KR100849085B1 - 가변 이득계수를 이용한 저복잡도 및 저전력 터보 복호기 - Google Patents

가변 이득계수를 이용한 저복잡도 및 저전력 터보 복호기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가변 이득계수를 이용한 저복잡도 및 저전력 터보복호기에 관한 것으로, SDR(Sign Difference Ratio)값을 이용하여 터보 복호기의 복호수렴 정도를 평가하고 반복 복호 횟수를 제한하는 한편, 상기 SDR값을 기반으로 각 복호수렴 영역마다 최적의 성능을 갖는 가변 이득계수(variable scaling factor)를 계산하여 적용함으로써, 저복잡도 터보 복호기의 성능 열화를 개선시킴과 동시에 평균 반복 복호 횟수를 줄여 전력소모량을 줄일 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, EMLMAP 알고리즘의 단점이라고 할 수 있는 부호화 블록의 크기가 큰 경우에 대한 성능 열화를 개선시킬 수 있으며, 평균 반복 복호 횟수를 감소시켜 전력소모량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
터보 디코더(turbo decoder), 조기종료(Early Stopping)

Description

가변 이득계수를 이용한 저복잡도 및 저전력 터보 복호기{Low complexity and power-consumption Turbo-decoder using variable scaling factor}
도 1a 및 도 1b는 종래의 터보 복호기의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가변 이득계수를 이용한 저복잡도 및 저전력 터보복호기의 구성도이다.
도 3은 0.6에서 0.9까지의 이득계수에 따른 EMLMAP 알고리즘의 EXIT 차트를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 이득계수에 따른 EMLMAP 알고리즘의 복호 성능을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 N=5114, R=1/3인 경우, 본 발명의 터보 복호기와 종래의 터보 복호기의 BER 성능을 비교분석한 그래프이다.
도 6은 N=5114, R=1/3인 경우, 본 발명의 터보 복호기와 종래의 터보 복호기의 평균 반복 복호 횟수를 비교분석한 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
210 : 제 1 구성 복호기
220 : 인터리버(interleaver)
230 : 제 2 구성 복호기
240 : 디인터리버(deinterleaver)
250 : 조기 정지 판단부
260 : 가변 이득계수 계산부
본 발명은 가변 이득계수를 이용한 저복잡도 및 저전력 터보복호기에 관한 것으로, 더 자세하게는 SDR(Sign Difference Ratio)을 이용하여 각 복호수렴 영역마다 최적의 성능을 갖는 가변 이득계수(variable scaling factor)를 적용하고 반복 복호 횟수를 제한함으로써, 저복잡도 터보 복호기의 성능 열화를 개선시킴과 동시에 평균 반복 복호 횟수를 줄여 전력소모량을 줄일 수 있는 터보 복호기에 관한 것이다.
이동통신 서비스가 영상과 무선 인터넷 등의 본격적인 멀티미디어 서비스를 제공하게 됨에 따라, 고속전송뿐만 아니라 낮은 비트오율(Bit Error Rate: BER) 성능이 필요하게 되었다. 이를 위해 오류정정 기법과 성능개선을 위한 연구가 활발히 진행되어 왔으며, 현재 HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), 와이브로(WiBro) 등과 같은 차세대 이동통신 시스템의 오류정정부호(error correction codes)로서 터보 코드가 채택되었다.
도 1a 및 도 1b는 이와 같은 터보 코드를 복호하는 종래의 터보 복호기를 나타낸 것으로, 도 1a를 참조하면, 종래의 터보 복호기는 두 개의 구성 복호기(110, 130)를 직렬로 연접하고, 각각의 구성 복호기(110, 130)에서 생성된 부가 정보(extrinsic information)를 서로 교환하면서 반복 복호(iterative decoding)를 수행한다. 이때, 각 구성 복호기(110, 130)에서 사용하는 복호 알고리즘으로는 LMAP 알고리즘(Log-MAP algorithm)과 MLMAP 알고리즘(Max-Log-MAP algorithm) 등이 있다.
상기 LMAP 알고리즘은 trellis 상의 정보어를 복호하는데 있어 최적의 알고리즘인 MAP(Maximum A Posteriori) 알고리즘을 로그 영역(log domain) 상에서 구현한 것이며, 상기 MLMAP 알고리즘은 LMAP 알고리즘을 metric 연산 과정의 근사화를 통해 보다 간단하게 구현한 것이다.
특히 상기 MLMAP 알고리즘은 확률적 반복복호를 하는 LMAP 알고리즘의 복잡도 및 복호지연을 줄이기 위한 것으로, LMAP 알고리즘에 비해 구현이 용이하다. 그러나, 수신기에서 정확한 신호 대 잡음비를 알 수 있는 경우에는 LMAP 알고리즘에 의한 복호에 비해 성능 열화가 있는 단점이 있다.
이와 같은 MLMAP 알고리즘의 성능 열화를 개선하기 위한 것으로, 도 1b에 도시된 바와 같이 각 구성 복호기(110, 130)의 출력에 고정 이득계수(fixed scaling factor,
Figure 112007010086714-pat00001
)를 곱하여 반복 복호를 수행하는 EMLMAP(Enhanced Max-Log-MAP) 알고리즘이 제안되었다.
그러나, 상기 EMLMAP 알고리즘의 경우, 부호화 블록의 크기가 비교적 작을 때는 그 복호 성능이 거의 LMAP 알고리즘의 성능에 근접하지만, 부호화 블록의 크기가 클 경우에는 LMAP 알고리즘에 비해 성능 열화가 발생하는 한계점을 갖고 있다.
또한, 상기 EMLMAP 알고리즘을 이용한 터보 복호기에서는 반복 복호 횟수가 증 가할수록 비트 에러율과 프레임 에러율이 감소하지만 그 개선의 정도는 점차 줄어든다. 그러므로, 터보 코드의 성능 한계에 다다른 이후의 반복 복호는 과정은 부가적인 연산과 복호 지연만 초래할 뿐 큰 의미를 가지지 않는다.
따라서, 복호 성능을 그대로 유지하면서 어느 시점에서 반복 복호를 정지시켜야하는지가 터보 복호기의 전력 소모 및 그 복호 처리에 따른 시간 지연을 결정하는 중요한 변수로서 작용하므로, 하드웨어적으로 복잡하지 않으면서도 간단하게 설정할 수 있는 임계값으로 반복 복호 횟수를 제한할 수 있는 수단이 필요로 된다.
본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 SDR(Sign Difference Ratio)을 이용하여 각 복호수렴 영역마다 최적의 성능을 갖는 가변 이득계수(variable scaling factor)를 적용하고 반복 복호 횟수를 제한함으로써, 저복잡도 터보 복호기의 성능 열화를 개선시킴과 동시에 평균 반복 복호 횟수를 줄여 전력소모량을 줄일 수 있는 터보 복호기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 저복잡도 및 저전력 터보 복호기는, 가변 이득계수에 따라 터보 코드에 의해 부호화된 비트들에 대한 반복 복호를 수행하는 제1,2 구성 복호기와, SDR(Sign Difference Ratio)값을 체크하여 상기 SDR값에 따라 반복 복호 횟수를 가변적으로 제한하는 조기 정지 판단부와, 상기 SDR값에 따라 각 복호수렴 영역에서의 가변 이득계수를 계산하는 가변 이득계수 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 가변 이득계수를 이용한 저복잡도 및 저전력 터보복호기의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 터보 복호기는, 후술하는 가변 이득계수에 따라 터보 코드에 의해 부호화된 비트들에 대한 반복 복호를 수행하는 제1,2 구성 복호기(210, 230)와, 상기 제1,2 구성 복호기(210, 230) 사이에 비트열의 순서를 일치시키기 위한 인터리버(interleaver)(220)와, 상기 인터리버(220)에 의해 재배열된 정보를 원래의 정보 비트와 같은 순서로 재배열하는 디인터리버(deinterleaver)(240)와, 상기 제1,2 구성 복호기(210, 230)의 입력값과 출력값을 더하여 다음 단의 구성 복호기의 입력값으로 쓰일 새로운 부가 정보를 생성하는 제1, 2 가산기(A1, A2) 및 상기 다음 단의 구성 복호기의 입력값으로 쓰일 새로운 부가 정보에 가변 이득계수(
Figure 112007010086714-pat00002
)를 곱하기 위한 제1, 2 곱셈기(M1, M2)와, SDR값을 체크하여 그 SDR값에 따라 반복 복호 횟수를 가변적으로 제한하는 조기 정지 판단부(250)와, 상기 SDR값에 따라 각 복호수렴 영역에서 최적의 성능을 갖는 가변 이득계수(
Figure 112007010086714-pat00003
)를 계산하는 가변 이득계수 계산부(260)를 포함한다.
상기 제 1, 2 구성 복호기(210, 230)는 EMLMAP 알고리즘을 통해 부가 정보를 서로 교환하면서 반복 복호를 수행하여 대수우도비(log-likelihood ratio: LLR)
Figure 112007010086714-pat00004
,
Figure 112007010086714-pat00005
를 생성하여 출력하며, 이 때, 상기 각 구성 복호기(210, 230)의 입력에는 곱셈기(M1, M2)를 통해 가변 이득계수(
Figure 112007010086714-pat00006
)가 곱해져 반복 복호가 수행된다.
상기 조기 정지 판단부(250)에서는 제 1 구성 복호기(210)의 출력(
Figure 112007010086714-pat00007
)과 제 2 구성 복호기(230)의 출력(
Figure 112007010086714-pat00008
)의 부호변화의 개수, 즉, SDR값을 측정하여, 상기 SDR값이 '0'이면 반복 복호가 바로 중지되도록 제어하며, 반대로 상기 SDR값이 '0'이 아니면 반복 복호가 계속 수행되도록 제어한다.
본 발명은 SDR을 이용하여 각 복호수렴 영역마다 최적의 성능을 갖는 가변 이득계수(
Figure 112007010086714-pat00009
)를 적용하고 반복 복호 횟수를 제한함으로써, 저복잡도 터보 복호기의 성능 열화를 개선시킴과 동시에 평균 반복 복호 횟수를 줄여 전력소모량을 줄일 수 있는 것에 가장 큰 특징이 있는 바, 이하의 설명에서 본 발명에 따른 가변 이득계수(
Figure 112007010086714-pat00010
) 적용 방법에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 터보 복호기의 반복복호의 수렴 동작을 분석하는 도구로 사용되는 EXIT(Extrinsic Information Transfer) 차트를 이용하여 0.6에서 0.9까지의 이득계수(
Figure 112007010086714-pat00011
)에 따른 EMLMAP 알고리즘의 복호수렴 성능을 분석해보면, 도 3에 도시된 바와 같이 각 복호수렴 영역마다 최적의 성능을 나타내는 이득계수(
Figure 112007010086714-pat00012
)가 다른 것을 알 수 있다.
여기에서, 상기 EXIT 차트는 터보 복호기에 입력되는 Priori LLR(LA)과 정보블 록(X)과의 상호정보(mutual information) IA = H(X;LA)와, 터보 복호기로부터 출력되는 extrinsic LLR(LE)과 상기 정보블록(X)과의 상호정보(mutual information) IE = H(X;LE)의 관계를 나타낸 그래프이며, 상기 EXIT 차트상에서 상위에 위치한 곡선이 우수한 복호수렴 성능을 가지는 터보 복호기임을 의미한다.
즉, 약 IA = 0 ~ 0.1 영역에서는 이득계수(
Figure 112007010086714-pat00013
)가 0.6인 터보 복호기, IA = 0.1 ~ 0.3 영역에서는 이득계수(
Figure 112007010086714-pat00014
)가 0.7인 터보 복호기, IA = 0.3 ~ 0.55 영역에서는 이득계수(
Figure 112007010086714-pat00015
)가 0.8인 터보 복호기, IA = 0.55 ~ 1 영역에서는 이득계수(
Figure 112007010086714-pat00016
)가 0.9인 터보 복호기가 가장 우수한 성능을 가지는 것을 알 수 있다.
이와 같은 이득계수에 따른 EMLMAP 알고리즘의 복호 성능을 도식적으로 표현하면 도 4와 같다.
도 4에 도시된 바와 같이, 각 복호수렴 영역마다 최적의 성능을 갖는 이득계수(
Figure 112007010086714-pat00017
)가 각각 존재하며, 터보 복호기가 IA 값을 평가할 수 있다면
Figure 112007010086714-pat00018
로 표현되는 이득계수(
Figure 112007010086714-pat00019
)를 가변적으로 적용하여 EMLMAP 알고리즘의 성능 최적화를 이룰 수 있다.
하지만, 실제적인 상황에서 터보 복호기가 입력되는 Priori LLR(LA)과 정보블록(X)과의 상호정보(mutual information) IA를 구하는 것은 불가능하기 때문에, 각 복 호수렴 영역마다 최적의 성능을 갖는 이득계수를 가변적으로 적용하기 위해서는 IA가 아닌 다른 복호수렴 정도를 평가할 수 있는 정보가 필요하다.
이를 위해 본 발명의 조기 정지 판단부(250)에서는 SDR값을 측정하여 터보 복호기의 복호수렴 정도를 평가하는 한편, 가변 이득계수 계산부(260)에서는 상기 SDR값을 기반으로 각 복호수렴 영역마다 최적의 성능을 갖는 가변 이득계수(
Figure 112007010086714-pat00020
)를 계산하는데, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 컴퓨터 모의실험을 이용하여 이득계수값이 0.6, 0.7, 0.8, 0.9인 경우, 이에 대한 경계지점에 해당하는 SDR값의 부호화 블록의 크기(N)에 대한 평균비율을 구해보면, 각각 0.109, 0.0547, 0.0183의 값이 산출되며, 따라서, 각 복호수렴 영역마다 최적의 성능을 갖는 가변 이득계수(
Figure 112007010086714-pat00021
)는 다음의 수학식 1과 같은 조건식에 의해 계산될 수 있으며, 이와 같은 계산은 가변 이득계수 계산부(260)에서 수행된다.
Figure 112007010086714-pat00022
상기 수학식 1에 있어서, N은 부호화 블록의 크기를 나타내고,
Figure 112007010086714-pat00023
는 가변 이득계수를 나타내며, SDR은 부호변화의 개수를 나타낸다.
즉, 상기 조기 정지 판단부(250)를 통해 SDR값이 측정되면, 상기 가변 이득계수 계산부(260)에서는 측정된 SDR값을 상기 수학식 1과 같이 표현되는 이득계수 가변 함수
Figure 112008037998648-pat00037
에 적용하여 해당 영역에서 최적의 성능을 갖는 가변 이득계수(
Figure 112008037998648-pat00025
)를 구하며, 그 가변 이득계수(
Figure 112008037998648-pat00026
)를 상기 각 구성 복호기(210, 230)의 입력에 곱하여 반복 복호를 수행함으로써, 이에 따라 반복 복호 방식에서 복호 시간을 단축하고 복호에 따른 전력 소모를 최소화하여 저복잡도의 특성을 갖는 EMLMAP 알고리즘의 성능을 최적화할 수 있게 된다.
(전산모사)
컴퓨터 모의실험을 이용하여 본 발명의 터보 복호기와 종래의 터보 복호기의 효율성을 비교분석한 결과가 도 5 및 도 6에 도시되어 있다.
컴퓨터 모의실험시, WCDMA 시스템에 각 터보 복호기를 적용하고, BER 성능 및 평균 반복복호를 분석하여 각 터보 복호기의 저전력화 효율을 평가하였으며, 모든 컴퓨터 모의실험환경은 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 채널에 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 변조방식을 사용하고, 터보 복호기의 최대 반복복호 횟수는 8번으로 설정하였다.
도 5에 도시된 바와 같이, N=5114, R=1/3인 경우, 본 발명의 터보 복호기와 종래의 터보 복호기의 BER 성능을 곡선을 비교하면, 본 발명의 터보 복호기는 SDR을 이용한 조기 정지 알고리즘과 가변 이득계수를 이용한 개선된 EMLMAP 알고리즘이 동시에 적용되어 마름모 곡선과 같은 BER 성능을 나타내고, 이에 비하여 고정된 이득계수를 이용하는 EMLMAP 알고리즘이 적용되는 종래의 터보 복호기는 삼각형 곡선과 같은 BER 성능을 나타내며, 본 발명의 터보 복호기의 BER 성능이 좀 더 우수한 성능을 보임을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 터보 복호기는 종래의 터보 복호기에 비하여 기존 EMLMAP 알고리즘의 단점이라고 할 수 있는 부호화 블록의 크기(N)가 큰 경우에 대한 성능 열화가 개선된 것을 알 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이 평균 반복 복호 횟수의 경우, 본 발명의 터보 복호기의 평균 반복 복호 횟수(마름모 곡선)는 종래의 터보 복호기의 평균 반복 횟수(삼각형 곡선)보다 약 0.3회 정도 적은 평균 반복 복호 횟수를 보이는 것을 알 수 있다. 이는 종래의 터보 복호기의 평균 반복 복호 횟수의 하향 한계치라고 할 수 있는 GENIE 모드에서의 평균 반복복호 횟수와 비슷한 결과이다.
즉, 본 발명의 터보 복호기는 종래의 터보 복호기에 비해 약 0.3회 정도 적은 평균 반복 복호 횟수만으로도 종래의 터보 복호기와 동일한 성능을 나타내며, 이에 따라 종래의 터보 복호기보다 0.3회 정도 반복 복호를 덜 수행함으로써 전력소모량이 그만큼 감소된 효과를 얻을 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있 으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, SDR값을 이용하여 터보 복호기의 복호수렴 정도를 평가하고 그에 따라 최적의 가변 이득계수를 적용함으로써, 종래의 고정된 이득계수를 적용하는 터보 복호기에 비하여 EMLMAP 알고리즘의 성능을 최적화시킬 수 있으며, 이에 따라 종래의 EMLMAP 알고리즘의 단점이라고 할 수 있는 부호화 블록의 크기가 큰 경우에 대한 성능 열화를 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 터보 복호기의 평균 반복 복호횟수를 감소시킬 수 있으므로, 이에 따라 터보 복호기의 전력소모량도 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 가변 이득계수에 따라 터보 코드에 의해 부호화된 비트들에 대한 반복 복호를 수행하는 제1,2 구성 복호기;
    SDR(Sign Difference Ratio)값을 체크하여 상기 SDR값에 따라 반복 복호 횟수를 가변적으로 제한하는 조기 정지 판단부; 및
    상기 SDR값에 따라 각 복호수렴 영역에서의 가변 이득계수를 계산하는 가변 이득계수 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 이득계수를 이용한 저복잡도 및 저전력 터보 복호기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1,2 구성 복호기는,
    EMLMAP(Enhanced Max-Log-MAP) 알고리즘을 통해 부가 정보를 서로 교환하면서 반복 복호를 수행하는 것을 특징으로 하는 가변 이득계수를 이용한 저복잡도 및 저전력 터보 복호기.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 조기 정지 판단부는,
    상기 제1,2 구성 복호기의 출력으로부터 SDR값을 측정하여 상기 SDR값이 '0'이면 반복 복호가 중지되도록 하고, 상기 SDR값이 '0'이 아니면 반복 복호가 계속 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 가변 이득계수를 이용한 저복잡도 및 저전력 터보 복호기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 가변 이득계수(
    Figure 112007010086714-pat00027
    )는,
    Figure 112007010086714-pat00028
    (여기에서, N은 부호화 블록의 크기를 나타내고,
    Figure 112007010086714-pat00029
    는 가변 이득계수를 나타내며, SDR은 부호변화의 개수를 나타냄)
    에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 가변 이득계수를 이용한 저복잡도 및 저전력 터보 복호기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1,2 구성 복호기 사이에 비트열의 순서를 일치시키기 위한 인터리버(interleaver)와, 상기 인터리버에 의해 재배열된 정보를 원래의 정보 비트와 같은 순서로 재배열하는 디인터리버(deinterleaver)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 이득계수를 이용한 저복잡도 및 저전력 터보 복호기.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 제1,2 구성 복호기의 입력값과 출력값을 더하여 새로운 부가 정보를 생성하는 제1, 2 가산기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 이득계수를 이용한 저복 잡도 및 저전력 터보 복호기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 새로운 부가 정보에 상기 가변 이득계수를 곱하기 위한 제1, 2 곱셈기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 이득계수를 이용한 저복잡도 및 저전력 터보 복호기.
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