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polar码基本原理v1.docx
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更新于2023-05-23
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为了实现可靠的信号传输,编码学家在过去的半个多世纪提出多种纠错码技术如里所码(RS码)、卷积码,Turbo码等,并在各种通信系统中取得了广泛的应用。但是以往所有实用的编码方法都未能到香农于1948年所给出的信道传输的容量极限(也称为香农界)。2008年在国际信息论ISIT会议上,Arikan首次提出了信道极化的概念,基于该理论,他给出了人类已知的第一种能够被严格证明达到信道容量的信道编码方法,并命名为极化码(Polar Code)。Polar码具有明确而简单的编码及译码算法。通过信道编码学者的不断努力,当前Polar码所能达到的纠错性能超过目前广泛使用的Turbo码、LDPC码。
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Polar 码基本原理
一、polar 码简介
通知:大家可以考虑毕业设计论文了,毕业设计论文一般要有 章,第
章为绪论,第 章是基础知识,第 章和第 章是自己的毕设内容,第 章是
结论。那么下一步,大家主要是准备第 章和第 章的内容,每一个章节,至
少要有 张仿真图,也就是展现你这个研究内容的仿真效果,并且和其它方
法进行比较,每一张图至少要有 字以上的分析或者讨论,也就是为什么出
现这个效果,原因是什么,有哪些优点,有哪些缺点等等。
码在 年首次被 提出
。它以理论可达香农限,以及简单的
编译码算法等优点迅速成为编码界的研究热点。目前, 码主要研究方向有
以下几个:一是 码的码字构造。 码的原理基础是信道极化:在无限
码长下,以一定的编码方式进行编码,则编码后的“比特信道”将极化为“好信道 ”
和“坏信道”。这里的“比特信道”实际上是串行消除译码时的信道。以码长 为例,
比特信道分别为“ 、 、 、 ”。但在有
限码长下,“比特信道”极化将不完全,即只有部分信道是“好信道”或者是“坏信
道”,当中还有部分信道介于“好信道”和“坏信道”之间,这里我们将其称为“不完
全极化信道”。如何在不完全极化信道中挑选出相对较好的“比特信道”就是
polar 码码字构造问题。二是 polar 码译码算法研究。目前 polar 码译码算法
主要有 SC 算法
[1]
、SCL 算法
[2, 3]
、CA-SCL 算法
[4]
、BP 算法
[5]
、SCAN 算法
[6]
,
以及各种算法的简化版本
[7-13]
。其中 SC 算法最初由 Arikan 提出,但其在码长

有限长情形下,性能一般。SCL 是 SC 算法性能提升的改进版本,原理是在 SC
的基础上提供了多条路径;而 CA-SCL 是在 SCL 的基础上对信息比特进行了循
环冗余校验。它通过简单的校验就可以带来性能的极大提升。目前基于 CA-
SCL 译码算法,polar 码性能已经优于 LDPC 码。SC、SCL、以及 CA-SCL 算
法均是硬输出算法,即最终输出的是 0、1 比特序列而不是对应的 LLR 值。为
了在一些联合设计中使用 polar 码,就必须提供 polar 码的软输出算法,即输
出对应比特的 LLR 值。BP 和 SCAN 算法就是软输出算法,由于 BP 和 SCAN
算法在消息传递和递归规则上不同,导致了两种算法的译码延时和收敛速度不
同。在译码延时上,BP 消息传递采用“洪水”规则
[12]
,SCAN 采用类 SC 算法的
串行消除规则,因此 BP 算法的译码延时好于 SCAN 算法。但是 SCAN 算法的
收敛速度明显好于 BP 算法。一般而言,BP 算法需要 40-50 次的迭代过程,而
SCAN 算法 1 次迭代就能达到稍好于 SC 算法的性能。在性能表现上,这几种
算 法 排 序 如 下 : CA-SCL>state-of-the-
art(LDPC、Turbo)>SCL>BP=SCAN>SC。三是 polar 码在具体通信信道以
及通信场景中的应用,如衰落信道、MIMO 信道等。为了读者能够迅速了解和
掌握 polar 码的基本原理,下面对 polar 码编码原理以及 SC、SCL 以及 BP 和
SCAN 译码算法作简要介绍。Polar 码码字构造研究方法可以参考文献
[14-18]
。
二、信道极化原理
码的基本原理是信道极化。 在他的文章中
指出如果对二进制对称
信道进行特定的“组合”和“拆分”,则拆分后的“比特信道”将呈现极化现象:一部
分“比特信道”的对称信道容量趋近于 ,而其余部分“比特信道”的对称信道信道

容量趋近于 。如果发送端将源信息比特放置在“好的比特信道上”,而在“坏的
比特信道上”放置固定比特,如 ,同时在接收端采用连续消除译码算法,则该
码字的码率 在码长 时将可
以达到信道容量。
2.1 信道组合
所谓的信道组合其实并不是指将实际的物理信道组合起来。实际通信系统
中,信源端发送符号将经过一个特定的物理信道,如果信源端无记忆,而实际
物理信道在一段时间内保持不变并且也是无记忆的话,在某一个物理信道
上 连 续 发 送 个 符 号 将 等 效 于 发 送 的 个 符 号 经 过 了 信 道
。如果我们在发送端对这 个符号进行特定方式的
组合,则将等效于信道 的组合。
图 1 信道示例
如图 所示,左图是发送端发送两个符号至对称无记忆信道情景。由于信
源独立,并且信道也是无记忆的,因此 ,此时
信道可以表示为右图所示,即等效为两个独立对称无记忆信道。
图 2 N=2 信道组合
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