本發(fā)明屬于信道編碼領(lǐng)域，具體涉及一種極化碼編譯碼方法。

背景技術(shù)：

極化碼是Arikan Erdal于2007年提出的一種信道編碼方法，在二進(jìn)制離散無記憶信道下，當(dāng)碼長為無限長時，極化碼是現(xiàn)有可證明的的唯一一種能夠達(dá)到信道容量的編碼方法。然而在碼長為有限長時，極化碼的SC譯碼性能要低于現(xiàn)有的Turbo碼和LDPC碼。針對這個問題，Ido Tal提出SCL譯碼算法——即通過增加存儲可能存在的譯碼路徑來提升性能，但是這種通過增加存儲可能的譯碼路徑會浪費大量的寄存器，由于在一次完整的譯碼過程中絕大多數(shù)的寄存器都不會被訪問就要被釋放，這就導(dǎo)致寄存器利用率很低，并且在低信噪比的時候性能比較差。為了提高極化碼的最小距離，Ido Tal提出使用CRC(即循環(huán)冗余校驗碼——Cyclic Redundancy Check)輔助校驗極化碼來改善低信噪比時的性能，當(dāng)使用CRC輔助SCL譯碼算法時，極化碼的性能要優(yōu)于Turbo碼和LDPC碼的性能。然而在HARQ協(xié)議中通過傳統(tǒng)的CRC輔助校驗的方法，會大大增加譯碼時延，其高時延根本無法滿足實時通信的需求。

針對于SCL譯碼算法存在的寄存器利用率較低和CRC校驗時延高的問題，本發(fā)明使用分段奇偶校驗和CRC的混合結(jié)構(gòu)，對極化碼的編譯碼進(jìn)行改進(jìn)。傳統(tǒng)的CRC輔助校驗是在接收端譯碼結(jié)束后，對L條保留的路徑做CRC校驗；分段CRC輔助校驗在接收端每次譯碼到分段部分的結(jié)尾時，就對L條保留的路徑做奇偶校驗或者CRC校驗，直到最后一層的結(jié)尾進(jìn)行校驗完才完成譯碼。對于最后一個分段，使用CRC校驗；其他的分段，則使用奇偶校驗。這種分段奇偶校驗和CRC聯(lián)合輔助的方式在譯碼的時候就可以重復(fù)使用寄存器以達(dá)到提高寄存器利用率。在HARQ協(xié)議中，傳統(tǒng)的CRC輔助校驗是在全部譯碼結(jié)束并且沒有通過CRC校驗的情況下，需要重傳全部碼字并再一次對整個碼字進(jìn)行譯碼；而分段奇偶校驗和CRC聯(lián)合輔助校驗是，如果第一層或者前幾層沒有通過CRC校驗就可以直接進(jìn)行重新傳輸碼字再次譯碼，這樣就節(jié)省很長的譯碼時間，從而得到很大的降低時延。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有的現(xiàn)有SCL譯碼算法下寄存器利用率低和CRC校驗時延高的問題，提出了一種分段奇偶校驗和CRC聯(lián)合輔助的極化碼編譯碼方法，該方法在編碼端使用一種分段奇偶校驗和CRC的信息校驗結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼產(chǎn)生碼字，并且在譯碼端設(shè)計了對應(yīng)分段奇偶校驗和CRC輔助極化碼的譯碼算法，對接收的碼字進(jìn)行分段的譯碼校驗，直到最后一段譯碼校驗結(jié)束才完成整個極化碼譯碼。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種極化碼編譯碼方法，其特征在于，包括：

編碼：采用分段奇偶校驗和CRC聯(lián)合輔助的編碼，具體包括：

a.對信息比特進(jìn)行分段：設(shè)碼長為N比特，碼率為R，總的信息位比特為K＝NR比特，N＝2ⁿ，上標(biāo)n為自然數(shù)，將信息分為M段，每段長度為k_i，則k為保留的信息比特數(shù)；

b.對分段后的信息比特進(jìn)行編碼：對前M-1個分段使用奇偶校驗，最后一個分段使用CRC校驗，具體為：

b1.分段后，每個分段有k_i個消息比特，1≤i<M，則在第i層信息比特位當(dāng)中，每產(chǎn)生k_i個信息比特位，就對其進(jìn)行奇偶校驗并產(chǎn)生得到校驗位，將這個校驗位級聯(lián)在產(chǎn)生的k_i個信息比特位后面構(gòu)成一組，構(gòu)成第i層長度為k_i+1的信息比特；

b2.重復(fù)步驟b1依次對第i層的信息進(jìn)行編碼，1≤i≤M-1；

b3.對第M層，將最后的k_M個信息比特，進(jìn)行CRC編碼并產(chǎn)生r個校驗位，將這r個校驗位級聯(lián)在k_M個信息比特后面構(gòu)成第M個分段；

將編碼后生成的碼字經(jīng)過信道進(jìn)行傳輸；

譯碼：設(shè)接收端接收到的第i層信息比特數(shù)為N_i，可得具體包括：

c.在接收端對第i段的N_i比特接受信息進(jìn)行SCL譯碼，最大保存路徑為L條，1≤i<M；

d.當(dāng)?shù)趇段的N_i比特接受信息譯碼結(jié)束，對L條保留的路徑做奇偶校驗，選擇以下作為輸出：當(dāng)僅有一條路徑通過奇偶校驗時，就輸出該路徑；當(dāng)有多條路徑通過奇偶校驗時，輸出這些路徑中似然概率最大的一條路徑；當(dāng)沒有通過奇偶校驗的路徑的時，輸出似然概率最大的一條路徑，這層的譯碼結(jié)束，將這條路徑保存并且傳送到下層的譯碼器中；

e.重復(fù)步驟c、d直到對第i段的接收信息完成SCL譯碼并進(jìn)行奇偶校驗，1≤i≤M-1；

f.接收端對第M段進(jìn)行SCL譯碼，對L條保留的路徑做CRC校驗，選擇以下作為輸出：當(dāng)僅有一條路徑通過CRC校驗時，就輸出該路徑；當(dāng)有多條路徑通過CRC校驗時，輸出這些路徑中似然概率最大的一條路徑；當(dāng)沒有通過CRC校驗的路徑的時，輸出似然概率最大的一條路徑，得到最終譯碼的結(jié)果。

在上述方案中：步驟e、f使用的譯碼器對碼字的譯碼流程與原有SCL譯碼器相同。不同的是，每當(dāng)譯碼器完成一段個碼字的譯碼就對其輸出到校驗器，校驗器在接收到的個可能譯碼路徑中選取可以通過奇偶校驗或者CRC并且概率最大的一條，譯碼器就將這個結(jié)果作為這一段信息比特的最終譯碼結(jié)果儲存下來并釋放剩余的寄存器，然后將結(jié)果傳回的譯碼器，開始下一段的譯碼，直到所有的譯碼全部譯碼結(jié)束。分段奇偶校驗和CRC聯(lián)合輔助的極化碼譯碼算法流程如圖3。在每段譯碼結(jié)束后，譯碼器會保留譯碼結(jié)果，并且釋放剩余的存儲器，這個操作就可以保證寄存器利用率的極大提高。

如圖4所示，給出了傳統(tǒng)CRC輔助極化碼SCL譯碼占用寄存器的存儲情況，在傳統(tǒng)CRC輔助的SCL譯碼過程中，由于保存路徑隨著譯碼比特數(shù)的增加呈現(xiàn)2的冪次增長，很快達(dá)到最大保存路徑數(shù)L(由于N>>M)，忽略在路徑未達(dá)到L時未占用的存儲單元，認(rèn)為在每一比特譯碼時都存儲了L個路徑，SCL譯碼結(jié)束時就總共占了NL大的存儲空間，如圖4的陰影部分所示。為了簡化分析，令N₁＝N₂＝…＝N_M＝N/M，圖3(b)給出了分段奇偶校驗和CRC聯(lián)合輔助的極化碼SCL譯碼占用寄存器的存儲情況，在分段奇偶校驗和CRC輔助SCL的譯碼過程中，譯碼路徑被分成了M段，每層N/M個比特，每譯完一層，選擇一條最優(yōu)路徑保存并舍棄其他的路徑，然后進(jìn)入下一段的譯碼，譯碼結(jié)束總的存儲占有空間為由圖5中的陰影部分和斜線部分組成。由此，可以得到分段奇偶校驗和CRC聯(lián)合校驗與傳統(tǒng)CRC校驗節(jié)省的存儲空間為：

本發(fā)明的有益效果為，本發(fā)明基于傳統(tǒng)CRC輔助極化碼SCL譯碼的方法，分段CRC輔助的極化碼信息結(jié)構(gòu)，提出了分段奇偶校驗和CRC聯(lián)合輔助極化碼的編譯碼方法，該方法在編碼端使用一種分段奇偶校驗和CRC校驗的信息校驗結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼產(chǎn)生碼字，并且在譯碼端設(shè)計了對應(yīng)分段奇偶校驗和CRC校驗輔助的極化碼的譯碼算法，對接收的碼字進(jìn)行分段的譯碼校驗，最終在沒有過多性能損失的情況下，極大的節(jié)省了寄存器存儲空間，為硬件實現(xiàn)提供很大的便利。同時，在HARQ協(xié)議中使用分段奇偶校驗和CRC聯(lián)合輔助極化碼的編譯碼方法。如果第一層或者前幾層譯碼結(jié)束后奇偶校驗或者CRC校驗沒有通過，可以直接反饋并重傳，不用等到全部譯碼結(jié)束CRC校驗不通過的話再重傳，這樣就可以降低時延，為實時通信帶來很大的便利。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)CRC輔助極化碼信息結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的分段CRC輔助極化碼的信息結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的譯碼算法流程圖；

圖4是傳統(tǒng)CRC輔助SCL譯碼算法的寄存器占用示意圖；

圖5是本發(fā)明的CRC輔助極化碼寄存器占用示意圖；

圖6是基于本發(fā)明的CRC輔助極化碼的HARQ協(xié)議系統(tǒng)框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案：

實施例：

碼長為N＝1024比特的極化碼的碼字，碼率R＝0.5，總的信息位比特為K＝NR＝512比特，現(xiàn)在犧牲一定的信息比特來校驗極化碼提升譯碼性能，把信息分為M＝5段，前4段消息使用奇偶校驗，第5段消息使用8比特的CRC校驗，這樣總共有12個比特用于校驗。前4個信息分段就由100個消息比特和1個奇偶校驗比特組成；第5個信息分段就由100個消息比特和8個CRC比特組成，如圖1(b)所示，最大保存路徑設(shè)置為為L＝16條。信息比特經(jīng)過編碼、信道傳輸，最后對接收端的接受信息進(jìn)行分段的SCL譯碼、校驗，最大保存路徑為L條。分段奇偶校驗和CRC聯(lián)合輔助的極化碼編譯碼方法，具體步驟如下：

第一步：對信息位進(jìn)行分段奇偶校驗和CRC聯(lián)合輔助的編碼；

1)采用的分段奇偶校驗和CRC聯(lián)合輔助的編碼，其信息結(jié)構(gòu)如圖2所示，把奇偶校驗和CRC校驗信息分配到每層的信息做校驗，圖1所示為傳統(tǒng)的CRC輔助編碼的信息結(jié)構(gòu)示意圖；

2)在第一層信息比特位當(dāng)中，每產(chǎn)生100信息比特位，就對其進(jìn)行奇偶校驗并將產(chǎn)生的校驗比特級聯(lián)到信息比特后面，構(gòu)成第一段長度為101的信息比特；

3)按照圖2的信息結(jié)構(gòu)重復(fù)第2)個步驟，對第i段(1≤i≤4)的信息進(jìn)行編碼，產(chǎn)生長度為101的信息比特，最終產(chǎn)生4段長度為101的信息比特；

4)對第5段，對剩余的100個信息比特進(jìn)行CRC編碼并產(chǎn)生8個校驗比特位，將這8個校驗比特位級聯(lián)在100個信息比特之后，構(gòu)成第5段信息比特，長度為108。將這5段連接起來，就得到了512比特信息參與極化碼編碼，得到分段奇偶校驗和CRC聯(lián)合輔助校驗的極化碼碼字。

第二步：對生成的碼字經(jīng)過信道進(jìn)行傳輸，選擇AWGN信道傳輸；

第三步：接收端對接受到的信息進(jìn)行譯碼，得到信息估計，譯碼流程圖如圖2所示。

1)在接收端對第一層接受的101個信息比特進(jìn)行SCL譯碼，最大保存路徑為16條；

2)當(dāng)?shù)谝粚又械?01個信息比特譯碼結(jié)束，對16條保留的路徑做奇偶校驗，選擇以下作為輸出：當(dāng)僅有一條路徑通過奇偶校驗時，就輸出該路徑；當(dāng)有多條路徑通過奇偶校驗時，輸出這些路徑中似然概率最大的一條路徑；當(dāng)沒有通過奇偶校驗的路徑的時，輸出似然概率最大的一條路徑，這段的譯碼結(jié)束，將這條路徑保存并且傳送到下段的譯碼器中；

3)重復(fù)第1)、2)個步驟，對第i段(1≤i≤M-1)的接收信息完成SCL譯碼并進(jìn)行CRC校驗，直到最終完成4段的譯碼校驗。

4)對第5段進(jìn)行SCL譯碼，對L條保留的路徑做CRC校驗，選擇以下作為輸出：當(dāng)僅有一條路徑通過CRC校驗時，就輸出該路徑；當(dāng)有多條路徑通過CRC校驗時，輸出這些路徑中似然概率最大的一條路徑；當(dāng)沒有通過CRC校驗的路徑的時，輸出似然概率最大的一條路徑，最終得到碼字的譯碼的結(jié)果。

如圖3所示，本發(fā)明與傳統(tǒng)CRC輔助校驗極化碼相比較，此時，L＝16，N＝1024，M＝5，圖4給出了傳統(tǒng)CRC輔助極化碼SCL譯碼占用寄存器的存儲情況，在傳統(tǒng)CRC輔助的SCL譯碼過程中，由于保存路徑隨著譯碼比特數(shù)的增加呈現(xiàn)2的冪次增長，很快達(dá)到最大保存路徑數(shù)16，忽略在路徑未達(dá)到L時未占用的存儲單元，認(rèn)為在每一比特譯碼時都存儲了16個路徑，SCL譯碼結(jié)束時就總共占了1024×16比特的存儲空間，如圖4的陰影部分所示。圖5給出了分段CRC輔助極化碼SCL譯碼占用寄存器的存儲情況，在分段CRC輔助SCL的譯碼過程中，譯碼路徑被分成了5段，每層205個比特，每譯完一層，選擇一條最優(yōu)路徑保存并舍棄其他的路徑，然后進(jìn)入下一層的譯碼，譯碼結(jié)束總的存儲占有空間為由圖5中的陰影部分和斜線部分組成。由此，可以得到多層CRC校驗與傳統(tǒng)CRC校驗節(jié)省的存儲空間為：

當(dāng)分段數(shù)M＝8時，可以得到多層CRC校驗與傳統(tǒng)CRC校驗節(jié)省的存儲空間為：

由此可以看出，分段CRC輔助的極化碼的SCL譯碼的存儲利用率確實要超出傳統(tǒng)CRC輔助的極化碼，并且隨著最大保留路徑條數(shù)L和分段數(shù)M的增大，寄存器存儲量的利用率越高。圖6顯示了在HARQ協(xié)議中，傳統(tǒng)CRC輔助的極化碼和分段CRC輔助的極化碼的性能對比，從圖中我們可以看出隨著最大重傳次數(shù)的增加，雖然兩種結(jié)構(gòu)的極化碼性能都有明顯的提高，但是分段CRC輔助極化碼的提高更加明顯，即重傳帶來的性能增益要比傳統(tǒng)CRC的性能增益要高很多。本發(fā)明提出的多層奇偶校驗和CRC聯(lián)合輔助的極化碼編譯碼方法比傳統(tǒng)CRC輔助的方法具有很大優(yōu)越性。