本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于極化碼的分段CRC校驗(yàn)堆棧譯碼方法及架構(gòu)。

背景技術(shù)：

自香農(nóng)提出信道編碼理論以來，以可行的編譯碼復(fù)雜度達(dá)到香農(nóng)極限一直是信道編碼領(lǐng)域的中心課題。Arikan于2009年提出極化碼(Polar Codes)，第一次被嚴(yán)格證明可以達(dá)到信道容量，在學(xué)術(shù)界引起了研究熱潮。同時(shí)，極化碼也引起了工業(yè)界的關(guān)注。Alcatel-Lucent，Qualcomm，華為，工信部等組織針對5G移動通信的全新應(yīng)用場景，提議極化碼作為下一代信道編碼的候選方案，從而使5G移動通信系統(tǒng)更好地滿足超高速率、超低時(shí)延、高速移動、高能效和超高流量與連接數(shù)密度等多維能力指標(biāo)。

極化碼的依據(jù)是信道極化的性質(zhì)，即將一組獨(dú)立且相同的二進(jìn)制離散無記憶信道通過一定的組合與分離操作，得到極化信道，信道的對稱容量出現(xiàn)分化，一部分趨于1，另一部分趨于0，且碼長越大，兩極分化現(xiàn)象越明顯。因此我們可挑選信道進(jìn)行信息傳輸。此外，極化碼具有簡潔的編譯碼結(jié)構(gòu)，在大規(guī)模集成電路硬件實(shí)現(xiàn)中也具有較強(qiáng)的適用性。

極化碼的發(fā)展仍處于初期，存在兩個(gè)主要問題：有限碼長下編譯碼性能不理想；低誤碼率下高速率、低延時(shí)硬件實(shí)現(xiàn)待改進(jìn)。目前常用的極化碼譯碼算法有連續(xù)刪除(successive cancellation,SC)譯碼算法，基于SC譯碼的連續(xù)刪除列表(successive cancellation list,SCL)譯碼算法，及基于SC譯碼的連續(xù)刪除堆棧(successive cancellation stack,SCS)譯碼算法。比較極化碼的SC，SCL，SCL譯碼算法，可知SCS譯碼算法的誤碼率性能與SCL譯碼相近，且均接近于最大似然譯碼，同時(shí)SCS譯碼算法的計(jì)算復(fù)雜度較SCL譯碼有較大降低。

SCS譯碼算法的基本思想是：將譯碼路徑保存在一個(gè)棧深為D的堆棧中，且對應(yīng)的對數(shù)似然概率從棧頂?shù)綏５子纱蟮叫∨帕?。每次選擇堆棧的棧頂元素進(jìn)行路徑擴(kuò)展，直至第一次路徑長達(dá)到N，再選出此時(shí)譯碼路徑為0或1的對應(yīng)最大概率的路徑作為譯碼輸出。

Kai Niu提出CRC輔助(CRC-aided)的SC/SCL/SCS譯碼算法，譯最后一層時(shí)，輸出第一條通過CRC檢驗(yàn)的譯碼路徑。結(jié)合CRC的譯碼算法，其誤碼性能得到了很大改進(jìn)。由于其必須等到譯碼長度達(dá)到N時(shí)才進(jìn)行CRC檢驗(yàn)，這一方式存在冗余計(jì)算。解決方法是進(jìn)行提早的截止策略。Huayi Zhou提出分段CRC輔助SCL的譯碼算法，仿真結(jié)果顯示，在信噪比為0.5dB的情況下，計(jì)算復(fù)雜度可降低44.35％。

在信噪比較高時(shí)，SCS的譯碼復(fù)雜度接近SC算法，當(dāng)信噪比較低時(shí)，SCS的譯碼復(fù)雜度較高。因此，改進(jìn)SCS譯碼算法的主要方向是降低其在低信噪比下的復(fù)雜度?，F(xiàn)有的控制SCS的復(fù)雜度的策略分為兩方面：限定棧深、出棧次數(shù)(從堆棧中路徑數(shù)目的角度)；限定門限概率值(從路徑的似然概率的角度)，這兩者都僅考慮了修枝。分段CRC從傳輸?shù)谋忍厥欠裾_的角度，兼顧了修枝和降低誤碼率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明針對現(xiàn)有極化碼譯碼技術(shù)中存在的缺陷，提供了一種基于極化碼的分段CRC校驗(yàn)堆棧譯碼方法及架構(gòu)。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的基于極化碼的分段CRC校驗(yàn)堆棧譯碼方法，包括以下步驟：

(1)將信息序列分為N部分，分別為Part1,Part2,…,Part N，每一部分最后一位比特在極化碼碼字序列中的位置分別為Index1,Index2,…,IndexN；

(2)初始化：將初始路徑列表置為0，所有存儲矩陣置為0，棧頂索引T＝1，采用q_i表示長度為i的路徑的出棧次數(shù)，其最大值為Q；

(3)出棧：取出堆棧S^(i-1)中的棧頂路徑并令T＝T–1，q_i-1＝q_i-1+1；若q_i-1＝Q，則刪去堆棧S^(i-1)中所有長度小于等于i-1的路徑；其中，S^(i-1)表示第i-1次譯碼操作時(shí)的堆棧，棧深為D；

(4)CRC檢驗(yàn)：當(dāng)路徑長度為Index1,Index2,…,或IndexN時(shí)，進(jìn)行CRC校驗(yàn)；若檢驗(yàn)不通過，且q_Indexi＜Q，轉(zhuǎn)至步驟(3)，若檢驗(yàn)不通過，且q_Indexi＝Q，則停止譯碼過程，以全零序列為輸出，若檢驗(yàn)通過，則轉(zhuǎn)至步驟(5)；

(5)擴(kuò)張：在信息碼二叉樹的第i級，如果i是凍結(jié)位，則譯碼路徑置為0；若i是信息位，則譯碼矩陣根據(jù)式(1)用0或1填充：

式(2)中，表示信道轉(zhuǎn)移概率，為接收矩陣，為先前的信道輸入，為先前信道輸入的譯碼矩陣，表示輸入為0時(shí)的信道轉(zhuǎn)移概率，表示輸入為1時(shí)的信道轉(zhuǎn)移概率；

(6)入棧：檢查堆棧是否已滿，若T>D–2，則先刪去棧底元素，且置T＝T–1；若i是凍結(jié)位，則一條擴(kuò)展路徑入棧，即T＝T+1；若i是信息位，則兩條擴(kuò)展路徑入棧，即T＝T+2；

(7)堆棧排序：將堆棧按對數(shù)似然比值從棧頂?shù)綏５字饾u減小的方式排序，并轉(zhuǎn)至步驟(3)；

(8)譯碼輸出：輸出當(dāng)前路徑譯碼結(jié)束。

其中，長為i的路徑最多出棧次數(shù)Q＝4，棧深D＝1000。

本發(fā)明提供的上述譯碼方法的譯碼架構(gòu)，包括狀態(tài)存儲器、路徑選擇器、SC譯碼核心和堆棧更新模塊，其中：

所述狀態(tài)存儲器用于存儲對數(shù)似然比值、路徑長度i和譯碼路徑；

所述路徑選擇器用于采用最大似然比比較器從所述狀態(tài)存儲器中比較出最大對數(shù)似然比所對應(yīng)的地址，并根據(jù)地址采用D選1選擇器選擇出對應(yīng)的譯碼路徑及路徑長度；

所述SC譯碼核心用于根據(jù)信道輸出W₁⁽ⁱ⁾(y)和所述路徑選擇器選擇的譯碼路徑進(jìn)行譯碼，并輸出擴(kuò)展路徑的對數(shù)似然概率對和至堆棧更新模塊，其中，W₁⁽ⁱ⁾(y)表示信道輸出的結(jié)果，和分別表示當(dāng)輸入為0時(shí)，輸出為的信道轉(zhuǎn)移概率及當(dāng)輸入為1時(shí)，輸出為的信道轉(zhuǎn)移概率；

所述堆棧更新模塊用于將SC譯碼核心輸出的和分別放入狀態(tài)存儲器中原來的最大、最小似然比的存儲位置，實(shí)現(xiàn)堆棧的更新，并對狀態(tài)存儲器中的譯碼路徑進(jìn)行擴(kuò)展，路徑長度加一。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：

(1)本發(fā)明的主要計(jì)算單元為加法器、乘法器和數(shù)據(jù)選擇器，非常適合硬件實(shí)現(xiàn)，在保證性能的情況下，大大降低了計(jì)算復(fù)雜度和硬件代價(jià)。

(2)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)譯碼算法的改進(jìn)，適用于各種信噪比情況下的譯碼。

(3)本發(fā)明取出棧次數(shù)可以達(dá)到不同的性能指標(biāo)，可以滿足通信系統(tǒng)不同的配置要求，具有豐富的靈活度，且取不同參數(shù)不需要改變硬件結(jié)構(gòu)，不需要花費(fèi)額外的硬件代價(jià)。

(5)本發(fā)明能適用于多種極化碼譯碼系統(tǒng)，兼容性好。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實(shí)施方式的譯碼方法框圖；

圖2為本發(fā)明具體實(shí)施方式的譯碼架構(gòu)框圖；

圖3為本發(fā)明具體實(shí)施方式的譯碼子模塊最大似然比比較器架構(gòu)框圖；

圖4為本發(fā)明具體實(shí)施方式的譯碼子模塊SC譯碼核心架構(gòu)框圖；

圖5為本發(fā)明具體實(shí)施方式的譯碼子模塊路徑擴(kuò)展器架構(gòu)框圖；

圖6為本發(fā)明具體實(shí)施方式的譯碼架構(gòu)在不同CRC分段下與SCL譯碼器的性能比較圖；

圖7為本發(fā)明具體實(shí)施方式的譯碼架構(gòu)在不同CRC分段下與SC、SCL譯碼器的復(fù)雜度比較圖；

圖8為本發(fā)明具體實(shí)施方式的譯碼架構(gòu)在不同CRC分段下與SC、SCL譯碼器的資源占用比較圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的介紹。

本實(shí)施例提供了一種基于極化碼的分段CRC校驗(yàn)堆棧譯碼方法，將信息序列分為N部分，分別為Part1,2,…,N；每一段最后一位比特在極化碼碼字序列中的位置分別為Index1,2,…,N。主要思想是在進(jìn)行堆棧譯碼的過程中，當(dāng)譯碼長度到達(dá)Index1,2,…,N時(shí)，實(shí)施CRC檢驗(yàn)，若通過，則該譯碼路徑存活，若不通過，則該譯碼路徑被淘汰。圖1為N＝4時(shí)的譯碼方法框圖。本實(shí)施例具體包括以下步驟：

(1)將信息序列分為N部分，分別為Part1,Part2,…,Part N，每一部分最后一位比特在極化碼碼字序列中的位置分別為Index1,Index2,…,IndexN；

(2)初始化：將初始路徑列表置為0，所有存儲矩陣置為0，棧頂索引T＝1，采用q_i表示長度為i的路徑的出棧次數(shù)，其最大值為Q；

(3)出棧：取出堆棧S^(i-1)中的棧頂路徑并令T＝T–1，q_i-1＝q_i-1+1；若q_i-1＝Q，則刪去堆棧S^(i-1)中所有長度小于等于i-1的路徑；其中，S^(i-1)表示第i-1次譯碼操作時(shí)的堆棧，棧深為D；

(4)CRC檢驗(yàn)：當(dāng)路徑長度為Index1,Index2,…,或IndexN時(shí)，進(jìn)行CRC校驗(yàn)；若檢驗(yàn)不通過，且q_Indexi＜Q，轉(zhuǎn)至步驟(3)，若檢驗(yàn)不通過，且q_Indexi＝Q，則停止譯碼過程，以全零序列為輸出，若檢驗(yàn)通過，則轉(zhuǎn)至步驟(5)；

(5)擴(kuò)張：在信息碼二叉樹的第i級，如果i是凍結(jié)位，則譯碼路徑置為0；若i是信息位，則譯碼矩陣根據(jù)式(1)用0或1填充：

式(2)中，表示信道轉(zhuǎn)移概率，為接收矩陣，為先前的信道輸入，為先前信道輸入的譯碼矩陣，表示輸入為0時(shí)的信道轉(zhuǎn)移概率，表示輸入為1時(shí)的信道轉(zhuǎn)移概率；

(6)入棧：檢查堆棧是否已滿，若T>D–2，則先刪去棧底元素，且置T＝T–1；若i是凍結(jié)位，則一條擴(kuò)展路徑入棧，即T＝T+1；若i是信息位，則兩條擴(kuò)展路徑入棧，即T＝T+2；

(7)堆棧排序：將堆棧按對數(shù)似然比值從棧頂?shù)綏５字饾u減小的方式排序，并轉(zhuǎn)至步驟(3)；

(8)譯碼輸出：輸出當(dāng)前路徑譯碼結(jié)束。

此方法的重點(diǎn)在于D和Q的選擇，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)論證，在不同信噪比及譯碼長度下，令Q＝4，D＝1000，本發(fā)明可達(dá)到性能最好。

本實(shí)施例還提供了一種上述譯碼方法的譯碼架構(gòu)，如圖2所示，包括狀態(tài)存儲器、路徑選擇器、SC譯碼核心和堆棧更新模塊，其中：

所述狀態(tài)存儲器用于存儲對數(shù)似然比值、路徑長度i和譯碼路徑；

所述路徑選擇器用于采用最大似然比比較器從所述狀態(tài)存儲器中比較出最大對數(shù)似然比所對應(yīng)的地址，并根據(jù)地址采用D選1選擇器選擇出對應(yīng)的譯碼路徑及路徑長度；

所述SC譯碼核心用于根據(jù)信道輸出W₁⁽ⁱ⁾(y)和所述路徑選擇器選擇的譯碼路徑進(jìn)行譯碼，并輸出擴(kuò)展路徑的對數(shù)似然概率對和至堆棧更新模塊，其中，W₁⁽ⁱ⁾(y)表示信道輸出的結(jié)果，和分別表示當(dāng)輸入為0時(shí)，輸出為的信道轉(zhuǎn)移概率及當(dāng)輸入為1時(shí)，輸出為的信道轉(zhuǎn)移概率；，

所述堆棧更新模塊用于將SC譯碼核心輸出的和分別放入狀態(tài)存儲器中原來的最大、最小似然比的存儲位置，實(shí)現(xiàn)堆棧的更新，并對狀態(tài)存儲器中的譯碼路徑進(jìn)行擴(kuò)展，路徑長度加一。

其中各模塊所含器件結(jié)構(gòu)如下：

最大似然比比較器由比較器及數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成，以輸入8個(gè)對數(shù)似然比，輸出最大的似然比和對應(yīng)的地址為例，架構(gòu)框圖如圖3所示。同理?？傻米钚∷迫槐缺容^器。

SC譯碼核如圖4所示。輸入為W₁⁽ⁱ⁾(y)和出棧的譯碼路徑，輸出為擴(kuò)展路徑的比特似然概率對和

路徑擴(kuò)展器結(jié)構(gòu)如圖5所示，將擴(kuò)展為和i變?yōu)閕+1。整個(gè)譯碼過程的時(shí)延為2(N-1)～2D(N-1)。

圖6顯示了本具體實(shí)施方式與SCL譯碼器的性能比較，由圖可見，本具體實(shí)施方式的性能與先前譯碼器相比并未下降。

圖7顯示了本具體實(shí)施方式與SCL譯碼器及SC譯碼器的復(fù)雜度比較，由圖可知，在信噪比為0.5dB情況下，兩段CRC的計(jì)算復(fù)雜度比一段降低了37.3％。同時(shí)，SCA-SCS的計(jì)算復(fù)雜度較SCL有顯著優(yōu)勢。

將SCS與SC，SCL對比，會發(fā)現(xiàn)一點(diǎn)不同是：stack SC會需要路徑折返，而其它兩中算法沒有。接下來考慮整個(gè)譯碼過程中路徑占據(jù)的資源。在迭代處理的過程中，設(shè)某個(gè)中間狀態(tài)為將譯碼過程中所有時(shí)刻的的長度加起來，該數(shù)即為路徑占據(jù)資源。圖8顯示了本具體實(shí)施方式與SCL譯碼器及SC譯碼器的資源占用比較，由圖可見，兩段CRC的資源占據(jù)較一段CRC降低了34.8％，且SCA-SCS的資源占據(jù)較SCL譯碼算法有顯著優(yōu)勢。

綜上所述，本具體實(shí)施方式在復(fù)雜度和性能上展現(xiàn)了它們的優(yōu)勢，也顯示了對于實(shí)際應(yīng)用的巨大潛力。