基于信道极化的交错结构重复码的编码器及其编译码方法转让专利
申请号 : CN201110095135.7
文献号 : CN102122966B
文献日 : 2012-11-14
发明人 : 牛凯 , 陈凯
申请人 : 北京邮电大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于信道极化的交错结构重复码的编码器,用于对二进制发送信号进行编码而输出二进制编码序列;其特征在于:所述编码器由顺序连接的存储容量为L比特的重复比特缓冲器、输入输出信号序列长度为N的比特位置映射器和输入输出信号序列长度为N的信道极化装置所组成,输入端口I(0)、I(1)、…、I(K-1)用于接收来自信源的长度为K的二进制信号序列,输入端口F(0)、F(1)、…、F(N-K-L-1)用于配置预设的固定二进制信号序列,该两组输入端口都直接连接长度为N的比特位置映射器,其中,L又被称为重复长n度,0≤L≤K,K≤N,N=2,n为自然数;重复比特缓冲器的输入端口与编码器输入端口I(K-L)、I(K-L+1)、...、I(K-1)分别逐一连接,其标记为R(0)、R(1)、...、R(L-1)的输出端口连接到本质为交织器的比特位置映射器;比特位置映射器的功能是将两组输入端口I(0)、I(1)、…、I(K-1)和F(0)、F(1)、…、F(N-K-L-1)以及重复比特缓冲器的输出端口R(0)、R(1)、…、R(L-1)按照预先设定的规则,映射到长度为N信道极化装置的长度为N的输入端口组U(0)、U(1)、…、U(N-1),再从该信道极化装置的输出端口组X(0)、X(1)、…、X(N-1)获得该编码器的输出;所述重复比特缓冲器的功能是将已经存储的数据按原来的顺序送到输出端后,再将输入端的数据按顺序进行存储。
2.一种采用权利要求1所述的编码器的编码方法,其特征在于:所述方法是将重复编码嵌入到信道极化过程中,并在信道极化过程中先后发送的码块的部分比特之间引入重复关系进行编码,该方法包括下述操作步骤:n
(1)确定编码参数:编码器的输出信号序列长度N=2,n为自然数,编码器的输入信号序列长度为K,且0
先按照下述方法定义N个极化信道:送入信道极化装置的信号序列为u0u1…uN-1,接收端译码器从信道接收到的信号序列为y0y1…yN-1,序号为i的极化 信道以ui为输入、y0y1…yN-1和u0u1…ui-1为输出,其转移概率函数为 简记为 式中,下标N表示信道极化装置的长度,上标i表示极化信道的序号,0≤i≤N-1;
然后计算各个极化信道的可靠性数值、即巴塔恰里亚Bhattacharyya参数:
转移概率函数为W(y|u)的二进制输入信道的Bhattachryya参数的计算公式为 式中,Y为所有信道输出的可能取值、即变量y的集合;
Bhattacharyya数值越大的信道,可靠性越低;Bhattacharyya数值越小的信道,可靠性越高;
(3)分类确定四种类型信道位置和数量,以及相关信道的对应关系:根据码率R、码长N和步骤(2)中计算得到的各个信道的Bhattachryya可靠性参数,遍取重复长度L和重复区域分界M允许的取值,其中,0≤L≤K且L≤M≤N-K+1,搜索得到使得码块错误概率的上界η值最小的L和M的值,并在该配置下分别确定下述四种类型信道位置和数量:非重复信息信道(K-L)个、重复信息信道L个、重复信道L个、固定信道(N-K-L)个;然后,确定重复信息信道与重复信道的对应关系;
(4)将一个长度为K的二进制输入信号序列 中的前(K-L)个比特标记为非重复信息比特序列,剩余的L个比特标记为重复信息比特序列 再从重复比特缓冲器读出前一个编码码块的重复比特序列 如果此时是第一个编码码块,则将 赋值为全零序列,同时对重复信息比特序列 进行复制,将得到的重复比特序列存储于重复比特缓冲器;如果没有特殊设置,则将固定比特序列 赋值为一个长度为(N-K-L)的全零序列;
(5)按照前述步骤的信道分类和对应信道的重复关系,将二进制输入信号序列 中的前(K-L)个比特送入非重复信息信道,而标记为重复信息比特序列 的剩余的L个比特送入重复信息信道,再将从重复比特缓冲器中读出的前一个编码块的重复比特序列 送入重复信道和将固定比特序列 送入固定信道;上述比特序列送入信道极化装置经过一系列交织及模二加运算后,得到最终将被 送入极化前信道W的N个比特,即输出信号 至此完成一次编码操作,流程结束。
3.根据权利要求2所述的编码方法,其特征在于:所述步骤(3)进一步包括下列操作内容:给定编码器输出信号序列长度N、编码器输入信号序列长度K、重复长度L和重复区域分界M的取值,按照如下方法对信道进行分类和计算码块错误概率的上界值:按照下述方法把信道划分成下述四种类型:从信道序号大于或等于重复区域分界M的信道中选取最可靠的K个信道作为信息信道,并将该K个信道中可靠性较低的L个标记为重复信息信道,其余的标记为非重复信息信道,再从信道序号小于M的信道中选取最可靠的L个信道标记为重复信道,未被标记为非重复信息信道、重复信息信道或重复信道的剩余信道则全部标记为固定信道;
将重复信息信道和重复信道分别按其序号从小到大顺序排列,再按该顺序一一对应构成重复关系后,采用下面公式计算码块错误概率的上界η:式中,I1和I2分别为非重复信息信道和重复信息信道的序号集合,R(j)是序号为j的重复信息信道所对应的重复信道的序号。
4.一种采用权利要求1所述的编码器的译码方法,是使用简单、快速的串行抵消SC算法进行译码;其特征在于:为方便叙述,当译码器对序号为p的码块进行译码判决时,称序号为p的码块为“当前码块”,序号为(p-1)的码块为“前一码块”,序号为(p+1)的码块为“后一码块”,式中自然数p是译码器接收的码块序号;所述译码方法包括下列操作步骤:(1)从信道接收当前码块所对应的一组长度为N的信号序列 并等待后
一码块所对应的长度为N的信号序列 被接收完毕;再从预存的前一次译
码过程得到的前一码块的判决序列 中,按照序号从小到大顺序取出重复
信息比特,得到该当前码块的重复比特序列的判决值; 信号序列或判决序列中各元素的上标p、p-1、p+1分别表示该信号序列或判决序列对应于当前码块、后一码块和前一码块;
(2)对当前码块和后一码块各自对应的两组长度为N的接收信号,分别从序号i=0的比特和j=0的比特开始传统极化码的串行抵消译码操作;
(3)暂停对后一码块的译码,继续对当前码块中序号为i的比特执行译码:
若 为 重 复 信息 比 特,则 按 照 下 述 公 式 计算 该 比 特 取 值 的 概 率 比 但不立即进行判决,跳转执行步骤(4)的操作;
若为重复比特,则用步骤(1)得到的判决值进行判决,即 R-1(i)是R(j)的反函数,其值为序号为i的重复信道所对应的重复信息信道的序号;
若为固定比特,按照传统极化码处理固定比特的方法,根据预先设定的固定序列进行判决,即
若为非重复信息比特,按照传统极化码处理信息比特的方法进行判决,
此时,若已完成对全部比特的判决,则停止译码过程,保存该判决序列用于下一次译码过程,并从判决序列中分别取出重复信息比特和非重复信息比特,再分别按序号从小到大顺序排列后,将排序后的两部分比特合并到一起,非重复信息比特在前、重复信息比特在后,得到译码结果并输出;否则,令i=i+1,再次进行步骤(3)的译码操作;
(4)暂停对当前码块的译码,继续对后一码块中序号为j的比特执行译码:根据设计规则,不可能出现该比特是重复信息比特或非重复信息比特,也不可能出现该比特是重复比特但与当前码块中的第i个比特不构成重复关系;若遇到固定比特,则按照传统极化码处理固定比特的方法,根据预先设定的固定序列进行判决,即 然后令j=j+1,再次执行步骤(4)的译码操作;若遇到重复信息节点,则计算该比特取值的概率比 按照下述方法进行判决:如果 则当前码块中的第i个比特和后一码块中的第j个比特都判决
为0;否则,当前码块中的第i个比特和后一码块中的第j个比特都判决为1;然后,令i=i+1,j=j+1,返回执行步骤(3)的译码操作。
5.根据权利要求4所述的译码方法,其特征在于:所述步骤(1)中,如果当前码块是接收到的第一个码块、即其序号p为1,则将重复比特的判决序列置为全零序列。
6.一种采用权利要求1所述的编码器的译码方法,是使用基于泰纳Tanner图的置信度传播算法进行迭代译码;其特征在于:所述方法包括下列操作步骤:(1)以两个普通极化码的泰纳图为基础,其中一个对应当前码块,另一个对应后一码块,将当前码块的重复信息比特对应的第n层变量节点和后一码块中与其构成重复关系的重复比特对应的第n层变量节点,逐个用一个度为2的校验节点连接起来,共需要增加L个这样的校验节点,其中,L为重复长度;由这L个校验节点将原来的两个极化码泰纳图连接起来,得到一个新的泰纳图;
(2)从信道接收当前码块所对应的一组长度为N的信号序列,并等待后一码块所对应的长度为N的信号序列被接收完毕后,从预先保存的前一次译码过程得到的判决序列中,顺序取出重复信息比特,得到当前码块的重复比特序列的判决值;
(3)以步骤(1)建立的泰纳图为基础,使用置信度传播算法进行迭代译码:译码初始阶段,用从信道接收的信号和已知的固定比特序列分别初始化第0层变量节点和第n层变量节点中对应的部分,用步骤(2)中得到的当前码块的重复比特序列初始化第n层变量节点中的对应部分;初始化完成后,进行置信度传播迭代译码;迭代译码过程停止后,根据当前码块对应的第n层变量节点的消息对相应的比特进行判决,得到判决序列;再保存该判决序列用于下一次译码过程;从判决序列中分别取出重复信息比特和非重复信息比特,并分别按序号 从小到大排列后,再将排序后的两部分比特合并到一起,非重复信息比特在前、重复信息比特在后,得到译码结果并输出。
7.根据权利要求6所述的译码方法,其特征在于:所述步骤(2)中,如果当前码块是接收到的第一个码块、即其序号p为1,则将重复比特的判决序列置为全零序列。
说明书 :
基于信道极化的交错结构重复码的编码器及其编译码方法
技术领域
背景技术
2 2
原本独立的两个未经极化的信道W被合并成一个两输入两输出的向量信道W2:X →Y,其中X2=X×X,运算×为笛卡尔积。该向量信道包含两个子信道 (输入为u0,输出为y0y1)和 (输入为u1,输出为y0y1u0),这两个子信道即是两个极化信道。经过该单步极化过程,从信道容量上看,
其中I(·)表示求信道容量的函数。也就是说:单步极化后,在和容量保持不变的情况下,相比原本未经极化的信道,极化后的信道容量发生了偏离:一个增加,一个减少。如果对两组已经一次极化操作的信道,再在两组互相独立的转移概率相同的极化信道之间,再次分别进行单步极化操作,该偏离会更加明显,称这一组单步极化操作为第二层极化操作,而前一组单步极化操作称为第一层极化操作。每多做一层极化操作,需要的信道数就会比原先多一倍。因此,对N=2n个信道进行完全的极化,共需要n层极化操作,且每一层极化操作包括了N次单步极化操作。如不加特殊说明,“对N个信道进行极化操作”即是指完全极化。
理论上已证明,对接近无穷多个信道进行极化操作后,会出现一部分信道的容量为1,其余信道容量为0的现象,而容量为1的信道占全部信道的比例正好为原二进制输入离散信道的容量。
为发送信号x通过信道 得到输出y0…yN-1和 的概率。
该方法可以获得最理想的译码性能,但是,复杂度极高,达到O(2),对较大码长的情况难以实用。
发明内容
总之,本发明提出的编码器结构简单,其编译码方法具有较低的编译码复杂度、优异的纠错能力本发明的编码器具有线性的编译码复杂度、非常优异的纠错能力,特别适合应用于实际通信工程系统,具有很好的推广应用前景。
附图说明
具体实施方式
大的信道,可靠性越低;Bhattacharyya数值越小的信道,可靠性越高。
重复次数 44 61 54 51 54 50
分界位置 469 483 476 469 467 469
重复次数 101 98 97 98 99 101
分界位置 943 944 942 940 939 938