基于符号可靠性的迭代比特翻转解码

1.本发明涉及一种在解码器中将多个符号解码为码字的方法。


背景技术：

2.k.r.duffy,j.li和m.medard于2018在ieee int.symp.on inf.theory上发表的“guessing noise,not code-words”；k.r.duffy,j.li和medard于2019年在ieee trans.inf.theory,65(7),4023-4040上发表的“capacity-achieving guessing random additive noise decoding(grand)”；k.r.duffy和m.medard于2019年在ieee int.symp.on inf.theory上发表的“guessing random additive noise decoding with soft detection symbol reliability information”；和k.r.duffy,m.medard和w.an于2019年在arxiv：1902.03796,tech.rep.上发表的“guessing random additive noise decoding with soft detection symbol reliability information(srgrand)”；以及a.solomon,k.r.duffy和m.medard于2019年在tech.rep.发表的“soft maximum likelihood decoding using grand”以及us2019/199473和us2019/199377公开了一系列通过猜测噪声来解码信号的技术。
3.us2019/199473和us2019/199377的公开通过引用并入本文。
4.其中，最基本的技术，被称为grand，猜测随机加性噪声解码。grand适用于任何块码结构，并且可以解码任何前向纠错/检测块码，例如循环冗余校验(crc)码，只需要一种机制来查询从一个或多个解调的符号中导出的比特串是否在码本中，每个解调的符号对应于一个或多个比特，解调的符号通过一个或多个噪声传输信道接收。在grand中，解码器从解调接收器获取包括潜在码字的比特串，并查询它是否在码本中。如果是，码字被用作解码输出。如果不是，则从该串中减去由噪声模型确定的最可能的非零二进制噪声模式，并向所得的下一个潜在码字查询码本的成员资格(membership)。固有地可并行化的该过程以推定噪声模式(putative noise pattern)的可能性的递增顺序来序列地进行，直到标识出码本中的码字，或者超过码本查询的数量的查询阈值t，从而报告错误。
5.grand假设解码器仅从接收器获得硬判决解调的符号。在这种情况下，grand可以产生最佳精确的最大似然(ml)解码，假设所采用的噪声模型并提供推定噪声模式的顺序反映了(一个或多个)传输信道中的噪声的统计特性。
6.grand的所有变体基于它们的噪声模型和对它们可用的任何软信息，按照从最可能到最不可能的顺序，序列地从从解调的符号导出的比特串中移除推定噪声模式，查询剩余的是否在码本中。
7.grand变体的不同之处在于它们对推定噪声模式的查询排序，这取决于对它们可用的软信息。每个变体根据(一个或多个)传输信道的噪声模型并结合接收器提供的软信息来确定其查询顺序或推定噪声模式的序列。
8.符号可靠性grand(srgrand)利用最极端量化软信息，其中，对于n个解调硬检测符号的每个集合，每个符号包括一个或多个比特，一个附加比特bn将解调的符号标记为被可
靠地或不可靠地接收。srgrand执行类似grand的硬检测解码，但是只查询不可靠符号中的比特翻转(bit flip)。如果符号被正确地标记为可靠的，则srgrand提供ml解码，假设无记忆噪声影响不可靠符号。二进制量化软信息的这种使用增加了解码准确度并减少了运行时间，但是在接收器处没有完全利用所有信息。
9.soft grand(sgrand)使用全软信息，包括每个解调的符号的实数，来动态地维护推定噪声模式的序列，通过设计，该序列必然包含下一个最可能的推定噪声模式。在进行q个码本查询之后，序列包含q个噪声模式及其可能性。下一个推定噪声模式是序列中具有最高可能性的一个。如果从接收的串中减去它没有产生码本的元素，则从列表中去除，并引入两个附加的推定噪声序列。为了实现sgrand，每个接收到的符号的真实信息必须由接收器传递到解码器，并且解码器需要存储器存储装置来维护推定噪声模式的动态确定的自适应序列，这两者都可能阻碍其在实践中的实现。


技术实现要素：

10.根据本发明，提供了一种根据权利要求1的在解码器中将多个符号解码为码字的方法。
11.在另一方面，提供了一种解码器，被配置为执行根据本发明的方法；以及包括存储在计算机可读介质上的可执行代码的计算机程序产品，当在解码器中执行时，该代码被配置为执行根据本发明的方法。
12.除了解调器提供的硬判决解调信息之外，实施例还利用了软信息的码本独立量化：包括n个解调的符号的组的硬信息的可靠性的名次排序，其中可以从每个符号中提取一个或多个比特。
13.实施例使用该软信息按照可靠性的顺序对解调的信息进行分类(sort)，并且基于可靠性信息从最可能的噪声模式开始应用噪声模式的序列，直到在码本中找到码字或者达到查询阈值。
14.这种方法的一个好处是存在有效的算法来即时生成噪声模式的序列，或者噪声模式的序列可以被预先存储，因为它们的顺序在一类名次排序的翻转概率中具有普遍性。
15.在一些实施例中，对于n个符号的块，需要从解调接收器向解码器提供不超过大于硬信息的每个符号的软信息的log2(n)比特的附加的最小整数，以信令通知硬信息的可靠性的名次排序。
16.如果推定噪声模式的排序的序列与某些信道噪声效应模型一致，则对于硬信息的序列的任何经排名的顺序可靠性，推定噪声模式的序列将是相同的。
17.仅基于经排名的顺序的可靠性信息，实施例产生具有与sgrand相似的准确度的解码，但是具有更简单的计算，并且不需要进一步的信道估计或噪声模型。
附图说明
18.现在将参考附图，通过示例的方式描述本发明的实施例，其中：
19.图1示出了跨噪声传输信道与接收器通信的发送器，并显示了根据grand的变体的接收器内的解调器向解码器提供软信息；和
20.图2示出了可以在本发明的实施例内采用的推定噪声模式的示例性序列。
具体实施方式
21.现在参考图1，示出了跨噪声传输信道14相互通信的发送器10和接收器12。可以是常规类型的发送器10生成或获得需要发送的信息16。通常，这是由运行在发送设备10上的一些类型的应用(未示出)产生的。尽管如此，应当理解，该信息可以由在发送器上或耦合到发送器的设备上执行的任何级别的软件或硬件产生。信息通常被串行化并被提供给编码器18，编码器18可以以任何常规方式封装信息，例如，在将信息提供给调制器20以跨信道14传输之前，添加冗余信息以使得能够检查或恢复丢失的信息或加密信息。
22.信道14可以是易受噪声干扰的任何形式的有线或无线信道，并且在某些情况下，信道14可以被划分成多个并行承载信息的子信道。在任何情况下，应该理解的是，信道14可以包括任何光、电、电磁或其他介质或其组合。
23.发送的信息由耦合到信道14的接收器12拾取，典型地通过用于无线电磁信道的天线，并被提供给解调器22。调制器20和解调器22是成对的，并且可以是任何形式，只要解调器22能够从跨信道14接收的信号中产生符号的流。
24.在该实施例中，符号的流被提供给解码器24，并且解码器再次被配置为反转由编码器18执行的处理，以提供对应于发送的信息16的数字信息26。
25.如上所述，使用grand，只有解调器22产生的解调的符号的流被提供给解码器24，对于srgrand，除了解调的符号的流之外，仅提供任何给定符号的可靠性或不可靠性的二进制指示，而对于sgrand，除了解调的符号的流之外，还为解调器22生成的每个符号提供实值软信息。
26.解码过程的一部分包括将解调的符号的流映射到即为比特串的有效信息的二进制流中。有效信息的流的每个部分对应于码字，并且一旦从一个或多个解调的符号中确定了码字，就可以对其进行处理，包括在提供处理后的信息26之前根据需要对信息进行解密或缓冲。
27.可以理解，如果传输信道14受到噪声的影响，则潜在码字，即从由解调器22提供的解调的符号中导出的比特串，将不会被识别为码本中的有效码字。(同样，码本可以是随机码本、随机线性码本、汉明码本或低密度奇偶校验码本中的任何一种或任何形式的码本)使用grand、srgrand和sgrand，解码器24根据噪声模型和对它们可用的任何软信息，按照从最可能的噪声模式到最不可能的噪声模式的顺序，从来自解调的符号并包括潜在码字的比特串中去除推定噪声模式，查询剩余的噪声模式是否在码本中。
28.根据本发明的一个实施例，解码器24使用由解调器22提供的硬判决解调信息以及软信息，该硬判决解调信息被分成n个解调的符号的组yn，该软信息包括排列(permutation)rn，其指示相关联的n个解调的符号的组的可靠性的名次排序(rank ordering)。
29.由rn指示的名次排序是按顺序指示符号的组中每个符号的可靠性的软信息的码本独立量化。可以理解，n个符号可以有n！个排列，因此rn需要足够大的字大小(word size)来编码符号的组的特定排列。
30.在解码器24先验不知道排列的顺序的情况下，那么在n是2的幂的情况下，每个符号将需要log2(n)比特的软信息。对于不是2的幂的n值，每个符号需要稍高的数，即大于软信息的log2(n)比特的最小整数。
31.另一方面，在解调器22和解码器24先验知道排列的排序的情况下，rn仅需要包括算法或查找表的索引，该算法或查找表将响应于接收rn返回排列，并且这可以将每个符号所需的软信息的大小减少到不超过log2(n！)/n比特的软信息，其小于log2(n)比特。因此，指示12个解调额符号的组的名次排序的排列可以用29比特编码，每个符号需要少于3比特的软信息。
32.即使这样也假设由解码器24采用了n个符号的组的所有符号的名次排序。例如，如果解码器仅基于仅翻转包含在最不可靠符号中的信息来尝试应用推定噪声模式的查询阈值t，则n个符号的组可以被分成n-a个最不可靠符号和剩余的a个最可靠符号。那么从下面的示例中可以看出，只需要将n-a个最不可靠符号的经排名的顺序提供给解码器，因为只需要这个信息来确定应用于解调的符号的组的多达t个噪声模式的序列，从而减少了给定量的硬信息所需的软信息的量。
33.在任何情况下，在接受到指示排列rn的软信息时，解码器24能够立即确定相关联的符号的组yn内的符号可靠性的经名次的顺序。该顺序使得解码器能够按照从最不可靠到最少不可靠(最可靠)的可靠性的顺序来映射每个符号。
34.现在参考图2，该图示出了受白噪声影响的传输信道14的示例性噪声模式的序列中的前100个推定噪声模式，并且可以应用于13个符号的序列。每行代表推定噪声模式，其中白色为“无翻转”，而黑色对应于翻转符号的信息。
35.为简单起见，该示例针对提供1比特的解调的信息的符号来描述。因此，翻转符号的信息简单地包括在1和0之间翻转比特的解调的值。在其他实现中，符号可以提供z》1比特的解调的信息。在这种情况下，翻转任何给定符号的信息包括翻转所有比特的解调的值到它们的2
z-1个剩余组合的子序列(假设已经尝试了第一个组合)。
36.回到图2的示例，通过评估翻转信息的成本来确定噪声模式的顺序，翻转最不可靠比特的信息的成本小于翻转更可靠比特的信息的成本。一个简单的成本函数是基于要翻转的比特的经排序的名次位置(图2中从1到13)的总和，并比较这些总和。因此，最可能的推定错误序列是没有比特翻转，接着是只有最可能、即不可靠比特被翻转的序列，接着是只有第二最不可靠比特被翻转的序列，接着是在只有第三最不可靠比特被翻转的序列和第一和第二最不可靠比特都被翻转的序列之间任意断开的联系(tie)，以此类推。
37.因此，翻转位置1的比特(即比特组中的最不可靠比特)比翻转位置2的比特(即比特组中的第二不可靠比特)具有更低的值，因此首先翻转该比特，然后翻转位置2的比特。
38.如所解释的，使用简单求和标准，导致翻转最不可靠比特和第二不可靠比特之间的联系；或者仅翻转第三最不可靠比特。这种联系以及其他联系可以被任意打破，从而在图2的示例中，如果使用先前的噪声模式翻转没有产生有效码字，则所采用的第三噪声模式涉及翻转第一和第二最不可靠比特，然后翻转第三最不可靠比特。
39.其他噪声模型可能对具有更多翻转比特的序列施加附加的可能性损失或成本，并且这种模型似乎可以为更高质量的信道提供更好的近似。在这种情况下，第三最不可靠比特将在第一和第二最不可靠比特的组合被翻转之前被翻转，因为这涉及较少的翻转。
40.图2的噪声模型的其他变体也是可能的，并且这些变体可以基于给定传输信道的特性的先验知识或者基于学习到的特性，使得序列内的噪声模式的顺序改变，以提升更可能包含影响解调的符号的组的噪声模式(并且因此翻转成本更低)的模式。
41.在任何情况下，将会看到，与grand和srgrand的方法相反，知道解调的信息的可靠性的经排名的顺序意味着可以在翻转更可靠比特的信息之前翻转更不可靠比特的信息。因此，尽管在图2的示例中，使用grand或srgrand(其中所有比特都被标记为不可靠)，位置13中最可靠符号的信息仅在序列中超过80个噪声模式之后翻转，但是该比特往往仅在序列中的13个模式之后翻转。类似地，知道解调的信息的可靠性的经排名的顺序意味着可以通过将两个最不可靠比特的信息与序列中的第三(或第四)噪声模式翻转来检查它们的信息，而使用grand或srgrand，这只有在序列中的13个模式以及可能的第26个模式之后才会发生。
42.使用本发明的实施例，潜在噪声模式到解调的信息的这种改进的应用是可能的，除了由解调器22提供的软信息之外，本发明的实施例不需要假定关于接收的信号或信道噪声模型的任何进一步的信息。
43.上面的实施例已经根据n个符号的组内的符号可靠性的名次排序和根据噪声模式的序列和符号的经排名的可靠性翻转那些符号的比特信息进行了描述。
44.在本发明的变体中，不是对可能对应于解码的信息的一个或多个比特的解调的符号的可靠性进行名次排序，而是由解调器22提供的软信息可以直接对解调的比特进行名次排序。因此，如前所述，解调器22需要向解码器24传递每个解调的比特不超过log2(n)比特的码本独立软信息。(同样，对于不是2的幂的n值，每个比特需要稍高的数，即大于软信息的log2(n)比特的最小整数)。
45.然后，可以使用软信息将解调的比特从最不可靠到最可靠排名，并且可以将噪声模式的序列(诸如图2所示的13比特的组)应用于解调的比特，直到检测到有效码字。
46.同样，为了减少n比特的组需要传递到解码器24的软信息的量，可以使用诸如上面公开的技术，包括同意比特的可能排列的顺序或使用查询阈值t的知识来将软信息限制到仅最不可靠比特的经排名的顺序。
47.同样，将会理解，上述过程有助于并行化，使得例如多个解码器可以将多个噪声模式同时应用于由解调器提供的解调的符号。