KR100374787B1 - 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 디코더 및 그 방법들 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 페이딩(fading) 채널에 강한 터보 코드의 장점과 대역 효율성의 장점을 갖는 티.씨.엠(Trellis-Coded Modulation)을 결합하여 구현된 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 디코더 및 그 방법들에 관한 것이다.
기존의 티.씨.엠 방법은 전송하고자 하는 정보를 고속 전송하는 데 적합한 대역 효율이 높은 방식이다. 반면에, 심볼간 간섭에 매우 민감하여 페이딩이 있는 무선 통신 시스템보다 유선 통신 시스템에 많이 응용되는 방식이다. 터보 부호는 심볼간 간섭이 심한 채널에 강하고 우수한 에러정정 능력을 갖는 에러정정 부호화 방법이지만 낮은 부호율 때문에 데이터 전송률이 떨어지고 대역효율이 낮은 단점이 있다. 본 발명은 기존의 티.씨.엠과 터보 부호의 단점들을 보완하기 위해서 터보 부호를 부호율이 m/(m+1)인 티.씨.엠에 적용하여 심볼간 간섭에 강하면서 전력 및 대역 효율이 좋은 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠을 제시한다. 본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠을 디코딩하는 방법으로 SOVA 알고리즘을 이용하여, 디코더의 복잡도와 패스 메모리를 줄인다. 또한, 본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠은 병렬 트랜지션을 갖도록 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 인코더 및 디코더를 구현하여 그 복잡도를 줄인다. 본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠은 고속 무선통신 시스템에 적용되어 대역효율 및 코딩 이득을 높일 수 있다.

Description

대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 디코더 및 그 방법들{Bandwidth-efficient concatenated trellis-coded modulation decoder and method thereof}
본 발명은 고속 무선 통신시스템에서 전송하고자 하는 고속의 정보를 신뢰적으로 전송 및 수신할 수 있도록 하는 오류 정정 디코더 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 페이딩(fading) 채널에 강한 터보 코드의 장점과 대역 효율성의 장점을 갖는 티.씨.엠(Trellis-Coded Modulation)을 결합하여 구현된 대역 효율적인 연쇄티.씨.엠 디코더 및 그 방법에 관한 것이다.
정보화 사회가 가속화됨에 따라, 기존의 정보 전송률보다 높은 정보 전송율을 요구하게 되었다. 이에 따라, 주어진 대역을 이용하여 효율적으로 많은 정보를 전송하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한, 이동성을 중요시하여 기존의 유선통신이 담당하던 영역까지도 무선으로 대치하려는 연구들에 집중을 가하고 있다. 이러한 요구에 부응하기 위해 고속 무선 통신 시스템에 대한 필요성이 대두되었다.
고속 무선 통신 시스템은 주어진 대역폭을 이용하여 가능한 많은 정보를 고속으로 신뢰성있게 전송하여야 한다. 이러한 신뢰성있는 고속 무선 통신을 위해서는 전송하고자 하는 정보 이외에 부가적으로 첨가되는 리던던시(redundancy)가 적으면서도 신뢰적으로 정보를 주고 받을 수 있어야 한다. 또한, 이동성을 보장하면서도 신뢰성있는 무선통신을 하기 위해서 무선통신 시스템에서 야기되는 ISI(InterSymbol Interference)에 강하도록 시스템을 설계하여야 한다.
일반적으로, 채널 코드의 이득은 대역폭 확장(bandwidth expansion)에 의해 얻어진다. 채널 코드는 리던던시(redundancy)를 이용하여 전송하고자 하는 정보의 신뢰도를 보장하는 것이다. 그러나, 이런 부가 비트의 사용량에 비례하여 에러 정정 능력은 증가하지만, 데이터 전송율의 저하를 초래하여 대역폭의 사용 효율이 떨어지게 된다. 즉, 신뢰도를 보장받기 위해서 지불해야 하는 대가로 데이터 전송율이 낮아진다거나 송신 전력(TX power)이 증가하게 된다. 일반적으로 전력, 대역폭, 오류 확률의 세 가지 변수는 트레이드 오프(trade-off) 관계에 있으므로, 어느 한 쪽을 희생해야 다른 한 쪽이 이득을 얻을 수 있다.
이러한 문제를 해결하는 방법으로 대역폭을 확장하지 않으면서 코딩 이득을 얻을 수 있는 티.씨.엠(trellis coded modulation)이라고 하는 변조와 코딩 기술을 결합한 기술이 Ungerboeck에 의해 소개되었다. 티.씨.엠 방식의 주목적은 대역폭의 증가없이 부호화하지 않은 경우에 비하여 좀 더 나은 부호 이득을 얻는 것이다. 이것은 전력, 대역폭, 오류 확률간의 트레이드 오프(trade-off) 원리에 어긋나는 것 같지만, 티.씨.엠이 얻는 코딩 이득과 디코더 복잡성(decoder complexity)과의 트레이드 오프 관계로 볼 수 있다.
티.씨.엠은 다중레벨/위상(multilevel/phase) 변조 신호 집합을 트렐리스 부호화 스킴(trellis coding scheme)과 결합한 것이다. 티.씨.엠에서는 신호의 집합을 하나의 리던던시(redundancy)로 볼 수 있다. 즉, 임의의 정보 비트의 신호 집합 2m을 (2m+1)로 증가시켜 신호 집합(signal set)에 대한 부호화를 수행함으로써 코딩 이득을 얻고, 반대 급부로 디코더의 복잡성을 희생하는 것이다. 그러나, 티.씨.엠 방식은 부가 백색 가우시안 잡음(Additional White Gaussian Noise : AWGN) 채널에서는 전송하고자 하는 정보 비트를 높은 전송률로 전송하여 대역 효율을 증가시킬 수 있지만, 심볼간 간섭(Intersymbol Interference : ISI)에 매우 민감하므로 페이딩(fading) 채널에서는 신뢰도가 크게 떨어진다는 단점이 있다. 그러므로, 상기한 장점에도 불구하고 티.씨.엠 방식은 무선 통신 분야에서 외면당해야 했고, 유선 통신의 모뎀(MODEM) 부분에서만 그 명맥을 유지해 왔다.
터보 부호(Turbo codes) 방법은 채널 코드 분야에서 연쇄 코딩(concatenated coding)과 반복 디코딩(iterative decoding)으로 소개되었다. 1993년에 Berrou에의해 발표된 터보 부호(Turbo codes) 방법은 낮은 신호 대 잡음비(SNR), 페이딩(fading)과 신호간 간섭(ISI), 그리고 부가 백색 가우시안 잡음(AWGN) 등의 신호 왜곡 때문에 발생하는 오류 확률을 최소화할 수 있는 강력한 오류 정정 부호 방법이다. 부호율 1/2, 터보 부호기 생성식이 G1=37, G2=21, 인터리버 크기가 256×256인 터보 부호(Turbo codes) 방법은 부가 백색 가우시안 채널에서 디코딩 반복 횟수가 18일때, 비트 오류 확률 Pe=10-5을 얻기 위해서 요구되는 Eb/N0가 0.7dB로, 매우 우수한 에러 정정 능력을 갖는다. 이러한 우수한 오류 정정 능력과 페이딩 및 간섭에 대한 강인함 때문에, 최근의 유무선 통신 분야에서 터보 부호(Turbo codes)를 채널 코드로 채택하려는 움직임이 증가하고 있다.
그러나, 터보 부호(Turbo codes)는 그 구조상 일반적으로 부호율이 1/2 이하이다. 즉, 터보 부호(Turbo codes)는 원래 부호율 1/n으로 설계된 것인데, 이것은 부호율이 0.5 이하이므로 실제 데이타를 전송하기 위해서 전송하고자 하는 정보 비트 수와 같은 수 이상의 부가 비트들을 같이 전송해야 한다. 즉, 데이터 전송률이 떨어지고 대역 효율이 낮은 단점이 있다. 그러나, 터보 부호(Turbo codes)는 페이딩(fading) 채널에 강하므로, 고속 무선 이동 통신채널에 오류 정정 능력이 우수한 터보 부호(Turbo codes) 방법을 적용함으로써 페이딩(fading)을 극복할 수 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 터보 부호(Turbo codes)의 낮은 부호율을 극복하고, 티.씨.엠의 페이딩(fading) 채널에 대한 열화를 보완하기 위해 이 두 방식을 결합한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 복호화 장치 및 그 방법을 제공함을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠의 인코더의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠을 위한 집합 분할(set partitioning) 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠의 디코더의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠의 디코더를 위한 신뢰도(extrinsic value)를 계산하는 과정을 설명하기 위한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 인코더는 소정의 크기의 m 비트 데이터 시퀀스를 입력받아, 각 데이터마다 1 비트의 패러티 비트를 재귀적으로 생성하고, 상기 패러티 비트를 포함한 (m+1) 비트 코드워드 시퀀스를 M진 심볼들로 매핑시키는 기본 티.씨.엠 인코딩부; 상기 소정의 크기의 m 비트 데이터 시퀀스를 입력받아 소정의 방식으로 페어와이즈 인터리빙하고, 페어와이즈 인터리빙된 데이터 시퀀스의 각 데이터마다 1 비트의 패러티 비트를 재귀적으로 생성하고, 상기 패러티 비트를 포함한 (m+1) 비트의 코드워드 시퀀스를 M진 심볼들로 매핑시키고, M진 심볼들을 상기 소정의 방식과 대응하는 방식으로 페어와이즈 디인터리빙하는 하나 이상의 추가 티.씨.엠 인코딩부들; 및 상기 기본 티.씨.엠 인코딩부 및 상기 하나 이상의 추가 티.씨.엠 인코딩부들의 출력들을 펑크쳐링하는 스위치를 포함한다.
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 디코더는 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 인코더에 의해 인코딩되어 채널을 거쳐 수신된 소정의 수의 심볼들을 분배하여 주는 디멀티플렉서; 현재 사전확률값과 상기 디멀티플렉서로부터 분배된 심볼들을 입력받아, 검출값 및 그 검출값의 신뢰도를 생성하고, 생성된 검출값 및 그 검출값의 신뢰도를 곱하여 다음 사전확률값을 생성하는 제1 내지 제N 티.씨.엠 디코딩부들; 및 상기 제1 내지 제N 티.씨.엠 디코딩부들의 동작이 소정의 횟수 만큼 반복한 이후, 상기 제N 티.씨.엠 디코딩부의 출력으로부터 최종 데이터를 검출하는 데이터 검출부를 포함하고, 상기 제1 내지 제N 티.씨.엠 디코딩부들은 상호 루프 형태로 연결되어, 각각 자신이 생성한 다음 사전확률값을 현재 사전확률값으로서 다음 티.씨.엠 디코딩부로 전달하는 것을 특징으로 한다(여기서, N은 2 이상의 정수).
상기의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 인코딩 방법은 (a) 소정의 크기의 m 비트 데이터 시퀀스를 입력받아, 각 데이터마다 1 비트의 패러티 비트를 재귀적으로 생성하고, 상기 패러티 비트를 포함한 (m+1) 비트 코드워드 시퀀스를 M진 심볼들로 매핑시키는 단계; (b) 상기 소정의 크기의 m 비트 데이터 시퀀스를 입력받아 소정의 방식으로 페어와이즈 인터리빙하고, 페어와이즈 인터리빙된 데이터 시퀀스의 각 데이터마다 1 비트의 패러티 비트를 재귀적으로 생성하고, 상기 패러티 비트를 포함한 (m+1) 비트의 코드워드 시퀀스를 M진 심볼들로 매핑시키고, M진 심볼들을 상기 소정의 방식과 대응하는 방식으로 페어와이즈 디인터리빙하는 단계; 및 (c) 상기 (a) 단계 및 상기 (b) 단계에서 각각 생성된 심볼들을 펑크쳐링하여 전송하는 단계를 포함한다.
상기의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 디코딩 방법은 (a) 수신된 소정수의 심볼들에 의해 초기 사전확률값을 생성하는 단계; (b) 상기 수신된 소정수의 심볼들 중 대응하는 일부의 심볼들과 상기 초기 사전확률값에 의해 생성된 검출값 및 그 검출값의 신뢰도를 곱하여 다음 사전확률값을 생성하는 단계; (c) 상기 다음 사전 확률값을 현재 사전확률값으로 두고, 소정의 방식에 의해 페어와이즈 인터리빙된 현재 사전확률값과 상기 수신된소정수의 심볼들 중 대응하는 일부의 심볼들에 의해 생성된 검출값 및 그 검출값의 신뢰도를 곱하여 다음 사전확률값을 생성하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계에서 생성된 다음 사전확률값을 상기 (b) 단계의 상기 초기 사전확률값에 대체시켜 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계를 소정의 횟수 만큼 반복한 후, 최종 데이터를 검출하는 단계를 포함한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1에 의하면, 본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 인코더의 일실시예는 기본 티.씨.엠 인코딩부(1), 추가 티.씨.엠 인코딩부(2) 및 스위치(3)를 포함하여 구성된다. 본 실시예에서는 추가 티.씨.엠 인코딩부(2)가 하나 뿐이지만, 본 발명은 하나 이상의 추가 티.씨.엠 인코딩부가 포함되는 모든 실시예를 포함한다. 도 1에 의한 본 발명의 일실시예에서, 기본 티.씨.엠 인코딩부(1)는 제1 재귀적 인코더(10), 바람직하게는 m/(m+1) RSC(Recursive Systematic Convolutional code)와 제1 심볼 매퍼(symbol mapper)(14)를 구비하고, 추가 티.씨.엠 인코딩부(2)는 페어와이즈 인터리버(pairwise interleaver)(12), 제2 재귀적 인코더(11), 바람직하게는 m/(m+1) RSC, 제2 심볼 매퍼(15) 및 페어와이즈 디인터리버(pairwise de-interleaver)(13)를 구비한다.
제1 재귀적 인코더(10)는 임의의 m 비트 데이터 시퀀스를 입력하여 (m+1) 비트의 코드워드를 출력하고, 제1 심볼 매퍼(14)는 (m+1) 비트의 코드워드를 M진수 심볼들 중 하나의 심볼로 매핑한다.
페어와이즈 인터리버(12)는 상기 임의의 m 비트 데이터 시퀀스를 입력하여페어와이즈하게 인터리빙하고, 제2 재귀적 인코더(11)는 페어와이즈 인터리버(12)의 출력을 입력으로 하여 (m+1) 비트의 코드워드를 출력한다. 제2 심볼 매퍼(15)는 이 코드워드를 임의의 M진 심볼로 매핑하며, 페어와이즈 디인터리버(13)는 M진 심볼을 다시 페어와이즈하게 디인터리빙한다. 여기서 제1 심볼 매퍼(14) 및 제2 심볼 매퍼(15)는 각각 도 2의 집합 분할(set partitioning) 방법을 이용하여 임의의 코드워드를 심볼로 매핑한다. 도 1에서 제1 재귀적 인코더(10) 및 제2 재귀적 인코더(11) 내부의 D는 지연기를 나타낸다.
스위치(16)는 기본 티.씨.엠 인코딩부(1)에 의해 출력된 심볼들과 추가 티.씨.엠 인코딩부(2)에 의해 출력된 심볼들을 펑크쳐링(puncturing)하여 채널을 통하여 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 디코더로 전달한다.
도 1에 도시된 본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 인코더의 일실시예의 동작과정을 예를들어 자세히 설명하면 다음과 같다.
임의의 데이터 시퀀스(여기서,)는 제1 재귀적 인코더(10)에 입력되어,로 출력된다. 여기서,이고,은 제1 재귀적 인코더(10)에 의해 생성된 패러티 비트(parity bit)이다. 제1 재귀적 인코더(10) 출력값 (X1,C1)은 제1 심볼 매퍼(14)에 의해 심볼들로 심볼 매핑되어 출력된다.
한편, 제2 재귀적 인코더(11)를 위한 입력 데이터 시퀀스,는 데이터 시퀀스가 페어와이즈 인터리버(12)를 거쳐 데이터의 순서가 바뀐 것이다. 본 발명에서 둘 이상의 추가 티.씨.엠 인코딩부들이 포함되는 또 다른 실시예의 경우에, 각 추가 티.씨.엠 인코딩부에 포함된 페어와이즈 인터리버들은 각각 데이터의 순서 변경 방식을 달리한다.
제2 재귀적 인코더(11)의 출력값은인데, 여기서,은 제2 재귀적 인코더(11)에 의해 생성된 패러티 비트(parity bits)이다. 제2 재귀적 인코더(11)의 출력 (X2,C2)은 제2 심볼 매퍼(15)에 의해 임의의 심볼로 심볼 매핑된 후 페어와이즈 디인터리버(13)에 의해 디인터리빙된다.
전체 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠의 부호율을 m/(m+1)로 맞추기 위해, 제1 심볼 매퍼(14)에 의해 출력된 심볼과 페어와이즈 디인터리버(13)에 의해 출력된 심볼을 스위치(16)에 의해 펑크쳐링(puncturing)한다. 여기서, 펑크쳐링(puncturing)은 스위칭(switching)하는 것에 해당하며, 제1 심볼 매퍼(14)에 의해 출력된 심볼과 페어와이즈 디인터리버(13)에 의해 출력된 심볼을 번갈아 출력하는 것이다. 결과적으로 도 1에 도시된 본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 인코더의 일실시예로부터 출력되는 심볼들은이다.
또한, 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 인코더의 제1 재귀적 인코더(10) 및 제2재귀적 인코더(11)에서중 b1을 패러티 비트(parity bit) 생성에 영향을 주지 않도록 하여 부호화하면, 수신측에서 디코더가 병렬 트랜지션(parallel transition)을 이용하여 복호화할 수 있어 디코딩 복잡도를 줄일 수 있다.
도 2는 도 1의 제1 심볼 매퍼(14) 및 제2 심볼 매퍼(15)가 참조하는 심볼 매핑 규칙로서, Ungerboek의 집합 분할(set partitioning) 방법이다. 이 집합 분할 방법으로 검출 오류를 줄일 수 있다.
도 3은 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 디코더의 일실시예는 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 부호화 장치의 출력이 채널을 거쳐 왜곡되어 수신된 “R”을 각각의 디코더에 나누어 주는 디멀티플렉서(demultiplexer)(26), 제0 티.씨.엠 디코딩부, 제1 티.씨.엠 디코딩부, 제2 티.씨.엠 디코딩부 및 데이터 검출부를 포함하여 구성된다. 본 실시예에서는 제2 티.씨.엠 디코딩부(2)가 하나 뿐이지만, 본 발명은 하나 이상의 제2 티.씨.엠 인코딩부가 포함되는 모든 실시예를 포함한다.
제0 티.씨.엠 디코딩부(26)는 제0 재귀적 디코더(38), 바람직하게는 SOVA(Soft-Output Viterbi Algorithm) 디코더 및 벡터 곱셈기(vector multiplier)(39)를 구비하고, 제1 티.씨.엠 디코딩부(22)는 제0 재귀적 디코더(30), 바람직하게는 SOVA 디코더, 벡터 곱셈기(31), 정규화기(32) 및 스위치(40)를 구비하고, 제2 티.씨.엠 디코딩부(24)는 페어와이즈 인터리버(pairwise interleaver)(33), 제2 재귀적 디코더(34), 바람직하게는 SOVA 디코더, 벡터 곱셈기(35), 페어와이즈 디인터리버(de-interleaver)(36) 및 정규화기(37)를 구비한다.
제1 재귀적 디코더(30) 및 제2 재귀적 디코더(34)는 각각 디멀티플렉서(20)로부터 해당하는 디코더 입력을 입력받아, 트렐리스(trellis)를 이용하여 수신된 심볼들로부터 송신되었다고 추정되는 데이터들로 복호한 후에, 이들 각각의 데이터들에 대한 확률값(soft-output)을 출력한다. 여기서, 확률값(soft-output)을 구하는 방법은 도 4에 도시되어 있다.
도 3의 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 디코더에서 알 수 있는 바와 같이, 각 재귀적 디코더(30, 34, 38)은 입력된 정보를 이용하여 새로운 검출값과 그 검출값에 대응하는 신뢰도(extrinsic value)를 같이 출력하게 된다. 이러한 신뢰도는 디코더가 입력된 심볼로부터 송신단에서 송신되었을 거라 추정되는 데이터들로 복호화한 후, 이 복호화된 데이터가 원래의 데이터와 일치할 확률을 나타낸다. 이전 단의 티.씨.엠 디코딩부에서 출력된 추정 데이터들과 신뢰도(extrinsic value)를 동시에 이용하여, 그 다음단의 티.씨.엠 디코딩부는 새로운 디코딩을 하게 된다. 즉, 이전 단의 티.씨.엠 디코딩부의 출력값은 다음 단의 티.씨.엠 디코딩부의 사전확률(a priori probability)로 작용하며, 다음 단의 티.씨.엠 디코딩부는 이것을 이용하여 다시 새롭게 계산된 검출값과 소프트 아웃풋(soft-output)을 출력하여 다시 그 다음 단의 티.씨.엠 디코딩부로 넘겨준다.
한편, 채널을 거쳐 수신된 심볼들을 디멀티플렉스하기 전의 전체 수신 심볼 “R"을 입력으로 하여 제0 티.씨.엠 디코딩부(26)에서 전체 수신 심볼들에 대한 초기의 소프트 아웃풋(soft-output)을 구하는 과정이 있다. 이것은 제1 티.씨.엠 디코딩부(22)로 입력되는 사전확률(a priori probability)을 구하기 위한 과정이다. 이와 같은 과정을 추가함으로써, 본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 디코더의 성능을 개선할 수 있다.
이하에서 도 3에 도시된 본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 디코더의 일실시예의 동작 과정을 설명한다.
송신단에서 송신된 심볼들이 채널을 거쳐 왜곡되어 수신된 심볼 시퀀스를 “R”이라 하면, 제1 티.씨.엠 디코딩부(22)에서의 초기 에러율을 줄이기 위해서 제0 재귀적 디코더(38)는 전체 수신 심볼 시퀀스 “R”에 대해서 신뢰도(extrinsic value) 및 추정된 디코딩 데이터들을 출력한다. 벡터 곱셈기(39)는 이렇게 출력된 추정 디코딩 데이터들과 신뢰도(extrinsic value)를 곱하여 제1 재귀적 디코더(30)에 넘겨준다.
제1 재귀적 디코더(30)은 벡터 곱셈기(39)에 의해 생성된 사전확률(a priori probability) 및 디멀티플렉서(20)에 의해 “R”로부터 추려진 수신 심볼들 “r1”을 이용하여 새로운 추정 디코딩 데이터들 및 새로운 신뢰도(extrinsic value)를 출력한다. 여기서, “r1”은 도 1의 기본 티.씨.엠 인코딩부(1)의 출력에 대응된다. 이렇게 출력된 추정 디코딩 데이터들과 신뢰도(extrinsic value)는 벡터 곱셈기(31)에 의해 서로 곱해지고, 정규화기(32)에 의해 정규화된다.
이 값들은 인터리버(33)에 의해 페어와이즈 인터리빙되어 제2 재귀적 디코더(34)로 입력된다. 이렇게 입력되는 값은 제2 재귀적 디코더(34)의 사전확률(a priori probability)로 작용한다. 제2 재귀적 디코더(34)는 이와 같은사전확률(a priori probability) 및 디멀티플렉서(20)에 의해 “R”로부터 추려진 수신 심볼들 “r2”를 이용하여 새로운 추정 디코딩 데이터들 및 새로운 신뢰도(extrinsic value)를 출력한다. 여기서, “r2”는 도 1의 추가 티.씨.엠 인코딩부(2)의 출력에 대응된다. 이 값들은 벡터 곱셈기(35)에 의해 곱해지고, 디인터리버(36)에 의해 페어와이즈 디인터리빙된 후, 정규화기(37)에 의해 정규화된다.
정규화기(37)에 의해 정규화된 값은 다시 사전확률(a priori probability)로서 제1 재귀적 디코더(30)에 입력된다. 이렇게 입력된 사전확률(a priori probability)과 “r1”을 이용하여 제1 재귀적 디코더(30)은 새롭게 추정된 디코딩 데이터들과 새로운 신뢰도(extrinsic value)를 출력하고, 이 값들은 벡터 곱셈기(31)에 의해 곱해지고, 정규화기(32)에 의해 정규화된 후, 인터리버(33)에 의해 페어와이즈 인터리빙되어 제2 재귀적 디코더(34)에 사전확률(a priori probability)로 입력된다. 이 값을 이용하여 제2 재귀적 디코더(34)는 새롭게 추정된 디코딩 데이터들과 새로운 신뢰도(extrinsic value)를 출력한다. 이 값들은 벡터 곱셈기(35)에 의해 곱해지고, 디인터리버(36)에 의해 페어와이즈 디인터리빙된 후, 정규화기(37)에 의해 정규화된 후, 제1 재귀적 디코더(30)에 사전확률(a priori probability)로 입력된다. 이러한 작업을 소정의 횟수만큼 반복한 후, 데이터 검출기(28)가 디인터리버(36)의 출력으로부터 데이터를 검출한다. 이렇게 검출된 디코딩 데이터들()은 송신단에서 보내진 데이터들(d)에 대한 최종 디코딩 출력이다.
이하에서, 도 3을 예를들어 자세히 설명한다.
송신기에서 송신된 임의의 심볼이 채널을 거쳐 왜곡되어 수신되었다고 할 때, 수신된 심볼을 다음과 같이 R이라하면, 이 R과 사전확률(a priori probability)을 입력하여 신뢰도(extrinsic value)를 구한다. 여기서, 처음의 사전확률(a priori probability)은 ‘0’이다. 제1 재귀적 디코더(38)에서 사전확률(a priori probability)(초기 : ‘0’) 및 R을 이용하여 디코딩 데이터와 신뢰도(extrinsic value)를 출력한다. 이렇게 출력된 디코딩 데이터와 신뢰도(extrinsic value)를 이용하여 제1 재귀적 디코더(30)에 대한 사전확률(a priori probability)을 구한다. 즉, 디코딩된 데이터와 신뢰도(extrinsic value)를 각각 곱한 값, 즉,는 제1 티.씨.엠 디코딩부(22)에 입력되어, 사전확률(a priori probability)로 작용한다.
제1 재귀적 디코더(30)는 제0 티.씨.엠 디코딩부(26)로부터 넘겨받은 사전확률(a priori probability)과 도 1의 기본 티.씨.엠 인코딩부(1)에 의해 인코딩되고 심볼 매핑된 심볼들만을 입력하여 디코딩한다. 즉, 벡터 곱셈기(39)로부터 얻은 사전확률(a priori probability)과 R로부터 디멀티플렉싱된 심볼들 “r1” 즉,을 참고하여 새로운 디코딩 데이터들과 신뢰도(extrinsic value)를 출력한다. 여기서 ‘*’부분은 아무 입력도 하지 않는 것을 의미한다. 제1 재귀적 디코더(30)로부터 새롭게 출력된 디코딩 데이터들과 신뢰도(extrinsic value)는 벡터 곱셈기(31)에 의해 곱해지고 정규화기(32)에 의해 정규화되어, 제2 티.씨.엠 디코딩부(24)에서 사용될 사전확률(a priori probability)이된다.
이렇게 구해진 사전확률(a priori probability)은 인터리버(33)에 의해 페어와이즈 인터리빙되어 제2 재귀적 디코더(34)에 입력되고, 제2 재귀적 디코더(34)는 입력된 사전확률(a priori probability)과 R로부터 디멀티플렉싱된 심볼들, 즉, 도 1의 추가 티.씨.엠 인코딩부(2)에 의해 인코딩되고 심볼 매핑되어 디인터리빙된 심볼들이 채널에 의해 왜곡되어 수신된 심볼들 “r2”만을 이용하여 새로운 디코딩 데이터와 새로운 신뢰도(extrinsic value)를 출력한다. 이렇게 출력된 두 값은 벡터 곱셈기(35)에 의해가 되고, 이 값은 디인터리버(36)에 의해 인터리버(33)와 대응되는 방식으로 페어와이즈 디인터리빙된 후 정규화기(37)에 의해 정규화되어 된다. 이 값은 피드백되어, 제1 티.씨.엠 디코딩부(22)의 디코더 즉, 제1 재귀적 디코더(30)을 위한 사전확률(a priori probability)로 사용된다. 이와같은 방법으로 원하는 수 만큼 반복 수행한 후, 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 디코더는 최종적으로 디코딩 데이터를 검출하여 출력한다.
도 4에서는 재귀적 디코더(30, 34, 38)에서의 신뢰도(extrinsic value) 계산 과정을 나타내는 도면이다. 이진 터보(binary Turbo) 티.씨.엠에서는 임의의 한 상태(state)에 두 개의 패스(path)들이 모이지만(merge), 멀티레벨 터보(multilevel Turbo) 티.씨.엠에서는 임의의 한 상태에 여러 개의 패스들이 모인다. 그러므로, 기존의 이진 터보(binary Turbo) 티.씨.엠에서와는 다른 방식으로 신뢰도(extrinsic value)를 구해야 한다. 즉, 임의의 한 상태에 모이는 여러개의 패스들 중에서 가장 큰 확률을 갖는 패스, 즉 에러 메트릭(error metric) 값이 가장 작은 패스가 서바이버(survivor) 패스가 되고, 이 서바이버 패스를 제외한 다른 패스들 중에서 에러 메트릭이 가장 작은 패스가 콤피티션(competition) 패스가 된다. 멀티레벨 SOVA(Soft outpout Viterbi Algorithm)는 서바이버 패스와 콤피티션 패스를 이용하여 패스를 업데이트하게 된다. 임의의 시간 k에서 디코딩되는 비트에 대한 신뢰도(extrinsic value)는 시간 ‘D’후, 즉, 시간‘k+D’에서 서바이버 패스와 콤피티션 패스 간의 패스 매트릭(path metric) 차이에 의해서 결정된다. 즉, 임의의 결정 윈도우(decision window)를 이용하여 디코딩 데이터를 결정하게 되며, 결정 윈도우를 이동해가며(sliding) 신뢰도(extrinsic value)를 출력한다.
다음은 이러한 신뢰도(extrinsic value)를 구하는 과정을 수식으로 나타낸다. 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠을 디코딩하기 위한 디코딩 방법은 내부적으로 값을 업데이트하는 방법과 디코더에 입력을 넘겨주는 방법이 중요하다. SOVA를 이용한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠에서는 도 4에서와 같이 소프트(soft) 값을 업데이트한다. 도 4는 부호율 m/(m+1)의 v개의 지연(delay)을 갖는 계통 컨볼루션 코드(systematic convolution code)의 트렐리스 다이어그램(trellis diagram)이다. 서바이버 패스(survivor path)를 1st-best로 정의하고 서바이버 패스로 모이는 다른 패스들은 패스 메트릭(path metric)이 큰 순서대로 2nd-best, 3rd-best, ... 로 나타낸다. 브랜치 트랜지션(branch transition) 확률은 시간 j에서 다음의 수학식 1과 같다.
또한, 브랜치 트랜지션(branch transition) 확률은 패러티 비트 cj을 고려하면 수학식 2와 같은 수식을 얻을 수 있다.
수학식 2에서부분은 (dj,cj)의 유사도(likelihood)이며 다음의 수학식 3과 같다.
여기서, K는 정수값이다. 수학식 2에서부분은 하나의 부호에서 가능한 상태 트랜지션(state transition)에 의해 결정되며, “1” 또는 “0”이 된다. 수학식 2에서부분은 임의의 시간에서 고려되는 패러티 비트가 대응하는 티.씨.엠 인코딩부로부터 전달된 값인지에 따라 “1”또는 “0”의 값으로 결정한다. 만일 다른 티.씨.엠 인코딩부로부터 전달된 것이라면 수학식 2에서부분은 1/2이다. 왜냐하면, 패러티 비트가 균등히 기대되고(equally probable), 상태 트랜지션(state transition)과 독립적이기 때문이다. 수학식 2의부분은 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
수학식 4에서, 병렬 트랜지션(parallel transition)이 없다고 가정하였고, aq는 상태 트랜지션(state transition)에 해당하는 정보 심볼이다. 값 P(dj=aq)은 이전 디코딩 단계(decoding stage)로부터 얻어진 사전확률(a priori probability)을 이용하여 계산된다. 모든 q에 대해 초기값을 P(dj=aq)=2-M으로 설정한다. 브랜치 메트릭(branch metric), 패스 메트릭(path metric) 그리고 패스 확률(path probability)를 구한다. 2m진 트렐리스(trellis)에서 2m개의 트렐리스 브랜치들(trellis branches)이 하나의 노드에 모이게 된다. 확률이 적은 브랜치들을 잘라낸 다음, SOVA가 수학식 4와 같이 잘라낸 트렐리스에 적용된다. 3rd-best의 패스 메트릭이 2nd-best의 패스 메트릭보다 훨씬 작은 값을 갖는다면, 즉,라는 가정에서, 정확한 결정(correct decision)의 확률은 다음의 수학식 5와 같다.
여기서,는 메트릭 차이(metric difference)이다.
수학식 6은 시간 k+l에서 임의의 한 노드에 대한 1st-best와 2nd-best간의 차이이다.
부정확한 결정(incorrect decision)의 확률은 다음의 수학식 7과 같이 주어진다.
사후값(a posteriori value)는 정보 심볼 a1st에 대한 정확한 결정(correct decision)의 확률값과 부정확한 결정(incorrect decision)의 확률값의 비를 log 값으로 나타낸 것이다. 이것은 근사적으로 다음의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있으며, 이진 SOVA와 유사하다는 것을 알 수 있다.
다른 심볼에 대한 사후값(a posteriori value)을 다음의 수학식 9와 같이 계산한다.
여기서 a1st는 임의의 한 상태에 모이는 패스들 중에서 에러 매트릭이 가장 작은 패스를 말한다.
이진 SOVA의 경우와 같이의 신뢰도(extrinsic value)는 다음의 수학식 10과 같이 계산된다.
여기서,이다. 신뢰도는 앞의 디코딩 상태(decoding state)에서부터 얻어진 신뢰도(extrinsic value)이다. Out(CMP)는이면 +1을 출력하고 그렇지 않으면 -1을 출력하는 함수이다. α는 스케일링 계수(scaling coefficient)로서 신뢰도(extrinsic value)를 스케일 다운(scale down)하는 상수값이다.
여기서, 사전값(a priori value)은 다음의 수학식 11과 같이 근사화할 수 있다.
수학식 9는 모든 path의 확률이 1st-best를 제외하고 모두 같다는 것을 의미한다. 수학식 11은을 제외한 모든 정보 심볼의 사전(a priori)확률값이 동일하다는 것을 나타낸다. 수신측에서 정보 심볼 자체만의 유사도(likelihood)를 계산할 수 없다. 그 이유는 티.씨.엠 자체가 패러티 비트와 정보 심볼의 조합으로 채널 심볼을 전송하기 때문이다. 그러므로, 정보 심볼의 유사도(likelihood)는 도 12와 같이 발생하는 패러티 비트가 동일 확률을 갖는다는 가정 하에 패러티 비트의 평균으로 계산된다.
본 발명에 의하면, 기존의 티.씨.엠과 터보 부호의 단점들을 보완하기 위해서 터보 부호를 부호율이 m/(m+1)인 티.씨.엠에 적용함으로써 심볼간 간섭에 강하고 전력 및 대역 효율이 좋아진다.
본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠은 고속 무선 통신에 적합한 채널 코딩 방식으로, 스펙트럴 효율(spectral efficiency)을 증가시키기 위해 티.씨.엠과 터보 부호를 결합하였으며 높은 대역 효율을 갖는 멀티레벨 변조(multi-level modulation) 시스템에 적용될 수 있다.
본 발명은 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠을 디코딩하는 방법으로 SOVA 알고리즘을 이용함으로써, 디코더의 복잡도와 패스 메모리를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠은 병렬 트랜지션(parallel transition)을 갖도록 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 인코더 및 디코더를 구현함으로써 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠의 디코더 복잡도를 줄일 수 있다.
따라서, 본 발명에 의한 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠은 고속 무선통신 시스템에 적용되어 대역효율 및 코딩 이득을 높일 수 있다.

Claims (9)

  1. 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 인코더에 의해 인코딩되어 채널을 거쳐 수신된 소정의 수의 심볼들을 분배하여 주는 디멀티플렉서;
    현재 사전확률값과 상기 디멀티플렉서로부터 분배된 심볼들을 입력받아, 검출값 및 그 검출값의 신뢰도를 생성하고, 생성된 검출값 및 그 검출값의 신뢰도를 곱하여 다음 사전확률값을 생성하는 제1 내지 제N 티.씨.엠 디코딩부들;
    상기 디멀티플렉서에 의해 수신된 소정의 수의 심볼들을 모두 입력받아 초기 사전확률값을 생성하고, 상기 초기 사전확률값을 상기 제1 디코딩부에 상기 현재 사전확률값으로 공급하는 제0 티.씨. 엠 디코딩부; 및
    상기 제1 내지 제N 티.씨.엠 디코딩부들의 동작이 소정의 횟수 만큼 반복한 이후, 상기 제N 티.씨.엠 디코딩부의 출력으로부터 최종 데이터를 검출하는 데이터 검출부를 포함하고, 상기 제1 내지 제N 티.씨.엠 디코딩부들은 상호 루프 형태로 연결되어, 각각 자신이 생성한 다음 사전확률값을 현재 사전확률값으로서 다음 티.씨.엠 디코딩부로 전달하며,
    상기 제1 티.씨.엠 디코딩부는
    현재 사전확률값과 상기 디멀티플렉서로부터 분배된 심볼들을 입력받아 검출값 및 그 검출값의 신뢰도를 생성하는 기본 재귀적 디코더; 및
    상기 검출값 및 그 검출값의 신뢰도를 곱하여 다음 사전확률값을 생성하는 기본 벡터 곱셈기를 구비하고,
    상기 제2 내지 제N 티.씨.엠 디코딩부들은 각각
    현재 사전확률값을 소정의 방식에 따라 페어와이즈 인터리빙하는 페어와이즈 인터리버;
    상기 디멀티플렉서로부터 분배된 심볼들 및 페어와이즈 인터리빙된 현재 사전확률값을 입력받아, 검출값 및 그 검출값의 신뢰도를 생성하는 추가 재귀적 디코더;
    상기 검출값 및 그 검출값의 신뢰도를 곱하여 다음 사전확률값을 생성하는 추가 벡터 곱셈기; 및
    상기 다음 사전확률값을 상기 소정의 방식과 대응하는 방식으로 페어와이즈 디인터리빙하는 페어와이즈 디인터리버를 구비하고,
    상기 제1 티.씨.엠 디코딩부에 구비된 기본 재귀적 디코더 및 상기 제2 내지 제N 티.씨.엠 디코딩부들에 각각 구비된 추가 재귀적 디코더는 각각
    상기 신뢰도를 구하기 위한 임의의 한 상태로 모이는 브랜치들 중에서 가장 작은 에러 메트릭을 갖는 패스를 서바이버 패스, 서바이버 패스를 제외한 나머지 패스들 중에서 가장 작은 에러 메트릭을 갖는 패스를 콤피티션 패스라고 할 때, 서바이버 패스의 에러 메트릭과 콤피티션 패스의 에러 메트릭의 차이를 이용하여 상기 신뢰도를 구하는 것을 특징으로 하는 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 디코더.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제N 티.씨.엠 디코딩부들은 각각
    다음 사전확률값을 정규화하여 오버플로우를 방지하는 정규화기를 더 구비함을 특징으로 하는 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 디코더.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 수신된 심볼이 16진 이상의 심볼이고,
    상기 제1 티.씨.엠 디코딩부에 구비된 기본 재귀적 디코더 및 상기 제2 내지 제N 티.씨.엠 디코딩부들에 각각 구비된 추가 재귀적 디코더는 각각 병렬 트랜지션을 이용하여 디코딩하고,
    임의의 시간 k에서 두 병렬 트랜지션의 차이를 신뢰도로 두는 것을 특징으로 하는 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 디코더.
  7. 삭제
  8. (a) 수신된 소정수의 심볼들을 입력으로하는 재귀적 디코더를 사용하여 초기 사전확률값을 생성하는 단계;
    (b) 상기 수신된 소정수의 심볼들 중 대응하는 일부의 심볼들과 상기 초기 사전확률값에 의해 생성된 검출값 및 그 검출값의 신뢰도를 곱하여 다음 사전확률값을 생성하는 단계;
    (c) 상기 다음 사전 확률값을 현재 사전확률값으로 두고, 소정의 방식에 의해 페어와이즈 인터리빙된 현재 사전확률값과 상기 수신된 소정수의 심볼들 중 대응하는 일부의 심볼들에 의해 생성된 검출값 및 그 검출값의 신뢰도를 곱하여 다음 사전확률값을 생성하는 단계; 및
    (d) 상기 (c) 단계에서 생성된 다음 사전확률값을 상기 (b) 단계의 상기 초기 사전확률값에 대체시켜 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계를 소정의 횟수 만큼 반복한 후, 최종 데이터를 검출하는 단계를 포함하고,
    상기 재귀적 디코더에서의 신뢰도를 구하기위한 임의의 한 상태로 모이는 브랜치들중에서 가장 작은 에러 메트릭을 갖는 패스를 서바이버 패스, 상기 서바이버 패스를 제외한 나머지 패스들중에서 가장 작은 에러 메트릭을 갖는 패스를 콤피티션 패스라고할 때, 상기 서바이버 패스의 에러 메트릭과 상기 큼피티션 패스의 에러 메트릭의 차이를 이용하여 상기 신뢰도를 구하는 것을 특징으로하는 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 디코딩 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 (c) 단계 이후에
    (c1) 페어와이즈 인터리빙 방식 및 대응하는 페어와이즈 디인터리빙 방식을 변경하면서 상기 (c)를 소정의 횟수 만큼 반복하는 단계를 더 포함하고,
    상기 (d) 단계는 상기 (c1) 단계에서 생성된 마지막 다음 사전확률값을 상기 (b) 단계의 상기 초기 사전확률값에 대체시켜 상기 (b) 단계, 상기 (c) 단계 및 상기 (c1) 단계를 소정의 횟수 만큼 반복한 후, 최종 데이터를 검출하는 단계임을 특징으로 하는 대역 효율적인 연쇄 티.씨.엠 디코딩 방법.
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