一种极化码编译码方法与流程

本发明属于信道编码领域，具体涉及一种极化码编译码方法。

背景技术：

极化码是Arikan Erdal于2007年提出的一种信道编码方法，在二进制离散无记忆信道下，当码长为无限长时，极化码是现有可证明的的唯一一种能够达到信道容量的编码方法。然而在码长为有限长时，极化码的SC译码性能要低于现有的Turbo码和LDPC码。针对这个问题，Ido Tal提出SCL译码算法——即通过增加存储可能存在的译码路径来提升性能，但是这种通过增加存储可能的译码路径会浪费大量的寄存器，由于在一次完整的译码过程中绝大多数的寄存器都不会被访问就要被释放，这就导致寄存器利用率很低，并且在低信噪比的时候性能比较差。为了提高极化码的最小距离，Ido Tal提出使用CRC(即循环冗余校验码——Cyclic Redundancy Check)辅助校验极化码来改善低信噪比时的性能，当使用CRC辅助SCL译码算法时，极化码的性能要优于Turbo码和LDPC码的性能。然而在HARQ协议中通过传统的CRC辅助校验的方法，会大大增加译码时延，其高时延根本无法满足实时通信的需求。

针对于SCL译码算法存在的寄存器利用率较低和CRC校验时延高的问题，本发明使用分段奇偶校验和CRC的混合结构，对极化码的编译码进行改进。传统的CRC辅助校验是在接收端译码结束后，对L条保留的路径做CRC校验；分段CRC辅助校验在接收端每次译码到分段部分的结尾时，就对L条保留的路径做奇偶校验或者CRC校验，直到最后一层的结尾进行校验完才完成译码。对于最后一个分段，使用CRC校验；其他的分段，则使用奇偶校验。这种分段奇偶校验和CRC联合辅助的方式在译码的时候就可以重复使用寄存器以达到提高寄存器利用率。在HARQ协议中，传统的CRC辅助校验是在全部译码结束并且没有通过CRC校验的情况下，需要重传全部码字并再一次对整个码字进行译码；而分段奇偶校验和CRC联合辅助校验是，如果第一层或者前几层没有通过CRC校验就可以直接进行重新传输码字再次译码，这样就节省很长的译码时间，从而得到很大的降低时延。

技术实现要素：

本发明针对现有的现有SCL译码算法下寄存器利用率低和CRC校验时延高的问题，提出了一种分段奇偶校验和CRC联合辅助的极化码编译码方法，该方法在编码端使用一种分段奇偶校验和CRC的信息校验结构进行编码产生码字，并且在译码端设计了对应分段奇偶校验和CRC辅助极化码的译码算法，对接收的码字进行分段的译码校验，直到最后一段译码校验结束才完成整个极化码译码。

本发明的技术方案为：

一种极化码编译码方法，其特征在于，包括：

编码：采用分段奇偶校验和CRC联合辅助的编码，具体包括：

a.对信息比特进行分段：设码长为N比特，码率为R，总的信息位比特为K＝NR比特，N＝2ⁿ，上标n为自然数，将信息分为M段，每段长度为k_i，则k为保留的信息比特数；

b.对分段后的信息比特进行编码：对前M-1个分段使用奇偶校验，最后一个分段使用CRC校验，具体为：

b1.分段后，每个分段有k_i个消息比特，1≤i<M，则在第i层信息比特位当中，每产生k_i个信息比特位，就对其进行奇偶校验并产生得到校验位，将这个校验位级联在产生的k_i个信息比特位后面构成一组，构成第i层长度为k_i+1的信息比特；

b2.重复步骤b1依次对第i层的信息进行编码，1≤i≤M-1；

b3.对第M层，将最后的k_M个信息比特，进行CRC编码并产生r个校验位，将这r个校验位级联在k_M个信息比特后面构成第M个分段；

将编码后生成的码字经过信道进行传输；

译码：设接收端接收到的第i层信息比特数为N_i，可得具体包括：

c.在接收端对第i段的N_i比特接受信息进行SCL译码，最大保存路径为L条，1≤i<M；

d.当第i段的N_i比特接受信息译码结束，对L条保留的路径做奇偶校验，选择以下作为输出：当仅有一条路径通过奇偶校验时，就输出该路径；当有多条路径通过奇偶校验时，输出这些路径中似然概率最大的一条路径；当没有通过奇偶校验的路径的时，输出似然概率最大的一条路径，这层的译码结束，将这条路径保存并且传送到下层的译码器中；

e.重复步骤c、d直到对第i段的接收信息完成SCL译码并进行奇偶校验，1≤i≤M-1；

f.接收端对第M段进行SCL译码，对L条保留的路径做CRC校验，选择以下作为输出：当仅有一条路径通过CRC校验时，就输出该路径；当有多条路径通过CRC校验时，输出这些路径中似然概率最大的一条路径；当没有通过CRC校验的路径的时，输出似然概率最大的一条路径，得到最终译码的结果。

在上述方案中：步骤e、f使用的译码器对码字的译码流程与原有SCL译码器相同。不同的是，每当译码器完成一段个码字的译码就对其输出到校验器，校验器在接收到的个可能译码路径中选取可以通过奇偶校验或者CRC并且概率最大的一条，译码器就将这个结果作为这一段信息比特的最终译码结果储存下来并释放剩余的寄存器，然后将结果传回的译码器，开始下一段的译码，直到所有的译码全部译码结束。分段奇偶校验和CRC联合辅助的极化码译码算法流程如图3。在每段译码结束后，译码器会保留译码结果，并且释放剩余的存储器，这个操作就可以保证寄存器利用率的极大提高。

如图4所示，给出了传统CRC辅助极化码SCL译码占用寄存器的存储情况，在传统CRC辅助的SCL译码过程中，由于保存路径随着译码比特数的增加呈现2的幂次增长，很快达到最大保存路径数L(由于N>>M)，忽略在路径未达到L时未占用的存储单元，认为在每一比特译码时都存储了L个路径，SCL译码结束时就总共占了NL大的存储空间，如图4的阴影部分所示。为了简化分析，令N₁＝N₂＝…＝N_M＝N/M，图3(b)给出了分段奇偶校验和CRC联合辅助的极化码SCL译码占用寄存器的存储情况，在分段奇偶校验和CRC辅助SCL的译码过程中，译码路径被分成了M段，每层N/M个比特，每译完一层，选择一条最优路径保存并舍弃其他的路径，然后进入下一段的译码，译码结束总的存储占有空间为由图5中的阴影部分和斜线部分组成。由此，可以得到分段奇偶校验和CRC联合校验与传统CRC校验节省的存储空间为：

本发明的有益效果为，本发明基于传统CRC辅助极化码SCL译码的方法，分段CRC辅助的极化码信息结构，提出了分段奇偶校验和CRC联合辅助极化码的编译码方法，该方法在编码端使用一种分段奇偶校验和CRC校验的信息校验结构进行编码产生码字，并且在译码端设计了对应分段奇偶校验和CRC校验辅助的极化码的译码算法，对接收的码字进行分段的译码校验，最终在没有过多性能损失的情况下，极大的节省了寄存器存储空间，为硬件实现提供很大的便利。同时，在HARQ协议中使用分段奇偶校验和CRC联合辅助极化码的编译码方法。如果第一层或者前几层译码结束后奇偶校验或者CRC校验没有通过，可以直接反馈并重传，不用等到全部译码结束CRC校验不通过的话再重传，这样就可以降低时延，为实时通信带来很大的便利。

附图说明

图1是传统CRC辅助极化码信息结构示意图；

图2是本发明的分段CRC辅助极化码的信息结构示意图；

图3是本发明的译码算法流程图；

图4是传统CRC辅助SCL译码算法的寄存器占用示意图；

图5是本发明的CRC辅助极化码寄存器占用示意图；

图6是基于本发明的CRC辅助极化码的HARQ协议系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：

实施例：

码长为N＝1024比特的极化码的码字，码率R＝0.5，总的信息位比特为K＝NR＝512比特，现在牺牲一定的信息比特来校验极化码提升译码性能，把信息分为M＝5段，前4段消息使用奇偶校验，第5段消息使用8比特的CRC校验，这样总共有12个比特用于校验。前4个信息分段就由100个消息比特和1个奇偶校验比特组成；第5个信息分段就由100个消息比特和8个CRC比特组成，如图1(b)所示，最大保存路径设置为为L＝16条。信息比特经过编码、信道传输，最后对接收端的接受信息进行分段的SCL译码、校验，最大保存路径为L条。分段奇偶校验和CRC联合辅助的极化码编译码方法，具体步骤如下：

第一步：对信息位进行分段奇偶校验和CRC联合辅助的编码；

1)采用的分段奇偶校验和CRC联合辅助的编码，其信息结构如图2所示，把奇偶校验和CRC校验信息分配到每层的信息做校验，图1所示为传统的CRC辅助编码的信息结构示意图；

2)在第一层信息比特位当中，每产生100信息比特位，就对其进行奇偶校验并将产生的校验比特级联到信息比特后面，构成第一段长度为101的信息比特；

3)按照图2的信息结构重复第2)个步骤，对第i段(1≤i≤4)的信息进行编码，产生长度为101的信息比特，最终产生4段长度为101的信息比特；

4)对第5段，对剩余的100个信息比特进行CRC编码并产生8个校验比特位，将这8个校验比特位级联在100个信息比特之后，构成第5段信息比特，长度为108。将这5段连接起来，就得到了512比特信息参与极化码编码，得到分段奇偶校验和CRC联合辅助校验的极化码码字。

第二步：对生成的码字经过信道进行传输，选择AWGN信道传输；

第三步：接收端对接受到的信息进行译码，得到信息估计，译码流程图如图2所示。

1)在接收端对第一层接受的101个信息比特进行SCL译码，最大保存路径为16条；

2)当第一层中的101个信息比特译码结束，对16条保留的路径做奇偶校验，选择以下作为输出：当仅有一条路径通过奇偶校验时，就输出该路径；当有多条路径通过奇偶校验时，输出这些路径中似然概率最大的一条路径；当没有通过奇偶校验的路径的时，输出似然概率最大的一条路径，这段的译码结束，将这条路径保存并且传送到下段的译码器中；

3)重复第1)、2)个步骤，对第i段(1≤i≤M-1)的接收信息完成SCL译码并进行CRC校验，直到最终完成4段的译码校验。

4)对第5段进行SCL译码，对L条保留的路径做CRC校验，选择以下作为输出：当仅有一条路径通过CRC校验时，就输出该路径；当有多条路径通过CRC校验时，输出这些路径中似然概率最大的一条路径；当没有通过CRC校验的路径的时，输出似然概率最大的一条路径，最终得到码字的译码的结果。

如图3所示，本发明与传统CRC辅助校验极化码相比较，此时，L＝16，N＝1024，M＝5，图4给出了传统CRC辅助极化码SCL译码占用寄存器的存储情况，在传统CRC辅助的SCL译码过程中，由于保存路径随着译码比特数的增加呈现2的幂次增长，很快达到最大保存路径数16，忽略在路径未达到L时未占用的存储单元，认为在每一比特译码时都存储了16个路径，SCL译码结束时就总共占了1024×16比特的存储空间，如图4的阴影部分所示。图5给出了分段CRC辅助极化码SCL译码占用寄存器的存储情况，在分段CRC辅助SCL的译码过程中，译码路径被分成了5段，每层205个比特，每译完一层，选择一条最优路径保存并舍弃其他的路径，然后进入下一层的译码，译码结束总的存储占有空间为由图5中的阴影部分和斜线部分组成。由此，可以得到多层CRC校验与传统CRC校验节省的存储空间为：

当分段数M＝8时，可以得到多层CRC校验与传统CRC校验节省的存储空间为：

由此可以看出，分段CRC辅助的极化码的SCL译码的存储利用率确实要超出传统CRC辅助的极化码，并且随着最大保留路径条数L和分段数M的增大，寄存器存储量的利用率越高。图6显示了在HARQ协议中，传统CRC辅助的极化码和分段CRC辅助的极化码的性能对比，从图中我们可以看出随着最大重传次数的增加，虽然两种结构的极化码性能都有明显的提高，但是分段CRC辅助极化码的提高更加明显，即重传带来的性能增益要比传统CRC的性能增益要高很多。本发明提出的多层奇偶校验和CRC联合辅助的极化码编译码方法比传统CRC辅助的方法具有很大优越性。