專利名稱：基于重復(fù)編碼和信道極化的編碼器及其編譯碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于重復(fù)編碼和信道極化的編碼器及其編譯碼方法，用于解決數(shù)字通信系統(tǒng)中由于信道對通信過程的干擾，從而使得傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤的問題，屬于數(shù)字通信的信道編碼技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
極化碼(Polar Codes)是2009年由E. Arikan提出的一種被嚴(yán)格證明可以達(dá)到信道容量的構(gòu)造性的編碼方法。在進(jìn)行極化編碼之前，首先需要對N= 2n個獨(dú)立的二進(jìn)制輸入信道(或?qū)ν粋€信道的先后N次使用，即一個信道的N個可用時隙)，其中η為自然數(shù)， 應(yīng)用

圖1所示的信道極化的基本單元對二進(jìn)制輸入離散信道反復(fù)進(jìn)行極化。最基本的信道極化是對兩個相同的未經(jīng)極化的信道W :Χ — Y進(jìn)行單步極化操作，其中X是信道輸入符號的集合(對于二進(jìn)制輸入信道，X取值為{0，1})，Υ是信道輸出符號的集合。標(biāo)記該極化信道的輸入比特分別為Utl和U1,這兩個輸入比特通過一個模二加法器得到X。，另一方面將U1直接賦值給X1，即& = % Θ M1，Xl = Ul，④為模二加運(yùn)算。把&和Xl分別送入未經(jīng)極化信道W，得到輸出為Yc^Py1。從該信道極化基本單元的輸入㈨和心和兩個信道的輸出(Yt^y1)看， 原本獨(dú)立的兩個未經(jīng)極化的信道W被合并成一個兩輸入兩輸出的向量信道W2 :Χ2 — Υ2，其中 X2 = XXX，運(yùn)算X為笛卡爾積。該向量信道包含兩個子信道爐2(°) ^FxI (輸入為Utl輸出為^y1)和的η j — r (輸入為U1輸出為y。ylU。)，這兩個子信道即是兩個極化信道。經(jīng)過該單步極化過程，從信道容量上看，/(的。))+ /(爐2(1)) = 2/(爐)j[w^)<l{w)<l[wil)),
其中1( ·)表示求信道容量的函數(shù)。也就是說單步極化后，在和容量保持不變的情況下， 相比原本未經(jīng)極化的信道，極化后的信道容量發(fā)生了偏離一個增加，一個減少。如果對兩組已經(jīng)一次極化操作的信道，再在兩組互相獨(dú)立的轉(zhuǎn)移概率相同的極化信道之間，分別進(jìn)行單步極化操作，該偏離會更加明顯，稱這一組單步極化操作為第二層極化操作，而前一組單步極化操作稱為第一層極化操作。每多做一層極化操作，需要的信道數(shù)就會比原先多一倍。因此，對N= 2n個信道進(jìn)行完全的極化，共需要η層極化操作，且每一層極化操作包括了 N次單步極化操作。如不加特殊說明，“對N個信道進(jìn)行極化操作”即是指完全極化。理論上已證明，對接近無窮多個信道進(jìn)行極化操作后，會出現(xiàn)一部分信道的容量為1，其余信道容量為0的現(xiàn)象，而容量為1的信道占全部信道的比例正好為原二進(jìn)制輸入離散信道的容量。參見圖2，介紹一個實(shí)用的信道極化裝置的遞歸結(jié)構(gòu)，長度為N (對N個信道進(jìn)行極
化)的信道極化裝置可以用長度為+的信道極化裝置作遞歸操作來表示，遞歸過程中的最
小單元(即當(dāng)N = 2時)即是圖1所示的基本單元。圖2中的信道極化裝置中有一個長度
為N的比特反轉(zhuǎn)交織器，它的功能是先將輸入端的十進(jìn)制序號i按二進(jìn)制表示為Iv1Iv^
bQ，其中η = Iog2N,再將該二進(jìn)制序列反序，得到IdciIvIv1，最后重新按十進(jìn)制表示成π (i)
作為輸入序號i對應(yīng)的輸出序號。比特反轉(zhuǎn)交織器的用處是將輸入端序號為i的比特映射到序號η (i)處。根據(jù)編碼速率(R)對N個信道進(jìn)行極化，并選取其中容量最大的K個信道(或者等價地，選取可靠性最高的K個信道，可靠性度量是采用密度進(jìn)化(Density Evolution)工具或者計算巴塔恰里亞(Miattacharyya)參數(shù)得到的)，以承載用于傳輸消
息的比特，稱該部分比特為信息比特(其中X = ^Vj」,L·」為向下取整運(yùn)算)，其余未被選中的信道則傳輸一個約定的比特序列，稱其為固定比特序列(若信道對稱則可簡單地傳輸全零序列)，從而形成一個從承載信息的K個比特到最終送入信道的N個比特的映射關(guān)系， 這樣的一種映射關(guān)系即為極化碼，碼長(編碼后得到的二進(jìn)制信號所包含的比特數(shù))等于信道極化裝置的長度N。由信息比特和固定比特組成的、送入信道極化裝置的二進(jìn)制信號序列IVi^1為編碼碼塊(順序與其送入的極化信道的序號一致，即Ui送入對),其中序號i為0到N-I的正整數(shù)，壞 )表示將N個信道W極化后得到的序號為i的極化信道)。編碼碼塊經(jīng)過信道極化裝置得到的Y1，通過N個獨(dú)立信道W，接收到的信號序列為y^y,+譯碼器的任務(wù)就是根據(jù)接收信號序列％…yN-i得到發(fā)送信號序列IVi^1的一組估計值弋…。極化碼可以使用串行抵消SC(successive cancellation)算法，對編碼碼塊中的每個比特按序號i順序地從0到N-I依次按照下述公式進(jìn)行譯碼
權(quán)利要求
1.一種基于重復(fù)編碼和信道極化的編碼器，用于對二進(jìn)制發(fā)送信號進(jìn)行編碼而輸出二進(jìn)制編碼序列；其特征在于該編碼器包括兩個結(jié)構(gòu)完全相同的編碼模塊，每個編碼模塊由順序連接的一個輸出端口數(shù)為mXL的重復(fù)編碼器組、mXL又被稱為重復(fù)長度，一個長度為N的比特位置映射器和一個長度為N的信道極化裝置所組成，其中重復(fù)編碼器組由L個順序排列的重復(fù)次數(shù)為m的重復(fù)編碼器構(gòu)成，且該兩個編碼模塊藉由位于重復(fù)編碼器與比特位置映射器之間的編碼模式選擇器連接為一體；每個編碼模塊分別設(shè)有兩組輸入端口 輸入端口 1(0)、I(I).....I (K-I)用于接收信源輸出的長度為K的二進(jìn)制信號序列，輸入端口 F(O)、F(1).....F(N-K-m.L-l)用于配置預(yù)設(shè)的固定二進(jìn)制信號序列，該兩組輸入端口還都直接連接長度為N的比特位置映射器，其中N = 2η，η為自然數(shù)，K、L、m均為整數(shù)，并滿足0彡L < K，0 < K < N，m彡1且mXL彡N-K ；兩個編碼模塊的重復(fù)編碼器組的輸入端口分別逐一連接各自編碼模塊的輸入端口 I (K-L)、I (K-L+l).....I (K-I)，其依序編號為R(O)、R(I).....R(m · L-1)的輸出端口則分別經(jīng)由編碼模式選擇器的輸入端，連接到比特位置映射器；根據(jù)該編碼模式選擇器所選擇的工作模式經(jīng)由長度為N的比特位置映射器和長度為N的信道極化裝置的輸出端口 X(0)、X(1).....X(N-I)輸出信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器，其特征在于所述編碼模式選擇器設(shè)有下述兩種工作模式當(dāng)編碼模式選擇器處于“雙碼塊編碼”狀態(tài)時，每個編碼模塊的重復(fù)編碼器組的輸出端口 R(O)、R(I).....R(m · L-1)分別連接另一編碼模塊的比特位置映射器；當(dāng)編碼模式選擇器處于“單碼塊編碼”狀態(tài)時，兩個編碼模塊的重復(fù)編碼器組的輸出端口 R(O)、R(I).....R(m.L-l)分別直接連接各自的比特位置映射器，此時兩個編碼模塊各自分別獨(dú)立工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器，其特征在于所述編碼模式選擇器是選配的部件，如果不計劃選擇“雙碼塊編碼”模式時，該編碼器就省略編碼模式選擇器而只配置一個編碼模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器，其特征在于所述長度為N的比特位置映射器的實(shí)質(zhì)是一個交織器，其功能是將兩個輸入端口組I (0)、I (1).....I (K-I)和F (0)、F (1).....F(N-K-m - L-1)以及重復(fù)編碼器的輸出端口組R(O)、R(I).....R(Hi-L-I)的各個信號，按照預(yù)設(shè)規(guī)則映射到一個長度為N的信道極化裝置的輸入端口組U(O) ,U(I).....U(N-I)，以便進(jìn)行極化處理。
5.一種采用權(quán)利要求1所述的基于重復(fù)編碼和信道極化的編碼器的編碼方法，其特征在于所述方法是將重復(fù)編碼嵌入到信道極化過程中進(jìn)行編碼，該方法包括下述操作步驟(1)確定編碼參數(shù)每個編碼模塊的輸入信號序列長度K，輸出序列長度N= 2n，n為自然數(shù)，其中0 < K彡N，則碼率為= ^ ；每個編碼模塊中的重復(fù)編碼器數(shù)量為L，每個重復(fù)編碼器的重復(fù)次數(shù)為m，其中m彡1，0彡L彡K，且m · L彡N-K ；(2)計算各個極化信道的可靠性先按照下述方法定義N個極化信道送入信道極化裝置的信號序列為UtlU1…Un_1;接收端譯碼器從信道接收到的信號序列為ywyH，序號為i的極化信道以Ui為輸入、ywyN-!和UqIVHIV1為輸出，其轉(zhuǎn)移概率函數(shù)為
6. 一種采用權(quán)利要求1所述的基于重復(fù)編碼和信道極化的編碼器的譯碼方法，其特征在于所述方法是使用簡單快速的串行抵消算法對“雙碼塊編碼”模式的二進(jìn)制刪除信道且重復(fù)編碼的重復(fù)次數(shù)m = 1的編碼進(jìn)行譯碼，該方法包括下述操作步驟(1)檢測譯碼器是否處于“雙碼塊編碼”模式，且信道為二進(jìn)制刪除信道BEC和重復(fù)編碼的次數(shù)m = 1 ；如果是，繼續(xù)執(zhí)行步驟O)；否則譯碼失敗，結(jié)束譯碼流程；(2)對從信道接收到的兩組長度為N的信號序列，分別按序號從0到N-I的順序?qū)Ω鱾€比特進(jìn)行串行抵消譯碼操作在對每組接收序列對應(yīng)的碼塊中序號為i的比特進(jìn)行譯碼時，若為固定比特，直接按照成=K進(jìn)行判決；若為非重復(fù)信息比特、重復(fù)信息比特或者重復(fù)比特時，根據(jù)序號為i的極化信道的轉(zhuǎn)移概率函數(shù)，計算概率值對
7. 一種采用權(quán)利要求1所述的基于重復(fù)編碼和信道極化的編碼器的譯碼方法，是使用性能優(yōu)秀的基于泰納圖的置信度傳播算法進(jìn)行的通用譯碼方法，其特征在于所述方法包括下述操作步驟(1)在極化碼泰納圖的基礎(chǔ)上，根據(jù)重復(fù)信息比特和重復(fù)比特之間的關(guān)系增加表示重復(fù)編碼關(guān)系的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)；其中，對于“單碼塊編碼”模式，以普通極化碼的泰納圖為基礎(chǔ)，逐個將重復(fù)信息比特所對應(yīng)的第η層變量節(jié)點(diǎn)和與其構(gòu)成重復(fù)關(guān)系的重復(fù)比特所對應(yīng)的第η層變量節(jié)點(diǎn)通過(m+1)個度為2的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)與一個度為(m+1)的變量節(jié)點(diǎn)連接起來，節(jié)點(diǎn)的度數(shù)是與該節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的邊的數(shù)目，其中m為重復(fù)編碼器的重復(fù)次數(shù)；共要添加L個變量節(jié)點(diǎn)和(mXL+L)個校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，L為重復(fù)編碼器數(shù)量，從而得到“單碼塊編碼”模式下的泰納圖；對于“雙碼塊編碼”模式，以兩個普通極化碼的泰納圖為基礎(chǔ)，每個圖對應(yīng)一個編碼碼塊，逐個將各圖中的重復(fù)信息比特所對應(yīng)的第η層變量節(jié)點(diǎn)和在另一圖中與其構(gòu)成重復(fù)關(guān)系的重復(fù)比特所對應(yīng)的第η層變量節(jié)點(diǎn)通過(m+1)個度為2的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)與一個度為 (m+1)的變量節(jié)點(diǎn)連接起來，其中m為重復(fù)編碼器的重復(fù)次數(shù)；共要增加2L個變量節(jié)點(diǎn)和個校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，L為每個編碼模塊中重復(fù)編碼器的數(shù)量，由該2L校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)和 (2m · L+2L)個校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)連接原來的兩個極化碼泰納圖，得到“雙碼塊編碼”模式下的泰納圖；(2)以步驟(1)建立的泰納圖為基礎(chǔ)，使用置信度傳播算法進(jìn)行迭代譯碼譯碼初始階段，用從信道接收的信號初始化第0層變量節(jié)點(diǎn)，用已知的固定比特序列初始化第η層變量節(jié)點(diǎn)中對應(yīng)的部分變量節(jié)點(diǎn)，完成初始化后，進(jìn)行置信度傳播迭代譯碼；迭代譯碼過程停止后，根據(jù)第η層變量節(jié)點(diǎn)的消息對相應(yīng)的比特進(jìn)行判決得到判決序列，從每個判決序列中分別取出重復(fù)信息比特和非重復(fù)信息比特，分別按序號從小到大排列后，再將排序后的重復(fù)信息比特序列和非重復(fù)信息比特序列進(jìn)行合并，保證非重復(fù)信息比特在前，重復(fù)信息比特在后，得到譯碼結(jié)果并輸出。
全文摘要
一種基于重復(fù)編碼和信道極化的編碼器及其編譯碼方法，該編碼器包括兩個結(jié)構(gòu)相同的編碼模塊，每個編碼模塊設(shè)有一個輸出端口數(shù)為m×L的重復(fù)編碼器組(由L個順序排列的重復(fù)次數(shù)為m的重復(fù)編碼器構(gòu)成)、一個長度為N的比特位置映射器和一個長度為N的信道極化裝置，該兩個編碼模塊藉由位于重復(fù)編碼器與比特位置映射器之間的編碼模式選擇器連接為一體。本發(fā)明在該編碼器基礎(chǔ)上，提出在信道極化過程中嵌入重復(fù)碼進(jìn)行信道編碼和譯碼的具體方法，相比目前現(xiàn)有技術(shù)的有限長度極化碼，本發(fā)明編譯碼方法在幾乎未增加譯碼復(fù)雜度的前提下，糾錯能力更強(qiáng)，明顯提升傳輸性能；特別適合應(yīng)用于的移動通信、衛(wèi)星通信、水下通信等實(shí)際工程系統(tǒng)，具有很好的推廣應(yīng)用前景。
文檔編號H04L1/00GK102164025SQ201110095258
公開日2011年8月24日 申請日期2011年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月15日
發(fā)明者牛凱, 陳凱 申請人:北京郵電大學(xué)