ES2283853T3 - Turbo-descodificacion con estimacion iterativa de parametros de canal. - Google Patents
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Abstract
Método para descodificar una señal y de datos de entrada codificada mediante convolución, que comprende - multiplicar la señal de datos de entrada por un factor L, de variación de escala; - desmultiplexar la señal L, y de datos de entrada multiplicada en tres señales que están relacionadas con bits sistemáticos y bits de paridad, estando una señal L, S de datos de entrada, desmultiplexada, asociada con los bits sistemáticos; - realizar una descodificación turbo de la señal L, S de datos de entrada desmultiplexada para obtener datos A de salida descodificados mediante descodificación turbo, caracterizado porque el factor L, de variación de escala está actualizado para una iteración posterior en función de una combinación de unos datos de probabilidad a posteriori basados en datos A de salida descodificados mediante descodificación turbo y datos de probabilidad a priori basados en la señal L, S desmultiplexada, usando una estimación del valor medio de la amplitud de la señal y una estimaciónde la variación, de ruido en la que la estimación del valor medio de la amplitud de señal es igual a (Ver fórmula) donde N es el número de bits en un bloque de codificación de la señal de datos de entrada, si es el bit sistemático de orden i, y A, es la relación de probabilidad logarítmica que resulta de la iteración más reciente del descodificador turbo, y en el que la estimación de la varianza de ruido es igual a (Ver fórmula) y la probabilidad de que el bit sea 1 mediante (Ver fórmula) la probabilidad de que el bit de orden i sea 0 es estimada mediante (Ver fórmula) los bits sistemáticos normalizados s¿j son calculados mediante (Ver fórmula) y donde K es una corrección parcial calculada mediante (Ver fórmula)
Description
Turbo-descodificación con
estimación iterativa de parámetros de canal.
La presente invención se refiere a un método
para descodificar una señal y de datos de entrada, codificada
mediante convolución, que comprende la multiplicación de la señal
de datos de entrada por un factor L_{c} de escala, para
desmultiplexar la señal multiplicada L_{c}y de datos
de entrada en tres señales que están relacionadas con bits
sistemáticos y con bits de paridad, una señal L_{c}S
de datos de entrada desmultiplexada que está asociada con los bits
sistemáticos, por ejemplo, en señales de paridad y una señal
sistemática, y descodificar mediante descodificación turbo la señal
L_{c}S de datos de entrada desmultiplexada para
obtener datos A de salida descodificados mediante descodificación
turbo. En un aspecto adicional, la presente invención se refiere a
un dispositivo descodificador como se define en el preámbulo de la
reivindicación 5.
Tal método para descodificar datos y un
dispositivo descodificador son conocidos a partir de la patente
estadounidense US-B-6.574.291 que
describe un descodificador de códigos turbo con estimación iterativa
de parámetros de canal.
La publicación de patente estadounidense
US-B-6.393.076 describe un método
para descodificar códigos turbo usando variación de escala de los
datos. Los datos de entrada codificados mediante convolución son
descodificados de manera casi ideal. Una parte de los datos de
entrada es almacenada temporalmente en memoria, después de lo cual
se calcula una media de los datos de la parte de los datos de
entrada. Luego, se calcula un valor medio cuadrático de la parte
usando la media. Un factor de variación de escala se deriva del
valor medio cuadrático, cuyo factor de variación de escala se
utiliza para convertir a escala la parte de los datos de entrada
antes de la operación de descodificación turbo.
Estos métodos descritos tienen la desventaja de
que el cálculo del factor de variación de escala no está basado en
información de probabilidad a posteriori, lo que conduce a
una pérdida adicional. Especialmente en aplicaciones móviles que
usan estos tipos de codificación, cada pérdida adicional tiene un
efecto negativo en el comportamiento del sistema.
La publicación de El-Gamal, H.,
High capacity Synchronous FH/SSMA networks with turbo decoding,
(Redes FH/SSMA síncronas de alta capacidad con descodificación
turbo), IEEE Intern. Symp. on Spread Spectrum Techniques, 1998,
págs. 973-977, proporciona un método similar para
convertir a escala los datos de entrada. El método consiste en
calcular la variación del ruido, que se aplica, subsiguientemente,
para formar valores de probabilidad logarítmicos. Este método tiene
el inconveniente de que supone la amplitud de señal normalizada a la
unidad. Esta es una simplificación no válida para equipos prácticos
de recepción y, por lo tanto, afecta negativamente al
comportamiento del sistema.
El artículo de M. C. Valenti et al.
"Iterative channel estimation and decoding of pilot symbol
assisted turbo codes over flat-fading channels"
(Estimación iterativa de canal y descodificación de códigos turbo
asistidos por símbolos de piloto en canales de desvanecimiento
plano), IEEE Journal on selected areas in communications,
septiembre de 2001, IEEE, EEUU, vol. 19, núm. 9, páginas
1.697-1.705, describe un método para detectar
coherentemente y descodificar señales binarias moduladas mediante
desplazamiento y codificadas mediante codificación turbo, de clave
desplazada, transmitidas por canales de desvanecimiento plano de
frecuencia. Considera el uso de realimentación de decisión mediante
hardware y de realimentación de decisión mediante software.
La solicitud de patente británica
GB-A-2 360 425 describe una
estimación de información de estado de canal para descodificadores
de códigos turbo. En este documento, solamente se describe el uso de
un algoritmo de descodificación de probabilidad de máximo a
posteriori (MAP).
La presente invención intenta proporcionar un
esquema mejorado de descodificación para su uso en transceptores
que usan un descodificador de máximo a posteriori (MAP), o
técnicas relacionadas tales como de logaritmo MAP (LOGMAP).
Según la presente invención, se proporciona un
método según el preámbulo definido más arriba que tiene las
características de la parte caracterizadora de la reivindicación 1.
Combinando estos datos de probabilidad a posteriori y a
priori, es posible mejorar el comportamiento del método de
descodificación sin necesitar muchos recursos adicionales de
hardware o de software. En una realización de la presente invención,
el factor de variación de escala es actualizado según:
\hat{L}_{c} = \frac{2}{\hat{c} \cdot
\hat{\sigma}_{n'}{}^{2}} \cdot L_{c},
\hskip0,3cmen donde \hat{L}_{c} es el factor de variación de escala actualizado.
Esto hace que el presente método sea preciso y
rápido, de manera que asegura el beneficio (las simulaciones
muestran que la pérdida con respecto al óptimo teórico es de
alrededor de 0,03 dB), y es aplicable en canales de desvanecimiento
rápido o en canales variantes en el tiempo. Se ha demostrado que se
puede conseguir alrededor de 0,1 a 0,2 dB de mejora de sensibilidad
en códigos turbo, en comparación con los métodos de la técnica
anterior.
En una realización adicional, el factor
L_{c} de variación de escala es inicializado bien como un
valor fijo, como resultado de un número inicial de iteraciones que
usan un algoritmo conocido, como el resultado de realizar un
filtrado sobre iteraciones subsiguientes y bloques de codificación,
o bien como el resultado de estimaciones de SNR/SIR de la señal de
datos de entrada. La iniciación puede, por tanto, llevarse a cabo
usando soluciones muy simples o soluciones más complejas pero bien
conocidas.
En una realización adicional de la presente
invención, el método comprende, además, calcular la variación del
factor de variación de escala en iteraciones subsiguientes y, cuando
la variación, después de un número predeterminado de iteraciones,
está por encima de un valor de umbral predeterminado, recurrir a un
método diferente de cálculo del factor de variación de escala y/o a
un método de descodificación turbo. El método diferente para
calcular el factor de variación de escala puede ser, por ejemplo,
utilizar un factor de variación de escala fijo, un método de
logaritmo máximo o un método de SOVA (Algoritmo de Viterbi de Salida
de Software). De esta manera, puede llevarse a cabo una supervisión
sencilla de la divergencia del método iterativo, usando algoritmos
conocidos como medida de reserva.
En un aspecto adicional de la presente
invención, se proporciona un dispositivo descodificador según la
reivindicación 5. Realizaciones adicionales del presente
dispositivo descodificador están descritas en las reivindicaciones
dependientes. Según esto, el presente dispositivo descodificador
proporciona un comportamiento mejorado sobre dispositivos de la
técnica anterior. Dado que la mejora de la sensibilidad requiere,
solamente, un coste pequeño de hardware, la mejora de la
sensibilidad es beneficio puro. Los aspectos importantes del sistema
que influyen sobre la sensibilidad son la intensidad de la señal,
por ejemplo, alcance/cobertura/vida de la batería, magnitud del
ruido, e interferencia, es decir, capacidad de la interfaz del aire.
Por lo tanto, la ventaja de la presente invención se puede traducir
en aumento de la cobertura (<1% más de alcance), mayor duración
de la batería (de 2 a 4% menos de potencia de transmisión),
requisitos de magnitud del ruido menos estrictos (0,2 dB menos), o
aumento de usuarios posibles en la interfaz aérea (de 2 a 4% más).
Esto produce una mayor cobertura celular y el uso de menos potencia
por el móvil, lo que, a su vez, produce menos interferencia y, por
lo tanto, más capacidad.
En todavía otro aspecto, la presente invención
proporciona un producto de programa de ordenador, que comprende un
código ejecutable de ordenador que, cuando está cargado en un
sistema de tratamiento, proporciona al sistema de tratamiento la
capacidad para ejecutar el presente método. El sistema de
tratamiento puede comprender un microprocesador y equipo
periférico, un procesador de señales digitales o una combinación de
ambos para ejecutar el presente método.
La presente invención será descrita con más
detalle más abajo, mediante varias realizaciones ilustrativas,
haciendo referencia al dibujo adjunto, en el que
la figura 1 muestra un diagrama de bloques de
una realización del esquema de descodificación según la presente
invención.
La presente solicitud puede ser aplicada, de
manera ventajosa, en la descodificación de códigos de corrección de
errores sistemáticos, directos, tales como los códigos turbo
convolucionales concatenados paralelos encontrados en los sistemas
de telecomunicaciones entre móviles de tercera generación (3GPP). La
presente invención se puede emplear en transceptores que usan un
descodificador de máximo a posteriori (MAP), o técnicas
relacionadas, tales como la de Logaritmo MAP.
Las descodificaciones de MAP iterativo y de
Logaritmo MAP son óptimas de manera asintótica. Los algoritmos de
descodificación menor que la óptima, tales como el algoritmo de
Viterbi de salida de software (SOVA) o el LOGMAP (de logaritmo
máximo) aproximado, presentan una forma de ejecución práctica más
sencilla, de hasta alrededor de 0.5 dB menos en relación con el
comportamiento del MAP y del Logaritmo MAP.
El problema para alcanzar toda la extensión del
comportamiento de MAP es el requisito de que los datos de entrada
estén definidos como relación de probabilidades (logarítmicas). Con
la presente invención es posible convertir a escala los datos de
entrada en el descodificador en un canal variante en el tiempo, con
desvanecimiento, con rapidez y precisión, para formar valores de
probabilidad (logarítmicos).
El presente método utiliza datos de probabilidad
a posteriori para formar la información de probabilidad de
los bits descodificados. Esto se combina con datos de probabilidad
a priori del descodificador, para determinar, óptimamente,
la media de la señal deseada y la varianza del ruido. Éstos se
utilizan para convertir a escala, de manera iterativa, la
información a priori.
El factor de variación de escala debe de ser
inicializado. La invención prevé varios métodos diferentes para
hacer esto:
- usar el factor de variación de escala del
bloque anterior de codificación (filtrado o no);
- ejecutar la primera iteración (o iteraciones)
con SOVA o con logaritmo máximo;
- desplegar cualquier método como ajuste de
valor inicial; o
- cualquier combinación de éstos.
La figura 1 muestra un diagrama de bloques del
algoritmo 10 iterativo de conversión a escala para descodificar
datos codificados mediante convolución. Los símbolos y
recibidos son multiplicados por un factor L_{c} de
variación de escala usando un multiplicador 8 antes de que sean
desmultiplexados usando un desmultiplexador 6 en bits sistemáticos
s_{i} y bits de paridad par_{l}, par_{2},
que son introducidos en un descodificador turbo 5. Después de una
iteración del descodificador 5, un circuito desmultiplicador 7
adaptativo hace una estimación de la amplitud de la señal y de la
varianza del ruido, basándose en las relaciones \Lambda_{i} de
probabilidad logarítmica de la salida del descodificador. A partir
de estas estimaciones, se calcula un nuevo factor L_{c} de
variación de escala para la iteración siguiente.
El descodificador 5 turbo comprende, como se
muestra en la figura 1, elementos de intercalación 13,14, un
elemento 15 eliminador de la intercalación, y descodificadores 11,
12. Con más detalle, el descodificador turbo 5 comprende secciones
primera y segunda 11, 12 de descodificador de entrada de software,
salida de software (SISO), que reciben datos del desmultiplexador
6. El funcionamiento del descodificador turbo 5 es conocido por el
experto de la técnica (véase, por ejemplo, el documento
US-B-6.393.076) y no es necesaria
ninguna otra explicación en esta descripción.
En lo que sigue, se explica con detalle la
acción del circuito desmultiplicador 7 adaptativo. Los cálculos
realizados por el circuito desmultiplicador 7 adaptativo se
describen como algoritmos, cálculos y similares.
Para las personas expertas en la materia, está
claro que los algoritmos y los cálculos, según lo realizado por los
diversos bloques y elementos del algoritmo 10 del descodificador, se
pueden ejecutar en la práctica usando recursos de software, de
hardware o una combinación de ambos, tales como electrónica
analógica, circuitos lógicos, procesadores de señal, etc.
La amplitud de la señal se calcula en el bloque
20 a partir de las relaciones \Lambda_{i} de probabilidad
logarítmica que resultan de la iteración más reciente del
descodificador turbo 5, y de los bits sistemáticos, como sigue:
donde N es el número de bits en un
bloque de codificación y s_{i} es el bit sistemático de
orden i. \hat{c} es la estimación de la amplitud de los bits
L_{c} \cdot s_{i} sistemáticos convertidos a
escala; si \hat{E}_{s} es la energía de símbolo estimada del
componente de la señal de la secuencia s_{i} de entrada,
entonces \sqrt{\hat{E}_{s}} es la amplitud estimada de este
componente de la señal; luego encontramos
que
En el bloque 21 la amplitud estimada \hat{c}
se utiliza para normalizar los bits sistemáticos s'_{i}
dando:
A partir de las relaciones \Lambda_{i} de
probabilidad logarítmica, puede calcularse en el bloque 22 una
estimación de las probabilidades de bit lógicas; la probabilidad de
que el bit de orden i sea 0 es estimada mediante
y la probabilidad de que el bit sea
1
mediante
La relación no lineal entre \Lambda_{i} y
las probabilidades lógicas de bits Pi(0) y Pi(l) se
pueden calcular o computar basándose en una tabla para
consulta.
Estas probabilidades, junto con los bits
sistemáticos normalizados s'_{i}, pueden ser utilizadas
para calcular una estimación \hat{\sigma}_{n'}^{2} de la varianza
del ruido en el bloque 23, según
donde K es una corrección
parcial calculada como
sigue:
Luego la relación entre \hat{\sigma}^{2}_{n'}
y \hat{E}_{s} y \hat{N}_{0} está dada por
Cuando las ecuaciones antedichas se rescriben de
manera
y
usan
el nuevo factor de variación de
escala óptimo estimado se puede calcular en el bloque 24
mediante:
Resumiendo, el nuevo factor de variación de
escala en las estimaciones de amplitud y de varianza, y en el
factor de variación de escala actual puede ser expresado como
sigue:
Este cálculo se realiza usando el multiplicador
25 y el circuito de retención 26 de la memoria, después de lo cual
el factor de variación de escala actual es aplicado, de nuevo, a los
datos y de entrada.
Dado que el descodificador turbo 5 es iterativo
en sí mismo, combinarlo con otro algoritmo iterativo (el del
circuito desmultiplicador 7 adaptativo) requiere una consideración
cuidadosa para evitar la divergencia o la oscilación. La
inicialización del factor de variación de escala L_{c} a un
valor de inicio razonable demuestra ser suficiente. En ausencia de
información de inicialización apropiada, las primeras iteraciones
de descodificación se pueden hacer con técnicas conocidas de
Logaritmo Máximo o de SOVA. Éstas no son dependientes del factor de
variación de escala, y pueden, por tanto, ser utilizadas para
permitir la convergencia de valores de probabilidad a
posteriori. Otras técnicas para adquirir información de
inicialización son el filtrado sobre iteraciones subsiguientes y
sobre bloques de codificación, y la estimación de SNR/SIR en la
entrada, véase, por ejemplo, el método descrito en el documento de
Summers, T. A., Wilson, S. G., SNR Mismatch and Online Estimation
in Turbo Decoding (Discordancia de SNR y Estimación en Línea en la
Descodificación Turbo), IEEE Tr. On COM, vol. 46, núm. 4, abril de
1998, págs. 421-423.
Además, la divergencia puede ser detectada
mediante la supervisión del desarrollo del factor L_{c} de
variación de escala. Normalmente, debe converger en unas pocas
iteraciones, y luego apenas cambiar. En el caso de divergencia
detectada, uno puede fijar el factor L_{c} de variación de
escala, o cambiar a Logaritmo Máximo o a SOVA.
La descripción de la realización anterior,
expuesta en las reivindicaciones, está basada en el tipo de
Logaritmo MAP del descodificador turbo. Una persona experta en la
técnica reconocerá que las ideas del método descrito no están
restringidas a la descodificación de Logaritmo MAP, sino que pueden
ser formuladas, también, para variaciones del método de
descodificación de Logaritmo MAP, y para descodificación de MAP.
Claims (9)
1. Método para descodificar una señal y
de datos de entrada codificada mediante convolución, que
comprende
- multiplicar la señal de datos de entrada por
un factor L_{c} de variación de escala;
- desmultiplexar la señal L_{c}y de
datos de entrada multiplicada en tres señales que están relacionadas
con bits sistemáticos y bits de paridad, estando una señal
L_{c}S de datos de entrada, desmultiplexada,
asociada con los bits sistemáticos;
- realizar una descodificación turbo de la señal
L_{c}S de datos de entrada desmultiplexada para
obtener datos \Lambda de salida descodificados mediante
descodificación turbo,
caracterizado porque el factor
L_{c} de variación de escala está actualizado para una
iteración posterior en función de una combinación de unos datos de
probabilidad a posteriori basados en datos \Lambda de
salida descodificados mediante descodificación turbo y datos de
probabilidad a priori basados en la señal
L_{c}S desmultiplexada, usando una estimación del
valor medio de la amplitud \hat{c} de la señal y una estimación de
la variación \hat{\sigma}^{2}_{n'} de ruido en la que la
estimación del valor medio de la amplitud de señal es igual a
donde N es el número de bits en un
bloque de codificación de la señal de datos de entrada,
s_{i} es el bit sistemático de orden i, y \Lambda_{i}
es la relación de probabilidad logarítmica que resulta de la
iteración más reciente del descodificador
turbo,
y en el que la estimación de la varianza de
ruido \hat{\sigma}^{2}_{n'} es igual a
la probabilidad de que el bit de
orden i sea 0 es estimada
mediante
y la probabilidad de que el bit sea
1
mediante
los bits sistemáticos normalizados
s'_{i} son calculados
mediante
y donde K es una corrección
parcial calculada
mediante
\newpage
2. Método según la reivindicación 1, en el que
el factor de variación de escala es actualizado según
\hat{L}_{c} = \frac{2}{\hat{c} \cdot \hat{\sigma}^{2}_{n'}} \cdot L_{c},
\hat{L}_{c} = \frac{2}{\hat{c} \cdot \hat{\sigma}^{2}_{n'}} \cdot L_{c},
\hskip0,3cmen el que \hat{L}_{c} es el factor de variación de escala actualizado.
3. Método según una de las reivindicaciones
precedentes, en el que el factor L_{c} de variación de
escala es inicializado bien como un valor fijo, como resultado de un
número inicial de iteraciones que usan un algoritmo conocido, como
el resultado de realizar un filtrado sobre iteraciones subsiguientes
y bloques de código, o bien como el resultado de la estimación de
SNR/SIR de la señal y de datos de entrada.
4. Método según una de las reivindicaciones
precedentes, que comprende, además, calcular la variación del
factor de cambio de escala en iteraciones subsiguientes y, cuando la
variación, después de un número predeterminado de iteraciones, está
por encima de un valor de umbral predeterminado, recurrir a un
método diferente de cálculo del factor de variación de escala y/o
método de descodificación turbo.
5. Dispositivo descodificador para descodificar
una señal y de datos de entrada codificados mediante
convolución, que comprende
- un elemento (8) de multiplicación para
multiplicar una señal y de datos de entrada recibida por un
factor L_{c} de variación de escala;
- un desmultiplexador (6) para desmultiplexar la
señal L_{c}y de datos de entrada multiplicada en
tres señales que están relacionadas con bits sistemáticos y con
bits de paridad, estando una señal L_{c}S de datos
de entrada desmultiplexada asociada con los bits sistemáticos;
- un descodificador turbo (5) para descodificar
la señal de datos de entrada desmultiplexada para obtener datos
\Lambda de salida descodificados mediante descodificación
turbo,
caracterizado porque el dispositivo
descodificador (10) comprende, además, un elemento (7) de variación
de escala adaptativo que está dispuesto para actualizar el factor
L_{c} de variación de escala para una iteración siguiente
basándose en una combinación de unos datos de probabilidad a
posteriori basados en datos \Lambda de salida descodificados
mediante descodificación turbo y en datos de probabilidad a
priori basados en la señal L_{c}S
desmultiplexada, usando una estimación del valor medio de la
amplitud \hat{c} de la señal y una estimación de la variación
\hat{\sigma}^{2}_{n'} de ruido en la que la estimación del valor
medio de la amplitud de la señal es igual a
\vskip1.000000\baselineskip
donde N es el número de bits de un
bloque de codificación de la señal de datos de entrada,
s_{i} es el bit sistemático de orden i, y \Lambda_{i}
es la relación de probabilidad logarítmica que resulta de la
iteración más reciente del descodificador
turbo,
y en el que la estimación de la varianza
\hat{\sigma}^{2}_{n'} de ruido es igual a
\vskip1.000000\baselineskip
la probabilidad de que el bit de
orden i sea 0 es estimada
mediante
\vskip1.000000\baselineskip
y la probabilidad de que el bit sea
1
mediante
\newpage
los bits sistemáticos normalizados
s'_{i} son calculados
según
y donde K es una corrección
parcial calculada
como
6. Dispositivo descodificador según la
reivindicación 5, cuyo elemento (7) de variación de escala
adaptativo está dispuesto, además, para actualizar el factor de
variación de escala según \hat{L}_{c} = \frac{2}{\hat{c} \cdot
\hat{\sigma}^{2}_{n'}} \cdot L_{c},
\hskip0,3cmen el que \hat{L}_{c} es el factor de variación de escala actualizado.
7. Dispositivo descodificador según una de las
reivindicaciones 5 y 6, en el que el dispositivo descodificador
está dispuesto, además, para inicializar el factor L_{c} de
variación de escala bien como un valor fijo, como resultado de un
número inicial de iteraciones que usan un algoritmo conocido, como
el resultado del filtrado sobre iteraciones subsiguientes y bloques
de codificación, o bien como el resultado de la estimación de
SNR/SIR de la señal y de datos de entrada.
8. Dispositivo descodificador según una de las
reivindicaciones 5-7, en el que el dispositivo
descodificador está dispuesto, además, para calcular la variación
del factor de cambio de escala en iteraciones subsiguientes y,
cuando la variación, después de un número predeterminado de
iteraciones, está por encima de un valor de umbral predeterminado,
recurrir a un método diferente de cálculo del factor de variación de
escala y/o método de descodificación turbo.
9. Producto de programa para ordenador, que
comprende un código ejecutable de ordenador que, cuando está cargado
en un sistema de tratamiento, proporciona al sistema de tratamiento
la capacidad para ejecutar el método según una de las
reivindicaciones 1 a 4.
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