基于格雷码结构的无线随钻测量系统极化信道编解码方法与流程

本发明涉及石油、天然气、煤矿等随钻测量技术领域，具体是一种基于格雷码结构的无线随钻测量系统极化信道编码方法。

背景技术：

无线随钻测量系统数据传输方式包括泥浆脉冲、电磁波和声波。无线随钻测量系统分为井下仪器和地面仪器两部分，其中井下仪器主要包括传感器模块、信道编码、调制模块和功率放大器；地面仪器主要包括信号调理模块、信号处理模块、解调模块和译码模块。该系统主要传输井下工程参数和地质参数，井下发送信息的数据量较少，发送数据码长通常较短。采用有效的信道编码方法，降低数据传输的误码率，对于提高无线随钻测量系统的抗干扰能力和可靠性具有重要意义。

极化码是在信道极化理论基础上，使用n个信道中的k个可靠信道来传输信息并且在其余的不可靠信道上使用收发双方都已知的固定信息(通常为0)填充。在接收端，最初使用串行抵消(sc)算法进行译码。由于sc译码的误码性能并不够理想，学者们提出了置信度传播(bp)译码算法、线性规划(lp)译码算法等。这些算法取得了一定的编码增益，但增益仍然不够明显。

为了提升polar码的误码率性能，学者们对sc算法进行改进，由此产生了串行抵消列表(scl)译码算法，并在此基础上提出了带冗余(crc)校验的连续消除列表(ca-scl)译码算法。ca-scl算法的提出使极化码在某些特定的码长获得了与传统的线性分组码、turbo码和ldpc码相比相当甚至更优的误码性能，但当对于码长很短的情况采用这种ca-scl算法极化码仍然不如传统的线性分组码的误码性能。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对目前无线随钻测量系统通信信道存在强噪声干扰信号，地面仪器接收机难以正确恢复井下信息的技术缺陷，采用一种基于格雷码结构的无线随钻测量系统极化信道编码方法解决上述问题。

本发明解决其技术问题，所采用的基于格雷码结构的无线随钻测量系统极化信道编解码方法，包括以下步骤：

s1、用格雷码的结构构造一种特殊的极化信道编码方法，并将这种信道编码方法应用于无线随钻测量系统井下仪器的信道编码模块中进行编码工作，该极化信道编码方法具体包含如下步骤：

s11、在长度s＝32的全0序列vs的12个信息比特位置aⁱ中加入长度k＝12的信息序列μk，以将序列vs对应位置的信息0覆盖，其中信息比特位置集合aⁱ＝{12,14,15,16,20,22,23,24,28,30,31,32}；

s12、根据公式计算码长n＝8时极化码的编码矩阵g8，其中n＝2ⁿ，为矩阵f的n次克罗内克积；

s13、按照交织器(2,5,4,3,6,7,1,8)的顺序交换矩阵g8列向量的顺序，得到矩阵g8'；

s14、按照分块矩阵构造编码矩阵gs；

s15、根据公式xs＝vs·gs对序列vs进行编码，然后删除序列xs的后八个信息，得到长度n＝24的待发送信息xn，其中本步骤s15中的vs为步骤s11中被信息序列μk进行对应覆盖后的vs；

s2、将与步前一步骤信道编码方法相对应的scl算法应用于无线随钻测量系统地面仪器的译码模块中，以对译码模块接收到的信息进行解码。

进一步地，在本发明的基于格雷码结构的无线随钻测量系统极化信道编解码方法中，s2中的scl算法具体包含如下步骤：

s21、选取参数l为最多允许的路劲分裂数量，初始化当前译码路径l＝1，初始化译码路径的路径度量值pm＝0，对所有的l条译码路径，采用一种对应的sc算法进行译码；

s22、当译码进行到叶节点时，如果节点对应的位置则对当前所有l条路径根据递推公式更新其pm值，其中叶节点对应sc译码算法中二叉树深度为n的节点，表示进行到第j个译码位置时第条路径的路径度量值，lj表示sc算法中译码到第j个叶节点时的llr值，即

s23、当译码进行到叶节点时，如果节点对应的位置j∈aⁱ，则将现有的l条译码路径完全复制一次，将当前l条路径中的每一条译码路径分裂成译码结果为和的两条路径，并根据递推公式和计算这两条路径的pm值，同时使l增加为原来的两倍，若此时l＝2l则选择这2l条路径中具有较小pm值的l条路径保留，并删除其余的l条路径，同时使当前路径条数l减小为l；其中，表示分裂后的路径；

s24、译码结束后，在最后的l条路径中选择具有最小pm值的路径将其对应的译码结果作为最终的译码结果输出。

进一步地，在本发明的基于格雷码结构的无线随钻测量系统极化信道编解码方法中，步骤s21中，sc算法具体包含如下步骤：

s211、对二叉树第i层中s个的节点从左至右间隔2^n-i分成2ⁱ组，用符号mi,j表示第i层中的第j组节点，将mi,j组中的第m个节点记为mi,j组中左侧2^n-i-1个节点中的第k个节点记为右侧2^n-i-1个节点中的第k个节点记为并用表示节点中的llr值，其中n＝log2s，i＝0,1,…,n，j可取的值为1,2,…,2ⁱ，k＝1,2,…,2^n-i-1，m＝1,2,…,2^n-i；

s212、将接收到的长度n＝24的信息yn按照定义式处理得到二叉树根节点中的对数似然比，其中p(xs＝0|yj)和p(xs＝1|yj)分别表示已知接收到第j个位置的信息为yj的条件下第j个编码后的信息为0和为1的概率，当j∈(n,s]时由于译码器无法接受到信息yj，因此认为

s213、根据递推公式和以及步骤s212中m0，1组节点中s个节点的llr值，计算得到其余所有2s-2组节点的n×s个llr值，其中f(a,b)＝sign(a·b)·min(|a|,|b|)，g(a,b,c)＝(-1)^ca+b，

s214、执行步骤s213，当计算到叶节点的llr值后，根据公式进行硬判决得到第j个位置的译码结果用表示节点的u值，其中叶节点的u值等于该位置的译码结果，即其余节点的u值根据递推公式和计算；

s215、执行步骤s213，当计算到m2，4组节点的llr值后，按照解交织器(7,1,4,3,2,5,6,8)的顺序交换这些llr值。

进一步地，在本发明的基于格雷码结构的无线随钻测量系统极化信道编解码方法中，满足递推公式

实施本发明的基于格雷码结构的无线随钻测量系统极化信道编解码方法，具有以下有益效果：本发明由于构造的极化信道编码方法拥有格雷码的结构，比普通的极化码具有更好的误码性能，进一步激发了极化码的潜能，有效的降低无线随钻测量系统的误码率，提高了系统的可靠性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明一种基于格雷码结构的无线随钻测量系统极化信道编码方法示意图；

图2为本发明极化码译码基本结构示意图；

图3为本发明极化码编译码结构图；

图4为本发明格雷码构造的极化码与码长n＝32,k＝16采用ca-scl算法极化码的误码性能对比图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示为本发明一种基于格雷码结构的无线随钻测量系统极化信道编码方法示意图，该方法根据格雷码的结构构造了一种极化信道编码方法；然后根据这种极化信道编码方法设计一种连续消除列表(scl)译码算法；最后将这种格雷码结构构造的极化信道编码方法运用于无线随钻测量系统井下仪器的编码模块，将这种特殊的scl算法应用于无线随钻测量系统地面仪器的译码模块。

其中极化信道编码方法具体步骤如下：

s11、在长度s＝32的全0序列vs的12个信息比特位置aⁱ中加入长度k＝12的信息序列μk，并将序列vs对应位置的信息0覆盖；

其中信息比特位置集合aⁱ＝{12,14,15,16,20,22,23,24,28,30,31,32}。

s12、根据公式计算码长n＝8时极化码的编码矩阵g8；

其中n＝2ⁿ，为矩阵f的n次克罗内克积，满足递推公式

s13、按照交织器(2,5,4,3,6,7,1,8)的顺序交换矩阵g8列向量的顺序，得到矩阵g8'；

s14、按照分块矩阵构造编码矩阵gs；

s15、根据公式xs＝vs·gs对序列vs进行编码，然后删除序列xs的后八个信息，得到长度n＝24的待发送信息xn。其中本步骤s15中的vs为步骤s11中被信息序列μk进行对应覆盖后的vs。

scl算法具体步骤如下：

s21、选取参数l为最多允许的路劲分裂数量，初始化当前译码路径l＝1，初始化译码路径的路径度量值pm＝0，对所有的l条译码路径，采用一种连续消除(sc)算法进行译码；

s22、当译码进行到叶节点时，如果节点对应的位置则对当前所有l条路径根据递推公式更新其pm值；

其中叶节点对应sc译码算法中二叉树深度deep＝n的节点，表示进行到第j个译码位置时第条路径的路径度量值，lj表示sc算法中译码到第j个叶节点时的llr值，即

s23、当译码进行到叶节点时，如果节点对应的位置j∈aⁱ，则将现有的l条译码路径完全复制一次，将当前l条路径中的每一条译码路径分裂成译码结果为和的两条路径，并根据递推公式和计算这两条路径的pm值，同时使l增加为原来的两倍，若此时l＝2l则选择这2l条路径中具有较小pm值的l条路径保留，并删除其余的l条路径，同时使当前路径条数l减小为l；

s24、译码结束后，在最后的l条路径中选择具有最小pm值的路径将其对应的译码结果作为最终的译码结果输出。

其中步骤s21中，sc算法按照如图2所示的基本译码结构进行，其中二叉树的深度deep最多取n，具体步骤如下：

s211、对二叉树第i层中s个的节点从左至右间隔2^n-i分成2ⁱ组，用符号mi,j表示第i层中的第j组节点，将mi,j组中的第m个节点记为mi,j组中左侧2^n-i-1个节点中的第k个节点记为右侧2^n-i-1个节点中的第k个节点记为并用表示节点中的llr值；

其中n＝log2s，i可取的值为0,1,…,n，j可取的值为1,2,…,2ⁱ，k可取的值为1,2,…,2^n-i-1，m可取的值为1,2,…,2^n-i。

特别地，当i＝n时，j可取的值为1,2,…,s，k不存在，m只能取1。

s212、将接收到的长度n＝24的信息yn按照定义式处理得到二叉树根节点(深度deep＝0的节点)中的对数似然比(llr)；

其中p(xs＝0|yj)和p(xs＝1|yj)分别表示已知接收到第j个位置的信息为yj的条件下第j个编码后的信息为0和为1的概率。

特别地，当j∈(n,s]时由于译码器无法接受到信息yj，因此认为

s213、根据递推公式和以及步骤s312中m0，1组节点中s个节点的llr值，计算得到其余所有2s-2组节点的n×s个llr值。

其中f(a,b)＝sign(a·b)·min(|a|,|b|)，g(a,b,c)＝(-1)^ca+b，

s214、执行步骤s213，当计算到叶节点(深度deep＝n的节点)的llr值后，根据公式进行硬判决得到第j个位置的译码结果用表示节点的u值；

其中叶节点的u值等于该位置的译码结果，即其余节点的u值根据递推公式和计算。

当深度为i时，组节点中的2^n-i个u值可以不用计算，一共需要计算2s-n-2组节点的ns-s+1个u值。

s215、执行步骤s213，当计算到m2，4组节点的llr值后，按照解交织器(7,1,4,3,2,5,6,8)的顺序交换这些llr值。

如图3所示为一种极化码编译码结构图，其中顺着箭头的方法为本发明中一种特殊的sc译码算法结构图，逆着箭头的方向为本发明中一种特殊的极化信道编码方法，上方灰色色标出的为本发明中极化码的信息位置aⁱ，在编码结束后需要将下方黑色标出位置中的信息删除，虚线框为一个交织-解交织器π。

在编码结构图中表示执行异或运算，“·”不执行任何运算；译码结构图中和“·”分别表示执行s213中的运算f(a,b)和运算g(a,b,c)。

如图4所示为本发明格雷码构造的极化码与码长n＝32,k＝16采用ca-scl算法极化码的误码性能对比图。

其中如图4中虚线所示为本发明格雷码构造的极化码的误码性能曲线；如图4中实线所示为码长n＝32，信息序列长度k＝16采用ca-scl算法极化码的误码性能。

从图中可以看出，除了采用sc算法和参数l＝2的某些信噪比状况以外，这种格雷码构造的极化码都具有更好的误码性能。

随着参数l的增大，这种格雷码构造的极化码在误码性能上的优势越来越明显，当l＝16时，这种用格雷码构造的极化码已经有了将近0.6db的编码增益(误码状况10-3)。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。