Polar码低复杂度译码算法及其编码协作研究
发布时间：2019-08-01 13:56
【摘要】：在移动互联网不断发展和智能终端逐渐普及的趋势下,用户数量和业务需求剧增,现有第四代移动通信系统(the 4th Generation Mobile Communication System,4G)无法充分满足消费者全方位的通信需求,全球着力于第5代移动通信系统(the5th Generation Mobile Communication System,5G)的预研,超高速是5G最突出的特征。作为目前理论上唯一的信息传输速率可达香农限的先进信道编码技术,Polar码是5G超高速传输的备选纠错码方案之一,然而Polar码在实际的超高速传输应用中仍然存在一些瓶颈。单链路传输方面,Polar码的优异性能主要体现在长码,但其译码延迟大、复杂度高;多链路传输方面,Polar码编码协作将协作通信和可达香农极限的信道编码结合,能够实现多链路分集传输和单链路前向纠错的双重收益,其对5G多链路传输提速具有重要应用意义,但目前缺乏能获得高收益的Polar码编码协作方案。为了使得Polar码更好地应用于5G超高速传输,本文从单链路译码复杂度的降低和多链路编码协作出发,对面向5G需求的Polar码进行了研究。译码复杂度降低方面,Polar码的译码方法分为串行译码和并行译码两类,接续消除(Sccessive Cancellation,SC)译码和置信传播(Belief Propagation,BP)译码是这两种译码的典型代表,然而SC的译码延迟大,BP译码复杂度高。为了降低Polar码的译码延迟和复杂度,本文基于休眠子树和信息子树删减,实现了SC译码复杂度的降低。进一步地,将子树删减和基于休眠信息的节点迭代计算简化结合,并把叶节点的译码转移到根节点,省去叶节点后验信息的更新计算,从而提出低复杂度的BP译码,且相较原始BP改善了高信噪比下的性能。编码协作方面,分码字设计是实现Polar码编码协作的关键,目前对其的研究几乎处于空白,已有文献中只有高斯白噪声信道下的分码字构造,但该方案在衰落信道下没有表现出明显的收益。为提出高增益的编码协作方案,本文基于Polar码倒位码字Plotkin构造和信息重休眠,设计出所需分码字,提出非系统Polar码的编码协作,并将其扩展到误比特率性能更优的系统Polar码。为了获得协作程度灵活可变的编码协作方案,本文实现了基于凿孔的非系统Polar码编码协作,通过分析系统Polar码的编译码特点,证明了非系统Polar码凿孔算法可应用于系统Polar码,从而提出性能更优的基于凿孔的系统Polar码编码协作。最后,本文对Polar码编码协作进行了扩展研究。由于在快衰落场景下,每个码字比特传输所遭受的衰落都可能是独立的,传统编码协作在快衰落场景下没有收益,本文基于Alamouti编码,实现了快衰落场景下具有一定收益的空时编码协作。为了更好地利用分集资源,将多输入多输出技术(Multi-Input Multi-Output,MIMO)与编码协作相结合,基于空时编码实现了多天线终端场景下的Polar码编码协作。在密集用户场景下,多用户协作将带来更好的分集效益,利用正交空时编码理论,提出了基于分布式空时编码的多用户Polar码编码协作。仿真结果表明,提出的低复杂度BP译码方案较原始BP不仅降低了计算复杂度而且提升了高信噪比下的性能,提出的编码协作方案使Polar码在衰落信道下的性能得到明显提升。
【图文】：
图 1-2 全文研究的逻辑图（1）Polar 码基本编译码研究。研究并实现了 Polar 码的编码、AWGN 信道下的高斯估计信息位选择法、SC 和 BP 译码及系统 Polar 码的编译码，为后续内容的研究提供基础支撑。（2）Polar 码译码复杂度降低研究。首先从 Polar 码 SC 译码树的特点出发，分析休眠子树和信息子树删减对译码性能造成的影响，，基于子树删减实现低复杂度的 SC 译码。然后将子树删减和基于休眠信息的节点迭代计算简化结合，并在迭代结束时用根节点的译码取代叶节点译码，省去叶节点的后验信息更新计算，进而提出低复杂度的 BP 译码，且相较原始 BP 改善了高信噪比下的性能。（3）Polar 码编码协作研究。首先结合 Polar 码的编译码特点，对 Polar 码的倒位编码进行 Plokin 构造，提出基于 Plotkin 构造的非系统 Polar 码编码协作，其在衰落信道下表现出明显的收益，并引入信息重休眠对该编码协作进行优化，最后将其扩展到误比特率性能更优的系统 Polar 码编码协作。然后基于凿孔算法，实现协作程度可灵活变化的非系统 Polar 码编码协作，进一步地，通过分析系统 Polar码的编译码特点，证明了非系统 Polar 码的凿孔算法适用于系统 Polar 码，在此之上提出基于凿孔的系统 Polar 码编码协作。
C图 2-5 编码协作系统模型在图2-5中，每个用户对已经被循环冗余校验码编码（Cyclic Redundancy Code，CRC）的K 比特信息进行信道编码，生成 N 比特的码字信息C（码率为K N ），通过一定的码字构造方式（凿孔、乘积或其他的级联方式）将 N 比特的码字分为1N比特的分码字1C 和2N 比特的分码字2C ，然后在自己的多址信道内将其中的1C （码率为1K N ）广播给目的节点和协作用户，系统中用户的多址信道可以是时分多址信道（Time Division MultipleAccess，TDMA）、频分多址信道（Frequency DivisionMultipleAccess
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN911.22
【图文】：
图 1-2 全文研究的逻辑图（1）Polar 码基本编译码研究。研究并实现了 Polar 码的编码、AWGN 信道下的高斯估计信息位选择法、SC 和 BP 译码及系统 Polar 码的编译码，为后续内容的研究提供基础支撑。（2）Polar 码译码复杂度降低研究。首先从 Polar 码 SC 译码树的特点出发，分析休眠子树和信息子树删减对译码性能造成的影响，，基于子树删减实现低复杂度的 SC 译码。然后将子树删减和基于休眠信息的节点迭代计算简化结合，并在迭代结束时用根节点的译码取代叶节点译码，省去叶节点的后验信息更新计算，进而提出低复杂度的 BP 译码，且相较原始 BP 改善了高信噪比下的性能。（3）Polar 码编码协作研究。首先结合 Polar 码的编译码特点，对 Polar 码的倒位编码进行 Plokin 构造，提出基于 Plotkin 构造的非系统 Polar 码编码协作，其在衰落信道下表现出明显的收益，并引入信息重休眠对该编码协作进行优化，最后将其扩展到误比特率性能更优的系统 Polar 码编码协作。然后基于凿孔算法，实现协作程度可灵活变化的非系统 Polar 码编码协作，进一步地，通过分析系统 Polar码的编译码特点，证明了非系统 Polar 码的凿孔算法适用于系统 Polar 码，在此之上提出基于凿孔的系统 Polar 码编码协作。
C图 2-5 编码协作系统模型在图2-5中，每个用户对已经被循环冗余校验码编码（Cyclic Redundancy Code，CRC）的K 比特信息进行信道编码，生成 N 比特的码字信息C（码率为K N ），通过一定的码字构造方式（凿孔、乘积或其他的级联方式）将 N 比特的码字分为1N比特的分码字1C 和2N 比特的分码字2C ，然后在自己的多址信道内将其中的1C （码率为1K N ）广播给目的节点和协作用户，系统中用户的多址信道可以是时分多址信道（Time Division MultipleAccess，TDMA）、频分多址信道（Frequency DivisionMultipleAccess
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN911.22
【参考文献】
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1 MA Zheng;ZHANG ZhengQuan;DING ZhiGuo;FAN PingZhi;LI HengChao;;Key techniques for 5G wireless communications:network architecture, physical layer,and MAC layer perspectives[J];Science China(Information Sciences);2015年04期
2 李纯;童新海;;极化码序列连续删除译码算法的改进设计[J];通信技术;2015年01期
3 邓娜;张四海;周武e
本文编号：2521793
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