專利名稱：基于信道極化的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)重復(fù)碼的編碼器及其編譯碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于信道極化的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)重復(fù)碼的編碼器及其編譯碼方法，用于 解決數(shù)字通信系統(tǒng)中由于信道對通信過程的干擾，使得傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤的問題，屬于數(shù) 字通信的信道編碼技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
極化碼(Polar Codes)是2009年由E. Arikan提出的一種被嚴(yán)格證明可以達(dá)到信 道容量的構(gòu)造性的編碼方法。在進(jìn)行極化編碼前，首先需要對N= 2n個(gè)獨(dú)立的二進(jìn)制輸入 信道(或?qū)ν粋€(gè)信道的先后N次使用，即一個(gè)信道的N個(gè)可用時(shí)隙)，其中η為自然數(shù)，應(yīng) 用

圖1所示的信道極化的基本單元對二進(jìn)制輸入離散信道反復(fù)進(jìn)行極化。最基本的信道極 化是對兩個(gè)相同的未經(jīng)極化的信道W :Χ — Y進(jìn)行單步極化操作，其中X是信道輸入符號的 集合(對于二進(jìn)制輸入信道，X取值為{0，1})，Υ是信道輸出符號的集合。標(biāo)記該極化信道 的輸入比特分別為Utl和U1,這兩個(gè)輸入比特通過一個(gè)模二加法器得到X。，另一方面將U1直 接賦值給X1，即& = % Θ M1，Xl = Ul，④為模二加運(yùn)算。把&和Xl分別送入未經(jīng)極化信道W，得 到輸出為Yc^Py1。從該信道極化基本單元的輸入㈨和心和兩個(gè)信道的輸出(Yt^y1)看， 原本獨(dú)立的兩個(gè)未經(jīng)極化的信道W被合并成一個(gè)兩輸入兩輸出的向量信道W2 :Χ2 — Υ2，其中 X2 = XXX,運(yùn)算X為笛卡爾積。該向量信道包含兩個(gè)子信道—ΥΧΧ(輸入為Utl，輸 出為Ly1)和的〃χ —γ(輸入為U1,輸出為y。ylU。)，這兩個(gè)子信道即是兩個(gè)極化信道。經(jīng)過 該單步極化過程，從信道容量上看，/(%(。)) + /(的1 = 2"^) j{wi0))<l(w)<l{w^),
其中1( ·)表示求信道容量的函數(shù)。也就是說單步極化后，在和容量保持不變的情況下， 相比原本未經(jīng)極化的信道，極化后的信道容量發(fā)生了偏離一個(gè)增加，一個(gè)減少。如果對兩 組已經(jīng)一次極化操作的信道，再在兩組互相獨(dú)立的轉(zhuǎn)移概率相同的極化信道之間，再次分 別進(jìn)行單步極化操作，該偏離會更加明顯，稱這一組單步極化操作為第二層極化操作，而前 一組單步極化操作稱為第一層極化操作。每多做一層極化操作，需要的信道數(shù)就會比原先 多一倍。因此，對N= 2n個(gè)信道進(jìn)行完全的極化，共需要η層極化操作，且每一層極化操作 包括了 N次單步極化操作。如不加特殊說明，“對N個(gè)信道進(jìn)行極化操作”即是指完全極化。 理論上已證明，對接近無窮多個(gè)信道進(jìn)行極化操作后，會出現(xiàn)一部分信道的容量為1，其余 信道容量為0的現(xiàn)象，而容量為1的信道占全部信道的比例正好為原二進(jìn)制輸入離散信道 的容量。參見圖2，介紹一個(gè)實(shí)用的信道極化裝置的遞歸結(jié)構(gòu)，長度為N(對N個(gè)信道進(jìn)行
極化)的信道極化裝置可以用長度為+的信道極化裝置作遞歸操作來表示，遞歸過程中的
最小單元(即當(dāng)N = 2時(shí))即是圖1所示的基本單元。圖2所示的信道極化裝置中有一 個(gè)長度為N的比特反轉(zhuǎn)交織器，它的功能是先將輸入端的十進(jìn)制序號i按二進(jìn)制表示為 Iv1Iv2Lbtl,其中η = Iog2N,再將該二進(jìn)制序列反序，得到I^b1Llvi，最后重新按十進(jìn)制表示 成η (i)，作為輸入序號i對應(yīng)的輸出序號。比特反轉(zhuǎn)交織器的功能是將輸入端序號為i的比特映射到序號η (i)處。根據(jù)編碼速率(R)對N個(gè)信道進(jìn)行極化，并選取其中容量最大的K個(gè)信道(或者 等價(jià)選取可靠性最高的K個(gè)信道，可靠性度量是采用密度進(jìn)化(DensityEvolution)工具或 者計(jì)算巴塔恰里亞(Miattacharyya)參數(shù)得到的)，以承載用于傳輸消息的比特，稱該部分 比特為信息比特(其中X = ^V_i 」，U為向下取整運(yùn)算)，其余未被選中的信道則傳輸一個(gè) 約定的比特序列，稱其為固定比特序列(若信道對稱則可簡單地傳輸全零序列)，從而形成 一個(gè)從承載信息的K個(gè)比特到最終送入信道的N個(gè)比特的映射關(guān)系，這樣的一種映射關(guān)系 即為極化碼，碼長(編碼后得到的二進(jìn)制信號所包含的比特?cái)?shù))等于信道極化裝置的長度 N0由信息比特和固定比特組成的、送入信道極化裝置的二進(jìn)制信號序列UtlLiv1為一 個(gè)編碼碼塊(順序與其送入的極化信道的序號一致，即Ui迭入Wi1),其中序號i為0到N-I 的正整數(shù)，壞 )表示將N個(gè)信道W極化后得到的序號為i的極化信道)。編碼碼塊經(jīng)過信道 極化裝置得到的^LXim，通過N個(gè)獨(dú)立信道W，接收到的信號序列為LLy,+譯碼器的任務(wù) 就是根據(jù)接收信號序列YtlLy1^1得到發(fā)送信號序列UtlLiv1的一組估計(jì)值弋L Ν_χ。極化碼可以使用串行抵消SC(successive cancellation)算法，對編碼碼塊中的 每個(gè)比特按序號i順序地從0到N-I依次按照下述公式進(jìn)行譯碼
，U,當(dāng)/是一個(gè)固定比特位置時(shí)
權(quán)利要求
1.一種基于信道極化的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)重復(fù)碼的編碼器，用于對二進(jìn)制發(fā)送信號進(jìn)行編碼 而輸出二進(jìn)制編碼序列；其特征在于所述編碼器由順序連接的存儲容量為L比特的重 復(fù)比特緩沖器、長度為N的比特位置映射器和長度為N的信道極化裝置所組成，輸入端口KO).I(l).....I (K-I)用于接收來自信源的長度為K的二進(jìn)制信號序列，輸入端口 F(O)、F(I).....F(N-K-L-I)用于配置預(yù)設(shè)的固定二進(jìn)制信號序列，該兩組輸入端口都直接連接長度為N的比特位置映射器，其中，L又被稱為重復(fù)長度，0彡L彡K，K彡N，N= 2η，η為自然數(shù)；重復(fù)比特緩沖器的輸入端口與編碼器輸入端口 I (K-L)、I (K-L+l).....I (K-I)分別逐一連接，其標(biāo)記為R(O)、R(I).....R(L-I)的輸出端口連接到本質(zhì)為交織器的比特位置映射器；比特位置映射器的功能是將兩組輸入端口 1(0)、I(I).....I(K-I)和F(O)、F(I).....F(N-K-L-I)以及重復(fù)比特緩沖器的輸出端口 R(O)、R(I).....R(L-I)按照預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，映射到長度為N信道極化裝置的長度為N的輸入端口組U(O)、U(I).....U(N-I)，再從該信道極化裝置的輸出端口組X(O)、X(1).....X(N-I)獲得該編碼器的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器，其特征在于所述重復(fù)比特緩沖器的功能是將已經(jīng) 存儲的數(shù)據(jù)按原來的順序送到輸出端后，再將輸入端的數(shù)據(jù)按順序進(jìn)行存儲。
3.一種采用權(quán)利要求1所述的編碼器的編碼方法，其特征在于所述方法是將重復(fù)編 碼嵌入到信道極化過程中，并在信道極化過程中先后發(fā)送的碼塊的部分比特之間引入重復(fù) 關(guān)系進(jìn)行編碼，該方法包括下述操作步驟(1)確定編碼參數(shù)編碼器的輸出信號序列長度N= 2η，η為自然數(shù)，編碼器的輸入信號序列長度為K，且0 < K彡N，則碼率為i = ；(2)計(jì)算各個(gè)極化信道的可靠性先按照下述方法定義N個(gè)極化信道送入信道極化裝置的信號序列為UciU1Un+接收端 譯碼器從信道接收到的信號序列為^辦㈣，序號為i的極化信道以Ui為輸入、Ky1Ly1^1和 U0U1Liv1為輸出，其轉(zhuǎn)移概率函數(shù)為^f)( L Ui^y0L yN_, \u)，簡記為對)，式中，下標(biāo)N表 示信道極化裝置的長度，上標(biāo)i表示極化信道的序號，0 ^ i ^ N-I ；然后計(jì)算各個(gè)極化信道的可靠性數(shù)值、即巴塔恰里亞Miattacharyya參數(shù) 轉(zhuǎn)移概率函數(shù)為W(y |u)的二進(jìn)制輸入信道的Miattacharyya參數(shù)的計(jì)算公式為= (> 0)(-yI1)，式中，Y為所有信道輸出的可能取值；Bhattacharyya數(shù)值越大的信道，可靠性越低；m^ttacharyya數(shù)值越小的信道，可靠性越高；(3)分類確定四種類型信道位置和數(shù)量，以及相關(guān)信道的對應(yīng)關(guān)系根據(jù)碼率R、碼長N 和步驟O)中計(jì)算得到的各個(gè)信道的Miattacharyya可靠性參數(shù)，遍取重復(fù)長度L和重復(fù) 區(qū)域分界M允許的取值，其中，OSLSK且N-K+1，搜索得到使得碼塊錯(cuò)誤概率的 上界Π值最小的L和M的值，并在該配置下分別確定下述四種類型信道位置和數(shù)量非重 復(fù)信息信道(K-L)個(gè)、重復(fù)信息信道L個(gè)、重復(fù)信道L個(gè)、固定信道(N-K-L)個(gè)；然后，確定 重復(fù)信息信道與重復(fù)信道的對應(yīng)關(guān)系；(4)將一個(gè)長度為K的二進(jìn)制輸入信號序列中的前(K-L)個(gè)比特標(biāo)記為非重復(fù)信息 比特序列，剩余的L個(gè)比特標(biāo)記為重復(fù)信息比特序列再從重復(fù)比特緩沖器讀出前一個(gè)編 碼碼塊的重復(fù)比特序列及；如果此時(shí)是第一個(gè)編碼碼塊，則將及賦值為全零序列，同時(shí)對重復(fù)信息比特序列7進(jìn)行復(fù)制，將得到的重復(fù)比特序列存儲于重復(fù)比特緩沖器；如果沒有特 殊設(shè)置，則將固定比特序列F賦值為一個(gè)長度為(N-K-L)的全零序列；(5)按照前述步驟的信道分類和對應(yīng)信道的重復(fù)關(guān)系，將二進(jìn)制輸入信號序列7中的 前(K-L)個(gè)比特送入非重復(fù)信息信道，而標(biāo)記為重復(fù)信息比特序列7的剩余的L個(gè)比特送入 重復(fù)信息信道，再將從重復(fù)比特緩沖器中讀出的前一個(gè)編碼塊的重復(fù)比特序列及送入重復(fù) 信道和將固定比特序列F送入固定信道；上述比特序列送入信道極化裝置經(jīng)過一系列交織 及模二加運(yùn)算后，得到最終將被送入極化前信道W的N個(gè)比特，即輸出信號X ；至此完成一 次編碼操作，流程結(jié)束。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的編碼方法，其特征在于所述步驟(3)進(jìn)一步包括下列操作 內(nèi)容給定編碼器輸出信號序列長度N、編碼器輸入信號序列長度K、重復(fù)長度L和重復(fù)區(qū)域 分界M的取值，按照如下方法對信道進(jìn)行分類和計(jì)算碼塊錯(cuò)誤概率的上界值按照下述方法把信道劃分成下述四種類型從信道序號大于或等于重復(fù)區(qū)域分界M的 信道中選取最可靠的K個(gè)信道作為信息信道，并將該K個(gè)信道中可靠性較低的L個(gè)標(biāo)記為 重復(fù)信息信道，其余的標(biāo)記為非重復(fù)信息信道，再從信道序號小于M的信道中選取最可靠 的L個(gè)信道標(biāo)記為重復(fù)信道，未被標(biāo)記為非重復(fù)信息信道、重復(fù)信息信道或重復(fù)信道的剩 余信道則全部標(biāo)記為固定信道；將重復(fù)信息信道和重復(fù)信道分別按其序號從小到大順序排列，再按該順序一一對應(yīng)構(gòu) 成重復(fù)關(guān)系后，采用下面公式計(jì)算碼塊錯(cuò)誤概率的上界n
5. 一種采用權(quán)利要求1所述的編碼器的譯碼方法，是使用簡單、快速的串行抵消SC算 法進(jìn)行譯碼；其特征在于為方便敘述，當(dāng)譯碼器對序號為P的碼塊進(jìn)行譯碼判決時(shí)，稱序 號為ρ的碼塊為“當(dāng)前碼塊”，序號為(P-I)的碼塊為“前一碼塊”，序號為(P+1)的碼塊為 “后一碼塊”，式中自然數(shù)ρ是譯碼器接收的碼塊序號；所述譯碼方法包括下列操作步驟(1)從信道接收當(dāng)前碼塊所對應(yīng)的一組長度為N的信號序列M^y1WL,并等待后 一碼塊所對應(yīng)的長度為N的信號序列^lT11)被接收完畢；再從預(yù)存的前一次譯碼 過程得到的前一碼塊的判決序列爐^L私二)中，按照序號從小到大順序取出重復(fù)信息 比特，得到該當(dāng)前碼塊的重復(fù)比特序列的判決值；信號序列或判決序列中各元素的上標(biāo)P、 P-U P+1分別表示該信號序列或判決序列對應(yīng)于當(dāng)前碼塊、后一碼塊和前一碼塊；(2)對當(dāng)前碼塊和后一碼塊各自對應(yīng)的兩組長度為N的接收信號，分別從序號i= 0的 比特和j = 0的比特開始傳統(tǒng)極化碼的串行抵消譯碼操作；(3)暫停對后一碼塊的譯碼，繼續(xù)對當(dāng)前碼塊中序號為i的比特執(zhí)行譯碼 若為重復(fù)信息比特，則按照下述公式計(jì)算該比特取值的概率比
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的譯碼方法，其特征在于所述步驟(1)中，如果當(dāng)前碼塊是接 收到的第一個(gè)碼塊、即其序號P為1，則將重復(fù)比特的判決序列置為全零序列。
7.一種采用權(quán)利要求1所述的編碼器的譯碼方法，是使用性能優(yōu)秀的基于泰納Tarmer 圖的置信度傳播算法進(jìn)行迭代譯碼；其特征在于所述方法包括下列操作步驟(1)以兩個(gè)普通極化碼的泰納圖為基礎(chǔ)，其中一個(gè)對應(yīng)當(dāng)前碼塊，另一個(gè)對應(yīng)后一碼 塊，將當(dāng)前碼塊的重復(fù)信息比特對應(yīng)的第η層變量節(jié)點(diǎn)和后一碼塊中與其構(gòu)成重復(fù)關(guān)系的 重復(fù)比特對應(yīng)的第η層變量節(jié)點(diǎn)，逐個(gè)用一個(gè)度為2的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)連接起來，共需要增加L個(gè) 這樣的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，其中，L為重復(fù)長度；由這L個(gè)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)將原來的兩個(gè)極化碼泰納圖連接 起來，得到一個(gè)新的泰納圖。(2)從信道接收當(dāng)前碼塊所對應(yīng)的一組長度為N的信號序列，并等待后一碼塊所對應(yīng) 的長度為N的信號序列被接收完畢后，從預(yù)先保存的前一次譯碼過程得到的判決序列中， 順序取出重復(fù)信息比特，得到當(dāng)前碼塊的重復(fù)比特序列的判決值；(3)以步驟(1)建立的泰納圖為基礎(chǔ)，使用置信度傳播算法進(jìn)行迭代譯碼譯碼初始階 段，用從信道接收的信號和已知的固定比特序列分別初始化第0層變量節(jié)點(diǎn)和第η層變量 節(jié)點(diǎn)中對應(yīng)的部分，用步驟O)中得到的當(dāng)前碼塊的重復(fù)比特序列初始化第η層變量節(jié)點(diǎn)中的對應(yīng)部分；初始化完成后，進(jìn)行置信度傳播迭代譯碼；迭代譯碼過程停止后，根據(jù)當(dāng)前 碼塊對應(yīng)的第η層變量節(jié)點(diǎn)的消息對相應(yīng)的比特進(jìn)行判決，得到判決序列；再保存該判決 序列用于下一次譯碼過程；從判決序列中分別取出重復(fù)信息比特和非重復(fù)信息比特，并分 別按序號從小到大排列后，再將排序后的兩部分比特合并到一起，非重復(fù)信息比特在前、重 復(fù)信息比特在后，得到譯碼結(jié)果并輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的譯碼方法，其特征在于所述步驟( 中，如果當(dāng)前碼塊是接 收到的第一個(gè)碼塊、即其序號P為1，則將重復(fù)比特的判決序列置為全零序列。
全文摘要
一種基于信道極化的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)重復(fù)碼的編碼器及其編譯碼方法，該編碼器由順序連接的存儲容量為L比特的重復(fù)比特緩沖器、長度為N的比特位置映射器和長度為N的信道極化裝置所組成，本發(fā)明基于該編碼器的編碼方法是將重復(fù)編碼嵌入到信道極化過程中，并在信道極化過程中先后發(fā)送的碼塊的部分比特之間引入重復(fù)關(guān)系進(jìn)行編碼。另外，本發(fā)明還提出兩種譯碼方法使用簡單、快速的串行抵消SC算法進(jìn)行譯碼，以及使用性能優(yōu)秀的基于泰納Tanner圖的置信度傳播算法進(jìn)行迭代譯碼。本發(fā)明在創(chuàng)新結(jié)構(gòu)編碼器的基礎(chǔ)上，編譯碼方法在未增加譯碼復(fù)雜度前提下，糾錯(cuò)能力更強(qiáng)，明顯提升傳輸性能；特別適合應(yīng)用于實(shí)際通信工程系統(tǒng)，具有很好的推廣應(yīng)用前景。
文檔編號H03M13/27GK102122966SQ20111009513
公開日2011年7月13日 申請日期2011年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月15日
發(fā)明者牛凱, 陳凱 申請人:北京郵電大學(xué)