CN112737735A - 基于极化权重的可见光通信信道的极化编码方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于极化权重的可见光通信信道的极化编码方法和***，该方法包括：构建可见光通信信道模型并设置调制方式；计算所有子信道的极化重量；根据计算得到的所有子信道的极化重量构建信息位集合和冻结位集合；根据信息位集合得到生成矩阵；将信息序列映射为编码序列，完成编码。该***包括：信道构建模块、信道极化权重计算模块、极化权重排序模块、矩阵生成模块和编码映射模块。通过使用本发明，降低了可见光通信中极化码编码的计算复杂度，并可在未知可见光通信信道干扰的情况下预判信道的可靠性完成编码。本发明作为一种基于极化权重的可见光通信信道的极化编码方法和***，可广泛应用于通信***领域。

Description

基于极化权重的可见光通信信道的极化编码方法和***

技术领域

本发明涉及通信***领域，尤其涉及一种基于极化权重的可见光通信信道的极化编码方法和***。

背景技术

可见光通信技术以资源利用率高、传输速率快、安全环保、无需频谱认证等优点受到了世界范围的瞩目。但通常情况下，可见光通信易受多径效应和外界因素的干扰而出现误码传播现象，信道编码是关键的通信纠错方法，能够检测并纠正数据交换过程中产生的差错，提高编码增益，降低误码率，从而保证可见光通信信息准确传输的实际需求，目前可见光通信中极化码编码大多采用高斯近似方法，但是该方法计算复杂度较高和构造过程依赖于假定预设的信噪比。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于极化权重的可见光通信信道的极化编码方法和***，降低了可见光通信中极化码编码的计算复杂度，并可在未知可见光通信信道干扰的情况下预判信道的可靠性完成编码。

本发明所采用的第一技术方案是：基于极化权重的可见光通信信道的极化编码方法，包括以下步骤：

构建可见光通信信道模型并设置调制方式；

将极化码所有子信道的序号按二进制计数法展开，并计算所有子信道的极化重量；

根据计算得到的所有子信道的极化重量和预设规则构建信息位集合和冻结位集合；

根据信息位集合得到生成矩阵；

根据生成矩阵将信息序列线性映射为编码序列，完成可见光通信信道中的极化码编码。

进一步，还包括：

编码序列在可见光信道中传输，受噪声干扰之后被接收端接收，基于CA-SCL译码算法进行解码，得到译码结果；

根据译码结果进行误码率分析。

进一步，所述可见光通信信道模型的表达式如下：

y＝hx+n

其中，h表示可见光信道模型的瞬时增益，n表示均值为零，方差为σ²的加性高斯白噪声，且h和n两者相互独立，x表示编码序列，y表示接收端接收到的消息序列。

进一步，设置极化码码长N，计算n＝log₂N，第i个子信道的极化重量定义为：

上式中，B表示某个子信道的序号，B采用二进制计数法记为(b_n-1,b_n-2,…,b₀)，其中b_j∈{0,1}，0≤j≤n-1，j表示二进制序列的序号，β取值任意。

进一步，设定

第i个子信道的极化重量的表达式如下：

进一步，所述根据计算得到的所有子信道的极化重量和预设规则构建信息位集合和冻结位集合这一步骤，其具体包括：

将计算得到的所有子信道的极化重量升序排列；

选择其中极化重量最大的K个子信道作为信息位集合，K为信息位的个数，其余子信道作为冻结位集合。

进一步，所述生成矩阵的表达式如下：

其中，

表示克罗内克积，B_N是比特反转矩阵。

进一步，所述根据生成矩阵将信息序列线性映射为编码序列具体为将长度为K的信息序列线性映射成长度为N的编码序列，表达式如下：

其中，

表示发送端待发送的信息序列，

表示编码序列，G_N表示生成矩阵，

表示克罗内克积，B_N是比特反转矩阵。

本发明所采用的第二技术方案是：基于极化权重的可见光通信信道的极化编码***，包括以下模块：

信道构建模块，用于构建可见光通信信道模型并设置调制方式；

信道极化权重计算模块，用于将极化码所有子信道的序号按二进制计数法展开，并计算所有子信道的极化重量；

极化权重排序模块，用于根据计算得到的所有子信道的极化重量和预设规则构建信息位集合和冻结位集合；

矩阵生成模块，用于根据信息位集合得到生成矩阵；

编码映射模块，用于将信息序列根据生成矩阵线性映射为编码序列，完成可见光通信信道中的极化码编码。

本发明方法和***的有益效果是：本发明针对可见光通信***，结合可见光通信传输模型以及预设的调制方式，将极化权重算法应用于可见光通信***的极化码构造中，在保证可见光通信***误码率性能的同时，降低了信息位选择时的运算复杂度。

附图说明

图1是本发明一种基于极化权重的可见光通信信道的极化编码方法的步骤流程图；

图2是本发明一种基于极化权重的可见光通信信道的极化编码***的结构框图；

图3是本发明具体实施例于现有技术对比的误码率与信噪比的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1，本发明提供了一种基于极化权重的可见光通信信道的极化编码方法，该方法包括以下步骤：

构建可见光通信信道模型并设置调制方式；

具体地，所述可见光信道调制方式采用OOK(On-OffKeying，开关键控)调制，数据位“1”使用完全占据单个比特宽度的光脉冲表示，而发送“0”时无光脉冲产生。

将极化码所有子信道的序号按二进制计数法展开，并计算所有子信道的极化重量；

根据计算得到的所有子信道的极化重量和预设规则构建信息位集合和冻结位集合；

根据信息位集合得到生成矩阵；

根据生成矩阵将信息序列线性映射为编码序列，完成可见光通信信道中的极化码编码。

进一步作为本方法的优选实施例，还包括：

编码序列在可见光信道中传输，受噪声干扰之后被接收端接收，基于CA-SCL译码算法进行解码，得到译码结果；

根据译码结果进行误码率分析。

进一步作为本方法的优选实施例，所述可见光通信信道模型的表达式如下：

y＝hx+n

其中，h表示可见光信道模型的瞬时增益，n表示均值为零，方差为σ²的加性高斯白噪声，且h和n两者相互独立，x表示编码序列，y表示接收端接收到的消息序列。

具体地，消息序列指编码序列在可见光信道中传输，受噪声干扰之后被接收端接收到的数据。

进一步作为本方法的优选实施例，设置极化码码长N，计算n＝log₂N，第i个子信道的极化重量定义为：

上式中，B表示某个子信道的序号，B采用二进制计数法记为(b_n-1,b_n-2,…,b₀)，其中b_j∈{0,1}，0≤j≤n-1，j表示二进制序列的序号，β取值任意。

进一步作为本方法优选实施例，设定

第i个子信道的极化重量的表达式如下：

进一步作为本方法优选实施例，所述根据计算得到的所有子信道的极化重量和预设规则构建信息位集合和冻结位集合这一步骤，其具体包括：

将计算得到的所有子信道的极化重量升序排列；

选择其中极化重量最大的K个子信道作为信息位集合，K为信息位的个数，其余子信道作为冻结位集合。

进一步作为本方法优选实施例，所述生成矩阵的表达式如下：

其中，

表示克罗内克积，B_N是比特反转矩阵，旨在实现比特反序重排操作，B_N的递归式定义为：

其中I₂为2维单位阵，B₂＝I₂，R_N为置换矩阵，对输入序列完成奇序元素和偶序元素的分离，即先输出奇序元素，后输出偶序元素。

进一步作为本方法优选实施例，所述根据生成矩阵将信息序列线性映射为编码序列具体为将长度为K的信息序列线性映射成长度为N的编码序列，表达式如下：

其中，

表示发送端待发送的信息序列，

表示编码序列，G_N表示生成矩阵，

表示克罗内克积，B_N是比特反转矩阵。

本发明摆脱了对信道信息的依赖，可直接利用信道序号的二进制序列扩展对信道进行可靠性估计和分类排序，可在未知实际信道中的干扰情况下，预先评测子信道可靠传输能力，针对给定的码长N和信息位个数K就可获得统一的极化码构造序列。极化权重算法为极化码在可见光通信中更加广泛的应用增添了可能。

参照图3，采用极化码作为可见光通信***的编码码型，极化码编码构造过程分别采用高斯近似(Gaussian Approximation，GA)方法和极化权重(Polarization Weight，PW)算法，得到可见光通信***的误码率与信噪比的关系曲线，设置极化码码长为1024，信息位长度为512，码率为0.5，CRC序列长度为8，CA-SCL译码算法搜索宽度分别取2和4，分析误码率曲线可知：基于极化权重的极化码构造方法和基于高斯近似的极化码构造方法呈现出对可见光通信***误码率性能的保障效果基本相同，两者的误码率曲线近乎重合，都能有效提高可见光通信***的传输质量，降低外界噪声对信息传递的干扰，抑制误码现象产生。

如图2所示，基于极化权重的可见光通信信道的极化编码***，包括：

信道构建模块，用于构建可见光通信信道模型并设置调制方式；

信道极化权重计算模块，用于将极化码所有子信道的序号按二进制计数法展开，并计算所有子信道的极化重量；

极化权重排序模块，用于根据计算得到的所有子信道的极化重量和预设规则构建信息位集合和冻结位集合；

矩阵生成模块，用于根据信息位集合得到生成矩阵；

编码映射模块，用于将信息序列根据生成矩阵线性映射为编码序列，完成可见光通信信道中的极化码编码。

进一步作为本***优选实施例，还包括：

译码模块，用于接收消息序列，基于CA-SCL译码算法进行解码，得到译码结果；

误码率分析模块，用于根据译码结果进行误码率分析。

上述方法实施例中的内容均适用于本***实施例中，本***实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

以上是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.基于极化权重的可见光通信信道的极化编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建可见光通信信道模型并设置调制方式；

将极化码所有子信道的序号按二进制计数法展开，并计算所有子信道的极化重量；

根据计算得到的所有子信道的极化重量和预设规则构建信息位集合和冻结位集合；

根据信息位集合得到生成矩阵；

根据生成矩阵将信息序列线性映射为编码序列，完成可见光通信信道中的极化码编码。

2.根据权利要求1所述一种基于极化权重的可见光通信信道的极化编码方法，其特征在于，还包括：

编码序列在可见光信道中传输，受噪声干扰之后被接收端接收，基于CA-SCL译码算法进行解码，得到译码结果；

根据译码结果进行误码率分析。

3.根据权利要求2所述一种基于极化权重的可见光通信信道的极化编码方法，其特征在于，所述可见光通信信道模型的表达式如下：

y＝hx+n

其中，h表示可见光信道模型的瞬时增益，n表示均值为零，方差为σ²的加性高斯白噪声，且h和n两者相互独立，x表示编码序列，y表示接收端接收到的消息序列。

4.根据权利要求3所述一种基于极化权重的可见光通信信道的极化编码方法，其特征在于，设置极化码码长N，计算n＝log₂N，第i个子信道的极化重量定义为：

上式中，B表示某个子信道的序号，B采用二进制计数法记为(b_n-1，b_n-2，…，b₀)，其中b_j∈{0，1}，0≤j≤n-1，j表示二进制序列的序号，β取值任意。

5.根据权利要求4所述一种基于极化权重的可见光通信信道的极化编码方法，其特征在于，设定

第i个子信道的极化重量的表达式如下：

6.根据权利要求5所述一种基于极化权重的可见光通信信道的极化编码方法，其特征在于，所述根据计算得到的所有子信道的极化重量和预设规则构建信息位集合和冻结位集合这一步骤，其具体包括：

将计算得到的所有子信道的极化重量升序排列；

选择其中极化重量最大的K个子信道作为信息位集合，K为信息位的个数，其余子信道作为冻结位集合。

7.根据权利要求6所述一种基于极化权重的可见光通信信道的极化编码方法，其特征在于，所述生成矩阵的表达式如下：

其中，

表示克罗内克积，B_N是比特反转矩阵。

8.根据权利要求7所述一种基于极化权重的可见光通信信道的极化编码方法，其特征在于，所述根据生成矩阵将信息序列线性映射为编码序列具体为将长度为K的信息序列线性映射成长度为N的编码序列，表达式如下：

其中，

表示发送端待发送的信息序列，

表示编码序列，G_N表示生成矩阵，

表示克罗内克积，B_N是比特反转矩阵。

9.一种基于极化权重的可见光通信信道的极化编码***，其特征在于，包括以下模块：

信道构建模块，用于构建可见光通信信道模型并设置调制方式；

信道极化权重计算模块，用于将极化码所有子信道的序号按二进制计数法展开，并计算所有子信道的极化重量；

极化权重排序模块，用于根据计算得到的所有子信道的极化重量和预设规则构建信息位集合和冻结位集合；

矩阵生成模块，用于根据信息位集合得到生成矩阵；

编码映射模块，用于将信息序列根据生成矩阵线性映射为编码序列，完成可见光通信信道中的极化码编码。

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