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基于比特翻转的Polar码BP译码算法研究

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基于比特翻转的Polar码BP译码算法研究

作者：汪泽林广西大学

学位级别：硕士

随着无线通信系统的快速发展,对其相应的支撑技术提出了更高的要求。第五代移动通信系统（5G）以及未来的B5G/6G等,以提供高传输速率、极低时延、高吞吐量以及高通信服务质量作为重点。Arikan教授提出的极化码（Polar code）作为首次被... 详细信息

随着无线通信系统的快速发展,对其相应的支撑技术提出了更高的要求。第五代移动通信系统（5G）以及未来的B5G/6G等,以提供高传输速率、极低时延、高吞吐量以及高通信服务质量作为重点。Arikan教授提出的极化码（Polar code）作为首次被数学证明可以达到香农限的编码方案,是未来极具竞争力的候选信道编码方案之一。极化码中的置信传播bp（Belief Propagation）译码算法凭借其并行译码的特性,能满足未来通信系统对高吞吐量、低时延等应用场景的性能需求,在众多的极化码译码算法中颇受关注,但原始BP译码算法的性能差强人意。本文针对BP译码算法中的加噪扰动与比特翻转两种提升译码性能的方法进行了深入研究,主要的研究内容与创新点如下:1)针对因子图中由短环引起的BP译码错误震荡现象,提出了一种基于大数逻辑原理的筛选方案。该方案能以较低的复杂度有效筛选出发生错误震荡的比特位;在此基础上,我们提出了一种基于接收序列比特翻转的RF-bp（Receiving-sequence Bit-Flip bp）译码算法。相比于同类的bpC（bp Correction）译码算法以及增强bp比特翻转EbpF（Enhance bp Bit-Flip）译码算法有更好的性能表现。在翻转集f为30时,即具有接近经典的CA-SCL（CRC-aided Successive Cancelation List）译码算法在路径数L=4时的性能;2)提高BP译码性能的一个有效途径是在接收信号中注入人工噪声,即随机扰动方法。本文针对算法加入的人工噪声特性进行了研究,设计了一种噪声功率随系统信噪比变化的构造方案。与原算法相比,本文构造的方案能更有效地对发生错误震荡的比特位产生扰动,同时也能减弱对正常收敛比特的影响;3)本文在上述优化人工噪声构造方案基础上,将比特翻转思想引入到加噪BP译码算法中,提出了基于噪声辅助的比特翻转NabpF（Noise-aided bp Bit-Flip）译码算法。实验结果显示,与现有的同类算法相比,在相同的信噪比下,本文算法所需的平均迭代次数更小,但其译码性能有一定的提升。例如,当码长N（28）1024,误帧率FER（Frame error rate）=310-时,与列表长度L为50的经典NabpL（Nosie-aided bp-List）译码算法相比,本文算法在列表长度L为30,翻转集为20时,获得了约0.14d B的性能增益。

关键词： Polar码 BP译码比特翻转加噪扰动错误震荡人工噪声

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基于集成学习的极化码BP译码算法

软件工程与应用 2023年第2期12卷 354-365页

作者：徐坤上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海

集成学习被广泛用于解决复杂任务,方法是通过学习得到不同的弱学习器,利用其各自的泛化能力,获得强学习器来解决问题。bpL译码算法和WBP译码算法是BP译码算法的两种主要优化算法,两种优化算法均具有不同的优势。基于此,提出了一种基于... 详细信息

集成学习被广泛用于解决复杂任务,方法是通过学习得到不同的弱学习器,利用其各自的泛化能力,获得强学习器来解决问题。bpL译码算法和WBP译码算法是BP译码算法的两种主要优化算法,两种优化算法均具有不同的优势。基于此,提出了一种基于集成学习的BP译码算法,该算法借助集成学习的优势,来获取更优异的译码性能。通过训练多组具有不同的权重参数的WBP译码器,并将其组合成类似bpL译码算法的一种新的译码器,该译码器的权重参数由离线训练得来。仿真结果表明,该译码算法可以达到与bpL译码算法相近的译码性能,同时具有更低的计算复杂度及更少的迭代次数。

关键词：极化码 BP译码加权BP译码集成学习弱学习器

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适用于5G NR的可重构BP译码器

适用于5G NR的可重构BP译码器

作者：邹文豪南京大学

学位级别：硕士

为进一步提升数据传输速率、减小延迟、提高系统容量,第五代移动通信技术(5G)应运而生。5G作为新一代蜂窝移动通信技术,有三大应用场景:增强型移动宽带(e MBB)、超可靠低时延通信(URLLC)和大规模机器通信(m MTC)。5G的首个标准版本Relea... 详细信息

为进一步提升数据传输速率、减小延迟、提高系统容量,第五代移动通信技术(5G)应运而生。5G作为新一代蜂窝移动通信技术,有三大应用场景:增强型移动宽带(e MBB)、超可靠低时延通信(URLLC)和大规模机器通信(m MTC)。5G的首个标准版本Release 15的发布,标志着5G标准化取得重大进展。标准规定了增强型移动宽带场景下,控制信道编码采用Polar码,数据信道编码采用QCLDPC码,这为Polar码和QC-LDPC码提供了很好的同时应用的场景。目前单一的Polar码及QC-LDPC码译码器的优化实现已经被广泛研究,可以实现较好的吞吐率和能效,但共模设计鲜有提及。随着摩尔定律发展放缓,通过探索两种译码算法在原理上的相似性,实现共模的Polar码和QC-LDPC码编译码器可提升硬件的利用率,满足5G中的高能效需求。本文结合可重构技术和两种编码方式下的BP译码算法在5G NR标准下开展了如下工作:第一,通过对Polar码和QC-LDPC码的BP译码算法进行算法分析与算子拆分,证明了基于可重构方式的BP译码器的可行性,并就此设计了适用于该策略的存储方式和可重构计算单元(CU)阵列。支持Polar码和QC-LDPC码端到端的BP译码。第二,在实现QC-LDPC码译码器时,针对其在可重构CU阵列上的映射,设计了基于可重构Reverse Banyan网络和QSN网络的循环移位器。可重构Reverse Banyan网络通过提前终止拆分为不同规模的子循环网络,结合QSN网络以支持5G NR下全部51种Z值的循环移位,与纯QSN网络相比,二选一MUX数减少55.5%。第三,所设计的高并行度BP译码器支持帧内并行和帧间并行两种模式,帧内并行情况下Polar码译码最大吞吐率为5.63Gbps,QC-LDPC码译码最大吞吐率为668.13Mbps;帧间并行情况下Polar码译码最大吞吐率为16.64Gbps,QCLDPC码译码最大吞吐率为4.75Gbps;相比较于单一的Polar码译码器和QCLDPC码译码器,总面积减小了25.7%;适用于5G中能效、面效要求比较高的应用场景。

关键词： 5G NR 可重构技术 Polar码 QC-LDPC码 BP译码

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改进的低复杂度BP译码算法

空军工程大学学报（自然科学版） 2016年第2期17卷 53-57页

作者：雷洪利孙康宁马林华张嵩胡星关瑛西北工业大学空军工程大学航空航天工程学院 94188部队通信修理所

基于对数似然比的BP译码算法与标准BP译码算法相比,降低了一定的运算量,但仍具有较高的计算复杂度,硬件实现时需要消耗较高的资源。针对此问题,提出了一种变量节点动态更新选择的对数似然比BP译码算法,根据每一次迭代后变量节点外信息... 详细信息

基于对数似然比的BP译码算法与标准BP译码算法相比,降低了一定的运算量,但仍具有较高的计算复杂度,硬件实现时需要消耗较高的资源。针对此问题,提出了一种变量节点动态更新选择的对数似然比BP译码算法,根据每一次迭代后变量节点外信息的收敛情况及校验方程的满足情况,动态地选择置信度最低的部分节点参与更新,其他置信度较高的节点则不进行更新。仿真结果显示,该算法译码性能与对数似然比BP译码算法相比,在0.5码率,10-4误码率时,1 024码长有0.1dB的性能损失,2 048码长性能损失仅有0.07dB,但从第4次迭代开始归一化运算量至少降低了50%。

关键词： BP译码低密度奇偶校验码复杂度外信息可靠度

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LT码的增强型BP译码算法

电视技术 2016年第3期40卷 93-97页

作者：杨晓非季瑞军黄胜张春明重庆邮电大学光通信与网络重点实验室重庆400065

传统的LT码采用的BP译码算法,当不存在度1编码分组时会导致BP译码算法失败,不能继续译码。为了提高译码的成功率,分析了剩余编码分组的结构,提出LT码的再次译码算法(Again Belief Propagation decoding algorithm,Abp)。算法主要思想是B... 详细信息

传统的LT码采用的BP译码算法,当不存在度1编码分组时会导致BP译码算法失败,不能继续译码。为了提高译码的成功率,分析了剩余编码分组的结构,提出LT码的再次译码算法(Again Belief Propagation decoding algorithm,Abp)。算法主要思想是BP译码失败后,查找满足条件的可译结构,继续译码,直到译码成功或再次失败,如果失败重复上面步骤直到译码成功或可译结构不存在,从理论上分析了可译结构存在的概率。仿真结果显示译码成功率得到提高。

关键词： LT码 BP译码译码效率增强型译码算法

一种基于矩阵分裂的QC-LDPC码Log-BP译码方法

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航空学报 2008年第1期29卷 176-180页

作者：赵岭张晓林北京航空航天大学电子信息工程学院北京100083

针对高码率的准循环低密度奇偶校验码(QC-LDPC)提出了一种新的高效的log-bp部分并行译码结构,它通过矩阵分裂,将原监督矩阵分裂成多个小的矩阵,使原本的校验节点更新运算被拆分成多次处理,有效地降低了bp迭代运算的复杂度;通过组织不同... 详细信息

针对高码率的准循环低密度奇偶校验码(QC-LDPC)提出了一种新的高效的log-bp部分并行译码结构,它通过矩阵分裂,将原监督矩阵分裂成多个小的矩阵,使原本的校验节点更新运算被拆分成多次处理,有效地降低了bp迭代运算的复杂度;通过组织不同小矩阵校验节点更新运算与变量节点更新运算的先后顺序,可以使不同小矩阵的校验节点更新运算与变量节点更新运算同时进行,从而提高译码器的译码速率。该方法既适用于非规则码,也适用于规则码。实验结果表明,与现有的log-BP译码方法相比,在相同的码速率下,校验节点更新单元(CNU)与变量节点更新单元(VNU)规模总量减小1/3;在相同的硬件资源下,译码速率提高1/3,另外该方法使CNU与VNU结构趋于对称,有利于设置更少的流水线级数,获得更好的时钟性能。

关键词：通信传输技术硬件资源矩阵分裂 Qc—LDPC码 BP译码硬件结构现场可编程逻辑阵列

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LT码的标记重传BP译码算法

重庆邮电大学学报（自然科学版） 2015年第6期27卷 786-791页

作者：黄胜张春明郑丹玲重庆邮电大学光纤通信技术重点实验室重庆400065

当通信系统允许反馈时,LT码可以利用重传信息分组获得良好的性能,但是多次请求重传造成接收端等待时间过长,导致整个译码时间增加。为了减少重传次数和译码时间,提出了MR-bp(mark and retransmission belief propagation)译码算法。在bp... 详细信息

当通信系统允许反馈时,LT码可以利用重传信息分组获得良好的性能,但是多次请求重传造成接收端等待时间过长,导致整个译码时间增加。为了减少重传次数和译码时间,提出了MR-bp(mark and retransmission belief propagation)译码算法。在bp(belief propagation)译码失败后,利用标记向量标记需要重传的信息分组,选取标记的信息分组。假设这个信息分组已经解码,把向量与分组的值作为整体继续BP译码。接收端只需要收到请求标记矩阵中标记的信息分组即可成功解码。MR-BP译码算法不仅解决了BP译码算法失败率大的问题,而且一次请求信息分组也明显地减少了译码时间。经过仿真验证,在重传分组数相同的情况下,译码时间明显减少。

关键词： LT码 BP译码译码时间反馈信道

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一种改进的LDPC码BP译码算法

宇航学报 2009年第1期30卷 240-243页

作者：郭永富周傲松北京空间飞行器总体设计部北京100094

LDPC码作为纠错能力最强的信道编码,在深空通信中具有广泛的应用前景。研究了LDPC码的BP译码算法,并对该算法进行了仿真,分析了LDPC码的误码率随BP译码迭代次数的演化情况,提出了一种改进的BP译码算法。经过仿真验证,改进的BP译码算法,... 详细信息

LDPC码作为纠错能力最强的信道编码,在深空通信中具有广泛的应用前景。研究了LDPC码的BP译码算法,并对该算法进行了仿真,分析了LDPC码的误码率随BP译码迭代次数的演化情况,提出了一种改进的BP译码算法。经过仿真验证,改进的BP译码算法,在信噪比低于译码阈值时能够大幅地减少译码迭代次数,降低运算复杂度,而性能却几乎没有降低。这种改进的BP译码算法对LDPC码在深空通信中的应用具有重要的意义。

关键词： LDPC码 BP译码迭代次数复杂度

基于密度进化的LDPC码BP译码算法的量化门限分析

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桂林电子科技大学学报 2017年第2期37卷 98-101页

作者：李世荣敖珺梁积卫盛均峰桂林电子科技大学信息与通信学院广西桂林541004

针对LDPC码BP译码算法中的量化门限的取值问题,提出一种基于密度进化算法的分析方法。该方法从数学角度跟踪迭代译码过程中消息的概率密度函数,并通过计算不同量化门限对应的误码性能来选取最佳量化门限值。仿真结果表明,在分析以量化... 详细信息

针对LDPC码BP译码算法中的量化门限的取值问题,提出一种基于密度进化算法的分析方法。该方法从数学角度跟踪迭代译码过程中消息的概率密度函数,并通过计算不同量化门限对应的误码性能来选取最佳量化门限值。仿真结果表明,在分析以量化门限为参数的LDPC码集合时,误码性能会随着量化门限值的提高而逐渐收敛,同时验证了密度进化方法分析量化门限具有高效性、可行性和实用性。

关键词： LDPC码 BP译码量化门限密度进化