基于SSCANL译码器的联合迭代检测译码算法

2022-11-07 08:47刘重阳郭锐
电信科学 2022年10期
关键词:译码误码率复杂度

刘重阳,郭锐

研究与开发

基于SSCANL译码器的联合迭代检测译码算法

刘重阳,郭锐

(杭州电子科技大学通信工程学院,浙江 杭州 310018)

为了提升基于极化码的稀疏码多址接入(sparse code multiple access,SCMA)系统接收机性能,提出了基于简化软消除列表(simplify soft cancellation list,SSCANL)译码器的循环冗余校验(cyclic redundancy check,CRC)辅助联合迭代检测译码接收机方案。该方案中极化码译码器使用SSCANL译码算法,采用译码节点删除技术对软消除列表(soft cancellation list,SCANL)算法所需要的次软消除译码(soft cancellation,SCAN)进行简化,通过近似删除冻结位节点,简化节点间软信息更新计算过程,从而降低译码算法的计算复杂度。仿真结果表明,SSCANL算法可获得与SCANL算法一致的性能,其计算复杂度与SCANL算法相比有所降低,码率越低,算法复杂度降低效果越好;且基于SSCANL译码器的CRC 辅助联合迭代检测译码接收机方案相较基于SCAN译码器的联合迭代检测译码(joint iterative detection and decoding based on SCAN decoder,JIDD-SCAN)方案、基于SCAN译码器的CRC辅助联合迭代检测译码(CRC aided joint iterative detection and decoding based on SCAN decoder,C-JIDD-SCAN)方案,在误码率为10−4时,性能分别提升了约0.65 dB、0.59 dB。

SCMA;极化码;SSCANL译码器;CRC辅助联合迭代检测译码

0 引言

面对5G对高频谱效率和海量连接的需求,非正交多址(non-orthogonal multiple access,NOMA)技术受到了广泛关注[1]。目前,已经有许多NOMA方案,如稀疏码多址接入(sparse code multiple access,SCMA)[2]、图样分割多址接入[3]、多用户共享接入[4]等。在这些NOMA技术中,SCMA方案通过引入稀疏码本实现了更有效的用户资源分配以及更好的频谱利用率。

随着极化码的提出与广泛的应用,基于极化码的SCMA系统吸引了大量的关注。文献[5]首次提出了联合检测译码(joint detection and decoding,JDD)接收机方案,该方案将极化码因子图与SCMA因子图联合,实现内部消息交换。与分离检测译码(separate detection and decoding,SDD)接收机相比,该方案极大地提高了SCMA系统性能。文献[6]提出通过调用一种新型的软输入软输出编码,实现在SCMA检测器与连续消除(successive cancellation,SC)译码器[7]之间交换外部消息。通过适当次数的迭代后,性能可得到显著提升。文献[8-9]在联合因子图的基础上,提出了基于软消除(soft cancellation,SCAN)译码[10]的联合迭代检测译码接收机(joint iterative detection and decoding based on SCAN decoder,JIDD- SCAN)方案。该方案显著提高了polar-SCMA系统误码率性能。文献[11]比较了采用不同极化码译码器的JIDD接收机误码率性能。文献[12]提出了基于SCAN译码的串行循环冗余校验(cyclic redundancy check,CRC)辅助联合迭代检测译码接收机(serial CRC aided joint iterative detection and decoding based on SCAN decoder,S-C-JIDD-SCAN)方案,它将基于SCAN译码的串行联合迭代检测译码(serial joint iterative detection and decoding based on SCAN decoder,S-JIDD-SCAN)方案和基于SCAN译码的CRC辅助联合迭代检测译码(CRC aided joint iterative detection and decoding based on SCAN decoder,C-JIDD-SCAN)方案结合,从而得到比JIDD-SCAN方案更好的误码率性能,但是它的性能仍然受SCAN译码器的限制。文献[13]提出的软消除列表(soft cancellation list,SCANL)译码算法可实现比SCAN译码算法更好的误码率性能,但它的缺点是计算复杂度偏高。

本文在SCANL算法的基础上,通过译码节点删除技术,简化译码因子图中软信息更新计算过程,在保证译码性能几乎一致的情况下,降低算法的计算复杂度,得到简化软消除列表(simplify soft cancellation list,SSCANL)算法。然后将SSCANL算法应用于接收机的极化码译码器,提出了基于SSCANL译码器的CRC辅助联合迭代检测译码接收机(CRC aided joint iterative detection and decoding based on SSCANL decoder,C-JIDD-SSCANL)方案,并仿真分析了JIDD- SCAN、S-C-JIDD-SCAN、C-JIDD-SSCANL等接收机方案的误码率性能以及复杂度。

1 极化码SCANL译码算法

其中,i为当前节点索引,F为冻结位索引集合。当左、右信息到达因子图两侧,一次迭代译码完成。

其中,为克罗内克脉冲函数,、分别表示两个不同的排列。当获得信道接收信息后,SCANL算法执行L次不同等效因子图形式的SCAN译码,每次译码返回一个路径度量值,选择对应的译码比特序列作为SCANL译码结果输出。更新规则如式(3)所示。

其中,表示冻结位i对应节点的左信息。

2 基于联合迭代检测译码接收机的polar- SCMA系统

基于C-JIDD-SCAN接收机的polar-SCMA系统如图3所示,采用了CRC提前停止条件。在C-JIDD-SCAN接收机中,信道接收信号在SCMA检测器与SCAN译码器之间迭代交换,即SCMA检测器在经过内部迭代后输出外部信息,并将其直接作为SCAN译码器的先验信息输入,反之亦然。当SCAN译码器输出码字满足CRC校验,则立即停止联合迭代并返回译码码字,从而减少迭代次数,提升系统检测性能[12]。

3 基于SSCANL译码器的CRC辅助联合迭代检测译码接收机

3.1 SSCANL译码算法

首先,本文依据图2所示等效因子图对因子图中的码字进行排列置换,因子图置换与码字置换之间的映射过程如图4所示。

图4 因子图置换与码字置换之间的映射过程

图5 单位因子图软信息传递过程

图6 省略节点1后的软信息更新过程

根据图6可对式(6)、式(8)进行简化得:

图7 省略节点2后的软信息更新过程

此时根据图7对式(5)、式(7)进行简化得:

从上述译码过程可知,通过简化与因子图中冻结位节点上右信息有关的软信息更新计算步骤,从而近似对冻结位节点进行删除,进而降低算法的计算复杂度。当码率越低,冻结位越多时,其计算复杂度降低效果越好。SSCANL算法具体过程如算法1所示,其中置换简化SCAN译码(permuted simplify SCAN decode)子函数如算法2所示。

算法1 SSCANL算法

end if

end for

算法2 置换简化SCAN译码

#初始化阶段

else

end for

#译码阶段

else

左、右信息更新计算过程如式(5)~式(8)

else

end for

end for

3.2 基于SSCANL译码器的CRC辅助联合迭代检测译码接收机

本节将SSCANL译码算法应用于polar- SCMA系统,从而得到与C-JIDD-SCAN接收机不同的C-JIDD-SSCANL接收机,C-JIDD- SSCANL接收机结构如图8所示。

图8 C-JIDD-SSCANL接收机结构

算法3 CRC辅助联合迭代检测与SSCANL译码算法

end for

end for

# SSCANL译码

if 通过CRC校验

end if

end for

end for

4 结果分析

本节将对JIDD-SCAN[8-9]、C-JIDD- SCAN[12]、S-C-JIDD-SCAN[12]、C-JIDD-SCANL以及本文提出的C-JIDD-SSCANL等接收机方案的误码率性能以及计算复杂度进行对比分析。为了便于描述,令JIDD-SCAN、C-JIDD-SCAN、S-C-JIDD- SCAN、C-JIDD-SCANL以及C-JIDD-SSC ANL这几种接收机方案简称方案一~方案五。

图9 不同阻尼因子下C-JIDD-SSCANL接收机的误码率性能

4.1 仿真结果分析

本文对比分析了SCAN算法[10]、SCANL算法[13]以及SSCANL算法的译码性能。码长512在不同码率情况下的性能比较如图10所示,本文提出的SSCANL算法的误码率性能曲线始终与SCANL算法的误码率性能曲线几乎重合,说明SSCANL算法译码性能并没有明显降低,特别是在低信噪比时与SCANL算法性能基本一致,但降低了计算复杂度;与SCAN算法相比,误码率性能得到了显著的提升。

图10 码长512在不同码率情况下的性能比较

接下来的仿真结果将对比分析不同码长、码率、迭代次数iter情况下5种接收机方案的误码率性能如图11所示。

图11 不同不同码长N、码率R、迭代次数iter情况下5种接收机方案的误码率性能

从图11的仿真结果来看,在不同iter情况下,方案四与方案五的误码率性能曲线始终保持几乎重合的状态,说明方案五的性能可与方案四保持一致,但降低了计算复杂度。

4.2 计算复杂度分析

对于SCMA检测器,不同接收机方案下检测器计算复杂度见表1。

表1 不同接收机方案下检测器计算复杂度

对于极化码译码器,本文整理了不同码率情况下极化码译码器计算复杂度见表2。

表2 不同码率情况下极化码译码器计算复杂度

5 结束语

本文首先提出了一种改进SCANL算法的技术即译码节点删除技术。基于这种改进技术,提出了SSCANL算法。SSCANL算法在保持与SCANL算法一致性能的前提下,其计算复杂度与SCANL算法相比得到了一定程度的降低。为了提升现有的接收机性能,本文还提出了C-JIDD- SSCANL接收机方案。C-JIDD-SSCANL接收机中极化码译码器采用SSCANL算法,利用SSCANL算法优越的译码性能,加快接收机的收敛,提高系统性能。仿真结果表明,C-JIDD- SSCANL接收机方案的误码率性能显著优于JIDD-SCAN、C-JIDD-SCAN、S-C-JIDD-SCAN等接收机方案。

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SSCANL decoder based joint iterative detection and decoding algorithm

LIU Chongyang, GUO Rui

School of Communication Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China

In order to improve the receiver performance of the sparse code multiple access (SCMA) system based on polar codes, the cyclic redundancy check (CRC) aided joint iterative detection and decoding receiver scheme based on simplify soft cancellation list (SSCANL) decoder (C-JIDD-SSCANL) was proposed. A polar code decoder in the C-JIDD-SSCANL receiver used the SSCANL algorithm. In this algorithm, decoding node deletion technology was used to simplifytimes of soft cancellation (SCAN) decoding required by soft cancellation list (SCANL) algorithm by deleting frozen bit nodes, then the computational process of soft information update between nodes was simplified, and the computational complexity of decoding algorithm was reduced. The simulation results show that the SSCANL algorithm can obtain the same performance as the SCANL algorithm, and its computational complexity is reduced compared with the SCANL algorithm. Compared with the joint iterative detection and decoding scheme based on SCAN decoder (JIDD-SCAN) and the CRC aided joint iterative detection and decoding scheme based on SCAN decoder (C-JIDD-SCAN), the performance of C-JIDD-SSCANL receiver scheme based on SSCANL decoder is improved by about 0.65 dB and 0.59 dB respectively when the bit error rate is 10−4.

SCMA, polar code, SSCANL decoder, CRC aided joint iterative detection and decoding

TN925

A

10.11959/j.issn.1000−0801.2022086

2022−01−06;

2022−05−14

国家自然科学基金资助项目(No.U1709220)

The National Natural Science Foundation of China (No.U1709220)

刘重阳(1997− ),男,杭州电子科技大学硕士生,主要研究方向为信道编码。

郭锐(1980− ),男,博士,杭州电子科技大学副教授,主要研究方向为无线通信、信道编码。

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