KR100512668B1

KR100512668B1 - 터보 부호들의 품질 지수 기준을 사용한 반복 종료

Info

Publication number: KR100512668B1
Application number: KR10-2002-7014115A
Authority: KR
Inventors: 엑스유스즈함제이.; 테이첼하임
Original assignee: 모토로라 인코포레이티드
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2005-09-07
Also published as: ATE330369T1; WO2001082486A1; KR20030058935A; DE60120723T2; EP1314254A1; EP1314254B1; DE60120723D1; CN1279698C; EP1314254A4; US20010052104A1; AU2001253295A1; CN1461528A

Abstract

복호기는 품질 지수 기준을 사용하여 수신된 콘볼루션 부호화된 신호의 복호화에서 반복 계산을 동적으로 종료한다. 반복 루프에 두 개의 재귀 프로세서들을 구비한 터보 복호기에서, 적어도 하나의 추가적인 재귀 프로세스는 재귀 프로세서들 중 적어도 하나의 프로세서의 입력들에 병렬로 결합된다. 모든 재귀 프로세서들은 신호에 대해 반복 계산들을 동시에 수행한다. 적어도 하나의 추가적인 재귀 프로세서는 각 반복에서 신호의 품질 지수를 계산한다. 제어기는 품질 지수 기준의 측정치가 소정의 레벨을 초과할 때 반복들을 종료한다.

Description

터보 부호들의 품질 지수 기준을 사용한 반복 종료{Iteration terminating using quality index criteria of turbo codes}

본 발명은 일반적으로 통신 시스템들에 관한 것이며, 특히 콘볼루션 부호화된 통신 시스템의 수신기에서 사용하기 위한 복호기에 관한 것이다.

콘볼루션 부호들은 종종 전송된 정보를 에러로부터 보호하기 위해서 디지털 통신 시스템들에서 사용된다. 이러한 통신 시스템들은 다이렉트 시퀀스 부호 분할 다중 접속(DS-CDMA; Direct Sequence Code Division Multiple Access) 표준 IS-95 및 이동 통신용 글로벌 시스템(GSM; Global System for Mobile communications)을 포함한다. 통상 이 시스템들에서, 신호는 전송되는 송출(outgoing) 부호 벡터로 콘볼루션 부호화된다. 수신기에서, 이미 공지된 기술인 비터비 디코더(Viterbi decoder)와 같은, 실제 소프트-판정(Soft-decision) 복호기는 최우(maximum likehood) 전송 부호 벡터에 대한 최적의 검색을 수행하기 위해서 트렐리스 구조(trellis structure)를 사용한다.

최근에는, 종래의 부호화 기술들보다 우수한 터보 부호들이 개발되고 있다. 터보 부호들은 일반적으로 2개 이상의 콘볼루션 부호들 및 터보 인터리버들로 구성된다. 터보 복호은 반복적이며, 개개의 콘볼루션 부호들을 복호하기 위해서 소프트 출력 복호기를 사용한다. 소프트 출력 복호기는 각 비트 위치상에 정보를 제공하며, 이는 소프트 출력 복호기가 다른 콘볼루션 부호들을 복호하는 것을 돕는다. 소프트 출력 복호기는 일반적으로 MAP(maximum a posteriori) 또는 소프트 출력 비터비 알고리즘(SOVA; soft output Viterbi algorithm) 복호기이다.

터보 부호는 부가된 백색 가우스 잡음(AWGN; added white Gaussian noise) 채널을 통해 통신하는 경우 에러들을 정정하는데 효과적으로 사용된다. 직관적으로, 터보 복호기의 에러 정정 성능을 검사 및 평가하기 위한 몇 가지 방법들이 있다. 한 가지 주목할만한 것은 복호기의 반복 부분에서 각 정보 비트에 대한 LLR(log-likelihood ratio)의 크기는 반복들이 계속됨에 따라 증가한다는 것이다. 이것은 정확한 결정을 할 확률을 높여준다. LLR 크기 증가는 터보 복호 처리시 반복 횟수와 직접 관련된다. 그러나, 계산 시간과 회로 전력을 절감하기 위해서는 반복 횟수를 줄이는 것이 바람직하다. 신뢰할 수 있는 터보 복호화된 블록에 적합한 반복 횟수(중단 기준)는 인입(incoming) 신호의 품질 및 거기서 발생된 에러들의 갯수에 따라 변한다. 다시 말하자면, 필요한 반복 횟수는 채널 상태와 관련되며, 잡음이 더 많은 환경에서는 정보 비트들을 정확하게 분석하고 에러를 감소시키기 위해서 더 많은 반복들이 필요할 것이다.

한 종래 기술의 중단 기준은 복호 처리를 중단시키는 지표(indicator)로서 패리티 체크를 사용한다. 구현에 관해서 패리티 체크는 간단하다. 그러나, 패리티 체크는 다수의 비트 에러가 있는 경우에는 신뢰성이 없다. 터보 복호 반복 중단에 대한 또 다른 타입의 기준은 각각의 복호된 비트에 대해 계산된 LLR(log-likelihood-ratio) 값이다. 터보 복호가 다수의 반복 후에 수렴하기 때문에, 데이터 비트의 LLR은 이 수렴에 대해 가장 직접적인 지표 지수이다. 이러한 중단 기준이 적용되는 한 가지 방법은 LLR 크기를 임의의 임계값과 비교하는 것이다. 그러나, 채널 상태가 변하기 때문에 적합한 임계값을 결정하는 것이 어려울 수 있다. 다른 종래 기술의 중단 기준은 2개의 확률 분포들의 엔트로피(entropy)나 차이를 측정하는 것이지만, 이것은 많은 계산을 필요로 한다.

신뢰할 수 있는 방식으로 복호기의 반복 횟수의 적합한 중단점을 결정할 수 있는 복호기가 필요하다. 계산의 복잡성을 현저하게 증가시키지 않고 중단 기준을 제공하는 것이 또한 이점이 될 것이다.

도 1은 종래 기술에 공지된 소프트 출력 복호기 기술들에서 사용되는 트렐리스 도.

도 2는 종래 기술에서 공지된 터보 인코딩에 대한 간단한 블록도.

도 3은 종래 기술에서 공지된 터보 복호기에 대한 간단한 블록도.

도 4는 본 발명에 따라, 반복 품질 지수 기준을 갖춘 터보 복호기에 대한 간단한 블록도.

도 5는 도 4에서 사용되는 비터비 복호기에 대한 간단한 블록도.

도 6은 본 발명의 하드 품질 지수에 의해 제공된 향상을 그래프로 도시한 도면.

도 7은 본 발명의 소프트 품질 지수에 의해 제공된 향상을 그래프로 도시한 도면.

도 8은 본 발명에 의해 제공된 향상을 또 다른 그래프로 도시한 도면.

도 9는 본 발명의 하드 고유 SNR 지수에 의해 제공되는 향상을 그래프로 도시한 도면.

도 10은 본 발명의 소프트 고유 SNR 지수에 의해 제공되는 향상을 그래프로 도시한 도면.

도 11은 본 발명에 따른 터보 복호 방법을 도시한 도면.

본 발명은 루프 복호 반복이 진행됨에 따라, 각 구성의 복호기 단(stage)의 입력에 루프내(in-loop) 데이터 스트림의 품질 지수 중단 기준으로서 가상(고유) SNR을 동적으로 이용하는 터보 복호기를 제공한다. 이 품질 지수는 복호기에서 필요로 하는 반복 횟수를 정하는 중단 기준으로서 사용된다. 다행스럽게, 비트들을 신뢰성 있게 복호하기 위해서 수행될 계산 횟수를 제한함으로써, 본 발명은 통신 장치에서의 전력 소비를 줄이고 계산 복잡성을 줄인다.

통상적으로, 블록 부호들, 콘볼루션 부호들, 터보 부호들, 및 그 외 다른 부호들은 도 1에 도시된 트렐리스와 같은 도식으로 표시되며, 여기에는 4개의 상태, 5마디(section)의 트렐리스가 도시된다. 편의상, 트렐리스 마디당 M개의 상태(통상 M은 8개의 상태임)와 블록또는 프레임당 N개의 트렐리스(통상 N=5000) 마디들을 기준으로 할 것이다. MAP(maximum a posteriori)형 복호기들(log-MAP, MAP, max-log-MAP, constant-log-MAP, 등)은 종래 기술에 공지된 바와 같이, 각 마디에서 소프트 출력들을 제공하기 위해서 트렐리스상에 순방향 및 역방향의 일반화된 비터비 재귀들 또는 소프트 출력 비터비 알고리즘들(SOVA)을 이용한다. MAP 복호기는 수신된 모든 비트들에 기초하여 각 정보 비트에 대한 복호된 비트 에러 확률을 최소화시킨다.

인코딩된 시퀀스의 마코프(Markov) 특징으로 인해(이전 상태들은 미래의 상태들 또는 미래의 출력 브랜치(branch)들에 영향을 미칠 수 없다), MAP 비트 확률은 과거(트렐리스 시작부터 현재 상태까지), 현재 상태(현재 값에 대한 브랜치 매트릭), 및 미래(현재 값에서 트렐리스의 끝)로 나뉠 수 있다. 구체적으로, MAP 복호기는 현재 상태까지 순방향 및 역방향 재귀들을 수행하며, 여기서 과거 및 미래 확률들은 현재 브랜치 매트릭과 함께 출력 판정을 발생시키기 위해 사용된다. 하드 및 소프트 출력 판정들을 제공하는 원리들은 종래 기술에 공지되어 있고, 전술한 복호 방법들 중 몇 가지의 변형이 존재한다. 터보 부호들을 고려한 대부분의 소프트 입력-소프트 출력(SISO) 복호기들은 1974년 3월 IEEE Transactions on information Theory, Vol. IT-20, 284-7 페이지의 엘. 알. 바알(L. R. Bahl), 제이. 콕크(J. Cocke), 에프. 옐리넥크(F. Jelinek), 및 제이. 라비브(J. Raviv)에 의한 "Optimal Decoding of Linear Codes for Minimizing Symbol Error Rate(심볼 에러율을 최소화시키기 위한 선형 부호의 최적 복호화)"(BCJR 알고리즘) 명칭의 논문에 있는, 종래 기술인 최적 MPA 알고리즘에 기초한다.

도 2는 인터리버들 및 보통 조직적인 콘볼루션 부호들이지만 블록 부호들일 수도 있는 구성 부호들로 구성되는 전형적인 터보 부호기를 도시한다. 일반적으로, 터보 부호기는 부호화기들 사이에 인터리버(int)를 개재하여 두 개의 재귀 시스템적 콘볼루션 부호기들(RSC)을 병렬로 연결한 것이다. 터보 인코딩의 출력은 두 개의 인코더들(RSC1, RSC2)로부터 정보 비트들(m_i) 및 패리티 비트들(p_i)을 다중화함으로써(연결함으로써) 발생된다. 선택적으로, 패리티 비트들은 부호 레이트를 증가시키기 위해서(즉, 1/2의 스루풋) 기술상에 공지된 바와 같이 펑츄어(puncture)될 수 있다. 이어서 터보 인코딩된 신호는 채널을 통해 송신된다. 채널의 AWGN 특성에 기인한 잡음(n_i)이 송신 중에 신호(x_i)에 부가된다. AWGN의 잡음 편차는 σ²=N₀/2로서 나타낼 수 있고, 여기서 N₀/2은 양방향 잡음 전력 스펙트럼 밀도이다. 잡음은 오리지널 정보 비트들(m_i)을 얻기 위해서 수신기가 입력 신호(y_l(=x_l+n_l))를 복호하려고 할 때 비트 에러들의 가능성을 증가시킨다. 대응하여, 잡음은 송신된 패리티 비트들에 영향을 미쳐 신호(t_l=p_l+n_l')를 제공한다.

도 3은 인터리버들과, 디-인터리버들과, 복호기들로 구성된 전형적인 터보 복호기를 도시한 것이다. 외부 정보(extrinsic information)(L_e1, L_e2), 인터리버(int), 디-인터리버(deint)에 관한 터보 복호기의 메카니즘 및 소프트-입력, 소프트-출력 복호기부들(SISO1, SISO2)간 반복 프로세스는 바알(Bahl) 알고리즘에 따른다. 터보 복호기에서 복호기 지연을 제로로 하고, 제 1 복호기(SISO1)는 입력 신호 비트들(y_i) 및 후술하는 사전 정보(priori information)(La)로부터 소프트 출력을 계산한다. 소프트 출력은 제 1 복호기로부터 외부 데이터에 대한 L_e1로서 표기되었다. 제 2 복호기(SISO2)에는 L_e1를 인터리브한 것(L_a로부터 선험 정보)인 입력 신호 비트들(y_i)이 입력된다. 제 2 복호기는 외부 데이터(L_e2)를 생성하고, 이 데이터는 디인터리브되어 L_a를 생성하고 제 1 복호기에 다시 공급되며, 소프트 출력(통상 MAP LLR)은 오리지널 정보 비트들(m_i)의 소프트 출력을 제공한다. 통상, 상기 반복들은 모든 입력 비트들이 복호될 때까지 각 비트마다 고정된 횟수의(보통 16회) 반복된다.

MAP 알고리즘들은 수신된 시퀀스의 정보 비트에 대한 에러 확률을 최소화하며 이들 알고리즘들은 또한 정보 비트가 수신 시퀀스에 1 또는 0인 확률을 제공한다. 종래 기술의 BCJR 알고리즘은 블록 내의 소프트 입력들의 행동이 과거(이전의 소프트 입력들), 현재 소프트 출력 및 미래(나중의 소프트 입력들)로부터의 결과물들로 나뉘어지는 각 비트 위치(도 1의 트렐리스 마디)에 대한 소프트 출력 판정을 제공한다. BCJR 복호기 알고리즘은 각각의 트렐리스 마디(단)마다 최적의 소프트 출력에 도달하기 위해서 트렐리스에 순방향 및 역방향의 일반화된 비터비 재귀를 사용한다. 이들 사후(posteriori) 확률들, 혹은 보다 일반적으로 확률들의 LLR(log-likelihood ratio)은 반복 터보 복호에서 SISO 복호 단계들간에 전달된다. 각 정보 비트마다 LLR은 복호된 시퀀스 내 모든 비트들에 대해서(k=1 내지 N),

(1)

이다. 식(1)에서, 수신 시퀀스에 대해 트렐리스에서 복호된 비트가 1(또는 0)인 확률은 부호의 마코프 특성에 기인한 항들의 곱으로 구성된다. 마코프 특성은 과거 및 미래가 현재에 대해 독립적임을 나타낸다. 현재, 은 시간 k에서 상태 m이고 시간 k-1의 이전 상태가 n이었을 때 심볼을 생성할 확률이다. 현재는 브랜치 매트릭의 함수를 작동시킨다. 과거 α_t(m)은 수신된 시퀀스{y₁,...,y_k}에 대해 시간 k에서 상태 m일 확률이고, 미래 β_k(m)는 시간 k에서 상태 m으로부터 수신 시퀀스{y_k+1,...,y_N}를 생성할 확률이다. 확률 은 와 의 함수로서 나타낼 수 있고, 순방향 재귀라 한다.

(2)

여기서 M은 상태들의 수이다. β_k+1(n) 및 으로부터 확률 β_k(n)을 계산하기 위한 역방향 재귀는

(3)

이다. 식(2)에서 모든 사후 확률들은 1(혹은 O)인 정보 비트에 대응하는 트렐리스 B¹(B⁰) 내 브랜치들에 대해 합산함으로써 계산된다.

식(1)에서 LLR은 시간 k에서 이용 가능한 순방향 및 역방향 재귀들을 필요로 한다. 일반적으로, 이러한 요건을 만족시키는 BCJR 방법은 고정된 횟수의 반복을 사용하여 전체 역방향 재귀를 계산하여 저장하고, 및 β_k를 사용하여 k=1부터 k=N까지 및 를 재귀적으로 계산하는 것이다.

터보 복호의 성능은 많은 인자에 의해 영향을 받는다. 주 인자들 중 하나는 반복 횟수이다. 터보 복호기가 적은 횟수의 반복 후에 수렴하면, 수렴 후의 더 많은 반복들은 성능을 현저히 증대시키지 않을 것이다. 터보 부호들은 적은 횟수의 반복을 필요로 하는 양호한 채널 상태 하에서는 더 빠르게 수렴하여 양호한 성능이 얻어진다. 수행되는 반복 횟수는 필요한 계산 횟수에 정비례하고 전력 소비에 영향을 미칠 것이다. 전력 소비는 이동 및 휴대 무선 통신 장치들에서는 큰 관심사이기 때문에, 신뢰할 수 있고 양호한 반복 중단 기준을 구하는 것이 훨씬 더 중요하다. 이러한 이유들이 동기가 되어 본 발명은 반복 처리를 중단시키는 적응형 스킴을 제공한다.

본 발명에서, 반복 횟수는 사용되는 SISO 복호 단들의 총 수(즉, 한 사이클에 2번 반복)로서 정의된다. 따라서, 반복 횟수는 0부터 2N-1까지 카운트된다. 각 복호 단은 MAP 혹은 SOVA일 수 있다. 복호 처리에서 주요 인자는 외부 정보를 SISO 블록에 결합하는 것이다. 정보 비트들에 대한 최종 하드 판정은 반복들이 정지된 후의 LLR의 값에 따라 행해진다. 최종 하드 비트 판정은 LLR 극성(polarity)에 근거한다. LLR이 양이면, 하드 출력에 대해 +1로 판정되고, 그렇지 않으면 -1로 판정된다.

본 발명에서, 루프내 신호 대 잡음비(고유 SNR)는 터보 복호기에서 반복 중단 기준으로서 사용된다. 보다 많은 비트들이 반복마다 정확하게 검출되면 SNR이 향상되므로, 본 발명은 반복이 계속될 때 잡음에 대한 신호 에너지의 증가를 보여주는 검출 품질 지표를 사용한다.

도 4는 본 발명에 따라, 복호 처리를 감시하는 적어도 하나의 추가 비터비 복호기를 구비하는 터보 복호기를 도시한 것이다. 한 비터비 복호기가 사용될 수 있다 하더라도, 2개의 복호기는 임의의 SISO 복호기에서든 반복을 중단시키는 융통성을 제공한다. 비터비 복호기들은 비터비 복호기를 분석하여 품질 지수를 얻기가 쉽기 때문에 사용된다. 비터비 복호기는 본 발명에서 수학적 계산을 행하는데, 즉 품질 지수들 및 고유 SNR 값들을 얻는데에만 사용된다. 진짜 비터비 복호는 전혀 필요하지 않다. MAP 또는 SOVA는 반복이 전혀 적용되지 않는다면 종래의 비터비 복호기보다 성능이 현저하게 뛰어나지 않을 것이라는 것이 잘 알려져 있다. 그러므로, 품질 지수는 MAP 및 SOVA 복호기들의 성능에 대해서도 적용된다. SISO(MAP 혹은 SOVA)로의 비터비 근사로 인한 에러는 터보 복호 처리 자체에 어떠한 변화도 주지 않기 때문에 축적되지 않을 것이다. 터보 복호 처리는 그대로 임을 유념하라. 적어도 하나의 추가적인 비터비 복호기가 분석을 위해 첨가되어 품질 지수를 발생시키며 복호는 실제로 전혀 필요하지 않다.

바람직한 실시예에서는 2개의 비터비 복호기가 사용된다. 실제로, 2개의 동일한 RSC 인코더가 사용되어 동일한 SISO 복호기들이 요구되는 경우, 2개의 동일한 복호기들이 사용될 수 있다고 하더라도 하나의 비터비 복호기만이 필요하다. 그렇지 않다면, 2개의 비터비 복호기들은 상이하며 이들 모두가 요구된다. 이들 양 복호기들은 반복 중단 신호를 발생시키며 이들은 어느 한 복호기가 반복을 중단시키는 신호를 보낼 수 있게 독립적으로 동작한다. 비터비 복호기들은 수학적 계산을 행하여 품질 지수들 및 고유 SNR 값들을 얻기 위해 사용될 뿐이므로 일반적인 면에서는 이용되지 않는다. 또한, 반복은 임의의 SISO 복호기에서 사이클 중에 중단될 수 있기 때문에, 반복이 중단된 복호기의 LLR로부터 송신된 비트들에 대한 소프트 출력이 발생된다.

본 발명은 비터비 복호기내 반복 루프에서 이용 가능한 외부 정보를 이용한다. AWGN 채널의 경우, 외부 정보 입력을 갖는 경로 매트릭이 다음과 같이 주어진다.

여기서 m_i는 송신 정보 비트이고, x_i = m_i는 시스템 비트이고, p_i는 패리티 비트이다. m_i를 극성 형태(1 →+1 및 0 →-1)로 하면, 외부 정보를 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.

여기서 p[m_i]는 송신된 비트들에 관한 사전 정보이고, z_i= 는 외부 정보이며, 혹은 일반적으로

이다.

경로 매트릭은

으로서 계산된다.

는 외부 정보에 의해 도입된 보정 인자임에 유념하라. 그리고 비터비 복호기 관점에서, 이 보정 인자는 경로 매트릭을 향상시키며 이에 따라 복호기 성능도 향상된다. 이 인자는 외부 정보에 의해 야기된 향상이다. 본 발명은 이 인자를 품질 지수 및 터보 부호들에 대한 반복 중단 기준으로서 도입한다.

특히, 터보 복호 품질 지수 Q(iter, {m_i}, L)는

이며, 여기서 iter는 반복 횟수, L은 각 복호 블록 내 비트들의 수, m_i는 송신된 정보 비트이고, z_i는 각각의 작은 복호 단계 후에 발생된 외부 정보이다. 일반적으로,

이며, 여기서 w_i는 성능을 변경하기 위한 가중치 함수이다. 바람직한 실시예에서, w_i는 상수 1이다.

이 지수는 통상 z_i 및 m_i가 동일한 극성을 가지기 때문에 양(positive)이다. 실제로, 인입 데이터 비트들{m_i}는 알려져있지 않으며, 다음의 지수가 대신 사용된다.

여기서, 는 LLR 정보로부터 추출된 하드 판정이다. 이는= sign{L_i}이며 L_i는 LLR 값을 나타낸다. 다음의 품질 지수의 소프트 출력 버전은 동일한 목적에 사용될 수도 있다.

혹은 일반적으로

이다. 이 지수들을 발생시키는 것은 아주 쉬우며 거의 하드웨어를 필요로 하지 않음에 유념하라. 또한, 이들 지수들은 사실상 점근선 거동(behavior)이 동일하여 반복 중단 기준 및 터보 복호 성능 평가를 위한 양호한 품질 지수로서 사용될 수 있다.

이들 지수들의 거동은 처음 몇몇 반복들에서 매우 빠르게 증가하여 거의 일정한 값의 점근선에 도달하는 것이다. 이하 시뮬레이션 결과들로부터 알 수 있듯이, 이 점근선 거동은 터보 복호 프로세스를 잘 기술하고 있고 터보 복호 프로세스의 품질 감시자로서 역할을 한다. 동작에서, 반복들은 이 지수 값이 점근선의 굴곡점을 통과할 때 중지된다.

터보 복호기의 반복 루프는 결정 에러 확률이 감소되도록 LLR의 크기를 증가시킨다. 다른 면에서 보면 각 복호기에 입력되는 외부 정보가 입력 샘플 스트림들의 SNR을 실질적으로 향상시킨다. 다음의 분석은 외부 정보가 각 구성의 복호기에 대해 실질적으로 SNR을 향상시킨다는 것을 보여주기 위해 제공된 것이다. 이것은 터보 부호화 이득에 어떻게 도달하는지를 설명하는데 도움을 준다. 인입 샘플들의 분석에는 전술한 바와 같이 비터비 복호기의 조력이 제공된다.

첨부된 추가적인 비터비 복호기들의 경로 매트릭 식은

이다.

이 식을 전개하면,

이 된다. 상관항을 보면, 다음의 인자가 얻어진다.

비터비 복호기에 대해서, 최소 유클리드 거리를 구하는 것은 다음의 최대 보정값을 구하는 것과 동일한 과정이 된다.

혹은 동등하게, 비터비 복호기에의 입력 데이터 스트림은 이며, 이를 도 5에 도식으로 도시하였다.

표준 신호 대 잡음비 계산식에 따라

이 되고 y_i=x_i+n_i 및 t_i=p_i+n_i(여기서 p_l는 인입 신호의 패러티 비트들임)이라는 사실이 주어지며 구성요소인 복호기에의 입력 데이터 샘플들에 대한 SNR이

얻어진다. 마지막 두 항은 외부 정보 입력에 기인한 보정항들임을 유념하라. 입력 패러티 샘플들에 대한 SNR은

이 된다. 각각의 수신된 데이터 샘플들에 대한 SNR은 입력된 외부 정보가 실제 혹은 고유한 SNR을 증가시킬 것이기 때문에 반복이 진행됨에 따라 변함을 알 수 있다. 또한, 각각의 패러티 샘플에 대한 대응하는 SNR은 반복에 영향을 받지 않을 것이다. 명백히, x_i가 z_i와 동일한 부호를 갖는다면,

이 된다. 이것은 외부 정보가 각 구성요소인 복호기에 입력되는 데이터 스트림의 실제 SNR을 증가시켰음을 보여준다.

전체 블록에 대한 평균 SNR은 각 반복 단에서

이 된다.

외부 정보가 수신된 데이터 샘플들과 동일한 부호를 갖고 있고 z_i의 크기들이 증가하고 있다면, 전체 블록의 평균 SNR은 반복 횟수가 증가함에 따라 증가할 것이다. 두 번째 항은, 전술한 바와 같이, 블록 크기로 나눈 오리지널 품질 지수임을 유념하자. 세 번째 항은 외부 정보를 제곱한 크기의 평균에 정비례하며 항상 양이다. 이 고유 SNR 식은 전술한 품질 지수들과 유사한 점근선 거동을 취할 것이며 복호 품질 지표로서 사용될 수도 있다. 품질 지수들과 유사하게, 보다 실제적인 고유 SNR 값들은

이며, 이것의 대응하는 소프트 복사는

이 되고 여기서 StartSNR은 복호 반복을 시작하는 최초 SNR 값을 나타낸다. 선택적으로, 가중치 함수를 여기서도 사용할 수 있다. 복호 품질을 감시하기 위해서 마지막 두 항들만이 필요하다. 이전의 고유 SNR 식에서 정규화 상수는 무시되었음에 유의한다.

요약하면, 본 발명은 품질 지수 기준을 사용하여 수신된 콘볼루션 부호화된 신호의 복호시 반복 계산을 동적으로 종료시키는 복호기를 제공한다. 복호기는 반복 루프 내 접속된 두 재귀 프로세서들을 구비한 표준 터보 복호기를 포함한다. 본 발명의 새로운 양태는 재귀 프로세서들 중 적어도 하나의 프로세서의 입력들에 병렬로 결합된 적어도 하나의 추가된 재귀 프로세서를 구비하는 것이다. 바람직하게, 상기 적어도 하나의 추가적인 재귀 프로세서는 비터비 복호기이고, 2개의 재귀 프로세서들은 소프트-입력, 소프트-출력 복호기들이다. 보다 바람직하게, 2개의 재귀 프로세서들 각각의 입력들에 병렬로 결합된 2개의 추가적인 프로세서들이 있다. 추가적인 프로세서들을 포함하는, 재귀 프로세서들 모두는 신호에 대해 동시 반복 계산을 수행한다. 적어도 하나의 추가적인 재귀 프로세서는 각 반복마다 신호의 품질 지수를 계산하고 품질 지수의 측정치가 미리 결정된 레벨을 초과할 때 반복을 종료시킬 것을 제어기에 지시한다.

품질 지수는 각 반복에서 LLR 정보로부터 추출된 양으로 곱한 발생된 외부 정보의 합이다. 이 양은 LLR 값의 하드 판정 혹은 LLR 값 자체일 수 있다. 대안으로, 품질 지수는 각 반복에서 계산된 신호의 고유 신호 대 잡음비이다. 특히, 고유 신호 대 잡음비는 각 반복에서 생성된 외부 정보의 제곱의 합에 더해진 품질 지수의 함수이다. 고유 신호 대 잡음비는 LLR 값의 하드 판정인 양을 갖는 품질 지수를 사용하여 계산될 수 있고, 혹은 LLR 값인 양을 갖는 품질 지수를 사용하여 계산된다. 실제로, 품질 지수의 측정은 연속하는 반복에 걸쳐 취해진 품질 지수의 기울기이다.

본 발명의 주요 이점은 하드웨어 구현이 용이하며 사용의 유연성이다. 즉, 본 발명은 어떠한 SISO 복호기이든 반복을 중단시키는데 사용될 수 있고, 혹은 반복은 반 사이클에 중단될 수 있다. 또한, SNR은 아주 복잡한 회로나 근사화의 사용을 필요로 하는 제곱 루트 연산을 사용하지 않는 비터비 복호에 따라 도출된다. 대조적으로, 본 발명은 매우 간단한 하드웨어 구현을 갖는다.

도 6은 본 발명에 따른 터보 복호를 사용한 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. Q_H(iter, {m_i}, L) 및 Q_S(iter, {m_i}, L)의 성능은 숫자로 나타낸 시뮬레이션을 통해 검증되었다. 시뮬레이션 결과는 이 지수들의 점근선 거동을 증명하는 것처럼 보인다. 하드 및 소프트 지수들이 반복 중단 기준으로서 사용되는 것으로 하여 터보 복호기의 성능이 도시된다. 사용된 부호는 이 기술에서 인지된 바와 같이, 부호 레이트 1/3, G1=13, G2=15로 한 CDMA2000 표준 부호이다. 시뮬레이션은 크기 640 비트들의 2000 프레임을 사용하여 행해졌고 SNR 점들은 0.8dB, 0.9dB 및 1.0dB이다. 보다 실제적인 결과를 위해 기술상 공지된 비터비의 메모리 커팅 기술은 동기화 학습 길이 30으로 구현된다. 하드 품질 지수 Q_H(iter, {m_i}, L) 및 소프트 품질 지수 Q_S(iter, {m_i}, L)의 점근선 거동을 도 6 및 도 7에 도시하였다.

도 6 및 도 7은 SNR이 커짐에 따라 점근선 곡선들의 기울기가 증가함을 보여주고 있다. 이것은 큰 SNR은 복호시 보다 나은 외부 정보를 제공하기 때문에 예상되는 바와 같다. 알 수 있는 바와 같이, 품질 지수들은 SNR이 증가함에 따라 보다 빠르게 이들의 점근선들에 도달하며 이것은 수렴에 필요한 반복 횟수가 보다 작음을 의미한다. 이것은 비터비 복호기 분석을 통해 알 수 있다.

품질 지수들의 점근선 거동에 기초하여, 복호 반복들은 이들 지수들의 증가 퍼센트(즉, 곡선 기울기 혹은 미분)를 체크함으로써 중단된다. 다음 플롯에서 사용되는 중단 기준은 임계값 0.03dB를 갖는 곡선 기울기에 기초한다. 즉,

이면 반복은 중단될 수 있다. 마찬가지로, 소프트 품질 지수에 대해서, 0.03dB의 동일 임계치가 사용될 수 있다. 즉

이면 반복이 중단된다. 또한, 반복은 어떤 잘못된 표시를 피하기 위해서 일단 이들 지수들이 미리 결정된 임계치를 통과하면 중단될 수 있다. 대안으로, 지수들이 반복 중단을 위한 기준으로서 사용되기 전에 임의의 수의 강제적인 반복이 부과될 수 있다.

하드 및 소프트 품질 지수들의 직접적인 사용에 근거한 BER 수행 곡선들을 도 8에 도시하였다. 이 바람직한 경우에, 최소 9회의 강제적인 반복(즉, 4.5의 전 사이클)이 사용된 후 품질 지수들이 적용된다. 지수들에는 증분 임계치 0.03dB가 적용되었다. 이들 양 경우에 사용된 최대 반복 횟수는 16이었다. 이들 양 경우의 최소 반복 횟수는 9였다. 표 1은 계산 절감을 보여주기 위해 평균 반복 횟수를 리스트한 것이다.

표 1

SNR	하드 품질 지수를 갖는 평균 반복 횟수	소프트 품질 지수를 갖는 평균 반복 횟수
0.8dB	12.2910	13.2020
0.9dB	11.8265	12.7995
1.0dB	11.4195	12.3955

예상한 바와 같이, 필요한 평균 반복 횟수는 SNR이 증가함에 따라 감소한다. 또한, 반복 중단에 기인한 신호 무결성의 열화는 0.1dB보다 훨씬 적다.

본 발명에서, 고유 SNR은 반복 중단 기준으로서도 사용될 수 있다. 고유 SNR과 품질 지수들 간의 밀접한 관계에 기인하여, 하드 및 소프트 고유 SNR에 의한 수치 결과들은 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이 유사한 수행을 갖는다. 고유 SNR 표현식에서 마지막 두 항의 합의 점근선 거동만을 보였다.

선택적으로, 품질 지수들 및 고유 SNR은 ARQ 시스템에서 재송신 기준으로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 프레임 품질에 대해 낮은 임계치를 사용하여, 품질 지수들 혹은 고유 SNR이 미리 결정된 반복 횟수 후에 낮은 임계치보다 아래에 있다면, 복호는 중단되고 프레임 재송신 요청이 전송될 수 있다.

인식되어진 바와 같이, 반복 중단을 위한 품질 지수들을 구현하는데 필요한 하드웨어는 극히 간단하다. 각 구성요소의 복호 단에서 출력되는 외부 정보 및 LLR이 있기 때문에, MAC(승산 및 누산 유닛)만이 소프트 지수를 계산하는데 필요하다. 또한, 단지 하나의 메모리 유닛만이 지수를 저장하고 이를 기울기 계산을 위해 다음 지수와 비교하는데 필요하다. 또한, 서로 다른 반복 단들에서의 품질 지수 값들 모두가 극소수의 메모리 요소들에 저장될 수 있다. 1회의 감산과 1회의 제산에 근거한 비교부가 필요하다. 하드 지수의 경우에는 MAC 전에 하드 판정을 위해 슬라이서가 필요하다. 다행스럽게, 이들 지수들은 현재 설계에 어떤 간단한 부착물로 구현될 수 있다.

도 11은 본 발명에 따라 품질 지수 기준을 사용하여 수신된 콘볼루션 부호화된 신호의 복호시 반복 계산을 종료시키는 방법(100)을 나타낸 흐름도이다. 제 1 단계(102)는 반복 루프에 접속된 2개의 재귀 프로세서들과 재귀 프로세서들 중 적어도 하나의 프로세서의 입력들에 병렬로 결합된 적어도 하나의 추가적인 재귀 프로세서를 갖는 터보 복호기를 제공하는 것이다. 재귀 프로세서 모두는 신호에 대해 반복 계산을 동시에 수행한다. 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 추가적인 재귀 프로세서는 비터비 복호기이며, 두 개의 재귀 프로세서들은 소프트-입력, 소프트-출력 복호기들이다. 보다 바람직하게, 두 개의 추가적인 프로세서들은 각각 두 개의 재귀 프로세서들의 입력들에 병렬로 결합된다.

다음 단계(104)는 각 반복마다 적어도 하나의 재귀 프로세스에서 신호의 품질 지수를 계산하는 것이다. 특히, 품질 지수는 각 반복에서 재귀 프로세서들의 LLR 정보로부터 추출된 양으로 곱한 재귀 프로세서들로부터 발생된 외부 정보의 합이다. 품질 지수는 하드 값 또는 소프트 값일 수 있다. 하드 값의 경우, 품질은 LLR 값의 하드 판정이다. 소프트 값의 경우, 품질은 LLR 값 자체이다. 선택적으로, 품질 지수는 각 반복에서 계산된 신호의 고유 신호 대 잡음비(SNR)이다. 고유 SNR은 각 반복에서 발생된 외부 정보의 제곱의 합에 더해진 품질 지수에 더해진 초기 신호 대 잡음비의 함수이다. 그러나, 품질 지수 기준엔 단지 마지막 두 항만이 유용하다. 이 경우에는, 지금 기술된 품질 지수의 대응하는 하드 및 소프트 판정들을 사용하는, 고유 SNR에 대한 하드 및 소프트 값들이 있다.

다음 단계(106)는 품질 지수의 측정치가 미리 결정된 레벨을 초과할 때 반복을 중단시키는 것이다. 바람직하게, 중단 단계는 반복에 걸쳐 품질 지수의 기울기인 품질 지수의 측정치를 포함한다. 실제로, 미리 결정된 레벨은 이의 점근선에 도달하는 품질 지수 곡선의 절곡점에 있다. 구체적으로, 미리 결정된 레벨은 SNR의 0.03dB에 설정된다. 다음 단계(108)는 중단 단계 후에 존재하는 터보 복호기의 소프트 출력으로부터 도출된 출력을 제공하는 것이다.

콘볼루션 부호들에 대한 터보 복호기의 구체적인 구성요소 및 기능들을 위에 기술하였으나, 소수의 혹은 부가적인 기능들이 이 기술에 숙련된 자에 의해 채용될 수도 있을 것이며 본 발명의 넓은 범위 내에 있을 것이다. 본 발명은 첨부한 청구항에 의해서만 한정된다.

Claims

품질 지수 기준을 사용하여 수신된 콘볼루션 부호화된 신호의 복호시 반복 계산들을 종료하는 방법에 있어서,

반복 루프에 접속된 2개의 소프트-입력, 소프트-출력 재귀 프로세서들, 및 상기 재귀 프로세서들 중 적어도 하나의 프로세서의 입력들에 병렬로 결합된 적어도 하나의 추가적인 비터비 복호기 재귀 프로세서를 터보 복호기에 제공하는 단계로서, 상기 모든 재귀 프로세서들은 상기 신호에 대해 반복 계산들을 동시에 수행하는, 상기 제공 단계와;

각 반복마다, 적어도 하나의 재귀 프로세서에서 신호의 품질 지수를 계산하는 단계와;

품질 지수의 측정치가 미리 결정된 레벨을 초과할 때 반복들을 종료하는 단계와;

종료 단계 후에 존재하는 터보 복호기의 소프트 출력으로부터 도출된 출력을 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 첫 번째 제공 단계는 상기 2개의 재귀 프로세서들의 입력들에 각각 병렬로 결합되는 2개의 추가적인 프로세서들을 포함하는, 방법.
제 1항에 있어서, 상기 계산 단계는 각 반복에서 LLR(log-likehood ratio) 정보로부터 추출된 양으로 곱한 발생된 외부 정보들의 합인 상기 품질 지수를 포함하는, 방법.
제 4항에 있어서, 상기 계산 단계는 LLR 값의 하드 판정(hard decision)인 양을 포함하는, 방법.
제 4항에 있어서, 상기 계산 단계는 상기 LLR 값인 양을 포함하는, 방법.
제 4항에 있어서, 상기 계산 단계는 각 반복에서 계산된 신호의 고유 신호 대 잡음 비인 상기 품질 지수를 포함하고, 상기 고유 신호 대 잡음비는 각 반복에서, 상기 발생된 외부 정보의 제곱의 합에 더해진 상기 품질 지수의 함수인, 방법.
제 7항에 있어서, 상기 계산 단계는 상기 LLR 값의 하드 판정인 양을 갖는 상기 품질 지수를 사용하여 계산되는 상기 고유 신호 대 잡음비를 포함하는, 방법.
제 7항에 있어서, 상기 계산 단계는 상기 LLR 값인 양을 갖는 상기 품질 지수를 사용하여 계산되는 상기 고유 신호 대 잡음비를 포함하는, 방법.
제 1항에 있어서, 상기 종료 단계는 상기 반복들 동안 상기 품질 지수의 기울기인 상기 품질 지수의 측정치를 포함하는, 방법.