Polar码BP译码算法的研究和改进

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极化(Polar)码是Arikan于2009年根据信道极化现象提出的,它是一种理论上可以逼近香农信道容量极限且具有较低复杂度的线性分组码。在2016年,3GPP决定将极化码作为5G中增强移动宽带(Enhance Mobile Broadband,eMBB)场景下控制信道的信道编码方案,引起了无线通信领域学者们的热切关注。本文首先阐述了极化现象的基本概念,如信道合并和信道拆分,然后详细介绍了极化码的编码、构造和译码方法,其中对极化码的译码算法及其性能方面做了重点的研究。其译码方法主要有连续删除(Successive cancellation,SC)译码算法和置信传播(Belief Propagation,BP)译码算法,本文着重研究译码算法中的置信传播译码算法。本文对原始的极化码BP译码算法进行了大量的研究和分析之后,在原始BP译码算法的基础上引入信息纠正(Information-Correction,IC)策略,将改进后的算法称为基于信息纠正策略的置信传播(Belief Propagation-Information Correction,BP-IC)译码算法。此算法中的信息纠正策略有两种,分别为翻转信息纠正策略和试探信息纠正策略。两种改进策略均使得BP译码算法的译码性能得到了极大的提升,仿真结果显示,在码长为1024,码率为0.5的条件下,在误帧率为10-3时,与原始BP译码算法相比,基于翻转信息纠正的BP-IC译码算法获得了0.75dB的性能增益;基于试探信息纠正的BP-IC译码算法获得了0.9dB的性能增益。两种改进策略在提高译码性能的同时,也带来了复杂度的牺牲。所以本文进一步对两种改进算法的复杂度进行实验和分析,仿真结果显示,与原始BP算法相比,改进后的算法复杂度较高,但两种改进算法的平均复杂度均会随着信噪比的增高而降低。假设原始BP译码的最大迭代次数为60,则在信噪比为2.75dB时,基于翻转信息纠正策略的BP-IC算法的平均迭代次数为99.5,基于试探信息纠正策略的BP-IC算法的平均迭代次数为92;而在信噪比为3.0dB时,基于翻转信息纠正策略的BP-IC平均迭代次数仅为65,基于试探信息纠正策略的BP-IC算法平均迭代次数仅为69。文章的最后部分对BP-IC译码算法的缺点进行了分析。针对在低信噪比时,两种改进后的译码算法的复杂度较高的问题,在本文提出的BP-IC译码算法中加入了基于CRC循环冗余校验的提前终止策略,使得低信噪比时的译码平均迭代次数降低了60%以上。
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