WO2001006662A1 - Verfahren und vorrichtung zur iterativen decodierung von verketteten codes - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for the iterative decoding of chained codes in which reliability information is exchanged between the partial decoders.
- the code word is formed by combining several subcodes.
- Iteratively decoded codes are e.g. Turbo codes, serial chained codes and product codes.
- Soft-in-soft-out symbol or sequence estimators which exchange reliability information with one another, are generally used to decode the partial codes.
- Turbo codes have been used for a few years and have been proposed as a basic method for channel coding for the third-generation “IMT-2000” mobile radio standard. Turbo codes have the advantage of a high coding gain and can be flexibly adapted to the channel requirements.
- decoders for the partial codes are used, which, in addition to the reliability values of the transmitted code word, can also use a-priori information.
- the result of the decoding is extrinsic information, which in turn is available to the decoders of the other partial codes as a-priori information.
- SISO Soft-In-Soft-Out
- MAP MAP
- SOVA Simple Adaptive Binary Arithmetic Coding
- the SISO decoder is usually designed in such a way that whole numbers (integers) are used for the extrinsic information.
- this object is achieved by a method with the features mentioned in the preamble of claim 1 in that the calculated extrinsic information with a number of m bits is transformed into a number representation with a smaller number of n bits before being stored in a buffer and When reading out from the buffer memory by means of a jerk transformation, the original number representation is restored
- the transformation is carried out in such a way that the calculated extrinsic values are subjected to quantization and then binary coded
- the transformation is carried out so that the quantization is non-linear
- the quantization characteristic is designed in such a way that small amplitude values of the extrinsic information are subdivided more finely than large values. With a suitable division of the intervals, there is no significant deterioration in the decoding result
- the object is also achieved by a device in connection with the features mentioned in the preamble of claim 8 in that means between a partial decoder and a buffer means for transforming a number of m bits into a number of n bits and between a buffer and a partial decoder means for jerk-transforming a number n bits into a number m bits is provided, the number m bits being greater than the number n bits
- the method can in principle be used for all decoding methods that temporarily store extrinsic information
- FIG. 1 shows a block diagram of a turbo code encoder.
- FIG. 2 shows a block diagram of a turbo code decoder.
- FIG. 3 shows a block diagram when performing transformation and jerk transformation 4 shows a quantization characteristic of the extrinsic information
- turbo codes play an important role due to the high achievable coding gain.
- Turbo codes are concatenated recursive systematic convolutional codes.
- the structure of a conventional turbo code encoder with two convolutional codes with the influence length of three symbols is shown in FIG. 1.
- a convolutional encoder uses the Information symbols k processed directly while the other convolutional encoder interleaves these information symbols.
- the redundancy symbols of the first convolutional encoder are called if i and the redundancy symbols of the second convolutional encoder are referred to as ⁇ p k2 to achieve
- the remaining redundancy symbols together with the information symbols form the code word to be transmitted
- the iterative turbo decoder is a decoder arrangement which is suitable for the decoding of turbo codes and is used there.
- FIG. 2 shows a conventional turbo decoder structure.
- the data coming from the demodulator are the individual SISO convolution decoders that correspond to the respective encoders.
- the decoding process is carried out iteratively, i.e. after the decoding of one partial code, the other partial code is decoded, taking into account the decoding result (extrinsic information) of the previous process.
- the turbo decoder can be operated with a single SISO decoder, which is time-multiplexed, or in parallel (two SISO for one iteration level) Mixed forms are also possible
- FIG. 3 shows a block diagram which results when transformation and reverse transformation are carried out in the form of boxes used for this purpose.
- a SISO decoder is followed by a T-box, with the aid of which a number of m-bits is transformed to a number of n-bits This reduced number of bits is temporarily stored for processing. After processing, the reduced number is retransformed into the original format using a T _1 box, which is connected downstream of the buffer, before it is further processed by another SISO decoder
- SISO soft input soft output decoder
- Logarithmic probability ratios (L values) are generally used for the software.
- the amount ⁇ L (ü k ) ⁇ indicates the reliability of the decision, the sign sign (__. (_. Fc )) represents the hard decision
- L (ü k ) represents the reliability of the kth information symbol
- L (u k ) the a priori information about the bit to be decoded
- L c y the channel information of the bit to be decoded
- the calculated extrinsic values are quantized with the help of a table or by logical links and binary coded. This task can be carried out by reading out the table in one step, as shown in FIG. 5. The determined values are then stored in the extrinsic buffer
- the method according to the invention allows the use of 3-bit wide extrinsic buffers without significant deterioration in the decoding performance.
- the simulation result of the bit error rate (BER) with and without extrinsic transformation is shown in FIG. 7.
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Abstract
Verfahren und Vorrichtung zur iterativen Decodierung von verketten Codes, wobei die extrinsic Information, die zwischen den Soft-In-Soft-Out-Decodern (SISO) der Teilcodes während der Decodierung ausgetauscht wird, in ihrem Speicherbedarf minimiert wird. Dies wird dadurch gelöst, dass nach der Berechnung der extrinsic Werte in den SISO-Decodern eine Transformation auf diese angewendet wird. Diese Transformation bewirkt eine Verringerung der Grösse des Zwischenspeichers der extrinsic Information. Beim nächsten Zugriff auf die extrinsic Information wird die Transformation durch eine entsprechende inverse Transformation wieder aufgehoben.
Description
Verfahren und Vorrichtung zur iterativen Decodierung von verketteten Codes
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur iterativen Decodierung von verketteten Codes bei dem Zuverlässigkeitsinformationen zwischen den Teildecodern ausgetauscht werden. Bei diesem Verfahren wird das Codewort durch die Kombination von mehreren Untercodes gebildet.
Iterative Decodierverfahren sind beispielsweise aus der US 5 446 747 und der US 5 563 897 bekannt. In der DE 195 26 416 AI wird die Verwendung eines adaptiven Abbruchkriteriums beim iterativen Decodieren übertragener, multidimensional codierter Information beschrieben.
Iterativ decodierte Codes sind z.B. Turbo-Codes, seriell verkettete Codes und Produktcodes. Zur Decodierung der Teilcodes werden in der Regel Soft-In-Soft-Out Symbol- oder Sequenzschätzer verwendet, die Zuverlässigkeitsinformationen untereinander austauschen.
Bei einem Verfahren zur iterativen Decodierung von verketteten Codes, bei dem Zuverlässigkeitsinformationen (L-Werte) zwischen verschiedenen Teildecodern ausgetauscht werden, wird das Codewort durch die Kombination mehrerer Untercodes gebildet. Die Decodierung dieser Codes erfolgt in der Regel iterativ, d.h. es besteht eine Rückkopplung zwischen den Teildecodern. Dabei werden nacheinander die Teilcodes decodiert und das Decodierergebnis, die sogenannte extrinsic Information, als a-priori Information den anderen Decodern zur Verfügung gestellt. Beispiele für iterativ decodierte Codes sind Turbo-Codes und seriell verkettete Codes. Turbo-Codes wurden erstmalig in G. Berrou, A. Glavieux, P. Thitimajshima, „Near Shannon limit error-correcting coding: Turbo codes" Proc. 1993 International Conference Communication, Genf, Mai 1993, Seiten 1064-1070, vorgestellt. Seriell verkettete iterativ decodierte Codes sind in S. Benedetto, G. Montorsi, „Serial concatenation of block and convolutional codes" Electron. Lett., vol. 32, no. 10, Seiten 887-888, Mai 1996 beschrieben.
Turbo-Codes werden seit wenigen Jahren eingesetzt und sind als grundlegendes Verfahren zur Kanalcodierung für den Mobilfunkstandard der dritten Generation „IMT-2000" vorgeschlagen worden. Turbo-Codes haben den Vorteil eines hohen Codiergewinnes und können flexibel an die Kanalerfordernisse angepaßt werden.
Zur iterativen Decodierung werden Decoder für die Teilcodes verwendet, welche neben den Zuverlassigkeitswerten des übertragenen Codeworts außerdem a-priori Informationen nutzen können Als Decodierergebnis wird eine extrinsic Information berechnet, welche den Decodern der anderen Teilcodes wiederum als a-priori Information zur Verfügung steht Diese Decoder werden allgemein SISO (Soft-In-Soft-Out) genannt
Realisierungen eines SISO-Decoders sind z B MAP oder SOVA-Decoder Der MAP- Algorithmus wurde in L Bahl, J Cocke, F Jelinek, and J Raviv, „Optimal decoding of linear codes for minimizing symbol error rate" IEEE Transactions on Information Theory, Seiten 284- 287, März 1974 beschrieben Der SOVA- Algorithmus wurde in J Hagenauer et al, „Iterative („Turbo") decoding of systematic convolutional codes with MAP and SOVA algorithms". ITG Fachtagung „Codierung", München, Okt 1994, beschrieben
Da im Coder die Informationssymbole in der Regel verschachtelt den Teilcodern zugeführt werden, ist bei der Decodierung ein Zwischenspeicher für die extrinsic Information zum Aufheben der Verschachtelung notwendig Dieser Zwischenspeicher verbraucht einen erheblichen Anteil an der für den gesamten Decoder notwendigen Flache auf einem Schaltkreis
Bei einer ASIC Realisierung eines iterativen Decoders wird üblicherweise der SISO-Decoder so gestaltet, daß mit ganzen Zahlen (Integer) für die extrinsic Information gearbeitet wird Die benotigte Wortbreite dieser Darstellung bestimmt zusammen mit der Verschachtelungstiefe die notwendige Große des extrinsic Zwischenspeichers
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das iterative Decodierverfahren hinsichtlich des Realisierungsaufwandes so zu verbessern, daß der für die Decodierung notwendige extrinsic Zwischenspeicher bei gleicher Leistungsfähigkeit des Decoders kleiner sein kann, als es nach dem Stand der Technik üblich ist
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen dadurch gelost, daß die berechnete extrinsic Information mit einer Anzahl m-Bit vor der Speicherung in einem Zwischenspeicher in eine Zahlendarstellung mit einer geringeren Anzahl n-Bit transformiert und beim Auslesen aus dem Zwischenspeicher durch eine Rucktransformation die ursprungliche Zahlendarstellung wiederhergestellt wird
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Transformation so vorgenommen, daß die berechneten extrinsic Werte einer Quantisierung unterworfen und danach binar codiert werden
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Transformation so vorgenommen, daß die Quantisierung nichtlinear erfolgt
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Quantisierungskennline so gestaltet, daß kleine Amplituden werte der extrinsic Information feiner unterteilt werden als große Werte Bei einer geeigneten Einteilung der Intervalle ergibt sich keine signifikante Verschlechterung des Decodierergebnisses
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe außerdem durch eine Vorrichtung in Verbindung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 8 genannten Merkmalen dadurch gelost, daß zwischen einem Teildecoder und einem Zwischenspeicher Mittel zur Transformation einer Anzahl m-Bit in eine Anzahl n-Bit und zwischen einem Zwischenspeicher und einem Teildecoder Mittel zur Rucktransformation einer Anzahl n-Bit in eine Anzahl m-Bit vorgesehen ist, wobei die Anzahl m-Bit großer als die Anzahl n-Bit ist
Vorteilhaft ist als Mittel zur Transformation und Rucktransformation jeweils eine Transformationsbox vorgesehen
Der Vorteil der Erfindung besteht dann, daß der erforderliche Speicherbedarf für den Zwischenspeicher reduziert werden kann, ohne die Decodierleistung des Decoders signifikant zu beeinträchtigen
Das Verfahren kann prinzipiell für alle Decodierverfahren verwendet werden, die extrinsic Informationen Zwischenspeichern
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles naher erläutert In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
Fig 1 ein Blockschaltbild eines Turbo-Code Encoders Fig 2 ein Blockschaltbild eines Turbo-Code Decoders Fig 3 ein Blockschaltbild bei Durchführung von Transformation und Rucktransformation
Fig 4 eine Quantisierungskennline der extrinsic Information
Fig 5 ein Beispiel für eine Transformationstabelle
Fig 6 ein Beispiel für eine Rucktransformation
Fig 7 eine Darstellung eines Simulationsergebnisse
Im Bereich der Kanalcodierung spielen Turbo-Codes aufgrund des hohen erzielbaren Codierungsgewinns eine wichtige Rolle Turbo-Codes sind parallel verkettete rekursive systematische Faltungscodes Die Struktur eines herkömmlichen Turbo-Code Encoders mit zwei Faltungscodes der Einflußlange von drei Symbolen ist in Fig 1 dargestellt Ein Faltungscoder verwendet die Informationssymbole k direkt wahrend der anderer Faltungscoder diese Informationssymbole verschachtelt (interleavt) verarbeitet Die Redundanzsymbole des ersten Faltungscoders werden als if i und die Redundanzsymbole des zweiten Faltungscoders werden als ιιpk2 bezeichnet Die Redundanzsymbole können mittels eines optionalen Punktierungsblocks selektiv geloscht werden, um eine bestimmte Coderate zu erzielen Die verbleibenden Redundanzsymbole bilden zusammen mit den Informationssymbolen das zu übertragende Codewort
Der iterative Turbo-Decoder ist eine Decoderanordung, die für die Decodierung von Turbo- Codes geeignet ist und dort Anwendung findet Fig 2 zeigt eine herkömmliche Turbo-Decoder Struktur Die vom Demodulator kommenden Daten werden den einzelnen SISO- Faltungsdecodern, die den jeweiligen Encodern entsprechen, zugeführt Der Decodiervorgang erfolgt iterativ, d h nach der Decodierung eines Teilcodes erfolgt die Decodierung des anderen Teilcodes unter Einbeziehung des Decodierergebnisses (extrinsic Information) des vorherigen Prozesses Der Turbo-Decoder kann mit einem einzigen SISO-Decoder, der zeitmultiplex betrieben wird, oder parallel (zwei SISO für eine Iterationsstufe) aufgebaut werden Auch Mischformen sind möglich
In der Fig 3 ist ein Blockschaltbild dargestellt, das sich bei Durchführung von Transformation und Rucktransformation in Form von dazu eingesetzten Boxen ergibt Einem SISO-Decoder ist eine T-Box nachgeschaltet, mit deren Hilfe eine Anzahl m-Bit auf eine Anzahl n-Bit transformiert wird Diese reduzierte Anzahl von Bit wird zur Verarbeitung zwischengespeichert Nach der Verarbeitung wird die reduzierte Anzahl mittels einer T_1-Box, die dem Zwischenspeicher nachgeschaltet ist, in das ursprungliche Format rucktransformiert, bevor diese von einem weiteren SISO-Decoder weiterverarbeitet wird
Zur Decodierung der einzelnen Faltungscodes wird generell ein Soft-Input-Soft-Output Decoder (SISO) verwendet Dieser kann durch verschiedene Algorithmen realisiert werden (MAP, Max- Log-MAP, SOVA)
Für die Softwerte werden allgemein logarithmierte Wahrscheinlichkeitsverhalnisse (L-Werte) verwendet Der Betrag \ L(ük ) \ gibt die Zuverlässigkeit der Entscheidung an, das Vorzeichen sign(__.(_.fc)) stellt die harte Entscheidung dar
Als Decodierergebnis des SISO-Decoders wird die extrinsic Information Le(ük) für das
Informationssymbol Uk bereitgestellt Diese berechnet sich wie folgt
Le(ύk) = L(ük) - L(uk) - Lcyl (1)
Dabei stellt L(ük ) die Zuverlässigkeit des k-ten Informationssymbols, L(uk) die a-priori Information über das zu decodierende Bit und Lcy[ die Kanalinformation des zu decodierenden Bits dar
Die berechneten extrinsic Werte werden mit Hilfe einer Tabelle oder durch logische Verknüpfungen quantisiert und binar codiert Diese Aufgabe kann durch Tabellenauslese in einem Schritt erfolgen, wie in Fig 5 dargestellt Die ermittelten Werte werden dann in dem extrinsic Zwischenspeicher abgelegt
Bevor die Werte für die nächste Iterationsstufe wieder Verwendung finden, wird die ursprungliche Zahlendarstellung wiederhergestellt Diese Aufgabe kann wiederum durch Tabellenauslese realisiert werden, wie in Fig 6 dargestellt Eine weitere Möglichkeit der Rucktransformation stellt die Realisierung durch logische Verknüpfungen dar In Fig 3 ist das Transformationsverfahren als separates Modul (T-Box) dargestellt Prinzipiell laßt sich die Funktionalitat der T-Box und T_1-Box auch in das SISO-Modul integrieren
Das erfindungsgemaße Verfahren erlaubt die Verwendung von 3-bit breitem extrinsic Zwischenspeicher ohne signifikante Verschlechterung der Decodierleistung Als Beispiel ist in Fig 7 das Simulationsergebnis der Bitfehlerrate (BER) mit und ohne extrinsic Transformation dargestellt Für die Simulation der Bitfehlerrate wurde ein Turbo-Code mit dem Generatorpolynom (gfeedback, gpaπty) = (70_t,50ct) der Teilcodes, die Blocklange 668 bits, ein AWGN-Kanal und als SISO-Decoder ein Max-Log-MAP Decoder verwendet
Claims
1 Verfahren zur iterativen Decodierung von verketteten Codes, bei dem nacheinander die einzelnen Teilcodes decodiert werden und eine extrinsic Information zwischen den Teildecodern über einen Zwischenspeicher ausgetauscht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die berechnete extrinsic Information mit einer Anzahl m-Bit vor der Speicherung in einem Zwischenspeicher in eine Zahlendarstellung mit einer geringeren Anzahl n-Bit transformiert und beim Auslesen aus dem Zwischenspeicher durch eine Rucktransformation die ursprungliche Zahlendarstellung wiederhergestellt wird
2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichet, daß die Transformation der extrinsic Werte mit Hilfe einer Quantisierung derselben erfolgt
3 Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformation der extrinsic Werte mit Hilfe einer nichlinearen Quantisierungskennlinie erfolgt
4 Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Quantisierungskennlinie kleine Werte feiner aufgelost werden als große Werte
5 Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantisierungsergebnisse binar codiert werden
6 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformation und Rucktransformation der extrinsic Information durch Tabellenauslese erfolgt
7 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformation und Rucktransformation der extrinsic Information durch logische Operationen erfolgt
8 Vorrichtung zur iterativen Decodierung von verketteten Codes, bei der eine extrinsic Information zwischen Teildecodern (Decoder 1, 2) über Zwischenspeicher (Interleaver) ausgetauscht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Teildecoder (Decoder 1) und einem Zwischenspeicher Mittel zur Transformation einer Anzahl m-Bit in eine Anzahl n-Bit und zwischen einem Zwischenspeicher und einem Teildecoder (Decoder 2) Mittel zur Rücktransformation einer Anzahl n-Bit in eine Anzahl m-Bit vorgesehen ist, wobei die Anzahl m-Bit größer als die Anzahl n-Bit ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Transformation und Rücktransformation jeweils eine Transformationsbox (T-Box, T_1-Box) vorgesehen ist.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
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