极化码特殊节点的快速连续抵消译码方法及装置

1.本发明涉及无线通信技术领域。


背景技术：

2.极化码是一种被理论证明可达到香农容量的信道编码方案，已经被第五代移动通信系统(5g)采用。译码算法对极化码在实际应用时的纠错能力有极大影响，其中基于串行抵消(successive cancellation,sc)的译码算法采用逐比特译码方式，可以有效地利用极化效应，展现出良好的纠错性能，受到学术界和产业界的广泛关注。然而，sc译码算法有两个主要缺陷。一方面，根据极化理论，sc译码下的极化码只有在码长趋于无穷大时才能达到信道容量，因此在实际中，sc译码无法为有限码长的极化码提供合理的纠错性能。串行抵消列表(successive cancellation list,scl)译码通过维护一个列表保留了多个最可靠的码字序列，大大提升了sc译码的纠错性能。通过将极性码与循环冗余校验(cyclic redundancy check,crc)相连接，crc辅助的scl(crc-aided scl,ca-scl)译码器提供的译码性能可以接近最大似然(maximum-likelihood,ml)译码器，这使得极化码成为低密度奇偶校验(low-density parity-check,ldpc)码和turbo码等其他目前最先进的信道编码的有力竞争者。另一方面，sc译码的逐位顺序性会引起很高译码时延和低吞吐性能，阻碍了其在超可靠低时延通信(ultra-reliable low-latency communication,urllc)等低时延通信场景中的应用。为了实现高效译码，一类普遍的思路就是并行化译码过程，即在译码树中间节点层面而非叶节点层面译码，从而避免了对整个码树的遍历而提高了译码速度。为了保证译码性能不退化，节点层面的译码需要考虑节点中信息和冻结比特的分布特性带来的约束条件，使得译码结果有效。因此，节点所在译码树层数越高，并行度越高，译码时延越低、吞吐量越高，但同时节点包含的比特越多，约束条件越复杂，给性能无损的译码算法的实现带来了困难。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
4.为此，本发明的目的在于提出一种极化码特殊节点的快速连续抵消译码方法，用于降低译码时延。
5.为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种极化码特殊节点的快速连续抵消译码方法，包括：
6.根据极化码信息位和冻结位的分布，确定连续抵消译码的目标译码树中的特殊节点，所述特殊节点包括第一对偶约束和第二对偶约束；
7.对所述特殊节点的对数似然比序列作硬判决得到第一估计码字序列；
8.计算所述第一对偶约束的校验值，根据所述第一对偶约束的校验值翻转所述第一估计码字序列中的比特估计值，得到第二估计码字序列；
9.计算所述第二对偶约束的校验值，根据所述第二对偶约束的校验值构建由翻转比
特对构成的集合，选取所述集合中度量最小的比特对，翻转所述第二估计码字序列中所述比特对对应位置的比特估计值，得到目标估计码字序列。
10.另外，根据本发明上述实施例的一种极化码特殊节点的快速连续抵消译码方法还可以具有以下附加的技术特征：
11.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述特殊节点是包括一个源节点和一串码率一或单偶校验码子节点序列的极化码子码。
12.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述对所述特殊节点的对数似然比序列作硬判决得到第一估计码字序列，包括：
13.当对数似然比大于0，硬判决结果为0，否则硬判决结果为1。
14.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述计算第一对偶约束的校验值，包括：
15.计算特殊节点中源节点的对数似然比序列，根据所述对数似然比序列对源节点进行译码，得到源节点估计码字序列；
16.根据所述源节点估计码字序列，计算第一对偶约束的校验值。
17.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述得到源节点估计码字序列，包括：
18.若源节点具有特殊结构，则通过所述源节点对应的快速译码算法计算得到源节点的估计码字序列；
19.若源节点具有通用结构，则通过传统的串行抵消译码算法计算得到源节点的估计码字序列。
20.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述第一对偶约束的校验值翻转所述第一估计码字序列中的比特估计值，包括：
21.若码字序列已经满足第一类对偶校验值，则不进行比特翻转操作；
22.若码字序列不满足第一类对偶校验值，则对拥有最小对数似然比绝对值的比特进行比特翻转。
23.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述第二对偶约束的校验值构建由翻转比特对构成的集合，包括：
24.以离线方式生成所述集合。
25.为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种极化码特殊节点的快速连续抵消译码装置，包括：
26.获取模块，用于根据极化码信息位和冻结位的分布，确定连续抵消译码的目标译码树中的特殊节点，所述特殊节点包括第一对偶约束和第二对偶约束；
27.判决模块，用于对所述特殊节点的对数似然比序列作硬判决得到第一估计码字序列；
28.第一校验模块，用于计算所述第一对偶约束的校验值，根据所述第一对偶约束的校验值翻转所述第一估计码字序列中的比特估计值，得到第二估计码字序列；
29.第二校验模块，用于计算所述第二对偶约束的校验值，根据所述第二对偶约束的校验值构建由翻转比特对构成的集合，选取所述集合中度量最小的比特对，翻转所述第二估计码字序列中所述比特对对应位置的比特估计值，得到目标估计码字序列。
30.为达上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理
器执行所述计算机程序时，实现如上所述的极化码特殊节点的快速连续抵消译码方法。
31.为达上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的极化码特殊节点的快速连续抵消译码方法。
32.本发明实施例的极化码特殊节点的快速连续抵消译码方法，第一方面，本发明提出了一类新型的特殊节点形式，具有更高的并行度；第二方面，针对所提的特殊节点，本发明提出了快速连续抵消译码算法，所提的译码算法考虑了节点包含的对偶约束，能够在损失纠错性能的情况下大大降低译码时延。
附图说明
33.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
34.图1为本发明实施例提供的一种极化码特殊节点的快速连续抵消译码方法的流程示意图。
35.图2为本发明实施例提供的特殊节点结构示意图。
36.图3为本发明实施例提供的极化码特殊节点的快速连续抵消译码算法的流程图。
37.图4为本发明实施例提供的构造翻转比特对集合的流程图。
38.图5为本发明实施例提供的极化码特殊节点的快速连续抵消译码算法与传统的连续抵消译码算法的理论译码时延对比图。
39.图6为本发明实施例提供的极化码特殊节点的快速连续抵消译码算法与传统的连续抵消译码算法的纠错性能对比图。
40.图7为本发明实施例提供的一种极化码特殊节点的快速连续抵消译码装置的流程示意图。
具体实施方式
41.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
42.下面参考附图描述本发明实施例的极化码特殊节点的快速连续抵消译码方法。
43.实施例1
44.图1为本发明实施例所提供的一种极化码特殊节点的快速连续抵消译码方法的流程示意图。
45.如图1所示，该极化码特殊节点的快速连续抵消译码方法包括以下步骤：
46.s101：根据极化码信息位和冻结位的分布，确定连续抵消译码的目标译码树中的特殊节点，特殊节点包括第一对偶约束和第二对偶约束；
47.s102：对特殊节点的对数似然比序列作硬判决得到第一估计码字序列；
48.s103：计算第一对偶约束的校验值，根据第一对偶约束的校验值翻转第一估计码字序列中的比特估计值，得到第二估计码字序列；
49.s104：计算第二对偶约束的校验值，根据第二对偶约束的校验值构建由翻转比特
对构成的集合，选取集合中度量最小的比特对，翻转第二估计码字序列中比特对对应位置的比特估计值，得到目标估计码字序列。
50.具体的，连续抵消译码可以视为从译码树的根节点到叶节点、左子树到右子树的遍历过程，有两类信息会在译码树中的节点间传递，第一类是由上级节点传给下级节点的对数似然比序列(特别地，在根节点处，译码会计算前级模块提供的信道对数似然比序列)，第二类是由下级节点传给上级节点的估计码字序列。译码过程中，对数似然比会被逐级计算并被依次传递给下一级节点，当译码进行到所述特殊节点的层级时，根据该特殊节点的对数似然比序列直接计算估计码字序列，估计码字序列会被逐级计算并被依次传递给上一级节点直至根节点。上述过程会不断重复直至最后一个叶节点译码完成。
51.当连续抵消译码遇到特殊节点时，对该节点的对数似然比序列直接作硬判决得到初步的估计码字序列。
52.进一步地，在本发明的一个实施例中，特殊节点是包括一个源节点和一串码率一或单偶校验码子节点序列的极化码子码。
53.图2为本发明一实施例提供的特殊节点结构示意图。参阅图2，对本实施例中特殊节点进行详细说明。
54.对于连续抵消译码树中第p层的第i个节点，定义和分别为该节点的对数似然比(log-likelihood ratio,llr)序列和码字估计序列。参阅图2，定义一类位于译码树中的第p层的第i个节点的特殊节点，该节点由一个源节点和一串码率一(rate-1,r1)或单偶校验码(single parity check,spc)子节点序列构成，其中源节点位于第q层的最左端lr＝2
p-r
(i-1) 1，而q≤r《p每一层的第二个节点lr 1都是r1或spc子节点，从而该特殊节点被称为序列r1或spc节点(sequence r1 or spc,sr1/spc)。
55.进一步地，在本发明的一个实施例中，对所述特殊节点的对数似然比序列作硬判决得到第一估计码字序列，包括：
56.当对数似然比大于0，硬判决结果为0，否则硬判决结果为1。
57.进一步地，在本发明的一个实施例中，计算第一对偶约束的校验值，包括：
58.计算特殊节点中源节点的对数似然比序列，根据对数似然比序列对源节点进行译码，得到源节点估计码字序列；
59.根据源节点估计码字序列，计算第一对偶约束的校验值。
60.进一步地，在本发明的一个实施例中，得到源节点估计码字序列，包括：
61.若源节点具有特殊结构，则通过源节点对应的快速译码算法计算得到源节点的估计码字序列；
62.若源节点具有通用结构，则通过传统的串行抵消译码算法计算得到源节点的估计码字序列。
63.进一步地，在本发明的一个实施例中，根据第一对偶约束的校验值翻转第一估计码字序列中的比特估计值，包括：
64.若码字序列已经满足第一类对偶校验值，则不进行比特翻转操作；
65.若码字序列不满足第一类对偶校验值，则对拥有最小对数似然比绝对值的比特进行比特翻转。
66.进一步地，在本发明的一个实施例中，根据第二对偶约束的校验值构建由翻转比
特对构成的集合，包括：
67.以离线方式生成集合。
68.实施例2
69.另一方面，本发明的实施例提出一类极化码特殊节点的快速连续抵消译码算法，参阅图3，该译码算法可以包括如下步骤：
70.s1：当连续抵消译码遇到sr1/spc节点时，确定两类对偶约束；
71.s2：对该节点的对数似然比序列直接作硬判决得到初步的估计码字序列；
72.s3：计算源节点的对数似然比序列，根据该对数似然比序列对源节点进行译码，得到源节点的估计码字序列；
73.s4：计算第一类对偶校验值，对估计码字序列进行比特翻转，使其满足第一类对偶约束；
74.s5：计算第二类对偶校验值，确定一个由翻转比特对构成的集合，计算集合中每组比特对的度量；
75.s6：选取度量最小的比特对，对估计码字序列进行比特翻转，使其满足第二类对偶约束，翻转结束后的估计码字序列即为最终的输出。
76.具体地，在操作s1中，对于sr1/spc节点，其码字估计序列需要满足两种对偶约束，第一种对偶约束为平行对偶约束(parallel parity constraint,p-pc)由源节点引起，对码字的约束形式具体为：
[0077][0078]
第二种对偶约束为分段对偶约束(segmental parity constraint,s-pc)由spc子节点引起，对码字的约束形式具体为：
[0079][0080]
其中表示异或位运算，r表示spc子节点所在的层数。
[0081]
在操作s2中，对sr1/spc节点的接收llr序列直接作硬判决，得到初步的估计码字序列为：
[0082][0083]
其中hd(
·
)为硬判决函数。
[0084]
在操作s3中，根据p-pc将sr1/spc节点的llr和估计码字序列分为如下2q个部分：
[0085][0086]
其中表示对应于第k个p-pc的llr子序列，而表示对应于的码字估计子序列。
[0087]
为了得到公式(1)中源节点的码字估计序列需要计算源节点的llr序列公式如下：
[0088][0089]
接着利用将源节点译码得到源节点的估计码字序列
[0090]
进一步地，针对s3，在本实施例中，需要说明的是，如果源节点具有特殊结构，则通过其节点对应的快速译码算法计算得到如果源节点仅具有通用的结构，则通过传统的串行抵消译码算法计算得到
[0091]
在操作s4中，确定每个p-pc的对偶校验和候选的翻转位置如下：
[0092][0093][0094]
其中γ
p-pc
[k]和η[k]分别表示对应于第k个p-pc的对偶校验和候选翻转比特位。根据γ
p-pc
[k]和η[k]，对估计码字序列进行比特翻转：
[0095][0096]
在操作s5中，根据s-pc将sr1/spc节点的llr和估计码字序列分为如下2
p-q
个块：
[0097][0098]
其中(k-1)2q 1到k2q的比特构成一个块，k代表块索引，表示第k个块的llr子序列，而表示对应于的码字估计子序列。
[0099]
定义γ
s-pc
[1:p-q]为s-pc的对偶校验序列，其可由下式计算：
[0100][0101]
引入翻转比特对集合当对偶校验序列中不含有1时，否则按照子操作s51-子操作s55构造
[0102]
在子操作s51中，对做初始化。具体地，结合图4，令t为使得γ
s-pc
[t]＝1的最小索引值，如果循环索引k≤2
t-1
，构造ε＝{k,k 2
t-1
}，并向中添加ε，循环索引k值加1；当k＝2
t-1
1时，结束的初始化操作结束，否则继续执行子操作s51中的循环步骤。
[0103]
在子操作s52中，根据不同情况向中继续添加元素。具体地，结合图4，循环索引t值加1，且令w值为当前集合中的元素总数，具体为如果γ
s-pc
[t]＝-1，执行子操作s53；如果γ
s-pc
[t]＝0，执行子操作s54；如果γ
s-pc
[t]＝1，执行子操作s55；当t＝p-q时，输出否则继续执行子操作s52中的循环步骤。
[0104]
在子操作s53中，当γ
s-pc
[t]＝-1时向中继续添加元素。具体地，结合图4，如果循环索引ω≤w，选取中第ω个元素ε＝{k1,k2}，构造四个新元素：ε1＝{k1,k2},ε2＝{k1 2
t-1
,k2 2
t-1
},ε3＝{k1 2
t-1
,k2},ε4＝{k1,k2 2
t-1
}，并将这四个新元素添加进中，循环索引ω值加1；当ω＝w 1时，结束的初始化操作结束，否则返回子操作s52。
[0105]
在子操作s54中，当γ
s-pc
[t]＝0时向中继续添加元素。具体地，结合图4，如果循环索引ω≤w，选取中第ω个元素ε＝{k1,k2}，构造两个新元素：ε1＝{k1,k2},ε2＝{k1 2
t-1
,k2 2
t-1
}，并将这两个新元素添加进中，循环索引ω值加1；当ω＝w 1时，结束的初始化操作结束，否则返回子操作s52。
[0106]
在子操作s54中，当γ
s-pc
[t]＝1时向中继续添加元素。具体地，结合图4，如果循环索引ω≤w，选取中第ω个元素ε＝{k1,k2}，构造四个新元素：ε1＝{k1 2
t-1
,k2},ε2＝{k1,k2 2
t-1
}，并将这两个新元素添加进中，循环索引ω值加1；当ω＝w 1时，结束的初始化操作结束，否则返回子操作s52。
[0107]
引入关于比特对ε的度量λ
ε
，度量的计算具体表现为：
[0108][0109]
在操作s6中，选取度量最小的比特对ε
opt
，具体为：
[0110][0111]
根据ε
opt
，对估计码字序列进行比特翻转，具体操作如下：
[0112][0113]
翻转完成后的估计码字序列即为最终的译码结果。
[0114]
图5、6分别给出了极化码特殊节点的快速连续抵消译码算法与传统的连续抵消译码算法的理论时延和纠错性能的对比。具体地，结合图5，fssc译码考虑的特殊节点类型包括：rate-0，rate-1，rep和spc，hfsc1在fssc译码的基础上额外考虑了特殊节点type i-v，hfsc2在hfsc1译码的基础上额外考虑了特殊节点sr0/rep，sn-fsc在hfsc1译码的基础上额外考虑了所提的特殊节点sr1/spc。在各个码长码率下，加入了所提的特殊节点的译码算法能够进一步降低译码时延。结合图6，在码长n＝1024情况下sn-fsc译码算法几乎没有性能损失。
[0115]
本发明实施例提出的极化码特殊节点的快速连续抵消译码方法，第一方面，本发明提出了一类新型的特殊节点形式，具有更高的并行度；第二方面，针对所提的特殊节点，
本发明提出了快速连续抵消译码算法，所提的译码算法考虑了节点包含的对偶约束，能够在损失纠错性能的情况下大大降低译码时延。
[0116]
图7为本发明实施例提供的一种极化码特殊节点的快速连续抵消译码装置的结构示意图。
[0117]
如图7所示，该极化码特殊节点的快速连续抵消译码装置包括：获取模块100，判决模块200，第一校验模块300，第二校验模块400，其中，
[0118]
获取模块，用于根据极化码信息位和冻结位的分布，确定连续抵消译码的目标译码树中的特殊节点，特殊节点包括第一对偶约束和第二对偶约束；
[0119]
判决模块，用于对特殊节点的对数似然比序列作硬判决得到第一估计码字序列；
[0120]
第一校验模块，用于计算第一对偶约束的校验值，根据第一对偶约束的校验值翻转第一估计码字序列中的比特估计值，得到第二估计码字序列；
[0121]
第二校验模块，用于计算第二对偶约束的校验值，根据第二对偶约束的校验值构建由翻转比特对构成的集合，选取集合中度量最小的比特对，翻转第二估计码字序列中比特对对应位置的比特估计值，得到目标估计码字序列。
[0122]
为达上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上所述的极化码特殊节点的快速连续抵消译码方法。
[0123]
为达上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的极化码特殊节点的快速连续抵消译码方法。
[0124]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0125]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0126]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。