KR20150024183A - 수신 시퀀스를 디코딩 하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

넓은 간섭 신호 전력 레벨에서 높은 스루풋을 달성할 수 있도록 본 코드워드 및 간섭 코드워드를 동시에 복구할 수 있는 알고리즘을 저 복잡도로 구현할 수 있는 장치 및 방법이 제공된다. 디코딩 할 때 간섭 신호를 함께 고려하여 원하는 코드워드(desired codeword)와 간섭 코드워드를 동시에 복원함으로써 간섭 신호의 전력 레벨에 상관없이 높은 스루풋 성능을 달성할 수 있다.

Description

수신 시퀀스를 디코딩 하는 방법 및 장치 {Method and apparatus for decoding of received sequence}
본 발명은 무선 네트워크에서 원하는 신호와 간섭 신호를 디코딩하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
무선 네트워크에서, 단일 방송 매체를 통해 통신하는 사용자는 다른 사용자들에게 간섭을 발생시킬 수 있다.
이때, 채널 코드는 간섭과 같은 노이즈의 영향을 줄임으로써 신뢰성 있는 통신 방법을 제공할 수 있다. 통상, 다른 사용자로부터의 간섭은 노이즈의 한 부분으로 취급되었기 때문에, 채널 코드를 사용하는 시스템은 신호 대 간섭 노이즈비(signal to interference-noise ratio, SINR)를 최소화한다. 그러나 이 방법은 간섭 신호의 파워가 어느 정도 강할 경우에는 효과가 없다.
연속 간섭 제거(successive interference cancellation) 방법 등의 디코딩(decoding) 알고리즘을 도입한 시스템은 간섭 신호로부터 코드워드를 복원하고 디코딩하여 간섭 신호의 영향을 제거한 후, 본 신호로부터 코드워드를 복원한다. 하지만, 이 방법은 간섭 신호의 파워가 어느 정도 약할 경우에는 효과가 없다.
간섭 신호의 파워 레벨과 상관없이 시스템에서 높은 스루풋을 달성하기 위해서는, 간섭 신호의 전송단과 본 신호의 전송단의 코드워드가 동시에 디코딩되어야 한다. 가장 직접적인 방법은 간섭에 대한 동시 디코딩 알고리즘을 구현하는 것이지만, 그 방법은 간섭 코드워드 시퀀스의 확률을 통합하는 높은 복잡도를 요구하게 되고, 따라서 종래 테크닉은 간섭 심볼의 확률 만을 포함하게 되었다.
기존의 무선통신 시스템에서는 간섭 신호를 잡음으로 간주하고 원하는 신호(desired signal)을 디코딩하거나, 간섭 신호를 순차적으로 제거한 후에 원하는 신호를 디코딩하는 방법을 사용하였다. 이러한 간섭처리 방법은 간섭 신호의 전력 레벨에 따라서 스루풋 성능이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는, 넓은 간섭 신호 전력 레벨에서 높은 스루풋을 달성할 수 있도록 본 코드워드 및 간섭 코드워드를 동시에 복구할 수 있는 알고리즘을 제공한다. 또한, 이러한 동시 간섭 디코딩 알고리즘을 저 복잡도로 구현할 수 있도록 하는 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 한 실시 예에 따르면, 수신 장치에서 수신된 시퀀스를 디코딩하는 방법이 제공된다. 상기 수신 시퀀스 디코딩 방법은, 시퀀스, 제1 송신 신호의 코드워드, 그리고 제2 송신 신호의 코드워드를 이용하여 제1 디코딩을 수행하고, 제1 디코딩의 수행 결과를 토대로 제1 송신 신호의 메시지를 추정하는 단계, 그리고 추정된 메시지를 이용하여 제2 디코딩을 수행하는 단계를 포함한다.
상기 수신 시퀀스 디코딩 방법에서 제1 디코딩은, 수신 장치의 내부 디코더에 포함된 복수의 컴포넌트를 통해 병렬적으로 수행될 수 있다.
상기 수신 시퀀스 디코딩 방법에서 제1 디코딩은, 최대 가능성(maximum likelihood, ML) 디코딩 규칙에 따를 수 있다.
상기 수신 시퀀스 디코딩 방법에서 ML 디코딩 규칙은 협력(joint) ML 디코딩 규칙일 수 있다.
상기 수신 시퀀스 디코딩 방법에서 제1 디코딩은, 제1 송신 신호의 코드워드 및 제2 송신 신호의 코드워드를 이용하여 시퀀스가 수신되었을 때의 제1 송신 신호의 코드워드 및 제2 송신 신호의 코드워드의 조건부 확률을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 수신 시퀀스 디코딩 방법은 추정하는 단계 이후, 추정된 메시지를 디-인터리빙(de-interleaving) 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 수신된 시퀀스를 디코딩하는 수신 장치가 제공된다. 상기 수신 장치는, 시퀀스, 제1 송신 신호의 코드워드, 그리고 제2 송신 신호의 코드워드를 이용하여 제1 디코딩을 수행하고, 제1 디코딩의 수행 결과를 토대로 제1 송신 신호의 메시지를 추정하는 제1 디코더, 그리고 추정된 메시지를 이용하여 제2 디코딩을 수행하는 제2 디코더를 포함한다.
상기 수신 장치에서 제1 디코더는, 제1 디코딩을 병렬적으로 수행하는 복수의 컴포넌트를 포함할 수 있다.
상기 수신 장치에서 제1 디코더는, 최대 가능성(maximum likelihood, ML) 디코딩 규칙에 따라서 제1 디코딩을 수행할 수 있다.
상기 수신 장치에서 ML 디코딩 규칙은 협력(joint) ML 디코딩 규칙일 수 있다.
상기 수신 장치에서 제1 디코더는, 제1 송신 신호의 코드워드 및 제2 송신 신호의 코드워드를 이용하여 시퀀스가 수신되었을 때의 제1 송신 신호의 코드워드 및 제2 송신 신호의 코드워드의 조건부 확률을 계산할 수 있다.
상기 수신 장치에서 수신 장치는, 추정된 메시지를 디-인터리빙(de-interleaving) 하는 디-인터리버를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 한 실시 예에 따르면, 본 발명에 따른 디코딩 알고리즘은 디코딩 할 때 간섭 신호를 함께 고려하여 원하는 코드워드(desired codeword)와 간섭 코드워드를 동시에 복원함으로써 간섭 신호의 전력 레벨에 상관없이 높은 스루풋 성능을 달성할 수 있다.
도 1은 복수의 사용자의 무선 네트워크를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연접 코딩 구조를 구현하는 송신기와 수신기를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수신기의 내부 디코더(240)를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 무선 네트워크에 포함된 복수의 송신기 및 수신기를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 복수의 송신기(100)와 복수의 수신기(110)가 무선 네트워크를 통해 서로 연결되어 있다.
도 2는 무선 네트워크로 연결된 한 쌍의 송신기와 수신기를 도시하고 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 도 2의 송신기(100)와 수신기(110)는 표준 연접 코딩 구조(concatenated coding architecture)에 따르고 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연접 코딩 구조를 구현하는 송신기와 수신기를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 송신기(100)에서 사용하는 전송 심볼(transmission symbol)은 총 N개이고, 정보 비트는 총 K개이다. 따라서, 전송율(R)은 K/N(bits/transmission-symbol)이 된다.
외부 코더(outer coder)(210)는 K개의 정보 비트를 L개의 그룹으로 부호화하여, 각 그룹 당 M/L개의 정보 비트를 생성한다. 즉, K개의 정보 비트는 M개의 정보 비트로 코딩되고, 코드율(its rate)은 K/M이 된다.
L개의 병렬 블록 코드가 포함된 내부 코더(inner coder)(230)는 M개의 정보 비트를 N개의 전송 심볼에 싣는다. 즉, L개의 병렬 블록 코드 각각은 M/L개의 정보 비트를 N/L개의 전송 심볼에 싣는다. 따라서 송신기(100)의 최종 전송률은 수학식1과 같다.
Figure pat00001
본 발명의 실시예에서 도 2의 외부 코더(210)는 코더 클래스(class)의 한 부분으로서, 컨볼루션/터보 코드나, 리드-솔로몬 코드(Reed-Solomon codes), BCH 코드(Bose, Chaudhuri, Hocque-nghem codes), 저밀도 패리티 체크 코드(low-density parity check codes, LDPC codes)과 같은 선형 블록 코드(linear block codes)의 한 예시가 될 수 있으나 여기에 한정되지 않는다.
도 2의 내부 코더(230) 또한 코더 클래스의 한 부분이다. 내부 코더(230)의 길이는 N/L로 짧고, 따라서, 비트 에러율(bit error rate, BER) 및 프레임 에러율(frame error rate, FER)이 우수하다.
한편, 내부 코더(230)와 외부 코더(210)는 M-by-M 인터리버(220)로 연결될 수 있다. 이때 인터리버(220)는 표준 구조로서, 규칙적(regular), 무작위(random), 또는 의사-무작위(pseudo-random) 방식을 따르도록 구현될 수 있다.
수신기(110) 또한 표준 연접 코딩 구조이므로, 수신기(110)도 내부 디코더(240), 디인터리버(250), 그리고 외부 디코더(260)를 포함할 수 있다. 이때 내부 디코더(240)는 L개의 컴포넌트(component)를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수신기의 내부 디코더를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 내부 디코더(240)의 각 구성 요소는 간섭 신호의 코드북(codebook)을 가지고 있다.
먼저, 내부 디코더(240)는 채널에서 출력된 심볼에 기초하여 코드북과 원하는 신호 및 간섭 신호의 채널 정보를 결정한다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 내부 디코더(240)는 최적의 최대 가능성(maximum likelihood, ML) 디코딩 규칙에 따라 신호의 코드북과 채널 정보를 결정할 수 있다. 아래에서는 수학식 2 내지 수학식 5를 통해 ML 디코딩 규칙을 설명한다.
먼저, ML 디코딩 규칙에서 전송된, 원하는 메시지(
Figure pat00002
)는 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00003
따라서, 원하는 메시지의 신호와 간섭 메시지의 신호가 모두 채널 출력 y로 수신되었을 때 수학식 2를 계산하여 메시지(
Figure pat00004
)를 알 수 있다. 즉 수학식 2에 따라서, 길이 N/L인 채널 출력 시퀀스의 가능성을 최대로 할 수 있는 메시지(
Figure pat00005
)가 추정될 수 있다.
그리고, ML 디코딩 규칙을 계산할 때 원하는 신호(x(w))의 코드워드와 간섭 신호(
Figure pat00006
)에 의해 전달된(conveyed) 코드워드가 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 내부 디코더(240)는 비교적 짧은 블록 길이(N/L)로 설계되었기 때문에 최적 ML 디코딩 규칙이 낮은 복잡도로 수행될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에서는 간섭 신호까지 동시에 디코딩하기 때문에 디코딩 알고리즘의 복잡도가 증가할 수 있으나, 짧은 길이의 내부 디코더(240)를 병렬로 배치하여 전체적인 복잡도를 낮출 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 ML 디코딩 규칙은 협력(joint) ML 디코딩 규칙으로 표현될 수 있다. 수학식 3은 협력 ML 디코딩 규칙으로 계산한 메시지(
Figure pat00007
)를 나타낸다.
Figure pat00008
송신기 1과 다른 간섭 송신기로부터의 최대 가능성 코드워드 튜플(tuple)이 수학식 3에서 사용될 수 있고, 간섭 신호의 코드북 구조를 통합하는 동시 비고유 디코딩 규칙(simultaneous nonunique decoding rule)과 같은 다른 디코딩 규칙에 따를 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 어떤 외부 코드가 사용되느냐에 따라 내부 디코더(240)의 각 구성 요소는 M/L 비트에 대한 강 또는 약(hard or soft) 정보를 생성할 수 있다. 예를 들어, 리드-솔로몬 코드가 외부 코드로 사용되는 경우, 내부 디코더(240)는 크기 2M/L인 알파벳을 출력할 수 있다.
외부 코드를 디코딩하기 위한 디코더는 주어진 외부 코드에 따라 일반적인 디코딩 알고리즘을 사용할 수 있고, 출력 시퀀스는 내부 코드에 따라 생성될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에서는, 무선 셀룰러 시스템의 두 셀의 경계에 위치한 수신기가 낮은 복잡도로 동시 간섭 디코딩을 수행할 수 있다.
예를 들어, 총 코드율이 1/2인 K=512, M=768, L=64, N=1024인 송신단의 인코더에서 송신되는 신호를 생각할 수 있다. 이 경우, 외부 인코더는 코드율 3/4의 리드-솔로몬 코드를 사용할 수 있고, 알파벳 사이즈는 212이 된다. 그리고, 내부 인코더는 코드율 2/3의 서로 다른 내부 블록 코더 64개로 구성되고, 입력은 12비트, 출력은 18비트이다. 인터리버는 인코더의 디자인 단계에서 임의로 추가될 수 있다.
이후, 본 발명의 핵심적인 특징인 간섭 신호의 코드북 구조를 이용할 수 있는 내부 디코더(240)가 상기 인코더에서 송신하는 신호를 수신한다.
내부 디코더(240)에서 코드북 구조를 이용하여 신호를 디코딩 하는 경우, 채널은 수학식4와 같이 모델링 될 수 있다.
Figure pat00009
수학식4에서 x는 원하는 신호이고, x'는 간섭 신호이고, y는 채널로부터 수신된 신호이며, z는 가우시안 노이즈이다. 즉, 수신기는 채널로부터 원하는 신호와 간섭 신호, 그리고 노이즈가 결합되어 채널로부터 출력된 출력 시퀀스 y를 수신한다.
이웃 셀에서 간섭 신호를 송신하는 사용자가 코드율 1/2(8비트의 입력, 16비트의 출력)의 선형 블록 코드를 사용할 때, 내부 인코더의 각 컴포넌트는 원하는 신호의 메시지를 아래 수학식 5와 같이 추정할 수 있다.
Figure pat00010
그리고, 메시지 추정에 소요되는 시간을 단축하기 위하여 내부 디코더(240)의 각 컴포넌트는 병렬로 구현될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 내부 디코더(240)에 포함된 컴포넌트가 병렬로 연산을 수행함으로써 ML 디코딩 알고리즘의 복잡도를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 낮은 복잡도로 간섭 신호를 동시에 디코딩 할 수 있고, 간섭 신호의 파워 레벨과 무관하게 높은 스루풋 성능을 달성할 수 있다.
앞에서 살펴본 본 발명의 한 실시예는 서로 간섭을 일으키는 두 사용자 사이의 무선 네트워크에 관해서 기술되고 있지만, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

  1. 수신 장치에서 수신된 시퀀스를 디코딩하는 방법으로서,
    상기 시퀀스, 제1 송신 신호의 코드워드, 그리고 제2 송신 신호의 코드워드를 이용하여 제1 디코딩을 수행하고, 상기 제1 디코딩의 수행 결과를 토대로 상기 제1 송신 신호의 메시지를 추정하는 단계, 그리고
    추정된 메시지를 이용하여 제2 디코딩을 수행하는 단계
    를 포함하는 수신 시퀀스 디코딩 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 디코딩은,
    상기 수신 장치의 내부 디코더(240)에 포함된 복수의 컴포넌트를 통해 병렬적으로 수행되는 수신 시퀀스 디코딩 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 디코딩은,
    최대 가능성(maximum likelihood, ML) 디코딩 규칙에 따르는 수신 시퀀스 디코딩 방법.
  4. 제3항에서,
    상기 ML 디코딩 규칙은 협력(joint) ML 디코딩 규칙인 수신 시퀀스 디코딩 방법.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 디코딩은,
    상기 제1 송신 신호의 코드워드 및 상기 제2 송신 신호의 코드워드를 이용하여 상기 시퀀스가 수신되었을 때의 상기 제1 송신 신호의 코드워드 및 상기 제2 송신 신호의 코드워드의 조건부 확률을 계산하는 단계
    를 포함하는 수신 시퀀스 디코딩 방법.
  6. 제1항에서,
    상기 추정하는 단계 이후,
    추정된 메시지를 디-인터리빙(de-interleaving) 하는 단계
    를 더 포함하는 수신 시퀀스 디코딩 방법.
  7. 수신된 시퀀스를 디코딩하는 수신 장치에서,
    상기 시퀀스, 제1 송신 신호의 코드워드, 그리고 제2 송신 신호의 코드워드를 이용하여 제1 디코딩을 수행하고, 상기 제1 디코딩의 수행 결과를 토대로 상기 제1 송신 신호의 메시지를 추정하는 제1 디코더, 그리고
    추정된 메시지를 이용하여 제2 디코딩을 수행하는 제2 디코더
    를 포함하는 수신 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 디코더는,
    상기 제1 디코딩을 병렬적으로 수행하는 복수의 컴포넌트를 포함하는 수신 장치.
  9. 제7항에서,
    상기 제1 디코더는,
    최대 가능성(maximum likelihood, ML) 디코딩 규칙에 따라서 상기 제1 디코딩을 수행하는 수신 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 ML 디코딩 규칙은 협력(joint) ML 디코딩 규칙인 수신 장치.
  11. 제7항에서,
    상기 제1 디코더는,
    상기 제1 송신 신호의 코드워드 및 상기 제2 송신 신호의 코드워드를 이용하여 상기 시퀀스가 수신되었을 때의 상기 제1 송신 신호의 코드워드 및 상기 제2 송신 신호의 코드워드의 조건부 확률을 계산하는 수신 장치.
  12. 제7항에서,
    상기 수신 장치는,
    추정된 메시지를 디-인터리빙(de-interleaving) 하는 디-인터리버
    를 더 포함하는 수신 장치.
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