本發(fā)明屬于糾錯編碼技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于擾動的crc輔助中短碼長polar碼有效譯碼方法。

背景技術(shù)：

polar碼是一種基于信道極化理論的信道編碼，具有確定性的編譯碼方法，并且是唯一能夠被嚴(yán)格證明達(dá)到信道容量的信道編碼方法，現(xiàn)已成為5g中的中短碼長糾錯編碼方法。polar碼自從被提出后，便引起了人們的關(guān)注，其中有效的譯碼算法是polar碼研究的關(guān)鍵。

串行抵消(successivecancellation,sc)譯碼算法是arikan針對polar碼的結(jié)構(gòu)提出的polar碼獨有的譯碼算法，并且正是在這種譯碼算法下，polar碼被證明在碼長n足夠大時是信道容量可達(dá)的。與此同時，sc譯碼算法具有較低的計算復(fù)雜度，僅為o(nlogn)。然而，在實際的有限碼長的情況下，采用sc譯碼算法的polar碼的性能卻沒有達(dá)到ldpc碼。因此，針對中短碼長，基于sc譯碼算法的改進(jìn)算法成為polar碼譯碼的研究熱點。tal和vardy提出了串行抵消列表(successivecancellationlist,scl)譯碼算法，scl在每個譯碼階段至多保留l條路徑，最終從列表中挑選出最佳的一條路徑作為譯碼結(jié)果，使得性能逼近最大似然(maximum-likelihood,ml)譯碼，其中l(wèi)是列表大小。niukai和chenkai發(fā)現(xiàn)sc譯碼算法可以看作是在polar碼碼樹上的一種路徑搜索過程，并通過改進(jìn)樹搜索算法提出基于廣度優(yōu)先搜索的scl譯碼算法和基于深度優(yōu)先的串行抵消堆棧(successivecancellationstack,scs)譯碼算法。scl譯碼算法、scs譯碼算法的性能與sc譯碼算法相比有了明顯的提高，與此同時也犧牲了復(fù)雜度，scl譯碼算法、scs譯碼算法的復(fù)雜度是o(lnlogn)、o(dnlogn)。然而，在scl或scs譯碼算法下，polar碼的性能仍然沒有達(dá)到ldpc碼的性能。為了進(jìn)一步提高polar碼的性能，chenkai等人提出crc輔助的scl譯碼算法[8]，其譯碼性能達(dá)到甚至超過了ldpc碼的性能。然而實現(xiàn)這種性能的提高，是在scl譯碼算法的列表容量較大的情況下實現(xiàn)的，即以較大的計算復(fù)雜度為代價。

綜上所述，針對polar碼sc譯碼算法在中短碼長下性能不佳和現(xiàn)有性能較好的sc列表譯碼算法復(fù)雜度較大的現(xiàn)狀，現(xiàn)有技術(shù)中還沒有提出有效的解決方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述問題提出了一種基于擾動的crc輔助中短碼長polar碼有效譯碼方法，該方法首先在發(fā)送端將待傳輸?shù)男畔⑽贿M(jìn)行crc編碼(cyclicredundancycheck，循環(huán)冗余校驗碼)，crc編碼之后的再進(jìn)行polar碼編碼，編碼之后的序列經(jīng)過調(diào)制之后被送入信道傳輸，然后在接收端對信道輸出序列進(jìn)行sc譯碼，如果此時得到的譯碼碼字不能通過crc，則判定sc譯碼碼字存在錯誤，不應(yīng)作為輸出結(jié)果，激活擾動操作即向信道輸出序列加微小的獨立噪聲做擾動，然后使用擾動后的序列重新進(jìn)行譯碼，仿真實驗表明，擾動操作后的譯碼器有可能產(chǎn)生更優(yōu)的碼字，當(dāng)能通過crc的碼字出現(xiàn)時，將該碼字作為譯碼輸出，譯碼宣布成功。為了限制擾動譯碼過程的復(fù)雜度，方法中設(shè)置了一個擾動次數(shù)的閾值，當(dāng)擾動次數(shù)達(dá)到閾值時還未產(chǎn)生通過循環(huán)冗余校驗的碼字時，終止擾動過程，對已產(chǎn)生的若干條譯碼碼字依據(jù)對應(yīng)信道的似然計算公式計算各自的似然值，使用似然最大的碼字作為譯碼輸出。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于擾動的crc輔助中短碼長polar碼有效譯碼方法，包括如下步驟：

步驟1：發(fā)送端將待傳輸?shù)男畔⑽贿M(jìn)行crc編碼，crc編碼之后再進(jìn)行polar碼編碼，編碼之后的序列經(jīng)過bpsk調(diào)制之后被送入信道傳輸；

步驟2：在接收端，對信道輸出序列y進(jìn)行sc譯碼，count＝0，若譯碼結(jié)果能通過crc校驗，則譯碼結(jié)束，輸出譯碼結(jié)果否則進(jìn)入接下來的步驟，激活擾動操作；

步驟3：使用噪聲發(fā)生器產(chǎn)生均值為0，方差為σp²，長度為n的加性高斯白噪聲向量np，其中n為polar碼碼長，噪聲向量np最佳功率值σp²由仿真實驗得到；

步驟4：將np加到y(tǒng)上形成yp，即yp＝np+y，使用yp代替y計算信道對數(shù)似然比然后使用信道對數(shù)似然比作為初始化條件，單向連續(xù)地計算每個比特的似然比完成一次sc譯碼，并且把譯碼結(jié)果記錄進(jìn)d，count＝count+1，可由下面的公式計算得到：

步驟5：若擾動譯碼結(jié)果能通過crc校驗，譯碼結(jié)束，輸出譯碼結(jié)果；否則繼續(xù)步驟6。

步驟6：判斷count的值是否達(dá)到門限t，若達(dá)到則譯碼結(jié)束，根據(jù)下面的公式計算d中所有碼字的似然，并把似然最大的碼字作為譯碼輸出，若count的值小于門限t，則重復(fù)步驟3、步驟4和步驟5，直至滿足譯碼結(jié)束條件，

其中是譯碼碼字對應(yīng)的經(jīng)polar碼編碼和bpsk調(diào)制后的序列。

進(jìn)一步，上述步驟2中在sc譯碼器的譯碼碼字出現(xiàn)誤碼時，通過擾動操作使sc譯碼器產(chǎn)生更優(yōu)的碼字。

上述擾動的具體操作是對接收端接收到的信道輸出序列添加加性噪聲，使用擾動操作之后的序列作為初始化條件進(jìn)行sc譯碼。

上述步驟3中在碼長和碼率一定時，信道的信噪比越大，所需擾動噪聲的最佳功率值越大。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明將隨機(jī)共振原理運用到sc譯碼中，使用適宜的加性高斯白噪聲對awan的信道輸出作擾動，硬件實施簡單，更具實用性。

2、本發(fā)明使用crc檢驗sc譯碼器的譯碼碼字是否與信源信息序列相同，若譯碼碼字能通過crc校驗，我們稱之為有效譯碼碼字，否則稱之為無效碼字。crc檢驗有編碼和譯碼簡單，檢錯能力強，誤判概率低等優(yōu)點。

3、隨著信道環(huán)境的改善，本發(fā)明的譯碼復(fù)雜度將趨近于sc譯碼o(nlogn)，而已存在的性能最優(yōu)異的scl的譯碼復(fù)雜度是個定值o(lnlogn)。

附圖說明

圖1為基于擾動的crc輔助中短碼長polar碼有效譯碼方法示意圖。

圖2為碼長1024，碼率0.5的polar碼在sc譯碼方法與基于擾動的crc輔助中短碼長polar碼有效譯碼方法誤比特率圖。

圖3為圖2為碼長1024，碼率0.5的polar碼在sc譯碼方法與基于擾動的crc輔助中短碼長polar碼有效譯碼方法誤碼率圖。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明創(chuàng)造作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供一種基于擾動的crc輔助中短碼長polar碼有效譯碼方法，該方法包括以下具體步驟：

步驟1：發(fā)送端將待傳輸?shù)男畔⑽贿M(jìn)行crc編碼，crc編碼之后的再進(jìn)行polar碼編碼，編碼之后的序列經(jīng)過bpsk調(diào)制之后被送入信道傳輸。

步驟2：在接收端，對信道輸出序列y進(jìn)行sc譯碼，count＝0，若譯碼結(jié)果能通過crc校驗，則譯碼結(jié)束，輸出譯碼結(jié)果否則進(jìn)入接下來的步驟，激活擾動操作。

步驟3：使用噪聲發(fā)生器產(chǎn)生均值為0，方差為σp²，長度為n的加性高斯白噪聲向量np，其中n為polar碼碼長。噪聲向量np最佳功率值σp²由仿真實驗得到，實驗表明在碼長和碼率一定時，信道的信噪比越大，所需擾動噪聲的最佳功率值越大。

步驟4：將np加到y(tǒng)上形成yp即yp＝np+y，使用yp代替y計算信道對數(shù)似然比然后使用信道對數(shù)似然比作為初始化條件，單向連續(xù)地計算每個比特的似然比完成一次sc譯碼，并且把譯碼結(jié)果記錄進(jìn)d，count＝count+1。可由下面的公式計算得到：

步驟5：若擾動譯碼結(jié)果能通過crc校驗，譯碼結(jié)束，輸出譯碼結(jié)果；否則繼續(xù)步驟6。

步驟6：判斷count的值是否達(dá)到門限t，若達(dá)到則譯碼結(jié)束，根據(jù)下面的公式計算d中所有碼字的似然，并把似然最大的碼字作為譯碼輸出。若count的值小于門限t，則重復(fù)步驟3、步驟4和步驟5，直至滿足譯碼結(jié)束條件。

其中是譯碼碼字對應(yīng)的經(jīng)polar碼編碼和bpsk調(diào)制后的序列。

sc譯碼的核心在于單向連續(xù)地計算每個比特的似然比可由下面的公式計算得到：

從上式可以看出長度為n的對數(shù)似然比可以由兩個長度為的對數(shù)似然比計算得到，長度為的對數(shù)似然比可以由兩個長度為的似然比計算得到，依次類推，最終遞歸到長度為1的信道對數(shù)似然比由下面的公式計算得到：

其中(y1,y2,…,yn)是接收端接收到的信道輸出，w(yi|0)和w(yi|1)是假設(shè)分別發(fā)送‘0’和‘1’，經(jīng)過信道傳輸后接收到y(tǒng)i的信道轉(zhuǎn)移概率。

從上面的描述中可以得知，接收端接收到的信道輸出是sc譯碼的核心輸入，關(guān)系著每個比特的似然比的計算，直接影響譯碼的判決結(jié)果。如果信道是理想信道，那么譯碼就不會出現(xiàn)失敗。因此，譯碼錯誤的根源在于接收端接收到的信道輸出是受到信道噪聲污染過的。本發(fā)明的實驗結(jié)果表明，對已污染過的接收序列加入獨立的加性噪聲，能使譯碼結(jié)果往好的方向發(fā)展。

本發(fā)明使用crc檢驗sc譯碼器的譯碼碼字是否與信源信息序列相同，若譯碼碼字能通過crc校驗，我們稱之為有效譯碼碼字，否則稱之為無效碼字?，F(xiàn)假設(shè)信道噪聲是加性高斯白噪聲，系統(tǒng)采用bpsk調(diào)制方式。圖1是基于擾動的crc輔助中短碼長polar碼有效譯碼方法的流程圖。

本發(fā)明中，在發(fā)送端先將信息比特與crc碼級聯(lián)，與crc相級聯(lián)的polar碼的k比特信息位由兩部分組成：前一部分是k位的信息比特(即需要crc校驗的信息)，后一部分是r位的crc校驗碼，這里k＝k+r，polar碼的碼率設(shè)信源信息序列為d由polar碼編碼后生成的碼字序列為c經(jīng)bpsk調(diào)制后映射為傳輸序列其中xi＝1-2ci，1≤i≤n。x經(jīng)awgn信道傳輸后得到信道輸出序列其中yi＝xi+ni，1≤i≤n，ni是服從均值為0，方差為n0/2的高斯隨機(jī)變量。在接收端，已經(jīng)信道輸出序列y和凍結(jié)位集合sc譯碼器產(chǎn)生譯碼碼字若譯碼碼字能通過crc校驗，譯碼結(jié)束；否則在接收端產(chǎn)生均值為0，方差為σp²的加性高斯噪聲np，將np加到y(tǒng)上形成yp且使用yp代替y重新進(jìn)行sc譯碼，產(chǎn)生新的譯碼碼字把記錄進(jìn)集合d中，若能通過crc校驗，譯碼結(jié)束；否則重復(fù)擾動過程，直到譯碼碼字能通過crc校驗或者sc的重譯次數(shù)達(dá)到門限t。若sc的重譯次數(shù)達(dá)到門限t仍然未譯出有效碼字，則計算d中所有碼字的似然，并把似然最大的碼字作為譯碼輸出。

基于擾動的crc輔助中短碼長polar碼有效譯碼方法的具體操作步驟描述如下：

步驟1：發(fā)送端將信息比特進(jìn)行crc編碼得到信息序列信息序列中的k比特信息位由兩部分組成：前一部分是k位的信息比特(即需要crc校驗的信息)，后一部分是r位的crc校驗碼，這里k＝k+r。

步驟2：發(fā)送端將信息序列d進(jìn)行polar編碼得到編碼序列編碼公式為：

其中g(shù)n為n*n的生成矩陣，并且bn為比特翻轉(zhuǎn)矩陣，polar碼的碼率r＝k/n＝(k+r)/n。

步驟3：對c經(jīng)bpsk調(diào)制后映射為傳輸序列其中xi＝1-2ci，1≤i≤n。

步驟4：x經(jīng)awgn信道傳輸后得到信道輸出序列其中yi＝xi+ni，1≤i≤n，ni是服從均值為0，方差為n0/2的高斯隨機(jī)變量。

步驟5：在接收端，對y進(jìn)行sc譯碼，count＝0，若譯碼結(jié)果能通過crc校驗，則譯碼結(jié)束，輸出譯碼結(jié)果否則繼續(xù)接下來的步驟。

步驟6：隨機(jī)產(chǎn)生均值為0，方差為σp²的加性高斯白噪聲np，然后將np加到y(tǒng)上形成yp且使用yp代替y重新進(jìn)行sc譯碼，count＝count+1，把譯碼結(jié)果記錄進(jìn)d，若譯碼結(jié)果能通過crc校驗，譯碼結(jié)束，輸出譯碼結(jié)果；否則繼續(xù)。

步驟7：判斷count的值是否達(dá)到門限t，若達(dá)到則譯碼結(jié)束，將根據(jù)下面的公式計算d中所有碼字的似然，并把似然最大的碼字作為譯碼輸出。否則重復(fù)步驟6。

從時間復(fù)雜度方面討論，本發(fā)明提出的譯碼方法的時間復(fù)雜度在最好情況下的是o(nlogn)，即只需要進(jìn)行一次sc譯碼就產(chǎn)生了有效碼字；在最差情況下的復(fù)雜度是o(tnlogn)。但是，隨著信道環(huán)境的改善，本發(fā)明的譯碼復(fù)雜度將趨近于o(nlogn)。

為了驗證基于擾動的crc輔助中短碼長polar碼有效譯碼方法的性能，給出了awgn信道條件下的碼長為1024，碼率為1/2下polar碼，幀數(shù)100000，crc16-ccitt(g(x)＝x¹⁶+x¹²+x⁵+1)，sc算法和基于擾動的crc輔助中短碼長polar碼有效譯碼方法(σp＝0.25,t＝2,8,16)的性能圖。圖2，3給出了兩種算法的誤比特率和誤幀率的對比，可以看出在相同誤比特率和誤碼率條件下，相比sc譯碼，本發(fā)明提出的方法能夠有效提升地提升性能。當(dāng)誤碼率為10^-3時，t＝8和t＝16時，基于擾動的crc輔助中短碼長polar碼有效譯碼方法相比于sc算法的譯碼性能增益分別為0.09db和0.2db。

現(xiàn)對本發(fā)明使用的參數(shù)進(jìn)行說明：

n—為polar碼碼長，

r—為polar碼碼率，

t—擾動次數(shù)的閾值

以上所述僅為本發(fā)明中的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。