一种基于极化码的级联纠错编译码方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于极化码的级联纠错编译码方法，属于纠错编译码技术领域。该方法在发送端，外编码器首先对插入了固定比特的信息序列进行编码，得到外码码字；外码码字作为极化码编码器的输入序列，进行极化码编码，并得到级联码码字；接收端译码器采用联合的SCL译码算法进行译码。同时本发明专利技术还公开了一种基于极化码的级联纠错编译码系统。本发明专利技术技术方案提供的编码方法的误帧率性能显著超越采用SCL译码算法或者CRC‑aided SCL译码算法下的极化码误帧率性能；且本发明专利技术的外编码器存储复杂度、运算复杂度极低，编码简单；本发明专利技术采用的联合的SCL译码算法相对于原始SCL译码算法以及CRC‑aided SCL译码算法无译码复杂度的提升，有利于工程实现。

Cascaded error correction coding and decoding method and system based on polarization code

The invention discloses a cascaded error correction coding and decoding method based on polarization codes, belonging to the technical field of error correction coding and decoding. The method in the transmitter, the outer encoder encoding the first inserted sequence information bit, get foreign codes; outside the code sequence as the input polarization encoder, polarization encoding, and cascade codes; receiver decoder using SCL decoding algorithm for joint decoding. The invention also discloses a concatenated error correcting coding and decoding system based on polarization codes. Fer performance encoding method provides the technical scheme of the invention significantly beyond the use of polarization code frame error rate performance of decoding algorithm of SCL or CRC aided SCL decoding algorithms; and the invention of the outer encoder storage complexity, computational complexity is very low, simple encoding; joint SCL decoding algorithm is adopted in the invention compared to the original SCL decoding algorithm and CRC aided SCL decoding algorithm without decoding complexity increase, is conducive to the realization of the project.

【技术实现步骤摘要】
一种基于极化码的级联纠错编译码方法和系统
本专利技术属于纠错编译码
，更具体地，涉及一种基于极化码的级联纠错编译码方法和系统。
技术介绍
极化编码作为一种新型的接近香农限的编码方案，其编译码算法的复杂度较低，有利于工程实现；仿真结果表明极化码SCL(SuccessiveCancellationList，连续消除列表)译码算法在较低复杂度O(L·Nlog(N))(L为路径数量，N为码长)下，纠错能力可以达到最大似然译码器的纠错能力。但是对于采用SCL译码算法的中短码长非级联极化码，其纠错性能仍然与香农极限存在较大差距，并且这个差距无法单独从增大路径数量进行弥补。传统的极化码级联方法中，级联LDPC(Low-DensityParity-Check，低密度奇偶校验)码由于得到的级联码的特性不适合SCL译码算法，相对于采用SCL译码算法的极化码而言，其纠错性能无明显提升；级联CRC(CyclicalRedundancyCheck，循环冗余校验)码不仅需要额外的CRC校验电路，会带来一定的硬件开销，另外纠错性能也有限；因此，这些传统方案均在某种程度上限制了极化码的工程应用。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于极化码的级联纠错编译码方法和系统，其目的在于仅采用少数逻辑门电路和移位寄存器实现的简单有效的外编码器，以较低的外码编码复杂度，来提升极化码在SCL译码算法下的纠错性能，由此解决传统的极化码级联方法中，采用SCL译码算法或者CRC-aidedSCL译码算法下的纠错性能有限或硬件设计复杂的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于极化码的级联纠错编译码方法，该方法包括以下步骤：(1)信息序列预处理步骤：通过对信息序列插入固定的比特序列，即接收端已知的全0、全1或者其他固定的0和1序列，获得外编码器的输入序列；(2)外编码器编码步骤：通过对外编码器的输入序列进行编码，获得外码码字，外编码器的码率为1；(3)外码码字映射步骤：通过将所述外码码字的第一个比特至最后一个比特依次映射为极化码编码器的输入序列的第一个至最后一个比特；(4)内编码器编码步骤：通过对所述极化码编码器的输入序列进行极化码编码，获得级联码码字；(5)译码步骤：采用联合的SCL译码算法进行译码，将外编码器输入序列与极化码输入序列进行联合判决，最终从外编码器输入序列的判决结果中得到信息序列的判决结果。上述编译码方法，外编码器的码率为1是指，外编码器对一个输入比特序列进行编码时，输出码字的比特数量与输入序列的比特数量相等。上述编译码方法，其步骤(1)信息序列预处理中，预处理得到的外编码器输入序列的子序列sA为信息序列，即子序列为插入的固定序列；其中，N为极化码码长，M为信息序列长度，为1×N行向量，sA＝{si|i∈A}，集合A为外编码器输入序列中信息比特位置序号集合，集合Ac为外编码器输入序列中固定比特位置序号集合，Ac＝{1,2,3,...,N}\A；{1,2,3,...,N}\A是指求集合{1,2,3,...,N}和A的差，也即进一步地，所述步骤(2)中外编码器编码步骤过程具体为：外编码器编码方程为其中，外码码字和输入序列均为1×N行向量，G为外编码器生成矩阵，中任意一个比特ui(1≤i≤N)都只与中的子序列有关；生成矩阵G的特征为上三角矩阵，并且对于任意i∈A，该矩阵的元素gi,i等于1，其中，gi,i表示矩阵G的第i行第i列元素，集合A为外编码器的输入序列中信息比特位置序号集合进一步地，所述外编码器为系统码编码器或非系统码编码器：为系统码编码器时，外编码器生成矩阵G的特征为，对于任意i∈A，该矩阵第i列的元素中仅gi,i等于1，第i列其它元素为0；为非系统码编码器时，外编码器生成矩阵G的特征为，存在i∈A，第i列的前i-1个元素gj,i(1≤j<i)中至少有1个元素为1，其中，gj,i表示矩阵G的第j行第i列的元素。进一步地，所述外编码器采用类系统循环码、类非系统循环码、系统递归卷积码、非系统递归卷积码、系统非递归卷积码或非系统非递归卷积码。进一步地，所述外编码器采用类系统循环码的编码流程具体为：Step1、判断i是否小于等于N；若是，进入Step2；若否，则进入Step6；其中，i的初始值为1，取值为1到N之间的正整数；Step2、外编码器输入比特si；判断当前i是否属于集合A；若是，进入Step3；若否，则进入Step4；其中集合A为外编码器输入序列中信息比特的位置序号集合。Step3、开关E(1)连接C(1)端点，输出比特ui＝si，i＝i+1，进入Step5；Step4、开关E(1)连接B(1)端点，输出比特进入Step5；Step5、更新r个移位寄存器的存储值，为更新前的取值，返回Step1；Step6、完成外编码器码字的输出，同时对r个移位寄存器进行清0操作。进一步地，所述外编码器采用类非系统循环码的编码流程具体为：外编码器编码时，开关E(1)一直连接B(1)端，当完成外编码器码字的输出后，r个移位寄存器需要进行清0操作。进一步地，所述外编码器采用系统递归卷积码的编码流程具体为：Step1、判断i是否小于等于N；若是，进入Step2；若否，则进入Step6；其中，i的初始值为1，取值为1到N之间的正整数；Step2、外编码器输入比特si；判断当前i是否属于集合A；若是，进入Step3；若否，则进入Step4；其中集合A为外编码器输入序列中信息比特的位置序号集合。Step3、开关E(2)连接C(2)端点，输出比特ui＝si，i＝i+1，进入Step5；Step4、开关E(2)连接B(2)端点，输出比特进入Step5；Step5、更新r个移位寄存器的存储值，为更新前的取值，返回Step1；Step6、完成外编码器码字的输出，同时对r个移位寄存器进行清0操作。进一步地，所述外编码器采用非系统递归卷积码的编码流程具体为：外编码器编码时，开关E(2)一直连接B(2)端，当完成外编码器码字的输出后，r个移位寄存器需要进行清0操作。进一步地，所述外编码器采用系统非递归卷积码的编码流程具体为：Step1、判断i是否小于等于N；若是，进入Step2；若否，则进入Step6；其中，i的初始值为1，取值为1到N之间的正整数；Step2、外编码器输入比特si；判断当前i是否属于集合A；若是，进入Step3；若否，则进入Step4；其中集合A为外编码器输入序列中信息比特的位置序号集合。Step3、开关E(3)连接C(3)端点，输出比特ui＝si，i＝i+1，进入Step5；Step4、开关E(3)连接B(3)端点，输出比特进入Step5；Step5、更新r个移位寄存器的存储值，为更新前的取值，返回Step1；Step6、完成外编码器码字的输出，同时对r个移位寄存器进行清0操作。进一步地，所述外编码器采用非系统非递归卷积码的编码流程具体为：外编码器编码时，开关E(3)一直连接B(3)端，当完成外编码器码字的输出后，r个移位寄存器需要进行清0操作。进一步地，所述步骤(5)包括以下子步骤：(51)判断i是否小于等于N；若是，进入步骤(52)，若否，则进入步骤(55)；其中，N是指极化码码长，i本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于极化码的级联纠错编译码方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)信息序列预处理步骤：通过对信息序列插入固定的比特序列，获得外编码器的输入序列；(2)外编码器编码步骤：通过对外编码器的输入序列进行编码，获得外码码字，外编码器的码率为1；(3)外码码字映射步骤：通过将所述外码码字的第一个比特至最后一个比特依次映射为极化码编码器的输入序列的第一个至最后一个比特；(4)内编码器编码步骤：通过对所述极化码编码器的输入序列进行极化码编码，获得级联码码字；(5)译码步骤：采用联合的SCL译码算法进行译码，将外编码器输入序列与极化码输入序列进行联合判决，最终从外编码器输入序列的判决结果中得到信息序列的判决结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于极化码的级联纠错编译码方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)信息序列预处理步骤：通过对信息序列插入固定的比特序列，获得外编码器的输入序列；(2)外编码器编码步骤：通过对外编码器的输入序列进行编码，获得外码码字，外编码器的码率为1；(3)外码码字映射步骤：通过将所述外码码字的第一个比特至最后一个比特依次映射为极化码编码器的输入序列的第一个至最后一个比特；(4)内编码器编码步骤：通过对所述极化码编码器的输入序列进行极化码编码，获得级联码码字；(5)译码步骤：采用联合的SCL译码算法进行译码，将外编码器输入序列与极化码输入序列进行联合判决，最终从外编码器输入序列的判决结果中得到信息序列的判决结果。2.根据权利要求1所述的一种基于极化码的级联纠错编译码方法，其特征在于，所述步骤(2)中外编码器编码步骤过程具体为：外编码器编码方程为其中，外码码字和输入序列均为1×N行向量，G为外编码器生成矩阵，中任意一个比特ui(1≤i≤N)都只与中的子序列有关；生成矩阵G的特征为上三角矩阵，并且对于任意i∈A，该矩阵的元素gi,i等于1，其中，gi,i表示矩阵G的第i行第i列元素，集合A为外编码器的输入序列中信息比特位置序号集合3.根据权利要求1或2所述的一种基于极化码的级联纠错编译码方法，其特征在于，所述外编码器为系统码编码器或非系统码编码器：为系统码编码器时，外编码器生成矩阵G的特征为，对于任意i∈A，该矩阵第i列的元素中仅gi,i等于1，第i列其它元素为0；为非系统码编码器时，外编码器生成矩阵G的特征为，存在i∈A，第i列的前i-1个元素gj,i(1≤j＜i)中至少有1个元素为1，其中，gj,i表示矩阵G的第j行第i列的元素。4.根据权利要求1或2所述的一种基于极化码的级联纠错编译码方法，其特征在于，所述外编码器采用类系统循环码、类非系统循环码、系统递归卷积码、非系统递归卷积码、系统非递归卷积码或非系统非递归卷积码。5.根据权利要求1或2所述的一种基于极化码的级联纠错编译码方法，该译码方法中外编码器输入序列与极化码输入序列进行联合判决，其特征在于，所述步骤(5)包括以下子步骤：(51)判断i是否小于等于N；若是，进入步骤(52)，若否，则进入步骤(55)；其中，N是指极化码码长，i是指当前译码第i个比特ui的索引序号，其初始值为1，取值从1到N的正整数；(52)判断i是否属于集合A，若否，进入步骤(53)；若是，则进入步骤(54)；其中，集合A为外编码器的输入序列中信息比特位置序号集合；(53)将当前每条路径上外编码器的输入序列中的固定比特si判决值设为已知的固定比特；将当前每条路径上极化码编码器的输入序列中比特ui的判决值设为并令i＝i+1，返回步骤(51)；其中为外编码器输入序列的第j个比特sj的判决值；gj,i表示矩阵G的第j行第i列的元素；(54)首先，统计当前路径数量L′，通过将当前每条路径在ui处取值0或1获得2L′条备选路径；并判断是否满足2L′≤L，若是，保留2L′条路径；若否，则保留L条度量值最大的路径，从而得到每条路径中ui的判决值其次，根据判决每条路径上外编码器的输入序列中信息比特si，si的判决值为最后，令i＝i+1，返回步骤(51)；其中，2L′条路径的度量值分别为该路径在ui处取值0或1的概率或为接收端接收向量；L为SCL译码算法的最大路径数量；(55)从L条路径中输出路径度量值最大的一条路径上对应的外编码器输入序列其中子序列即为译码的信息序列。6.一种基于极化码的级...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈代明，王涛，江涛，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42