JP5695647B2 - ターボ復号器における符号化ビットについての効率的な軟値の生成 - Google Patents

Description

本発明は、概して無線通信受信機において使用されるようなターボ復号器に関する。より具体的には、本発明は、当該復号器における組織ビット及びパリティビットについての軟値（soft value）の生成に関する。

通信システムの基本的な機能は、通信チャネル上で、情報を生成するソースから１つ以上の宛先へ当該情報を送信することである。デジタル通信システムでは、情報は、デジタルフォーマットへ変換され、通信チャネル上で送信される。デジタル情報の送信は、同一チャネル及び隣接チャネルの干渉、雑音、拡散及びフェージング等の通信チャネルの悪影響を受ける。これらの影響は、送信データストリームに誤りをもたらす。これらの影響は、無線通信システムにおいて特に深刻である。

１９４８年に、クロード・Ｅ・シャノンは、画期的な論文の中で、送信前のデジタル情報の適当な符号化は、雑音チャネルによりもたらされる誤りをいずれかの所望のレベルに減らし得る、ということを証明した。符号化は、送信の間に発生し得る誤りを検出し及び／又は訂正することができるように送信前に情報に冗長性を加えるプロセスである。受信側で、復号器は、冗長な情報及び符号化方式の事前の（priori）知識を利用して、送信の間に発生し得る誤りを検出し、及び／又は訂正する。

ブロック符号及び畳み込み符号を含む多数の種類の誤り訂正符号が、考案されている。１９９３年に導入されたターボ符号化は、高い誤り訂正能力及び良好な性能を有すると考えられ、第３世代及び第４世代のモバイル通信システム用に選択されている。その最も基本的な形式では、ターボ符号は、インターリーバにより並列に接続される２つの並列の組織畳み込み符号器を含む。第１の符号器は、元の入力ビットに基づいて動作し、第１のパリティビットを生成する。インターリーバは、入力ビットの順番を変える。そして、インターリーブされたビットは、第２の符号器に供給される。第２の符号器は、インターリーバにより出力されたインターリーブされたビットに基づいて動作し、第２のパリティビットを生成する。各入力ビットについて、３つの出力ビット、即ち入力（組織）ビット及び２つのパリティビットが、生成される。パンクチャリング又はレートマッチングのプロセッサが、エンコーダに続いて使用されて、これらの出力ビットの一部が送信のために選択される。

反復的な復号が受信機で使用されて、ターボ符号が復号される。基本的なターボ符号機は、インターリーバにより直列に接続される２つの軟入力軟出力（ＳＩＳＯ）復号器を含む。受信ビット（又はＲａｋｅ受信機又はＧ−Ｒａｋｅ受信機から得られる軟値）が、第１の復号器に入力される。第１の復号器は、受信ビット（又は軟値）、及び第２の復号器からフィードバックされる外部情報（extrinsic information）を使用して、対数尤度比として表される元の入力ビットの軟推定値、及び第２の復号器へ供給される外部情報を生成する。第１の復号器から出力される外部情報は、第２の復号器に入力される前にインターリーブされて、符号器で実行されたインターリーブを相殺する。第２の復号器は、元の入力ビットのより正確な対数尤度推定値、及び第１の復号器にフィードバックされる外部情報を生成する。このプロセスは、何回かの反復にわたって繰り返される。ビットについての最終的な決定は、第２の復号器により出力される軟推定値のハードリミットにより行われる。

広帯域無線通信の需要及び高まる人気により、通信システムの設計者は、ますます良好な性能を求めるように駆り立てられている。受信機技術は無線システムの性能を高めるのに特に重要な役割を担い、これらの技術は進化し続ける。

広帯域符号分割多元接続（Ｗ−ＣＤＭＡ）システムでは、例えば、Ｒａｋｅ受信機がまず導入された。そして、従来型のＲａｋｅ受信機を超える大幅な性能の改善は、線形等化（例えば、いわゆるＧ−Ｒａｋｅ受信機）の導入で達成された。しかしながら、データレートは、より高い次数の変調及び／又はマルチ入力マルチ出力（ＭＩＭＯ）技術の使用を通してさらに高く押し上げられたので、線形等化での良好な性能は、特に拡散チャネルにおいて達成することがますます困難になっている。

線形等化の性能を超えて性能を改善するためのいくつかの既知のアプローチがある。例えば、Ｂｏｔｔｔｏｍｌｅｙ氏により２００８年２月２２日に出願された"Method and Apparatus for Block-Based Signal Demodulation"と題する米国特許出願第１２／０３５，８４６号（本明細書では、「ＢＤＦＥ出願」）は、ブロック判定帰還等化器（ＢＤＦＥ）を説明する。ＢＤＦＥでは、ブロックに基づく等化（線形等化又は判定帰還等化）が使用されて、ブロック間干渉が抑制され、シンボルブロックの中のシンボルについての検出統計が生成される。同時検出（joint detection）は、対応する検出統計に基づいて、シンボルブロック内で最もあり得るシンボルの組み合せを同時に検出することにより、ブロック内干渉に対処する。"Linear Turbo Equalization Using Despread Values"と題し、Ｂｏｔｔｏｍｌｅｙ氏により２００５年１２月２２日に出願された米国特許出願公開２００７／０１４７４８１（本明細書では「線形ターボ等化公開」）は、線形ターボ等化（ＴＥ）を説明する。ＴＥは、Ｇ−Ｒａｋｅ（generalized-Rake）受信機の設計に基づく線形等化器であり、当該線形等化器は、Ｒａｋｅ合成重みを形成する際、及び復号器へ提供される等化器信号から取り除かれる自己干渉の推定値を形成する際に、復号器のフィードバックを使用する。ＢＤＦＥ出願及び線形ターボ等化公開の両方は、全体として、参照により本明細書に取り入れられる。逐次干渉除去（ＳＩＣ）に関与する様々な技術も既知であり、先進（advanced）受信機での使用のためにさらに開発されている。

これらの受信機技術の全ては、いわゆる軟減算（soft subtraction）の恩恵を受ける。当該軟減算では、干渉シンボルの軟値を導き、干渉除去プロセスで使用することができる。当該軟値は、一連の推定シンボル値を復号する前（復号前軟値）又は復号した後（復号後軟値）に導かれることが可能である。前者のアプローチはブロック判定帰還等化により適しており、後者のアプローチは線形ターボ等化により適している。逐次干渉除去技術は、復号前軟減算又は復号後軟減算のいずれかに基づくことが可能である。

軟減算からの性能ゲインは、相当であり得る。ある研究で、硬減算及び軟減算に基づくマルチユーザ検出（ＭＵＤ）プロセスは、いくつかのシナリオについて比較された。軟減算で、より良好なマルチユーザ検出の性能が一貫して達成され、見返りに、ユーザあたりの必要な受信電力が減少する。結果として、システムの総ＲｏＴ（rise-over-thermal）も減少する。高データレートのシナリオにおいて、約１〜２ｄＢのゲインが、軟減算の使用から生じることが期待される。

畳み込み復号プロセスにおいてパリティビットについての軟値（例えば、対数尤度値）を生成するための技術が開示される。具体的には、組織ビットの軟値及びパリティビットの軟値についての式の公式化の中で使用される項がグループ化されて、計算が単純化され、プロセスの効率性が改善される。

受信された通信データを復号するための通信受信機において実装され得るような例示的な方法では、上記復号プロセスは、少なくとも１つの軟入力軟出力復号器における少なくとも１回の反復の各々について、第１の時間での第１の複数の復号器状態候補と第２の時間での第２の複数の復号器状態候補との間の各可能な遷移に関連付けられる中間確率値を算出するステップを含む。そして、前記中間確率値から２つ以上の部分和が算出される。前記部分和は、２つ以上の組織ビット、２つ以上のパリティビット、又は少なくとも１つの組織ビット及び少なくとも１つのパリティビットの、可能な組み合せに対応する。そして、対数尤度値のような軟値が、上記部分和の第１の関数として、上記第１の時間と上記第２の時間との間の上記区間に対応する受信された通信データの少なくとも１つの組織ビットの各々について推定される。また、軟値が、前記部分和の第２の関数として、前記第１の時間と前記第２の時間との間の区間に対応する受信された通信データの少なくとも１つのパリティビットの各々について推定される。

いくつかの実施形態では、第１の時間での第１の複数の復号器状態候補と第２の時間での第２の複数の復号器状態候補との間の各可能な遷移に関連付けられる中間確率値を算出する前記ステップは、前記第１の複数の復号器状態候補の各々に対応する前方回帰メトリック、前記第２の複数の復号器状態候補の各々に対応する後方回帰メトリック、並びに前記第１の複数の復号器状態候補と前記第２の複数の復号器状態候補との間の各ブランチに対応するブランチメトリックに基づく。

いくつかの実施形態では、基数２の復号器が使用され、この場合に、２つ以上の部分和を算出する前記ステップは、対応する前記中間確率値に基づいて、前記第１の複数の復号器状態候補と前記第２の複数の復号器状態候補との間の遷移についての組織ビット値及びパリティビット値の各可能な組み合せについての部分和を算出することを含んでもよい。他の実施形態では、基数４の復号器が使用され、この場合に、２つ以上の部分和を算出する前記ステップは、対応する前記中間確率値に基づいて、２つの連続する組織ビット値の各可能な組み合せについての部分和、及び２つの連続するパリティビット値の各可能な組み合せについての部分和を算出することを含んでもよい。

当然ながら、本発明は、本発明の不可欠な特徴を逸脱することなく、本明細書で具体的に説明された手法以外の手法でも実行され得る。例えば、本明細書で開示される本発明の技術は、ＷＣＤＭＡ受信機における復号プロセスの背景（context）で、より具体的にはＷＣＤＭＡ受信機におけるターボ復号器の背景で、具体的に説明されるが、これらの技術は、他の通信装置及び／又は他の特定のターボ符号にも適用され得る。よって、本発明の実施形態は、上記要約された技術の１つ以上に従った方法、これらの方法の１つ以上を実行するように構成される復号器回路、及び当該復号器回路を含む無線受信機を含む。以下の説明を読み、添付の図面を見れば、説明されるこれらの各々の実施形態は、限定のためのものではなく説明のためのものであり、添付の特許請求の範囲の意味及び等価な範囲内から生じる全ての変更は本明細書に包含されることを意図されているということを、当業者は理解するであろう。

逐次干渉除去を用いる例示的な受信機回路のブロック図である。 例示的なターボ復号器のブロック図である。 トレリス図の一部を説明する。 本発明のいくつかの実施形態に従った例示的な処理回路のコンポーネントを説明するブロック図である。 組織ビットに従った遷移を説明する、Ｗ−ＣＤＭＡターボ符号についての状態遷移図である。 パリティビットに従った遷移を説明する、Ｗ−ＣＤＭＡターボ符号についての状態遷移図である。 ターボ復号器において軟値を生成するための例示的な方法を説明するプロセスフロー図である。 ２つの組織ビットについてのＷ−ＣＤＭＡターボ符号の状態遷移図である。 パリティ合成値を使用して２ビット列についての軟値を算出するための例示的な方法を説明するプロセスフロー図である。

本発明は、概して、モバイル通信システムについてのターボ符号化に関する。より具体的には、以下の議論の焦点は、ターボ復号器の構成する畳み込み復号器において、パリティビットについての軟値を含む軟値を生成するための技術にある。これらの軟値は、線形ターボ等化、逐次干渉除去等の先進受信機の技術を利用する後続の処理の中で使用され得る。

以下の議論は、広帯域符号分割多元接続（Ｗ−ＣＤＭＡ）システムにおいて使用されるターボ符号化を例として用いる。しかしながら、本明細書で開示される発明の技術は、その背景を限定せず、ＬＴＥ（Long-Term Evolution）システム、及び第３世代パートナーシッププロジェクトのメンバにより開発中のＬＴＥ−ａｄｖａｎｃｅｄシステム等の、他の通信システムに適用され得るということを、当業者は理解するであろう。実際に、これらの発明の技術は、ターボ等化又は軟除去プロセスでの使用のように、軟値（例えば、対数尤度値）がパリティビット及び組織ビットに必要なときはいつでも適用され得る。

ターボ等化又は干渉除去プロセス等において復号後軟減算を用いる受信機について、復号器は、各符号化ビットについての軟値（例えば、対数尤度値）を生成する必要がある。典型的には、符号化ビットは、組織ビット（即ち、情報ビットそのもの）及びパリティビット（即ち、符号化プロセスにおいて生成される冗長ビット）から成る。今日用いられるターボ復号器は、組織ビットについての軟値を既に生成するが、一般的にパリティビットについての軟値を提供しない。したがって、今日のターボ復号器は、復号後軟減算をサポートするために、これらのパリティビットについての軟値を生成するように変更されなければならない。

パリティビットについての軟値（例えば、対数尤度値）を生成することへの１つのアプローチは、組織ビットについての軟値を生成するために今日使用される既知の方法及び計算を単純に拡張することである。しかしながら、これらの拡張を実装することにより、復号器の計算の複雑さの著しい増加につながる。

以下に議論される新たな復号器処理技術は、既存の復号プロセスの単純な拡張と比べて、復号器の複雑さを大幅に減少させる。これは、組織ビットについての対数尤度値を生成するプロセスとパリティについての対数尤度値を生成するプロセスとがいくつかの共通の計算を有するように適合されることが可能であるということを認識することにより達成される。そして、共通の計算の結果を共有することにより、復号器の複雑さを減少させることができる。後続の詳細な議論では、このアプローチは、一度に１つのトレリスステージが処理される従来型の基数２のターボ復号器、及び一度に２つのトレリスステージが処理される基数４のターボ復号器に適用される。しかしながら、これらの技術は、これらの特定の適用に限定されない。

以下に詳細に説明される復号技術についての適用例として、図１は、別々に変調符号化されるが同時に送信されるｎ（２以上）のデータストリームを分離するための逐次干渉除去技術を用いる無線通信受信機１００を説明する。送信信号は、アンテナ１０５を介して受信される。また、受信信号は、ＲＦフロントエンド部１１０において、従来型の技術に従って増幅され、ダウンコンバートされ、デジタル化される。そして、デジタル化された信号サンプルは、第１の信号検出回路１２０−１により処理される。第１の信号検出回路１２０−１は、例えば、Ｒａｋｅ受信機又はＧ−Ｒａｋｅ受信機であり得る。信号検出回路１２０−１は、検出信号を生成する。当該検出信号は、第１のターボ復号回路１３０−１へ渡される。そして、データ１と指定される第１のターボ復号回路１３０−１の出力は、信号生成回路１４０−１へ提供される。信号生成回路１４０−１は、データに元々適用されたものと同一のターボ符号化を使用してデータ１を再符号化し、元の変調方式に従って符号化データを再変調する。よって、信号生成回路１４０−１の出力は、事実上、データ１に対応する元々送信された信号の複製である。適当なゲイン制御及びサンプリングで、ＲＦフロントエンド回路１１０の出力からこの複製を差し引いて、第１のデータストリームに対応する信号成分にほとんど影響を受けない新たなサンプル受信信号を生成することができる。したがって、差し引かれなければデータ１信号成分により引き起こされるであろう、他のデータストリームへの干渉を、大幅に減少させることができる。信号検出回路１２０−２、ターボ復号回路１３０−２、及び信号生成回路１４０−２を含む第２のステージ等の後続のステージは、さらなるデータストリームについてのプロセスを繰り返すことができる。当然ながら、信号検出回路１２０−ｎ及びターボ復号器１３０−ｎを含む最後のステージは、信号生成回路を含む必要がない。

「硬（hard）」ビット又はシンボル値（即ち、「１」及び「０」のような離散値の候補へ限定的にマッピングされるビット又はシンボル値）が使用されて、干渉除去のために（例えば、信号生成回路１４０において）受信信号が再生成されるが、軟値は受信機に利用可能な情報の全てをより良好に包含するので、軟値の使用はシステム性能を改善することができる。上述したように、従来型のターボ復号器は、符号化されたデータシーケンスの組織ビットについての軟値を生成するように構成されることもあるが、通常、パリティビットについてのソフト値を生成するように構成されない。受信機が軟減算技術から十分に恩恵を受けるために、軟値はパリティビットについても必要である。

後続の議論のさらなる背景を提供するために、図２は例示的なターボ復号器２００についての機能ブロック図を提供する。当業者は、図示されているターボ復号器２００が反復復号器であるということを理解するであろう。第１の反復では、いくつかの説明されるスイッチの各々は、（「１」により示される）第１の部分にあり、第１の復号器及び第２の復号器（それぞれ復号器２２０−１及び２２０−２）は、デマルチプレクサ２１０から受信すると、新たな組織ビット（「Ｘ」）及び第１のパリティビット及び第２のパリティビット（「Ｙ１」及び「Ｙ２」）に基づいて動作する。後続の反復では、スイッチは、（「２」により示される）第２の部分にあり、復号器２２０−１及び復号器２２０−２は、前回の反復からフィードバックされるデータに基づいてそれぞれ動作する。当業者は、インターリーバ２３５、デインターリーバ２３０、及びバッファ２４０を含む、説明される復号器２００の残りのコンポーネントを、容易に認識するであろう。これらの機能要素の各々の詳細は、ターボ符号化のユーザ及び設計者にとって周知であり、本発明の完全な理解に必要ない。よって、これらの要素の広範な詳細はここでは提供されない。

しかしながら、一般的なレベルで、ターボ復号器２００は、受信された（検出された）データシンボルを組織データＸ、第１のパリティビットＹ１及び第２のパリティビットＹ２に分離するデマルチプレクサ２１０を含む。当業者は、ビットストリームＸ、Ｙ１及びＹ２のいずれか又は全ては送信の間に発生するビット誤りを含み得るということを理解するであろう。当業者は、ビットストリームＸ、Ｙ１及びＹ２のいずれかはデパンクチャリング又はデレートマッチングのプロセッサにより挿入された０の値を含み得るということも理解するであろう。ターボ復号器２００は、誤りのあるビット又は失われたビットを検出し、訂正することができる。

第１の復号器２２０−１は、組織データＸ及びパリティビットＹ１に基づいて動作し、第１の外部情報（Ｗ１）を出力で生成する。第１の反復の間に、復号器２２０−１は、組織データ及びパリティビットＹ１のみを使用する。後続の反復については、組織データＸは、第２の復号器２２０−２からフィードバックされる第２の内部情報（intrinsic information）（Ｗ２）と合成される。（組織データＸと内部情報との合成の詳細は、図２において説明されず、また本明細書でも説明されない。これらの詳細は、ターボ復号器のわずかよりも多くの知識を有する者にとって周知である。）同様に、第２の復号器２２０−２は、インターリーブされた組織データ、パリティビットＹ２、及び（第２の反復及び後続の反復について）第１の復号器２２０−１により生成される外部情報Ｗ１であってインターリーブされたものに基づいて、動作する。デインターリーバ２３０は、復号器の第２の反復及び後続の反復のために、復号された情報を元の順序に戻す。

ターボ復号器２００は、構成する畳み込み復号器２２０−１と畳み込み復号器２２０−２との間での軟情報の交換に依存する。よって、これらの復号部は、軟入力を受け取り、更新された軟出力を生成できることが要求される。Ｌ．Ｒ．Ｂａｈｌ氏の"Optimal decoding of linear codes for minimizing symbol error rate," IEEE Tram, on Information Theory, vol. 20, pp.284-287, Mar. 1974（本明細書では「Ｂａｈｌ」）により説明される最大事後確率（ＭＡＰ）アルゴリズムに基づくいくつかのアルゴリズム、及び対数領域におけるＭＡＰアルゴリズム（Ｌｏｇ−ＭＡＰアルゴリズム）の公式化を含む、いくつかの実用的な軟入力軟出力復号アルゴリズムが、知られている。

ＭＡＰアルゴリズム及びＬｏｇ−ＭＡＰアルゴリズムの導出は、Ｂａｈｌ、Ｐｉｅｔｒｏｂｏｎ氏の"A simplification of the modified Bahl decoding algorithm for systematic convolutional codes," Proceedings of IEEE International Symposium on Information Theory '94, pp. 1073-1077, Nov. 1994（本明細書では、「Ｐｉｅｔｒｏｂｏｎ」）、Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ氏の"A comparison of optimal and sub-optimal MAP decoding algorithms operating in the log domain," Proceedings of IEEE International Communications Conference '95, pp. 1009-1013, June 1995を含む当業者にとって既知の文献において、見つけられることが可能である。

レート１／２の畳み込み符号についての１つの適したアルゴリズムは、Ｐｉｅｔｒｏｂｏｎによる公式化に類似する。まず、時間ｔでの状態をＳ_ｔ＝ｓとする。ｓ∈｛０，１，．．．，２^ｖ−１｝であり、ｖは、符号器のメモリのサイズである。状態トレリスの一部の表現が、図３において与えられる。（状態Ｓ_ｔ＝ｓに続く）次の入力ビットｄ_ｔ＋１は、状態をＳ_ｔ＋１＝Ｆ（ｓ，ｄ_ｔ＋１）へ導き、パリティ出力ｐ_ｔ＋１＝ｐ（ｓ、ｄ_ｔ＋１）を誘発する、ということがわかる。同様に、入力ビットｄ_ｔは、状態Ｓ_ｔ−１＝Ｂ（ｓ，ｄ_ｔ）をＳ_ｔ＝ｓへ導き、パリティ出力ｐ_ｔ＝ｐ（Ｂ（ｓ，ｄ_ｔ）、ｄ_ｔ）を誘発する。Ｂ（ｓ，ｄ）、Ｆ（ｓ，ｄ）及びｐ（ｓ，ｄ）は、構成する再帰的組織畳み込み符号のトレリスにより一意に特定される確定関数である。そして、符号化ビットｄ_ｔ／ｐ_ｔは、無記憶チャネル上でＸ_ｔ／Ｙ_ｔとして受信されると仮定される。

事前対数尤度比Ｖ＝（Ｖ_１，Ｖ_２，．．．，Ｖ_Ｌ）、正規化された受信組織ビット信号Ｘ＝（Ｘ_１，Ｘ_２，．．．，Ｘ_Ｌ）、及び正規化された受信パリティビット信号Ｙ＝（Ｙ_１，Ｙ_２，．．．，Ｙ_Ｌ）とすると、事後尤度比を以下のように示すことができる。

外部情報Ｗ_ｔは、ｔ＝１，２，．．．，Ｌについて、以下のように算出される。

上記等式の中のＣＯＭ演算は、以下のように定義される。

事後尤度比Λ_ｔは、ｔ＝１，２，．．．，Ｌについて、データビットｄ_ｔについての硬判定（hard decision）を行うために使用されることが可能である。具体的には、以下のとおりである。

各状態についての後方再帰メトリックβ_ｔ［ｓ］及び前方再帰メトリックα_ｔ［ｓ］は、再帰のペアにより算出される。終了した（terminated）トレリスについて、後方再帰メトリックは、以下のように初期化される。

前方再帰メトリックは、以下のように初期化される。

そして、ｔ＝Ｌ−１，Ｌ−２，．．．，１及び全てのｓ＝Ｓについて、以下のようになる。

そして、ｔ＝１，２，．．．，Ｌ−１及び全てのｓ＝Ｓについて、以下のようになる。

よって、Ｌｏｇ−ＭＡＰアルゴリズムの再帰は、逆方向のトレリス状態に訪れる２つのビタビ再帰に非常に類似する。個別の再帰の各時間ステップで、ブランチメトリックが状態メトリックに加えられるが、２つの入ってくるメトリックの最大値を取る代わりに、新たな状態メトリックが、ＣＯＭ（ｘ，ｙ）＝ｌｏｇ（ｅ^ｘ＋ｅ^ｙ）として得られる。両方の再帰が完了した後に、トレリスブランチの「合成メトリック」、α_ｔ［ｓ］＋ｐ（ｓ，ｄ_ｔ）Ｙ_ｔ＋β_ｔ＋１［Ｆ（ｓ，ｄ_ｔ）］が、２つのセットへと集められる。一方は、ｄ_ｔ＝１により生成される遷移に対応し、他方は、ｄ_ｔ＝０により生成される遷移に対応する。最後の軟出力は、ＣＯＭ演算をこれらの２つのセットに適用することから生じる２つの結果の差を取ることにより得られる。

図４は、ターボ符号化された通信データを受信するように構成される無線通信受信機の中で使用されるような、例示的な受信機処理回路４００を説明する。処理回路４００は、１つ以上のプロセッサ４１０を含む。１つ以上のプロセッサ４１０は、１つ以上のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタルシグナルプロセッサ等を含み得る。処理回路４００は、さらに他のデジタルロジック４２０を含む。いくつかの実施形態では、他のデジタルロジック４２０は、上述した軟入力軟出力畳み込み復号器の動作を含む図２において説明されたターボ復号器の１つ以上の機能の全て又は一部を実行するための、並びに／又は、図１において概略的に説明された信号検出機能及び／若しくは信号認識機能の全て又は一部を実装するための、カスタマイズされたロジックを含み得る。

プロセッサ４１０は、以下に詳細に説明される復号技術を実行するために、従来型の技術に従って、適当なソフトウェア及び／又はファームウェアで構成される。よって、処理回路４００は、（いくつかの実施形態では異なる種類のいくつかのメモリ装置を実際には含み得る）メモリ４３０を含む。メモリ４３０は、復号プログラムコード４３４を記憶する。復号プログラムコード４３４は、プロセッサ４１０により実行される場合に本明細書で説明される復号プロセスのうちの１つ以上を実行することを処理回路４００に可能にするプログラム命令を含む。メモリ４３０は、復調プログラムコード４３２及び他のプログラムコード４３６も含む。復調プログラムコード４３２は、１つ以上の復調ステージにおいて受信信号を復調するためのプログラム命令を含む。他のプログラムコード４３６は、ＷＣＤＭＡ装置等のために仕様化されたプロトコル層等の通信プロトコルの１つ以上のプロトコル層を実装する他の信号処理機能を実行するためのプログラム命令を含み得る。最後に、メモリ４３０は、構成データ及びプログラムデータ４３８を含む。構成データ及びプログラムデータ４３８は、復調、復号及び他のプロセスによる使用のためにランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）に記憶され得る。

当然ながら、様々な実施形態において、処理回路４００は、１つ又はいくつかの特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、市販コンポーネントの組み合せ、又はその両方を含んでもよいとういことを、当業者は理解するであろう。具体的には、メモリ４３０は、１つ又はいくつかの物理的なコンポーネントを含んでもよく、フラッシュ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ＲＡＭ、光記憶装置、磁気記憶装置等のいくつかのメモリの種類を含んでもよい。

上記背景を念頭に置いて、図５は3GPP TS 25.212, v.8.5.0, "3^rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Multiplexing and channel coding (FDD) (Release 8)," March 2009, pp. 18-23.において仕様化されているようなＷＣＤＭＡターボ符号についての状態遷移図であるということを、当業者は理解するであろう。具体的には、図５は、左側の円により示されている時間ｔでの可能な状態の各々から、時間ｔ＋１での可能な状態への遷移を説明する。図５における実線は、１と等しい組織ビットによりトリガされる遷移を示し、一方、破線は、０と等しい組織ビットによりトリガされる遷移を表す。

上述したように（またＢａｈｌ等の中で示されるように）、時間ｔでの各状態は、前方再帰メトリックα_ｔ（ｓ）及び後方再帰メトリックβ_ｔ（ｓ）と関連付けられる。

これらのメトリックをどのように得るかのさらなる詳細は、Ｂａｈｌの中で与えられ、当業者にとって周知である。Ｂａｈｌは、時間ｔでの情報（組織）ビットについての対数尤度値を以下に従って生成できることも示す。

χ_ｓ（ｉ）は、ｉ（ｉ＝１又は０）と等しい組織ビットによりトリガされる状態遷移のセットである。γ_ｔ（ｓ_１，ｓ_２）は、状態ｓ_１から状態ｓ_２への遷移に対応する時間ｔでのブランチメトリックである。χ_ｓ（１）に属する遷移について、ブランチメトリックは、γ_ｔ（ｓ_１，ｓ_２）＝ｐ（ｓ_１，１）Ｙ_ｔである。χ_ｓ（０）に属する遷移について、ブランチメトリックは、γ_ｔ（ｓ_１，ｓ_２）＝ｐ（ｓ_１，０）Ｙ_ｔである。

Ｊ．Ｆ．Ｃｈｅｎｇ氏の“Linearly approximated log-MAP algorithms for turbo decoding,” Proc. IEEE Vehicular Technology Conference 2000 Spring, May 2000の中で証明された技術のような、計算の複雑さを減らすいくつかの近似技術のいずれかを使用して、ＣＯＭ（ ）演算を近似できるということを、当業者は理解するであろう。最も注目すべきは、実用的な実装は、頻繁に、ＣＯＭ演算を最大演算で近似する。即ち、以下のように近似する。

いずれの場合でも、本明細書で教示される復号技術は、ＣＯＭ（ ）動作の正確な実装又は近似された実装のいずれにも組み込まれ得るということを、当業者にとって明らかであるべきである。

等式（９）の詳細を参照すると、第１のＣＯＭ（ ）演算は、１と等しい組織ビットによりトリガされる全ての遷移に関連付けられる項を処理する役割を果たし、第２のＣＯＭ（ ）演算は、０と等しい組織ビットによりトリガされる遷移に関連付けられる項を処理するということが分かる。図５を参照すると、１と等しい組織ビットによりトリガされる遷移に関連付けられる項は以下のようになることが分かる。

これらの項ｘ_１，ｘ_２，．．．ｘ_８は、中間確率値の例である。一般的に言えば、中間確率値は、第１の時間での符号器状態候補（即ち、「符号器状態候補」）と第２の時間での第２の符号器状態候補との間の各可能な遷移に対応し、外部情報及び内部情報が復号器に利用可能であることを前提として、対応する遷移の確率を表す。したがって、全ての情報が復号器に利用可能であることを前提として、上記第１の中間確率値ｘ_１は、復号されたシーケンスの中のブランチが時間ｔでの状態（０）を通って時間ｔ＋１での状態（１）へ遷移する確率を表すということを、当業者は理解するであろう。同様に、最後の項ｘ_８は、復号されたシーケンスの中のブランチが時間ｔでの状態（７）を通って時間ｔ＋１での状態（７）へ遷移する確率を表す。上記８つの項の各々は、値１を有する組織ビットによりトリガされる遷移に関連付けられる。したがって、ＣＯＭ（ｘ_１＋ｘ_２＋ｘ_３＋ｘ_４＋ｘ_５＋ｘ_６＋ｘ_７＋ｘ_８）は、組織ビット値が１である全確率を表す。

同様に、０に等しい組織ビットによりトリガされる遷移に関連付けられる項（中間確率値）は、以下のようになる。

したがって、等式（９）を以下のように書き換えることができる。

この式は、対数尤度の形で、時間ｔでの組織ビットが０である確率を差し引かれた、時間ｔでの組織ビットが１である確率を、効果的に算出する。

ＷＣＤＭＡターボ符号の状態遷移図を、１又は０であるパリティビットに従って説明することもできる。よって、図６は、同じＷＣＤＭＡターボ符号の状態遷移を説明するが、１と等しいパリティビットに関連付けられる遷移を実線で表し、０と等しいパリティビットに関連付けられる遷移を破線で表す。パリティビットの対数尤度値は、前と同じアプローチを使用して、即ちＣＯＭ（ ）演算を使用してパリティ１及び０に関連付けられる全ての項をぞれぞれ処理し、そして差を取ることで、生成されることが可能である。

χ_ｐ（ｉ）は、ｉ（ｉ＝１又は０）と等しいパリティビットに関連付けられる状態遷移のセットである。

ここで、図６において説明される状態遷移を参照すると、１と等しいパリティビットに従った遷移に関連付けられる項は、以下のようになる。

同様に、０と等しいパリティビットに従った遷移に関連付けられる項は、以下のようになる。

したがって、等式（１１）を以下のように書き換えることができる。

したがって、項ｘ_１，ｘ_２，．．．ｘ_１６は組織ビット及びパリティビットの両方についての対数尤度値を算出するのに使用されるということを、当業者は理解するであろう。等式（１０）及び（１２）において見られるように、これらの項は、異なるグルーピングで使用される。しかしながら、これらのグルーピングの共通要素が用いられて、計算が単純化され得る。

これを見るために、まず、ＣＯＭ演算が以下の性質を有することを考慮する。

この性質は、等式（１０）及び（１２）の共通項をグルーピングすることにより用いられ得る。これは、等式（１０）及び等式（１２）が別々に使用される場合よりもより効率的な手法で、以下の一連の計算を、組織ビットの対数尤度値及びパリティビットの対数尤度値を算出するために使用することを可能にする。

まず、ＣＯＭ（ ）演算が、時間ｔと時間ｔ＋１との間の遷移に対応する中間確率値の第１のグルーピングに適用されて、部分和が得られる。

この第１の部分和ω_１は、時間ｔについて１である組織ビット値及び１であるパリティビット値が受信された全確率に対応する。同様に、組織ビット値及びパリティビット値の他の可能な組み合せに対応するさらなる部分和が、以下に従って算出される。

次に、時間ｔでの組織ビットについての対数尤度値が、部分和の関数として算出される。

また、時間ｔでのパリティビットについての対数尤度値が、以下のように算出される。

上述したとおり、部分和ω_１は、組織ビット及びパリティビットが両方とも１と等しい全ての遷移に関連付けられる項を合成する。同様に、ω_２は、組織ビットが１に等しく、パリティビットが０に等しい遷移に関連付けられる項を合成する部分和を表す。ω_３は、組織ビット及びパリティビットの両方が０に等しい遷移に関連付けられる項を合成する部分和を表す。ω_４は、組織ビットが０に等しく、パリティビットが１に等しい遷移に関連付けられる項を合成する部分和を表す。

例えば等式（１２）を直接的に使用するパリティビットの軟値を得るための力ずくの計算は、ｘ_ｉの項の各々を得るための３２回の加算、ＣＯＭ（ ）演算を実行するための１４回の加算、及び最終的な軟値を得るための１回以上の加算（又は減算）を必要とする。したがって、４７回の加算が、パリティビットの軟値を算出するために必要である。しかしながら、上記概略のアプローチでは、３回の加算のみが、パリティビットについての軟値を算出するために必要である。さらに、これらは、組織ビット値についての軟値を算出するのに既に必要であった。これは、パリティビットの軟値の算出について、力ずくの方式と比べて複雑さが９４％減少していることを表す。

組織ビット及びパリティビットについての軟値の生成の複雑さが、レート１／３のターボ符号について共に考慮される場合に、力ずくの方式は、４７＊３＝１４１の加算を必要とし、一方、上述したアプローチは、必要な加算演算を４７＋３＋３＝５３まで減らす。６２．４％の減少である。ＷＣＤＭＡシステム及びＬＴＥシステムでは、パリティビットをパンクチャリングすることを通して、より高い符号化レートが得られる。しかしながら、パンクチャリングの戻し（undo）及びパンクチャリングの演算は、符号器及び復号器の外側で発生する。したがって、ターボ復号器は、復号において、「マザー（mother）」レート１／３符号のトレリスを常に使用する。これは、提案される方式によって達成される複雑さの削減がこれらのシステムにおける全ての有効な符号レートについて同様であるということを意味する。

ＷＣＤＭＡターボ復号器についての特定の技術を念頭に置いて、図７のプロセスフロー図は、通信送信機で符号化された受信通信データを復号する一般的な方法を説明するということを、当業者は理解するであろう。より具体的には、図７は、ターボ復号プロセスの少なくとも１回の反復について少なくとも１つの構成する軟入力軟出力（ＳＩＳＯ）畳み込み復号器により実装されるプロセスを説明する。

ブロック７１０で示されるように、所与の反復についてのプロセスは、既知の技術に従ったブランチメトリックの算出で始まる。これらのブランチメトリックは、第１の時間での第１の複数の復号器状態候補と第２の時間での第２の複数の復号器状態候補との間の各ブランチに対応する。同様に、復号器状態候補の各々に対応する前方再帰メトリック、及び復号器状態候補の各々に対応する後方再帰メトリックは、それぞれ、ブロック７２０及び７３０で示されるように、全てのｔ（ｔ＝０，１，．．．，Ｌ）について算出される。

ブロック７４０で示されるように、プロセスは、第１の複数の復号器状態候補と第２の複数の復号器状態候補との間の各可能な遷移に関連付けられる中間確率値の算出を続ける。これらの中間確率値は、各遷移に対応するブランチメトリック、各開始復号器状態候補に対応する前方再帰メトリック、及び各終了復号器状態候補に対応する後方再帰メトリックの関数として算出される。

次に、ブロック７５０で示されるように、組織ビット値及び／又はパリティビット値のいくつかの組み合せの各々についての部分和が算出される。図５及び図６に関連して上述された復号器のような基数２の復号器では、これらの計算は、例えば、等式（１４）−（１７）の形を取り得る。この場合に、４つの部分和が算出される。各部分和は、第１の符号器状態と第２の符号器状態との間の遷移についての組織ビット及びパリティビットの可能な組み合せに対応する。後に、例示的な基数４の復号器についての部分和の算出が示される。

ブロック７５０で示されるように、部分和が使用されて、第１の時間と第２の時間との間の区間（interval）（遷移）に対応する少なくとも１つの組織ビットについての軟値が算出される。同様に、ブロック７６０で示されるように、部分和が使用されて、関心のある遷移に対応する少なくとも１つのパリティビットについての軟値が算出される。上述された例示的な基数２の復号器について、これらの計算は、例えば、等式（１８）及び（１９）の形を取り得る。基数４の復号器へのこれらの技術の適用は、以下で議論される。

ターボ復号のスループットを向上するために、基数４のターボ復号器が最近提案されている（Ｍ．Ｂｉｃｋｅｒｓｔａｆｆ氏、Ｌ．Ｄａｖｉｓ氏、Ｃ．Ｔｈｏｍａｓ氏、Ｄ．Ｇａｒｒｅｔｔ氏及びＣ．Ｎｉｃｏｌ氏の“A 24Mb/s Radix-4 LogMAP Turbo Decoder for 3GPP-HSDPA Mobile Wireless,” Proc. IEEE International Solid-State Circuits Conference, 2003を参照）。一度に１つのトレリスステージを処理する従来型の（基数２の）ターボ復号器と比べて、基数４のターボ復号器は、２つのトレリスステージを処理して、復号のスループットを倍増させる。セルラーシステムにおけるデータレートはますます向上するので、基数４のターボ復号器はより重要となり得る。

図８は、２つの組織ビットに従ったＷ−ＣＤＭＡターボ符号の状態遷移図を説明する。１である組織ビット値に従った遷移は実線で示され、０である組織ビット値に従った遷移は破線で示されている。基数４であるターボ復号器において、復号器は、偶数インデックス付きのトレリスステージのみについての前方状態メトリック及び後方状態メトリックを算出する。例えば、時間ｔ＋２での状態０についての前方ステージメトリックが、以下のように時間ｔでのものから算出される。

偶数インデックス付きのトレリスステージで利用可能な前方メトリック及び後方メトリックに基づいて、時間ｔ及びｔ＋１での組織ビット並びにパリティビットについての対数尤度値を、以下の手順に従って算出することができる。

まず、中間確率値が算出される。

次に、中間確率値から部分和が算出される。

これらの部分和のうちのはじめの４つの部分和Φ_０、Φ_１、Φ_２、及びΦ_３は、それぞれ、０−０、０−１、１−０及び１−１の連続する組織ビット値の全確率に対応する。同様に、最後の４つの部分和Φ_４、Φ_５、Φ_６、及びΦ_７は、それぞれ、０−０、０−１、１−０及び１−１の、時間ｔから時間ｔ＋２への遷移についての連続するパリティビット値の全確率値に対応する。

最後に、時間ｔ及びｔ＋１の両方についての組織ビットの対数尤度値が、部分和から算出される。

時間ｔ及びｔ＋１についてのパリティビットの対数尤度値が、部分和から算出される。

再び、このアプローチは、パリティビットの軟値が望まれる場合に、基数４のターボ復号についての計算の複雑さを大幅に減少させる。力ずくの方法によれば、パリティビットの軟値を計算するのに１３０回の加算が必要である。上記開示された技術では、１８回の加算のみが必要である。８６％の減少である。

本発明に従った基数４の復号処理の一実施形態の上記説明を考慮して、図９のプロセスフロー図は、基数４の復号器についての部分和の計算及び当該復号器における組織ビット及びパリティビットについての軟値の計算を説明するということを、当業者は理解するであろう。よって、ブロック９１０で示されるように、上述したように、各２ビットの組織ビットのシーケンス及び各２ビットのパリティビットのシーケンスについて部分和が算出される。ブロック９２０で、例えば、等式（２１）及び（２２）に従って、部分和から、連続する組織ビットのペアについての軟値が算出される。同様に、例えば等式（２３）及び（２４）に従って、部分和から、対応するパリティビットのペアについての軟値が算出される。

当然ながら、本発明は、本発明の不可欠な特徴から逸脱することなく、本明細書において具体的に説明される手段以外の手段で実行され得る。したがって、例えば、本明細書で開示される本発明の技術は、詳細に上述されたようなＷＣＤＭＡ受信機、若しくは他の無線ネットワークにおける動作のために構成される受信機における復号プロセス、及び／又は他の特定のターボ符号に従った復号プロセスに適用され得る。本発明の実施形態は、上述された技術の１つ以上に従った方法、これらの方法の１つ以上を実行するように構成される復号器回路、及び当該復号器回路を含む無線受信機を含む。詳細に上述された実施形態は、全ての点において、説明のためであり限定のためではないと考えられるべきである。また、添付の特許請求の範囲の意味及び等価な範囲内から生じる全ての変更は、特許請求の範囲に包含されることを意図されている。

Claims (12)

1. 受信された通信データを復号するための通信受信機における基数４の復号器の方法であって、少なくとも１つの軟入力軟出力復号器における少なくとも１回の反復の各々について：
   ２つの連続する組織ビット値及び２つの連続するパリティビット値の異なる組合せにそれぞれ対応する中間確率値を算出するステップと；
   対応する前記中間確率値に基づいて、２つの連続する組織ビット値の各可能な組み合せについての部分和、及び２つの連続するパリティビット値の各可能な組み合せについての部分和を算出するステップと；
   ２つの連続する組織ビット値の各可能な組合せについての前記部分和の第１の関数として、第１の時間と第２の時間との間の区間に対応する前記受信された通信データの２つの連続する組織ビットの各々についての軟値を推定するステップと；
   ２つの連続するパリティビット値の各可能な組合せについての前記部分和の第２の関数として、前記第１の時間と前記第２の時間との間の前記区間に対応する前記受信された通信データの２つの連続するパリティビットの各々についての軟値を推定するステップと；
   を含む方法。
2. 前記中間確率値を算出する前記ステップは、第１の複数の復号器状態候補の各々に対応する前方回帰メトリック、第２の複数の復号器状態候補の各々に対応する後方回帰メトリック、並びに前記第１の複数の復号器状態候補と前記第２の複数の復号器状態候補との間の各ブランチに対応するブランチメトリックに基づく、請求項１の方法。
3. 前記２つの連続するパリティビットの各々についての前記軟値を推定する前記ステップは、１８回の加算だけ前記方法の計算の複雑さを増加させる、請求項１の方法。
4. 前記組織ビットの各々についての推定される前記軟値、若しくは前記パリティビットの各々についての推定される前記軟値、又はその両方の軟値は、対数尤度値を含む、請求項１の方法。
5. 少なくとも１つの軟入力軟出力復号プロセスにおける少なくとも１回の反復の各々について：
   ２つの連続する組織ビット値及び２つの連続するパリティビット値の異なる組合せにそれぞれ対応する中間確率値を算出し；
   対応する前記中間確率値に基づいて、２つの連続する組織ビット値の各可能な組み合せについての部分和、及び２つの連続するパリティビット値の各可能な組み合せについての部分和を算出し；
   ２つの連続する組織ビット値の各可能な組合せについての前記部分和の第１の関数として、第１の時間と第２の時間との間の区間に対応する受信された通信データの２つの連続する組織ビットの各々についての軟値を推定し；
   ２つの連続するパリティビット値の各可能な組合せについての前記部分和の第２の関数として、前記第１の時間と前記第２の時間との間の前記区間に対応する前記受信された通信データの２つの連続するパリティビットの各々についての軟値を推定する；
   ように構成される基数４の復号器回路。
6. 前記復号器回路は、第１の複数の復号器状態候補の各々に対応する前方回帰メトリック、第２の複数の復号器状態候補の各々に対応する後方回帰メトリック、並びに前記第１の複数の復号器状態候補と前記第２の複数の復号器状態候補との間の各ブランチに対応するブランチメトリックに基づいて、前記中間確率値を算出するように、構成される、請求項５の復号器回路。
7. 前記２つの連続するパリティビットの各々についての前記軟値の推定は、１８回の加算だけ復号器の計算の複雑さを増加させる、請求項５の復号器回路。
8. 前記組織ビットの各々についての推定される前記軟値、若しくは前記パリティビットの各々についての推定される前記軟値、又はその両方の軟値は、対数尤度値を含む、請求項５の復号器回路。
9. ２つの構成する畳み込み符号器を含むターボ符号器により通信送信機で符号化された通信データを受信するように構成される通信受信機であって、前記通信受信機は、２つの畳み込み復号器回路を含む基数４のターボ復号回路を備え、前記畳み込み復号器回路の各々は、少なくとも１つの軟入力軟出力復号プロセスにおける少なくとも１回の反復の各々について：
   ２つの連続する組織ビット値及び２つの連続するパリティビット値の異なる組合せにそれぞれ対応する中間確率値を算出し；
   対応する前記中間確率値に基づいて、２つの連続する組織ビット値の各可能な組み合せについての部分和、及び２つの連続するパリティビット値の各可能な組み合せについての部分和を算出し；
   ２つの連続する組織ビット値の各可能な組合せについての前記部分和の第１の関数として、第１の時間と第２の時間との間の区間に対応する受信された通信データの２つの連続する組織ビットの各々についての軟値を推定し；
   ２つの連続するパリティビット値の各可能な組合せについての前記部分和の第２の関数として、前記第１の時間と前記第２の時間との間の前記区間に対応する前記受信された通信データの２つの連続するパリティビットの各々についての軟値を推定する；
   ように構成される、通信受信機。
10. 前記畳み込み復号器回路は、第１の複数の復号器状態候補の各々に対応する前方回帰メトリック、第２の複数の復号器状態候補の各々に対応する後方回帰メトリック、並びに前記第１の複数の復号器状態候補と前記第２の複数の復号器状態候補との間の各ブランチに対応するブランチメトリックに基づいて、前記中間確率値を算出するように、構成される、請求項９の通信受信機。
11. 前記２つの連続するパリティビットの各々についての前記軟値の推定は、１８回の加算だけ復号器の計算の複雑さを増加させる、請求項９の通信受信機。
12. 前記組織ビットの各々についての推定される前記軟値、若しくは前記パリティビットの各々についての推定される前記軟値、又はその両方の軟値は、対数尤度値を含む、請求項９の通信受信機。

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