一种基于改进第一关键集的极化码SCLF译码方法

技术领域

本发明属于信道编码技术领域，涉及信道编码中一种基于改进第一关键集的极化码串行抵消列表比特翻转(Successive Cancellation List Bit-Flip Based on theImproved First Critical Set，IFCS-SCLF)译码方法。该方法主要将译码错误比特构成改进第一关键集，然后在首次循环冗余校验辅助串行抵消列表(Cyclic Redundancy CheckAided Successive Cancellation List，CA-SCL)译码失败时，交换改进第一关键集中串行抵消(Successive Cancellation,SC)状态路径上的决策结果。

背景技术

由Arikan教授提出的极化码信道编码方案与SC译码方法相结合的方案首次从理论上被证明可在一般的离散无记忆对称信道中达到信道容量。相比较传统的信道编码方案，极化码编译码复杂度较低且纠错性能较好，因此极化码编译码方法是当下的研究热点，且极化码成功被选为5G(5th Generation mobile communication，5G)通信增强型移动宽带(enhanced Mobile Broadband，eMBB)场景下控制信道的信道编码方案，在新一代移动通信系统中发挥着重要作用。

但是，SC译码由于其串行特性导致在译码过程中会出现严重的错误传播，使得在有限码长的情况下SC译码性能较差。为了提高极化码SC译码方法的性能，学者们提出了串行抵消列表(Successive Cancellation List，SCL)译码方法，SCL译码在译码过程中通过保留L条最佳候选路径来提升误码性能。为了改进SCL译码方法，学者们提出了CA-SCL译码方法，该方法增加了循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check,CRC)码对SCL译码结束时产生的L条路径进行校验，将通过校验且路径度量(Path Metric，PM)值相对最小的路径作为最终译码结果，如果未有通过CRC校验的路径，则直接将PM值最小的路径作为最终译码结果。

在对极化码译码算法不断改进的过程中，学者们提出了串行抵消比特翻转(Successive Cancellation Bit-Flip，SCF)译码方法，当SC译码失败时进行重译码，每次重译码过程翻转一个错误信息比特，以此来避免错误传播，进而提高误码性能。基于对SCF译码方法的研究，学者通过使用分布式CRC码对SC译码过程进行校验，一旦发现SC译码错误，立刻终止译码进程，大大降低了SCF译码方法的复杂度。为了提高SCF译码方法的误码性能，学者通过CRC码、分布式奇偶校验码来检测、识别错误信息比特，使得由信道噪声引起的首个错误信息比特的位置更加准确，进而提高误码性能。为了改进SCF译码方法，学者们提出了SCLF译码方法，此译码方法为SCF译码方法与CA-SCL译码方法的结合，如果CA-SCL译码没有产生通过CRC码校验的信息序列，则进行重译码过程，交换错误比特的路径竞争结果，达到对错误比特纠正的目的。基于对SCLF译码方法的研究，学者提出了包含多数错误比特的关键集，通过翻转关键集中的比特可以实现误码性能的提升。但是由于动态噪声的影响，关键集并不能准确定位首个错误比特的位置。因此，学者提出了先进的决策后处理方法(Decision Post-Processing，D-Post)，该方法定义了新的寻找错误比特的度量准则，通过CA-SCL译码过程中获取的PM值来计算每个比特的置信度，按照置信度由小至大来进行比特翻转。为了充分考虑前面比特译码对当前比特译码的影响，本发明提出了能够快速、精准定位首个译码错误比特的基于改进第一关键集的极化码SCLF译码方法，该方法能够有效抑制译码过程中由错误传播造成的影响，得到了更好的误码性能和更低的复杂度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于改进第一关键集的极化码SCLF译码方法。以第一关键集为初始关键集，通过比较比特不可靠度的实际值和理论值，定位译码错误比特，将这些比特按照信道可靠度进行升序排列形成改进第一关键集。当首次CA-SCL译码失败时，进行重译码，每次重译码过程翻转改进第一关键集中的一个信息比特，通过对错误比特的翻转达到纠正译码进程的目的，有效减少了错误传播，从而提高了误码性能，与传统的SCLF译码方法相比大大降低了复杂度。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

首先，根据极化信道的偏序关系构造第一关键集(First Critical Set，FCS)，FCS由极化码中每个码率为1的子极化码的首个比特构成(对应码率为1的子极化码中最差的极化信道)，将FCS作为初始关键集。由于集合A′中的比特译码路径均处于克隆状态，译码时总是同时保留

然后，通过CA-SCL译码产生的PM值计算在实际译码过程中比特的不可靠度γ

最后，进行CA-SCL译码，如果CA-SCL译码成功，则输出正确译码路径，否则进行重译码，每次重译码过程顺序翻转改进第一关键集中的一个比特，如果重译码过程中存在通过CRC校验的路径，则输出此路径的译码结果，否则进行下一次重译码过程。如果达到最大重译码次数还未出现通过CRC校验的路径，则是输出首次CA-SCL译码中PM值最小的路径，实现IFCS-SCLF译码。

本发明的有益效果在于：

本发明方法能够快速、精准定位首个译码错误比特，有效抑制了译码过程中由错误传播造成的影响，提高了SCLF译码方法的误码性能，大大降低了译码复杂度。仿真结果表明，本发明提出的IFCS相较于文献[1]“YU Yongrun,PAN Zhiwen,LIU Nan,etal.Successive cancellation list bit-flip decoder for polar codes[C].2018 10thInternational Conference on Wireless Communications and Signal Processing(WCSP).Hangzhou:IEEE,2018:1-6.”中的RCS更能够准确地识别由信道噪声引起的首个错误比特。相较于文献[2]“WANG Zhongxuan,PAN Yihan,LIN Yuheng.Post-processing forCRC-aided successive cancellation list decoding of polar codes[J].IEEECommunications Letters.2020,24(7):1395-1399.”中的D-Post-SCLF译码方法，IFCS-SCLF译码方法所提出的关键集能够有效减少不必要的重译码过程，获得更好的误码性能和更低的复杂度。与列表大小为L＝32的CA-SCL译码方法在中低信噪比区域拥有几乎相同的误码性能，并且需要更少的重译码次数，因此本发明所提出的译码方法能够与小列表的CA-SCL译码器结合达到大列表CA-SCL译码器的预期性能。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明方法的技术路线图；

图2为FCS示意图；

图3为CA-SCL和SCLF译码树示意图；

图4为不同α下IFCS-SCLF译码方法的误块率曲线图；

图5为不同译码方法的误块率曲线图；

图6为不同译码方法的平均译码次数曲线图；

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

(1)结合附图1说明，一种基于改进第一关键集的极化码SCLF译码方法具体实现过程如下：

步骤一：根据极化信道的偏序关系构造FCS，FCS由极化码中每个码率为1的子极化码的首个比特构成(对应码率为1的子极化码中最差的极化信道)。对于CA-SCL译码器，信息比特索引集为A。在译码u

将前log

步骤二：对于i∈RFCS，每条译码路径

将

由于译码器无法获取正确的译码序列信息，故将P

用

引入

其中α(0＜α＜1)为补偿P

步骤三：将极化信道近似为二进制输入AWGN信道。假设发送端为全零码字，通过数值计算极化信道的LLR均值，然后根据LLR均值来得到信道的可靠度，均值越大表示信道越可靠。通过极化码的结构特性得出信道极化规律

其中

信道错误概率的计算如公式(8)所示。

其中

步骤四：将理论上比特的不可靠度定义为前面比特译码正确而u

当比特u

优化后的关键集表示为OFCS，OFCS用公式(11)表示。

由于

IFCS＝OFCSκ (24)

与比特翻转次序按照置信度的大小排序不同，本发明选择将IFCS中的比特按照由高斯近似法求出的

步骤五：执行CA-SCL译码，如果首次CA-SCL译码通过了CRC校验，则直接输出通过CRC校验且PM最小的路径，否则执行基于IFCS的重译码，重译码过程顺序翻转IFCS中的比特，每次重译码仅翻转一个比特。如果重译码过程通过了CRC校验，则输出正确的译码路径，否则进行下一次重译码过程，当重译码次数达到最大值时还未得到正确的译码序列，则输出首次CA-SCL译码中PM值最小的译码路径。

对于SCLF译码器，目前的比特翻转方案共两种：第一种为翻转比特u

(2)结合附图2说明FCS的构造方法：

FCS由每个码率1节点的首个比特构成(对应码率为1的子极化码中最差的极化信道)。图2显示了码长N＝8且A＝{4,6,7,8}的极化码，黑色节点表示其所有叶节点都是信息比特，白色节点表示其所有叶节点都是冻结比特，灰色节点表示其叶节点既有信息比特又有冻结比特，实线矩形框表示码率为1的子极化码，虚线矩形框中的比特索引构成FCS，表示为FCS＝{4,6,7}。

(3)结合附图3说明比特翻转方案的选取如下所述：

根据译码u

(4)结合附图4说明本发明方法的最佳α值：

最佳α值可以通过仿真不同α情况下IFCS-SCLF译码器的误码性能来得到。由于α的值需适中，故选用α＝0.4、0.5、0.6和1(不添加参数)来进行仿真分析，设置最大翻转次数T＝50。根据图4显示，可以看出α＝1(不添加参数)时译码器性能较差，因此公式(4)中加入参数α是可行且必要的。比较图4中α＝0.4、0.5、0.6时译码器的误码性能，发现α＝0.5时性能最佳。

(5)结合附图5，6说明本发明方法的优越性，仿真具体如下：

为了验证本发明所提方法的优越性，对IFCS-SCLF译码器进行误码性能和复杂度的仿真分析。仿真条件为：极化码码长N＝1024，码率R＝0.5、列表大小为L＝8、码字采用BPSK调制且在AWGN信道下传输、采用信噪比SNR＝2.5dB的高斯近似构造法、CRC校验码码长r＝16，对应生成多项式为g

将本发明提出的IFCS-SCLF译码方法与文献[3]“NIU Kai,CHEN Kai.CRC-aideddecoding of polar codes[J].IEEE Communications Letters,2012,16(10):1668-1671.”中CA-SCL译码方法、文献[1]中RCS-SCLF译码方法和文献[2]中D-Post-SCLF译码方法进行对比，分析以上方法的误块率和平均译码次数。

当最大翻转次数T＝10时，相较于RCS-SCLF译码方法和D-Post-SCLF译码方法，本发明所提出的IFCS-SCLF译码方法具有最佳的误码性能。在T＝50、误块率为10

比特翻转方法的计算复杂度可以描述为平均译码次数，平均译码次数越高表示计算复杂度越高。在T＝10和50时，本发明所提出的IFCS-SCLF译码方法相较于RCS-SCLF译码方法和D-Post-SCLF译码方法都具有最低的复杂度。在T＝50、信噪比为1dB时，IFCS-SCLF译码方法的复杂度比RCS-SCLF译码方法和D-Post-SCLF译码方法分别降低大约26％和12％。将列表大小L＝8、16、32的CA-SCL译码方法的计算复杂度归一化为1、2、4，这是CA-SCL译码所需要的等效译码次数。在误块率小于10

误码性能越高以及复杂度越低的译码方法越具有优越性，因此本发明提出的IFCS-SCLF译码方法具有较强的优越性。