专利名称：基于重复编码和信道极化的编码器及其编译码方法
技术领域：
本发明涉及一种基于重复编码和信道极化的编码器及其编译码方法，用于解决数字通信系统中由于信道对通信过程的干扰，从而使得传输数据出现错误的问题，属于数字通信的信道编码技术领域。
背景技术：
极化码(Polar Codes)是2009年由E. Arikan提出的一种被严格证明可以达到信道容量的构造性的编码方法。在进行极化编码之前，首先需要对N= 2n个独立的二进制输入信道(或对同一个信道的先后N次使用，即一个信道的N个可用时隙)，其中η为自然数， 应用
图1所示的信道极化的基本单元对二进制输入离散信道反复进行极化。最基本的信道极化是对两个相同的未经极化的信道W :Χ — Y进行单步极化操作，其中X是信道输入符号的集合(对于二进制输入信道，X取值为{0，1})，Υ是信道输出符号的集合。标记该极化信道的输入比特分别为Utl和U1,这两个输入比特通过一个模二加法器得到X。，另一方面将U1直接赋值给X1，即& = % Θ M1，Xl = Ul，④为模二加运算。把&和Xl分别送入未经极化信道W，得到输出为Yc^Py1。从该信道极化基本单元的输入㈨和心和两个信道的输出(Yt^y1)看， 原本独立的两个未经极化的信道W被合并成一个两输入两输出的向量信道W2 :Χ2 — Υ2，其中 X2 = XXX，运算X为笛卡尔积。该向量信道包含两个子信道炉2(°) ^FxI (输入为Utl输出为^y1)和的η j — r (输入为U1输出为y。ylU。)，这两个子信道即是两个极化信道。经过该单步极化过程，从信道容量上看，/(的。))+ /(炉2(1)) = 2/(炉)j[w^)<l{w)<l[wil)),
其中1( ·)表示求信道容量的函数。也就是说单步极化后，在和容量保持不变的情况下， 相比原本未经极化的信道，极化后的信道容量发生了偏离一个增加，一个减少。如果对两组已经一次极化操作的信道，再在两组互相独立的转移概率相同的极化信道之间，分别进行单步极化操作，该偏离会更加明显，称这一组单步极化操作为第二层极化操作，而前一组单步极化操作称为第一层极化操作。每多做一层极化操作，需要的信道数就会比原先多一倍。因此，对N= 2n个信道进行完全的极化，共需要η层极化操作，且每一层极化操作包括了 N次单步极化操作。如不加特殊说明，“对N个信道进行极化操作”即是指完全极化。理论上已证明，对接近无穷多个信道进行极化操作后，会出现一部分信道的容量为1，其余信道容量为0的现象，而容量为1的信道占全部信道的比例正好为原二进制输入离散信道的容量。参见图2，介绍一个实用的信道极化装置的递归结构，长度为N (对N个信道进行极
化)的信道极化装置可以用长度为+的信道极化装置作递归操作来表示，递归过程中的最
小单元(即当N = 2时)即是图1所示的基本单元。图2中的信道极化装置中有一个长度
为N的比特反转交织器，它的功能是先将输入端的十进制序号i按二进制表示为Iv1Iv^
bQ，其中η = Iog2N,再将该二进制序列反序，得到IdciIvIv1，最后重新按十进制表示成π (i)
作为输入序号i对应的输出序号。比特反转交织器的用处是将输入端序号为i的比特映射到序号η (i)处。根据编码速率(R)对N个信道进行极化，并选取其中容量最大的K个信道(或者等价地，选取可靠性最高的K个信道，可靠性度量是采用密度进化(Density Evolution)工具或者计算巴塔恰里亚(Miattacharyya)参数得到的)，以承载用于传输消
息的比特，称该部分比特为信息比特(其中X = ^Vj」,L·」为向下取整运算)，其余未被选中的信道则传输一个约定的比特序列，称其为固定比特序列(若信道对称则可简单地传输全零序列)，从而形成一个从承载信息的K个比特到最终送入信道的N个比特的映射关系， 这样的一种映射关系即为极化码，码长(编码后得到的二进制信号所包含的比特数)等于信道极化装置的长度N。由信息比特和固定比特组成的、送入信道极化装置的二进制信号序列IVi^1为编码码块(顺序与其送入的极化信道的序号一致，即Ui送入对),其中序号i为0到N-I的正整数，坏 )表示将N个信道W极化后得到的序号为i的极化信道)。编码码块经过信道极化装置得到的Y1，通过N个独立信道W，接收到的信号序列为y^y,+译码器的任务就是根据接收信号序列％…yN-i得到发送信号序列IVi^1的一组估计值弋…。极化码可以使用串行抵消SC(successive cancellation)算法，对编码码块中的每个比特按序号i顺序地从0到N-I依次按照下述公式进行译码
权利要求
1.一种基于重复编码和信道极化的编码器，用于对二进制发送信号进行编码而输出二进制编码序列；其特征在于该编码器包括两个结构完全相同的编码模块，每个编码模块由顺序连接的一个输出端口数为mXL的重复编码器组、mXL又被称为重复长度，一个长度为N的比特位置映射器和一个长度为N的信道极化装置所组成，其中重复编码器组由L个顺序排列的重复次数为m的重复编码器构成，且该两个编码模块藉由位于重复编码器与比特位置映射器之间的编码模式选择器连接为一体；每个编码模块分别设有两组输入端口 输入端口 1(0)、I(I).....I (K-I)用于接收信源输出的长度为K的二进制信号序列，输入端口 F(O)、F(1).....F(N-K-m.L-l)用于配置预设的固定二进制信号序列，该两组输入端口还都直接连接长度为N的比特位置映射器，其中N = 2η，η为自然数，K、L、m均为整数，并满足0彡L < K，0 < K < N，m彡1且mXL彡N-K ；两个编码模块的重复编码器组的输入端口分别逐一连接各自编码模块的输入端口 I (K-L)、I (K-L+l).....I (K-I)，其依序编号为R(O)、R(I).....R(m · L-1)的输出端口则分别经由编码模式选择器的输入端，连接到比特位置映射器；根据该编码模式选择器所选择的工作模式经由长度为N的比特位置映射器和长度为N的信道极化装置的输出端口 X(0)、X(1).....X(N-I)输出信号。
2.根据权利要求1所述的编码器，其特征在于所述编码模式选择器设有下述两种工作模式当编码模式选择器处于“双码块编码”状态时，每个编码模块的重复编码器组的输出端口 R(O)、R(I).....R(m · L-1)分别连接另一编码模块的比特位置映射器；当编码模式选择器处于“单码块编码”状态时，两个编码模块的重复编码器组的输出端口 R(O)、R(I).....R(m.L-l)分别直接连接各自的比特位置映射器，此时两个编码模块各自分别独立工作。
3.根据权利要求1所述的编码器，其特征在于所述编码模式选择器是选配的部件，如果不计划选择“双码块编码”模式时，该编码器就省略编码模式选择器而只配置一个编码模块。
4.根据权利要求1所述的编码器，其特征在于所述长度为N的比特位置映射器的实质是一个交织器，其功能是将两个输入端口组I (0)、I (1).....I (K-I)和F (0)、F (1).....F(N-K-m - L-1)以及重复编码器的输出端口组R(O)、R(I).....R(Hi-L-I)的各个信号，按照预设规则映射到一个长度为N的信道极化装置的输入端口组U(O) ,U(I).....U(N-I)，以便进行极化处理。
5.一种采用权利要求1所述的基于重复编码和信道极化的编码器的编码方法，其特征在于所述方法是将重复编码嵌入到信道极化过程中进行编码，该方法包括下述操作步骤(1)确定编码参数每个编码模块的输入信号序列长度K，输出序列长度N= 2n，n为自然数，其中0 < K彡N，则码率为= ^ ；每个编码模块中的重复编码器数量为L，每个重复编码器的重复次数为m，其中m彡1，0彡L彡K，且m · L彡N-K ；(2)计算各个极化信道的可靠性先按照下述方法定义N个极化信道送入信道极化装置的信号序列为UtlU1…Un_1;接收端译码器从信道接收到的信号序列为ywyH，序号为i的极化信道以Ui为输入、ywyN-!和UqIVHIV1为输出，其转移概率函数为
6. 一种采用权利要求1所述的基于重复编码和信道极化的编码器的译码方法，其特征在于所述方法是使用简单快速的串行抵消算法对“双码块编码”模式的二进制删除信道且重复编码的重复次数m = 1的编码进行译码，该方法包括下述操作步骤(1)检测译码器是否处于“双码块编码”模式，且信道为二进制删除信道BEC和重复编码的次数m = 1 ；如果是，继续执行步骤O)；否则译码失败，结束译码流程；(2)对从信道接收到的两组长度为N的信号序列，分别按序号从0到N-I的顺序对各个比特进行串行抵消译码操作在对每组接收序列对应的码块中序号为i的比特进行译码时，若为固定比特，直接按照成=K进行判决；若为非重复信息比特、重复信息比特或者重复比特时，根据序号为i的极化信道的转移概率函数，计算概率值对
7. 一种采用权利要求1所述的基于重复编码和信道极化的编码器的译码方法，是使用性能优秀的基于泰纳图的置信度传播算法进行的通用译码方法，其特征在于所述方法包括下述操作步骤(1)在极化码泰纳图的基础上，根据重复信息比特和重复比特之间的关系增加表示重复编码关系的校验节点；其中，对于“单码块编码”模式，以普通极化码的泰纳图为基础，逐个将重复信息比特所对应的第η层变量节点和与其构成重复关系的重复比特所对应的第η层变量节点通过(m+1)个度为2的校验节点与一个度为(m+1)的变量节点连接起来，节点的度数是与该节点相关联的边的数目，其中m为重复编码器的重复次数；共要添加L个变量节点和(mXL+L)个校验节点，L为重复编码器数量，从而得到“单码块编码”模式下的泰纳图；对于“双码块编码”模式，以两个普通极化码的泰纳图为基础，每个图对应一个编码码块，逐个将各图中的重复信息比特所对应的第η层变量节点和在另一图中与其构成重复关系的重复比特所对应的第η层变量节点通过(m+1)个度为2的校验节点与一个度为 (m+1)的变量节点连接起来，其中m为重复编码器的重复次数；共要增加2L个变量节点和个校验节点，L为每个编码模块中重复编码器的数量，由该2L校验节点和 (2m · L+2L)个校验节点连接原来的两个极化码泰纳图，得到“双码块编码”模式下的泰纳图；(2)以步骤(1)建立的泰纳图为基础，使用置信度传播算法进行迭代译码译码初始阶段，用从信道接收的信号初始化第0层变量节点，用已知的固定比特序列初始化第η层变量节点中对应的部分变量节点，完成初始化后，进行置信度传播迭代译码；迭代译码过程停止后，根据第η层变量节点的消息对相应的比特进行判决得到判决序列，从每个判决序列中分别取出重复信息比特和非重复信息比特，分别按序号从小到大排列后，再将排序后的重复信息比特序列和非重复信息比特序列进行合并，保证非重复信息比特在前，重复信息比特在后，得到译码结果并输出。
全文摘要
一种基于重复编码和信道极化的编码器及其编译码方法，该编码器包括两个结构相同的编码模块，每个编码模块设有一个输出端口数为m×L的重复编码器组(由L个顺序排列的重复次数为m的重复编码器构成)、一个长度为N的比特位置映射器和一个长度为N的信道极化装置，该两个编码模块藉由位于重复编码器与比特位置映射器之间的编码模式选择器连接为一体。本发明在该编码器基础上，提出在信道极化过程中嵌入重复码进行信道编码和译码的具体方法，相比目前现有技术的有限长度极化码，本发明编译码方法在几乎未增加译码复杂度的前提下，纠错能力更强，明显提升传输性能；特别适合应用于的移动通信、卫星通信、水下通信等实际工程系统，具有很好的推广应用前景。
文档编号H04L1/00GK102164025SQ201110095258
公开日2011年8月24日 申请日期2011年4月15日 优先权日2011年4月15日
发明者牛凯, 陈凯 申请人:北京邮电大学