CN111416624A

CN111416624A - 一种极化码置信传播译码方法、设备和存储介质

Info

Publication number: CN111416624A
Application number: CN202010228534.5A
Authority: CN
Inventors: 张川; 申怡飞; 尤肖虎; 宋文清; 季厚任
Original assignee: Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
Current assignee: Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2020-07-14
Anticipated expiration: 2040-03-27
Also published as: CN111416624B

Abstract

本发明公开一种极化码置信传播译码方法、设备和存储介质，其中方法包括下列步骤：对译码器接收的信息进行置信传播译码；判断置信传播译码的译码结果是否满足判定条件，若满足则不再执行置信传播译码，否则基于译码结果生成翻转集合；根据翻转集合，进行基于翻转的译码。本发明可以达到高译码吞吐率同时达到连续消除列表译码方法和设备的纠错性能，可以迭代地输出软信息，使联合检测译码、LDPC和极化码的共架构设计成为可能。

Description

一种极化码置信传播译码方法、设备和存储介质

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种极化码置信传播译码方法、设备和存储介质。

背景技术

移动通信已经经历了第一代模拟通信(1G)到***移动通信(4G)的发展历程，目前已进入了第五代移动通信(5G)产业化的应用阶段。5G提出了三个应用场景，包括增强移动宽带(eMBB)、超低时延高可靠通信(URLLC)和海量机器类通信(MMTC)场景，分别要求面向高速率、低时延高可靠性和高连接密度的应用需求。

信道编译码是通信***的重要组成部分之一，其作用是通过增加冗余信息提高数字信号的传输可靠性。在5G信道编译码标准化制定过程中，Turbo 2.0码、低密度奇偶校验(LDPC)码和极化码曾入选候选方案。2016年，3GPP RAN1第87次会议决定LDPC码为5G eMBB场景数据信道编解码方案，极化码为5G eMBB场景控制信道编解码方案。具体地，极化码将应用于物理层上行链路控制信道、下行链路控制信道和广播信道。根据3GPP制定的编码标准，极化码将与循环冗余校验(CRC)码进行级联，其中CRC码起到辅助校验的作用以提升译码性能。3GPP标准只规定了极化码的编码方案，但没有对译码方案进行定标。在标准制定过程中，连续消除列表(SCL)译码算法被选为基准算法以评估极化码的性能。在SCL译码过程中，L个候选码字被同时保留，在最后一个比特或子节点结束计算后，选择出满足CRC校验的最可靠的候选码字最为最终译码结果。尽管在CRC的辅助校验下SCL译码可以达到并超过由于LDPC和Turbo码的纠错性能，但是其串行译码的性质限制了译码吞吐率，使其难以达到eMBB场景所要求的峰值速率。

置信传播(BP)译码是信道编译码的主流译码算法之一，其在LDPC译码中得到了广泛的应用，但由于其纠错性能远不如SCL译码的纠错性能，一直以来并没有得到广泛的关注。随着极化码成为5G标准码之一，BP译码算法凭借高吞吐率的优势成为焦点，越来越多的工作开始研究如何提升BP译码的纠错性能。但BP译码中各个比特存在强相关性使理论分析较为困难，且CRC难以发挥像在SCL译码中一样的辅助作用，目前还没有可以达到CRC辅助的SCL译码性能的BP译码算法。但是，一旦纠错性能问题得以解决，BP译码算法将有成为下一代通信***中极化码译码方案的强力候选者。

发明内容

为此，本发明提供一种具有高纠错性能的极化码置信传播译码方法，以克服上述技术问题。

为实现以上目的的一个或多个，本发明提供以下技术方案。

按照本发明的第一方面，提供一种极化码置信传播译码方法，其包括下列步骤：

步骤1、对译码器接收的信息进行置信传播译码；

步骤2、判断所述置信传播译码的译码结果是否满足判定条件，若满足则不再执行置信传播译码，否则基于所述译码结果生成翻转集合；

步骤3、根据所述翻转集合，进行基于翻转的译码。

作为优选实施例，当最大翻转阶数Ω为1时，所述生成翻转集合的步骤为：根据所述置信传播译码在比特端输出的软信息向量，在预设索引搜索范围内寻找绝对值最小的T₁个元素，对应的T₁个索引值构成翻转集合，其中T₁是预设的所述翻转集合的长度。

作为优选实施例，所述的预设索引搜索范围为非冻结位集合或非冻结位集合的子集，当预设索引搜索范围的大小等于预设的所述翻转集合的长度时，所述翻转集合直接由预设索引搜索范围内的比特序号构成。

作为优选实施例，所述基于翻转的译码操作的步骤为：依次根据所述翻转集合中的元素执行比特翻转操作，然后进行置信传播译码以生成对应于所述翻转集合中的元素的译码结果，并在每次置信传播译码之后，判断所述译码结果是否满足所述判定条件。

作为优选实施例，所述方法还包括：当最大翻转阶数Ω为1时，若任一置信传播译码的译码结果满足所述判定条件，则译码终止，或者，当所述比特翻转遍历了所述翻转集合的元素，译码终止。

作为优选实施例，所述判定条件具体是：CRC校验是否成功,或者CRC校验是否成功同时译码结果是否收敛，或者，当极化码未级联CRC码时，所述置信传播译码操作的结果

和

是否满足

的校验，其中

为编码向量的译码结果，

表示比特向量的译码结果，G为极化码编码矩阵。

作为优选实施例，所述比特翻转的步骤为：翻转第i个比特，即根据所述置信传播译码对第i个比特的估计值

将向右传递的软信息R_0,i赋值为

其中τ为正实数，i指代任一非冻结比特的序号。

作为优选实施例，所述方法还包括：当最大翻转阶数Ω大于1时，翻转阶数为ω的所述基于翻转的译码在翻转阶数为ω-1的所述基于翻转的译码的基础上进行；若翻转阶数为ω-1的所述基于翻转的译码中所有译码结果均未满足所述判定条件，则建立对应于翻转阶数ω的翻转集合S_ω，S_ω基于S_ω-1建立，基于S_ω-1中T_ω,ω-1个元素对应的所述译码结果分别选择T_ω,ω个比特，以构成S_ω；翻转阶数为ω的所述基于翻转的译码步骤为：根据S_ω中的元素执行比特翻转操作并进行所述置信传播译码以生成对应于S_ω中的元素的译码结果，并在每次所述置信传播译码操作之后，判断所述译码结果是否满足所述判定条件；翻转阶数为ω时，所述置信传播译码的次数为T_ω＝T_ω,ω-1×T_ω,ω，对于最大翻转阶数Ω的译码，所述置信传播译码的次数为

若任一次置信传播译码的译码结果满足所述判定条件，则译码终止，或者，当比特翻转遍历所有翻转阶数的翻转集合后，译码终止。

作为优选实施例，所述置信传播译码操作的软信息按照以下规则传递：

其中

和

分别为置信译码过程中第l次迭代、第i行、第k层向左和向右传递的软信息，g函数

或g(x,y)＝α×sgn(x)·sgn(y)·max(min(|x|,|y|)-β,0)，其中α为乘性规格化系数，β为偏移系数。

优选的，每次迭代后，判断是否终止软信息迭代，若

和

满足

校验，或者，满足CRC校验，或者连续两次以上译码结果相同，则迭代提前终止。

按照本发明的第二方面，提供一种极化码置信传播译码设备，包括置信传播译码单元，根据译码因子图迭代地传递软信息，当达到预设的最大迭代次数时停止迭代；判断单元，用于判断所述置信传播译码单元的输出是否满足所述判定条件；翻转集合生成单元，用于根据所述置信传播译码单元的输出生成所述翻转集合；比特翻转单元，用于对所述翻转集合中的比特执行所述翻转。

作为优选实施例，所述置信传播译码单元包括软信息传递单元，用于在置信译码过程中传递软信息；软信息存储单元，用于存储经过传递的软信息；早停判断单元，用于在每次的软信息迭代后判断是否提前终止软信息传递的迭代。

按照本发明的第三方面，提供一种存储介质，包括存储在该存储介质中的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备上述任一种极化码置信传播译码方法。

本发明具有如下优势：

1.同时达到了eMBB场景所要求的吞吐率和纠错性能指标；

2.可以达到连续消除列表译码的纠错性能；

3.可以迭代地输出软信息，从而使得联合检测、译码成为可能，提升通信***中各个基带模块的性能；

4.由于BP译码是LDPC码的主流译码方案，一种极化码置信传播译码方法可以使得LDPC和极化码译码器基于一套设备实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中极化码置信传播译码因子图；

图2为本发明实施例极化码置信传播译码方法流程图；

图3为本发明一实施例的译码纠错性能示意图；

图4为本发明另一实施例极化码置信传播译码设备框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本说明书中，参照其中图示了本发明示意性实施例的附图更为全面地说明本发明。但本发明可以按不同形式来实现，而不应解读为仅限于本文给出的各实施例。给出的各实施例旨在使本文的披露全面完整，以将本发明的保护范围更为全面地传达给本领域技术人员。

诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。

下文参考根据本发明实施例的方法和***的流程图说明、框图和/或流程图来描述本发明。将理解这些流程图说明和/或框图的每个框、以及流程图说明和/或框图的组合可以由计算机程序指令来实现。可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理设备的处理器以构成机器，以便由计算机或其它可编程数据处理设备的处理器执行的这些指令创建用于实施这些流程图和/或框和/或一个或多个流程框图中指定的功能/操作的部件。

可以将这些计算机程序指令加载到计算机或其它可编程数据处理器上以使一系列的操作步骤在计算机或其它可编程处理器上执行，以便构成计算机实现的进程，以使计算机或其它可编程数据处理器上执行的这些指令提供用于实施此流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能或操作的步骤。还应该注意在一些备选实现中，框中所示的功能/操作可以不按流程图所示的次序来发生。例如，依次示出的两个框实际可以基本同时地执行执行，具体取决于所涉及的功能/操作。

提供本文中提出的实施例和示例，以便最好地说明按照本技术及其特定应用的实施例，并且由此使本领域的技术人员能够实施和使用本发明。但是，本领域的技术人员将会知道，仅为了便于说明和举例而提供以上描述和示例。所提出的描述不是意在涵盖本发明的各个方面或者将本发明局限于所公开的精确形式。

下面以图1中所示出的译码因子图为例来说明根据本发明的极化码置信传播译码方法。但是，本领域技术人员将领会的是，在不背离本发明的权利要求书的真实范围的情况下，所有本领域中常用的译码因子图均可以与本发明的极化码置信传播译码方法结合使用。

在极化码编译码***中，根据极化码信道分配，非冻结位(即信息位和CRC位)集合被记做

冻结位集合被记做

记发送的信息位个数为K,对应发送信息向量为a,经m位CRC编码后向量为c,经极化信道分配得到长度为N的向量u，与极化码编码矩阵G相乘后得到编码向量为x。接收端收到信息后，可以得到长度为N的对数似然比向量L_n，即译码器的输入。译码过程中第l次迭代、第i行、第k层向左和向右传递的软信息分别为

和

译码因子图右侧输出为

左侧输出为

经信息位提取后输出为

一种极化码置信传播译码方法，包括如下步骤：

步骤1、对译码器接收的信息进行置信传播译码；

步骤2、判断译码结果是否满足校验条件，若满足则不再执行置信传播译码，否则基于所述译码结果生成翻转集合；

步骤3、根据所述翻转集合，进行基于翻转的译码。

下面针对各个步骤介绍具体实施方式。

1.置信传播译码

图1为按照本发明一实施例的极化码置信传播译码因子图。该实施例码长N＝8。

如图1所示的译码因子图包含n＝log₂N层译码处理单元，每个译码处理单元对应编码时的一次异或操作和一次直通操作。在译码因子图上，共有n+1层L和R软信息进行传递，该图中最左端为比特序列端，记做第0层；最右端为编码序列端，记做第n层。初始时，第n层的L信息为译码器输入的LLR向量，第0层的R信息按照“冻结位为+∞，非冻结位(不含翻转位)为0，翻转位为翻转值”的准则进行初始化，其余的L信息和R信息均被设为0。

下面基于和乘算法的公式1来说明根据本发明一实施例的置信传播译码操作。但是，本领域技术人员将领会的是，在不背离本发明的权利要求书的真实范围的情况下，所有本领域中常用的置信传播简化公式与本发明的极化码置信传播译码方法结合使用，包括规格化最小和(NMS)方法，偏移最小和(OMS)方法或规格化偏移最小和(NOMS)方法的公式。置信传播译码的软信息传递公式如下：

当采用NOMS方式时，g(x,y)＝α×sgn(x)·sgn(y)·max(min(|x|,|y|)-β,0)。其中α为乘性规格化系数，β为偏移系数，当α＝1时，对应OMS方法；当β＝0时，对应NMS方法。软信息传递可以从任意一侧开始迭代，当迭代次数达到预设的最大值I_max时停止。

译码结果由L信息和R信息相加后硬判决得到：

在每次迭代后，对

和

进行生成矩阵校验，如果满足

则迭代可以提前终止。但是，本领域技术人员将领会的是，在不背离本发明的权利要求书的真实范围的情况下，所有本领域中常用的早停策略均可与本发明的极化码置信传播译码方法结合使用，包括但不限于CRC校验早停策略和两次以上译码结果相同策略。

以上操作为一次置信传播译码的操作。

2.预设条件判定

在所述置信传播译码结束后，提取译码结果

中非冻结位的估计值

进行CRC检验。如果其满足CRC检验，则不再进行置信传播译码，直接输出译码结果；否则生成翻转集合，进行接下来的基于翻转的译码操作。

需要注意的是，当CRC长度较短时，CRC的校验性能不佳。因此，需要和所述置信传播译码的特征进行结合作为翻转判定条件，以保证译码的纠错性能。具体地，同时满足如下两个条件进入翻转操作：

1)CRC校验失败；

2)初始置信传播译码迭代次数达到最大设定次数I_max，但译码结果未收敛，其中收敛指两次以上译码结果相同。

相对应地，同时满足如下两个条件结束译码：

1)CRC校验成功；

2)译码结果收敛。

当极化码未级联CRC码时，以置信传播译码的译码结果满足生成矩阵的校验作为预设判定条件，即

3.构建翻转集合

翻转集合为需要翻转的比特的集合。

翻转阶数为同时翻转的比特的数量。

根据预设判定条件，若译码未终止，首先建立一个翻转集合。根据译码因子图比特序列端输出的软信息，即图1中第0层的L软信息，以合适的方法定位出错的比特，构成翻转集合，翻转集合用S表示，长度为T。寻找出错比特时，搜索范围为非冻结位集合

当翻转阶数为1时，翻转集合由非冻结位集合

对应的LLR绝对值最小的T个索引构成。

以N＝8,L₀＝{3.37,0.92,-2.34,0.38,-5.22,1.57,0.11,-2.03},

T＝2为例，索引搜索范围即为{3,5,6,7}，对应的LLR集合为{0.38,1.57,0.11,-2.03}。将索引以LLR绝对值从小到大的顺序排列为：{6,3,5,7}。因此，S＝{6,3}。

但是，本领域技术人员将领会的是，在不背离本发明的权利要求书的真实范围的情况下，索引搜索范围可以在

的基础上缩小。对应的搜索范围与

相比，剔除了比特质量较好或在置信传播译码中出错概率较低的比特。当索引搜索范围的大小等于长度T时，无需进行对LLR绝对值排序的操作。

4.基于翻转的译码

记预设的最大翻转阶数为Ω，对应的译码记作BPF-Ω译码。当同时翻转ω个比特时，对应的翻转集合为S_ω，最大译码尝试次数为Τ_ω，1≤ω≤Ω。

图2为根据本发明一实施例的BPF-1译码流程图，其中预设判定条件为是否通过CRC检验。

在步骤S1中，在给定最大迭代次数I_max下进行置信传播译码的操作。

S2置信传播译码后进行CRC检验，如果通过CRC检验则不再进行置信传播译码；否则基于译码结果生成翻转集合。

S3根据置信传播译码的软信息输出生成翻转集合S₁，其长度为T₁。接下来对计数变量t进行从1到T₁的循环，执行最多T₁次的带有比特翻转的置信传播译码。

S4对集合S₁中的第t个比特S₁(t)执行翻转操作，翻转定义如下：

根据第一次置信传播译码结果中S₁(t)比特的估计值

将

赋为

其中τ为一正实数，通常τ＝+∞。需要强调，本领域技术人员将领会的是，在不背离本发明的权利要求书的真实范围的情况下，在实际实现中，有时无法对τ赋正无穷可以对其赋合适的正数以保证本发明提出的一种极化码置信传播译码算法的纠错性能，经多次实验，τ在5～20的范围内效果最佳。

S5在翻转比特后执行如S1一样的置信传播译码操作。

S6在S5所述的置信传播译码后执行如S2一样的判定条件，若满足判定条件，则不再进行置信传播译码，否则继续进行译码。

每执行一次带有比特翻转的置信传播译码操作，计数变量t值加一，当t＝T₁+1时，即比特翻转遍历了翻转集合后，译码终止。

当Ω＞1时，第Ω阶译码在BPF-(Ω-1)译码的基础上进行。以BPF-2译码为例，若BPF-1译码的T₁组译码结果均未通过判定条件，则进行ω＝2的置信译码操作。从BPF-1译码的T₁组译码结果中，选出T_2,1组进行翻转阶数为2的译码；每一组基于BPF-1译码的结果生成一个长为T_2,2的临时翻转集合S'，以构成对应于T_2,1组中第j组译码结果的翻转集合S_j,2。S_j,2中每个元素包含两个比特，其中第一个比特为BPF-1译码对应翻转的比特，其索引为S₁(j),j＝1,…,T_2,1，第二比特索引为S'(i),i＝1,…,T_2,2。因此BPF-2译码中ω＝2的译码共需进行T₂＝T_2,1×T_2,2次置信传播译码操作。在T₂次置信传播译码操作中，若任一次置信传播译码的译码结果满足所述判定条件，则译码终止。

对所述的BPF-2译码举例说明，假设T₁＝4，T_2,1＝2,T_2,2＝2，BPF-1译码的翻转集合为S₁＝{6,3,5,7}。BPF-1译码的4次置信传播译码操作分别翻转比特6,3,5,7后，仍未通过预设的判定条件。从这4组译码结果中选出T_2,1＝2组进行翻转阶数为2的译码，设选出的两组分别对应翻转比特6和比特3。根据翻转比特6的置信传播译码的软信息输出，生成长度为T_2,2＝2的翻转集合S_1,2＝{{6,3},{6,7}}，根据翻转比特3的置信传播译码的软信息输出，生成长度为T_2,2＝2的翻转集合S_2,2＝{{3,7},{3,5}}。在BPF-2译码中，最多进行T₂＝T_2,1×T_2,2次置信传播译码操作，分别对应翻转{6,3},{6,7},{3,7},{3,5}。

翻转阶数为ω的译码的翻转集合为ω维集合S_ω，S_ω基于S_ω-1建立，基于S_ω-1中T_ω,ω-1个元素对应的所述译码结果分别选择T_ω,ω个比特，以构成S_ω。翻转阶数为ω的基于翻转的译码操作步骤为：根据S_ω中的元素执行比特翻转操作并进行置信传播译码操作以生成对应于S_ω中的元素的译码结果，并在每次所述置信传播译码操作之后，判断所述译码结果是否满足判定条件。翻转阶数为ω时，置信传播译码操作次数为T_ω＝T_ω,ω-1×T_ω,ω。对于最大翻转阶数为Ω的译码，置信传播译码操作总次数为

其不包含第一次未基于比特翻转的置信传播译码操作。若任一置信传播译码操作的译码结果满足所述判定条件，或者，当比特翻转操作遍历所有翻转阶数的翻转集合后，译码终止。

图3为按照本发明一实施例的BPF-1和BPF-2译码纠错性能图，其中N＝1024,K＝512,m＝11,I_max＝200,T＝6,τ＝8，软信息传递采用OMS方法计算，构造方式按照遗传算法构造。当最大翻转阶数为1时，构建T₁＝6的翻转集合，总共6+1次置信传播译码可以使得纠错性能达到SCL-4的纠错性能。当最大翻转阶数为2时，首先构建T₁＝10的翻转结合进行翻转阶数为1的置信传播译码，若10次译码均未达到预设判定条件，从中选出T_2,1＝5组译码结果分别建立长度为T_2,2＝5的翻转集合，总共5×5+10+1次置信传播译码可以达到SCL-8的纠错性能，其中包括第一次置信传播译码。

本发明另一实施例提供一种极化码置信传播译码设备，其结构框图如图4所示。包括：

置信传播译码单元，根据译码因子图迭代地传递软信息，当达到预设的最大迭代次数时停止迭代；

判断单元，用于判断所述置信传播译码单元的输出是否满足所述判定条件；

翻转集合生成单元，用于根据所述置信传播译码单元的输出生成所述翻转集合；

比特翻转单元，用于对所述翻转集合中的比特执行所述翻转。

其中，置信传播译码单元包括软信息传递单元，用于在置信译码过程中传递软信息；软信息存储单元，用于存储经过传递的软信息；早停判断单元，用于在每次的软信息迭代后判断是否提前终止软信息传递的迭代。

本发明又一实施例，提供一种存储介质，包括存储在该存储介质中的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备上述任一种极化码置信传播译码方法。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。