基于极化码的自适应连续消除译码方法及架构与流程

文档序号:11146814阅读:435来源:国知局
基于极化码的自适应连续消除译码方法及架构与制造工艺
本发明涉及无线通信技术,特别是涉及基于极化码的自适应连续消除译码方法及架构。
背景技术
:为了提高通信系统传输的可靠性,信道编码应运而生。作为一种用来克服信道中干扰和噪声、实现高效可靠通信的技术,编码理论创立于1948年。信道编码定理是阐明使传信率逼近信道容量的编码是存在的定理。该定理指出,若信道容量为C,待传的信息率为R,若R大于C则不存在有编码法能实现上述的传信。随着第一代移动通信技术的进一步发展和需要,目前面临的最紧急的问题在于如何选择一个新的信道编码方案,用以满足日益增加的频谱效率的要求。香农定理提出的60来年,为达到香农极限,新的编码方式一直在被创造。20世纪50年代以来,BCH码和RS码等线性分组码和卷积码是早期的研究重点,之后是网络编码及代数几何码。1990年以后,信道编码的发展速度得到很大程度上的提升,Turbo码及LDPC码成为主流研究方向,被广泛应用于通信系统。但Turbo码和LDPC虽然接近但均无法达到香农极限,同时具有较高的编码、译码复杂度。但2008年,Arikan根据信道极化提出了极化码,是第一个理论证明能在一个离散无记忆信道下达到信道容量的编码,并具有较低的计算复杂度,因此极化码是无线通信领域的重大突破,具有很大发展前景。信道极化是指从N个独立的二进制离散无记忆信道(B-DMC)中通过迭代得到信道{WN(i)}。对信道编码而言,经过极化的信道{WN(i)}是理想的,随着N趋于无穷大,信道容量会趋于两极化,一部分趋向于“1”,其数据传输率可视为1;另一部分则趋向于“0”,则设为0。信道结合需经历信道结合及信道分裂两项操作,先对多个单信道进行结合,再对结合的信道进行分裂,由信道链路法则,结合的过程中系统容量不发生变化,整个系统的截止频率由此可以被提高。这就是信道极化的基本结构。信道译码对无线通信系统的质量起到了决定性的作用,目前常用的译码算法有连续删除(successivecancellation,SC)译码,最大似然比(maximumlikelihood,ML)译码及基于SC译码的连续删除列表(successivecancellationlist,SCL)译码等。其中传统的SC译码只选择概率最大的码位,而SCL译码每次保留L条可能“幸存”的路径,最后选择最佳路径。但可以发现,大多SCL译码算法是在CRC检测失败的情况下将列表长度翻倍,这样不适用于低复杂度的高速应用,同样为硬件配置造成了困难。面对此情况,基于SCL译码的adaptiveSCL译码算法由ChuanZhang提出。初始列表长度为规定的最大长度,在译码的过程中,在第L/2条和第L/2+1条路径的最大转移概率的对数比超过阈值时,列表长度减半。此算法在高信噪比情况下效果显著,但不适合信噪比低的情况。CRC校验可作为一种判断标准以实现早中断,KaiNiu提出了CRC-AidedSCL(CA-SCL)算法,将CRC用于最后以检验路径正确性,但此算法会产生额外的复杂度。SegmentedCRC-AidedSCL算法将代码分段以加入CRC校验,与CA-SCL相比,此算法可被视为一个早中断机制。在低信噪比的情况下,译码器将会在到达最大码长前终止,可以实现复杂度的降低,但在低信噪比的情况下效果并不明显。技术实现要素:发明目的:本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的基于极化码的自适应连续消除译码方法及架构。技术方案:为达到此目的,本发明采用以下技术方案:本发明所述的基于极化码的自适应连续消除译码方法,当信噪比小于特定阈值时,选用SCA-SCL译码器,否则选用adaptiveSCL译码器;当列表长度大于特定阈值时,进行译码器转化,具体步骤如下:S1:初始化:将初始路径列表置为0,所有存储矩阵置为0;S2:扩张:在信息码二叉树的第i级,如果i是冻结位,则译码路径置为0;若i是信息位,则译码矩阵根据公式(1)用0或1填充:式(2)中,表示信道转移概率,为接收矩阵,为先前的信道输入,为先前信道输入的译码矩阵,表示输入为0时的信道转移概率,表示输入为1时的信道转移概率;S3:判断:如果Eb/N0<T1,选择SCA-SCL译码器,即fmode=1;否则,选择adaptiveSCL译码器,即fmode=0;其中,Eb/N0表示信噪比,T1表示转换译码器时Eb/N0应达到的阈值,fmode表示编码器的序列号;S4:切换:当L>T2时,切换至另一种译码器,即将adaptiveSCL译码器变为SCA-SCL译码器,或将SCA-SCL译码器变为adaptiveSCL译码器,fmode=1-fmode;其中,L表示列表长度,T2表示转换译码器时L应达到的阈值。进一步,所述T1=T2=1.5,0<Eb/N0<4。本发明所述的基于极化码的自适应连续消除译码架构,包括初始化模块、扩张模块、判断模块、切换模块、SCA-SCL译码器和adaptiveSCL译码器;其中:初始化模块:用于初始路径列表和所有存储矩阵置零;扩张模块:用于信息码二叉树信息确定译码路径和候选路径信息,其中译码路径的赋值由公式(3)决定:判断模块:用于根据信噪比与信噪比阈值选择译码器,当信噪比小于信噪比阈值时选择adaptive译码器,否则选择SCA-SCL译码器;切换模块:用于根据列表长度与列表长度阈值确定切换译码器,当列表长度超过列表长度阈值时选择另一种译码器;SCA-SCL译码器:用于执行SCA-SCL算法进行译码,在译码过程中对整段信息分为四段添加CRC校验,若通过校验译码则继续,否则报错停止;adaptiveSCL译码器:用于执行adaptiveSCL算法执行译码,译码时两条路径译码同时进行,比较两条译码路径当前节点的对数似然比,若两者之差超过对数似然比之差的阈值则选择似然比较大的译码路径,否则保留两条路径。有益效果:与现有技术相比,本发明具有如下优点:(1)本发明的主要计算单元为加法器和乘法器,非常适合硬件实现,在保证性能的情况下,大大降低了计算复杂度和硬件代价。(2)本发明实现了两种高性能译码器的组合,达到更优的效果,适用于各种信噪比情况下的译码。(3)本发明取不同列表长度可以达到不同的性能指标,可以满足通信系统不同的配置要求,具有丰富的灵活度,且取不同列表长度不需要改变硬件结构,不花费额外的硬件代价。(4)本发明提出了编码性能的另一种评价标准。(5)本发明能适用于多种极化码译码系统,其兼容性好。附图说明图1为本发明具体实施方式的译码架构框图;图2为本发明具体实施方式的译码架构与现有技术中的两种译码器的译码性能比较图;图3为本发明具体实施方式的译码架构与现有技术中的两种译码器的列表长度比较图;图4为本发明具体实施方式的译码架构在不同码长下的列表长度比较图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。本具体实施方式公开了一种基于极化码的自适应连续消除译码方法,当信噪比小于特定阈值时,选用SCA-SCL译码器,否则选用adaptiveSCL译码器;当列表长度大于特定阈值时,进行译码器转化,具体步骤如下:S1:初始化:将初始路径列表置为0,所有存储矩阵置为0;S2:扩张:在信息码二叉树的第i级,如果i是冻结位,则译码路径置为0;若i是信息位,则译码矩阵根据公式(1)用0或1填充:式(2)中,表示信道转移概率,为接收矩阵,为先前的信道输入,为先前信道输入的译码矩阵,表示输入为0时的信道转移概率,表示输入为1时的信道转移概率;S3:判断:如果Eb/N0<T1,选择SCA-SCL译码器,即fmode=1;否则,选择adaptiveSCL译码器,即fmode=0;其中,Eb/N0表示信噪比,T1表示转换译码器时Eb/N0应达到的阈值,fmode表示编码器的序列号;S4:切换:当L>T2时,切换至另一种译码器,即将adaptiveSCL译码器变为SCA-SCL译码器,或将SCA-SCL译码器变为adaptiveSCL译码器,fmode=1-fmode;其中,L表示列表长度,T2表示转换译码器时L应达到的阈值。切换机制的算法如下所示:此方法的重点在于T1和T2的选择,根据SCA-SCL译码器及adaptiveSCL译码器的仿真结果可知,当列表长度L=2时,T1和T2最适宜的值均为1.5。经过实验论证,在不同信噪比及译码长度下,在默认L=2时,T1,T2最适合的值均为1.5,该译码准则可被视为选择两种译码器性能最好的部分。本具体实施方式还公开了一种基于极化码的自适应连续消除译码架构,如图1所示,包括初始化模块、扩张模块、判断模块、切换模块、SCA-SCL译码器和adaptiveSCL译码器;其中:初始化模块:用于初始路径列表和所有存储矩阵置零;扩张模块:用于信息码二叉树信息确定译码路径和候选路径信息,其中译码路径的赋值由公式(3)决定:判断模块:用于根据信噪比与信噪比阈值选择译码器,当信噪比小于信噪比阈值时选择adaptive译码器,否则选择SCA-SCL译码器;切换模块:用于根据列表长度与列表长度阈值确定切换译码器,当列表长度超过列表长度阈值时选择另一种译码器;SCA-SCL译码器:用于执行SCA-SCL算法进行译码,在译码过程中对整段信息分为四段添加CRC校验,若通过校验译码则继续,否则报错停止;adaptiveSCL译码器:用于执行adaptiveSCL算法执行译码,译码时两条路径译码同时进行,比较两条译码路径当前节点的对数似然比,若两者之差超过对数似然比之差的阈值则选择似然比较大的译码路径,否则保留两条路径。定义了fpeak作为衡量译码器综合性能的量,在Eb/N0=0~4.0时,其中,Lpeak作为在信噪比区间范围内列表长度的峰值,Lavg表示在不同信噪比下列表长度的平均值,fpeak越低则表示译码器的适用范围越广,可以预测到,Eb/N0从0逐渐增加时,平均列表长度将会先增加再减小,但始终保持平坦。这一预测将在下面被证实。图2显示了本具体实施方式与SCA-SCL译码器的性能比较,由图可见,本具体实施方式的性能与先前译码器相比并未下降。图3显示了本具体实施方式与adaptiveSCL译码器及SCA-SCL译码器的列表长度,由于SCL极化码译码器的计算复杂度与列表长度正相关,由图可见,在极端信噪比的情况下,本具体实施方式表现良好,且复杂度明显降低。本具体实施方式与adaptiveSCL译码器及SCA-SCL译码器在信噪比为0-2.5时的列表长度数值如表1所示,经计算可得,在SNR为0dB时,本具体实施方式的复杂度与传统的SCL译码算法相比下降了43.02%,由此可知,本具体实施方式能在保持性能的同时,显著降低算法的计算复杂度。表1在不同信噪比下的列表长度比较Eb/N0(dB)00.51.01.52.02.5AdaptiveSCL列表长度1.77601.68751.55001.39121.28691.2177SCA-SCL列表长度1.02201.16001.24501.47001.63001.7800本具体实施方式列表长度1.01201.18001.23001.43121.27791.2034图4显示了本具体实施方式在不同码长下的列表长度,展示了译码性能与码长的关系,由图可见,随着码长N的增大,复杂度的降低越发显著。fpeak可以反映曲线的平坦程度,译码在追求列表长度降低的同时应该满足在各种信噪比下的性能差别不大,因此fpeak应该尽可能的小,本具体实施方式选择20%作为合适标准。由式(4)计算可得,本具体实施方式在码长N=64时,fpeak=9.77%,N=128时,fpeak=8.96%,N=256时,fpeak=19.28%,N=1024时,fpeak=18.31%,均满足要求。综上所述,本具体实施方式在复杂度和性能上展现了它们的优势,也显示了对于实际应用的巨大潜力。当前第1页1 2 3 
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