一种分段CRC辅助的卷积极化码编译码方案的制作方法

cancellation list,sca-scl)方案，为了能够在有效降低计算复杂度的同时具有一定的性能增益。
5.为实现上述目的，本发明分段crc辅助卷积极化码编译码方法，其技术步骤包括如下：
6.(1)信源产生n位随机的二进制比特序列：
7.首次生成的n位二进制比特序列是用于蒙特卡罗仿真，也可发送全0比特序列；
8.(2)蒙特卡罗仿真确定信息集：
9.通过m次的蒙特卡罗仿真从码长为n，码率为r的线性码中选取可靠度较高的k＝nr个比特位为作为信息集a，其他的比特位作为冻结比特集ac；
10.(3)产生k位信息比特序列：
11.生成k位随机二进制比特序列作为信息比特，其余n-k传送冻结比特，因此全部置0即可；
12.(4)利用滑窗算法搜索分段点位置并插入crc校验序列：
13.首先选择滑窗长度w为crc比特位的长度，然后根据(2)中估计出的每个比特信道的错误次数搜索具有错误次数最高的连续w个子信道，此位置将作为插入crc比特的位置，对当前分段进行crc编码，将得到的校验序列放在此位置，从而生成信息序列
14.(5)对信息序列进行编码：
15.基于(4)中的得到的信息序列进行卷积极化码编码，由于卷积极化码相比于极化码除最后一层外，每一层都会多出一层子层的异或操作。因此，编码时先进行子层的编码，再进行常规层的编码，得到编码后的比特序列
16.(6)对编码序列进行调制并加噪：
17.将得到编码后的比特序列经二进制相移键控(binary phase shift keying，bpsk)调制后，在高斯信道上传输，得到接收信号
18.(7)对接收信号进行译码：
19.对于每个分段进行的仍是scl译码，当一个分段译码结束后就会进行crc校验，如果l条路径没有一条通过crc校验，那么直接输出译码失败标识，终止本次译码。如果l条路径中有一条路径通过了crc校验，那么就继续进行下一个分段的译码，直至所有分段译码结束。
20.本发明与现有技术相比具有以下优点：
21.第一，本发明基于滑窗算法的分段方法区别于传统的均匀分段思路，根据蒙特卡罗仿真得到每个子信道的可靠度，通过滑窗算法搜索最容易出错的子信道位置。在最容易出错的子信道处校验的优点是一旦发现译码错误可以立即终止译码，如果在最容易出错的位置没有出错再进行下一分段的译码，增加了错误路径的删除概率。该分段方法得到每个信息序列的长度不是均匀分段而是与信道可靠度分布情况相关，从而获取一定性能增益
22.第二，本发明采用的滑窗长度与crc比特序列的长度相等，这样搜索出来的w个连续信道刚好用于放置crc比特。仿真结果表明不同长度crc的校验能力不同，因此本发明的每个分段后添加的crc长度也是不同，长度呈依次递增分布。原因如下：第一个搜索出来分段位置是整个序列中错误概率最高的位置，因此较短的crc即可作为校验序列，第二个分段
位置是整个序列中错误概率次高的位置，因此用较长的crc序列校验，其他的分段以此类推，这样可以充分发挥每个分段crc的校验能力。
23.第三，本发明的编译码方案不仅适用于卷积极化码，也适用于传统的极化码。本发明分段思想依据是信道的可靠度分布，因此不管使用哪种构造方法，只要获得子信道的可靠度分布后就可以使用滑窗算法搜索信息序列的分段位置。所以本方法可以很方便推广。
附图说明
24.图1是本发明的编译码实现流程图；
25.图2是以n＝8为例的极化码和卷积极化码蝶形图对比图；
26.图3是以码长1024，删除概率0.5为例的卷积极化码与极化码信道容量分布散点图；
27.图4是均匀分段与本发明中的非均匀信息序列示意图；
28.图5是卷积极化码的六种译码模式；
29.图6是sc译码与scl译码的路径搜索图；
30.图7是卷积极化码和极化码在本译码方案下仿真结果对比图；
31.图8是均匀分段与本发明基于滑窗的非均匀分段的仿真结果对比图；
32.图9是极化码和卷积极化码不分段，均匀分段以及非均匀分段的平均计算复杂度对比图；
33.图10是卷积极化码不同分段长度的仿真性能对比图。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明的实施例和效果作详细描述。
35.本发明是一种基于滑窗算法的非均匀分段sca-scl编译码方案，主要用于点对点无线通信链路的信道编码模块。参照附图1，对本发明的编译码流程的实现方法做进一步阐述，包括有下述步骤：
36.步骤1，信源产生n位随机的二进制比特序列。
37.步骤2，蒙特卡罗仿真确定信息集。
38.蒙特卡罗仿真确定信息集与仿真次数有关，仿真次数越高精度越高，但是随着仿真次数的增加复杂度也会越高。假设码长为n，码率为r，则需要确定k＝nr为信息位。
39.步骤3，产生k位信息比特序列。
40.假设生成的k为信息序列为根据步骤2中确定的信息位子信道，将k位信息比特放置在k位子信道上，其余比特位置0。
41.步骤4，利用滑窗算法搜索分段点位置并插入crc校验序列。
42.假设滑窗算法确定的第i个分段的信息序列为然后对一段信息序列进行crc编码，假设得到的第一个crc校验序列的长度为ri，则第一个分段的总长度为依次可获得其他各分段的长度。假设一共有p个分段，k1 k2 ...ki ... k
p
＝k，r1 r2 ... ri ... r
p
＝r，则crc编码后的序列为图4是均匀分段与基于滑窗算法获得的非均匀分段信息序列示意图。
43.步骤5，对信息序列进行卷积极化码编码。
44.对于(n＝2m，k)的卷积极化码其中生成矩阵为：
[0045][0046]
其中f是二进制核矩阵，t表示转置操作，代表克罗内克积。实际操作中为了避免反复计算生成矩阵中的克罗内克积，递归操作以及转置操作，使用的可实行的具体编码方案如下：假设n＝2，对于码长为n的卷积极化码共有m层，首先从第m层开始，子层的编码为其中i＝g
·
n n/2 j，g＝0,1,...,n/n-2，j＝0,1,...,n/2-1；对于常规层的编码为其中i＝g
·
n j，g＝0,1,...,n/n-1，j＝0,1,...,n/2-1。然后，n＝2n，进行第m-1层的编码，以此类推，直到第2层。根据图2所示的蝶形结构图只有第一层只需要进行常规层的操作，此层省略子层的操作即可，便可以得到编码后的比特序列
[0047]
步骤6，对编码序列进行调制并加噪。
[0048]
对于编码后的比特经bpsk调制后，通过高斯信道传输，得到的接收信号为yi＝xi ni，其中i＝0,1,...,n-1。
[0049]
步骤7，对接收信号进行译码。
[0050]
分段crc辅助的scl译码主要包括两种译码模式：译码模式和校验模式。在译码模式，译码器执行scl译码。在校验模式，校验器会校验当前列表中的路径能否通过crc校验。其中scl译码相当于在sc译码的基础上l个译码器同时并行译码，在最后阶段从这l条路径中选出一条可靠度最高的作为译码结果。附图6(a)是sc译码路径搜索，sc译码是只有一条搜索路径的特殊情况。附图6(b)是以l＝4为例的路径搜索图。crc辅助的scl译码则是在scl译码的基础上对l条候选路径进行crc校验，将能通过crc校验的路径作为最终的译码结果。然而无论是scl译码还是scl译码它们都具有很高计算复杂度，而且复杂度会随着路径数l的增大而增大。
[0051]
具体的译码流程如下：
[0052]
首先，译码器工作在译码模式，如果译到的是冻结比特保持译码路径数目不变；如果译到非冻结比特且当前路径数没有达到设定的路径数l时，直接将路径扩大一倍，即将原来每条路径都按照当前比特位是0和1两种情况译码；如果当前译到的是非冻结比特且已经达到设定的路径数l时，在将路径数目扩大一倍后，还需要剪枝。从2l条路径中选出可靠度相对较高的l条路径保留下来，进入下一位译码。
[0053]
一旦第i个crc校验序列ri的所有比特都译完，译码器就会进入校验模式。译码器会对列表中的l条路径进行crc校验，如果当前路径能通过校验就会被保留下来，否则就会从列表中删除。如果列表不为空，译码器继续转到译码模式，继续译码。如果没有一条路径通过crc校验，输出译码失败标识，终止译码。重复上述过程，直到将每个分段译完。
[0054]
在每次校验过后都会将列表中的错误路径删除，仅保留一条正确的路径。以列表长度l＝32为例，假设当第i个非冻结比特译码完毕，经过crc校验后，只有一条正确路径被
保留。当继续译码到第(i 5)个非冻结比特时，正确路径的32条子路径以概率1保留下来。但是对于传统的crc-scl译码，当译完第(i 5)个非冻结比特时共有1024条子路径。当列表长度为1024时，正确路径才能依概率1保留下来。这就意味着，在一些情形下，sca-scl译码可以以列表长度l实现列表长度l2的性能。
[0055]
下面通过仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：
[0056]
一.仿真条件
[0057]
本发明的仿真实验所采用的参数如下：蒙特卡罗仿真次数为20万次，调制方式为bpsk调制，信道为加性高斯白噪声信道，码长256，码率0.5，涉及到的crc如下：
[0058]
crc-4g(x)＝x4 x 1crc-8g(x)＝x8 x7 x6 x4 x2 1crc-12g(x)＝x
12
x
11
x3 x2 1crc-16g(x)＝x
16
x
12
x5 1crc-24g(x)＝x
24
x
23
x6 x5 x 1
[0059]
为了对比的公平性，所有方案的crc长度的总长度均相同。
[0060]
二.仿真内容
[0061]
仿真1，图3的(a)(b)分别是极化码和卷积极化码码长1024，删除概率0.5的信道容量分布图。
[0062]
仿真2，图7是极化码和卷积极化码基于分发明中提出的sca-scl编译码方案下不分段，分两段和分三段的性能对比图。虚线均为极化码的仿真曲线，实线均为卷积极化码的仿真曲线。
[0063]
仿真3，图8是不分段，均匀分段以及本发明提出的非均匀分段三者的仿真性能对比图。
[0064]
仿真4，图9是极化码和卷积极化码不分段，均匀分段以及本发明提出的非均匀分段三者的平均计算复杂度对比结果图。虚线均为极化码的仿真曲线，实线均为卷积极化码的仿真曲线。
[0065]
仿真5，图10是卷积极化码总crc长度为24，不同不分段长度组合的仿真结果图。
[0066]
三.结果分析
[0067]
图3所示的信道容量分布可以看出，两种码的信道极化码程度不同。卷积极化码极化的更充分，它将更多的子信道极化为无噪声信道和纯噪声信道。因此卷积极化码具有更优的译码性能。极化码目前有多种构造方法，目前大多使用的复杂度底而精度较高的高斯近似，但是为了与卷积极化码对比本发明中所有极化码的仿真仍然采用了蒙特卡罗仿真。虽然两种码选出来的信息及不同，但是两者都可以用滑窗算法搜索分段点。可靠度分布不同，搜索出来的分段位置自然也不同。
[0068]
图7是极化码与卷积极化码在不分段和使用基于滑窗的非均匀分段算法性能对比，有仿真结果可以看出不论是极化码还是卷积极化码在本发明的编译码方案下均有一定的性能增益，随着分段数目的增加性能增益会随之增加。但是由于crc比特会占据一些信息集中的比特位，当加入crc校验的序列也会导致一定的码率的损失。因此所有的仿真都是保证加入的crc总长度一样。
[0069]
图8是卷积极化码均匀分段与非均匀分段性能对比，由仿真结果可以看出均匀分
段和不分段两者的性能基本上一样，而本发明中的分段方法却有明显增益。三分段相对于不分段和均匀分段约有0.2db的性能增益。
[0070]
图9是平均计算复杂度的仿真结果，本发明中的计算复杂定义为平均路径度量的计算次数。由仿真结果可以看出不分段时的计算复杂度最高而且为定值。均匀分段和非均匀分段均有明显的复杂度降低。相对于均匀分段本发明中的非均匀分段方法在低信噪比略有降低，在高信噪比持平。此外卷积极化码的计算复杂度明显低于极化码。本发明中卷积极化码基本的sc译码是基于对数似然簇的最小和近似译码，整个译码计算过程中用加减，比较运算代替了原来基于概率译码的乘除运算，可以明显提高计算效率。
[0071]
图10是卷积极化码以三分段为例的不同分段长度组合的仿真性能。由仿真结果可以看出，不同分段长度组合的仿真结果是不一样的，当分段长度呈递增分布时(即4，8，12)性能最佳。此仿真结果也验证之前的分析，不同长度crc的校验能力不同，因此通过将一个较长的crc序列合理地分割成几个不同的较短的crc序列并且合理的设置每个分段的位置会有一定的性能提升。