循环首次适应算法_面向6G的极化编码链路自适应技术
點擊上方藍色字體，關注我們
相關鏈接：
“6G?？敝匕跬瞥?/ 2020年第6期目錄來啦
6G愿景及潛在關鍵技術分析
6G愿景與需求：數字孿生、智能泛在
畢奇 / 移動通信的主要挑戰及6G的研究方向
未來移動通信頻譜兼容共存研究方法淺析
基于區塊鏈的6G動態頻譜共享技術
? 6G?？? ?《移動通信》2020年第6期面向6G的極化編碼鏈路自適應技術*
牛凱
(北京郵電大學“泛網無線通信”教育部重點實驗室，北京 100876)
*基金項目：國家重點研發計劃基金資助項目(2018YFE0205501)；國家自然科學基金資助項目(61671080)
【摘? 要】作為第一種達到信道容量的高性能編碼，極化碼(Polar Code)是未來6G數據傳輸的重要候選方案，由此提出了面向6G的極化編碼鏈路自適應傳輸框架。在此框架下，高性能的級聯極化編碼方案，逼近有限碼長信道容量極限；通用的極化編碼速率適配，支持高效HARQ機制；靈活的極化編碼調制，顯著提升鏈路頻譜效率。極化編碼鏈路自適應方案能夠顯著提升無線傳輸性能，滿足超高可靠低時延與高頻譜效率傳輸要求，在未來6G數據傳輸中有廣泛的應用前景。
【關鍵詞】極化碼；信道極化；極化編碼調制；極化編碼鏈路自適應；極化編碼HARQ
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.06.008? ? ? ??
中圖分類號：TN911.22 ?? ? ?文獻標志碼：A ?? ? ??
文章編號：1006-1010(2020)06-0048-09
引用格式：牛凱. 面向6G的極化編碼鏈路自適應技術[J]. 移動通信, 2020,44(6): 48-56.
0? ?引言
2019年9月，芬蘭奧陸大學發布了全球第一個6G白皮書，標志著移動通信技術的爭奪焦點，正從第五代移動通信(5G)轉向第六代移動通信(6G)。文獻[1]、[2]指出，未來6G移動通信需要同時滿足高可靠低時延(中斷概率小于10-6、通信時延達到50～100?μs)與高頻譜效率(峰值速率達到100?Gbit/s～1 Tbit/s)的性能要求。為了應對這些艱巨挑戰，迫切要求6G無線鏈路傳輸技術取得突破。
2009年，土耳其學者Ar?kan在文獻[3]提出了極化碼(Polar Code)，首次以構造性方法證明信道容量漸近可達。極化碼發明10年來，成為信道編碼領域的熱門研究方向。2016年11月，極化碼入選5G移動通信的控制信道編碼候選方案，并最終寫入5G標準[4-5]。極化碼作為5G控制信道的編碼標準，只是實用化的一小步，在數據信道中應用極化碼才具有更重大的意義。
為了應對6G數據傳輸的技術挑戰，基于極化編碼的鏈路自適應傳輸將是非常有競爭力的一種候選技術。本文旨在介紹滿足6G傳輸需求的極化編碼鏈路自適應技術，展望極化碼在6G數據信道中的應用前景。
1? ? 極化編碼的6G數據鏈路框架
1.1? 極化編碼
極化碼基于信道極化現象設計，它最早由Ar?kan引入[3]，是指將一組可靠性相同的二進制對稱輸入離散無記憶信道(B-DMC)W采用遞推編碼的方法，變換為一組有相關性的、可靠性各不相同的極化子信道的過程，隨著碼長(即信道數目)的增加，這些子信道呈現兩極分化現象。
一般地，對于給定的B-DMC信道W，可以采用不同的構造方法[5-6]，評估N個子信道的可靠性。其中K個高可靠的子信道集合A，稱為信息集合，用于承載信息比特，而剩余的N-K個低可靠子信道集合Ac，用于承載收發兩端都已知的固定比特(一般默認為全零)，稱為凍結比特(Frozen Bit)。
給定(N,K)極化碼，信息位長度為K，編碼長度為N，則編碼器輸入比特序列由信息比特與凍結比特構成，表示為。令表示編碼比特序列。則極化碼的原始編碼表示如下：
其中編碼生成矩陣，BN?是排序矩陣，完成比特反序操作，表示矩陣F?進行n次Kronecker積操作，實質上是Hadamard變換矩陣。由于采用蝶形結構編碼，極化碼的編碼復雜度為O(N1gN)[3]。
極化碼也可以采用簡化編碼方式，5G NR就采用這種方式[4]，即：
對比公式(1)可知，其編碼過程直接進行Hadamard變換，不必再進行比特反序操作。Ar?kan在文獻[3]中證明這兩種編碼形式是等價的。公式(2)的編碼過程更簡單，但在譯碼端需要調整接收信號的順序。
1.2? 數據鏈路框架
為了滿足高可靠低時延與高頻譜效率的6G傳輸需求，我們提出了圖1所示的極化編碼鏈路自適應框架。
如圖1所示，這一框架是級聯極化編碼/HARQ/調制的組合。在發送端，首先進行循環冗余校驗(CRC)編碼，接著進行極化碼編碼，然后再基于HARQ機制進行速率適配(包括鑿孔/縮短/重復等操作)，最后進行編碼比特到星座信號的映射操作。
相應地，在接收端，首先進行信道估計與軟解調，生成比特級對數似然比(LLR)信息，同時提取信道質量信息(CQI)，反饋到發送端。接著，基于HARQ的重傳方式，進行信號合并、解速率適配與解交織等操作，將合并處理的LLR信息送入一個或多個極化碼譯碼器。最后，根據譯碼輸出進行CRC校驗，如果校驗通過則產生ACK信令，如果不通過則產生NACK信令反饋到發送端。
需要強調的是，為了適應無線信道的動態時變衰落特征，這一框架需要采用鏈路自適應機制，包括了碼率、重傳方式與調制階數的自適應調整。基于接收端反饋的CQI信息，發送端進行調制階數與編碼碼率的調整，一般而言，信道質量差、低信噪比條件下，采用低碼率(R＜1/2)與低階調制(QPSK)，而當信道質量變好或高信噪比條件下，則采用高碼率(R＞1/2)與高階調制(16/64/256QAM)?；诮邮斩朔答伒腁CK/NACK信令與CQI信息，發送端選擇蔡司合并(CC, Chase Combination)或增量冗余(IR, Incremental Redundancy)重傳模式，調整速率適配圖樣，產生重傳編碼比特序列。
實際上，一般通信系統中也廣泛存在可靠性差異導致的廣義極化現象，例如星座調制的各個比特具有不同的可靠性[5]。上述框架就是基于廣義極化思想設計的極化編碼/調制整體極化系統。采用極化編碼、HARQ與高階調制，能夠逼近信道容量極限，大幅度提升6G系統性能。
下面從極化編碼與構造、極化編碼HARQ與極化編碼調制三個方面，分析與設計極化編碼鏈路自適應系統。
2 ??高性能極化編譯碼與構造
Ar?kan最早提出了串行抵消(SC)極化碼譯碼算法[3]，碼長無限長條件下，采用這一次優算法即可達到信道容量極限。但在有限碼長下，采用單獨極化編碼以及SC譯碼的性能較差。為了提高極化碼有限碼長性能，人們采用了CRC級聯極化碼以及高性能譯碼算法，在有限碼長條件下，相對于Turbo、LDPC碼有顯著的性能增益[6]。為了滿足6G超高可靠性要求，需要進一步探索極化碼的各種實用化構造技術。
2.1? 高性能極化短碼構造
為了探索極化碼短碼的極限性能，筆者在文獻[7]中提出了高性能極化碼編譯碼方案。如圖2所示，發送端包括CRC編碼器與極化碼編碼器，接收端采用的是一種混合譯碼算法。該算法由CRC輔助的自適應串行抵消列表(SCL)譯碼算法與CRC輔助的球譯碼(SD)算法組成。
針對CRC級聯極化碼，我們在短碼N=64, 128情況下進行了優化設計。短碼條件下，CRC碼的結構非常重要，會顯著影響整個級聯碼的最小漢明距離與重量譜分布。經過精確計算與枚舉搜索，文獻[7]得到了各種碼率下最優的CRC生成多項式。通過優化CRC生成多項式，可以顯著提高級聯碼的整體性能。
高性能譯碼算法是提升極化碼有限碼長性能的關鍵。筆者[8]以及Tal和Vardy[9]同時提出了列表SC算法(SCL)，另外還提出了堆棧SC算法[10]與SCH算法[11]，這些算法相比于SC譯碼，性能有顯著改進。進一步，筆者提出的CRC輔助的SCL/SCS譯碼算法(CA-SCL/SCS)[12]以及Li等人提出的自適應CA-SCL算法[13]，極大增強了譯碼性能。對于短碼極化碼，筆者在文獻[14]、[15]中提出了低復雜度的球譯碼(SD)算法，達到最大似然(ML)譯碼性能。
為了探索級聯極化碼的極限性能，我們提出了圖2所示的CRC輔助混合譯碼算法(A-HD)。其基本思想是，譯碼器首先啟動自適應CA-SCL算法，假設未達到預設最大列表規模Lmax，已經有路徑通過CRC校驗，則提前結束譯碼；反之，如果L=Lmax還沒有路徑通過CRC校驗，則說明當前錯誤較為惡劣，此時利用SCL譯碼結果重新計算CRC比特并設置初始半徑，進行CA-SD譯碼，得到最終結果。
在AWGN信道下，針對表1的級聯極化碼，圖3給出了誤塊率(BLER)仿真結果。其中碼長N=128，碼率R=1/3,1/2,2/3，譯碼算法包括混合譯碼(CA-HD)、自適應CA-SCL譯碼(ADSCL)、固定列表CA-SCL譯碼，虛線表示基于正態近似(NA, Normal Approximation)的差錯性能下界。這個理論下界是文獻[16]提出的有限碼長信道容量極限。另外，ADSCL與CA-HD的最大列表規模都為Lmax=1024。
由圖3可知，不同碼率條件下，當采用固定的列表L=32時，相比于NA下界，都有明顯的性能損失。ADSCL雖然列表規模達到了1?024，但性能仍然比CA-HD略差。并且在各種碼率下，CA-HD的譯碼性能都接近了理論極限，例如R=1/2，BLER=10-3時，CA-HD與NA只相差0.025?dB，幾乎達到了有限碼長容量極限。
Ar?kan在2019年的Shannon Lecture講演中提到，為了達到有限碼長容量極限，需要采用卷積碼與極化碼的級聯方案，并且要采用序列譯碼算法，這就是所謂的PAC編碼[17]。文獻[7]的結果表明，采用經過優化的CRC-Polar級聯編碼與混合譯碼算法，也能夠逼近容量極限，與PAC方案性能類似。并且PAC碼的碼率難以靈活調整，而CRC-Polar級聯編碼適用于多種碼率，具有更強的普適性，能夠適應6G鏈路碼率自適應的傳輸需求。
2.2? 極化碼速率適配方案
極化碼的原始編碼，要求碼長滿足2的整數次冪的約束。而在無線鏈路的HARQ傳輸中，要求信道編碼通過改變碼長進行靈活的碼率配置。因此，碼長約束條件限制了極化碼在HARQ中的應用。
在實際應用中，假定信息比特長度為K，實際的編碼碼長M不一定是2的冪次，因此需要采用速率匹配，將原始碼長N調整為實際碼長M。主流的速率匹配方案包括：鑿孔(Puncturing)和縮短(Shortening)。前者的特點是鑿孔位置的編碼比特任意取值，而譯碼器無法獲知這些比特取值，因此LLR設置為0。而后者特點是縮短位置的編碼比特固定取值(例如0)，這樣譯碼器先驗已知其比特取值，LLR設置為＋∞。圖4給出了等均勻鑿孔(QUP)方案與反序等均勻縮短(RQUS)方案操作原理與示例。
筆者在文獻[18]中提出了QUP鑿孔方式，其原理如圖4(a)所示。圖中給出的是N比特的鑿孔表，其中0表示將編碼比特鑿孔，而1表示保留原編碼比特。在5G NR標準中采用簡化編碼形式，參見公式(2)，則只需要鑿掉開頭的N-M個比特，而保留后續的M個比特。而如果采用原始編碼形式，即公式(1)，則原始鑿孔表需要經過比特反序操作，這樣鑿孔位置就近似均勻分散在整個編碼碼字中，因此得名為準均勻鑿孔(QUP)。這兩種鑿孔方式是等價的。圖4(c)給出了原碼長N=8，鑿孔3比特，得到實際碼長M=5的QUP鑿孔示例。容易看出，對于5G NR標準，應當在比特序號集合{1, 2, 3}中鑿掉這3個比特，而對于原始編碼方式，需要在比特序號集合{1, 3, 5}中鑿掉這3個比特。
類似地，文獻[19]、[20]提出了RQUS鑿孔方式，其原理如圖4(b)所示。5G編碼形式只需要縮短結尾的N-M個比特，而保留開頭的M個比特。而原始編碼形式，由于需要經過比特反序操作，縮短位置就近似均勻分散在整個編碼碼字中。這兩種鑿孔方式也是等價的。圖4(d)給出了原碼長，縮短3比特，得到N=8實際碼長M=5的RQUS縮短示例。容易看出，對于5G NR標準，應當在比特序號集合{6, 7, 8}中縮短這3個比特；而對于原始編碼方式，需要在比特序號集合{4, 6, 8}中縮短這3個比特。
上述QUP/RQUS方案就是5G NR標準中采用的速率適配方式[4]，筆者在文獻[19]中證明，這兩種方式能夠保證重量譜近似最優。
另外，針對Rayleigh信道的極化碼構造，也是HARQ應用的重要問題。筆者在文獻[21]中提出了兩種容量等效的構造方法，能夠以較低復雜度獲得子信道可靠性的高精度評估，可以作為極化碼在6G無線衰落信道中編碼構造的基本參考。
3? ? 極化編碼HARQ
極化編碼HARQ方案主要分為兩大類：基于蔡司合并的HARQ與基于增量冗余的HARQ，下面簡述代表性的方案。
3.1 ?基于蔡司合并的HARQ方案
筆者在文獻[22]基于QUP鑿孔方式，提出了極化編碼的CC-HARQ傳輸方案，其流程如圖5所示。
在發送端，信息比特序列經過極化編碼得到編碼碼字，經過QUP鑿孔后得到實際發送的編碼碼字，送入無線信道。在接收端，如果譯碼結果的CRC校驗失敗，則向反饋信道發送NACK信號，要求發送端進行重傳。發送端將再次傳輸全部的編碼碼字，接收端收到重傳碼字后，將之前各次接收到的LLR序列與當前接收的重傳LLR序列疊加，再進行再譯碼。傳輸過程將一直持續，直到譯碼成功或者達到最大傳輸次數。
極化編碼CC-HARQ每次重傳的都是同一個碼字，因此更容易與其它信號處理技術(如調制、多天線傳輸等)進行組合，實現簡單。但由于重傳整個碼字，冗余較多，其鏈路吞吐率會降低。
3.2? 基于增量冗余的HARQ方案
為了進一步提高HARQ的鏈路吞吐率，筆者在文獻[23]提出了基于QUP鑿孔的IR-HARQ傳輸方案，其流程如圖6所示。
IR-HARQ方案與CC-HARQ方案不同之處在于，前者送入發送端緩存的數據并不是鑿孔后的編碼碼字，而是一部分待重傳的信息序列。若接收端譯碼失敗，則反饋NACK信號，發送端選擇最容易出錯的一些信息比特，不進行編碼直接送入信道重傳，接收端則利用重傳的LLR信息去輔助譯碼。
3.3? 極化擴展HARQ方案
文獻[24]提出了一種基于極化矩陣擴展的IR-HARQ傳輸方案，簡稱為極化擴展(PE: Polar Extension)HARQ方案，其流程如圖7所示。
該方案同樣基于QUP鑿孔方式，其關鍵步驟是擴展碼長，并重建一個低碼率的極化碼。在發送端，當擴展極化碼時，首先恢復先前的鑿孔位。如果需要更多位，則應擴展母碼長度。在重構極化碼時，根據構造算法確定擴展部分的新信息比特和原始部分的冗余比特(不可靠信息)，將冗余比特復制到新信息位置，然后將冗余比特作為極化碼的凍結位處理。在接收端，基于SC譯碼順序，新的信息比特將在冗余比特之前譯碼，并且已經譯碼的信息比特可以作為相應位置的凍結比特值。由此，所有信息比特都在最可靠的子信道上。
PE-HARQ方案中，基于擴展極化矩陣生成的增量編碼比特，容易與先前發送的編碼比特串接以形成更低碼率的極化碼。該方案既具有長碼的編碼增益，又具有多重傳輸的分集增益。
3.4? 極化碼的HARQ方案性能對比
圖8給出了AWGN信道下，基于速率適配的鑿孔Turbo碼(RCPT)、不規則重復累積碼(RCIRA)(一種LDPC碼)的HARQ方案，以及極化編碼的CC-HARQ與IR-HARQ方案的吞吐率性能。
如圖8所示，極化編碼CC-HARQ方案比Turbo碼和LDPC碼的IR-HARQ方案的效果稍差。在低信噪比情況下，前者相比較后兩者的性能損失約為1.0?dB。隨著信噪比的增加，該方案與Turbo/LDPC編碼方案的性能差距變小。而極化編碼IR-HARQ方案受益于額外的編碼增益，吞吐率性能遠好于Turbo編碼HARQ方案，并且相比于LDPC編碼HARQ方案也有提升。
與CC-HARQ方案相比，IR-HARQ方案可以獲得額外的編碼增益，吞吐率更高，且實現靈活。但是CC-HARQ方案相比IR-HARQ方案復雜度較低，所需存儲空間也較小，在譯碼器緩存、譯碼時延、反饋鏈路負荷以及與其它技術的兼容性等方面具有一定的優勢。PE-HARQ方案是IR-HARQ方案的進一步改進，可以提高有限碼長下的傳輸性能，能顯著提升吞吐率。但該方案編碼過程需要額外的模二加操作，會增加一定的復雜度。面向6G系統需求的高性能Polar-HARQ方案還需要進一步研究。
4? ?調制極化
由于星座調制信號承載多個比特，每個比特對應的子信道可靠性有差異，因此可以看作廣義的信道極化，稱為調制極化。圖9給出了16QAM，采用集分割映射的調制極化示例。由圖9可知，16QAM的四個調制極化子信道的容量有顯著差異，比特1對應的子信道容量最小，可靠性差，而比特4相應的容量最大，可靠性高。
充分利用編碼極化與調制極化效應，可以設計與優化極化編碼調制系統，一般包括比特交織極化編碼調制(BIPCM)與多級極化編碼調制(MLC-PCM)兩種結構[25-27]。圖10給出了Rayleigh信道下，調制方式為QPSK/16QAM/64QAM，碼長為512，碼率為1/2與2/3，極化編碼調制(PCM)與LTE Turbo編碼調制在誤塊率(BLER)為10-4的頻譜效率對比。極化碼編碼采用文獻[6]構造，譯碼采用CA-SCL算法。Turbo碼編碼采用LTE標準，譯碼采用Log-MAP算法。
由圖10可知，Rayleigh信道下，PCM相對于Turbo編碼調制有1～2.5?dB的性能增益，并且，調制階數越高，性能增益越大。6G系統將會應用超高階調制，例如1024/4096 QAM，可以預見采用極化編碼調制是提高頻譜效率的有效手段。
5? ? 結束語
極化碼是最近十年信道編碼領域的重大突破，具有重要的理論意義與工程應用價值。IEEE通信學會發布的極化碼最佳讀物[4]，精選了極化碼領域的50篇重要文獻，作者有三篇論文(參考文獻[6]、[11]、[21])入選，有興趣了解極化碼研究全貌的讀者可以查閱。
未來6G無線鏈路要求滿足高可靠低時延與高頻譜效率的傳輸需求，對于編碼調制設計提出了巨大的技術挑戰。為了應對這一挑戰，本文提出了極化編碼鏈路自適應傳輸框架。在這一框架下，采用優化的CRC級聯極化碼，能夠逼近有限碼長容量極限，滿足6G超高可靠數據傳輸要求。進一步，采用通用鑿孔/縮短速率適配方式，設計高效的CC/IR-HARQ機制，能夠改善6G無線鏈路傳輸性能。最后，采用極化編碼調制方案，充分挖掘調制極化效應，能夠極大提升頻譜效率，滿足6G高頻譜效率傳輸需求。
綜上所述，極化編碼鏈路自適應傳輸技術，是滿足未來6G移動通信需求的重要候選技術，具有廣闊的應用前景。
★原文發表于《移動通信》2020年第6期★
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.06.008? ? ? ??
中圖分類號：TN911.22 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ??
文章編號：1006-1010(2020)06-0048-09
引用格式：牛凱. 面向6G的極化編碼鏈路自適應技術[J]. 移動通信, 2020,44(6): 48-56.
作者簡介牛凱(orcid.org/0000-0002-8076-1867)：現任北京郵電大學教授，中國電子學會信息論分會副主任委員，主要研究方向為信息論與信道編碼，先后主持多項國家自然科學基金項目與863項目，在IEEE重要學術期刊和會議發表論文200篇，其中SCI檢索58篇，設計的極化碼高性能編譯碼算法成為5G標準主流方案。
《移動通信》投稿方式為在線投稿
請您登錄網頁投稿系統
鏈接地址：http://ydtx.cbpt.cnki.net
掃碼關注最新動態
《移動通信》
▼往期精彩回顧▼5G網絡創新研討會(2020)論文集 /?征文火熱進行中“6G?？敝匕跬瞥?/ 2020年第6期目錄來啦收藏！2020年1—5期專題論文集合
2020年第5期目錄來啦
?2020年第4期目錄
《移動通信》雜志由中國電子科技集團公司主管，中國電子科技集團公司第七研究所主辦，是中國科技核心期刊、中國期刊方陣“雙效期刊”、工業和信息化部精品電子期刊、廣東省優秀期刊、中國科技論文統計源刊。國內連續出版物號：CN44-1301/TN，國際連續出版物號：ISSN1006-1010，郵發代號：46-181。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的循环首次适应算法_面向6G的极化编码链路自适应技术的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： c++堆栈溢出怎么解决_c语言进阶：堆栈
- 下一篇： 蒲公英怎么加入别人的网络_挖蒲公英吃的，