对数似然比(LLR)序列Y为:接收端采用现有的标准串行抵消列表(SCL)译码器进行译码试图恢复发送序列。将Y作为译码的输入，译码列表空间大小为L。当每一个信息比特译码完成后，立即计算当前位置的翻转度量值，直至最后译码结束。标准SCL译码算法表示为SCL(0)，在译码过程中译码器保留了L个最可靠的译码路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高性能极化码译码算法，其特征在于步骤如下：第一步，对K个信息比特进行CRC编码，对所得到的码字进行极化码编码；极化码码字序列

【技术特征摘要】
1.一种高性能极化码译码算法，其特征在于步骤如下：第一步，对K个信息比特进行CRC编码，对所得到的码字进行极化码编码；极化码码字序列的编码过程为：其中，G为极化码的生成矩阵，为极化核矩阵，为克罗奈克积，是极化编码的输入序列，其中包含K个信息比特、r个CRC校验比特和N-K-r个冻结比特；用来传输信息比特和CRC校验比特的极化子信道的位置集合表示为而其余位置不属于的子信道则用来传输冻结比特；调制方式为BPSK；第二步，在接收端，接收信道数据序列为其中为高斯白噪声序列，假设信道噪声方差σ已知，求得信道对数似然比LLR序列Y为:接收端采用现有的标准串行抵消列表SCL译码器进行译码；将Y作为译码的输入，译码列表空间大小为L；当每一个信息比特译码完成后，立即计算当前位置的翻转度量值，直至最后译码结束；第三步，对SCL译码结果进行CRC检测，如果有译码路径可以通过CRC，则选择能够通过CRC中最可靠的路径作为译码输出；如果没有路径可以通过CRC，则启动比特翻转机制，即进行T次重新译码尝试，每次译码尝试中，先确定正确译码路径最有可能在哪个子信道位置被删除出L个候选路径，然后翻转全部路径在该位置的译码比特，其余比特仍采用标准SCL译码方法；每次译码尝试完成后，对所得到的新的L条译码结果进行CRC检测；重译过程直到有路径能通过CRC检测或者重译次数达到最大数目T为止；如果有译码路径能通过CRC检测，则挑选其中最可靠的路径作为译码输出，如果没有，则选择原始SCL译码中最可靠的路径作为译码输出。2.根据权利要求1所述的高性能极化码译码算法，其特征在于：第二步中的标准SCL译码算法表示为SCL(0)，用和分别表示SCL(0)在译第个比特时，被保留下的和被删除的包含L条译码路径的路径列表；其中和分别表示为在列表中和中的第l条译码路径，l∈{1,2,...,L}；同时，将和各自的路径可靠度量值分别表示为和定义更为一般性地译码向量：即N＞j＞k，为在译第j个比特时，译码列表中第l个译码路径的前k个比特所组成的向量；的路径可靠度量值表示为和中的2L条路径依据它们各自的可靠度量值排列，并且满足：的更新公式为：其中，为比特在...

【专利技术属性】
技术研发人员：成风毅，刘爱军，张应宪，任敬，张青双，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32