一种两阶段的低复杂度极化码构造方法技术

本发明专利技术提出了一种两阶段的低复杂度极化码构造方法，属于通信信道编码领域。本方法码字构造的过程分为粗构造和细构造两个过程，粗构造基于子信道的偏序关系和可靠性大小从所有子信道中快速选择更可靠的子信道加入信息集；细构造过程根据系统对性能的需求，选择合适的信息集确定方法继续从子信道集合中继续选择更可靠的子信道加入信息集中。在粗构造的元素查找过程中，采用二分查找策略，加快了查找效率，并减少了需要计算的子信道可靠性的数目，降低了计算量。本发明专利技术方法在选择信息集的过程中不需要进行排序，从而进一步降低了码字构造的计算量；还可根据系统对性能和复杂度的需求来调整实现过程，因此具有很强的普适性和鲁棒性。

A Two-stage Low Complexity Polarization Code Construction Method

The invention provides a two-stage low complexity polarization code construction method, which belongs to the field of communication channel coding. The process of codeword construction in this method is divided into two parts: coarse construction and fine construction. Rough construction is based on the partial order relation of subchannels and reliability size. More reliable subchannels are quickly selected from all subchannels to join the information set. Fine construction is based on the performance requirements of the system, and appropriate information set determination method is selected to continue to select more reliable subchannel addition from the subchannel set. Enter information centralization. In the process of element searching with rough structure, dichotomy searching strategy is adopted, which speeds up the searching efficiency, reduces the number of subchannels that need to be calculated and reduces the amount of computation. The method of the invention does not need to sort in the process of selecting the information set, thereby further reducing the computational load of code word construction, and can adjust the implementation process according to the requirements of the system for performance and complexity, so it has strong universality and robustness.

【技术实现步骤摘要】
一种两阶段的低复杂度极化码构造方法
本专利技术属于通信信道编码领域，具体涉及一种低复杂度的Polar码码字构造方法。
技术介绍
PolarCodes，即极化码，是2009年由E.提出的一种新型信道编码。极化码基于信道极化(ChannelPolarization)进行设计，是第一种能够通过严格的数学方法证明达到信道容量的构造性编码方案。信道极化是极化码构造的基础，二元极化是信道极化的基本操作单元，即通过对两个相同的原始信道进行组合分解来实现二元极化，极化产生两个新的子信道，新生成的两个子信道的信道容量相比原始信道一个信道容量提高，一个信道容量降低，所有子信道总的信道容量不变。如果对信道不断的执行极化操作，就可以不断产生信道容量更高的子信道和信道容量更低的子信道，由于极化操作不会减少信道容量，因此，当不断进行极化操作时，将会只剩下信道容量趋于1的子信道和信道容量趋于0的子信道，并且信道容量趋于1的信道的容量和将趋于总容量，即容量趋于1的信道的数量占全部信道的比例趋于信道容量。如果用信道容量趋于1的信道来传送信息，用信道容量趋于0的信道来传送固定比特，收发端共享固定的比特值，就可以实现信息的可靠传输。因此，将传送信息的信道集合称为信息集，将传送固定比特的信道集合称为冻结集。但是，要使所有子信道的信道容量完全趋于1或者完全趋于0，参与信道极化的码长是在趋于无穷的情况下达到的，在实际应用中，码长是有限的，不可能趋于无穷，因此，信道容量就不能实现完全趋于1或者完全趋于0。所以，对于实际应用中码长有限的情况下，构造信息集和冻结集的方法是基于信道容量或者信道可靠性的相对大小来实现，即在给定码长和码率的情况下，通过计算所有极化后子信道的可靠性大小，然后根据其大小关系选择比较可靠的前K个子信道的集合作为信息集，剩余的子信道集合则作为冻结集；因此，在有限码长下，构造极化码时，首先计算所有子信道的可靠性大小，然后根据可靠性大小进行排序(参考文件[1].E.“Channelpolarization:Amethodforconstructingcapacityachievingcodesforsymmetricbinary-inputmemorylesschannels,”IEEETrans.Inf.Theory,vol.55,no.7,pp.3051–3073,Jul.2009)，选出可靠性最高的K个子信道作为信息集，需要传输的信息则在这些位置进行传输，其余子信道则作为冻结集，用来传输固定比特。同时，基于信道极化的基本过程中，存在一部分子信道之间信道容量的相对大小关系是与信道条件无关的，对于这些信道之间的可靠性大小，如果仍然计算其信道容量，然后再进行比较排序来选择冻结集和信息集，很明显，这部分的子信道的可靠性计算量是冗余的。因此，为了减少信息集与冻结集在计算过程中的冗余，降低码字构造的时间复杂度，优化现有的码字构造方案，需要一种降低计算量减少冗余的极化码的码字构造方法。
技术实现思路
本专利技术针对于为了减少信息集与冻结集在计算过程中的冗余，降低码字构造的时间复杂度，优化现有的码字构造方案，基于该需求，本专利技术提出一种基于两阶段的方法来进行极化码码字构造的方法。本专利技术提供的两阶段的极化码构造方法，将码字构造的过程分为粗构造和细构造两个过程，粗构造基于子信道的偏序关系和可靠性大小从所有子信道中快速选择更可靠的子信道加入信息集；细构造过程根据系统对性能的需求，选择合适的信息集确定方法继续从子信道集合中继续选择更可靠的子信道加入信息集中。本专利技术提供的一种两阶段的低复杂度极化码构造方法，实现步骤包括：步骤1：根据码长N和码率R，获得信息位长度K＝N*R；步骤2：对子信道索引，根据加法规则AdditionOperator和左交换规则Left-swapOperator进行运算，建立子信道之间可靠性的相对大小关系；步骤3：根据得到的相对大小关系构建二分图，二分图中将每个子信道作为一步骤2个顶点，对于两个子信道u和v，当且仅当u的可靠性小于v的可靠性时，二者之间存在一条边；然后采用最大匹配优化Hopcroft-Karp算法得到二分图的最大匹配；步骤4：根据二分图的最大匹配将所得的二分图划分成链，每条链中的所有元素以偏序关系顺序连接；步骤5：执行粗构造过程，从链元素中选择子信道加入信息集中，包括：(1)从链中选取划分元，设置阈值；每次寻找所有链中选择的划分元所对应的子信道中可靠性最大的元素作为当前阈值；(2)根据当前阈值，在所有链中选择可靠性大于该阈值的子信道并加入信息集中；对于阈值所在的链直接选择划分元之前的元素加入信息集；对于其余链，对每条链的划分元之前的元素利用二分查找法找到第一个小于划分元的元素位置，然后将该位置之前的元素都加入到信息集中；步骤6：设当前信息集中的元素数目为K’，判断K’是否大于K，若是，则对当前加入信息集中的所有链元素，执行步骤5的粗构造过程，若否，继续执行步骤7；所述的步骤6中，还设置粗构造过程的终止条件为0<K-K′≤M，如果当前信息集的元素数目K′满足该条件，则终止粗构造过程，否则需要继续执行粗构造过程。步骤7：当前信息集中的元素数目K’小于K时，执行细构造过程；所述的细构造过程提供三种选择方法如下：(A)继续执行步骤5的粗构造过程，从剩余的链元素中选取K-K’个元素；(B)设剩余的链的数目为S，对每条链剩余的元素，选取链首n个元素，使得(n-1)S<K-K’<nS，计算所选取的nS个元素的可靠性，排序选出其中可靠性最高的K-K’个元素加入信息集中；(C)设剩余的链的数目为S，对每条链剩余的元素，选取链首n个元素，使得(n-1)S<K-K’<nS，对所选取的nS个元素，根据子信道的索引计算子信道的权重系数，排序选出其中权重系数最高的K-K’个元素加入信息集中。最终，选出信息集的K个子信道，其余N-K个子信道则作为冻结集。本专利技术方法先通过粗构造将大部分可靠性较高的子信道快速选为信息集，再进一步通过细构造来进一步选取适合的信息集，与现有技术相比，具有以下明显优势：(1)本专利技术方法不需要计算所有子信道的可靠性，从而有效的降低子信道可靠性的计算量；(2)本专利技术方法在确定信息集与冻结集的过程中，不需要对子信道的可靠性进行排序，从而也能有效降低码字构造的计算量，有效地降低码字构造的复杂度。附图说明图1为本专利技术提出的码字构造方法的总体流程图；图2为本专利技术实施例给出的码长N＝16时所建立的二分图；图3为本专利技术实施例给出的码长N＝16时所得到的最大匹配图；图4为本专利技术方法粗构造过程中迭代选择阈值的流程图。具体实施方式为了便于本领域普通技术人员理解和实施本专利技术，下面结合附图对本专利技术作进一步的详细描述。本专利技术提出了一种在给定码率的情况下的低复杂度极化码码字构造方法，该方法根据信道在极化过程中，部分子信道可靠性的相对大小关系在二进制无记忆信道下与信道条件无关的这一性质，来获得部分信道可靠性相对大小关系，从而基于这部分子信道的可靠性相对大小关系，提出了一种两阶段构造的方法实现极化码的码字构造，该方法通过粗构造来快速选择更可靠的子信道加入到信息集中，然后根据系统对于性能的要求再利用细构造来选择可靠性相对较差并且本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种两阶段的极化码构造方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据码长N和码率R，获得信息位长度K＝N*R；步骤2：对子信道索引，根据加法规则Addition Operator和左交换规则Left‑swap Operator进行运算，建立子信道之间可靠性的相对大小关系；步骤3：根据得到的相对大小关系构建二分图，二分图中将每个子信道作为一步骤2个顶点，对于两个子信道u和v，当且仅当u的可靠性小于v的可靠性时，二者之间存在一条边；然后采用最大匹配优化Hopcroft‑Karp算法得到二分图的最大匹配；步骤4：根据二分图的最大匹配将所得的二分图划分成链，每条链中的所有元素以偏序关系“＜”顺序连接；步骤5：执行粗构造过程，从链元素中选择子信道加入信息集中，包括：(1)从链中选取划分元，设置阈值；每次寻找所有链中选择的划分元所对应的子信道中可靠性最大的元素作为当前阈值；(2)根据当前阈值，在所有链中选择可靠性大于该阈值的子信道并加入信息集中；对于阈值所在的链直接选择划分元之前的元素加入信息集；对于其余链，对每条链的划分元之前的元素利用二分查找法找到第一个小于划分元的元素位置，然后将该位置之前的元素都加入到信息集中；步骤6：设当前信息集中的元素数目为K’，判断K’是否大于K，若是，则对当前加入信息集中的所有链元素，执行步骤5的粗构造过程，若否，继续执行步骤7；步骤7：当前信息集中的元素数目K’小于K时，执行细构造过程；所述的细构造过程提供三种选择方法如下：(A)继续执行步骤5的粗构造过程，从剩余的链元素中选取K‑K’个元素；(B)设剩余的链的数目为S，对每条链剩余的元素，选取链首n个元素，使得(n‑1)S<K‑K’<nS，计算所选取的nS个元素的可靠性，排序选出其中可靠性最高的K‑K’个元素加入信息集中；(C)设剩余的链的数目为S，对每条链剩余的元素，选取链首n个元素，使得(n‑1)S<K‑K’<nS，对所选取的nS个元素，根据子信道的索引计算子信道的权重系数，排序选出其中权重系数最高的K‑K’个元素加入信息集中。...

【技术特征摘要】
1.一种两阶段的极化码构造方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据码长N和码率R，获得信息位长度K＝N*R；步骤2：对子信道索引，根据加法规则AdditionOperator和左交换规则Left-swapOperator进行运算，建立子信道之间可靠性的相对大小关系；步骤3：根据得到的相对大小关系构建二分图，二分图中将每个子信道作为一步骤2个顶点，对于两个子信道u和v，当且仅当u的可靠性小于v的可靠性时，二者之间存在一条边；然后采用最大匹配优化Hopcroft-Karp算法得到二分图的最大匹配；步骤4：根据二分图的最大匹配将所得的二分图划分成链，每条链中的所有元素以偏序关系“＜”顺序连接；步骤5：执行粗构造过程，从链元素中选择子信道加入信息集中，包括：(1)从链中选取划分元，设置阈值；每次寻找所有链中选择的划分元所对应的子信道中可靠性最大的元素作为当前阈值；(2)根据当前阈值，在所有链中选择可靠性大于该阈值的子信道并加入信息集中；对于阈值所在的链直接选择划分元之前的元素加入信息集；对于其余链，对每条链的划分元之前的元素利用二分查找法找到第一个小于划分元的元素位置，然后将该位置之前的元素都加入到信息集中；步骤6：设当前信息集中的元素数目为K’，判断K’是否大于K，若是，则对当前加入信息集中的所有链元素，执行步骤5的粗构造过程，若否，继续执行步骤7；步骤7：当前信息集中的元素数目K’小于K时，执行细构造过程；所述的细构造过程提供三种选择方法如下：(A)继续执行步骤5的粗构造过程，从剩余的链元素中选取K-K’个元素...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘荣科，冯宝平，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11