针对现有极化码软输出译码器存在的高资源消耗与低资源效率,设计了一种快速低复杂度软取消(Fast Reduced Complexity Soft-Cancelation,Fast-RCSC)译码算法及其译码器硬件架构。Fast-RCSC算法对内部特殊结点进行完整计算,在减少译码周期的同时仍有较好译码性能。基于不同特殊结点公式之间存在相似性,进而通过对引入的特殊结点模块进行计算结果复用以及计算模块分时复用,减少特殊结点模块资源消耗。通过共用存储单元以及对不足存储单元数据宽度的数据进行合并,降低存储资源消耗。在华润上华(Central Semiconductor Manufacturing Corporation,CSMC)180 nm工艺下综合结果表明,设计的译码器在码长为1 024的情况下,面积为2.92 mm2,资源效率为245.2 Mbps/mm2,相比现有软输出译码器有不同程度的提升。
极化码译码器 软输出 资源效率 资源复用 专用集成电路 polar code decoder soft output resource efficiency resource reuse ASIC
1 重庆邮电大学 光电工程学院, 重庆 400065
2 重庆邮电大学 通信与信息工程学院, 重庆 400065
针对极化码在中短码长时纠错性能的不足, 提出了一种基于错误集的极化码改进串行抵消列表(Successive Cancellation List of Polar Codes Based on Error Set, ES-SCL)译码算法。该算法首先根据极化码的信道特性构造错误集, 在极化码编码时根据错误集中的元素设置奇偶校验(Parity Check, PC)位, 其余位置则放置信息比特和冻结比特, 译码器在译码PC位时, 每条路径通过校验函数得到PC位的比特估计, 不执行路径分裂和剪枝, 其余位置则执行SCL译码。仿真结果表明, 在加性高斯白噪声信道下, 当码长为512, 码率为0.5, 误块率为10-5, 最大译码列表数为8时, 相较于PC-PSCL译码算法以及CA-SCL译码算法, 所提出的ES-SCL译码算法获得了约0.18和0.15dB的增益; 当码长为256, 码率为0.5, 误码率为10-5, 最大译码列表数为8时, 相较于CA-SCL, PC-PSCL译码算法, 获得了约0.3和0.35dB的增益; 此外, 采用部分比特分裂译码的ES-SCL译码算法可以在误块率与PC-PSCL译码算法几乎相同的情况下, 减少约50%的排序次数, 具有更低的译码复杂度。
极化码 奇偶校验码 错误集 SCL译码 polar codes parity check codes error sets SCL decoding
1 暨南大学理工学院光电工程系，广东 广州 510632
2 广东省可见光通信工程技术研究中心，广东 广州 510632
基于发光二极管的水下可见光通信技术是一种照明通信两用的水下无线通信方式，有效解决了水声通信时延大、带宽小、能耗大等诸多缺点。由于海水中各种介质对光的传播造成衰减，降低了接收信噪比，影响通信质量。同时，海水铅直方向介质质量浓度随深度增加而变化，导致光传播吸收和散射系数不是恒定的，影响到纠错编码的参数设置。本文在Matlab平台上使用蒙特卡罗法对海水信道进行了建模仿真，并根据仿真信噪比设计并提出了一种基于极化码的纠错编码方案，以调整编码参数，保证不同信道环境下数据传输的可靠性。仿真结果表明，对于不同的接收信噪比，所提方案都能够调节编码码率以实现无误码传输。因此，所提方案能够根据实际的信道环境来调整编码参数，保证了通信过程的可靠性。
大气光学与海洋光学 水下可见光通信 信道建模 蒙特卡罗法 极化码 纠错编码 激光与光电子学进展
2022, 59(21): 2101002
重庆邮电大学，通信与信息工程学院，重庆 400065
近年来，新兴的深度学习（DL）技术在译码领域取得了进展，目前提出的极化码神经网络译码器有着比置信传播（BP）译码更快的收敛速度和更好的误码率（BER）性能，但其仍存在运算复杂度高的问题。文章针对该问题，在迭代过程中采用改进信息更新这个思路，提出了一种改进左信息更新的循环神经网络（RNN）偏移最小和（OMS）近似BP（RNN-OMS-BP-L）译码算法。仿真结果表明，文章所提算法相比于深度神经网络（DNN）BP（DNN-BP）译码算法，使用6.25%的加法运算代价替换了全部的乘法运算；相比于目前较优的RNN OMS近似BP（RNN-OMS-BP）译码算法，在确保BER性能几乎无损失的条件下，文章所提算法使用改进的信息更新减少了25%的加法运算复杂度，节省了部分存储空间开销，在相同BER性能下，减少了37.5%的迭代次数。
极化码 置信传播 循环神经网络 信息更新 低运算复杂度 polar code BP RNN information updates low complexity
传统的可见光通信(VLC)调光方案利用冗余的补偿符号实现调光控制, 导致传输效率低。为了提高VLC系统传输效率, 提出一种基于整形极化码的调光控制方案, 通过预编码器改变码字中“1”出现的概率, 从而在无需添加冗余补偿符号的情况下实现调光控制功能。实验结果表明: 相比通过补偿符号实现调光控制的极化码方案, 整形极化码方案具备更高的传输效率和更好的纠错性能, 在25%和12.5%这2种典型的调光率场景中, 编码增益至少可以分别达到1.9 dB和3.3 dB。
调光控制 极化码 可见光通信 dimming control, polarization codes, visible light
红外与激光工程
2022, 51(5): 20210420
合肥工业大学 微电子设计研究所 教育部IC网上合作研究中心, 合肥 230601
为了克服5G移动通信系统中极化码串行抵消(SC)译码算法延迟高、计算复杂度高、硬件结构复杂度高等问题, 基于冻结比特、冻结比特对和冻结区间等方式, 提出了冻结比特设计模式。该设计模式包含基于冻结比特对的译码延迟和计算复杂度的分析方法。通过优先剪枝冻结比特结点的方式, 进一步化简SC译码树, 提高了搜索译码树的速度。码长为1 024的改进流水线树型SC译码器基于FPGA平台实现。实验结果表明, 译码延迟为2.35 μs, 数据吞吐率为435 Mbit/s。与现有译码器相比, 该译码器的译码延迟、数据吞吐率分别优化了9.6%、10.4%。
极化码 串行抵消 冻结比特 低延迟 polar code successive cancellation frozen bit low latency
重庆邮电大学 光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室, 重庆 400065
为了解决串行抵消(Successive Cancellation, SC)译码算法在中短码长情况下译码性能不佳的问题, 在SC译码算法的基础上增加路径列表和比特翻转方法得到一种改进的串行抵消列表翻转(Successive Cancellation List Flip, SCLF)译码算法。该算法利用比特翻转构建最不可靠的信息位集合, 称为翻转集合(Flipping Set, FS), 同时提出一种新的度量法则来缩小FS的范围、提高FS的准确率。仿真结果表明, 随着信噪比的增大, 所提出的SCLF译码算法误块率(Block Error Rate, BLER)有较大提升, 当BLER为10-3时, SCLF(码长N=256,列表大小L=8)译码算法的增益比SC(N=256)译码算法提升了0.55dB; 当BLER为10-4时, SCLF(N=256,L=8)译码算法的增益比CA-SCL(N=256,L=8)译码算法提升了0.22dB; 当BLER为10-5时, SCLF(N=256,L=16)译码算法的增益比CA-SCL(N=256,L=16)译码算法提升了0.17dB。
极化码 比特翻转 串行抵消列表翻转 翻转集合 polar codes bit-flipping successive cancellation list flip flipping set
重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065
极化码是世界上唯一被证明香农门限可达的编码方案。由于连续消除(SC)译码的串行特性导致时延很高，于是置信传播(BP)译码因其具有更高的吞吐量而受到了更多关注。由于BP译码性能不如SC译码，于是将比特翻转（BF）译码应用于BP中。针对当前BP BF(BPF)译码中出现的翻转集构建不准确的问题，文章提出了一种新的误码率BPF译码算法用于构建翻转集，并提出了粗翻转集和精翻转集的概念。文章通过方差能够体现数据稳定性的特点构建了粗翻转集，再通过误码率的差值大小来缩小翻转集的范围，即精翻转集。研究结果表明，文章所提算法优于目前最优的BP、增强型BPF (EBPF)和对数似然比BPF(BPF-LLR)等译码算法，同时，该算法迭代次数相比其他翻转译码算法有明显降低。
极化码 置信传播译码 比特翻转 翻转集 Polar codes BP decoding BF flip set
1 北京邮电大学电子工程学院, 北京 100876
2 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室, 北京 100876
极化码是通过严格的数学方法证明能达到信道容量极限的编码方案。为了使极化码应用于高速实时光通信系统中,采用完全展开式流水线架构,基于Xilinx xcvu13p-flga2577-1-e型号的现场可编程门阵列(FPGA)芯片,首次从硬件上实现了256码长适配多种码率的循环冗余校验码辅助的连续消除列表(CRC-SCL)译码器。该译码器在156.25 MHz的最大时钟频率下,总吞吐率达到40 Gbit/s。同时进行了基于极化码的56-Gbit/s(28-GBaud) 正交相移键控背靠背实验。实验结果表明,所实现的CRC-SCL译码器能够在误码率为10 -3处获得7.5 dB的编码增益。此外,为了权衡纠错性能和资源量消耗,分析了量化位数对译码器性能的影响。
光学学报
2021, 41(17): 1706002
