CN108173628A - 一种基于高阶调制不等错误保护特性的极化码混合自动重传请求方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高阶调制不等错误保护特性的极化码混合自动重传请求方法，属于通信***中物理层通信协议设计领域。首先针对每次需要传输的信息位，将其编成码字后经调制成高阶符号发送到接收端进行译码，如果不成功，则针对码字的长度及其调制映射方式，和真实信道的噪声条件建立数学模型并求解，得到每次需要重传的信息位的下标索引，重传该信息位所经过的等价二进制输入子信道序号，以及该信息位经过等价二进制输入子信道被重传的次数，记录在内存中，在每次重传时读取该内存得到要重传的符号序列。本发明进行译码时的误帧率低，提升***的吞吐量，提升整个通信***的性能，整体***更加灵活，适用于实际通信***中的不同的参数配置。

Description

一种基于高阶调制不等错误保护特性的极化码混合自动重传 请求方法

技术领域

本发明属于通信***中物理层通信协议设计领域，特别涉及信道编码与传输方式的结合，具体是一种基于高阶调制不等错误保护特性的极化码混合自动重传请求方法。

背景技术

混合自动重传请求技术可以有效的提升通信的服务质量和用户体验，因此该技术被广泛应用在现有的通信协议中，例如：IEEE 802.16m。极化码是一种新型的信道编码技术，目前已经被选为第五代移动通信技术中的控制信道和物理层广播信道的信道编码技术。因此研究极化码的混合自动重传请求技术就显得尤为重要。目前很多国家的研究机构提出了极化码的各种混合自动重传请求技术，如：美国三星研究院，丹麦的奥胡斯大学，加拿大的卡尔顿大学等等。

由于将传统的混合自动重传请求技术直接与极化码级联并不能获得很高的吞吐量，所以目前一个主要的研究方向就是将混合自动重传请求技术与极化码的某些特性相结合，从而进一步提升通信***的吞吐量。

极化码的混合自动重传请求技术的基本结构框图由极化码的编译码器，调制器，解调器和混合自动重传请求控制器组成。极化码的编码器将输入的信息位编码成极化码的码字，之后这些码字进入到调制器中，被调制成高阶符号发送出去。接收端接收到受到噪声污染的符号后开始译码，如果译码成功则反馈ACK信息给发送端，通知发送端开始发送下一帧。否则反馈NACK信息，发送端则再次发送一些符号来辅助接收端进行译码。

由于再次发送的符号的选择方法不同，所以接收端根据再次接收到的符号和第一次收到的序列进行译码的误帧率也是不同的，进而整个通信***的吞吐量也会不同。为了进一步降低再次译码的误帧率和提升吞吐量，需要根据高阶调制和极化码的特点来设计每次重传的序列。

在传统的极化码的高阶混合自动重传请求方法中，每次重传的都是固定长度的部分编码码字，且仅能兼容特定的极化码打孔方案。因此传统方法很不灵活，吞吐量性能较差。另外，传统的极化码的二阶混合自动重传请求方法并不能直接适用于采用高阶调制的通信***。

发明内容

本发明针对现有极化码的混合自动重传请求技术吞吐量低、不灵活的缺点；通过设计每次重传序列中所包含的二进制信息比特及这些信息比特与高阶符号的映射关系，提出了一种基于高阶调制不等错误保护特性的极化码混合自动重传请求方法。

具体步骤如下：

步骤一、在通信中，针对每次需要传输的信息位，极化码的编码器将其编成码字后经调制器调制成高阶符号发送到接收端，接收端进行译码并判断是否成功，如果是，则反馈ACK信息给发送端，开始发送下一帧；否则，反馈NACK信息，进入步骤二；

步骤二、针对每次需要传输的信息位编码码字的长度及其所使用的调制映射方式，和真实信道的噪声条件建立数学模型；

数学模型如下：

目标函数为：最小化接收端在重传序列辅助下再次译码的误帧率；

其中，P(ε)为译码器根据所有接收到的符号序列进行译码后，得到的错误概率；P(ε_j)为译码器根据所有接收到的符号序列进行译码后，第j个极化子信道传输的信息位的错误概率；A为传输信息位的极化子信道的下标集合。

为重传后第j个极化子信道在输入为0时，对应输出的LLR(对数似然比)的高斯分布；为的均值。为重传前第j个极化子信道在输入为0时，对应输出的LLR的高斯分布。为的均值。

将极化子信道的高斯分布的均值作为Q(x)的自变量，计算出该极化子信道传输的信息位的错误概率。

x_k,j表示第j个极化子信道传输的信息位，通过高阶调制的第k个等价二进制输入子信道被重传的次数。m为高阶调制的调制阶数，也就是等价二进制输入子信道的总数。当输入为0时，m个等价二进制输入子信道的输出的概率分布的均值为

N_T为重传序列中高阶符号的数量，调制器将重传序列划分成N_T块，每块中包含m个二进制比特。

条件C4表示得到的计数向量x_k,j(j∈A)是非负整数。

表示非负整数集合。

步骤三、对数学模型进行求解，得到每次需要重传的信息位的下标索引，重传该信息位所经过的等价二进制输入子信道序号，以及该信息位经过等价二进制输入子信道被重传的次数；

具体步骤如下：

步骤301、将高阶调制的m个等价二进制输入子信道按照容量从高到低排序；

步骤302、统计重传前，当A个极化子信道输入为0时，输出的所有高斯分布均值，并确定均值最小值对应的极化子信道下标为q。

步骤303、根据贪心算法，判定极化子信道q内传输的且需要经等价二进制输入子信道重传的信息位比特；

步骤304、将需要经等价二进制输入子信道重传的二进制比特放入中间变量等待，同时更新极化子信道q的均值；并将计数向量值x_p,q自增1。

计数向量值x_p,q初始值置为全0。

步骤305、返回步骤302重新确定均值最小值对应的极化子信道下标q'，经贪心算法计算需要传输的二进制比特并放入中间变量等待；

步骤306、重复N_T次将中间变量中等待的二进制比特，对应选择容量最高的等价二进制输入子信道p等待传输；

步骤307、重复上述步骤m次，每当中间变量中的二进制比特数量达到N_T个，依次选取排序后的等价二进制输入子信道进行匹配等待；

步骤308、最终得到每个等价二进制输入子信道需要同时重传的二进制符号。

二进制符号的信息包括需要重传的信息位的下标索引，也就是传输该信息位的极化子信道j，重传该信息位所经过的等价二进制输入子信道序号k，以及该信息位被重传的次数x_k,j。

步骤四、将每次需要重传的信息位的下标索引，重传该信息位所经过的等价二进制输入子信道序号，以及该信息位被重传的次数记录在内存中，在每次重传时读取该内存即可得到要重传的符号序列。

本发明的优点在于：

(1)一种基于高阶调制不等错误保护特性的极化码混合自动重传请求方法，接收端译码器结合本方法所确定的重传序列再次进行译码时的误帧率低，直接提升***的吞吐量，进而提升整个通信***的性能。

(2)一种基于高阶调制不等错误保护特性的极化码混合自动重传请求方法，整体***更加灵活，适用于实际通信***中的不同的参数配置，例如：极化码的不同打孔方案，不同的重传序列长度，不同的调制阶数以及重传码字数量。

附图说明

图1为本发明中基于高阶调制不等错误保护特性的极化码混合自动重传方法流程图；

图2为本发明要传输的信息位具体通信的过程示意图；

图3为本发明获取每个高阶调制的等价二进制输入子信道需要重传的二进制符号的流程图；

图4为本发明中涉及的高阶调制映射示意图；

图5本发明中涉及的实施例中所采用的4-PAM格雷映射示意图；

图6为本发明中所涉及的实施例中码长为4的极化码的各个极化子信道的均值示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。

本发明依据高阶调制中不同二进制输入子信道的可靠性不同，和极化码的不等错误保护特性对***进行数学建模；并根据极化码的性能可计算的特性和极化子信道的错误概率函数的单调性提出了低复杂度的求解算法。

如图1所示，具体步骤如下：

步骤一、在通信中，针对每次需要传输的信息位，极化码的编码器编成码字后经调制器调制成高阶符号发送到接收端，接收端进行译码并判断是否成功，如果是，则反馈ACK信息给发送端，开始发送下一帧；否则，反馈NACK信息，进入步骤二；

本发明所涉及的极化码的高阶混合自动重传方法如图2所示，长度为N的信息序列首先被极化码编码器编码成长度为N的极化码码字；然后混合自动重传控制器将本次传输的信息位存入缓存。高阶调制器将编码码字调制为高阶符号后发送出去；接收端接收到混合了高斯噪声的发送序列后，首先进行解调，计算每个编码码字的软信息，再将这些软信息送入极化码的译码器进行译码。如果译码结果通过校验器校验则接收端向发送端反馈ACK信息，发送端就开始向接收端发送新的帧；否则反馈NACK信息，发送端的混合自动重传控制器就根据预先设定好的重传序列进行信息重传以辅助接收端进行译码。

步骤二、针对每次需要传输的信息位编码码字的长度，所使用的调制映射方式，以及真实信道的噪声条件建立数学模型；

数学模型如下：

目标函数为：最小化接收端在重传序列辅助下再次译码的误帧率；因为最大化***吞吐量就等价于最小化每次重传后接收端再次译码的误帧率。

C1表示目标函数中的P(ε_j)的计算方法；P(ε)为译码器根据所有接收到的符号序列进行译码后，得到的错误概率；P(ε_j)为译码器根据所有接收到的符号序列进行译码后，第j个极化子信道传输的信息位的错误概率；A为传输信息位的极化子信道的下标集合。

P(ε_j)可以通过现有的Q函数来计算；将极化子信道的高斯分布的均值作为Q(x)的输入，计算出该极化子信道传输的信息位的错误概率P(ε_j)。

C2给出的计算方法；为重传后第j个极化子信道在输入为0码字时，对应子信道的等效输出的对数似然比LLR的高斯分布。为重传前第j个极化子信道在输入为0时，对应输出的LLR的高斯分布；利用现有的极化码的高斯近似构造方法计算出给定信道条件下，当输入为全0码字时，子信道输出LLR的高斯分布的均值；高斯分布的均值；为高斯分布的均值。

而计算的时候需要x_k,j(j∈A)；C3给出x_k,j(j∈A)的约束条件。x_k,j表示重传序列中第j个信息位(通过第j个极化子信道传输)通过第k个高阶调制子信道被重传输的次数(即：在一次重传的时候，重传序列中可能包含多个该信息位的副本)。

因为重传序列是由信息位组成，所以接收端将接收到的符号解调后，可以直接与之前译码出来的信息位的软信息相加合并，再进行判决；m为高阶调制的调制阶数，也就是等价二进制输入子信道的总数。为第k个等价二进制输入子信道在输入为0的时候，输出的高斯分布的均值。N_T为重传序列中高阶符号序列的长度，也就是通过高阶调制中每个等价二进制输入子信道的二进制比特数量。因为给定每次重传的高阶符号数N_T后，通过每个高阶子信道的二进制比特的数量也为N_T。

C4表示每个信息位被重传的次数是整数。为非负整数。

步骤三、对数学模型进行求解，得到每次需要重传的信息位的下标索引，重传该信息位所经过的等价二进制输入子信道序号，以及该信息位被重传的次数；

因为所提数学模型为NP问题，则其最优解只能通过穷举搜索的方法求出；但是穷举搜索的复杂度太高；所以基于贪心算法，提出了一种低复杂度的求解算法来求解该模型的局部最优解：首先将高阶调制的m个等价二进制输入子信道按照容量从高到低排序，从容量最高的等价二进制输入子信道开始，逐个确定该信道所要重传的信息比特序列，之后再确定容量次高的等价二进制输入子信道所要传输的信息比特序列；以此类推可以确定所有等价二进制输入子信道要重传的二进制信息比特。再根据每个等价二进制输入子信道与高阶符号的映射对应关系来对这些二进制比特进行高阶调制，从而可以得到所有的要重传的二进制符号序列。

具体为：首先，在确定每个二进制比特序列时，依据极化码的极化子信道的错误概率与其输出LLR的高斯概率分布的均值之间的单调关系，优先重传均值最低的极化子信道所传输的信息位。

然后，需要优先最大化该极化子信道所对应输出的LLR的高斯分布的均值。为此需要首先从高阶符号中等价高斯分布的均值最大的二进制输入子信道来重传该信息位。这样可以使得当重传一个比特的时候，最大化该信息位所对应的均值。

继续，更新该极化子信道输出所对应的高斯概率分布的均值，并将该信息位对应的计数向量自加1。

通过上述三步，可以确定一个待重传的二进制信息比特。

继续重复以上三步N_T次，则通过高阶调制符号的容量最大的等价二进制输入子信道的二进制比特序列就可以完全确定。

之后，通过类似的步骤可以确定高阶调制符号的容量第二大的等效子信道所传输的二进制比特序列。一共需要重复以上循环m次，则可以确定通过所有m个高阶调制等效二进制子信道所传输的二进制比特序列。

最后，通过调制器依次将这些二进制比特映射为高阶符号；这样需要重传的符号序列就可以确定下来。

如图3所示，具体步骤如下：

步骤301、将高阶调制的m个等价二进制输入子信道按照容量从高到低排序；

高阶调制中各个等价二进制输入子信道的容量是不同的；子信道容量越高，该等价二进制输入子信道对其中所传输的二进制比特的保护越好；以保持子信道容量不变为准则，针对高阶调制中的各个等价二进制输入子信道采用二进制输入的高斯信道进行拟合。

本发明所涉及的m阶调制映射示意图如图4所示，在调制器中，首先将输入序列c₁,...,c_N划分成N_T块，每块中包含m个二进制比特；第i个块中包含的比特为c_m(i-1)-,1...c,_mi,i＝1,...,N_T。调制器根据映射表将每个块中的m个二进制比特序列映射为一个高阶的2^m进制的符号，且映射中存在m个等价的二进制输入子信道。根据容量不变准则，采用二进制输入的高斯信道去拟合这m个等价二进制输入子信道。每个二进制比特对应m个子信道中的一个，每个子信道对应着N_T个符号。

当输入为0时，m个等价二进制输入子信道的输出的LLR概率分布的均值为假设这m个等价二进制输入子信道的容量依次从大到小排列，则有：

在高阶调制中，每个高阶符号通过一串二进制比特映射得到。此时该高阶调制可看做由许多等价的二进制输入子信道组成；因为不同的映射关系会导致这些子信道的容量不同，从而导致经由不同子信道所传输的二进制信息有不同的可靠性，形成了高阶调制的不等错误保护。

步骤302、统计重传前，当A个极化子信道输入为0时，输出的所有高斯分布均值，并确定均值最小值对应的极化子信道下标为q。

根据对Q函数求导可知，当函数自变量越小时，极化子信道的错误概率越大；所以首先将均值最小的极化子信道的下标选出来。

步骤303、根据贪心算法，判定极化子信道q内传输的需要经等价二进制输入子信道重传的信息位比特；

步骤304、将需要等价二进制输入子信道重传的二进制比特放入中间变量等待，同时更新极化子信道q的均值；并将计数向量值x_p,q自增1。

初始化计数向量x_k,j为全0。

步骤305、返回步骤302重新确定均值最小值对应的极化子信道下标q'，经贪心算法计算需要传输的二进制比特并放入中间变量等待；

步骤306、重复N_T次将中间变量中等待的二进制比特，对应选择容量最高的等价二进制输入子信道p等待传输；

步骤307、重复上述步骤m次，每当中间变量中的二进制比特数量达到N_T个，依次选取排序后的等价二进制输入子信道进行匹配等待；

步骤308、最终得到每个等价二进制输入子信道需要同时重传的二进制符号。

二进制符号的信息包括需要重传的信息位的下标索引，也就是传输该信息位的极化子信道j，重传该信息位所经过的等价二进制输入子信道序号k，以及该信息位被重传的次数x_k,j。

步骤四、将每次需要重传的二进制信息比特所对应的信息位的下标索引，重传该二进制信息比特所经过的等价二进制输入子信道序号，以及该信息位被重传的次数记录在内存中，在之后的每次重传时读取该内存即可得到要重传的符号序列。

将上述步骤中所得到的计数向量存储到内存中，之后每次在进行重传时可以先读取每个信息位所对应的计数向量，根据该向量的下标来决定待重传的序列的值和该二进制序列与高阶符号的映射关系，不用再实时计算所要重传的信息位。

本发明基于高阶调制中的不同容量的等价二进制子信道，对其中所传输的二进制比特的不等错误保护的特点，和极化码对不同位置的信息比特的不等错误保护的特点，设计了极化码的混合自动重传方法。假设通信信道的模型为二进制输入高斯信道；首先在给定映射的情况下，计算调制符号中每个等价子信道的容量，并采用高斯信道来近似每个等价子信道；然后给定高斯信道的信噪比后，采用传统的极化码高斯近似方法来构造极化码，得到在假设传输全0码字的时候的每个极化子信道的输出的LLR的高斯概率分布的均值。再根据给定的重传序列的长度来构建非线性整数规划模型来确定重传序列。因为非线性整数规划模型只能通过穷举搜索法来求解，复杂度太高；所以提出低复杂度的贪心算法求解该模型。

实施例

该实施例中，所采用的映射为4-PAM调制，则每个调制符号中包含m＝2个等价的二进制输入子信道。如图5所示，在该映射中，将两个二进制比特c_2i-1和c_2i映射为一个4进制的调制符号s_i。

格雷映射中的第一个等价子信道的容量要大于第二个等价子信道。当用二进制输入高斯信道去拟合这两个等价子信道的时候，有

如图6所示，给定极化码的码长为4和信道状态，可以计算出4个极化子信道的高斯分布的均值。假设第一个子信道的均值为0.3，第二个子信道的均值为1.2，第三个子信道的均值为2.4，第4个子信道的均值为2.6。根据Q函数可知，均值大的子信道的错误概率小；假设码率为0.5，则第3，4个极化子信道被用来传递二进制信息位比特，A＝{3,4}。

假设本实施例中极化码的码长为N＝4，重传的符号数量为N_T＝1。带入数学模型中通过求解该模型，得到所要重传的信息位的下标。

在本实施例中，算法开始前先初始化计数向量(x_1,3,x_1,4)＝(0,0)，(x_2,3,x_2,4)＝(0,0)。算法第一步为选定均值最小的信息位的索引；所以第3个极化子信道被选中。第二步为尽可能最大化第3个极化子信道所对应的高斯分布的均值，则需要将第三个信息位从高阶调制的第一个等价子信道重传。算法第三步，更新该信息位所对应的高斯分布的均值，并更新对应的计数向量x_1,3＝x_1,3+1＝1。此时第3个子信道的均值变为2.4+0.5＝2.9。然后确定第二个待重传的比特；此时第三个子信道的均值大于第四个子信道的均值，则第二个需要重传的比特为第4个信息位，并更新对应的计数向量x_2,4＝x_2,4+1＝1。此时算法终止，待重传的二进制比特已经完全确定下来。最后根据给定的二进制比特与高阶符号的映射关系来得到要发送的调制符号。假设本实施例中第3,4个信息位为1,1，则根据给定的格雷映射，所要发送的调制符号为-1。

将所得到的计数向量(x_1,3,x_1,4)＝(1,0)，(x_2,3,x_2,4)＝(0,1)存入内存。当下一次再进行重传的时候，可以直接选取第三个信息位和第四个信息位。并将第三个信息位和第四个信息位分别经过高阶调制的第一个等价子信道和第二个等价子信道进行重传。

Claims (3)

1.一种基于高阶调制不等错误保护特性的极化码混合自动重传请求方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、在通信中，针对每次需要传输的信息位，极化码的编码器将其编成码字后经调制器调制成高阶符号发送到接收端，接收端进行译码并判断是否成功，如果是，则反馈ACK信息给发送端，开始发送下一帧；否则，反馈NACK信息，进入步骤二；

步骤二、针对每次需要传输的信息位编码码字的长度及其所使用的调制映射方式，和真实信道的噪声条件建立数学模型；

数学模型如下：

目标函数为：最小化接收端在重传序列辅助下再次译码的误帧率；

其中，P(ε)为译码器根据所有接收到的符号序列进行译码后，得到的错误概率；P(ε_j)为译码器根据所有接收到的符号序列进行译码后，第j个极化子信道传输的信息位的错误概率；A为传输信息位的极化子信道的下标集合；

为重传后第j个极化子信道在输入为0时，对应输出的对数似然比的高斯分布；为的均值；为重传前第j个极化子信道在输入为0时，对应输出的LLR的高斯分布；为的均值；

将极化子信道的高斯分布的均值作为Q(x)的自变量，计算出该极化子信道传输的信息位的错误概率；

x_k,j表示第j个极化子信道传输的信息位，通过高阶调制的第k个等价二进制输入子信道被重传的次数；m为高阶调制的调制阶数，也就是等价二进制输入子信道的总数；当输入为0时，m个等价二进制输入子信道的输出的概率分布的均值为

N_T为重传序列中高阶符号的数量，调制器将重传序列划分成N_T块，每块中包含m个二进制比特；

条件C4表示得到的计数向量x_k,j(j∈A)是非负整数；

表示非负整数集合；

步骤三、对数学模型进行求解，得到每次需要重传的信息位的下标索引，重传该信息位所经过的等价二进制输入子信道序号，以及该信息位经过等价二进制输入子信道被重传的次数；

步骤四、将每次需要重传的信息位的下标索引，重传该信息位所经过的等价二进制输入子信道序号，以及该信息位被重传的次数记录在内存中，在每次重传时读取该内存即可得到要重传的符号序列。

2.如权利要求1所述的一种基于高阶调制不等错误保护特性的极化码混合自动重传请求方法，其特征在于，所述的二进制符号的信息包括需要重传的信息位的下标索引，也就是传输该信息位的极化子信道j，重传该信息位所经过的等价二进制输入子信道序号k，以及该信息位被重传的次数x_k,j。

3.如权利要求1所述的一种基于高阶调制不等错误保护特性的极化码混合自动重传请求方法，其特征在于，所述的步骤三具体为：

步骤301、将高阶调制的m个等价二进制输入子信道按照容量从高到低排序；

步骤302、统计重传前，当A个极化子信道输入为0时，输出的所有高斯分布均值，并确定均值最小值对应的极化子信道下标为q；

步骤303、根据贪心算法，判定极化子信道q内传输的且需要经等价二进制输入子信道重传的信息位比特；

步骤304、将需要经等价二进制输入子信道重传的二进制比特放入中间变量等待，同时更新极化子信道q的均值；并将计数向量值x_p,q自增1；

步骤305、返回步骤302重新确定均值最小值对应的极化子信道下标q'，经贪心算法计算需要传输的二进制比特并放入中间变量等待；

计数向量值x_p,q初始值置为全0；

步骤306、重复N_T次将中间变量中等待的二进制比特，对应选择容量最高的等价二进制输入子信道p等待传输；

步骤307、重复上述步骤m次，每当中间变量中的二进制比特数量达到N_T个，依次选取排序后的等价二进制输入子信道进行匹配等待；

步骤308、最终得到每个等价二进制输入子信道需要同时重传的二进制符号。