在当前的无线通信系统中,极化码(Polar Codes)由于其良好的性能以及相对较低的复杂度,已经成为第五代移动通信技术(5G)中控制信道的候选编码方案之一。为了在接收端有效地解码传输信号,译码算法的选择至关重要。SCL(Successive Cancellation List)译码算法是极化码译码的一种有效算法,但其性能受限于排序模块的效率,排序模块是译码过程中时间消耗的主要部分。韩冰、王云江等人提出了一种新的非排序直接选择方法,大幅度提高了SCL译码算法的性能,这一突破性研究成果展示在论文《增强的极化码逐次抵消列表译码算法》中。
极化码是基于信道极化原理设计的一种新型纠错码,由Arikan于2009年提出。其基本思想是将N个独立的二元信道转换成N个“极化”的信道,其中一些信道将趋于无噪(容量接近1),一些则趋于全噪(容量接近0)。通过将信息比特放置在高容量信道上,可以实现接近信道容量的传输速率。尽管其编码结构简单,但其译码问题在很长一段时间内限制了其实际应用,直到SCL译码算法的提出。
SCL译码算法在一定程度上解决了传统逐次抵消(Successive Cancellation, SC)译码算法的不足,提供了更好的译码性能,尤其是在码长较长时。SCL译码算法通过扩展SC算法,引入列表管理机制,维护多个候选路径,并在每个译码步骤中选择最佳的L个路径作为候选者,以便在最终做出决策。但是,这个列表管理过程中的排序操作非常耗时,因此提高排序效率是优化SCL算法的关键。
韩冰和王云江等人的研究中,提出了一种非排序直接选择的方法,其核心是通过比特维的比较来直接选择L个最优的路径度量值,避免了复杂度较高的传统排序操作。理论分析证明,此方法的时间复杂度为O(ML),这不仅优于已有的冒泡排序方案(复杂度为O(1/2ML(L-1))),也优于快速排序方案(复杂度为O(MLlogL))。通过这种方法,路径选择模块的运行速度可以提升大约6倍。而且,在不降低译码性能的前提下,这种方法大幅降低了对硬件资源的需求。
这篇论文提出的创新方法不仅提升了SCL译码的效率,还有助于极化码在5G等现代通信系统中的应用和普及。考虑到5G系统对数据传输速率和可靠性有很高的要求,这种改进后的译码方案有望在实际通信系统中发挥重要作用。
论文的研究成果也得益于多个项目和资金的支持,如中国国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中央高校基本科研业务费等。韩冰是该研究的主要完成者,他还专注于纠错码的研究方向。王云江作为对应的通讯作者,研究领域包括量子计算和量子信息。这些背景信息表明,此研究团队在极化码及其译码技术方面有着深入的理论研究和实践经验。
总体而言,这篇论文提供了对极化码SCL译码算法优化的有益尝试,对于提升极化码在未来通信系统中的性能和应用具有重要意义。同时,这也表明了在理论研究和工程技术相结合的方向上,中国科研人员已经取得了显著的进展。