CN1806391A - 提早终止迭代的涡轮解码器 - Google Patents

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Abstract

公开一种用包括多次解码器迭代的解码过程来解码接收到的码元序列的设备和方法。根据本发明的一个实施例，方法包括判断是否满足预定的解码器终止阈值度量；仅当满足阈值度量时，判断是否通过基于循环冗余校验码的解码器终止测试；以及仅当通过循环冗余校验测试时，终止解码器迭代。

Description

提早终止迭代的涡轮解码器
技术领域
本发明涉及纠错编码和解码，更具体地来说涉及涡轮解码器计算的终止。
背景技术
涡轮码在使用纠错编码和解码的系统中有着广泛的应用。在许多此类系统中，循环冗余校验(CRC)码追加到数据帧，然后进入到涡轮编码器，如图1所示的并行涡轮编码器。数据帧的编码连同CRC产生系统位xk和奇偶校验位zk和zk′。然后收缩(删除)这些位以得到所需的码率。传输使编码的信号经受噪声和信道扰动。在接收器上，涡轮解码器恢复原始数据帧和CRC。
解码过程，如图2所示的并行级联码的涡轮解码器实施的解码过程，比编码过程复杂得多，并且负责收发器中总计算的重要部分。解码过程迭代多次(如在迭代循环220中)，然后将输出对数似然比转换成硬判决221。对于每次迭代，误码率都会改善，如图3所示，但是获益减小。
常规的涡轮解码方案往往在正确解码帧之后还执行非必要的涡轮解码器的迭代。这浪费了时间和计算资源。
为了缩减计算资源和功耗，对于提早终止技术已经有某种考虑。最流行的涡轮解码器的提早终止技术基于CRC码。在正常操作中，信道解码之后，数据帧通过CRC解码器以验证数据帧是正确的。但是，存在一种可能性，CRC将指示该数据帧是正确的，而实际上该帧并不正确。这种情况发生的概率约为：
P fail < P FER 2 n - k
其中PFER是帧误码率，而n-k是CRC的长度，它经过仔细挑选以给出可接受的感知服务质量。如果发生此类错误，则不正确的数据帧将被标记为正确的并传递到更高协议层，导致严重的负面影响，尤其是在压缩的数据源的情况下。用CRC来提早终止涡轮解码过程的一种方案通过在每次涡轮解码器迭代时将解码的数据帧传递到CRC解码器来起作用。一旦CRC码通过，则终止涡轮解码器。基于刚刚讨论的错误概率，这种CRC终止方案中将不正确的帧误诊为正确的总概率为：
P fail &ap; LP FER 2 n - k
其中L是涡轮解码器迭代的平均数。此类失效率对于许多类型的服务来说是不可接受的。
因此，本发明的实施例寻求提出涡轮解码器终止的改进设备和方法。
发明概述
根据本发明的一个方面，提出一种用包括多次解码器迭代的涡轮解码过程来解码接收到的码元序列的方法。
在根据本发明的一个实施例中，方法包括判断是否满足预定的解码器终止阈值度量；仅当满足阈值度量时，判断是否通过基于循环冗余校验码的解码器终止测试；以及仅当通过循环冗余校验测试时终止解码器迭代。
在另一个相关的方法实施例中，判断是否满足阈值度量可以包括判断每次解码器迭代的对数似然比分布之间的互熵是否小于预定的互熵阈值；或用符号更改比来监视解码过程的收敛；或用硬判决辅助的测试；或用符号差异比来监视解码过程的收敛；或用平均绝对对数似然比；或判断最小对数似然比的绝对值是否在预定绝对值阈值之上。本领域技术人员将理解，此类阈值比较可以基于任何适合的比较准则。
在另一个相关的方法实施例中，该方法还可以包括从并行涡轮编码器、串行涡轮编码器或包括编码器和调制器的发射器接收码元序列。该方法还可以包括在如包括W-CDMA发射器和W-CDMA接收器的系统的无线蜂窝系统中解码码元。
根据本发明的另一个方面，提出一种用包括多次解码器迭代的涡轮解码过程来解码接收到的码元序列的设备。
在根据本发明的一个实施例中，设备包括：阈值度量处理器，用于判断是否满足预定的解码器终止阈值度量；循环冗余校验处理器，用于仅当阈值度量处理器确定满足阈值度量时判断是否通过基于循环冗余校验码的解码器终止测试；以及解码器终止装置，用于仅在通过循环冗余校验测试时终止解码器迭代。
在另一个相关的设备实施例中，阈值度量处理器可以包括：判断每次解码器迭代的对数似然比分布之间的互熵是否小于预定的互熵阈值的装置；或用符号更改比来监视解码过程的收敛的装置；或用硬判决辅助测试来监视解码过程的收敛的装置；或用符号差异比来监视解码过程的收敛的装置；或用平均绝对对数似然比来判断是否满足阈值度量的装置；或判断最小对数似然比的绝对值是否在预定绝对值阈值之上的装置。
在另一个相关的设备实施例中，该设备还可以包括：从并行涡轮编码器、串行涡轮编码器或包括编码器和调制器的发射器接收码元序列。该设备还可以包括无线蜂窝系统，如包括W-CDMA发射器和W-CDMA接收器的系统。
在根据本发明的另一个实施例中，提出一种计算机程序产品，它包括适于控制先前所述方法的任何一个的程序代码装置。
将在下面的描述中部分地阐述本发明的其他优点和创新特点，且本领域技术人员通过分析下文和附图将部分地了解这些优点和创新特点；或可以通过实施本发明来理解这些优点和创新特点。
附图简介
为了更好地理解本发明，以及示出如何实施本发明，下文将参考仅作为实例的附图，其中：
图1示出根据现有技术的并行涡轮编码器系统；
图2示出根据现有技术的涡轮解码器系统；
图3示出根据现有技术的典型涡轮解码器性能；
图4是根据本发明实施例的涡轮解码器终止设备的框图；
图5示出根据本发明实施例可供阈值度量处理器使用的多种可能的技术；
图6示出达到与对所有帧用固定数目的迭代的技术相同的性能的根据本发明的实施例所需的涡轮解码器迭代的最小数的图；
图7A和7B示出可以应用根据本发明的实施例的W-CDMA发射器和接收器；
图8示出根据本发明的实施例可以配合使用的串行级联涡轮码编码器；以及
图9示出根据本发明的实施例可以配合使用的发射器结构。
发明的详细说明
图4是根据本发明实施例的涡轮解码器终止设备的框图。在此实施例中，来自涡轮解码器迭代的数据401(可以包括帧数据、对数似然比或其他解码器数据)被馈送到阈值度量处理器402，它执行阈值度量测试403。阈值度量测试403基于阈值度量是落在特定阈值度量值之上还是之下来判断是否应该终止解码。仅在阈值度量处理器402确定应该终止解码的情况下，循环冗余校验(CRC)处理器404执行CRC测试405以判断是否实际上应该终止解码。解码器终止装置406仅在循环冗余校验测试405通过的情况下终止解码器迭代。
由此，较之仅用CRC处理器的技术，图4的实施例用阈值度量处理器402减少测试CRC的次数，因为仅当通过阈值度量测试403的情况下使用CRC处理器404。因此，并不对所有而只是对少部分的帧一次以上地测试CRC，以不致于明显增加CRC失效率Pfail(在背景技术部分有讨论)。再者，将阈值校验与CRC测试组合使过早终止涡轮解码过程不可能。某些情况下图4的实施例的技术还可以降低CRC失效的概率，因为将仅对首次通过阈值测试的数据帧检查CRC有效性
图5示出根据本发明实施例可供阈值度量处理器502使用的多种可能技术507-511。阈值度量处理器502可以用这些技术507-511的其中之一或多个此类技术的混合或另一阈值度量技术来执行根据本发明实施例的阈值度量测试403。在互熵测试507中，阈值度量处理器502计算每次迭代i时对数似然比分布之间的互熵T(i)。互熵T(i)应该随解码的收敛而减少。仿真示出T(i)＜(0.01至0.0001)T(0)是优选的阈值。还可以基于各种准则或目标来确定其他适合的阈值，下文将对此予以更详细的描述。互熵测试507可以例如利用在J.Hagenauer、E.Offer和L.Papke的“二进制分组和卷积码的迭代解码”(″Iterative Decoding of Binary Block and Convolutional Codes″，IEEETrans.Inform.Theory，vol.42，pp.429-445，1996年3月)中说明的原理，其公开内容由此通过引用结合于本文。阈值度量处理器502还可以用符号更改比测试508，它通过检查自上次迭代起有多少位更改来监视解码算法的收敛；或可以用符号差异比测试509，它通过检查迭代之间发生改变的位的数量的一阶导数来监视解码算法的收敛；或可以用硬判决辅助(HAD)测试510，它基于比较连续解码器迭代中信息位的硬判决。符号更改比测试508和硬判决辅助测试510可以例如利用R.Y.Shao、Shu Lin和Marc P.C.Fossorier的“用于涡轮解码的两个简单停止准则”(″Two Simple Stopping Criteria for TurboDecoding″，IEEE Transactions on Communications，vol.47，no.8，pp.1117-1120，1999年8月)中说明的原理，其公开内容由此通过引用结合于本文。或者(或此外)，在平均估算测试511中，阈值度量处理器502计算平均绝对对数似然比，且一旦通过该比的阈值，则终止解码。阈值度量处理器502还可以采用平均距离测试512，其中一旦最小对数似然比的绝对值在特定值之上，则终止解码。该算法的基础理论在于对于小绝对值的对数似然比很可能发生帧错误。实际中，只需考虑尾部事件，而无需考虑对数似然的整个分布。符号差异比测试509、平均估算测试511以及最小距离测试512可以例如利用C.Bai、J.Jiang和P.Zhang的“利用CRC辅助的提早停止的W-CDMA节点B的对数MAP涡轮解码器的硬件实施”(″HardwareImplementation of Log-MAP Turbo Decoder for W-CDMA Node B withCRC-Aided Early Stopping″，IEEE VTC Conference May 2002，pp.1016-1019)中说明的原理，其公开内容由此通过引用结合于本文。
根据本发明的实施例，可以以实验方式或通过仿真来确定阈值度量处理器402所用的阈值度量值。将阈值度量设得太保守(即，将阈值设为使终止前有较多的解码器迭代)导致太多次迭代，而将阈值度量设得太激进(即，将阈值设为使终止前有较少的解码器迭代)导致误码率的增加。优选地，根据用阈值处理器来减少执行CRC测试的次数的本发明实施例，该阈值设为相当激进的值(即尽可能地减少解码器迭代的数目)。该阈值可以根据多个因素来确定，例如信噪比、迭代数以及帧大小。
根据本发明的另一个实施例，阈值度量处理器402可以包括最大迭代处理器512，如图5所示。最大迭代处理器512判断数据帧是否通过阈值测试，但是仅在预定的最大数的解码器迭代之后才执行该判断；并标识像这样的用于将来处理的那些帧。由此，系统可以标识不可能是正确的帧，即使CRC测试405随后是成功的，这样在将来的处理步骤中可以适当地将帧处理为潜在不准确。
图6示出基于仿真达到与对所有帧用固定数目的迭代的技术相同的性能的根据本发明的实施例所需的涡轮解码器迭代的最小数。在图613中1.5dB的Eb/No比处以及图614中2.0dB的Eb/No比处，为达到与用固定数目的迭代(这里，固定数目为六次迭代)的技术相同的性能，所需的解码器迭代的平均数减少了。更为广义地来说，根据本发明的算法具有与纯基于CRC的技术相同的功率效率，但是不增加CRC失效比，或总误码率。在仿真中，根据本发明的实施例示出产生40％至60％的功率节省，具体取决于帧长度和信噪比。
有许多设想到的应用，且实际上本发明的实施例可以用于将涡轮用于纠错和解码方案的任何情况中。例如，一个此类的应用是在第三代无线蜂窝系统中找到的。图7A和7B示出W-CDMA系统的实例，其中涡轮编码器和解码器可以实施根据本发明实施例的技术。图7A的W-CDMA发射器730包括涡轮编码器731，并与图7B的W-CDMA接收器732通信。接收器732包括涡轮解码器733，它实施根据本文所述的任何实施例的解码器终止技术。
此外，应该理解，本文所述的实施例可以配合多种不同的可能的编码器和解码器系统来使用。例如，根据本发明实施例的涡轮解码器可以配合类似于图1的并行涡轮编码器使用。或者，根据本发明的实施例，涡轮解码器可以配合串行级联涡轮码编码器来使用，如图8的串行编码器800，只要在帧结构中包含CRC码(或验证帧有效性的某个其他方法)。再者，根据本发明的实施例，涡轮解码器可以在与如图9的发射器900的发射器结构对应的接收器中使用，只要在帧结构中包含CRC码(或验证帧有效性的某个其他方法)且调制器940不是无记忆过程。还应该理解，在向根据本发明的解码器传输时所用的编码器950不必是涡轮编码器，而可以是具有记忆的任何编码或调制过程。
本领域读者将理解，虽然上述内容描述了被认为是最佳方式的实施例以及适合执行本发明的其他方式，但是本发明并不应该局限于该优选实施例的描述中所公开的特定设备配置或方法步骤。本领域技术人员还将认识到本发明有广泛范围的应用，以及在不背离本发明概念的前提下这些实施例允许各式各样的修改。

Claims (25)

1.一种用包括多次解码器迭代的涡轮解码过程来解码接收到的码元序列的方法，所述方法包括：
判断是否满足预定的解码器终止阈值度量；
仅当满足所述阈值度量时，判断是否通过基于循环冗余校验码的解码器终止测试；以及
仅当通过所述循环冗余校验测试时，终止所述解码器迭代。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，判断是否满足所述阈值度量包括判断每次解码器迭代的对数似然比分布之间的互熵是否小于预定的互熵阈值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，判断是否满足所述阈值度量包括用符号更改比来监视所述解码过程的收敛。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，判断是否满足所述阈值度量包括用符号差异比来监视所述解码过程的收敛。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，判断是否满足所述阈值度量包括用硬判决辅助测试。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，判断是否满足所述阈值度量包括用平均绝对对数似然比。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，判断是否满足所述阈值度量包括判断最小对数似然比的绝对值是否在预定的绝对值阈值之上。
8.如权利要求1所述的方法，还包括从并行涡轮编码器接收所述码元序列。
9.如权利要求1所述的方法，还包括从串行涡轮编码器接收所述码元序列。
10.如权利要求1所述的方法，还包括从包括编码器和调制器的发射器接收所述码元序列。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在无线蜂窝系统中解码码元。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述无线蜂窝系统包括W-CDMA发射器和W-CDMA接收器。
13.一种用包括多次解码器迭代的涡轮解码过程来解码接收到的码元序列的设备，所述设备包括：
阈值度量处理器，用于判断是否满足预定的解码器终止阈值度量；
循环冗余校验处理器，用于仅在所述阈值度量处理器确定满足所述阈值度量时判断是否通过基于循环冗余校验码的解码器终止测试；以及
解码器终止装置，用于仅在通过所述循环冗余校验测试时终止所述解码器迭代。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述阈值度量处理器包括用于判断每次解码器迭代的对数似然比分布之间的互熵是否小于预定的互熵阈值的装置。
15.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述阈值度量处理器包括用符号更改比来监视所述解码过程的收敛的装置。
16.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述阈值度量处理器包括用符号差异比来监视所述解码过程的收敛的装置。
17.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述阈值度量处理器包括用硬判决辅助测试来监视所述解码过程的收敛的装置。
18.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述阈值度量处理器包括用平均绝对对数似然比来判断是否满足所述阈值度量的装置。
19.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述阈值度量处理器包括判断最小对数似然比的绝对值是否在预定的绝对值阈值之上的装置。
20.如权利要求13所述的设备，还包括从并行涡轮编码器接收所述码元序列的装置。
21.如权利要求13所述的设备，还包括从串行涡轮编码器接收所述码元序列的装置。
22.如权利要求13所述的设备，还包括从包括编码器和调制器的发射器接收所述码元序列的装置。
23.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述设备包括无线蜂窝系统。
24.如权利要求23所述的设备，其特征在于，所述设备包括W-CDMA发射器和W-CDMA接收器。
25.一种计算机程序产品，包括适于控制如权利要求1所述的方法的程序代码装置。
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