CN100369403C - 无线通信系统迭代检测译码接收的并行实现方法 - Google Patents

无线通信系统迭代检测译码接收的并行实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种无线通信系统迭代检测译码接收的并行实现方法，无线传输中接收技术的实现方法，属于高速无线传输技术领域。所述的迭代接收机包括四个模块，软输入软输出检测模块，软输入软输出译码模块，交织模块和反交织模块；软输入软输出检测模块根据交织模块提供的软信息和接收信号，输出新的软信息至反交织模块；而软输入软输出译码模块从反交织模块中读入软信息，输出新的软信息至交织模块；并且软输入软输出检测模块和软输入软输出译码模块同时并发工作，在交织模块和反交织模块中进行实时的数据更新；等到迭代工作结束时，软输入软输出译码模块将判决比特输出。能利用相同的硬件资源在相同的时间内多处理一倍的数据。

Description

无线通信系统迭代检测译码接收的并行实现方法
技术领域
本发明属于一种无线传输中接收技术的实现方法，属于高速无线传输技术领域。
背景技术
未来无线通信系统要求具有较高的功率效率和频谱效率。强的差错控制编码比如Turbo码或低密度奇偶校验(LDPC)码使得系统能在较低的信噪比环境下工作，从而提高系统的功率效率。而多天线发送和多天线接收技术能够大大地提高系统传输信息的能力，从而提高频谱效率。而宽带单载波传输使得无线信道成为频率选择性信道，因此在接收端，信号之间存在着符号间干扰，尤其在多天线无线传输系统的接收端，接收信号既存在符号间的干扰，又存在天线间的干扰。
在这种不仅存在衰落和噪声，而且存在干扰的信道环境中，迭代检测译码接收机同传统检测译码级联的接收机相比，在相同发射功率下，能够大大地提高系统的误码率(BER)或误帧率(FER)性能。或者为了达到某一特定的BER或PER，系统需要更少的发射功率。
图1所示为一般的多天线比特交织编码调制基带系统的发送机结构和迭代检测译码的接收机结构。迭代检测译码接收机的工作原理是检测器和译码器之间进行迭代地工作，两者之间进行多次软信息(通常用对数似然比来表示)交换后才对发送的信息进行判决。发送比特经过差错控制编码后，再经过交织，进而映射成复数基带信号，分流到每个发送天线上发送。而在接收端，检测器根据接收信号和译码器反馈的软信息计算新的软信息，将其反交织后送入译码器。译码器根据反交织后的软信息和编码约束，获得新的软信息再将其交织后送入检测器。
一般而言，检测器和译码器通常采用不同的算法，因此在硬件实现，比如可编程逻辑器件或专用集成电路的实现中，检测器和译码器需要采用不同的硬件模块实现，本说明书的描述中称为检测模块和译码模块。目前的实现方法主要有两种，一种是检测模块-译码模块的流水实现结构，这种结构具有较高的硬件使用效率，但是该实现结构的接收机处理时延太高，无法满足未来通信系统低延时的要求。另一种串行实现结构，检测模块和译码模块之间是串行工作的，即在某一次迭代过程中，检测模块结束工作后译码模块才开始工作，同样，译码模块结束工作后检测模块才开始下一轮的工作。这种实现结构使得两个硬件模块只能交替的工作，硬件资源在同一时间片只有大约一半的使用效率，从而使得迭代检测译码接收机的处理时延比较大。设计高效的低处理时延的迭代检测译码接收机实现结构，具有重要的实践意义。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种无线通信系统迭代检测译码接收机的并行实现方法，同传统的串行实现方法相比，提高了硬件资源的使用效率，在相同的硬件资源条件下，降低了迭代检测译码接收机的处理延时。
技术方案：所述的迭代接收机包括四个模块，软输入软输出检测模块，软输入软输出译码模块，交织模块和反交织模块；软输入软输出检测模块根据交织模块提供的软信息和接收信号，输出新的软信息至反交织模块；而软输入软输出译码模块从反交织模块中读入软信息，输出新的软信息至交织模块；并且软输入软输出检测模块和软输入软输出译码模块同时并发工作，在交织模块和反交织模块中进行实时的数据更新；等到迭代工作结束时，软输入软输出译码模块将判决比特输出。
交织模块和反交织模块都用读写双端口存储器实现，在软输入软输出检测模块和软输入软输出译码模块同时迭代工作时，软输入软输出译码模块输出每个比特的似然比时，按照交织后的地址存入交织模块，而软输入软输出检测模块输出的每个似然比的比特，按照反交织后的地址存入反交织模块。
其中软输入软输出译码模块采用了迭代译码，且软输入软输出译码模块在自身迭代译码的每次译码迭代时都将软信息输出至交织器。
下面就检测模块，译码模块，交织和反交织模块，工作时序四个方面来描述该并行实现结构方法和工作原理。
1、检测模块
检测模块根据接收信号缓冲和交织模块的数据，计算软信息将其送入反交织器。检测算法可以采用任何检测软输入软输出的检测算法，比如最小均方误差滤波的干扰抵消检测(MMSE-IC)算法或者匹配滤波的干扰抵消(MF-IC)算法。接收信号缓冲和交织模块内的数据被检测器按照顺序的读入，而计算得到的结果则根据反交织后的地址存入反交织模块。检测模块从接收信号缓冲输出使能时就开始工作，等到取完接收信号缓冲中的最后一个数据后，又从新回到第一个数据的地址，进行下一轮的检测。等到特定次数的检测全部完毕后，更新接收信号缓冲中的数据，进行下一帧数据的迭代检测译码。
2、译码模块
译码模块读入反交织模块中的数据，根据差错控制编码的约束关系，进行软输入软输出的译码，并将其译码得到的软信息输出至交织模块。具体的软输入软输出译码算法需要根据不同的差错控制编码而定，比如卷积码和Turbo码可以采用最大后验概率译码(MAP)算法或者对数域MAP(log-MAP)算法。LDPC码可以采用置信度传播(BP)算法。在一帧数据的迭代检测译码中，在反交织模块被检测模块输出的数据第一次填满时，输出译码模块使能信号，译码模块就开始工作，从反交织模块中按顺序的读入数据进行译码，得到结果后按照交织后的地址存入交织器。在一帧的所有数据译码完毕后，再从一帧的第一个数据开始进行下一轮的译码。经过特定次数的译码后，译码器的结果输出到比特判决器进行判决，得到接收机最后处理结果。
诸如Turbo，LDPC等差错控制编码其译码本身使用的也是迭代算法，比如MAP，log-MAP，BP算法等。在串行实现结构的每次译码模块和检测模块的迭代中，译码器总是完成一定次数的自身的迭代以后才将软信息输出至交织器。而在本发明提出的并行实现结构中，译码模块总是不停地，循环地输出结果至交织模块。通过译码模块和检测模块的内部的不同实现结构设计来改变它们之间处理延时的比例，可以决定每次检测译码迭代时译码器自身迭代的次数。
3、交织模块和反交织模块
在并行实现结构中，译码模块和检测模块两者同时连续地工作，译码模块需要连续地从反交织模块读取数据，并且连续地写入数据至交织模块，而同时，检测模块也要连续地从交织模块读取数据，并且连续地写入数据至反交织模块。因此在同一时间内，交织模块和反交织模块都既要被读出数据也要被写入数据。一种既方便又省资源的实现方法就是使用读写双端口的存储器。在每个数据从检测模块或译码模块输出的同时，地址控制模块生成一个交织地址和一个反交织地址，同时也按照自然顺序生成两个顺序地址，检测模块根据顺序地址从交织器读入数据，而输出的数据根据反交织地址存入反交织模块，而译码模块根据顺序地址从反交织器读入数据，输出的数据根据交织地址存入交织模块。
值得提出的是，由于一般的读写双端口RAM均要求读写地址不能冲突，因此在交织器生成算法的设计中，必须保证在同一时刻，交织和反交织模块的读取地址和写入地址不能相等，这点在交织器的设计中是不难做到的。
4、工作时序
图3比较了串行和并行两种实现结构下的时序图，两者相比，本发明提出的并行实现结构主要有三个不同。第一，从图中易知，在串行实现结构下，在同一时刻，检测模块和译码模块两者只有其中一个在工作；而在并行结构下，在首次检测完毕后，检测模块和译码模块能够同时并行的工作。第二，在串行实现结构下，等到某次迭代检测模块或译码模块所有的数据输出后再进行交织或者反交织，而在并行结构下，交织和反交织的过程是实时地，每个数据输出时进行的。第三，在译码本身使用迭代译码算法时，串行实现结构下，译码模块进行一定次数的自身迭代以后才将结果送入交织器，而在本发明的结构下，译码模块每得到新的结果就将其送入到交织器。
有益效果：本发明给出的迭代检测译码接收机的并行实现方法，同现有的串行实现方法相比较，有效地克服了其硬件使用效率低，延时长的缺点，在相同的硬件资源降低了接收机处理的延时，从而提高了硬件能够处理数据的速率。从图3可以看到，在软输入软输出检测模块同软输入软输出译码模块之间迭代次数较多的情况下，本发明给出的迭代检测译码接收机的并行实现方法同现有的串行实现方法相比较，能够降低将近一倍的延时，即能利用相同的硬件资源在相同的时间内多处理一倍的数据。
附图说明
图1是一般的多天线比特交织编码调制基带系统的发送机结构和迭代检测译码的接收机结构框图。
图2是并行实现结构示意图。
图3是现有的串行实现结构和并行实现结构的工作时序示意图。
具体实施方式
所述的迭代接收机包括四个模块，软输入软输出检测模块，软输入软输出译码模块，交织模块和反交织模块；软输入软输出检测模块根据交织模块提供的软信息和接收信号，输出新的软信息至反交织模块；而软输入软输出译码模块从反交织模块中读入软信息，输出新的软信息至交织模块；并且软输入软输出检测模块和软输入软输出译码模块同时并发工作，在交织模块和反交织模块中进行实时的数据更新；等到迭代工作结束时，软输入软输出译码模块将判决比特输出。
交织模块和反交织模块都用读写双端口存储器实现，在软输入软输出检测模块和软输入软输出译码模块同时迭代工作时，软输入软输出译码模块输出每个比特的似然比时，按照交织后的地址存入交织模块，而软输入软输出检测模块输出的每个似然比的比特，按照反交织后的地址存入反交织模块。
其中软输入软输出译码模块采用了迭代译码，且软输入软输出译码模块在自身迭代译码的每次译码迭代时都将软信息输出至交织器。
检测模块从接收机开始输入信号就开始连续工作，计算软信息并将其逐个输出到反交织模块。等到反交织模块内数据存满时，译码器开始连续工作，将反交织模块内的数据逐个取出，经过计算后得到新的数据，将其逐个送入交织模块。
本发明提供了一种迭代检测译码接收机并行实现结构，满足未来移动通信系统高效，低延时的要求。具体实施方式如下：
(1)根据系统发送的帧结构确定接收机的参数，如交织长度，译码长度，数据速率等。
(2)根据BER，FER等性能要求和硬件资源条件的要求选择检测器和译码器的算法和检测器和译码器之间的迭代次数。如果是采用迭代译码算法的，需要确定译码器总的迭代次数。
(3)按照技术方案1-4设计迭代接收机的并行实现结构。
(3.1)根据步骤(2)中确定的软输入软输出检测算法，按照以下所描述方法设计实现软输入软输出检测模块。
检测模块根据接收信号缓冲和交织模块的数据，计算软信息将其送入反交织器。检测算法可以采用任何检测软输入软输出的检测算法，比如最小均方误差滤波的干扰抵消检测(MMSE-IC)算法或者匹配滤波的干扰抵消(MF-IC)算法。接收信号缓冲和交织模块内的数据被检测器按照顺序的读入，而计算得到的结果则根据反交织后的地址存入反交织模块。检测模块从接收信号缓冲输出使能时就开始工作，等到取完接收信号缓冲中的最后一个数据后，又从新回到第一个数据的地址，进行下一轮的检测。等到特定次数的检测全部完毕后，更新接收信号缓冲中的数据，进行下一帧数据的迭代检测译码。
(3.2)根据步骤(2)中确定的软输入软输出译码算法，按照以下所描述方法设计实现软输入软输出译码模块。
译码模块读入反交织模块中的数据，根据差错控制编码的约束关系，进行软输入软输出的译码，并将其译码得到的软信息输出至交织模块。具体的软输入软输出译码算法需要根据不同的差错控制编码而定，比如卷积码和Turbo码可以采用最大后验概率译码(MAP)算法或者对数域MAP(log-MAP)算法。LDPC码可以采用置信度传播(BP)算法。在一帧数据的迭代检测译码中，在反交织模块被检测模块输出的数据第一次填满时，输出译码模块使能信号，译码模块就开始工作，从反交织模块中按顺序的读入数据进行译码，得到结果后按照交织后的地址存入交织器。在一帧的所有数据译码完毕后，再从一帧的第一个数据开始进行下一轮的译码。经过特定次数的译码后，译码器的结果输出到比特判决器进行判决，得到接收机最后处理结果。
诸如Turbo，LDPC等差错控制编码其译码本身使用的也是迭代算法，比如MAP，log-MAP，BP算法等。在串行实现结构的每次译码模块和检测模块的迭代中，译码器总是完成一定次数的自身的迭代以后才将软信息输出至交织器。而在本发明提出的并行实现结构中，译码模块总是不停地，循环地输出结果至交织模块。通过译码模块和检测模块的内部的不同实现结构设计来改变它们之间处理延时的比例，可以决定每次检测译码迭代时译码器自身迭代的次数。
(3.3)根据以下设计实现交织模块和反交织模块。
在并行实现结构中，译码模块和检测模块两者同时连续地工作，译码模块需要连续地从反交织模块读取数据，并且连续地写入数据至交织模块，而同时，检测模块也要连续地从交织模块读取数据，并且连续地写入数据至反交织模块。因此在同一时间内，交织模块和反交织模块都既要被读出数据也要被写入数据。一种既方便又省资源的实现方法就是使用读写双端口的存储器。在每个数据从检测模块或译码模块输出的同时，地址控制模块生成一个交织地址和一个反交织地址，同时也按照自然顺序生成两个顺序地址，检测模块根据顺序地址从交织器读入数据，而输出的数据根据反交织地址存入反交织模块，而译码模块根据顺序地址从反交织器读入数据，输出的数据根据交织地址存入交织模块。
值得提出的是，由于一般的读写双端口RAM均要求读写地址不能冲突，因此在交织器生成算法的设计中，必须保证在同一时刻，交织和反交织模块的读取地址和写入地址不能相等，这点在交织器的设计中是不难做到的。
(3.4)迭代接收机按照以下描述设计时序。
图3比较了串行和并行两种实现结构下的时序图，两者相比，本发明提出的并行实现结构主要有三个不同。第一，从图中易知，在串行实现结构下，在同一时刻，检测模块和译码模块两者只有其中一个在工作；而在并行结构下，在首次检测完毕后，检测模块和译码模块能够同时并行的工作。第二，在串行实现结构下，等到某次迭代检测模块或译码模块所有的数据输出后再进行交织或者反交织，而在并行结构下，交织和反交织的过程是实时地，每个数据输出时进行的。第三，在译码本身使用迭代译码算法时，串行实现结构下，译码模块进行一定次数的自身迭代以后才将结果送入交织器，而在本发明的结构下，译码模块每得到新的结果就将其送入到交织器。

Claims (2)

1.一种无线通信系统迭代检测译码接收的并行实现方法，其特征在于所述的迭代接收机包括四个模块，软输入软输出检测模块，软输入软输出译码模块，交织模块和反交织模块；软输入软输出检测模块根据交织模块提供的软信息和接收信号，输出新的软信息至反交织模块；而软输入软输出译码模块从反交织模块中读入软信息，输出新的软信息至交织模块；并且软输入软输出检测模块和软输入软输出译码模块同时并发工作，在交织模块和反交织模块中进行实时的数据更新；等到迭代工作结束时，软输入软输出译码模块将判决比特输出；交织模块和反交织模块都用读写双端口存储器实现，在软输入软输出检测模块和软输入软输出译码模块同时迭代工作时，软输入软输出译码模块输出每个比特的似然比时，按照交织后的地址存入交织模块，而软输入软输出检测模块输出的每个似然比的比特，按照反交织后的地址存入反交织模块。
2.根据权利要求1所述的无线通信系统迭代检测译码接收的并行实现方法，其特征在于其中软输入软输出译码模块采用了迭代译码，且软输入软输出译码模块在自身迭代译码的每次译码迭代时都将软信息输出至交织器。
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