文献综述(或调研报告):
极化码最早由土耳其比尔肯大学的埃达尔·阿勒坎教授在2008年提出,而高通主推的LDPC码则是由信息通信科学的先驱罗伯特·G·加拉格尔约50年前提出的,法国主推的Turbo2.0码是已有20多年历史的Turbo码的延伸和发展,后两者经过几十年的发展和改进,技术已经非常成熟。极化码之所以在数据信道编码的竞争中输给高通的LDPC码,也就是因为业界觉得极化码技术还不够成熟。相比LDPC码和Turbo2.0码几十年学术和工业应用上的技术沉淀,诞生10年不到的极化码相对显得稚嫩,几乎没有商业实践是它一直缺乏支持的原因之一。在近期结束的3GPP会议5G(第五代移动通信技术)短码方案讨论中,中国华为公司主推的极化码方案,力压美国高通公司等主推的LDPC和法国主推的Turbo2.0两大编码方案,成为5G通信eMBB场景的控制信道编码方案。
直到现在为止,在各国学者的不断研究下,对于 Polar Codes 在不同的通信信道下的设计和应用的研究也已经取得了一定的成绩。已经由最初的仅仅能够在对称二进制离散无记忆信道下,向着非对称二进制信道,对称非二进制信道,还有多址接入信道 MAC,高斯信道 AWGN,瑞利信道以及混合信道中进行拓展研究。对于非对称信道主要考虑对于信道与 BEC 信道的近似对应关系,进而进行信道设计;而对于非二进制信道,主要考虑针对多进制信道进行极化处理的方案,以及采用蝶形递归计算传输可靠性算法的准确性的等问题。文献中给出了针对不同进制信道下,Polar Codes 的表现出的误比特率仿真结果。
在 Polar Codes 的应用方面,最近又产生了一个热点研究方向。将 Polar Codes用于信息安全方面[14,15,16,17],针对 Wyner 的窃听信道进行保密通信,最优的编码方案是需要找到一个码,既能够达到主信道的信道容量,分割为小的子码时,也同样能够达到窃听信道的信道容量。利用其构造过程中对一些冻结比特的不利用的特性,使其在窃听信道的通信中发挥保密传输的功能,使得通信过程更加安全;并且已经证明采用 Polar Codes 作为信道编码方案是一种可以达到窃听信道保密容量(secrecy capacity)的编码方案。
除了上述所列出的研究领域外,各国学者还在进行着不同领域的深入研究与探讨,力求将这种码字的性能进行深入挖掘,并给与其更多的改造和优化,使其最终能够在实际的通信系统中大放异彩。
1.信道极化理论
极化码的结构基于这样的事实:设使用(记为 Kronecker 矩阵乘法)把N = 2n bit的输入变换后经过B-DMC 信道,只要n 变得足够大,组合信道就会发生信道极化现象。极化码的基本思想就是构造一种编码系统,可以独立的使用每一个相关信道,这样就可以只选择其中接近于0 的那些信道来发送信息数据。
2.极化码的编译码算法
(1)SC译码算法
对于极化码的SC 译码算法,还可以选择译码树表示极化码译码过程。码长为N 的极化码,对应着一棵深度为 n 的满二叉树;译码开始后,首先从根节点开始,在每一个节点处都会扩展出两条边,每一层边都分别对应一个信息比特或固定比特;每一个节点与其左、右两个后继节点之间的边分别被标记为0和1;从根节点出发到任一叶节点长度为 N的路径均对应一个译码序列(含固定比特)。如图 3-2 所示。每次译码选择从两条路径中选择路径度量值较大的那个进行扩展,然后再该路径上继续扩展,直到扩展到叶节点为止。
