CN1145266C - 特博码解码方法及其解码器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特博码解码方法及其解码器，该方法在最大后验概率解码方法的基础上，增加了对通过状态网格图对初始几个时刻状态度量进行计算控制；该解码器中增设了α和β初始状态度量计算控制模块，对前项状态度量和初始后项状态度量进行控制以消除多余状态度量的引入。本发明与比没有初始状态度量计算控制的解码性能提高大约有0.1db的性能增益。

Description

特博码解码方法及其解码器

本发明涉及移动通信领域中的信道编解码技术，更具体地指一种可提高解码性能的特博码解码方法及其解码器。

在无线通信系统中，由于传输介质的不均匀性和不稳定性，传输的信号会受到时间扩散、衰落等干扰影响，造成接收的比特有随机性的差错。为了防止信道噪声的干扰影响，需要采用一定的方式来提高信息的传送可靠性和有效性。通过增加冗余度来降低误码率的纠错编码方法，被时间证明是一类有效可靠的重要手段。特别在移动通信和卫星通信系统中。纠错码得到广泛的技术应用。

1993年Berrou等人提出了特博(Turbo，下同)码，它是一种接近伪随机编码的可解码。特博是一种回归系统卷积码(RSC)，这种编码方式的优越性来源于其独特的码结构和迭代解码算法。迭代解码突破了最小码距的设计思想，更接近香农随机码的概念。

特博码被证明是一种纠错能力很强的码。它的编码器是由两个或多个子编码器通过串联或并联的级联方式构成的，通常较普遍的特博码编码器是由两个卷积码编码器并联而成，输入信息位一路直接送入子编码器1，另一路经过交织器后送入子编码器2编码，编完后的数据再经过打孔器打孔调制到合适的码率输出。如图1所示。

图1是cdma2000和WCDMA提案中的特博码编码器的结构，交织器的作用是对输入数据的顺序进行重新编排，目的是调整权重的分布，使得子编码器2输入比特流的权重分布与子编码器1的不同。打孔器对两个子编码器输出的六路比特进行打孔抽样和并串转换。

卷积码编码器通常用(n0，k0，m)来表示特征，n0是输出比特，k0是输入比特，m是寄存器个数。K表示约束长度，即为卷积码内部移位寄存器的个数m加1。cdma2000提案中特博码子(3，1，4)回归系统卷积码编码器如图2所示。

图2所示的是一个R＝1/3码率的回归系统卷积码编码器(RSC)。20是移位寄存器，一共有三个移位寄存器，所以m＝3，K＝4。22是模2加法器。24是尾比特控制结构，当一帧数据输入完毕后，需要对20寄存器清零，这是将尾比特控制器开关切换到下方，通过三个节拍，将三个寄存器20内的比特作为输入依次清零。

宽带码分多址(WCDMA)提案中的特博码编码器的RSC子编码器与图2的相似，只是没有Y1的输出端，也就是(2，1，3)的回归系统卷积码编码器(RSC)。

特博码的解码器采用迭代递推的方法，通过多次迭代来不断提高解码精度。图3是特博码解码器的结构，其中的33，34是指软输入软输出(SISO)解码器。31是解打孔装置，对应于编码器中打孔器的逆操作，32是解交织器，对应于编码器中交织器的逆操作，还原交织前的顺序，35是符号判决器，当输入数据大于等于0时，输出1；当输入数据小于0时，输出0。

软输入软输出(SISO)解码器主要分为最大后验概率解码(MAP)和最大似然解码(SOVA)两种方法。

最大后验概率解码(MAP)方法是基于回归卷积编码网格图，通过前反向递归求得每一解码比特的最大后验概率对数比(LLR)。

$^\left(d_k\right)=\log \frac{p_r(d_k=1/R_1^N)}{P_r(d_k=0/R_1^N)}----\left(1\right)$

                    d_k＝1 if^(d_k)＞0

                                     (2)

                    d_k＝0 if^(d_k)≤0

其中d_k对应编码输入数据；R₁ ^N是解码器接收到的N组解码数据。

引入定义：

$a_k^i\left(m\right)=\frac{P_r(d_k=i,S_k=m,R_1^k)}{P_r\left(R_1^k\right)}=P_r(d_k=i,S_k=m/R_1^k)----\left(3\right)$

${\mathrm{\β}}_k\left(m\right)=\frac{P_r(R_{k+1}^N/S_k=m)}{P_r(R_{k+1}^N/R_1^N)}----\left(4\right)$

        γ_i(R_k，m′，m)＝P_r(d_k＝i，R_k，S_k＝m/S_k-1＝m′)    (5)

其中：S_k＝m表示第K时刻的第m个状态；α、β、γ分别对应状态转移网格图中的前项状态度量、反向状态度量和分支度量。此时解码后验概率对数逻辑似然比(LLR)可表示为：

$^\left(d_k\right)=\log \frac{\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{a}_k^1\left(m\right){\mathrm{\β}}_k\left(m\right)}{\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{a}_k^0\left(m\right){\mathrm{\β}}_k\left(m\right)}=\log \frac{\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{a}_{k-1}\left(m\right){\mathrm{\β}}_{k-1}^1\left(m\right)}{\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{a}_{k-1}\left(m\right){\mathrm{\β}}_{k-1}^0\left(m\right)}----\left(6\right)$

α和β满足如下递推关系

$a_k^i\left(m\right)=\frac{\underset{m^{\′}}{\mathrm{\Σ}}\underset{j=0}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_i(R_k,m^{\′},m)a_{k-1}^j\left(m^{\′}\right)}{\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\underset{m^{\′}}{\mathrm{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_i(R_k,m^{\′},m)a_{k-1}^j\left(m^{\′}\right)}----\left(7\right)$

${\mathrm{\β}}_k\left(m\right)=\frac{\underset{m^{\′}}{\mathrm{\Σ}}\underset{j=0}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_i(R_{k+1},m^{\′},m){\mathrm{\β}}_{k+1}\left(m^{\′}\right)}{\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\underset{m^{\′}}{\mathrm{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_i(R_{k+1},m^{\′},m)a_k^j\left(m^{\′}\right)}----\left(8\right)$

根据MAP解码理论，最大后验概率解码(MAP)方法由以下几步完成：

步骤1：初始化状态度量α、β

$a_0^i\left(0\right)=1,a_0^i\left(m\right)=0,\∀m\≠0,i=\mathrm{0,1}----\left(9\right)$

β_N(0)＝1，β_N(m)＝0 m≠0(10)

步骤2：对接收到的每一码元，计算分支度量γ和前项状态度量α

步骤3：当接收序列的α计算完成后，计算后项状态度量β，并得到每一比特的后验概率对数逻辑似然比LLR，

通常MAP解码方法主要按照上面三步进行，整个解码过程主要是分支度量γ、状态度量α、β和LLR的计算。

由于标准MAP解码中由很多指数和乘法运算，因此MAP解码的实现常在对数域进行，这就是Log MAP。这样标准MAP解码中的乘法运算就变成了加法，而加法运算可采用Jacobian公式简化，用查找表的方式实现。Jacobian公式如下：

1_n(e^x+e^y)＝max(x，y)+1n(1-exp{-|x-y|})＝max(x，y)+f_c(|x-y|)    (11)

从标准MAP转移到Log MAP，从算法上讲是等效的。在初始时刻状态度量的处理上，通常的方法是增大初始零状态度量的权值，从而使得从初始零状态发出的状态转移的状态度量值比其他状态度量值大。这样在Log MAP解码的实现过程中，只需要按照MAP解码的实现步骤，把整个解码器的实现转移到对数域即可。

根据MAP解码方法步骤，在MAP解码的过程中，首先要进行前项状态度量α和后项状态度量的初始化，其中，状态度量按照(9)、(10)式进行初始化，由于在标准MAP解码中，在状态转移路径上，当前时刻的状态度量由上一时刻的状态度量和分支度量相乘得到，因此按照(9)、(10)式的初始化不会影响解码结果。当标准MAP解码转移到对数域时，标准MAP解码中状态度量计算中的相乘关系就变成了相加关系，这时无论进行怎样的初始化，在初始状态度量的计算过程中都会引入多余的状态转移路径，如图4中虚线所示。

图4中，图4是前项状态度量初始状态转移网格图，图5是后项状态度量初始状态转移网格；43是状态转移路径；44代表某一时刻编码器的某一状态。

在对初始状态度量处理时，通常的方法是零状态的状态度量取一个较大的值，而其他状态的状态度量值取一个相对较小的的值，这样尽量使得从零状态转移的状态度量值占较大的权重。但即使采用加大初始零状态状态度量的方式，也不能完全消除附加多余转移路径的状态度量对后级状态度量的计算，这样就相当于在状态度量的计算中引入了人为噪声，从而影响解码性能。

为此，本发明的目的是针对上述特博码解码方法因存在不能消除附加路径状态度量对后级状态度量的计算而引入了人为噪声以及影响解码性能的缺点，提出一种属于最大后验概率特博码解码方法及其解码器。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

该特博码解码方法基于最大后验概率解码方法，首先对输入的解码软数据信息的前项状态度量α、反向状态度量β进行初始化，该方法还包括以下步骤：

a，通过状态网格图对可能引入多余状态转移的几个时刻状态度量进行计算控制，即，通过控制前一时刻的状态度量和分支度量，或直接把多余状态度量置零，以消除多余状态度量的引入；

b，对接收到的每一输入解码软数据信息的码元计算出分支度量γ和前项状态度量α；

c，当上述的码元前项状态度量α计算完成后，计算后项状态度量β，并得到每一比特的后验概率对数逻辑似然比LLR；

d，经过上面步骤多次迭代，即，每次迭代解码的对数似然比LLR输出经过解交织后作为下一次迭代解码的输入，经过反复循环，输出软输出解码信息。

一种特博码解码器，该解码器基于最大后验概率的状态转移网格图解码器，它包括用于计算状态转移路径中的分支度量值的分支度量γ计算模块、用于计算状态转移中的状态度量值的前项状态度量α计算模块及存储器、用于计算状态转移中的状态度量值的后项状态度量β计算模块及存储器、对前项状态度量α和后项状态度量β的初始化的状态度量初始化模块、查找表、逻辑似然比计算模块、产生软输入软输出解码的控制信号的总控制模块，分支度量γ计算模块接收解码输入数据，其输出接到前项状态度量α计算模块和后项状态度量β计算模块，前项状态度量α计算模块和后项状态度量β计算模块的计算结果分别存储到α、β存储器，查找表提供前项状态度量α计算模块、后项状态度量β计算模块、逻辑似然比计算模块查表，α、β存储器分别输出到逻辑似然比计算模块，该解码器还包括α初始状态度量计算控制模块和β初始状态度量计算控制模块，α初始状态度量计算控制模块与状态度量初始化模块双向接通，α初始状态度量计算控制模块和β初始状态度量计算控制模块分别对前项状态度量α计算模块和后项状态度量β计算模块进行状态转移路径控制，以通过对初始时刻状态度量计算的控制来消除多余状态转移，总控制模块提供整个解码器的控制信号，该信号分别接到γ计算模块、α初始状态度量计算控制模块和α计算模块、β初始状态度量计算控制模块和β计算模块。

由于本发明的方法在最大后验概率解码方法的基础上，增加了对通过状态网格图对初始几个时刻状态度量进行计算控制，消除了多余状态度量的引入；以及依本发明的方法而设计的解码器中，增设了α初始状态度量计算控制模块和β初始状态度量计算控制模块，对前项状态度量和初始后项状态度量进行状态转移路径控制以消除多余状态度量的引入，可以提高状态度量的精度和提高译码的性能。因此，经过初始状态度量计算控制处理的Log MAP解码性能比没有初始状态度量计算控制的解码性能提高大约有0.1db的性能增益。也就是说在保证相同误码率的情况下，有初始状态度量计算控制处理译码器可以容忍更差的输入信号质量(输入信号信噪比更小)，在无线通信中，就可以减少发射机的功率，减少干扰，提高通信质量。

下面结合附图和实施例，对本发明的解码方法作一详细地说明：

图1为传统的特博码编码器结构原理示意图。

图2为图1中编码器的子编码器结构原理示意图。

图3为对应于图1编码器的传统的解码器结构原理示意图。

图4为现有的解码方法中的前项状态度量初始状态转移网格图。

图5为现有的解码方法中的后项状态度量初始状态转移网格图。

图6为本发明的解码器结构原理示意图。

为了尽可能提高解码的性能，在Log MAP解码过程中必须消除多余状态转移路径的引入。在标准的MAP理论中，在计算前项状态度量α和后项状态度量β过程中，分支度量γ与前一时刻的状态度量α是相乘关系数，那么在状态度量计算时，只需要对初始时刻(前项状态度量α对应第一个时刻)，后项状态度量β对应最后一个时刻按上述的公式(9)、(10)进行初始化，这样初始化为零的状态度量与相应状态转移度量γ的乘积仍然为零，因此应不会引入多余的状态度量对后面状态度量的计算产生影响，但是在Log MAP运算中，为了减少MAP解码的运算量，所有的运算都转移到对数域进行，这样原来的相乘就变成对数域的相加，此时如果还按照公式(9)、(10)进行状态度量的初始化，由于状态转移度量不为零，在计算下一个状态度量时就会引入多余的状态度量值，这个多余的状态度量值会影响后面的状态度量值计算准确性，因此对译码性能产生影响。

基于上述的考虑，本发明的方法是通过状态转移网格图对初始几个时刻状态度量计算进行控制，以消除多余状态度量引入，具体解码方法仍然是基于最大后验概率解码方法，首先对输入的解码软数据信息的前项状态度量α、反向状态度量β进行初始化，该方法还包括以下步骤：

a，通过状态网格图对可能引入多余状态转移的几个时刻状态度量进行计算控制，即，通过控制前一时刻的状态度量和分支度量，或直接把多余状态度量置零，以消除多余状态度量的引入；

b，对接收到的每一输入解码软数据信息的码元计算出分支度量γ和前项状态度量α；

c，当上述的码元前项状态度量α计算完成后，计算后项状态度量β，并得到每一比特的后验概率对数逻辑似然比LLR；

d，经过上面步骤多次迭代，即，每次迭代解码的对数似然比LLR输出经过解交织后作为下一次迭代解码的输入，经过反复循环，输出软输出解码信息。

所述的步骤b中的分支度量γ和前项状态度量α均是转移概率，分支度量γ由信道模型和状态转移图决定，前项状态度量α由公式(7)计算得到。

所述的步骤c中，当码元前项状态度量α计算完成后，就按公式(8)计算码元的后项状态度量，在计算后项状态度量β的同时就对每个码元对应的后验概率对数逻辑似然比LLR进行计算。

在本发明的上述方法中，所谓初始几个时刻的状态度量含义是，按照状态转移网格图(结合图4、5所示)，在前项状态度量和后项状态度量的初始时刻并不是所有状态进行状态转移，因此需要根据实际状态转移，对初始状态度量的计算进行控制，正如在背景技术中所描述的那样，在对初始时刻状态度量处理时，通常的方法是零状态度量取一个较大的值，而其它状态度量值取一个相对较小的值以尽量使从零状态转移的状态度量值占较大的权重。

由于在状态度量计算的初始时刻，并不是所有状态进行状态转移，因此，如果不对初始计算进行控制，就会对所有状态进行状态度量的计算，这样会引入多余状态度量，这些多余状态度量会对以后的状态度量计算产生影响，从而降低译码性能。对初始时刻状态度量进行计算控制，就会消除多余状态度量产生的影响，从而能提高译码的性能。

在传统特博码解码器的软输入输出(SISO)解码器的基础上，根据本发明的上述方法，该解码器基于最大后验概率的状态转移网格图解码器，它仍然包括用于计算状态转移路径中的分支度量值的分支度量γ计算模块、用于计算状态转移中的状态度量值的前项状态度量α计算模块及存储器、用于计算状态转移中的状态度量值的后项状态度量β计算模块及存储器、对前项状态度量α和后项状态度量β的初始化的状态度量初始化模块、查找表、逻辑似然比计算模块、产生软输入软输出解码的控制信号的总控制模块，分支度量γ计算模块接收解码输入数据，其输出接到前项状态度量α计算模块和后项状态度量β计算模块，前项状态度量α计算模块和后项状态度量β计算模块的计算结果分别存储到α、β存储器，查找表提供前项状态度量α计算模块、后项状态度量β计算模块、逻辑似然比计算模块查表，α、β存储器分别输出到逻辑似然比计算模块。该解码器还包括α初始状态度量计算控制模块和β初始状态度量计算控制模块，α初始状态度量计算控制模块与状态度量初始化模块双向接通，α初始状态度量计算控制模块和β初始状态度量计算控制模块分别对前项状态度量α计算模块和后项状态度量β计算模块进行状态转移路径控制，以通过对初始时刻状态度量计算的控制来消除多余状态转移，总控制模块提供整个解码器的控制信号，该信号分别接到分支度量γ计算模块、α初始状态度量计算控制模块和前项状态度量α计算模块、β初始状态度量计算控制模块和后项状态度量β计算模块。

请结合图6所示，在该图中，单元51是分支度量γ(Gamma)计算模块，用于计算状态转移路径中的分支度量值；单元52是前项状态度量α(Alpha)计算模块，用于计算状态转移中的前项状态度量值；单元53是后项状态度量β(Beta)计算模块，用于计算状态转移中的后项状态度量值；单元54是逻辑似然比LLR计算模块，根据状态度量值计算后验概率对数比；单元55是状态度量初始化模块，完成对前项状态度量α和后项状态度量β的初始化；单元56是一个八值查找表；单元57是α存储器，用于存储计算得到的前项状态度量值；单元58是β存储器，用于存储计算得到的后项状态度量值；单元59是总控制模块，产生软输入软输出解码的控制信号；单元5a是初始前项状态度量α计算控制模块，使得前项状态度量的计算完全按照实际的状态转移路径进行(如图4、4b中的实线所示)；单元5b是初始后项状态度量β计算控制模块，使得后项状态度量的计算完全按照实际的状态转移路径进行。

本发明的方法和解码器经过了解码定点仿真，经过初始控制处理的Log MAP解码性能比没有初始控制的解码性能提高大约有0.1dB的性能增益。

仿真条件：

解码码块长度5114

解码输入数据6Bits量化

没有初始状态度量计算控制模块时，初始化如下：

$\ln \left[a_0^i\left(0\right)\right]=63,\ln \left[a_0^l\left(m\right)\right]=0,\∀m\≠0,i=\mathrm{0,1}----\left(12\right)$

ln[β_N(0)]＝63，1n[β_N(m)]＝0 m≠0   (13)

有初始状态度量计算控制模块时，仿真性能不受状态度量初始值的影响。在保证相同误码率的情况下，有初始状态度量计算控制处理译码器可以容忍更差的输入信号质量(输入信号信噪比更小)，在无线通信中，就可以减少发射机的功率，减少干扰，提高通信质量。在CDMA2000和WCDMA系统中，则可以减少基站的发射功率，提高小区的容量。

Claims (4)

1.一种特博码解码方法，该解码方法基于最大后验概率的状态转移网格图解码的方法，首先对输入的解码软数据信息码元的前项状态度量α、反向状态度量β进行初始化，其特征在于，该方法还包括以下步骤：

a，通过状态网格图对可能引入多余状态转移的几个时刻状态度量进行计算控制，即，通过控制前一时刻的状态度量和分支度量，或直接把多余状态度量置零，以消除多余状态度量的引入；

b，对接收到的每一输入解码软数据信息的码元计算出分支度量γ和前项状态度量α；

c，当上述的码元前项状态度量α计算完成后，计算后项状态度量β，并得到每一比特的后验概率对数逻辑似然比LLR；

d，经过上面步骤多次迭代，即，每次迭代解码的对数似然比LLR输出经过解交织后作为下一次迭代解码的输入，经过反复循环，输出软输出解码信息。

2、如权利要求1所述的特博码解码方法，其特征在于：所述的步骤b中的分支度量γ和前项状态度量α均是转移概率，分支度量γ由信道模型和状态转移图决定。

3、如权利要求1所述的特博码解码方法，其特征在于：所述的步骤c中，在计算后项状态度量β的同时就对每个码元对应的后验概率对数逻辑似然比LLR进行计算。

4、一种特博码解码器，该解码器基于最大后验概率的状态转移网格图解码器，它包括用于计算状态转移路径中的分支度量值的分支度量γ计算模块、用于计算状态转移中的状态度量值的前项状态度量α计算模块及存储器、用于计算状态转移中的状态度量值的后项状态度量β计算模块及存储器、对前项状态度量α和后项状态度量β的初始化的状态度量初始化模块、查找表、逻辑似然比计算模块、产生软输入软输出解码的控制信号的总控制模块，分支度量γ计算模块接收解码输入数据，其输出接到前项状态度量α计算模块和后项状态度量β计算模块，前项状态度量α计算模块和后项状态度量β计算模块的计算结果分别存储到α、β存储器，查找表提供前项状态度量α计算模块、后项状态度量β计算模块、逻辑似然比计算模块查表，α、β存储器分别输出到逻辑似然比计算模块，其特征在于：该解码器还包括α初始状态度量计算控制模块和β初始状态度量计算控制模块，α初始状态度量计算控制模块与状态度量初始化模块双向接通，α初始状态度量计算控制模块和β初始状态度量计算控制模块分别对前项状态度量α计算模块和后项状态度量β计算模块进行状态转移路径控制，以通过对初始时刻状态度量计算的控制来消除多余状态转移，总控制模块提供整个解码器的控制信号，该信号分别接到γ计算模块、α初始状态度量计算控制模块和α计算模块、β初始状态度量计算控制模块和β计算模块。

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