面向5G的Polar码编解码技术研究.pdf

发布时间：2022-06-01 发布人：admin 分类：说明书资料大小：2.20M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 Polar码的编译码研究现状

1.2.2 Polar码级联的研究现状

1.2.3 Polar码应用于网络通信场景的研究现状

1.3现阶段研究存在的问题与不足

1.4本文研究内容

第2章信道极化理论与Polar码的编译码技术

2.1引言

2.2 Polar码背景知识体系

2.2.1信道极化原理

2.2.2 Polar码的编码及信息位选取算法

2.2.3 Polar码的译码算法

2.3 仿真与结果分析

2.3.1不同译码算法的性能分析

2.3.2 非系统Polar码与系统Polar码之间的性能对比

2.4 本章小结

第3章单链路高性能Polar码级联方案设计

3.1 引言

3.2 RS码的背景知识

3.2.1 RS码的编码

3.2.2 RS码的译码

3.3 多段RS码保护下的Polar码级联方案设计

3.3.1 帧间交织器设计与码率分配

3.3.2 帧内交织器设计

3.3.3 基于SCL的联合译码算法设计

3.4 仿真与结果分析

3.4.1 译码开销与复杂度分析

3.4.2 仿真结果分析

3.5 本章小结

第4章中继信道Polar码编码协作方案改进

4.1 引言

4.2 Polar编码协作基本流程

4.3 适用于Polar编码协作的高性能分码字构造方案设计

4.3.1 凿孔模式设计原则

4.3.2 低复杂度的凿孔后信息位优化算法

4.4 仿真与结果分析

4.5 本章小结

第5章多址接入信道Polar码编译码方案设计

5.1 引言

5.2 多址接入信道的极化现象

5.2.1 互信息单调链式展开法则

5.2.2 MAC的极化现象

5.3 Polar码在MAC下的编译码方案

5.3.1 多址接入信道下的SC译码算法

5.3.2 多址接入信道下的SCL译码算法

5.4仿真与结果分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限

致谢

硕士学位论文面向 5G 的 Polar 码编解码技术研究 ENCODING AND DECODING TECHNOLOGY OF POLAR CODES TOWARDS 5G APPLICATIONS 高翔哈尔滨工业大学 2017 年 12 月

国内图书分类号：TN911.22 学校代码：10213 国际图书分类号：621.3 密级：公开工学硕士学位论文面向 5G 的 Polar 码编解码技术研究硕士研究生：高翔导师：吴绍华副教授申请学位：工学硕士学科：信息与通信工程所在单位：深圳研究生院答辩日期： 2017 年 12 月授予学位单位：哈尔滨工业大学

Classified Index: TN911.22 U.D.C: 621.3 A dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the academic degree of Master of Engineering ENCODING AND DECODING TECHNOLOGY OF POLAR CODES TOWARDS 5G APPLICATIONS Candidate： Supervisor： Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Gao Xiang Associate Prof. Wu Shaohua Affiliation： Date of Defense： Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology Information and Communication Engineering Shenzhen Graduate School December, 2017

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要互联网技术于近年有了长足发展，涌现出的海量信息数据向现有通讯系统提出了更高要求。第五代移动通信体系（The 5th Generation Mobile Communication, 5G）作为当前研究热点，着力解决数据的超高速、超可靠、低时延传输问题。这些问题对无线通信物理层的核心模块——信道编码，提出了更难满足的需求。近年提出的 Polar 码源起于信道极化现象，是当下唯一可达香农极限传输的信道编码方式。经过学术界、产业界的共同全力推动，近几年 Polar 码的研究取得了丰富的成果累积。2016 年 11 月，3GPP 决定将 eMBB 场景下控制信道的短码标准定为 Polar 码。尽管如此，Polar 码在匹配 5G 实际应用场景的传输需求时仍有诸多不足：点对点传输方面，Polar 码虽然无需随机编码或迭代译码，但唯有码长足够长时才能使信道充分极化，故单纯的 Polar 短码纠错能力和抗衰落能力较差；网络通信的中继传输方面，编码协作结合 Polar 码能够为多用户信息传输带来分集增益和编码纠错增益，但针对可变协作程度，当前研究缺乏高性能的分码字构造方案；网络通信的多址接入传输方面，由于 MAC（Multi-Access Channel）在传输时是多个用户分享同一时段或频段进行信息传送，面向多址接入信道的 Polar 低复杂度传输方案亟待设计。针对以上问题，本文从三个方面对面向 5G 应用的 Polar 码进行了深入研究：单链路方面，研究了如何改善 Polar 短码性能。为了改善 Polar 短码误码率高，抗衰落能力差的劣势，首先选取纠突发错误能力强的 Reed-Solomon（RS）码设计了多段 RS 码保护下的级联 Polar 码方案。其次针对每个子信道错误概率不服从均匀分布的特点，引入了基于蒙特卡罗仿真估计的码率分配举措，再配合 RS 码和 Polar 码各自的编码特点引入了帧内、外交织，最终结合接续消除列表（Successive Cancellation List, SCL）算法与 RS 译码算法设计了联合译码器。仿真结果表明，该级联方案改善了纯 Polar 短码在瑞利快衰落信道下的性能表现。中继通讯场景方面，针对怎样改善 Polar 码编码协作性能开展研究。在中继信道下，目前有关 Polar 码编码协作的研究较为缺乏，且仅在协作程度为 50%时有较好的性能增益。为了设计在任意编码协作程度均有较好性能的分码字构造方案，本文首先针对极化子信道容量与 Polar 码自身码重的特征，提出了高效的凿孔算法设计原则。在低复杂度的前提下，还配合回溯算法对凿孔后的编码信息位联合优化，降低了凿孔带来的性能损失。随后，利用该分码字构造方案产生分码字，并在译码端部署迭代次数可灵活调节的软消除（Soft Cancellation, SCAN）译码器，配合周期冗余校验（Cyclical Redundancy Check, CRC）实现了减少多余译码延迟的且性能更佳的 Polar 编码协作方案。 - I-

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文最后，对多址接入信道的极化与 Polar 编解码方案展开研究。多址接入信道方面，直接应用码率分割译码或采用传统的信道极化方式所设计出的编译码方案无法达到容量域优势面上的任意点。为实现可达优势面上任意点的低复杂度 Polar 编译码方案，本文以两用户多址接入信道为例，首先使用互信息单调链式展开法则证明了信道容量域优势面上任意码率对的可达性，接着延续该思路证实了该信道同样存在极化现象，类比单用户 Polar 译码时的似然概率递归计算方式，给出多址接入信道下的递归求解公式，凭借递归形式实现了适用于多址接入信道的接续消除（Successive Cancellation, SC）译码算法。最后，将 MAC-SC 向 SCL 算法拓展，实现了适用 MAC 的 SCL 算法。上述编译码方案不仅继承了单用户情景下的复杂度，仿真证明采用该方案可达到优势面上的任意码率对。关键词：5G；Polar 码；级联；凿孔；多址接入信道 - II-

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract With the rapid development of the internet, existing communication technical framework is challenged by the massive data stream. As a popular research topic, the 5th generation mobile communication system (5G) is mainly focusing on solving the ultra-high speed, ultra-reliable and low-lantency transmission problems. These problems put forward more requirements for channel coding, which is the core component of the physical layer of wireless communication. Derived from channel polarization phenomenon, Polar codes are the only family of codes which can theoretically achieve Shannon limits. Due to the fruitful results created by academia and industry, 3GPP standardize Polar codes for control channel in 5G eMBB scenario. However, there are still some noticeable bottlenecks for the practical applications of Polar codes. Although long Polar codes can reach the Shannon limit without random encoding, short Polar codes have poor error correction capacity because of insufficient polarization. As to the relay network communication scenario, Polar coded cooperation can bring diversity gains and error correction gains simoutaineously. But until now, there are few studies on sub-codewords design for variable cooperation level. For the multiple access transmission of network communication, MAC (Multiple access channel) shares same time interval or frequency interval to send multiple users’ information. Specific plans of Polar coding & decoding under MAC should be studied urgently. Aiming to the above questions, whole research is composed of three aspects: For the single link transmission, methods to improve the performance of short Polar codes are studied. To compensate the poor error performance of short Polar codes, RS codes are chosen to develop a multi-RS codes concatenation scheme of Polar codes. Specifically, the code rate of every RS frame is adaptively allocated based on the error pattern estimated by Monte-Carlo algorithm. After using the frame & intra-frame interleaver, the performance of short Polar codes under fading channels is well improved with the help of SCL-based (Successive Cancellation List decoder) joint decoder. Simulation results show that the concatenation scheme enhances the short Polar codes performance under fast fading channels. On the aspect of relay channel, the research of improving the performance of Polar coded cooperation is conducted. Under the relay channel communication scenario, few researches about Polar coded cooperation have been studied, high performance can be obtained only at 50% cooperation level. Based on the polarization channel capacity and the feature of Polar codes’ minimum hamming weight, a low-complexity puncture algorithm is proposed. With the help of information refreezing algorithm, nice performance can be reached under any cooperation level (puncture number). In addition, a soft cancellation decoder (SCAN) based scheme can reduce the redundant decoding - III-

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 delay by cyclical redundancy check (CRC) results generated by the cooperative user. At last, the polarization phenomenon of multiple access channel and the corresponding coding & decoding techniques are well studied. On the aspect of multiple access channel (MAC), few points on the dominant face of MAC rate region can be reached using the rate splitting decoding or original channel polarization. Taking two-user MAC as an example, the monotone chain rules expansion is deployed to realize practical Polar transmission schemes of MAC that can achieve all points on the dominant face. After the polarization phenomenon of MAC is proved, recursive calculation formulas of single user can be extended to MAC. So, SC & SCL can be extended to MAC as well. The above Polar coding scheme of MAC inherits the complexity of single user coding scheme, simulation results show that MAC-SC and MAC-SCL can achieve any points on the dominant face of rate region. Keywords: 5G, Polar codes, concatenation, puncture, multiple access channel - IV-

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要 ............................................................................................................................ I Abstract ........................................................................................................................ III 第 1 章绪论 ............................................................................................................. 1 1.1 课题研究背景与意义 ....................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状及分析 ................................................................................... 2 1.2.1 Polar 码的编译码研究现状 ....................................................................... 2 1.2.2 Polar 码级联的研究现状 ........................................................................... 4 1.2.3 Polar 码应用于网络通信场景的研究现状 ............................................... 5 1.3 现阶段研究存在的问题与不足 ........................................................................ 5 1.4 本文研究内容 .................................................................................................... 6 第 2 章信道极化理论与 Polar 码的编译码技术 ....................................................... 8 2.1 引言 .................................................................................................................. 8 2.2 Polar 码背景知识体系 ....................................................................................... 8 2.2.1 信道极化原理 ............................................................................................. 8 2.2.2 Polar 码的编码及信息位选取算法 ....................................................... 12 2.2.3 Polar 码的译码算法 ............................................................................... 16 2.3 仿真与结果分析 ............................................................................................. 21 2.3.1 不同译码算法的性能分析 ....................................................................... 21 2.3.2 非系统 Polar 码与系统 Polar 码之间的性能对比 ................................. 24 2.4 本章小结 ......................................................................................................... 25 第 3 章单链路高性能 Polar 码级联方案设计 ......................................................... 27 3.1 引言 ............................................................................................................... 27 3.2 RS 码的背景知识 ............................................................................................. 27 3.2.1 RS 码的编码 ............................................................................................. 27 3.2.2 RS 码的译码 ............................................................................................. 28 3.3 多段 RS 码保护下的 Polar 码级联方案设计 ................................................ 29 3.3.1 帧间交织器设计与码率分配 .................................................................. 29 3.3.2 帧内交织器设计 ...................................................................................... 32 3.3.3 基于 SCL 的联合译码算法设计 ............................................................ 33 3.4 仿真与结果分析 ............................................................................................. 35 3.4.1 译码开销与复杂度分析 .......................................................................... 35 3.4.2 仿真结果分析 .......................................................................................... 36 3.5 本章小结 ......................................................................................................... 38 第 4 章中继信道 Polar 码编码协作方案改进 ......................................................... 39 - - V

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