CN117856801A - 一种信道编码方法、编码装置、译码方法以及译码装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种信道编码方法、编码装置、译码方法以及译码装置，该信道编码方法采用以polar码作为内部码的广义低密度奇偶校验码进行信道编码，该广义低密度奇偶校验码的获取过程包括：选定低密度奇偶校验码的校验矩阵H^l；选定多个polar码校验矩阵与每个polar码校验矩阵所要替换的低密度奇偶校验码的校验矩阵的行号集合；为作用于同一个比特的polar码校验矩阵选定不同的列变换；将polar码校验矩阵做对应列变换后替换低密度奇偶校验码的校验矩阵的对应行，得到以polar码作为内部码的广义低密度奇偶校验码。信道编码具有错误概率更低的优势，编码方法具有复杂度低的特点，译码方法克服polar码并行度低的缺陷，时延更低。

Description

一种信道编码方法、编码装置、译码方法以及译码装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别来说是一种信道编码方法、编码装置、译码方法以及译码装置。

背景技术

在通信系统的信息传输过程中，信息不可避免会出现传输错误。信道编码是一类将冗余数据添加到信息中的方法，使得即使在传输期间中引入了多个错误时，接收机也可以通过冗余恢复信息。

广义低密度奇偶校验(GLDPC)码是信道编码的一种。GLDPC码通常提供优异的误块率(BLER)性能。然而，GLDPC码的编译码器设计存在一定难度。polar码是一类在短码拥有一定的性能优势的信道编码，但其长码存在难以并行、时延高的问题。

发明内容

本申请实施例提供一种信道编码构造方法、编码方法和译码方法，旨在提供一种具备更低错误概率的信道编码方案。具体的：

本发明的技术方案包括一种信道编码方法，采用以polar码作为内部码的广义低密度奇偶校验码进行信道编码，该广义低密度奇偶校验码的获取过程包括：

选定低密度奇偶校验码的校验矩阵H^l；

选定多个polar码校验矩阵与每个polar码校验矩阵所要替换的低密度奇偶校验码的校验矩阵的行号集合；

为作用于同一个比特的polar码校验矩阵选定不同的列变换；

将polar码校验矩阵做对应列变换后替换低密度奇偶校验码的校验矩阵的对应行，得到以polar码作为内部码的广义低密度奇偶校验码。

本发明的进一步改进在于，所述低密度奇偶校验码的校验矩阵每行的行重为2的指数；每个polar码校验矩阵的行号集合对应的所述低密度奇偶校验码的校验矩阵的各行的行重相等，且等于该polar码校验矩阵的列数。

本发明的进一步改进在于，polar码校验矩阵作用于同一个比特指的是，polar码校验矩阵的行号集合对应的低密度奇偶校验码的校验矩阵的各行中，存在任意两行在相同位置均为1。

本发明的进一步改进在于，如果低密度奇偶校验码为准循环低密度奇偶校验码，对polar码校验矩阵替换后得到的校验矩阵进行行变换，得到的校验矩阵也是准循环低密度奇偶校验码，从而可以使用准循环低密度奇偶校验码的快速编码算法进行编码。

本发明的进一步改进在于，准循环低密度奇偶校验码形式的低密度奇偶校验码的校验矩阵的形式为pJ×pL，包括J个形式为p×pL的子矩阵；子矩阵经行数为n_i的polar码校验矩阵替换后得到形式为pn_i×pL的替换后子矩阵；

对polar码校验矩阵替换后得到的校验矩阵进行行变换的过程中，对替换后子矩阵的各行按照(1,n_i+1,…,(p-1)n_i+1,2,n_i+2,…,(p-1)n_i+2,…,n_i,2n_i,…,pn_i)的顺序重新排列。

本发明的技术方案还包括一种信道编码装置，其采用上述的信道编码方法进行信道编码。

本发明的技术方案还包括一种信道译码方法，其用于对采用上述的信道编码方法得到的编码结果进行译码，该信道译码方法以tanner图的形式表示时包括以下步骤：

步骤1：根据信道输出计算每个变量节点的初始软信息；

步骤2：计算变量节点到校验节点的软信息；

步骤3：根据内部码polar码计算校验节点到变量节点的软信息；

步骤4：变量节点综合所有软信息得到自身对数似然比，并做硬判决判断每个polar码的校验矩阵是否被满足；若存在不满足条件的polar码的校验矩阵且迭代次数没有达到最大迭代次数，则跳转至步骤2。

本发明的进一步改进在于，计算变量节点i和校验节点j的间的软信息和的表达式为：

其中，L_i是变量节点i自身的软信息，代表变量节点i向校验节点j传递的软信息，代表校验节点j向变量节点i传递的软信息，f(·)代表通过输入软信息获取输出软信息的函数，B_i＝{k|H^l(k,j)＝1}，H^l(i,k)为低密度奇偶校验码的校验矩阵H^l第i行第k列的元素。

本发明的进一步改进在于，校验节点i进行硬判决的表达式为：

其中：是变量节点i对应的信息比特的估计。

本发明的技术方案还包括一种信道译码装置，其采用上述的信道译码方法进行信道译码。

本发明的有益效果为：将polar码嵌入到GLDPC中，并将polar译码提供的软信息用于GLDPC的译码，可以获取一定的BLER性能增益。同时，由于GLDPC的不同polar码之间互不干扰，因此不同polar码在获取软信息时可以并行执行，从而利用到polar码在短码的优益性能的同时降低译码的时延。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的通信系统的示意图；

图2为本申请一实施例提供的译码算法的流程图；

图3为本申请一实施例提供的GLDPC结构的示意图；

图4为本申请一实施例提供的译码方法的示意图；

图5为本申请一实施例提供的GLDPC码在长码下的性能图。

图6为本申请一实施例提供的GLDPC码在短码下的性能图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的实施例可采用图1所示的通用数字通信系统进行实现。该系统包括包含编码器的发送设备和包含译码器的接收设备。在发送设备的编码器的输入值是k个比特的信息序列c，经过编码器后，得到n个比特的编码后序列u，编码后序列经过调制器得到输入进入信道的符号序列x。下面结合附图对本发明实施例中的信道编码方法进行介绍：

信道编码通常由大小为r×n(r＝n-k)的校验矩阵H来界定，校验矩阵H的每一行代表编码后序列u所满足的奇偶检验约束。信道编码的编码器一般基于信道编码的生成矩阵G，生成矩阵G大小为k×n，每列与校验矩阵H每行正交，即

HG^T＝0_r×k

若想要将信息序列c编码为编码后序列u，则可以通过如下操作：

u＝G^Tc

GLDPC的核心思想是用一个信道编码替换LDPC码每行的奇偶校验，由外部码(即LDPC码)和内部码构成，内部码就是替换奇偶校验的信道编码。GLDPC的校验矩阵是通过内部码的校验矩阵对LDPC的校验矩阵进行替换得到的。在本实施例中，使用的内部码为polar码。

具体而言，GLDPC的校验矩阵H的生成过程包括：

首先获取一个LDPC码(低密度奇偶校验码)的校验矩阵H^l满足每行1的个数(即行重)为2的指数，记所有行重构成的集合为W。记H^l的行数为r，列数为n。

根据码率需求，获取若干个长度为w_i，信息比特数为k_i的polar码的校验矩阵 其中，m是选取的polar码的数量，w_i∈W，记r_i＝w_i-k_i，即校验矩阵行数，k_i根据最终需要的信道编码的码率决定。其中polar码通过常用的构造方法获取，例如5G协议中polar码的构造方法、高斯近似构造法等。并规定好每个polar码校验矩阵将要替换H^l的行序号集合A_i，满足H^l在A_i上的行重为w_i，且A_i间两两相交为空集，A_i的并集为H^l的所有行。同时，规定好每行替换前的列变换π_j,j＝1,…,r。polar码校验矩阵替换低密度奇偶校验码的校验矩阵的行，指的是：对进行相应的列变换π_i后，将每个的每一列依次分别替换H^l的A_i行上的每一个1，H^l对应行中的0以行数相等的0组成列向量进行替换。一般而言，列变换π_i为单位变换，即保留原有顺序的变换。若行序号集合A_i对应H^l的各行中，存在任意两行在相同位置均为1，则替换这两行时采用不同的列变换。

例1，已知

令

且A₁＝{1,2}，A₂＝{3}，A₃＝{4}。由于第1个比特参与的替换两次，在对第二行进行替换时，对额外进行π₂＝[2 5 3 8 7 1 4 6]的列变换。其余列变换π₁,π₃,π₄均为单位变换，即保留原有顺序的变换。那么经过替换后，得到最终的校验矩阵为

可以注意到，H^l的第一行的第i个1被的第i列替换，第二行的第i个1被列变换后的的第i列替换，H^l的第三行第i个1被的第i列替换，H^l的第四行第i个1被的第i列替换。

经过上述方法得到的GLDPC码具有灵活的优势，可以通过调节内部码polar码的长度，在校验节点复杂度和置信传播复杂度之间做权衡。

同时，根据上述方法得到的GLDPC码的码率R满足

等号成立当H满秩。

特别的，当H^l是QC-LDPC码(准循环低密度奇偶校验码)时，替换得到的H也是QC-LDPC码。具体来说，常用的QC-LDPC码满足以下形式：

其中b_i,j∈{-1,0,1,,-1}，为预先选定的方阵I₀的大小，

I₀为大小为p×p的单位矩阵每行向右循环平移1个单位得到的矩阵，即

此时，由于H^l的每个p行的子矩阵[I(b_i,1)I(b_i,2)…I(b_i,L)]每列均有一个1，不会出现一个比特多次参与同一个polar码校验矩阵的替换过程(polar码校验矩阵作用于子矩阵的同一比特)，因此可以对每个子矩阵施加同一个列变换π_i,i＝1,…,J。

为了得到H的QC-LDPC码形式，首先限制H^l的每个p行的子矩阵 的各行都属与同一个行号集合A_t，此时记n_i＝r_t。之后通过行变换，将H的每个由子矩阵拓展出的大小为pn_i×pL的子矩阵的各行按照(1,n_i+1,…,(p-1)n_i+1,2,n_i+2,…,(p-1)n_i+2,…,n_i,2n_i,…,pn_i)的顺序重新排列。具体来说，polar码校验矩阵在替换后，其n_i行在子矩阵被替换后的子矩阵中会出现p次，将这n_i行每行替换的p行分别按行号从小到大的顺序排列在一起，就完成了交换过程。最终得到H的QC-LDPC码形式为

其中若[I(b_i,1) I(b_i,2)…I(b_i,L)]对应的行属于A_t，则n_i＝r_t为的列数；并且

具体来说，行变换的操作是将所有H中对应同一行的所有行按出现顺序依次排在一起。

例2，选定p＝24

且A₁＝{1,…,2p}，A₂＝{2p+1,…3p}。

同时π₁,π₃为单位变换，π₂＝[2 5 3 8 7 1 4 6]。

此时，将带入[I(0) I(1) I(2) I(3) I(4) I(5) I(6) I(7)]后将每行按照(1,4,7,…,70,2,5,8,…,71,3,6,9,…,72)的顺序重新排列。同理。最终，我们得到

那么，H就可以通过高效的QC-LDPC码编码方法来实现编码，例如一种线性复杂度的编码方法(参见Z.Li,L.Chen,L.Zeng,S.Lin and W.H.Fong在IEEE Transactions onCommunications上发表的《Efficient encoding of quasi-cyclic low-density parity-check codes》)。

如果对H^l不做限制，那么我们可以对H使用常规的编码方法，例如高斯消元。

本发明的实施例还提供一种采用上述信道编码方法的编码装置。

编码后的信息u经过调制器后得到发射信号x，经过信道后接收机得到接收信号y。解调器首先根据接收到的信号y计算每个比特的软信息(LLR)，为n×1的列向量L，各分量作为各变量节点的初始软信息。最后译码器通过软信息L得到发送信息的估计

如图2所示，本发明的实施例还提供了一种译码方法。GLDCP码与LDPC码类似，译码过程也可以用tanner图表示，此时校验节点不再代表一个奇偶校验，而是代表一个内部码polar码。图3是例1的GLDPC码的tanner图形式。图中的圆形节点为变量节点(VN)，方形节点为校验节点(CN)，软信息在这两种节点间来回传递。代表变量节点i向校验节点j传递的软信息，代表校验节点j向变量节点i传递的软信息。这些变量的初始值均为0。

在每个比特处理反馈的软信息的过程中，所有比特将自身的软信息以及获得的软信息反馈做对应的求和，具体来说

之后每个polar码分别判断参与自身的比特在硬判决后是否满足校验矩阵。硬判决是指

如果满足校验矩阵的所有约束，则停止译码；否则判断上述迭代过程是否达到预定的次数，如果达到，将输出并停止译码。

在每个polar码计算参与其中的比特的软信息的过程中，基于H^l和A_i的信息，可以知道哪些比特属于一个polar码。根据H^l每行的1的位置，将这些比特对应的软信息提取出来，通过polar码的约束计算校验节点向变量节点传递的软信息具体来说，记B_i＝{k|H^l(k,j)＝1}，则

其中f代表通过输入软信息获取输出软信息的函数，是一个多输入多输出的函数，输入和输出的个数都是H^l在第j行的行重。f实现的具体的方法有BCJR(参见L.Bahl；J.Cocke；F.Jelinek；J.Raviv在IEEE Transactions on Information Theory上发表的《Optimal Decoding of Linear Codes for Minimizing Symbol Error Rate》)、Pyndiah算法(参见R.M.Pyndiah在IEEE Transactions on Communications上发表的《Near-optimum decoding of product codes:Block turbo codes》)、基于串行消除列表(SCL)译码的方法等。

图4是译码器的示意图。首先根据信道输出计算L。变量节点计算模块完成和的计算过程，并将反馈给硬判决与判断模块。polar码软信息获取模块实现的计算过程，不同的polar码软信息获取模块间相互不影响，因此可以并行处理，降低译码时延。硬判决与判断模块根据做硬判决，并判断所有的polar码的约束是否满足或者是否到达最大迭代次数。

图5展示了基于本专利的GLDPC构造出的长码在加性高斯白噪声(AWGN)信道下的BLER性能，同时与5G中常用的信道编码做对比。其中，p＝32，即每个单位矩阵的大小为32

只有一个polar码用于替换，故A₁＝{1,…,64}。为(32，26)的polar码，具体取值如下表

1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
																																0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1
0	0	1	1	0	0	1	1	0	0	1	1	0	0	1	1	0	0	1	1	0	0	1	1	0	0	1	1	0	0	1	1
																																0	0	0	0	1	1	1	1	0	0	0	0	1	1	1	1	0	0	0	0	1	1	1	1	0	0	0	0	1	1	1	1
0	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1
																																0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1

在对h^l第二个p行子矩阵进行替换时，对进行随机的列变换。经过所有操作，最终得到一个(1024，640)的GLDPC码，因为32×32-6×32×2＝640。在译码时，设置最大迭代次数为20。

在图5中，对比的信道编码有同码率的5G-LDPC和5G的polar码。5G-LDPC采用置信传播(BP)译码，I_max代表最大迭代次数。5G的polar码采用SCL译码，L代表列表大小，x-CRC-polar代表用x比特的CRC与polar码级联。在对GLDCP译码时，采用的是基于SCL的方法获取译码后的软信息，L代表列表大小，L越大，软信息越准确。

图6展示了本专利的GLDPC构造出的短码在AWGN信道下的性能，同时与5G中常用的信道编码做对比。其中，p＝16，即每个单位矩阵的大小为16，

其中E(i)代表大小为16×16，第i行全为1，其余元素全为0的矩阵。

只有一个polar码用于替换，故A₁＝{1,…,32}。为(16，11)的polar码，具体来说

在对H^l第二个p行子矩阵进行替换时，未对进行列变换。经过所有操作，最终得到一个(256，121)的GLDPC码，由于替换后的校验矩阵不满秩，因此最终信息比特数为121。在译码时，设置最大迭代次数为20。

在图6中，对比的信道编码与图5类似。

如图2至图4所示，本发明的实施例还提供了一种采用上述译码方法的译码装置。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种信道编码方法，其特征在于，采用以polar码作为内部码的广义低密度奇偶校验码进行信道编码，该广义低密度奇偶校验码的获取过程包括：

选定低密度奇偶校验码的校验矩阵H^l；

选定多个polar码校验矩阵与每个polar码校验矩阵所要替换的低密度奇偶校验码的校验矩阵的行号集合；

为作用于同一个比特的polar码校验矩阵选定不同的列变换；

将polar码校验矩阵做对应列变换后替换低密度奇偶校验码的校验矩阵的对应行，得到以polar码作为内部码的广义低密度奇偶校验码。

2.根据权利要求1所述的一种信道编码方法，其特征在于，所述低密度奇偶校验码的校验矩阵每行的行重为2的指数；每个polar码校验矩阵的行号集合对应的所述低密度奇偶校验码的校验矩阵的各行的行重相等，且等于该polar码校验矩阵的列数。

3.根据权利要求1所述的一种信道编码方法，其特征在于，polar码校验矩阵作用于同一个比特指的是，polar码校验矩阵的行号集合对应的低密度奇偶校验码的校验矩阵的各行中存在任意两行在相同位置均为1。

4.根据权利要求1所述的一种信道编码方法，其特征在于，如果低密度奇偶校验码为准循环低密度奇偶校验码，对polar码校验矩阵替换后得到的校验矩阵进行行变换，得到的校验矩阵也是准循环低密度奇偶校验码，从而可以使用准循环低密度奇偶校验码的快速编码算法进行编码。

5.根据权利要求4所述的一种信道编码方法，其特征在于，准循环低密度奇偶校验码形式的低密度奇偶校验码的校验矩阵的形式为pJ×pL，包括J个形式为p×pL的子矩阵；子矩阵经行数为n_i的polar码校验矩阵替换后得到形式为pn_i×pL的替换后子矩阵；

对polar码校验矩阵替换后得到的校验矩阵进行行变换的过程中，对替换后子矩阵的各行按照(1，n_i+1，…，(p-1)n_i+1，2，n_i+2，…，(p-1)n_i+2，…，n_i，2n_i，…，pn_i)的顺序重新排列。

6.一种信道编码装置，其特征在于，采用权利要求1至5中任一所述的信道编码方法进行信道编码。

7.一种信道译码方法，其特征在于，用于对采用权利要求1至5中任一所述的信道编码方法得到的编码结果进行译码，该信道译码方法以tanner图的形式表示时包括以下步骤：

步骤1：根据信道输出计算每个变量节点的初始软信息；

步骤2：计算变量节点到校验节点的软信息；

步骤3：根据内部码polar码计算校验节点到变量节点的软信息；

步骤4：变量节点综合所有软信息得到自身对数似然比，并做硬判决判断每个polar码的校验矩阵是否被满足；若存在不满足条件的polar码的校验矩阵且迭代次数没有达到最大迭代次数，则跳转至步骤2。

8.根据权利要求7所述的一种信道译码方法，其特征在于，计算变量节点i和校验节点j的间的软信息和的表达式为：

其中，L_i是变量节点i自身的软信息，代表变量节点i向校验节点j传递的软信息，代表校验节点j向变量节点i传递的软信息，f(·)代表通过输入软信息获取输出软信息的函数，B_i＝{k|H^l(k，j)＝1}，H^l(i，k)为低密度奇偶校验码的校验矩阵H^l第i行第k列的元素。

9.根据权利要求8所述的一种信道译码方法，其特征在于，校验节点i进行硬判决的表达式为：

其中：是变量节点i对应的信息比特的估计。

10.一种信道译码装置，其特征在于，采用权利要7至9中任一所述的信道译码方法进行信道译码。