一種降低存儲器消耗的極化碼解碼方法和系統與流程
2023-08-04 00:39:01
本發明屬於光通信領域，具體涉及一種用於光信道傳輸的降低存儲器消耗的極化碼解碼方法和系統。
背景技術：
寬帶光網絡是國家經濟社會發展的重要基礎，是國家工業化與信息化融合的重要紐帶，
隨著近年來視頻交互、點對點文件傳輸等新興業務的出現，用戶對光網絡帶寬的需求也愈加強烈。目前全球正處於從低速10G/40G到高速的100G的過渡過程中，歐美運營商已經開展100G商用網絡建設。國內的中國電信、中國移動、中國聯通也先後啟動了100G的實驗室測試。因此，100Gbit/s光通信系統已經處於大規模商用部署的開始階段。
2008年出現的極化碼從理論上第一次嚴格證明了在二進位輸入對稱離散無記憶信道下，極化碼可以「達到」香農容量，並且有較低的編碼和解碼複雜度。從某種意義上說，極化碼理論上解決了近60年來資訊理論和編碼領域一直想要解決的問題。雖然極化碼的理論很優美，但其實際性能還不太理想，儘管隨著列表連續消去解碼算法(Successive Cancellation List(SCL)Decoding)等技術的提出，極化碼性能有所改善，但是上述解碼算法需要消耗大量的存儲器來存放中間結果，不利於解碼的硬體實現。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種極化碼解碼方法和系統，降低存儲器的消耗，並方便硬體實現。
為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案：
一種降低存儲器消耗的極化碼解碼方法，包括：
解碼樹的分塊處理：在解碼樹中劃分出若干塊即子樹，子樹內採用SCL解碼算法，子樹外採用標準的SC解碼算法；
解碼操作的塊間轉移處理：針對解碼樹的分塊進行安排，將子樹編號索引，然後按照解碼操作的時間順序逐一對各子樹進行SCL解碼，各子樹共享存儲空間。
進一步地：
根據解碼樹的分塊，僅在每一棵子樹上進行SCL解碼操作，保留若干條解碼路徑留待最終選擇，而在子樹外的其他部分上進行標準的SC解碼操作，只保留局部最優的解碼路徑。
SCL解碼的列表長度和分塊數量根據解碼器性能要求和硬體資源進行選擇。
極化碼SCL解碼樹的分塊結構包括：
解碼樹的根節點，其是所有解碼路徑的起始，解碼信息由此處開始發送；
針對第一層解碼結果0的分塊，該分塊內每一層解碼都採用SCL解碼方法，保留L條解碼路徑，最終輸出滿足CRC條件的路徑，或者是路徑度量最高的路徑；該分塊的解碼被首先執行；
針對第一層解碼結果1的分塊，該分塊內每一層解碼都採用SCL解碼方法，保留L條解碼路徑。最終輸出滿足CRC條件的路徑，或者是路徑度量最高的路徑；該分塊的解碼在後執行。
解碼流程包括：
步驟301，讀入待解碼的數據；
步驟302，對第一個比特位進行SC解碼，所得結果存於解碼樹的根節點中；
步驟303，將分塊數目置為2，分塊計數器置為0；
步驟304，判斷分塊計數器是否到達分塊數目，如果是，則轉入步驟308，如果否，則轉入步驟305；
步驟305，按照分塊計數器的數值選擇分塊，進入分塊內解碼，塊內解碼採用SCL解碼方法，保留若干條解碼路徑，以待最終決策；
步驟306，將最終選定的解碼路徑送入CRC校驗模塊，如果校驗通過，則將其作為解碼結果，如果校驗不通過，那麼將路徑度量最高的路徑作為結果輸出；
步驟307，存儲該分塊的解碼路徑結果；轉入步驟304；
步驟308，輸出最終的解碼結果。
極化碼SCL解碼樹的分塊結構包括：
解碼樹的根節點，其是所有解碼路徑的起始，解碼信息由此處開始發送；
解碼樹的第二層節點，該節點的解碼採用SC方法，只保留LLR最高的解碼路徑，向下層傳遞；
針對第二層第一個節點解碼結果0的分塊，該分塊內每一層解碼都採用SCL方法，保留L條解碼路徑，最終輸出滿足CRC條件的路徑，或者是路徑度量最高的路徑；該分塊的解碼被首先執行；隨後各分塊的SCL解碼按照時間順次進行；
針對第二層最後一個節點解碼結果1的分塊，該分塊內每一層解碼都採用SCL方法，保留L條解碼路徑，最終輸出滿足CRC條件的路徑，或者是路徑度量最高的路徑；該分塊的解碼最後執行。
解碼流程包括：
步驟501，讀入待解碼的數據；
步驟502，對第一個比特位進行SC解碼，所得結果存於解碼樹的根節點中；
步驟503，對第二個比特位進行SC解碼，所得結果存於解碼樹的根節點中；保留所有的解碼樹分支，向下層傳遞。
步驟504，將分塊數目置為2，分塊計數器置為0；
步驟504』，判斷分塊計數器是否到達分塊數目，如果是，則轉入步驟508，如果否，則轉入步驟505；
步驟505，按照分塊計數器的數值選擇分塊，進入分塊內解碼，塊內解碼採用SCL解碼方法，保留若干條解碼路徑，以待最終決策；
步驟506，將最終選定的解碼路徑送入CRC校驗模塊，如果校驗通過，則將其作為解碼結果，如果校驗不通過，那麼將路徑度量最高的路徑作為結果輸出；
步驟507，存儲該分塊的解碼路徑結果；轉入步驟504』；
步驟508，輸出最終的解碼結果。
一種降低存儲器消耗的極化碼解碼系統，包括：
解碼樹的分塊處理裝置：在解碼樹中劃分出若干塊即子樹，子樹內採用SCL解碼算法，子樹外採用標準的SC解碼算法；
解碼操作的塊間轉移處理裝置：針對解碼樹的分塊進行安排，將子樹編號索引，然後按照解碼操作的時間順序逐一對各子樹進行SCL解碼，各子樹共享存儲空間。
本發明的極化碼解碼算法是使用分塊列表連續消去的新解碼方法，由於只在塊內作SCL解碼，即保留若干條解碼路徑留待最終選擇，而在塊外只做普通SC解碼，只保留局部最優的解碼路徑，同時，塊內的解碼操作按照時分原則進行處理，所以各塊的存儲空間可以共享，也就是說，無需對整個解碼樹分配存儲空間，只需對一個分塊(子樹)分配存儲空間即可。本發明提供的極化碼解碼算法能夠顯著降低存儲器的消耗，其不需要額外增加算法的複雜度，充分利用硬體實現的並行特性；通過適當地選取參數，可以在較低的存儲器的前提下，取得比傳統解碼算法更好的性能。
附圖說明
圖1極化碼SCL解碼樹的結構；
圖2為本發明一種實施例的極化碼SCL解碼樹的分塊方法示例圖(I)；
圖3為本發明一種實施例針對分塊方法(I)的解碼流程圖；
圖4為本發明另一種實施例的極化碼SCL解碼樹的分塊方法示例圖(II)；
圖5為本發明另一種實施例針對分塊方法(II)的解碼流程圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖以及實施例，對本發明進行進一步的詳細說明。理當理解，此處所描述的具體實施例僅用於解釋本發明，並不用於限制本發明。
在本發明實施例中，一種降低存儲器消耗的極化碼解碼方法，包括：
解碼樹的分塊處理：在解碼樹中劃分出若干塊即子樹，子樹內採用SCL解碼算法，子樹外採用標準的SC解碼算法；
解碼操作的塊間轉移處理：針對解碼樹的分塊進行安排，將子樹編號索引，然後按照解碼操作的時間順序逐一對各子樹進行SCL解碼，各子樹共享存儲空間。
各子樹的解碼操作按照時間順序執行。模塊間共享存儲空間，因模塊(子樹)較小，解碼路徑較短，所以存儲器消耗得以降低。
進一步地，根據解碼樹的分塊，僅在每一棵子樹上進行SCL解碼操作，保留若干條解碼路徑留待最終選擇，而在子樹外的其他部分上進行標準的SC解碼操作，只保留局部最優的解碼路徑。
在本發明實施例中，列表長度和分塊數量可以根據解碼器性能要求和硬體資源做靈活選擇。
在本發明實施例中，所述的解碼樹的分塊專門針對列表連續消去解碼算法中的解碼樹進行處理。標準的CRC輔助列表連續消去解碼需要產生出若干個成功概率值較高的碼本組合，並從中挑選滿足CRC限制的碼本。在沒有碼本滿足CRC限制的情況下選擇成功概率最大的碼本組合。本發明將解碼樹分為若干塊，也稱為子樹。SCL解碼操作僅在每一棵子樹上進行，而子樹外的其他部分上進行標準的SC解碼操作。
解碼操作的塊間轉移針對解碼樹的分塊進行安排，將已有分塊編號索引，然後按照解碼操作的時序關係逐一對分塊進行SCL解碼。
塊間存儲空間的共享能夠節省存儲空間。由於只在塊內作SCL解碼，即保留若干條解碼路徑留待最終選擇，而在塊外只做普通SC解碼，只保留局部最優的解碼路徑，同時，塊內的解碼操作按照時分原則進行處理，所以各塊的存儲空間可以共享，也就是說，無需對整個解碼樹分配存儲空間，只需對一個分塊(子樹)分配存儲空間即可。
在不同實施例中，列表長度和分塊數量的確定可以根據硬體資源和解碼性能綜合確定。如果硬體資源充足，則可以選擇較大的分塊和較長的列表，反之則選擇較小的分塊和較短的列表。
參見圖1，極化碼SCL解碼樹的結構：
節點11：解碼樹的根節點，是所有解碼路徑的起始，解碼信息由此處開始發送。
路徑12：對於每一個非無效位而言，生成兩個不同的路徑，遍歷0、1兩種可能，同時針對兩種不同可能，。計算解碼的似然比(LLR)，並將該似然比向下一層傳遞。
節點13：每一層產生的節點都包含兩種信息，其一是解碼值，即0或1；其二是基於LLR計算的解碼路徑度量。
路徑14：為了避免解碼複雜度的指數增長，只保留固定數量的解碼路徑。也就是說，所有解碼路徑中，具有最高度量的L條路徑被保留。
參見圖2，一種實施例中，極化碼SCL解碼樹的分塊方法(I)基於如下結構：
節點21，解碼樹的根節點，是所有解碼路徑的起始，解碼信息由此處開始發送。
模塊22，針對第一層解碼結果0的分塊。該分塊內每一層解碼都採用SCL解碼方法，保留L條解碼路徑。最終輸出滿足CRC條件的路徑，或者是路徑度量最高的路徑。該分塊的解碼被首先執行。
模塊23，針對第一層解碼結果1的分塊。該分塊內每一層解碼都採用SCL解碼方法，保留L條解碼路徑。最終輸出滿足CRC條件的路徑，或者是路徑度量最高的路徑。該分塊的解碼在模塊22後執行。
圖3示出了針對分塊方法(I)的解碼流程如下。
步驟301，讀入待解碼的數據；
步驟302，對第一個比特位進行SC解碼，所得結果存於解碼樹的根節點中；
步驟303，將分塊數目置為2，分塊計數器置為0；
步驟304，判斷分塊計數器是否到達分塊數目，如果是，則轉入步驟308，如果否，則轉入步驟305；
步驟305，按照分塊計數器的數值選擇分塊，進入分塊內解碼。塊內解碼採用SCL解碼方法，保留若干條解碼路徑，以待最終決策；
步驟306，將最終選定的解碼路徑送入CRC校驗模塊，如果校驗通過，則將其作為解碼結果，如果校驗不通過，那麼將路徑度量最高的路徑作為結果輸出；
步驟307，存儲該分塊的解碼路徑結果。轉入步驟304；
步驟308，輸出最終的解碼結果。
參見圖4，極化碼SCL解碼樹的分塊方法(II)基於如下結構：
節點41，解碼樹的根節點，是所有解碼路徑的起始，解碼信息由此處開始發送。
節點42，解碼樹的第二層節點，該節點的解碼採用SC方法，並不維護多條解碼路徑，只是保留LLR最高的解碼路徑，向下層傳遞
模塊43，針對第二層第一個節點解碼結果0的分塊。該分塊內每一層解碼都採用SCL方法，保留L條解碼路徑。最終輸出滿足CRC條件的路徑，或者是路徑度量最高的路徑。該分塊的解碼被首先執行。隨後各分塊的SCL解碼按照時間順次進行。
模塊44，針對第二層最後一個節點解碼結果1的分塊。該分塊內每一層解碼都採用SCL方法，保留L條解碼路徑。最終輸出滿足CRC條件的路徑，或者是路徑度量最高的路徑。該分塊的解碼最後執行。
圖5示出了針對分塊方法(II)的解碼流程如下。
步驟501，讀入待解碼的數據；
步驟502，對第一個比特位進行SC解碼，所得結果存於解碼樹的根節點中；
步驟503，對第二個比特位進行SC解碼，所得結果存於解碼樹的根節點中；保留所有的解碼樹分支，向下層傳遞；
步驟504，將分塊數目置為2，分塊計數器置為0；
步驟504』，判斷分塊計數器是否到達分塊數目，如果是，則轉入步驟508，如果否，則轉入步驟505；
步驟505，按照分塊計數器的數值選擇分塊，進入分塊內解碼。塊內解碼採用SCL解碼方法，保留若干條解碼路徑，以待最終決策；
步驟506，將最終選定的解碼路徑送入CRC校驗模塊，如果校驗通過，則將其作為解碼結果，如果校驗不通過，那麼將路徑度量最高的路徑作為結果輸出；
步驟507，存儲該分塊的解碼路徑結果。轉入步驟504』；
步驟508，輸出最終的解碼結果。
在另一種實施例中，一種降低存儲器消耗的極化碼解碼系統，包括：
解碼樹的分塊處理裝置：在解碼樹中劃分出若干塊即子樹，子樹內採用SCL解碼算法，子樹外採用標準的SC解碼算法；
解碼操作的塊間轉移處理裝置：針對解碼樹的分塊進行安排，將子樹編號索引，然後按照解碼操作的時間順序逐一對各子樹進行SCL解碼，各子樹共享存儲空間。
以上內容是結合具體/優選的實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應當視為屬於本發明的保護範圍。