5G信道译码技术研究文献综述

 2022-10-27 20:29:54
  1. 文献综述(或调研报告):

Arikan在2008年的国际信息论ISIT会议上提出了信道极化[1]的概念,并且在2009年发表的论文[2]中对信道极化做了详细的阐述,并且根据这种信道极化现象提出了一种新型的信道编码方式,即极化码(Polar Codes)。在这篇论文中,Arikan提出,对任意一个二进制输入离散无记忆信道(B-DMC)重复使用,经过信道合并和信道分裂的操作,使相互独立的B-DMC信道变为具有一定关系的极化信道,当信道的数量足够多时,就会出现信道极化现象,一部分极化信道的信道容量趋于1,同时剩余部分极化信道的容量趋于0。使用信道容量趋于1的极化信道传输信息比特,使用剩下趋于0的极化信道传输冻结比特,这种基于信道极化的编码方式就是极化码,它是在数学上唯一一种被证明能够达到信道容量的编码方法。

Arikan在[2]中给出了编码算法和串行抵消(Successive Cancellation)译码算法,结构简单。SC译码算法的时间复杂度和空间复杂度均为O(NLogN),但码长有限时,信道极化现象不明显,从而使得SC算法在中短码长时的纠错性能并不理想。

在提出极化码后,Arikan在文献[3]中根据极化码与RM(Reed-Muller Codes)的构造的相似性,采用了基于因子图的置信传播(Belief Propagation,BP)译码算法进行仿真,对二者的性能给出比较,发现使用BP算法,极化码拥有比RM码更好的性能,并且借助极化码的思想提升了RM码的性能。文献[4]详细分析了极化码的BP译码方案,其性能显著优于SC译码算法,但是译码复杂度也要大的多。

在文献[5]中,Tal和Vardy提出了使用串行抵消列表(Successive Cancellation List,SCL)译码算法来进行极化码译码。相比SC算法在译码过程中仅保留一条最佳候选路径,SCL算法在译码信息位时将候选路径数加倍,再进行路径裁剪,保留最大可能性的L条路径。SCL译码算法使极化码的译码性能得到提升,非常接近最大似然译码性能,但是译码时间复杂度上升至O(LNlogN),空间复杂度变为O(L)。Tal还提到了循环冗余校验(Cylic Redundancy Check,CRC)辅助的SCL译码算法,牺牲一定的码率,在SCL译码结束后使用CRC校验来提升译码性能,其译码性能可与LDPC码相媲美,并且随着保存路径的增大可以接近ML译码。牛凯和陈凯在[6]中详细阐述和分析了CRC辅助的SCL(CA-SCL)编译码算法,编码过程中对信息位加入CRC,译码过程中根据正确序列能够通过CRC校验这一特性,从L条路径选出正确的译码结果。CA-SCL译码算法在保持时间、空间复杂度的同时,纠错性能得到了很大提升。

Li,Shen和Tse在文献[7]中提出了一种自适应的SCL-CRC译码算法,主要是动态地分配所保留的路径的条数,通过这种方式能避免一些不必要的路径的计算。由于译码采用SCL算法,计算复杂度大、译码时延长的问题依然存在,为改善这种情况,他们在文献[8]中提出一种并行译码的方式,把整个极化码分成M段,实现M段码字同时并行译码。

牛凯和陈凯还提出了“最佳优先”的串行抵消堆栈[9](Successive Cancellation Stack,SCS)译码算法,达到与SCL算法同等误码率时,时间复杂度降低,但空间复杂度较高。随后又在文献[10]中提出混合串行抵消(Succesive Cancellation Hybrid,SCH)译码算法,它是SCL和SCS的混合,结合了各自的优点降低译码时间、空间复杂度。但是无论SCS还是SCH都只能提升软件译码性能,由于采用堆栈技术,算法思想很难用硬件实现,无法应用到实际通信应用中。

因此,我们发现尽管极化码的理论研究成果很多,但是终归理论要应用到实际上,极化码在实际系统中硬件实现方面的文献也很多。由于极化码SC译码算法是逐比特译码,其译码时延较大,文献[11-13]都是在硬件系统中降低SC译码算法和SCL译码算法的译码时延。

除了在原来SC译码的基础上改善极化码译码性能,还可以从极化码结构上改变,例如改变极化码的核和通过级联改变其最小距离。由于改变极化码的核后,极化码的译码复杂度太大,而且性能改善不明显,因此主要是通过级联码来改善极化码的性能。

文献[14]中提出使用RS码作为外码、极化码作为内码构成单级级联码,内码的码长与外码的基的指数关系,在外码的码长码率选择上有较大的问题。文献[15]提出了RS码与极化码的多级级联方案,解决了上面的问题,实现了内码对外码的不等保护。除了RS码外,A.Eslami和H.Pishro-Nik在文献[16]中提出LDPC码与极化码的级联。

除了译码算法,极化信道的可靠性计算在极化码的编码过程中至关重要,针对不同的信道可以使用不同的计算方法。巴氏参数(Bhattacharyya)[1]在BEC信道下的计算准确并且复杂度低,但在其他信道如BSC和AWGN信道下,计算所得到的极化信道可靠性是近似值;密度进化(DE)算法在LDPC码和Turbo码中应用比较广泛,它适用于任意二进制输入对称信道,但该算法的计算复杂度比较高,文献[17]通过将各个信道的输入输出近似为有限的等效信道,这样大大降低了DE算法的译码复杂度;高斯近似(GA)算法[18]其实是一种DE算法的简化,它是将原来的多维概率密度函数通过近似转化为一维,这样也大量地降低了计算。

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