KR19990076915A - 데이터 전송방법 및 신호 엔코딩 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신호를 엔코딩하고 디코딩하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 엔코딩측상에 적어도 둘 이상의 병렬 엔코더(600,602)를, 디코딩측상에 적어도 둘 이상의 병렬 디코더(770,702)를 포함한다. 효율적인 코딩을 제공하기 위하여, 상기 장치의 엔코딩측상에는 직렬로 접속된 많은 레지스터들(612a~618a)과, 레지스터들(612a~618a)의 출력을 데이터에 가산하는 많은 가산수단(622a~626a), 및 입력은 레지스터들(612a~618a)의 출력으로 구성되고 출력은 변환기 수단(628a)의 입력들을 기초로 선택된 월쉬 심볼 또는 그것의 보수를 포함하는 매핑 수단(628a)을 포함하고, 상기 장치의 디코딩측상에서, 각 병렬 디코더(700,702)의 입력(704,706)은 수신된 월쉬 심볼 및 다른 병렬 디코더들로부터 수신된 심볼판정에 대한 신뢰성 정보(718,720)로 구성된다

Description

데이터 전송방법 및 신호 엔코딩 장치
데이터 링크들에서, 신호들을 전송하는데 사용되는 전송경로는 원격통신을 할 때 간섭을 유발하는 것으로 알려져 있다. 상기 간섭은 전송경로의 물리적인 형태에 관계없이, 즉, 상기 경로가 무선링크, 광섬유 또는 동케이블이더라도 발생한다.
전송경로에 의하여 유발된 간섭효과들을 줄이기 위하여, 디지털 신호가 엔코딩됨으로써 보다 신뢰성있게 접속이 수행될 수 있다. 이러한 경우, 전송되는 신호들내의 간섭에 의하여 유발된 오류들은 검출될 수 있으며, 사용된 엔코딩 방법에 따라서는 재전송없이도 정정될 수 있다.
디지털통신에 사용되는 종래의 코딩방법들은 예를들어 블록 코딩(block coding) 및 콘벌루션 코딩(convolution coding)을 포함한다. 블록코딩에서는, 엔코딩되는 비트들이 블록들로 모여지고, 패리티 비트들이 블록들의 끝부분에 부가됨으로써 상기 패리티 비트들에 의하여 이전 블록내에 있는 비트들의 정확성이 점검될 수 있다. 콘벌루션 코딩에서는, 상기 패리티 비트들이 상기 데이터 비트들 사이에 위치됨으로써, 엔코딩이 지속된다. 데이터 비트들은 블록들로 모여지지 않고, 바로 이전 데이터 비트들에 접속되지도 않지만, 이들은 일정한 길이의 비트군 영역에 걸쳐 분산되며, 이 비트수는 콘벌루션 코드의 속박길이(constraint length)라 칭한다. 콘벌루션 엔코더들 및 디코더들은 그 분야에서 알려진 방법들로 구현된다. 상기 엔코더는 예를들어 쉬프트레지스터들에 의하여 구현될 수도 있다.
"확장스펙트럼 다중 엑세스 채널의 이론적 최대성능을 위한 저속 콘벌루션 코드들(Very Low Rate Convolutional Codes for Maximum Theoretical Performance of Spread-Spectrum Multiple-Access Channels), by Viterbi, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 8, No. 4, 1990. 5., pp. 641~649"에서는 콘벌루션 코딩과 다중레벨 직교변조가 결합된 방법이 개시되어 있다. 이 방법에서는 도 1에 도시한 바와 같은 원리로 엔코딩이 수행된다. 도면에 도시된 엔코더는 쉬프트레지스터(100)에 의하여 구현되고, 출력으로서 M 병렬비트들로 나타내어지는 M = 2m가능 직교심볼들 중의 하나를 발생하는 직교변조기(102)를 제어하기 위한 m 코드비트들(106)을 출력하는 k-비트 콘벌루션 엔코더로 구성된다. 이 M 레벨 직교신호군은 예를들어 M 레벨 월쉬(Walsh) 신호군일 수도 있다. 도 2에는 상술한 참고자료에 따른 방법을 구현하는 디코더를 도시하였으며, 상기 디코더는 M 레벨 복조기(200), 예를들어 일군의 상관기들 또는 월쉬-하다마드(Walsh-Hadamard) 변환회로를 포함하고, 상기 M 레벨복조기(200)의 출력은 비터비(Viterbi) 디코더(202)로 공급되는 M 상관값들(204)로써 구성된다.
미합중국 특허 제5,193,094호에는 상술한 방법과 유사한 방법을 개시하고 있으며, 여기서는 쉬프트레지스터 출력내의 비트들 중에서 처음 및 마지막 비트를 취하여 XOR 게이트에 접속하고, 상기 XOR 게이트의 출력은 직교변조기의 출력과 함께 다른 XOR 게이트로 공급되며, 상기 다른 XOR 게이트의 출력은 전송되어지는 심볼이 된다.
여기에 참조로써 통합되는 "근 샤논 한계 오류정정 코딩 및 디코딩: 터보코드들(Near Shannon limit error-correcting coding and decoding: Turbo-codes), by Berrou, C., Glavieux, A., Thitimajshima, P., IEEE International Conf. on Communications, ICC'93, Geneva, Switzerland 1993. 5. 23-26, Vol. 2, pp. 1064~1070"에는 병렬 연쇄적(parallel concatenated) 콘벌루션 코딩의 원리가 개시되어 있다. 이러한 코드들은 종종 터보코드들(turbo-codes)이라 칭해진다. AWGN 채널내에서 터보코드의 처리능력은 우수하다. 엔코딩은 둘 이상의 병렬 엔코더에 의하여 발생되며, 엔코더들로 입력되는 신호들은 독립적인 데이터 흐름을 만들기 위하여 인터리브된다.
이러한 알려진 방법들은 소망의 전송품질을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 신규의 장치보다 높은 신호 대 잡음비가 요구된다는 단점이 있다.
본 발명은 채널내에서 발생된 전송오류를 최소화하기 위하여 전송되는 신호에 대한 처리를 포함하여 디지털 신호를 전송하는 데이터 전송방법에 관한 것이다.
도 1 및 도 2는 상술한 종래기술에 따른 엔코더 및 디코더를 도시한 도면이다.
도 3은 터보코드를 사용한 엔코더의 구조를 도시한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 이진 및 초직교 코드에 대한 격자의 일예를 도시한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 하다마드 행렬들(Hadamard matrices)을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 방법을 구현하는 엔코더 구조의 일예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 방법을 구현하는 디코더 구조의 일예를 도시한 도면이다.
본 발명의 목적은 종래기술보다 양호한 특성들을 갖고, 데이터 통신 시스템들, 특히 CDMA 시스템들의 처리능력 및 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 엔코딩 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 전제부에서 기술된 종류의 방법에 있어서, 신호코딩이 결합된 병렬 연쇄적 콘벌루션 코딩 및 초직교(superorthogonal) 콘벌루션 코드를 사용하여 구현되는 방법인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 디지털 신호를 엔코딩 및 디코딩하는 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 엔코딩측에 적어도 둘 이상의 병렬 엔코더를 포함하고, 상기 엔코더들의 입력은 전송되는 데이터 시퀀스가 되며, 상기 데이터 시퀀스는 상기 데이터가 각 엔코더에서 각기 다른 순서로 되는 방법으로 인터리브되고, 디코딩측에 적어도 둘 이상의 병렬 디코더를 포함한다. 본 발명에 따른 장치는, 엔코딩측상에, 각 병렬 엔코더가 캐스케이드(cascade) 접속에 의하여 결합되고 엔코딩되는 데이터가 공급되는 레지스터군과, 주어진 발생기 다항식(generator polynomial)에 따라 접속되고 레지스터들의 출력을 엔코딩될 데이터에 가산하는 가산수단군, 및 레지스터들의 출력으로 입력이 구성되고 출력은 변환기 수단의 입력들을 기초로 선택된 월쉬 심볼 또는 그것의 보수(complement)를 포함하는 매핑 수단을 포함하고, 디코딩측상에, 각 병렬 디코더의 입력이 수신된 월쉬 심볼 또는 그 보수와 다른 병렬 디코더들로부터 수신된 심볼판정에 대한 신뢰성 정보로 구성된다는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법은 종래의 엔코딩 방법들에 비하여 상당한 처리능력을 제공한다. 본 발명에 따른 방법에서는, 순환적으로 엔코딩이 수행되고 반복적으로 디코딩이 수행되며, 구현의 복잡 정도는 수행되는 반복 순환들의 수에 의존한다.
본 발명에 따른 장치에서는, 매우 낮은 코드율(1/N, N>>1)을 사용하는 것이 가능하다. 본 발명에 따른 방법은 특히 사용된 비트율에 비하여 몇몇 사용자들이 다양한 동일 주파수 채널상으로 전송하는 CDMA 시스템들에 있어서 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면들에 따른 실시예들을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 기술하기로 한다.
본 발명에 따른 장치에서, 신호의 채널코딩은 결합된 병렬 연쇄적 콘벌루션 코딩 및 초직교 콘벌루션 코드를 사용함으로써 구현된다. 이하에서는, 먼저 병렬 연쇄적 콘벌루션 코딩, 다음에는 본 발명에 따른 결합 엔코딩의 원리들을 기술함으로써 본 발명에 따른 장치를 검토하기로 한다.
도 3에 도시한 코드 구조를 사용하여 터보코딩을 검토한다. 터보코드에 대한 엔코더는 병렬로 동작하는 둘 이상의 연쇄적 콘벌루션 엔코더들(300,302)로써 구성된다. 도 3에는 예시적으로 발생기 다항식들 g1= 37 및 g2= 21(8진)을 갖는 두 병렬 엔코더를 도시하였다. 제1 디코더(300)는 전송될 데이터 비트 시퀀스 D=(d0,d1,...,dN-1)를 직접 처리한다. 상기 디코더의 출력은 순수 데이터정보 xk(306) 및 순환적으로 엔코딩된 잔류 정보 xk1를 포함한다. 따라서, 상기 코드는 체계적이다. 상기 데이터 정보는 그 출력이 순환적으로 계산된 잔류 정보 xk2(312)를 포함하는 제2 엔코더(302)로 공급되기 전에 독립적인 데이터 흐름을 발생하기 위하여 인터리브된다(308).
다음으로 초직교 코딩을 검토한다. 초직교 코딩 그 자체는 이전에 알려져 있으며 예를들어 CDMA에서 "확장 스펙트럼 통신 원리(Principles of spread spectrum communication), by Viterbi, A., Addison-Wesley Publishing Company, 1995, pp. 155~166"에 보다 상세하게 기술된다. 먼저 도 4a에 의한 예를 검토한다. 도 4에서는 속박길이 L = 4를 갖는 이진 콘벌루션 코드에 대한 격자도면의 일부를 도시하였다. 또한 상태출력들이 도시되었다. 각 지로는 8 상태를 포함하며, 각 상태에는 두 경로가 들어오고 따라서 각 상태로부터 두 경로가 출발한다. 만일 사용된 코드가 1/2 비율코드(rate code)이면, 엔코더는 각 상태로부터 시퀀스들 00, 01, 10, 또는 11 중의 하나를 출력으로서 제공한다. 여기에는 8 상태와 16 경로가 있기 때문에 상기 시퀀스들이 종종 사용되어야 한다.
코드율은 모든 출력 시퀀스들이 상호 직교적, 즉, 시퀀스들 사이의 상관이 0이 되는 방법으로 긴 시퀀스들을 사용함으로써 저감될 수 있다. 여기서는 예를들어 하다마드 행렬 H16의 행들을 사용하는 것이 가능하다. 여기에는 한 상태에서 다른 상태까지 모두 합하여 16 천이들(transitions)이 있다. 따라서, 한 천이에 대하여 하다마드 행렬 H16의 한 행을 설정하는 것이 가능하다. 이러한 경우, 상태들의 모든 입력들과 출력들은 직교적이며, 이는 대역폭을 증가시킨다. 코드율은 이 경우 1/16이다.
상술한 코드는 행렬 H8에 -1을 곱함으로써 구해지는 시퀀스들이 추가되는 하다마드 행렬 H8을 사용함으로써 보다 향상될 수 있다. 상기 행렬들은 도 5a와 도 5 b에 도시하였다.
그리하여 16 시퀀스들의 이중직교군(biorthogonal group)이 구해진다. 하지만 모든 시퀀스들이 상호 이중직교적인 것은 아니다. 반면, 결과는 8 조의 시퀀스들이 서로에 대하여 이중직교적이고 다른 14 시퀀스들에 대해서는 직교적이다. 동일한 상태로부터의 경로출력이 상호 이중직교적인 시퀀스들을 구비하는 방법으로 시퀀스들이 설정되면, 처리능력을 향상시키는 것이 가능하다. 이러한 이중직교적 코드에 대한 코드율은 1/8이다.
상기 코드는 인접한 상태들의 출력들이 동일한 이중직교(biorthogonal) 시퀀스들을 갖는 방법으로 시퀀스들을 설정함으로써 보다 향상될 수 있다. 이들은 들어오고 나가는 천이들 모두가 이중직교적이도록 각기 다른 경로들상에서 매핑되어야 한다. 이것을 도 4b에 도시하였다. 그러면 합동으로 충분한 수의 시퀀스들을 포함하는 하다마드 행렬 H4과 그 보수 행렬을 사용하는 것이 가능하기 때문에 코드율은 1/4로 증가될 수 있다. 보수행렬은 이 접속에서 값들 "1"은 값들 "-1"로 변환되고, 값들 "-1"은 값들 "1"로 변환되는 행렬을 일컫는다. 이로써 초직교 코드가 발생되었다.
다음으로 도 6에 도시한 엔코더 구조에 의하여 채널 코딩을 구현하는 본 발명에 따른 장치를 검토한다. 도 6에서는 본 발명에 따른 엔코딩을 제공하기 위한 간단한 종류를 도시하였으나 당업자의 경우 명백한 바와 같이 당연하게 다른 구현들이 역시 존재한다.
본 발명에 따른 방법에서, 전송되는 데이터 시퀀스는 둘 이상의 병렬 엔코더로 공급되며, 상기 엔코더들중의 둘(600,602)이 도면에 도시되어있다. 데이터는 다른 엔코더(602)에 인터리브된 형태(606)로 공급된다. 각 엔코더는 많은 레지스터들(612a 내지 618a와, 612b 내지 618b)로 구성되는 순환적 터보코더와, 가산기들(622a 내지 626a와, 622b 내지 626b)에 의하여 구현되는 레지스터들 사이의 접속들을 포함한다. 순환은 레지스터들의 출력으로부터 엔코딩되는 데이터 시퀀스가 가산되는 가산기들(620a, 620b)로 신호를 공급함으로써 구현된다. 도면의 예에서, 발생기 다항식은 37(8진)이고, 속박길이 L = 5이다. 각 엔코더는 예를들어 레지스터들(612a 내지 618a와, 612b 내지 618b)의 상태를 기초로 하다마드 행렬의 소망의 행을 발생하는 월쉬-하다마드 발생기와 같은 매핑수단(628a,628b)을 더 포함한다. 구한 시퀀스들, 즉, 월쉬심볼들 및 그 보수들(608,619)은 채널로 전송되는 전송기의 다른 부분들에 계속해서 인가된다. 도면의 예에서, 하다마드 행렬은 H8또는 그 보수행렬이다. 발생기 제어는 레지스터들이 하다마드 행렬의 열을 결정하고, 데이터 비트(630a, 630b)는 행렬의 부호, 이를테면 하다마드 행렬을 직접 사용하는지 또는 그 보수행렬을 사용하는지를 결정하는 방법으로도 역시 구현될 수 있다. 데이터 비트는 또한 가산기(620a) 이후에 취해질 수도 있고, 어떤 다른 콘벌루션 엔코더의 출력비트로부터 취해질 수도 있다. 본 발명에 따른 장치의 코딩율은 1/2L-1이다. 상기 매핑수단은 실제적으로 예를들어 메모리 엘리먼트 또는 프로세서에 의하여 구현될 수 있다.
다음으로 도 7에 도시한 블록도에 의하여 채널 코딩을 디코딩하는 본 발명에 따른 장치를 검토한다. 본 발명에 따른 장치에서, 디코더는 둘 이상의 병렬 디코더 블록들을 포함하며, 도면의 예에 이들 디코더들중 둘(700,702)을 도시하였다. 각 디코더 블록은 상기 채널로부터 수신된 월쉬심볼 또는 그 보수(704,706)를 그 입력으로서 수신한다. 월쉬심볼은 이하에서 심볼 또는 그 보수로 참조된다. 본 발명에 따른 장치에서, 디코더는 심볼판정(708,710)과 더불어 수행된 판정의 신뢰성(718,720)에 관한 정보를 발생한다. 신뢰성 정보는 병렬 디코더 블록들에 월쉬심볼을 디코딩하는데 사용할 수 있는 보조 정보로서 공급된다. 각기 다른 엔코더 블록들로 공급되는 데이터 비트들은 전송을 위하여 인터리브되기 때문에, 디코더 블록들 사이에서 정보가 전송될 때도 디코더 내에서 인터리빙(712) 및 디인터리빙(714)이 역시 수행되어야 한다. 따라서, 디인터리빙은 인터리브된 데이터로부터 구한 월쉬심볼(706)을 입력받는 디코더 블록들(702)의 출력들상에서도 역시 수행된다.
초기상태부터 개시되는 디코딩을 검토한다. 디코더(700)는 제1 심볼 Wi을 수신한다. 이 단계에서, 상기 디코더는 병렬 디코더(702)의 신뢰성 정보를 알고 있지 않으며, 이로 인하여 사용된 디코딩 알고리즘에 따라 적절한 값으로 입력 zk이 초기화되어진다. 상기 디코더는 심볼판정을 수행하며, 또한 판정의 신뢰성을 계산한다. 상기 디코더들내에서는 예를들어 "심볼 오류율 최소화를 위한 최적 선형코드 디코딩(Optimal decoding of linear codes for minimizing symbol error rate), by Bahl, L., J., Jelinek, F., Raviv, J., IEEE Transactions on Information Theory, 1974. 3., pp. 284~287"에 기술되어 있는 알려진 판정 알고리즘을 사용하는 것이 가능하다. 상기 디코더는 예를들어 신호처리기 또는 몇몇 기타 해당 개별 로직에 의하여 구현될 수 있다. 신뢰성 정보(718)는 인터리브되어 병렬디코더(702)의 입력단에 공급된다. 상기 병렬디코더는 그 입력단에서 수신된 월쉬심볼 Wj을 처리하고 구해진 신뢰성 정보 Zn를 사용한다. 디코더(702)는 판정을 수행하고 신뢰성 정보를 계산한다. Zn의 효과는 신뢰성 정보로부터 제거되어, 디인터리빙(714) 후에 구해진 보조정보 Zk를 사용하여 다시 제1 심볼 Wi을 더 처리하는 병렬디코더(700)로 전송된다(720). 따라서, 상기 디코딩은 그것을 소망의 횟수만큼 반복함으로써 반복적인 구현으로 될 수 있다. 소망하는 경우 엔코더 출력들(708,710)로부터 심볼판정이 구해진다.
본 발명은 첨부된 도면에 따른 실시예를 참조하여 기술되었으나, 상기 본 발명이 그것에 한정되지 않고 반면에 첨부된 청구항들에서 개시된 발명적 정신의 범위내에서 다양한 방법으로 수정될 수 있음이 명백하다.

Claims (10)

  1. 채널내에서 발생된 전송오류들을 최소화하기 위하여 전송되는 신호를 처리하는 단계를 포함하는 디지털 신호를 전송하기 위한 데이터 전송방법에 있어서,
    결합된 병렬 연쇄적 콘벌루션 코딩 및 초직교 콘벌루션 코드를 사용함으로써 신호코딩이 구현되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송방법.
  2. 제1항에 있어서, 전송되는 정보는, 전송되는 시퀀스들의 수가 병렬 콘벌루션 엔코더들의 수와 같아지도록 전송되는 초직교 시퀀스들중의 하나를 선택하는 비트들을 발생하는 병렬 연쇄적 콘벌루션 코딩이 되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 방법은,
    각 블록으로 공급되는 정보가 각기 다른 순서로 인터리브되는 방법으로, 전송되는 정보를 둘 이상의 병렬 엔코딩 블록들로 공급하는 단계; 및
    각 블록내에서 소정의 발생기 다항식들을 기초로 전송되는 정보를 순환적으로 콘벌루션 코딩하는 단계;를 포함하고,
    각 엔코딩 블록의 출력은 월쉬함수 또는 그 보수값으로써 매핑되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송방법.
  4. 제3항에 있어서, 원 데이터 비트는 월쉬함수 또는 그 보수가 전송되는지를 결정하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송방법,
  5. 제3항에 있어서, 콘벌루션 엔코더의 출력내의 비트는 월쉬함수 또는 그 보수가 전송되는지를 결정하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송방법,
  6. 제1항에 있어서, 상기 방법은, 디코딩된 비트와 더불어 판정의 신뢰성에 관한 정보를 발생하는 둘 이상의 병렬디코더들에 의하여 수신신호를 반복적으로 디코딩하는 단계를 포함하고, 각 반복순환동안에 만들어진 판정의 신뢰성에 관한 정보는 다른 병렬 디코더들로 공급되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송방법.
  7. 제3항 또는 제6항에 있어서, 수신된 월쉬함수 또는 그 보수는 각각 자신들의 병렬 디코더로 공급되고, 각 디코더에 의하여 발생된 판정의 신뢰성에 관한 정보는 인터리브되어 다른 병렬 디코더들로 공급되며, 상기 정보는 다음 반복 순환동안에 사용되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송방법.
  8. 제7항에 있어서, 병렬디코더로부터 공급된 정보의 효과는 그것이 다른 디코더들로 공급되기 이전에 신뢰성 정보로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송방법.
  9. 엔코딩측에 데이터가 각 엔코더(600,602)내에서 각기 다른 순서로 되는 방법에 의하여 인터리브되는 전송 데이터 시퀀스(604)가 입력되는 적어도 둘 이상의 병렬 엔코더(600,602)와, 디코딩측에 적어도 둘 이상의 병렬 디코더(700,702)를 포함하는 디지털 신호 엔코딩 및 디코딩 장치에 있어서,
    엔코딩측상에 각 병렬엔코더(600,602)는 캐스케이드 접속에 의하여 결합되고, 엔코딩되는 데이터가 공급되는 일군의 레지스터들(612a ~ 618a)과, 주어진 발생기 다항식에 의존하는 접속을 가지고, 레지스터들(612a ~ 618a)의 출력들을 엔코딩되는 데이터에 가산하는 일군의 가산수단(620a ~ 626a), 및 레지스터들(612a ~ 618a)의 출력들로 구성된 입력들과 변환수단(628a)의 입력들을 기초로 선택된 월쉬심볼 또는 그 보수를 포함하는 출력(608)을 구비하는 매핑수단(628a)을 포함하고,
    디코딩측상에 각 병렬 디코더들(700,702)의 입력단(704,706)은 수신 월쉬심볼 또는 그 보수와 다른 병렬 디코더들로부터 수신된 심볼판정에 관한 신뢰성 정보(718,720)로 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 신호 엔코딩 및 디코딩 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 엔코딩측상에 엔코딩되어지는 데이터(530a)가 매핑수단(628a)의 입력단에 공급되고, 상기 데이터는 매핑수단의 출력(608)이 월쉬심볼 또는 그 보수를 포함하는지를 결정하는 것을 특징으로 하는 디지털 신호 엔코딩 및 디코딩 장치.
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