极化码连续消除译码算法的优化研究

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作为目前唯一一种能够达到香农信道容量的编码方案,极化码自提出以来就获得了众多学者的青睐。连续消除(Successive Cancellation,SC)译码算法是极化码最基础的译码算法,它有着较低的计算复杂度和较好的译码性能。因此,极化码凭借着它自身的优势成为了已经到来的5G中控制信道的编码方案。本文主要研究极化码SC译码算法的改进算法,具体研究内容如下:
  1.为了能够在快速简化的SC(Fast Simplified SC,Fast-SSC)译码过程中纠正多个由信道噪声引起的错误,本文提出了两种改进的基于关键集的Fast-SSC多比特翻转译码算法:基于两个错误分布的Fast-SSC翻转(Fast-SSC-2Flip-E2)译码算法和基于分段的Fast-SSC翻转(PA-Fast-SSC-Flip)译码算法。Fast-SSC-2Flip-E2译码算法通过蒙特卡洛实验统计位于关键集的前两个错误的分布来翻转两个比特,并且,通过统计n个错误的分布,Fast-SSC-2Flip-E2还可以扩展到翻转n个比特的Fast-SSC-nFlip-En译码算法。PA-Fast-SSC-Flip译码算法通过将译码树均匀分成几段,实现每一段单比特翻转、整体多比特翻转的功能。仿真结果表明,与前人的工作相比,本文提出的Fast-SSC-2Flip-E2译码算法在保持译码平均计算复杂度接近的情况下,可以提升约0.2dB的纠错性能;本文提出的PA-Fast-SSC-Flip译码算法有着约0.16dB的纠错性能增益,同时还提高了约5倍的译码速度。
  2.为了进一步降低连续消除列表(Successive Cancellation List,SCL)译码算法中度量值的排序时延,通过使用更优的排序器来替换现有的两步双调提取器(Pruned Bitonic Extractor,PBE)的内部结构中的排序器,本文提出了两种改进的两步度量值提取器:高效的PBE(Efficient PBE,EPBE)和基于奇偶排序器的PBE(OES-based PBE,OPBE)。此外,本文还提出了一种基于L取值的阈值选择器,它能够根据L取值的不同,为EPBE和OPBE中的第二组选取两种候选排序结构中较优的一种结构。在EPBE中,第一组使用的排序器的第一个阶段在第二步排序过程中可以完全省略,不仅降低了第二步排序的排序时延,还增加了排序单元的吞吐率;在OPBE中,第一组用更优的奇偶排序器来替代,减少了资源消耗。与PBE比较时,本文提出的OPBE在L取值为8时能够节省约33.3%的阶段数和21.1%的比较交换单元个数,在L取值为128时能够节省约57.8%的阶段数和46.3%的比较交换单元数。因此,本文提出的EPBE和OPBE可以显著降低排序时延和资源消耗。此外,本文提出的EPBE和OPBE可以用于SCL译码算法中所有的度量值排序选择层,以多排序两层的少许代价解决了现有排序器中存在的不能对初始排序层进行排序的问题。
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