WO2000065727A2 - Verfahren zum decodieren von faltungscodierten codewörtern und entsprechender faltungsdecodierer - Google Patents

Verfahren zum decodieren von faltungscodierten codewörtern und entsprechender faltungsdecodierer Download PDF

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WO2000065727A2
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Andreas Falkenberg
Holger Landenberger
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M13/00—Coding, decoding or code conversion, for error detection or error correction; Coding theory basic assumptions; Coding bounds; Error probability evaluation methods; Channel models; Simulation or testing of codes
    • H03M13/03—Error detection or forward error correction by redundancy in data representation, i.e. code words containing more digits than the source words
    • H03M13/23—Error detection or forward error correction by redundancy in data representation, i.e. code words containing more digits than the source words using convolutional codes, e.g. unit memory codes

Definitions

  • the present invention relates to a method for decoding convolutionally coded code words and to a corresponding convolution decoder.
  • the convolutional coding is used as one of the known methods for channel coding, in particular in the field of mobile radio, in order to be able to recognize transmission errors and then correct them. This is necessary in order to ensure the good transmission quality required for voice and data transmission despite the relatively high bit error rates of a mobile radio channel.
  • the speech information to be transmitted via a high-frequency transmission channel 4 is first converted into a bit sequence using a digital speech encoder 1.
  • a speech decoder 7 is correspondingly provided on the receiver side.
  • the speech-coded data are then encoded with the aid of a channel encoder 2, additional redundant bits being added to the actual message bits, with the aid of which transmission errors can be recognized and then corrected.
  • a corresponding channel decoder 6 is provided on the receiver side.
  • the channel-coded information Before the channel-coded information is transmitted to the receiver, it is finally fed to an interleaver 3, which rearranges the data elements to be transmitted in time according to a certain scheme and thereby spreads them in time, as a result of which the errors that generally occur in bundles are distributed in order to create a so-called memoryless (emoryless ) Transmission channel with a quasi-random error distribution, as this is a prerequisite for most channel codes.
  • an interleaver 3 rearranges the data elements to be transmitted in time according to a certain scheme and thereby spreads them in time, as a result of which the errors that generally occur in bundles are distributed in order to create a so-called memoryless (emoryless ) Transmission channel with a quasi-random error distribution, as this is a prerequisite for most channel codes.
  • the resulting code rate r is an important variable for describing the code used in each case for channel coding and is defined as follows:
  • k denotes the number of data bits and n the number of bits coded in total, i.e. the number of redundant bits added corresponds to the expression n - k.
  • a code with the code rate r defined above is also referred to as an (n, k) code, the performance of the code increasing with decreasing code rate r.
  • the disadvantage of channel coding is that additional delays occur due to the added redundancy and the data rate is reduced by r.
  • Convolutional codes are usually used in addition to the so-called block codes for channel coding.
  • An essential difference between the convolutional codes and the block codes is that, in contrast to the block codes, the convolutional codes do not encode individual data blocks in succession, but instead that the data bit stream is continuously encoded, the current code word of a message depending on the previous messages .
  • the individual code words are generated in that the message bits to be coded are folded using a predetermined coding function.
  • the convolutional encoder can be shown schematically by a shift register. are set, m which the message word is inserted in cycles, with k bits being pushed in simultaneously per cycle.
  • the shift register has the depth k * K, where K denotes the so-called "constraint length" and specifies how many cycles of k new message bits a bit influences the code word.
  • the contents of the individual registers of the shift register are linked to one another, with a module 2 addition being generally used here. 4 therefore shows the regulation for odulo 2 linking of two signals.
  • the way in which the individual registers of the shift register are linked corresponds to the convolutional coding regulation.
  • FIG. 3 An example of a folding encoder is shown in FIG. 3.
  • a message word is fed to a shift register 8, which comprises three individual registers.
  • the outputs of these individual registers are linked via m ⁇ dulo 2 adders 9 and 10, the output signals of the two modulo 2 adders 9 and 10 in turn being mterlaced via an interlacer 11, i.e. be combined.
  • the convolutional coding rule is thus composed of two "partial coding rules", the link or formed via the modulo 2 adder 9
  • Partial coding rule can be described by the linking vector (111) and the link formed by the modulo 2 add ⁇ erer 10 by the linking vector (101).
  • the function of the convolutional encoder shown in FIG. 3, which is used, for example, as a channel encoder 2 according to FIG. 2 can be more easily understood with reference to FIG. 5.
  • 3 is such that the binary values x (0) and x (l) m supplied by the modulo 2 adders 9 and 10 depend on the state values z (0) stored in the two right-hand individual registers ) and z (l) as well as the binary value of the data word or the input l inserted into the left single register.
  • the corresponding convolutional decoder 6 (cf. FIG. 2) must be supplied with the convolutionally coded code word as input. Since the convolutional coding can be represented by a state table as shown in FIG. 5, the decoding can also be represented accordingly by a state table, in which case the state table depends on the values chosen for k and K of a certain number of coded bits a certain number assigns and outputs decoded message bits.
  • a convolutional encoder 2 assigns a pair of code word bits to a message bit of a message word.
  • the convolutional decoder 6 must be constructed in such a way that it assigns an input i (l) i (0) of two bits of the code word to a message bit of the desired message word and outputs it as output x.
  • the output x can be calculated depending on the states stored in the convolution decoder 6 and the inputs i (l) i (0) of the code word.
  • the convolution decoder 6 has a memory or a register 12, in which two states z (0) and z (l) are stored in the example described above, which on the one hand accept new values z '(O) z' (1) depending on the input i (l) i (0) and on the other hand influence the value for the output bit x.
  • FIG. 7 shows a corresponding state table as a folding decoding rule, which reverses the convolution coding rule shown in FIG. 5, so that a decoding logic 13 shown in FIG. 6 depends on the states z (0) and z that are stored in the convolution decoder 6 (l) and the paired values i (0) and i (l) of the code word received via the high-frequency interface of the corresponding mobile radio receiver, by evaluating the convolutional decoding rule shown in FIG. 7, can determine and output the individual output bits x of the desired message word.
  • the state table shown in FIG. 7 can be used to form the so-called disjunctive normal form (DNF) in a simple manner using the usual methods, which serves as an aid for the design of logic circuits.
  • this disjunctive normal form for x or z '(1) has the following form:
  • ⁇ denotes the logical AND operator
  • v the logical OR operator
  • -i a logical negation or NOT link.
  • DE 197 24 431 discloses a method and a device for distinguishing synchronous and asynchronous states of Viterbi-decoded data, in which an encoder for the * 6, 3 "convolutional code with the linking vectors" "111" and * 101 "is used becomes.
  • the present invention is therefore based on the object of proposing an improved method for decoding convolutionally coded code words and a corresponding convolution decoder, so that reliable error detection is ensured with little effort.
  • the problems associated with conventional decoding algorithms are solved by using the rules of the fuzzy logic in the case of convolutional decoding, so that a convolutional decoding principle is used which enables the processing of variables based on the fuzzy logic
  • fuzzy logic By using the principles of fuzzy logic, the memory required for decoding can be reduced because only the current fuzzy logic state values have to be temporarily stored. In contrast to other methods for convolutional decoding, not all states of the entire state or tree diagram have to be stored. Furthermore, by using fuzzy logic, the invention enables reliable decoding even of values received with noise.
  • bit values provided by the fuzzy logic convolutional decoding rule are preferably subjected to a hard decision using a fixed decision threshold at 0.5 in order to obtain the desired binary values of the decoded message word.
  • the decoded values can also be determined using a state diagram which can be represented by a disjunctive normal form.
  • the logical operators in the disjunctive normal form are preferably replaced by fuzzy logic operators, which rather do justice to the properties of the fuzzy logic.
  • the invention can be used in particular in the field of mobile radio in UMTS receivers (Universal Mobile Telecommunication System).
  • UMTS receivers Universal Mobile Telecommunication System
  • FIGS. 3 and 5 show an exemplary state diagram for convolutional decoding according to the present invention, the selected example corresponding to convolutional coding according to an example shown in FIGS. 3 and 5,
  • FIG. 2 shows a simplified block diagram of the components involved in the coding in a mobile radio system
  • 3 shows an example of a convolutional encoder
  • FIG. 5 shows a state diagram corresponding to the example shown in FIG. 2 for convolutional coding according to the prior art
  • Fig. 6 shows an exemplary construction of a convolution decoder which can also be applied to the present invention
  • FIG. 7 shows a state diagram corresponding to the example shown in FIGS. 3 and 5 for convolution decoding according to the prior art.
  • the present invention proposes to apply the rules of the fuzzy logic to the convolutional decoding.
  • the rules of the fuzzy logic to the convolutional decoding.
  • the fuzzy logic provides operators who allow processing of any real values from the interval [0,1]. This means that the variables processed according to the fuzzy logic can not only assume the binary values "0" and "1", but also intermediate values. In principle, all operators that allow mapping [0.1] x [0.1] -> ⁇ [0.1] are suitable as operators.
  • An additional condition for the logical operators used for an AND operation ( ⁇ ), OR operation (v) or NOT operation (-i) is that these fuzzy logic operators are different when using normal binary ones Values have to behave in exactly the same way as the usual corresponding binary logical operators.
  • the AND operation can thus be implemented, for example, by using the minimum operator and the OR operation by using the maximum operator:
  • a ⁇ b mm (a, b)
  • a v b max (a, b)
  • the NOT link is usually done using the function
  • Another known fuzzy logic operator is the so-called average operator, which calculates the average value of the individual input values as follows:
  • fuzzy logic means that - as will be explained in more detail below - in the disjunctive normal form (DNF), which represents the function and the state transitions of the convolution decoder describes that the fuzzy logic operators described above are used instead of the known binary logic operators.
  • DNF disjunctive normal form
  • the positions not occupied in the table shown in FIG. 7 of the previously discussed example can be filled by values which are meaningful according to the fuzzy logic and which allow further processing by means of a fuzzy logic convolutional decoding regulation. in order to be able to reliably decode noisy values.
  • the entire value range [0.1] can be used for this.
  • the resulting status table is shown in FIG. 1 and thus contains not only the binary values "0" and "1", but in particular also values which, according to the rules of fuzzy logic, can generally be in the range [0.1].
  • the new state values z '(1) z' (0) have not been shown in FIG. 1.
  • DNF disjunctive normal form
  • the resulting output values can be calculated by using the above fuzzy logic DNF.
  • code word bits received with noise can also be reliably decoded.
  • this output sequence is now subjected to a so-called hard decision by the convolution decoder 6 with the aid of a fixed decision threshold at 0.5, so that fuzzy logic values of the output sequence which are greater than 0.5 become the binary one Value "1” and otherwise the binary value "0" is assigned. In this way, the correct result "101" is obtained for the message word supplied by the convolutional decoder 6.

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Abstract

Zum Decodieren von faltungscodierten Codewörtern wird eine Faltungscodiervorschrift verwendet, die einer bestimmten Anzahl von Datenelementen eines faltungscodierten Codeworts (i) eine bestimmte Anzahl von Datenelementen eines faltungsdecodierten Datenworts (x) zuweist, wobei eine gemäß den Regeln der Fuzzy-Logik aufgestellte Faltungsdecodiervorschrift zur Anwendung kommt, so daß auch verrauscht empfangene Datenelemente (i) zuverlässig decodiert werden können.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Decodieren von faltungscodierten Codewörtern und entsprechender Faltungsdecodierer
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Decodieren von faltungscodierten Codewörtern sowie einen entsprechenden Faltungsdecodierer.
Die Faltungscodierung wird als eines der bekannten Verfahren zur Kanalcodierung insbesondere auf dem Gebiet des Mobilfunks eingesetzt, um Übertragungsfehler erkennen und anschließend korrigieren zu können. Dies ist erforderlich, um trotz der relativ hohen Bitfehlerraten eines Mobilfunkkanals die für Sprach- und Datenübertragung erforderliche gute Übertragungsqualität zu gewährleisten.
In Fig. 2 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild der an der Codierung und Decodierung von Sprachsignalen in einem Mobil- funksystem beteiligten Komponenten dargestellt. Die über einen Hochfrequenz-Ubertragungskanal 4 zu übertragenden Sprachinformationen werden zunächst mit einem digitalen Sprachcodierer 1 in eine Bitfolge umgesetzt. Auf der Empfängerseite ist entsprechend ein Sprachdecodierer 7 vorgesehen. Die sprachcodierten Daten werden anschließend mit Hilfe eines Kanalcodierers 2 codiert, wobei den eigentlichen Nachrichtenbits zusätzliche redundante Bits hinzugefügt werden, mit deren Hilfe Übertragungsfehler erkannt und anschließend korrigiert werden können. Auf der Empfängerseite ist ein entspre- chender Kanaldecodierer 6 vorgesehen. Vor der Übertragung der kanalcodierten Informationen zu dem Empfänger werden diese abschließend einem Interleaver 3 zugeführt, der die zu übertragenden Datenelemente gemäß einem bestimmten Schema zeitlich umordnet und dabei zeitlich spreizt, wodurch die in der Regel bündelweise auftretenden Fehler verteilt werden, um einen sogenannten gedächnislosen ( emoryless) Übertragungskanal mit einer quasi∑ufälligen Fehlerverteilung zu erhalten, da dies von den meisten Kanalcodes vorausgesetzt wird.
Wie bereits zuvor erwähnt worden ist, werden bei der Kanalcodierung den eigentlichen Daten- oder Nachrichtenbits redundante Codierbits hinzugefügt. Die sich daraus ergebende Coderate r ist eine wichtige Größe zur Beschreibung des jeweils bei der Kanalcodierung eingesetzten Codes und ist wie folgt definiert :
_ k_ n
Dabei bezeichnet k die Anzahl der Datenbits und n die Anzahl der insgesamt codierten Bits, d.h. die Anzahl der hinzugefüg- ten redundanten Bits entpricht dem Ausdruck n - k. Ein Code mit der oben definierten Coderate r wird auch als (n,k)-Code bezeichnet, wobei die Leistungsfähigkeit des Codes mit abnehmender Coderate r zunimmt. Der Nachteil der Kanalcodierung ist, daß aufgrund der hinzugefügten Redundanz zusätzliche Verzögerungen auftreten und die Datenrate um r verringert wird.
Faltungscodes (Convolutional Codes) werden üblicherweise neben den sogenannten Blockcodes zur Kanalcodierung eingesetzt. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den Faltungscodes und den Blockcodes besteht darin, daß bei den Faltungscodes im Gegensatz zu den Blockcodes nicht einzelne Datenblöcke nacheinander codiert werden, sondern daß statt dessen eine kontinuierliche Codierung des Datenbitstroms stattfindet, wobei das aktuelle Codewort einer Nachricht von den vorhergehenden Nachrichten abhängt.
Die einzelnen Codewörter werden bei der Faltungscodierung dadurch erzeugt, daß die zu codierenden Nachrichtenbits mit ei- ner vorgegebenen Codierfunktion gefaltet werden. Schematisch kann der Faltungscodierer durch ein Schieberegister darge- stellt werden, m welches das Nachrichtenwort taktweise hineingeschoben wird, wobei pro Takt k Bits gleichzeitig hineingeschoben werden. Das Schieberegister besitzt die Tiefe k * K, wobei K die sogenannte "Constraint Length" bezeichnet und angibt, über wieviele Takte von k neuen Nachrichtenbits ein Bit das Codewort beeinflußt.
Die Inhalte der einzelnen Register des Schieberegisters werden miteinander verknüpft, wobei hier m der Regel eine modu- lo 2-Addιtιon Anwendung findet. In Fig. 4 ist daher die Vorschrift zur odulo 2-Verknupfung zweier Signale dargestellt. Die Art der Verknüpfung der einzelnen Register des Schieberegisters entspricht der Faltungscodiervorschrift .
Zur Verdeutlichung des zuvor beschriebenen Prinzips der Faltungscodierung ist in Fig. 3 ein Beispiel für einen Fal- tungscodierer dargestellt. Dabei wird ein Nachrichtenwort einem Schieberegister 8 zugeführt, welches drei Einzelregister umfaßt. Die Ausgange dieser Einzelregister werden über mσdu- lo 2-Addιerer 9 und 10 verknüpft, wobei die Ausgangssignale der beiden modulo 2-Addιerer 9 und 10 wiederum über einen In- terlacer 11 "mterlaced", d.h. kombiniert werden. Die Faltungscodiervorschrift setzt sich somit bei dem konkreten Beispiel aus zwei "Teilcodiervorschriften" zusammen, wobei die über den modulo 2-Addιerer 9 gebildete Verknüpfung oder
"Teilcodiervorschrift" durch den Verknupfungsvektor (111) und die über den modulo 2-Addιerer 10 gebildete Verknüpfung durch den Verknupfungsvektor (101) beschrieben werden kann.
Die Bits des Nachrichten- oder Datenworts werden als Eingabe I bitweise in das Schieberegister 8 geschoben, so daß gilt: k = 1. Für die "Constraint Length" gilt aufgrund des Aufbaus K = 3. Die Coderate betragt bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel r = 1/2.
Die Funktion des in Fig. 3 gezeigten Faltungscodierers, der beispielsweise als Kanalcodierer 2 gemäß Fig. 2 eingesetzt werden kann, wird leichter unter Bezugnahme auf Fig. 5 verstandlich. Die Wirkungsweise des Faltungscodierers von Fig. 3 ist derart, daß die von den modulo 2-Addierern 9 und 10 gelieferten binaren Werte x(0) und x(l) m Abhängigkeit von den m den beiden rechten Einzelregistern gespeicherten Zustands- werten z(0) und z(l) sowie dem m das linke Einzelregister hineingeschobenen binaren Wert des Datenworts bzw. der Eingabe l berechnet werden können.
In Fig. 5 ist die für den m Fig. 3 gezeigten Faltungscodie- rer gültige Zustandstabelle dargestellt, wobei m Abhängigkeit von den binaren Werten für z(0), z(l) und l einerseits die sich daraus ergebenden binaren Werte für x(0) und x(l) und andererseits die neuen Zustandswerte z' (0) und z' (1) der beiden rechten Einzelregister des Schieberegisters 8 aufgelistet sind. Gilt beispielsweise z(0)z(l) = "10" und wird ein Datenbit mit l = "1" dem Schieberegister 8 zugeführt, wird als Bestandteil des Codeworts x(0)x(l) = "01" ausgegeben, und in den beiden rechten Einzelregistern sind anschließend die neuen Werte z' (O)z' (1) = "11" gespeichert.
Das Codewort kann somit m Abhängigkeit von den dem Schieberegister 8 zugefuhrten Daten- oder Nachrichtenbits l berechnet werden, wobei sich die Ausgabe x(0)x(l) insbesondere für j ede Eingabe l unter Bezugnahme auf die m Fig. 5 gezeigte Zustandstabelle abhangig von den augenblicklichen Zustanden z(0) bzw. z(l) der beiden rechten Einzelregister des Schieberegisters 8 ergibt. So ergibt sich beispielsweise für eine Daten- oder Nachrichtenworteingabe l = "101" unter Bezugnahme auf die in Fig. 5 gezeigte Tabelle die Codewortausgabe x = "1110001011", falls von dem Anfangszustand "000" des Schieberegisters 8 ausgegangen wird.
Anstelle der in Fig. 5 gezeigten Zustandstabelle ist auch ei- ne Darstellung der Zustandsubergange in einem entsprechenden Baumdiagramm blich. Es ist offensichtlich, daß das anhand Fig. 3 und Fig. 5 erläuterte Prinzip auch für andere Faltungscodiervorschriften mit anderen Coderaten r und anderen Werten für k und für die Constraint Length K Gültigkeit besitzt, d.h. auch andere Fal- tungscodiervorschriften lassen sich durch ein Zustandsdia- gramm der in Fig. 5 gezeigten Art darstellen, wobei auch mehr als ein Nachrichtenbit gleichzeitig in das Schieberegister 8 geschoben und das Schieberegister 8 eine Länge > 3 besitzen kann sowie mehr als zwei modulo 2-Addierer verwendet werden können.
Um die von einem Faltungscodierer 2 realisierte Faltungscodierung rückgängig zu machen, muß dem entsprechenden Faltungsdecodierer 6 (vgl. Fig. 2) als Eingabe das faltungsco- dierte Codewort zugeführt werden. Da die Faltungscodierung wie in Fig. 5 gezeigt durch eine Zustandstabelle darstellbar ist, kann auch die Decodierung entsprechend durch eine Zustandstabelle dargestellt werden, wobei in diesem Fall die Zustandstabelle abhängig von den für k und K gewählten Werten einer bestimmten Anzahl von codierten Bits eine bestimmte Anzahl von decodierten Nachrichtenbits zuordnet und ausgibt.
Bei dem anhand von Fig. 3 und Fig. 5 erläuterten Beispiel ist k = 1 und K = 3, d.h. einem Nachrichtenbit eines Nachrichten- worts wird von dem Faltungscodierer 2 jeweils ein Paar von Codewortbits zugeordnet. Der Faltungsdecodierer 6 muß entsprechend derart aufgebaut sein, daß er jeweils einer Eingabe i(l)i(0) von zwei Bits des Codeworts ein Nachrichtenbit des gewünschten Nachrichtenworts zuordnet und als Ausgabe x aus- gibt.
Auch in diesem Fall kann die Ausgabe x abhängig von in dem Faltungsdecodierer 6 gespeicherten Zuständen und den Eingaben i(l)i(0) des Codeworts berechnet werden. Zu diesem Zweck weist gemäß Fig. 6 der Faltungsdecodierer 6 einen Speicher oder ein Register 12 auf, in dem bei dem zuvor beschriebenen Beispiel zwei Zustände z(0) und z(l) gespeichert sind, welche einerseits abhängig von der Eingabe i(l)i(0) neue Werte z' (O)z' (1) annehmen und andererseits den Wert für das Ausgabebit x beeinflussen.
In Fig. 7 ist eine entsprechende Zustandstabelle als Fal- tungsdecodiervorschrift dargestellt, welche die in Fig. 5 gezeigte Faltungscodiervorschrift rückgängig macht, so daß eine in Fig. 6 gezeigte Decodierlogik 13 abhängig von den in dem Faltungsdecodierer 6 gespeicherten Zuständen z(0) und z(l) sowie den paarweise eingelesenen Werten i(0) und i(l) des über die Hochfrequenz-Schnittstelle des entsprechenden Mobilfunkempfängers empfangenen Codeworts unter Auswertung der in Fig. 7 gezeigten Faltungsdecodiervorschrift die einzelnen Ausgabebits x des gewünschten Nachrichtenworts ermitteln und ausgeben kann.
Wie bereits zuvor erläutert worden ist, kann mit Hilfe des in Fig. 3 gezeigten Faltungscodierers 2 das Nachrichtenwort "101" in das Codewort "1110001011" umgesetzt werden. Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß entsprechend eine Rückumwandlung des Codeworts "1110001011" in das Nachrichtenwort "101" möglich ist, wenn vorausgesetzt wird, daß die gemäß Fig. 6 gespeicherten Zustände die Anfangswerte z(0)z(l) = "00" besitzen.
Bekannte Algorithmen zur Faltungsdecodierung sind beispielsweise die sogenannte Maximum Likelihood-Decodierung oder die Viterbi-Decodierung. Bei beiden Verfahren müssen jedoch viele Werte zwischengespeichert werden, wodurch ein hoher Speicherbedarf entsteht.
Allgemein lassen sich aus Zustandstabellen nach den üblichen Methoden des Logikentwurfs Formeln ableiten, die zur einfachen Berechnung der einzelnen Ausgabewerte herangezogen werden können. So ist aus der in Fig. 7 gezeigten Zustandstabile ersichtlich, daß stets gilt:
z' (0) = z(l) Des weiteren gilt:
x = z' (1)
D.h. mit Einlesen der Eingabewerte ι(l)ι(0) des Codeworts wird der Inhalt z(l) des linken Einzelregisters m das rechte Einzelregister verschoben und der neue Inhalt z' (1) des linken Einzelregisters als Ausgabebit x ausgegeben. Für die Aus- gäbe x ist daher z' (1) der bestimmende Wert.
Aus der in Fig. 7 gezeigten Zustandstabelle kann nach den üblichen Methoden auf einfache Art und Weise die sogenannten disjunktive Normalform (DNF) gebildet werden, die als Hilfs- mittel für den Entwurf von logischen Schaltungen dient. Bei dem vorliegenden Beispiel besitzt diese disjunktive Normalform für x bzw. z' (1) die folgende Form:
X = Z' (D = (-ιZ(l) Λ -.Z(O) Λ -ιl(l) Λ -ιl(O)) V(-ιZ(l) Λ Z(0) Λ -.1(1) Λ -ιl(O))
V(Z(1) Λ -ιZ(O) Λ -ιl(l) Λ 1(0)) v(z(l) Λ z(0) Λ 1(1) Λ -α (0) )
Dabei bezeichnet Λ den logischen UND-Operator, v den logi- sehen ODER-Operator und -i eine logische Negierung oder NICHT-Verknupfung.
Diese Formel kann somit leicht von der m Fig. 6 gezeigten Decodierlogik 13 zur Faltungsdecodierung genutzt werden. Im binaren Fall ergeben sich jedoch Ungenauigkeiten dadurch, daß für unbekannte Eingaben, die beispielsweise verrauscht empfangenen Bits des Codeworts entsprechen, kein entsprechender Eintrag in der in Fig. 7 gezeigten Tabelle vorhanden ist und somit immer zu der Ausgabe "0" fuhren. Dies kann zur Folge haben, daß keine optimale Fehlererkennung möglich ist. Aus der US 5,822,340 ist ein Verfahren zum Decodieren von faltungscodierten Codewortern bekannt, bei dem eine Destimmte Anzahl von Datenelementen eines faltungscodierten Codewortes eingelesen wird und bei dem der bestimmten Anzahl der einge- lesenen faltungscodierten Datenelemente gemäß einer vorgegebenen Faltungsdecodiervorschπft eine bestimmte Anzahl von Datenelementen eines faltungsdecodierten Datenworts mit entsprechenden Werten zugewiesen und ausgegeben wird.
Aus der DE 197 24 431 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterscheidung synchroner und asynchroner Zustande von Viterbi-decodierten Daten bekannt, bei dem ein Codierer für den * 6, 3" -Faltungscode mit den Verknupfungsvektoren ""111" und *101" verwendet wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Decodieren von faltungscodierten Codewortern und sowie einen entsprechenden Faltungsdecodierer vorzuschlagen, so daß mit geringem Aufwand eine zuver- lassige Fehlererkennung gewahrleistet ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, einen Faltungsdecodierer mit den im Anspruch 7 angegebenen Merkmalen oder durch Verwendung des Verfahrens bzw. des Faltungsdecodierers in einem Mobilfunksy- ste gemäß Anspruch 12 gelost. Die Unteranspruche beschreiben bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Erfmdungsgemaß werden die mit herkömmlichen Decodieralgo- rithmen verbundenen Probleme dadurch gelost, daß bei der Faltungsdecodierung die Regeln der Fuzzy-Logik angewendet werden, so daß eine Faltungsdecodiervorschπft zur Anwendung kommt, die eine Verarbeitung von auf der Fuzzy-Logik basierenden Großen ermöglicht
Durch die Nutzung der Prinzipien der Fuzzy-Logik kann der zur Decodierung benotigte Speicherbedarf verringert werden, da lediglich die aktuellen Fuzzy-Logik-Zustandswerte ∑wischenge- speichert werden müssen. Im Gegensatz zu anderen Verfahren zur Faltungsdecodierung müssen nicht sämtliche Zustände des gesamten Zustands- bzw. Baumdiagramms gespeichert werden. Des weiteren ermöglicht die Erfindung durch Anwendung der Fuzzy- Logik eine zuverlässige Decodierung auch von verrauscht empfangenen Werten.
Die von der Fuzzy-Logik-Faltungsdecodiervorschrift geliefer- ten Bitwerte werden abschließend vorzugsweise einer harten Entscheidung ("Hard Decision") unter Verwendung einer festen Entscheidungsschwelle bei 0,5 unterzogen, um die gewünschten binären Werte des decodierten Nachrichtenworts zu erhalten.
Auch erfindungsgemäß können die decodierten Werte unter Verwendung eines Zustandsdiagramms ermittelt werden, welches sich durch eine disjunktive Normalform darstellen läßt. Zur Verarbeitung der Fuzzy-Logik-Variablen sind in der disjunktiven Normalform vorzugsweise die logischen Operatoren durch Fuzzy-Logik-Operatoren ersetzt, die den Eigenschaften der Fuzzy-Logik eher gerecht werden.
Die Erfindung kann insbesondere auf dem Gebiet des Mobilfunks in UMTS-Empfängern (Universal Mobile Telecommunication Sy- stem) eingesetzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt ein beispielhaftes Zustandsdiagramm zur Faltungsdecodierung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das gewählte Beispiel einer Faltungscodierung gemäß einem in Fig. 3 und Fig. 5 gezeigten Beispiel entspricht,
Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild der an der Codierung in einem Mobilfunksystem beteiligten Komponenten, Fig. 3 zeigt ein Beispiel für einen Faltungscodierer,
Fig. 4 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Prinzipien der modulo 2-Addition,
Fig. 5 zeigt ein dem m Fig. 2 gezeigten Beispiel entsprechenden Zustandsdiagramm zur Faltungscodierung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 6 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines Faltungsdecodierers, der auch auf die vorliegende Erfindung anwendbar
Fig. 7 zeigt ein dem in Fig. 3 und Fig. 5 gezeigten Beispiel entsprechenden Zustandsdiagramm zur Faltungsdecodierung gemäß dem Stand der Technik.
Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Regeln der Fuzzy-Logik auf die Faltungsdecodierung anzuwenden. Um die Vorteile der Erfindung zu verdeutlichen, wird der Einfachheit halber weiterhin das bereits zuvor anhand Fig. 3 - Fig. 7 erläuterte Beispiel diskutiert.
Mit der Fuzzy Logik werden Operatoren zur Verfugung gestellt, die eine Verarbeitung von beliebigen reellen Werten aus dem Intervall [0,1] erlauben. D.h. die gemäß der Fuzzy-Logik verarbeiteten Großen können nicht nur die binaren Werte "0" und "1", sondern auch dazwischenliegende Werte annehmen. Als Ope- ratoren kommen demnach prinzipiell alle Operatoren in Frage, die eine Abbildung [0,1] x [0,1] —>■ [0,1] ermöglichen. Als zusätzliche Bedingung für die dabei verwendeten logischen Operatoren für eine UND-Verknupfung (Λ) , ODER-Verknupfung (v) oder NICHT-Verknupfung (-i) gilt dabei, daß diese Fuzzy-Lo- gik-Operatoren sich bei Verwendung von normalen binaren Werten genauso verhalten müssen wie die üblichen entsprechenden binaren logischen Operatoren. Die UND-Verknupfung kann somit beispielsweise durch Verwendung des Minimum-Operators und die ODER-Verknupfung durch Verwendung des Maximum-Operators implementiert werden:
a Λ b = mm (a, b) a v b = max (a,b)
Die NICHT-Verknupfung wird in der Regel durch Verwendung der Funktion
—>a = 1-a
implementiert .
In der Literatur werden weitere Alternativen für die Fuzzy- Logik-Operatoren vorgeschlagen, die allgemein unter den Begriffen t-Normen und s-Normen zusammengefaßt sind.
Ein weiterer bekannter Fuzzy-Logik-Operator ist der sogenannte Average- oder Mittelwert-Operator, der wie folgt den Durchschnittswert der einzelnen Eingabewerte berechnet:
Figure imgf000013_0001
oder allgemein:
Figure imgf000013_0002
Grundsatzlich können jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung beliebige Fuzzy-Operatoren oder t- bzw. s-Normen eingesetzt werden.
Die Verwendung der Fuzzy-Logik hat zur Folge, daß - wie nach- folgend noch näher erläutert wird - in der disjunktiven Normalform (DNF) , welche die Funktion bzw. die Zustandsubergange des Faltungsdecodierers beschreibt, die oben beschriebenen Fuzzy-Logik-Operatoren anstelle der bekannten binären logischen Operatoren verwendet werden.
Des weiteren können durch Anwendung der Fuzzy-Logik die in der in Fig. 7 gezeigten Tabelle des zuvor diskutierten Beispiels nicht belegten Stellen durch gemäß der Fuzzy-Logik sinnvolle Werte aufgefüllt werden, die eine Weiterverarbeitung durch eine Fuzzy-Logik-Faltungsdecodiervorschrift ermög- liehen, um auch verrauschte Werte zuverlässig decodieren zu können. Insbesondere kann hierzu der gesamte Wertebereich [0,1] ausgenutzt werden.
Dabei kann vorteilhafterweise angenommen werden, daß sich bei Auftreten einer in Fig. 7 nicht vorhandenen bzw. nicht berücksichtigten Kombination einer Eingabe i(l)i(0) mit gespeicherten Zustandswerten z(l)z(0) ein Ausgabewert x = z' (1) auf einen Mittelwert einstellt, so daß an diesen Stellen vorzugsweise der Ausgabewert 0,5 in das Zustandsdiagramm eingesetzt wird.
Die daraus resultierende Zustandstabelle ist in Fig. 1 gezeigt und enthält somit nicht nur die binären Werte "0" und "1", sondern insbesondere auch Werte, die gemäß den Regeln der Fuzzy-Logik allgemein im Bereich [0,1] liegen können. In Fig. 1 wurde auf die Darstellung der neuen Zustandswerte z' (1) z' (0) verzichtet.
Mit Hilfe der üblichen Methoden kann nunmehr auch für die in Fig. 1 gezeigte Zustandstabelle die disjunktive Normalform (DNF) ermittelt werden, welche durch Verwendung des Mittelwert-Operators bei Verknüpfung von auf der Fuzzy-Logik basierenden Größen, d.h. bei Verknüpfungen, an denen die Eingabewerte i(0) und i(l) beteiligt sind, die folgende Form auf- weist:
x = z'(l) = (-ιz(l) Λ -ιz(O) Λ av(i (1) ,i (0) ) ) v(-ιz(l) Λ z(0) Λ av(- (l) ,-.ι(0) ) ) v(z(l) Λ -nz(O) Λ av(-.ι (1) , 1 (0) ) . v(z(l) Λ z(0) Λ av(ι(l) ,-1ι(0) ) )
Für z(0) und z(l) wird weiterhin angenommen, daß diese Zu- standswerte nur die diskreten binaren Werte "0" und "1" aufweisen können, so daß für deren Verknüpfung weiterhin die herkömmlichen binaren logischen Operatoren verwendet werden können.
Die obige DNF geht somit aus der zu Fig. 7 zuvor beschriebenen DNF dadurch hervor, daß die logischen UND-Verknupfungen zwischen ι(l) und ι(0) durch den Mittelwert-Operator ersetzt worden sind. Grundsatzlich ist jedoch, wie bereits zuvor er- läutert worden ist, auch die Verwendung anderer Fuzzy-Logik- Operatoren denkbar.
Die Wirkungsweise eines erfmdungsgemaßen Faltungsdecodierers, der in Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen Pπn- zip betrieben wird und beispielsweise wie in Fig. 6 gezeigt aufgebaut sein kann, kann leicht überprüft werden, wenn wieder angenommen wird, daß das durch eine Faltungscodierung mit beispielsweise dem in Fig. 3 gezeigten Faltungscodierer 2 aus dem Nachrichtenwort "101" gebildete Codewort "1110001011" dem erfmdungsgemaßen Faltungsdecodierer 6 zugeführt wird, dessen Funktion insbesondere durch die in Fig. 1 gezeigte Zustandstabelle definiert ist. Dabei wird davon ausgegangen, daß der Anfangszustand z(l)z(0) den Wert "00" besitzt.
Wird nun die oben angegebene Codewortfolge durch den erfmdungsgemaßen Faltungsdecodierer 6 geschoben, können die sich daraus ergebenden Ausgabewerte durch Verwendung der obigen Fuzzy-Logik-DNF berechnet werden.
Der Vorteil besteht nunmehr darin, daß auch verrauscht empfangene Codewortbits zuverlässig decodiert werden können. Wird von dem Faltungsdecodierer 6 beispielsweise als Codewort die Eingabefolge 1 = "1 1 0, 4 0 0 0, 6 1 0 1 0, " empfangen, d.h. sind an der dritten, sechsten und zehnten Stelle tendenziell verrauschte und somit falsche Werte vorhanden, wird von dem Faltungsdecodierer 6 gemäß der obigen Fuzzy-Logik-DNF die Ausgabefolge x = "1,0 0,3 0,7" als Nachrichtenwort ausgegeben. Vorteilhafterweise wird diese Ausgabefolge nunmehr von dem Faltungsdecodierer 6 einer sogenannten harten Entscheidung ("Hard Decision") mit Hilfe einer festen Entscheidungsschwelle bei 0,5 unterzogen, so daß Fuzzy-Logik-Werten der Ausgabefolge, die großer als 0,5 sind, der binare Wert "1" und ansonsten der binare Wert "0" zugewiesen wird. Auf diese Weise wird das korrekte Ergebnis "101" für das von dem Faltungsdecodierer 6 gelieferte Nachrichtenwort erhalten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Decodieren von faltungscodierten Codewörtern, wobei eine bestimmte Anzahl von Datenelementen eines faltungscodierten Codeworts eingelesen wird, wobei der bestimmten Anzahl der eingelesenen faltungscodierten Datenelemente gemäß einer vorgegebenen Faltungsdecodier- vorschrift eine bestimmte Anzahl von Datenelementen eines faltungsdecodierten Datenworts mit entsprechenden Werten zugewiesen und ausgegeben wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Faltungsdecodiervorschrift verwendet wird, bei der die Regeln der Fuzzy-Logik zur Anwendung kommen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Faltungsdecodiervorschrift derart gewählt wird, daß die faltungscodierten Datenelemente und die faltungsdecodier- ten Datenelemente jeweils beliebige Werte des Wertebereichs [0,1] annehmen können.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die faltungsdecodierten Datenelemente einer Entscheidung mit der festen Entscheidungsschwelle 0,5 unterzogen werden, um binäre Datenelemente des decodierten Datenworts zu bestimmen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Faltungsdecodiervorschrift durch eine disjunktive Normalform darstellbar ist, gemäß der die Werte der faltungsdecodierten Datenelemente berechnet werden können, wobei die logischen Operatoren in der disjunktive Normalform durch Fuz- zy-Logik-Operatoren ersetzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die faltungsdecodierten Datenelemente gemäß der disjunktiven Normalform in Abhängigkeit von den eingelesenen faltungscodierten Datenelementen und bestimmten Zustandsvaria- blen (z) berechnet werden, wobei logische UND-Verknüpfungen zwischen einzelnen faltungscodierten Datenelementen durch einen Mittelwert-Operator ersetzt werden, der den Mittelwert der entsprechenden faltungscodierten Datenelemente berechnet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß für die Zustandsvariablen die binären Werte "0" und "1" verwendet werden.
7. Faltungsdecodierer (6) zum Decodieren von faltungscodierten Codewörtern, mit Steuermitteln (13), die derart ausgestaltet sind, daß sie einer bestimmten Anzahl von eingelesenen Datenelementen eines faltungscodierten Codeworts gemäß einer vorgegebenen Faltungsdecodiervorschrift eine bestimmte Anzahl von Datenelementen eines faltungsdecodierten Datenworts mit entsprechenden Werten zuweisen und ausgeben, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Steuermittel (12) derart ausgestaltet sind, daß sie die auszugebenden Datenelementen des faltungsdecodierten Datenworts gemäß einer in Übereinstimmung mit den Regeln der Fuzzy-Logik verfaßten Faltungsdecodiervorschrift ermitteln.
8. Faltungsdecodierer nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Faltungsdecodiervorschrift durch eine disjunktive Normalform darstellbar ist, gemäß der die Werte der faltungsdecodierten Datenelemente berechenbar sind, wobei die logi- sehen Operatoren in der disjunktive Normalform durch Fuzzy- Logik-Operatoren ersetzt sind.
9. Faltungsdecodierer nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Faltungsdecodierer (6) Zustandsspeichermittel (12) zum Speichern einer bestimmten Anzahl von Zustandsvariablen (z) aufweist, wobei die Steuermittel (13) derart ausgestaltet sind, daß sie die bestimmte Anzahl von Datenelementen des faltungsdecodierten Datenworts gemäß der vorgegebenen disjunktiven Normalform in Abhängigkeit von der bestimmten Anzahl von eingelesenen Datenelementen des faltungscodierten Codeworts und den in den Zustandsspeichermitteln (12) gespeicherten Zustandsvariablen (z) berechnen und ausgeben, wobei in der disjunktiven Normalform logische UND-Ver nüpfun- gen zwischen einzelnen faltungscodierten Datenelementen durch einen Mittelwert-Operator ersetzt sind, welcher den Mittelwert der entsprechenden faltungscodierten Datenelemente berechnet .
10. Faltungscodierer nach einem der Ansprüche 7-9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Steuermittel (13) derart ausgestaltet sind, daß sie gemäß ihrer Fuzzy-Logik-Faltungsdecodiervorschrift faltungs- codierte Datenelemente und faltungsdecodierte Datenelemente verarbeiten, die jeweils beliebige Werte des Wertebereichs [0,1] annehmen können.
11. Faltungscodierer nach einem der Ansprüche 7-10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Steuermittel (13) derart ausgestaltet sind, daß sie die gemäß ihrer Fuzzy-Logik-Faltungsdecodiervorschrift ermittelten faltungsdecodierten Datenelemente einer Entscheidung mit der festen Entscheidungsschwelle 0,5 unterziehen, um binären Datenelemente des decodierten Datenworts zu bestimmen und auszugeben.
12. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-6 oder eines Faltungsdecodierers nach einem der Ansprüche 7-11 einem Mobilfunksystem.
13. Verwendung nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Mobilfunksystem em UMTS-Mobilfunksystem ist.
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