ES2201617T3 - Turbo-dscodificador sova con complejidad de normalizacion reducida. - Google Patents
Turbo-dscodificador sova con complejidad de normalizacion reducida.Info
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Abstract
Método de turbo-descodificación que usa un algoritmo de Viterbi de salida lógica, en el que se usan una pluralidad de unidades descodificadoras efectivas (25, 30), es decir, ya sea una unidad descodificadora que se usa varias veces, o bien, al menos dos unidades descodificadoras; y salidas de la o las unidades descodificadoras (25, 30) se normalizan (27) con un factor de normalización; caracterizado porque sólo un subconjunto apropiado (25) de las unidades descodificadoras efectivas del turbodescodificador se normaliza con un factor de normalización variable durante el funcionamiento, y la otra o las otras unidades descodificadoras efectivas (30) se normalizan con un factor de normalización constante en el tiempo.
Description
Turbo-descodificador sova con
complejidad de normalización reducida.
La presente invención se refiere a un
turbodescodificador que usa un algoritmo de Viterbi de salida
lógica; a un dispositivo móvil de comunicaciones que comprende dicho
turbodescodificador; así como a un método de turbodescodificación
que usa un algoritmo de Viterbi de salida lógica (SOVA = Soft Output
Viterbi Algorithm).
La turbocodificación fue propuesta primeramente
por Berrou y otros en el documento "Near Shannon Limit
Error-Correcting Coding and Decoding:
Turbo-Codes", Proc. IEEE Conference on
Communications (ICC 93), páginas 1064 a 1070, año 1993. Ha habido
mucho interés en la turbocodificación debido al notable
comportamiento BER (Bit Error Rate = Tasa de Errores de Bits)
obtenible. La turbodescodificación combina los conceptos de la
descodificación iterativa, la descodificación de entrada
lógica/salida lógica, la codificación convolucional sistemática
recursiva
(RSC = Recursive Systematic Convolutional) y la intercalación aleatoria.
(RSC = Recursive Systematic Convolutional) y la intercalación aleatoria.
La turbocodificación (y la correspondiente
descodificación) se puede efectuar como un esquema concatenado ya
sea en paralelo o en serie. La presente invención se refiere a ambos
esquemas. Para el caso paralelo, el codificador consta de dos o más
unidades codificadoras que envían versiones codificadas intercaladas
y no intercaladas de la corriente de datos entrantes. La Figura 8
muestra un ejemplo de codificadores adecuados para un sistema
paralelo que utiliza dos unidades codificadoras.
Para el caso de esquema concatenado serie, se
usan dos o más unidades codificadoras en serie. La primera unidad
codificadora codifica la corriente de datos entrantes. (Para el caso
de un esquema de codificación con dos unidades codificadoras, a este
codificador se le denomina codificador exterior). La salida de esta
primera unidad codificadora se pasa después a un intercalador, cuya
salida se aplica después a la segunda unidad codificadora. La
estructura se repite después para el número de unidades
codificadoras del sistema. La Figura 9 muestra un ejemplo de un
sistema serie que usa dos unidades codificadoras (codificador 1,
codificador 2).
Un turbodescodificador típico consta de dos o más
descodificadores de entrada lógica/salida lógica, que descodifican
la corriente de datos codificada en un bucle iterativo. Se usan
comúnmente dos tipos de descodificadores de entrada lógica/salida
lógica, a saber, el máximo a posteriori (MAP) y el algoritmo de
Viterbi de salida lógica (SOVA). El MAP da mejores resultados que el
SOVA (para un número dado de iteraciones), pero con el inconveniente
de mayor complejidad. En el marco general de la presente invención
sólo se considera el turbodescodificador SOVA.
En el documento
US-A-5.537.444 se propone un
algoritmo de Viterbi de salida de lista extendida y de salida de
símbolos lógicos.
Como se sabe del artículo de Papke, Robertson,
"Improved Decoding with the SOVA in a Parallel Concatenated
(Turbo-code) Scheme", Proc. IEEE Conference on
Communications (ICC 96), páginas 102 a 106, año 1996, la información
extrínseca producida por el descodificador SOVA es demasiado
optimista. Para mejorar el comportamiento se sugirió multiplicar la
información extrínseca en la salida de cada descodificador SOVA por
un factor de normalización. La Figura 3 muestra una representación
esquemática de un turbodescodificador paralelo con unidades de
normalización 27, 33 después de cada unidad descodificadora 25 y 30,
respectivamente.
En la Figura 5 se muestra una representación
esquemática de un turbodescodificador serie.
El factor de normalización para la unidad
descodificadora i está dado por:
(1)c_{i}=m_{i}\frac{2}{\sigma^{2}_{i}}
Donde m_{i} es la media y \sigma^{2}_{i}
es la variancia de la información extrínseca de la unidad
descodificadora i. Como resulta claro en la Figura 3, la unidad de
normalización 27, 33 provista para cada unidad descodificadora 25 y
30, respectivamente, añade una complejidad adicional (que aumenta
con el tamaño de la trama) al turbodescodificador.
Un método para reducir la complejidad de las
técnicas de normalización para un turbodescodificador SOVA fue
propuesto por Blazek y otros, "A DSP-based
Implementation of the Turbo Decoder", Proc. IEEE Global
Telecommunications Conference (GLOBECOM 98), Sydney, Australia,
páginas 3201 a 3205, año 1998. Según esta técnica, se usa un valor
constante para c_{i}, que aumenta con cada iteración:
(2)c_{i} = b_{i} +
na_{i}
Donde b_{i} es el valor base, a_{i} es el
incremento de iteración y n es el número de iteraciones. Aunque este
método tiene muy poca complejidad (no se necesitan cálculos
complejos), se han de encontrar números adecuados que sean buenos
para todas las situaciones.
El objeto de la presente invención es disminuir
más la complejidad de normalización para los turbodescodificadores
SOVA.
Según la presente invención, este objeto se
alcanza por medio de las características de las reivindicaciones
independientes. Las reivindicaciones dependientes desarrollan más la
idea central de la presente invención.
Por lo tanto, según la presente invención, se usa
un turbodescodificador con al menos dos unidades descodificadoras
efectivas que usan un algoritmo de Viterbi de salida lógica (SOVA).
"Dos unidades descodificadoras efectivas" significa que en la
realización del equipo físico se disponen, ya sea dos o más unidades
descodificadoras, o bien, que en la realización del equipo físico se
usa una unidad descodificadora dos o más veces. Las salidas de las
unidades descodificadoras se normalizan por medio de unidades de
normalización.
Además, según la presente invención se
proporciona un dispositivo móvil de comunicaciones que comprende un
turbodescodificador como el expuesto anteriormente.
Según otro aspecto de la presente invención, se
propone un método de turbodescodificación que usa un algoritmo de
Viterbi de salida lógica. Se usa una pluralidad de unidades
descodificadoras y las salidas de las unidades descodificadoras se
normalizan con un factor de normalización. Sólo un subconjunto de
las unidades descodificadoras del turbodescodificador se normaliza
con un factor de normalización variable durante el funcionamiento,
mientras que las otras unidades descodificadoras se normalizan con
un factor de normalización constante en el tiempo, que puede ser
igual a 1.
Se pueden usar dos unidades descodificadoras, en
las que la primera unidad descodificadora se normalice con el factor
de normalización variable durante el funcionamiento, y la segunda
unidad descodificadora se normalice con el factor de normalización
constante en el tiempo.
Los factores de normalización se calculan
basándose en la media y la variancia de la información extrínseca
producida por la unidad descodificadora asociada. Alternativamente,
se puede usar un valor constante que aumente con cada iteración como
factor de normalización variable en el tiempo (como en el método de
Blazek y otros).
El método de turbodescodificación se puede
realizar como un esquema concatenado paralelo.
Otras características, ventajas y
particularidades de la presente invención serán evidentes mediante
la siguiente descripción detallada de una realización, tomada en
unión de las figuras de los dibujos adjuntos.
La Figura 1 muestra esquemáticamente una cadena
de transmisión sin hilos, en la que se puede aplicar la presente
invención;
la Figura 2 muestra un representación esquemática
de un turbodescodificador;
la Figura 3 muestra un representación esquemática
de un turbodescodificador SOVA conocido con unidades de
normalización que funcionan según el esquema paralelo;
la Figura 4 muestra un representación esquemática
de un turbodescodificador SOVA con unidades de normalización que
funcionan según el esquema serie;
la Figura 5 muestra un representación esquemática
de un turbodescodificador SOVA conocido con unidades de
normalización que funcionan según el esquema serie;
la Figura 6 muestra el resultado de una
simulación;
la Figura 7 muestra otro resultado de simulación
para comparar el efecto de la presente invención con los efectos de
las prácticas de la técnica anterior;
la Figura 8 muestra esquemáticamente un
turbocodificador paralelo; y
la Figura 9 muestra esquemáticamente un
turbocodificador serie.
Ahora se explicará generalmente un sistema de
transmisión según la presente invención, con referencia a la Figura
1. Como se muestra en la Figura 1, se pueden transmitir diferentes
datos mediante una transmisión sin hilos. Los datos a transmitir
pueden comprender datos de voz de un teléfono 1, 23, datos de vídeo
digital, por ejemplo de una cámara de vídeo 5, para ser transmitidos
a un monitor 20, y otros datos de información digital, como por
ejemplo datos de un ordenador 6, para ser transmitidos a otro
ordenador 19. Los datos analógicos de voz de un teléfono 1 son
convertidos en un convertidor analógico/digital A/D 2, codificados
en el codificador 3 de voz y suministrados después a un codificador
4 de canales. Los datos, por ejemplo de una cámara de vídeo 5 o de
un ordenador 6, también son suministrados al codificador 4 de
canales. Los diferentes datos, por ejemplo, los datos de voz y los
datos de vídeo, se pueden transmitir simultáneamente. Los datos del
codificador 4 de canales se aplican a un intercalador 7 y se
suministran después a un modulador 8 que proporciona un mapa de
símbolos. Los datos modulados del modulador 8 se convierten después
en el convertidor digital/analógico D/A 9 y se convierten 10 a una
frecuencia mayor. Los datos convertidos a una frecuencia mayor son
amplificados en el amplificador de potencia 11 y transmitidos
después por un enlace de transmisión sin hilos 12.
En el lado receptor, la corriente de bits de
datos recibidos es convertida a una frecuencia menor en un
convertidor descendente 13 de banda base. Los datos convertidos a
una frecuencia menor, que salen del convertidor descendente 13 de
banda base, son convertidos a datos digitales en un convertidor A/D
14 e introducidos en un demodulador 15. La salida del demodulador 15
es pasada a través de un desintercalador 16, un descodificador 18 de
canales, un descodificador 21 de voz y después se convierte de
digital a analógica en un convertidor D/A 22. Finalmente, los datos
analógicos salen a un terminal tal como un teléfono 23. Obviamente,
los datos digitales se pueden suministrar directamente desde el
descodificador 18 de canales, por ejemplo, a un monitor de vídeo 20
o un terminal de
ordenador 19.
ordenador 19.
Con referencia a la Figura 2 se explicará un
turbo-descodificador SOVA según el esquema
paralelo.
La corriente de bits a descodificar es convertida
primeramente de serie a paralelo en una unidad 24 de conversión
serie/paralelo. La salida de la unidad 24 de conversión
serie/paralelo es suministrada a una primera unidad descodificadora
25, a la salida de la primera unidad descodificadora 25, a la
entrada de una segunda unidad descodificadora 30, así como a la
entrada de un intercalador 29. De la salida de la primera unidad
descodificadora 25 se restan una salida de un desintercalador 26 así
como la entrada de la primera unidad descodificadora 25. La salida
así procesada de la primera unidad descodificadora 25 es normalizada
después por medio de una unidad de normalización 27 de tal modo que
la salida procesada de la primera unidad descodificadora 25 sea
multiplicada por un factor de normalización que es variable durante
el funcionamiento del turbodescodificador 34. La salida normalizada
es suministrada a un intercalador 28. La salida del intercalador 28
es suministrada a la entrada de la segunda unidad descodificadora 30
junto con la salida del intercalador 29 y los datos convertidos de
serie a paralelo. De la salida de la segunda unidad descodificadora
30, se resta la salida del primero y segundo intercaladores 28 y 29,
respectivamente. La salida así procesada de la unidad
descodificadora 30 es realimentada después a un desintercalador 26
y, además, al lado de entrada y de salida de la primera unidad
descodificadora 25, como se describió anteriormente.
Obsérvese que no es necesario proporcionar dos
unidades descodificadoras en la realización del equipo físico. Dos
unidades descodificadores "efectivas" son suficientes. "Dos
unidades descodificadores efectivas" significa que en la
realización del equipo físico se disponen, ya sea dos o más unidades
descodificadores, o bien, que en la realización del equipo físico
una unidad descodificadora se usa dos o más veces.
La señal de salida de la segunda unidad
descodificadora 30 se suministra también a un desintercalador 31.
Los datos descodificados estimados se proporcionan en la salida 32
del desintercalador 31.
Como se puede ver en la Figura 2, la unidad de
normalización 27 está dispuesta solamente en el lado de salida de la
primera unidad descodificadora 25. No está dispuesta ninguna unidad
de normalización para la segunda unidad descodificadora 30.
Obsérvese que, según la presente invención, cada
una de las unidades descodificadoras en uso está provista de una
unidad de normalización.
El hecho de que no se disponga unidad de
normalización para la segunda unidad descodificadora 33, también se
puede expresar diciendo que la salida de la segunda unidad
descodificadora 33 no está normalizada por un factor de
normalización que es variable con el tiempo y/o con el
funcionamiento del turbodescodificador SOVA.
La Figura 4 muestra un turbodescodificador SOVA
según el esquema serie. Obsérvese que, en comparación con la Figura
2 (que muestra el caso paralelo), se dispone un desintercalador
adicional 35. Se omite el intercalador 29 según el ejemplo de la
Figura 2.
Por lo tanto, sólo se normaliza un subconjunto de
salidas SOVA. El factor de normalización puede ser
particularmente:
(3)c_{1}=m_{1}\frac{2}{\sigma^{2}_{1}}
(4)c_{2} =
1
De esta manera, se puede reducir la complejidad
del turbodescodificador SOVA y, como la información extrínseca
correctamente normalizada de la unidad descodificadora 27 es
suministrada a la unidad descodificadora 33, esto tiene también un
efecto indirecto sobre la información extrínseca producida por la
unidad descodificadora 33.
\newpage
Para investigar el comportamiento del concepto
propuesto, se han llevado a cabo simulaciones en un canal AWGN. Los
parámetros de la simulación se resumen en la siguiente tabla 1:
| Conexiones del | [1,N(D)/G(D) |
| Codificador | G(D) = 1+D^{2}+D^{3}+D^{4} |
| N(D) = 1+D+D^{2}+D^{4} | |
| Tasa de código | 1/3 |
| Tamaño de trama | 1000 |
| Tamaño ventana descodificación | Trama completa |
| Tamaño ventana SOVA | 30 bits |
| Regla actualización SOVA | Hagenauer |
| Tipo de intercalador | Aleatorio |
| Iteraciones | 6 |
Los resultados de la simulación se muestran en
las Figuras 6 y 7. Se muestran las tasas de errores de bits (BER)
para el SOVA sin normalización, con normalización normal (para ambos
descodificadores) y con normalización sólo para el primer
descodificador.
La Figura 6 muestra el comportamiento de
diferentes esquemas de normalización en función de la iteración para
E_{b}/N_{O} = 2 dB. Como se puede ver, normalizando solamente el
primer descodificador no hay problemas de convergencia. El
comportamiento se mejora considerablemente sobre el caso de sin
normalización, y el comportamiento es extremadamente parecido al
esquema tradicional de normalizar ambos descodificadores.
La Figura 7 muestra la BER en función de
E_{b}/N_{O} después de 6 iteraciones. Como se puede ver, en un
BER de
3 x 10^{-5} hay una diferencia de 0,25 dB en el E_{b}/N_{O} requerido, entre normalizar ambos descodificadores y normalizar solamente el primer descodificador. La diferencia entre sin normalización y normalizar ambos descodificadores es mucho mayor.
3 x 10^{-5} hay una diferencia de 0,25 dB en el E_{b}/N_{O} requerido, entre normalizar ambos descodificadores y normalizar solamente el primer descodificador. La diferencia entre sin normalización y normalizar ambos descodificadores es mucho mayor.
Se ha demostrado que normalizando solamente un
subconjunto de los descodificadores SOVA en el turbodescodificador
produce resultados muy buenos. Este concepto se puede utilizar en
ciertas situaciones donde se necesite reducir la complejidad de los
cálculos. Además, si el descodificador está llevado a la práctica
como un descodificador de proceso paralelo, se podría reducir el
número de puertas. Si el turbodescodificador SOVA se ha de usar en
una amplia variedad de situaciones diferentes (es decir, canales de
varios caminos variables), puede proporcionar un comportamiento
mejorado al método sugerido por Blazec y otros, pero con la
desventaja de una complejidad ligeramente mayor. La decisión para
usar o no usar la técnica puede depender de la BER requerida. Si
para los parámetros que se han escogido se requiere conseguir una
BER por debajo de 5 x 10^{-5}, puede ser preferible usar
normalización para ambos descodificadores, puesto que el número de
iteraciones requeridas (y, por tanto, la complejidad de los
cálculos) es menor que si se normalizara solamente un
descodificador.
Por lo tanto, la presente invención describe una
técnica de normalización de complejidad reducida para el algoritmo
de Viterbi de salida lógica (SOVA) usado en un turbodescodificador.
La normalización es necesaria para el descodificador SOVA porque la
información extrínseca generada es demasiado optimista. Las técnicas
de normalización tradicionales implican calcular la media y la
variancia de la información extrínseca producida por todos los
descodi-ficadores SOVA del turbodescodificador. La
nueva técnica propuesta efectúa este cálculo para sólo un
subconjunto de los descodificadores SOVA.
Es importante observar que el turbodescodificador
puede constar de más de un descodificador. Esto depende de cuántos
descodificadores se usen en el codificador. También se pueden usar
más de dos descodificadores en el bucle de descodificación. Además,
es importante observar la estructura de las figuras aplicadas al
caso de codificación concatenada paralela.
Claims (13)
1. Método de turbodescodificación que usa un
algoritmo de Viterbi de salida lógica,
en el que se usan una pluralidad de unidades
descodificadoras efectivas (25, 30), es decir, ya sea una unidad
descodificadora que se usa varias veces, o bien, al menos dos
unidades descodificadoras;
y salidas de la o las unidades descodificadoras
(25, 30) se normalizan (27) con un factor de normalización;
caracterizado porque
sólo un subconjunto apropiado (25) de las
unidades descodificadoras efectivas del turbodescodificador se
normaliza con un factor de normalización variable durante el
funcionamiento, y la otra o las otras unidades descodificadoras
efectivas (30) se normalizan con un factor de normalización
constante en el tiempo.
2. Método de turbodescodificación según la
reivindicación 1,
caracterizado porque
el factor de normalización constante en el tiempo
es igual a uno.
3. Método de turbodescodificación según las
reivindicaciones 1 ó 2,
caracterizado porque
sólo las unidades descodificadoras (30) que están
provistas de una salida normalizada de una unidad descodificadora
precedente (25) se normalizan con un factor de normalización
constante en el tiempo.
4. Método de turbodescodificación según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado porque
se usan dos unidades descodificadoras (25, 30),
en las que la primera unidad descodificadora (25) se normaliza (27)
con un factor de normalización variable durante el funcionamiento, y
la segunda unidad descodificadora (30) se normaliza con un factor de
normalización constante en el tiempo.
5. Método de turbodescodificación según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque
los factores de normalización se calculan
basándose en la media y la variancia de la información extrínseca
producida por la unidad descodificadora asociada.
6. Método de turbodescodificación según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado porque
se realiza como un esquema concatenado
paralelo.
7. Turbodescodificador que usa un algoritmo de
Viterbi de salida lógica, que comprende una pluralidad de unidades
descodificadoras efectivas, es decir, ya sea una unidad
descodificadora que se usa varias veces, o bien, al menos dos
unidades descodificadoras;
y salidas de la o de las unidades
descodificadoras (25, 30) se normalizan por medio de unidades de
normalización (27, 33);
caracterizado porque
sólo un subconjunto apropiado (25) de las
unidades descodificadoras efectivas del turbodescodificador está
provisto de un factor de normalización variable durante el
funcionamiento, y la otra o las otras unidades descodificadoras
efectivas (30) están provistas de un factor de normalización
constante en el tiempo.
8. Turbodescodificador según la reivindicación
7,
caracterizado porque
el factor de normalización constante en el tiempo
es igual a uno.
9. Turbodescodificador según las reivindicaciones
7 u 8,
caracterizado porque
sólo las unidades descodificadoras (30) que están
provistas de una salida normalizada de una unidad descodificadora
precedente (25) se normalizan con un factor de normalización
constante en el tiempo.
10. Turbodescodificador según una cualquiera de
las reivindicaciones 7 a 9,
caracterizado porque
se usan dos unidades descodificadoras (25, 30),
la primera (25) de las cuales se normaliza (27) con un factor de
normalización variable durante el funcionamiento, y la segunda
unidad descodificadora (30) se normaliza con un factor de
normalización constante en el tiempo.
11. Turbodescodificador según una cualquiera de
las reivindicaciones 7 a 10,
caracterizado porque
los factores de normalización se calculan
basándose en la media y la variancia de la información extrínseca
producida por la unidad descodificadora asociada.
12. Turbodescodificador según una cualquiera de
las reivindicaciones 7 a 11,
caracterizado porque
presenta una estructura concatenada paralela.
13. Dispositivo móvil de comunicaciones,
caracterizado porque
comprende un turbodescodificador (34) según una
cualquiera de las reivindicaciones 7 a 12.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP99121070A EP1094612B1 (en) | 1999-10-21 | 1999-10-21 | SOVA Turbo decoder with decreased normalisation complexity |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2201617T3 true ES2201617T3 (es) | 2004-03-16 |
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ID=8239259
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES99121070T Expired - Lifetime ES2201617T3 (es) | 1999-10-21 | 1999-10-21 | Turbo-dscodificador sova con complejidad de normalizacion reducida. |
Country Status (8)
| Country | Link |
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