记忆信道下利用Homophonic编码的码字最优分布的polar码构造方法技术

本发明专利技术提供了一种记忆信道下利用Homophonic编码的码字最优分布的polar码构造方法。在该方法中，输入信息序列满足独立均匀分布，首先通过Homophonic编码改变该输入信息序列的分布特征使其服从其对应记忆信道下能够实现信道容量的特定概率分布，然后将上述服从特定概率分布的序列作为polar编码的输入序列，进而进行polar编码，生成编码码字。该码字服从对应记忆信道下的最优概率分布，从而实现记忆信道下polar编码方法能够达到信道容量。本发明专利技术通过Homophonic码进行预编码来实现polar编码输出码字的最优分布，保持了原有的polar编码结构，又实现记忆信道下信道容量可达。

【技术实现步骤摘要】
记忆信道下利用Homophonic编码的码字最优分布的polar码构造方法
本专利技术属于通信信道编码
，具体指一种记忆信道下利用Homophonic编码实现码字最优分布的polar码构造方法。
技术介绍
PolarCodes，即极化码，是2008年由E.提出的一种新型信道编码。极化码基于信道极化(ChannelPolarization)进行设计，是第一种能够通过严格的数学方法证明达到信道容量的构造性编码方案。Polar码构造结构规则，编译码复杂度低，易于与其它通信技术进行联合设计优化。这些优点都使得Polar码具有很好的应用前景。但是目前对于Polar码的研究多是在无记忆信道实现容量可达，而在实际的通信系统中，由于通信环境的复杂和信道带宽的限制，在信息传输的过程中，信道难免会出现记忆特性。在记忆信道下，如何构造Polar码实现信道容量可达就有待研究。本领域内公知，在记忆信道下，证明了提出的原始极化可以应用到有限状态记忆信道。但是，尽管polar码可以在记忆信道下极化，但原始的极化构造对于实际应用中的输入序列已经不能实现信道容量可达。因此，如果要想达到记忆信道下的信道容量，需要生成码字最优序列，使得输入序列和输出序列之间的互信息最大。通常情况下，传统polar码的输入是i.i.d(独立同分布)的均匀分布，在记忆信道不是最优的。例如，常用的ISI(符号间干扰)信道，最优分布是用Markov(马尔可夫)过程近似的。综上所述，原始的polar码极化可以应用到有限状态记忆信道，但要达到信道容量，需要生成最优序列，但实际中输入一般都满足i.i.d.的均匀分布。因此，一种当输入信息为i.i.d.的均匀分布时，码字序列也可以满足最优分布的码字构造方法是一种需求。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：当输入信息序列服从独立均匀分布时，如何构造记忆信道下码字序列使其在该信道下达到最优分布。为了解决该问题，本专利技术提供了一种记忆信道下利用Homophonic编码的码字最优分布的polar码构造方法。本专利技术的记忆信道下利用Homophonic编码的码字最优分布的polar码构造方法，利用polar码级联Homophonic码实现，级联结构的实现规则是：将每l个比特的均匀信息序列经Homophonic编码后，输出各码字长度不定的比特数据，将Homophonic编码输出的各码字的比特数据依次填入polar码的输入序列，polar码的每一帧输入序列长度为N。l和N均为正整数。更进一步，本专利技术的记忆信道下利用Homophonic编码的码字最优分布的polar码构造方法，通过如下步骤实现：步骤1：读取输入的一组信息序列，对每个信息序列比特，计算其对应的概率区间，并在区间中均匀选择随机数；设得到信息序列中第i个比特vi的概率区间为J(vi)，从J(vi)中选取随机数z；步骤2：计算polar编码输入序列当前帧第i位ui,(t)的条件概率其中表示ui,(t)关于序列的条件概率，序列已知，分别计算ui,(t)＝0和ui,(t)＝1的概率值；t为polar编码输入序列当前帧的索引编号；步骤3：：确定polar编码输入序列当前帧的第i位ui,(t)；如果当前位是冻结位，ui,(t)根据条件概率从共享随机数列中取对应的随机数来确定；如果当前位是信息位，ui,(t)根据条件概率和所述的级联结构的实现规则生成；步骤4：重复上述步骤2至步骤3，直到当前编码输入序列的长度达到polar码的帧长，构造一帧完整的polar码输入序列。本专利技术的优点与积极效果在于：(1)本专利技术给出了Homophonic码级联polar码的编码结构，通过Homophonic码进行预编码，使polar码编码输入序列符合特定的分布，来实现记忆信道的码字构造过程。(2)在记忆信道下，本专利技术给出的码字构造方法通过软件方法来实现，不改变原始编码结构，便于实际应用。附图说明图1为本专利技术的Homophonic码级联polar码编码结构示意图；图2为本专利技术的polar码码字构造方法的流程示意图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术提出一种利用Homophonic编码实现码字最优分布的polar码构造方法。在本专利技术方法中，输入信息序列满足独立均匀分布，通过Homophonic编码改变该输入信息序列的分布特征使其服从其对应记忆信道下能够实现信道容量的特定概率分布，然后将上述服从特定概率分布的序列作为polar编码的输入序列，进而进行polar编码，生成编码码字。通过本专利技术方法所生成的码字服从对应记忆信道下的最优概率分布，从而实现记忆信道下polar编码方法能够达到信道容量。本专利技术在码字构造过程中，通过Homophonic编码来使得polar编码输入序列满足特定的概率分布，以获得polar编码的输出码字的特定概率分布。然而Homophonic编码是一种定长到变长编码，输入序列为固定长度时，输出序列的长度是不确定的。由于polar码的输入是固定长的，不能直接将Homophonic编码的输出作为polar码的输入。需要对Homophonic码级联polar码的结构做出改进。用l表示Homophonic编码的输入序列长度，用l′表示Homophonic编码后输出的码字长度，用N表示polar码每一帧的输入序列长度。将l′比特的数据依次填入polar码的输入序列。如果l′＜N，接下来不进行polar编码，而是针对下一组l个比特的均匀信息序列进行Homophonic编码，将编码结果继续作为polar码的输入序列，直到Homophonic编码的输出比特数据将polar编码一帧输入序列需要的N个位置填满。如果Homophonic编码的输出长度l′＞N或者Homophonic编码的输出将polar编码一帧输入序列需要的N个位置填满后有多余的比特的话，则将多余的比特依次填入下一帧polar码的输入序列。本专利技术利用上述级联结构的实现方法，将每l个比特的均匀信息序列v1,v2,...,vl生成polar码的输入序列每N个码字比特称为一帧，N为polar码的编码帧长，t为帧编号，第t帧输入序列图1给出了该码字构造过程。在图中，前l比特信息块被Homophonic编码为polar码输入序列第一帧和第二帧的一部分。相似地，第二个输入信息块被编码到polar码输入序列第二帧的剩余部分和第三帧的一部分。当polar码输入序列的一帧被Homophonic编码输出比特填满完成后，将送到polar编码输入端。本专利技术的利用Homophonic编码实现码字最优分布的polar码构造方法，得到polar编码的输入序列，然后根据该输入序列进行polar编码得到输出码字序列。本专利技术的polar码构造方法主要流程如图2所示，下面说明各实现步骤。步骤1：读取输入信息序列，根据输入符号的概率分布，计算其所对应的概率区间，并在不同区间中均匀的选择随机数。输入的一组信息序列v1...vl，其中vi表示信息序列中的第i个比特值，i为信息序列的比特位索引变量，vi∈v，v为输入信息的取值空间。计算信息序列比特取值的概率区间J(v)，在区间J(v)中均匀选择随机数z。J(v)是根据比特符号的概率分布计算得到，设vi为v本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在记忆信道下利用Homophonic编码的码字最优分布的polar码构造方法，其特征在于，利用polar码级联Homophonic码实现，级联结构的实现规则是：将每l个比特的均匀信息序列经homophonic编码后，输出各码字长度不定的比特数据，将homophonic编码输出的各码字的比特数据依次填入polar码的输入序列，polar码输入序列的帧长度为N，l和N均为正整数。

【技术特征摘要】
1.一种在记忆信道下利用Homophonic编码的码字最优分布的polar码构造方法，其特征在于，利用polar码级联Homophonic码实现，级联结构的实现规则是：将每l个比特的均匀信息序列经homophonic编码后，输出各码字长度不定的比特数据，将homophonic编码输出的各码字的比特数据依次填入polar码的输入序列，polar码输入序列的帧长度为N，l和N均为正整数。2.根据权利要求1所述的polar码构造方法，其特征在于，所述的polar码级联Homophonic码的过程中，在Homophonic编码输出的码字长度l′小于polar码输入序列的长度N时，则先不进行polar编码，继续对下一组l个比特的信息序列进行Homophonic编码，编码输出的比特数据继续作为polar码的输入，直到Homophonic编码的输出比特数据将polar码输入序列当前帧需要的N个位置填满。3.根据权利要求1所述的polar码构造方法，其特征在于，所述的polar码级联Homophonic码的过程中，在Homophonic编码输出的码字长度l′大于polar码输入序列的长度N时，Homophonic编码输出的比特数据将polar码输入序列的当前帧的N个位置填满后，将多余的比特继续填polar码输入序列的下一帧。4.根据权利要求1所述的polar码构造方法，其特征在于，该方法实现步骤包括：步骤1：读取输入的一组信息序列，对每个信息序列比特，计算其对应的概率区间，并在区间中均匀选择随机数；设得到信息序列中第i个比特vi的概率区间为J(vi)，从J(vi)中选取随机数z；步骤2：计算polar码输入序列当前帧的第i位ui,(t)的条件概率其中表示ui,(t)关于序列的条件概率，序列已知，分别计算ui,(t)＝0和ui,(t)＝1的概率值；t为polar编码输入序列当前帧的索引编号；步骤3：确定polar编码输入序列当前帧的第i位ui,(t)；如果第i位是...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘荣科，冯宝平，王闰昕，赵岭，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11