一种极化码的比特翻转译码方法及装置

1.本发明属于极化码的译码方案技术领域，具体涉及一种极化码的比特翻转译码方法及装置。


背景技术：

2.极化码(polar codes)polar codes是第一种可以被严格证明达到二进制离散无记忆信道 (b-dmc)信道容量的编码方案，具有构造方法固定、译码复杂度低等优点，已被作为5g移动通信的控制信道编码标准。
3.一直以来极化码的译码方案就是极化码的研究热点。串行抵消(sc)译码是第一种极化码译码方案，当码长趋于无穷时此译码方式可达信道容量，但码长有限时其译码性能出现下降，因此sc译码不适用于实际应用。为改善译码性能，e.arikan提出了置信传播(bp)译码方案，利用迭代计算每个节点的对数似然比取得良好的译码性能，但译码复杂度非常高。i.tal 和a.vardy又提出了串行抵消列表(scl)译码方案，该方案通过搜索并保留一定数量的候选路径，提升译码性能，该方案提高了译码的并行性，但当候选路径数量较大时其译码复杂度和译码时延较高。随后为了改善scl译码性能，循环冗余校验的scl译码方案(ca-scl) 被提出，通过增加循环冗余校验提高了正确候选路径的选择效率；而串行抵消堆栈(scs)译码和串行抵消混合(sch)(sch)译码方案在保证译码精度的条件下，不同程度的降低了scl 译码的复杂度；除此以外，极化码的维特比译码、bcjr译码、以及球形(sphere)译码等方案都能够取得逼近最大似然的译码性能，但上述译码方案复杂度都非常高，并且在码长较长时的译码效果较差。
4.而连续抵消比特翻转(sc-flip)(sc-flip)译码方案的提出为改善sc译码性能提供新思路。sc-flip方案的核心是找出第一个出错的信息比特并在额外的sc译码中对其进行翻转操作，以提高译码性能。afisiadis等提出一种sc-flip方案，将信息比特的对数似然比 (log-likelihoodratio,llr)的绝对值按照升序排列，然后依次进行比特翻转操作，直至译码正确或者达到设定的最大翻转次数，此方案很大程度改善了sc译码的性能，但对于中高码率条件额外译码次数较多，译码性能较差。carlo condo等提出了fis(fixed index selection，固定索引选择)和eis(enhanced index selection，增强索引选择)的比特翻转译码方案，但该两种方案都是基于仿真实验选择错误比特的关键集合，并且集合中元素的相对顺序是固定的，但是该方案的译码性能随着码率的增加而降低；基于此方案，furkan ercan等又提出了基于阈值的sc-flip译码方案，相同码长下，针对不同信噪比和码率提出了一个通用的关键集合，并且确定了相同码率不同信噪比的阈值，该方法提升了在高误码率下的译码性能，但是低码率条件下额外译码次数相对较多，导致误帧率(fer)收敛速度较慢；该方案提出了 fast-ssc-flip译码方法，该方案在不牺牲纠错性能的基础上减少延迟，但大大增加了译码器的实施复杂度，难以应用于实际。
5.综上所述，针对极化码的译码方案的研究已取得很多研究成果，但是不同译码方式在码长、码率和信噪比等不同条件下误帧率、计算复杂度和译码延迟等性能指标会出现
差异。
6.如何提供一种在不同条件下，误帧率、译码复杂度等指标相对均衡的适用于实际应用的连续抵消比特翻转sc-flip方案，是一个急需解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明的主要目的在于提供一种极化码的比特翻转译码方法及装置，从而克服现有技术的不足。
8.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：一种极化码的比特翻转译码方法，包括：
9.s100，针对相同码长，计算不同码率和信噪比条件下的对数似然比的阈值，选取不同码率和信噪比组合下得到的llr阈值的最大值作为所述码长下的最佳阈值，利用所述最佳阈值构建关键集合；
10.s200，利用所述关键集合中每个元素的译码可靠性与元素在关键集合中位置的关系调整元素在关键集合的排序。
11.在一优选实施例中，所述s100中，采用仿真实验的方法来确定所述对数似然比的最佳阈值。
12.在一优选实施例中，所述s100包括：
13.s101，输入码长、码率以及信噪比参数；
14.s102，设置llr临时阈值的初始值和步长，以及sc译码的仿真次数，进行sc译码的仿真；
15.s103，计算第一个错误比特在所述关键集合中的概率，若所述概率大于设定值，确认当前llr的临时阈值为当前码长下，所述码率和信噪比对应的阈值t；
16.s104，在所述相同码长下，按照所述s101～s103计算不同码率和信噪比对应的阈值t，统计于表格中，从所述表格中选取最大阈值作为所述码长对应的最佳llr阈值。
17.在一优选实施例中，所述s103中，若所述概率小于等于设定值时，则令当前llr的临时阈值加1后返回s102，直至计算出的第一个错误比特在关键集合中的概率大于设定值。
18.在一优选实施例中，所述s102中，构建比特翻转集合的过程包括：
19.当译码错误时，按照信息比特索引从小到大依次将其对应的llr值与llr临时阈值进行比较，若小于临时阈值，则将所述信息比特的索引放入比特翻转集合中，构建比特翻转集合。
20.在一优选实施例中，所述s103，所述计算第一个错误比特在所述比特翻转集合中的概率的过程包括：构建比特翻转集合后，记录第一个错误比特包含在比特翻转集合中的次数以及总的错误译码次数，根据所述第一个错误比特包含在比特翻转集合中的次数及所述总的错误译码次数计算所述第一个错误比特在所述比特翻转集合中的概率。
21.在一优选实施例中，所述s200包括：
22.s201，输入码长、码率、信噪比以及对应的llr最佳阈值参数；
23.s202，当译码错误时，信息比特对应的llr值的绝对值与输入的llr最佳阈值值做比较，提取小于最佳阈值的信息比特的索引构建初始关键集合；
24.s203，定义llr值集合，所述llr值集合中的元素为所述初始关键集合中信息比特
的索引对应的llr值的绝对值，并将所述llr值集合中的组成元素按照值的大小降序排列；
25.s204，构建变化位置索引集合，所述集合中的元素为初始关键集合中每个元素在初始关键集合中对应的位置索引与其对应的llr值的绝对值在llr值集合中的位置索引之间的差值；
26.s205，将所述位置索引变化集合中的元素按照降序排列得到新的变化位置索引集合，按照所述新的变化位置索引集合中每个元素的位置索引调整所述初始关键集合中对应元素的位置，得到最终的关键集合。
27.在一优选实施例中，所述s202包括：若串行抵消译码错误时，则按照信息比特索引从小到大依次将其对应的|llr|值与输入的的最佳llr阈值做比较，若小于最佳阈值，则将所述信息比特的索引放入初始关键集合中。
28.在一优选实施例中，所述s204中，所述变化位置索引集合构建过程具体包括：用步骤s203 中新的所述位置索引减去对应元素在所述s202中的初始关键集合中对应的位置索引，得到变化位置索引集合。
29.本发明实施例提供了一种极化码的比特翻转译码装置，包括：
30.关键集合构建模块，用于针对相同码长，计算不同码率和信噪比条件下的llr阈值，选取不同码率和信噪比组合下得到的llr阈值的最大值作为所述码长下的最佳阈值，利用所述最佳阈值构建关键集合；
31.元素排序调整模块，用于利用所述关键集合中每个元素的译码可靠性与元素在关键集合中位置的关系调整元素在关键集合的排序。
32.与现有技术相比较，本发明的有益效果至少在于：
33.1、本发明提出的一种新的基于llr阈值的关键集合构建方法，利用大量的仿真实验找出特定码长下适用于不同码率和信噪比的最佳llr阈值，能有效解决关键集合构建中存在的复杂度高、高码率条件译码纠错性能差等缺点。
34.2、本文研究了llr排序与关键集合元素位置之间的关系，进一步优化关键集合中元素的排序，保证在不同码率和信噪比下第一个错误比特的平均位置都更为靠前，解决了同类连续抵消比特翻转译码算法平均额外译码次数多，误帧率fer收敛速度慢以及实用性差的缺点。
附图说明
35.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中记载的一些实施例，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。
36.图1是本发明一实施方式中一种极化码的比特翻转译码方法的流程示意图；
37.图2是本发明一实施方式中步骤s100的流程结构示意图；
38.图3是本发明一实施方式中步骤s200的流程结构示意图。
具体实施方式
39.通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文
中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。
40.如图1所示，本发明所揭示的一种极化码的比特翻转译码方法，其主要目的是解决现有连续抵消比特翻转(sc-flip)译码算法中码率较高条件下译码性能较差的缺点，同时具有复杂度较低，实用性较强的优势。该方法主要包括以下两个步骤：
41.s100，针对相同码长，计算不同码率和信噪比条件下的llr阈值，选取不同码率和信噪比组合下得到的llr阈值的最大值作为该码长下的最佳阈值，利用该最佳阈值构建关键集合。
42.其中，关键集合元素的选择直接影响第一个错误比特能否包含其中，定义第一个错误比特包含在关键集合中的概率为accuracy，当accuracy足够大时，经过一定次数的比特翻转在理想条件下能够纠正第一个错误比特。由于绝大多数的第一个错误比特多集中发生于一部分信息比特中，因此选择一个合理的llr阈值ω使其生成的关键集合尽可能的将易出错的信息比特涵盖，这样能有效提高sc-flip译码的性能。本发明主要采用仿真实验的方法来确定llr 阈值，如图2所示，具体流程包括：
43.s101，输入码长、码率以及信噪比参数。
44.s102，设置llr临时阈值的初始值和步长，以及sc译码的仿真次数，进行sc译码的仿真。
45.本实施例中，用temp_llr_threshold表示llr临时阈值，设定temp_llr_threshold的初始值为1，步长为1，针对temp_llr_threshold的当前值，进行5
×
105次sc译码仿真。
46.当串行抵消sc译码错误时，按照信息比特索引从小到大依次将其对应的|llr|值与当前的temp_llr_threshold进行比较，若索引为ik的信息比特的|llr|值满足则将该信息比特的索引依次放入比特翻转 bit_flip_set中，构建比特翻转集合bit_flip_set。全部仿真结束后记录第一个错误比特包含在集合bit_flip_set中的次数effective_err以及错误译码次数frame_err。
47.s103，计算第一个错误比特在关键集合中的概率，若概率大于设定值，确认当前llr的临时阈值为当前码长下，该码率和信噪比对应的阈值t。
48.具体地，根据第一个错误比特包含在关键集合中的次数effective_err及总的错误译码次数frame_err计算第一个错误比特在关键集合中的概率accuracy。本实施例中，accuracy＝effective_err/frame_err。若概率accuracy大于设定值，本实施例中，设定值为 0.9999，即若accuracy＞0.9999时，确认当前的temp_llr_threshold为当前条件下的llr 阈值t，即令当前码长、码率以及信噪比条件下的llr阈值t＝temp_llr_threshold，并继续进入步骤s104。若accuracy小于等于设定值时，则令 temp_llr_threshold＝temp_llr_threshold 1后返回s102，继续进行sc译码仿真，直至计算出的第一个错误比特在关键集合中的概率大于设定值。
49.s104，在相同码长下，按照上述s101～s103计算不同码率和信噪比对应的阈值t，统计于表格中，从上述表格中选取最大阈值作为该码长对应的最佳llr阈值。
50.为帮助理解表格一列出了在n＝1024时，不同码率和信噪比条件下对应的llr阈值t。选取表一中最大值(r＝1/8，snr＝1.0时取得)作为n＝1024时的最佳阈值。则当n＝1024时任意码率和信噪比条件下都使用该最佳阈值构建关键集合。
51.表一 n＝1024时，不同码率和信噪比条件下对应的llr阈值
[0052][0053]
s200，利用关键集合中每个元素的译码可靠性与元素在关键集合中位置的关系调整元素在关键集合的排序。
[0054]
具体地，关键集合元素的排序直接关系到第一个错误比特在关键集合中的平均位置 average_position，进而影响到sc-flip额外译码的平均次数。如图3所示，本发明关于关键集合元素排序方法的流程主要包括：
[0055]
s201，输入码长、码率、信噪比以及对应的llr最佳阈值参数；
[0056]
s202，当译码错误时，信息比特对应的llr值的绝对值(|llr|值)与输入的llr最佳阈值值做比较，提取小于最佳阈值的信息比特的索引构建初始关键集合。
[0057]
具体地，本实施例中，若串行抵消译码错误时，则按照信息比特索引从小到大依次将其对应的|llr|值与ω做比较，若小于ω，则将所述信息比特的索引放入初始关键集合中，即若索引为ik的信息比特对应的|llr|值小于ω，则将该索引值依次列入初始关键集合 init_cs中，则初始关键集合：
[0058][0059]
s203，定义llr值集合llr_cs，所述llr值集合llr_cs中的元素为上述初始关键集合init_cs中信息比特的索引对应的|llr|值，则llr值集合元素值越大表明可靠性越高。将所述集合llr_cs 中的组成元素降序排列，得到初始关键集合init_cs中每个元素对应的llr值在排序后llr 值集合的位置索引r＝{r1,r2,...rk,...}；
[0060]
s204，构建位置索引变化集合，所述集合中的元素为初始关键集合中每个元素在初始关键集合中对应的位置索引与其对应的|llr|值在llr值集合中的位置索引之间的差值；
[0061]
具体地，用步骤s203中新的位置索引r＝{r1,r2,...rk,...}减去对应元素对应的索引值在步骤 s202中的初始关键集合中对应的位置索引，得到变化位置索引集合，定义变化位置索引集合为δ，表示llr值集合llr_cs中每个元素排序前后在llr值集合中位置变化，本实施例中，δ＝{r
1-1,r
2-2,...r
k-k,r
k 1-k-1,...}，其值越大表明其出错的概率越大。
[0062]
s205，将变化位置索引集合δ中的元素按照降序排列得到新的变化位置索引集合δ1，由此可得变化位置索引集合δ中每个元素在新的变化位置索引集合δ1中的位置索
引，按照所述新的变化位置索引集合中每个元素的位置索引调整所述初始关键集合init_cs中对应元素的位置，得到最终的关键集合final_cs。
[0063]
本文提出的对于llr阈值进行遍历仿真的方法适用于不同码长、码率以及信噪比条件下的sc-flip译码，该方法基本保证了关键集合元素数量最小的情况下，99.99％以上的概率包含第一个错误元素。另外，本发明提出的关键集合元素可靠性排序的方法有助于译码时快速定位到第一个错误比特，减少额外译码次数，使误帧率fer快速收敛至最低限。
[0064]
与上述方法相对应的，本发明所揭示的一种极化码的比特翻转译码装置，包括：
[0065]
关键集合构建模块，用于针对相同码长，计算不同码率和信噪比条件下的llr阈值，选取不同码率和信噪比组合下得到的llr阈值的最大值作为该码长下的最佳阈值，利用该最佳阈值构建关键集合。
[0066]
元素排序调整模块，用于利用所述关键集合中每个元素的译码可靠性与元素在关键集合中位置的关系调整元素在关键集合的排序。
[0067]
其中，关键集合构建模块和元素排序调整模块的工作流程可分别参照上述步骤s100和 s200，这里不做赘述。
[0068]
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。