基于C MEX的极化码解码的优化

信道传输的问题是移动通信领域中一个非常重要的问题.为了有效地利用信道容量,前人采取了各种方法极化码在2009年被Erdal Arkan提出,是第一种被证明趋近香农极限的编码方案.极化码不同于之前的信道编码,即分组码和卷积码,它是通过对信道进行极化变换来实现前向纠错的目的.极化码的译码使用SC译码(逐步消除译码),但是逐步比特译码的SC译码在实时性以及算法复杂度上限制了极化码的研究和应用.C MEX是在数值计算软件MATLAB中运行编译C/C++程序的方法,使用C MEX可以在实现极化码时结合MATLAB快速开发和C/C++快速运行速度的优点.在前人搭建的MATLAB极化码仿真平台的基础上,通过C MEX对解码过程中大量的迭代过程进行优化,使解码速度提高十倍以上.此项工作对极化码的硬件实现也有着重要的意义.     

一种基于整数操作的极化码最小和译码算法

通过信道极化,极化码理论上证明可渐进达到香农限。文中研究极化码在高斯信道下的串行抵消(successive cancellation,SC)译码算法,提出了一种基于整数操作的最小和译码算法。算法中信道输出值被均匀量化后再取整数,作为SC译码器的输入;节点更新使用最小和算法,更新过程不需要量化操作,直接使用信道输出值量化后的整数值。数值仿真结果表明,在信噪比小于4 d B时,译码性能与基于浮点运算的原始SC译码一致;当误比特率为10-5时,提出的算法与原始SC译码的信噪比相差0.2 d B。所提出的算法便于硬件实现,运算中变量的大小都用8比特整数表示。     

极化码串行抵消译码算法的改进设计

极化码是基于信道极化(Channel Polarization)现象,首次以构造性的方法逼近信道容量的码。尽管极化码的编码和译码都具有较低的复杂度,但在中短码长时,极化码的性能并不理想,甚至不如LDPC和Turbo码。针对这一问题,提出了一种采用CRC作为内码,并与极化码级联的方案。与现有方案不同的是算法在译码时仅对内码位之间的位采用列表译,从而获得较低的译码复杂度。从仿真结果看,算法在BEC信道下可以显著地提高极化码的性能,并接近最大似然译码的性能;在AWGN信道下可以获得0.5dB的性能改善。     

基于深度学习的极化码串行抵消译码优化算法

针对5G场景下极化码串行抵消译码算法低输出高延迟的问题,提出加快串行抵消译码过程中深度学习译码器整体译码速度的方案。该方案根据信道极化理论计算不同子信道的可靠性,通过调整参数的不同取值,剪掉译码树上均为固定位的叶子节点所在的子二叉树,从而减少深度学习译码器的数量,加快了整体的译码速度。仿真结果表明,所提出的方案不仅具有和原串行抵消算法相同的译码性能,而且降低了极化码串行抵消深度学习译码的时间复杂度。     

一种极化码联合SC球形列表译码算法

为了降低极化码译码复杂度,提出了一种极化码联合SC球形列表(joint successive cancellation sphere list,JSCSL)译码算法.JSCSL译码算法结合了串行消除列表(successive cancellation list,SCL)译码和球形列表(list sphere decod...     

极化码子序列编译码算法研究

针对有限长极化码由于信道极化不完全,使得部分信息比特未能在无噪信道上传输,导致无法获得理想译码性能的问题,通过对无噪的极化子信道数目与待传信息比特数目的计算和对比,提出一种极化码子序列编译码算法. 将信息比特序列按照无噪信道数目大小分为数个子序列分别送入信道,确保每一个子序列都在无噪信道上传输.仿真结果表明,极化码子序列编译码算法可以获得理想的误码性能;同时在牺牲较小的传输速率的情况下,极化码子序列编译码算法的误码性能优于传统编译码算法;且对极化码短码的误码性能的改善更加显著.     

基于BEC故障模型下的极化码SC译码算法研究

为减少在实际的硬件实现过程中极化码连续删除(SC)译码由于自身硬件因素引发的译码错误,构造了一个简单的基于二进制删除信道(BEC)的故障模型,在该模型下在任何码元速率下都不可能实现完全可靠的通信。针对此故障模型,提出了一种非均匀错误保护方案,并通过仿真验证,表明该方案在可忽略的硬件开销的情况下,显著地改善了连续删除译码在故障二进制删除模型下的译码性能。     

基于奇偶校验和CRC校验的极化码栈译码方法

【目的】解决极化码串行抵消栈(successive cancellation stack, SCS)译码算法复杂度较高的问题。【方法】在SCS译码算法的基础上,首先提出一种基于奇偶校验(parity check, PC)和循环冗余校验(cyclic redundancy check, CRC)的串行抵消栈(parity check and CRC aided SCS,PC-CA-SCS)译码算法;根据极化码的构造理论,通过对子信道的突发错误分块来选择奇偶校验的位置,在译码过程中利用奇偶校验及时检测出错的译码路径来降低SCS译码算法的复杂度。然后根据极化码子信道的错误概率,提出一种基于关键集合和似然值的路径分裂策略,以降低SCS译码算法在译码过程中的路径分裂次数。最后对提出的路径分裂策略进行仿真试验。【结果】PC-CA-SCS译码算法与CRC辅助串行抵消列表(CRC-aided successive cancellation list, CA-SCL)译码算法相比,约有0.1 dB的增益,与CRC辅助串行抵消栈(CRC-aided successive cancellation stac...     

混合多核极化码的极化性

Arikan于2009年提出的极化码是纠错编码理论领域的一大突破,也是近年来的研究热点,已广泛应用于5G通信等领域.本文主要研究作为极化码的推广的混合多核极化码的极化性.首先,利用随机切换信道概念,将以对称二元输入离散无记忆信道(BIDMC)为子信道构成的并行广播信道(PBC)的信道容量的一个重要下界推广到子信道中包含...     

极化码自适应连续消除列表比特翻转译码算法

极化码是一种新型的信道编码方法,并且具有较低的译码复杂度,第三代合作伙伴计划(3rd generation partnership project,3GPP)组织已经确定将极化码作为5G通信中增强移动宽带场景下的信道编码方案,目前极化码译码已经成为编码领域备受瞩目的研究热点.极化码连续消除列表比特翻转(successi...     

5G极化码的低复杂度SC译码方案

研究了对数似然比域(log likelihood ratio,LLR)中极化码的串行消除(successive cancellation,SC)译码算法的结点信息更新公式,即在信息更新时,需要对指数和对数等操作进行运算,复杂度较高,当码长N增大时,其信息更新复杂度增大。为了降低SC译码算法的复杂度,提出了量化和积算法和一种可用移位操作的等误差线性近似分段算法。运用量化和积以及等误差线性近似分段函数代替SC译码算法中的双曲函数运算,即仅需乘法和加法操作,降低了计算复杂度,易于硬件实现。仿真结果表明,提出的量化和积算法较SC译码算法的性能损失不超过0.1 dB。提出的等误差线性近似分段算法在增加少许复杂度情况下,性能更加逼近SC译码算法。当误码率达到10-4时,提出的算法比现有的分段线性近似算法有0.4 dB的性能增益。     

基于网络编码和安全极化码的无线抗窃听传输技术

由于无线通信的信道开放性和信号广播性,使其在服务合法用户的同时易受到非法用户的窃听。针对这一问题,结合网络编码技术和安全极化码技术,以随机线性网络编码对信源码块进行编码生成内码,通过计算极化码巴氏参数进行信道分集并选取安全比特信道,构造安全极化码作为外码,从而形成级联信道编码结构。仿真结果显示,当主信道信噪比为10 dB时,该方法与传统安全极化码都可以为合法接收方提供较好的通信服务;文中方法采用8 bit有限域时,只需窃听信道信噪比退化2.5 dB,即可使得窃听信道的误码块率逼近1,相较传统极化码方法所需的4 dB窃听信道信噪比退化,可更好地进行抗窃听传输。     

第五代移动通信控制信道极化码的设计

为解决5G场景下的极化码编码设计问题,本文通过对两种符合5G保准规定的控制上下行信道最大编码长度的极化码进行Matlab仿真测试,研究了5G场景的极化码编码的最佳设计方案。首先将输入序列根据上下信道分别对应的CRC生成多项式,添加CRC比特。然后采用巴氏参数法进行极化信道可靠性估计,在可靠性高的信道传送信息序列。最后对不同的编码结构进行仿真,对仿真结果进行性能分析。结果表明：不实施比特反转的生成矩阵的编码方法的编码效率最高、用时最短。     

一种基于综合校验的极化码译码简化算法

列表连续消除(successive cancellation list, SCL)译码算法是实现极化码译码的方法之一,其可以通过调整列表大小在纠错性能和复杂度之间提供良好的折衷。针对传统的SCL译码算法路径度量值(path metric,PM)计算存在冗余的问题,在简化的SCL(simplified SCL, SSCL)算法基础上提出了一种综合校验的简化算法(syndrome check-SSCL,SC-SSCL)。SC-SSCL利用综合校验的方法,判断PM计算过程是否冗余,通过除去冗余计算降低译码复杂度。证明了简化的译码算法在保证译码性能不变的前提下,降低了译码算法的计算复杂度和时延。仿真结果表明,SC-SSCL较SCL译码和SSCL译码算法复杂度分别降低了约68%和13%,且在信道状态好的情况下SC-SSCL复杂度会进一步降低。     

Neural-Polar码:一种基于深度学习的新型信道编码方案

为应对新型移动通信系统智能性的需求以及在难以进行人工建模的复杂信道环境下进行可靠通信的问题,基于Polar码的编译码递归结构提出一种新型神经网络信道编码方案,即Neural-Polar码。该方案利用神经网络将Polar码编译码递归结构中父、子节点间的线性映射变成非线性映射,引入快速连续抵消(successive cancellation,SC)译码的思想,解决在完全二叉树上构建Neural-Polar码造成网络结构过大的问题。仿真实验表明,Neural-Polar码可以获得优于经典SC译码算法的误码率(bit error rate,BER)和误块率(block error rate,BLER)性能,对网络的联合训练使得Neural-Polar码能够自动学习信道特性,具有更好的信道适应性和鲁棒性。Neural-Polar码将传统的对复杂信道进行人工建模分析的难题交给机器,充分体现出其编译码的智能性。     

低时间复杂度的极化码译码算法

极化码的串行抵消列表(successive cancellation list,SCL)译码算法是目前应用最广泛的译码算法,但是复杂度和时延很高.为了降低时间复杂度,提出了一种基于综合检测(syndrome check,SC)的快速SCL译码与球形列表(list sphere decoding,LSD)译码相联合的办法,简称SC-SCSL(syndrome check successive cancellation sphere list)译码.该算法避免了SCL译码在不同路径的相同节点同时满足综合检测时,极易导致结果出错的情况,仿真结果表明,在同时满足综合检测时性能与SCL相差不大;同时联合了LSD译码,来降低时间复杂度.在几乎不损失性能的情况下,相比于循环冗余协助下的串行抵消列表(cyclic redundancy check aided successive cancellation list,CA-SCL)译码降低了50％～55％的时间复杂度.     

信道极化与极化码的研究进展与展望

Turbo码、LDPC码等编码技术虽然具有优越的纠错性能,但其编译码的理论基础尚不完备。而极化码由于利用了序列互信息链规则,具有丰富的代数结构与优秀的分析特性,故掀起了理论研究的热潮。综述了信道极化原理,分析了其能够达到优异性能的原因,总结了极化码目前的研究成果,指出了未来需要解决的一些关键问题。这些分析和结论对进一步研究极化码提供了理论基础和新思路。     

一种简化的极化码串行消除列表译码算法

在未来5G通信技术中,3GPP组织已经确定将极化码作为增强移动宽带场景下的信道编码,但在其译码算法中,由于前景较好的串行消除列表(successive cancellation list, SCL)译码算法存在多余的计算,导致整个译码所需的时间步数大量增加。基于快速简化串行消除(fast simplified successive cancellation, Fast-SSC)译码算法,提出对传统SCL译码算法进行简化。通过串行消除(successive cancellation,SC)译码算法的译码过程,明确译码树的结构和分类。同时,对传统SCL译码树中特殊节点的路径度量值重新计算与证明,使得其值仅依赖于各自父节点的对数似然比值,避免对整个译码树遍历,从而消除冗余。通过仿真和实验结果表明,在保证纠错性能的前提下,简化后的SCL译码算法其特殊节点的路径度量值的计算复杂度更低,且整个译码所需的时间步数更少。     

一种低复杂度速率兼容极化码

针对现有极化码速率匹配算法的复杂度问题,提出了一种低复杂度的速率兼容极化码设计算法。汲取了现有打孔方案在不同打孔数量下的优势,使用一个分段速率匹配交织器,极大地改善了大量打孔下的性能下滑现象。信息比特的选择只是跳过被打孔比特位置而不需要重新估计子信道的可靠性,在极大降低算法复杂度的同时一定程度上保证了性能。通过一个虚拟环形缓存器,将容量-0和容量-1这2种打孔模式用同一结构实现,既提升了不同码率下的译码性能,又使得打孔结构简单明确,更加有利于硬件设计。仿真结果表明,该低复杂度速率兼容极化码无论在何种码率、打孔数目下都可以获得与高复杂度打孔算法相当的误块性能,是一种复杂度和性能综合较优的速率匹配方案。     

基于极化码的单步量子密钥分发后处理

量子密钥分发结合一次一密的加密方案可以在理论上保证通信的无条件安全性。然而,量子密钥后处理过程中的误码纠错和密性放大两个步骤引入了较高的处理延时,影响了最终安全密钥生成速率以及量子密钥分发系统的实用性。故此,本文提出一种基于极化码的单步高效量子密钥后处理算法,根据Wyner窃听信道模型分析合法通信双方以及窃听者的信道容量,设计可同时满足可靠性和安全性的极化码码字结构用于量子密钥分发后处理,从而实现在一次编译码步骤中同时完成误码纠错和密性放大,将两个处理步骤合二为一,降低了系统复杂度和处理延时。实验结果表明,在量子比特误码率[0,0.08]范围内,所提出算法可同时满足纠后误码率10-7的可靠性条件以及窃听信息量10-14的安全性条件,码长为220比特时,译码吞吐率可达3Mbps,采用并行算法的译码吞吐率可达86Mbps。