DE60312906T2 - Turbo-dekodierung mit iterativer schätzung von kanalparametern - Google Patents
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Description
- Gebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dekodieren eines gefaltet kodierten Eingabedatensignals y, das ein Multiplizieren des Eingabedatensignals mit einem Skalierungsfaktor Lc umfasst, Demultiplexen des multiplizierten Eingabedatensignals Lcy in drei Signale, die sich auf systematische Bits und Paritäts-Bits beziehen, wobei ein demultiplextes Eingabedatensignal LcS mit den systematischen Bits verknüpft ist, z.B. in Paritätssignalen und einem systematischen Signal, und Turbo-Dekodieren des demultiplexten Eingabedatensignals LcS, um Turbo-dekodierte Ausgabedaten Λ zu erhalten. In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Decoder-Gerät, wie in dem Oberbegriff des Anspruchs 5 definiert.
- Stand der Technik
- Ein derartiges Verfahren eines Dekodierens von Daten und ein Decoder-Gerät sind aus dem Amerikanischen Patent US-B-6,574,291 bekannt, das einen Turbo-Code-Decoder mit iterativer Kanalparameterschätzung offenbart.
- Die Amerikanische Patent Veröffentlichung US-B-6,393,076 beschreibt ein Verfahren zum Dekodieren von Turbo-Codes unter Verwendung von Datenskalierung. Gefaltet kodierte Eingabedaten werden in einer beinahe idealen Art und weise dekodiert. Ein Teil der Eingabedaten wird gepuffert, wonach ein Durchschnitt der Daten in dem Teil der Eingabedaten berechnet wird. Dann wird ein quadratischer Mittelwert des Teils unter Verwendung des Durchschnittwertes berechnet. Ein Skalierungsfaktor wird aus dem quadratischen Mittelwert abgeleitet, der verwendet wird, um den Teil der Eingabedaten vor dem Turbo-Dekodierschritt zu skalieren.
- Diese offenbarten Verfahren weisen den Nachteil auf, dass die Skalierungsfaktorberechnung nicht auf einer a-posteriori Wahrscheinlichkeitsinformation basiert, die zu einem zusätzlichen Verlust führt. Insbesondere in mobilen Anwendungen, die diese Art eines Kodierens verwenden, weist jeder zusätzliche Verlust einen negativen Effekt auf die Systemleistungsfähigkeit auf.
- Die Veröffentlichung von El-Gamal, H., High capacity Synchronous FH/SSMA networks with turbo coding, IEEE Intern.Symp. on Spread Spectrum Techniques, 1998, p973–977 stellt ein ähnliches Verfahren zum Skalieren der Eingabedaten bereit. Das Verfahren besteht aus einem Berechnen der Rauschvariation, die nachfolgend verwendet wird, um die Log-Wahrscheinlichkeitswerte (engl.: log-likelihood values) zu bilden. Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, dass es die Signalamplitude als zu einer Einheit normiert annimmt. Dies ist eine Vereinfachung, die nicht für praktische Empfangsausrüstung gültig ist und daher die Systemleistungsfähigkeit negativ beeinflusst.
- Der Artikel von M.C. Valenti et al. „Iterative channel estimation and decoding of pilot symbol assisted turbo codes over flat-fading channels", IEEE Journal on selected areas in communications, Sept. 2001, IEEE, USA, vol. 19, no.9 pages 1697–1705 offenbart ein Verfahren zum kohärenten Detektieren und Dekodieren Turbo-kodierter, binärer Modulationssignale, die über Frequenz-flache Abklingkanäle übertragen werden. Die Verwendung von einer Schwer-Entscheidungs-Rückkopplung (hard decision feedback) und einer Leicht-Entscheidungs-Rückkopplung (soft decision feedback) werden berücksichtigt.
- Die Britische Patentanmeldung GB-A-2 360 425 offenbart eine Kanalzustandsinformationsschätzung für Turbo-Code-Dekodierer. In diesem Dokument wird lediglich die Verwendung eines eine maximale a-posteriori Wahrscheinlichkeit dekodierenden Algorithmus offenbart (MAP – maximum a-posteriori).
- Zusammenfassung der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung versucht, ein verbessertes dekodierendes Schema zur Verwendung in Sendern/Empfängern bereitzustellen, die einen Maximal-A-Posteriori-Decoder (MAP-Decoder) oder verwandte Techniken, wie zum Beispiel logarithmisches MAP (LOGMAP) verwenden.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren gemäß dem oben definierten Oberbegriff bereitgestellt, das die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 aufweist. Durch Kombinieren dieser a-posteriori und a-priori Wahrscheinlichkeitsdaten ist es möglich, die Leistungsfähigkeit des dekodierenden Verfahrens zu verbessern, ohne die Notwendigkeit umfangreicher zusätzlicher Hardware- oder Software-Ressourcen.
-
- Dies macht das vorliegende Verfahren genau und schnell, so dass dieses den Vorteil sicherstellt (Simulationen zeigen, dass der Verlust verglichen mit dem theoretischen Optimum ungefähr 0,03dB beträgt) und ist in schnell abklingenden oder zeitlich variierenden Kanälen anwendbar. Es wurde gezeigt, dass ungefähr 0,1 bis 0,2dB an Sensitivitätsverbesserung für Turbo-Codes erreicht werden kann, verglichen mit anderen Verfahren gemäß dem Stand der Technik.
- In einer weiteren Ausführung wird der Skalierungsfaktor Lc entweder als ein fixierter Wert, als das Ergebnis einer anfänglichen Anzahl von Iterationen, die einen bekannten Algorithmus verwenden, als das Ergebnis eines Filterns über nachfolgende Iterationen und kodierende Blöcke oder als das Ergebnis einer SNR/SIR Schätzung des Eingabedatensignals initialisiert. Eine Initialisierung kann daher unter Verwendung sehr einfacher Lösungen oder komplexer Lösungen, jedoch wohlbekannter Lösungen erreicht werden.
- In einer noch weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren weiter ein Berechnen der Variation des Skalierungsfaktors in nachfolgenden Iterationen und wenn die Variation nach einer vorbestimmten Anzahl an Iterationen oberhalb einem vorbestimmten Schwellenwert liegt, Zurückkehren zu einem unterschiedlichen Skalierungsfaktor-Berechnungsverfahren und/oder Turbo-Dekodier-Verfahren. Die unterschiedlichen Skalierungsfaktor-Berechnungsverfahren können z.B. ein fixierter Skalierungsfaktor, ein Log-MAX Verfahren oder ein SOVA-Verfahren (Soft Output Viterbi Algorithm) sein. In dieser Weise kann ein einfaches Divergenzüberwachen des iterativen Verfahrens erreicht werden, das bekannte Algorithmen als Sicherung verwendet.
- In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Decoder-Gerät gemäß Anspruch 5 bereitgestellt. Weitere Ausführungen des vorliegenden Decoder-Gerätes sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Demgemäß stellt das vorliegende Decoder-Gerät eine verbesserte Leistungsfähigkeit im Vergleich zu den Geräten gemäß dem Stand der Technik bereit. Da die Sensitivitätsverbesserung lediglich geringe Hardwarekosten erfordert, ist die Sensitivitätsverbesserung ein reiner Bonus. Die wichtigen Systemaspekte, die die Sensitivität beeinflussen, sind Signalstärke, z.B. Bereich/Abdeckung/Batterielebensdauer, Rauschmaß und Interferenz, z.B. Luftschnittstellen-Kapazität. Daher kann der Vorteil der vorliegenden Erfindung in einem Abdeckungs- Zuwachs übersetzt werden (< 1% mehr Bereich), erhöhte Mobile-Batterielebensdauer (2 bis 4% weniger Übertragungsleistung), gelockerte Rauschmaßanforderungen (0,2dB weniger) oder verbesserte Kapazitätsbenutzer auf der Luftschnittstelle (2 bis 4% mehr). Dies erzielt eine größere Zellenabdeckung und niedrigere Leistungsverwendung für das mobile Endgerät, das wiederum weniger Interferenz erzeugt und daher mehr Kapazität.
- In einem noch weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Computer-Programmprodukt bereit, das einen Computer-ausführbaren Code umfasst, der, wenn er auf einem verarbeitenden System geladen wird, das verarbeitende System mit der Fähigkeit ausstattet, das vorliegende Verfahren auszuführen. Das verarbeitende System kann einen Mikro-Prozessor und Peripherie-Ausrüstung, einen digitalen Signal-Prozessor oder eine Kombination von beiden umfassen, um das vorliegende Verfahren auszuführen.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Die vorliegende Erfindung wird unten in größerem Detail unter Verwendung einer Anzahl von beispielhaften Ausführungen in Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen
1 ein Blockdiagramm einer Ausführung des dekodierenden Schemas gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. - Detaillierte Beschreibung der beispielhaften Ausführungen
- Die vorliegende Erfindung kann vorteilhafter Weise in einem Dekodieren von systematischen Vorwärts-fehlerkorrigierenden Codes verwendet werden, wie zum Beispiel den parallel verknüpften, Faltungs-Turbo-Codes, die in Mobil-Telekommunikationssystemen der dritten Generation (3GPP) gefunden werden. Die vorliegende Erfindung kann in Sendern/Empfängern verwendet werden, die einen Maximal-A- Posteriori-Decoder (MAP-Decoder) oder verwandte Techniken verwenden, wie zum Beispiel Log-MAP.
- Ein iteratives MAP und Log-MAP-Dekodieren sind ein asymptotisches Optimum. Sub-optimale dekodierende Algorithmen, wie zum Beispiel ein Soft-Ausgabe-Viterbi-Algorithmus (SOVA) oder angenähertes LOGMAP (Log-Max) sind implementations-weise einfacher, jedoch ungefähr 0,5dB knapp an MAP- und Log-MAP-Leistungsfähigkeit.
- Das Problem beim Erreichen des vollen Ausmaßes an MAP-Leistungsfähigkeit ist die Anforderung, dass die Eingabedaten als ein (Log)-Wahrscheinlichkeitsverhältnis definiert sind. Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Decoder-Eingabedaten in einem zeitlich varianten, abklingenden Kanal schnell und genau zu skalieren, um die Log-Wahrscheinlichkeitswerte zu bilden.
- Das vorliegende Verfahren verwendet die a-posteriori Wahrscheinlichkeitsdaten, um Wahrscheinlichkeitsinformation der dekodierten Bits zu bilden. Diese wird mit den a-priori Wahrscheinlichkeitsdaten des Decoders kombiniert, um den gewünschten Signaldurchschnitt und die Rauschvarianz optimal zu bestimmen. Diese werden verwendet, um iterativ die a-priori Information zu skalieren.
- Der Skalierungsfaktor sollte initialisiert werden. Die Erfindung sieht mehrere, unterschiedliche Verfahren dafür voraus:
- – Verwende den Skalierungsfaktor von dem vorangehenden kodierenden Block (gefiltert oder nicht);
- – Lasse die erste Iteration(en) mit SOVA oder Log-Max laufen;
- – Verwende irgendein Verfahren als Anfangswert-einstellung; oder
- – irgendeine Kombination von diesen.
-
1 zeigt ein Blockdiagramm des iterativen Skalier-Algorithmus10 zum Dekodieren gefalteter dekodierten Daten. Die empfangenden Symbole y werden mit einem Skalierungsfaktor Lc unter Verwendung eines Multiplikators8 multipliziert, bevor sie unter Verwendung eines Demultiplexers6 in systematische Bits si und Paritäts-Bits par1 und par2 demultiplext werden, die in einem Turbo-Dekodierer5 eingegeben werden. Nach einer Iteration des Decoders5 führt ein anpassungsfähiger Skalierer7 eine Schätzung der Signalamplitude und der Rauschvarianz basierend auf den vom Decoder ausgegebenen Log-Wahrscheinlichkeits-Verhältnissen Λi durch. Aus diesen Schätzungen wird ein neuer Skalierungsfaktor Lc für die nächste Iteration berechnet. - Der Turbo-Dekodierer
5 umfasst, wie in1 gezeigt, Verschachteler (interleaver)13 ,14 , Ent-Verschachteler15 und Dekodierer11 ,12 . Genauer umfasst der Turbo-Dekodierer5 erste und zweite Softeingabe-Softausgabe-Dekodiererabschnitte11 ,12 (SISO – soft input soft output), die Daten von dem Demultiplexer6 empfangen. Das Funktionieren des Turbo-Dekodierers5 ist dem auf dem Gebiet tätigen Fachmann bekannt (siehe z.B. US-B-6,393,076) und eine weitere Erklärung ist in dieser Beschreibung nicht erforderlich. - In dem Folgenden wird der Betrieb des anpassungsfähigen Skalierers
7 im Detail erklärt. Die Berechnungen, die von dem anpassungsfähigen Skalierer7 durchgeführt werden, sind als Algorithmen, Berechnungen und Ähnliches beschrieben. - Für die auf dem Gebiet tätige Person ist es klar, dass die Algorithmen und Berechnungen, wie sie durch die unterschiedlichen Blöcke und Elemente des Decoder- Algorithmus
10 durchgeführt werden, unter Verwendung von Software-, Hardware-Ressourcen oder einer Kombination von beidem, wie zum Beispiel analoger Elektronik, logischer Verdrahtung, Signal-Prozessoren usw., implementiert sein können. - Die Signalamplitude wird in Block
20 aus den Log-Wahrscheinlichkeitsverhältnissen Λi berechnet, die aus der letzten Iteration des Turbo-Dekodierers5 resultieren und aus den systematischen Bits, wie folgt: wobei N die Anzahl von Bits in einem kodierenden Block ist und si das i-te systematische Bit. c ist die Schätzung der Amplitude der skalierten systematischen Bits Lc·si; falls E ^s die geschätzte Symbolenergie der Signalkomponente einer Eingabesequenz si ist, dann ist die geschätzte Amplitude dieser Signalkomponente; dann stellen wir fest, dass -
-
- Die nicht-lineare Beziehung zwischen Λi und logischen Bit-Wahrscheinlichkeiten Pi(0) und Pi(1) kann basierend auf einer Nachschlagetabelle berechnet oder kalkuliert werden.
-
-
- Wenn die obigen Gleichungen zu neu geschrieben werden und Verwenden, kann der neue geschätzte optimale Skalierungsfaktor in Block
24 als berechnet werden. Zusammenfassend können der neue Skalierungsfaktor in den Amplituden- und Varianzschätzungen und in dem gegenwärtigen Skalierungsfaktor wie folgt ausgedrückt werden: - Diese Berechnung wird unter Verwendung eines Multiplikators
25 und eines Signalspeichers26 durchgeführt, wonach der gegenwärtige Skalierungsfaktor erneut auf die Eingabedaten y angewendet wird. - Da der Turbo-Dekodierer
5 selbst iterativ ist, erfordert ein Verbinden von diesem mit einem anderen iterativen Algorithmus (demjenigen des anpassungsfähigen Skalierers7 ) eine sorgfältige Berücksichtigung, um eine Divergenz oder eine Oszillation zu vermeiden. Eine Initialisierung des Skalierungsfaktors Lc auf einen vernünftigen Startwert erweist sich als ausreichend. In der Abwesenheit einer geeigneten Initialisierungsinformation können die ersten dekodierenden Iterationen mit bekannten LogMAX- oder SOVA-Techniken durchgeführt werden. Diese sind nicht Skalierungsfaktor-abhängig und können daher verwendet werden, die a-posteriori Wahrscheinlichkeitswerte konvergieren zu lassen. Andere Techniken um Initialisierungsinformation zu erhalten, sind ein Filtern über nachfolgende Iterationen und kodierender Blöcke, und eine SNR/SIR-Schätzung an der Eingabe, wie zum Beispiel das Verfahren, das in Summers, T.A., Wilson, S.G., SNR Mismatch and Online Estimation in Turbo Decoding, IEEE Tr. On COM, Vol. 46, No. 4., April 1998, pp.421–423 beschrieben ist. - Darüber hinaus kann eine Divergenz durch ein Überwachen der Entwicklung des Skalierungsfaktors Lc detektiert werden. Normalerweise sollte dieser in ein paar wenigen Iterationen konvergieren und sich dann kaum ändern. Im Falle einer detektierten Divergenz kann man den Skalierungsfaktor Lc fixieren oder zu LogMAX oder SOVA schalten.
- Die Beschreibung der obigen und in den Ansprüchen dargestellten Ausführung basiert auf dem LOG-MAP-Typ eines Turbo-Dekodierers. Eine auf dem Gebiet tätige Person erkennt, dass die Ideen des offenbarten Verfahrens nicht auf LOG-MAP-Dekodieren beschränkt sind, sondern ebenso für Variationen in dem LOG-MAP dekodierenden Verfahren und für das MAP-Dekodieren formuliert werden können.
Claims (9)
- Verfahren zum Dekodieren eines gefaltet kodierten Eingabedatensignals y mit: – Multiplizieren des Eingabedatensignals mit einem Skalierungsfaktor Lc; – Demultiplexen des multiplizierten Eingabedatensignals Lcy in drei Signale, die sich auf systematische Bits und Paritätbits beziehen, wobei ein demultiplextes Eingabedatensignal LcS mit den systematischen Bits verknüpft ist; – Turbo-Dekodieren des demultiplexten Eingabedatensignals LcS, um turbo-dekodierter Ausgabedaten A zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass der Skalierungsfaktor Lc für eine nächste Iteration in Abhängigkeit einer Kombination von a-posteriori-Wahrscheinlichkeits-Daten, die auf turbo-dekodierten Ausgabedaten A basieren, und von a-priori-Wahrscheinlichkeits-Daten, die auf dem demultiplexten Signals LcS basieren, unter der Verwendung einer Schätzung des Durchschnittswerts der Signalamplitude c ^ und einer Schätzung der Rauschvarianz aktualisiert wird, bei dem die Schätzung des Durchschnittswertes der Signalamplitude gleich ist zu wobei N die Anzahl von Bits in einem Codingblock des Eingabedatensignals ist, si das i-te systematische Bit ist und Λi das Log-Wahrscheinlichkeitsverhältnis ist, das aus der am nächsten zurückliegenden Turbo-Dekoder-Iteration resultiert, und in dem die Rauschvarianzschätzung gleicht: wobei die Wahrscheinlichkeit, dass das i-te Bit Null ist, geschätzt wird als und die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Bit Eins ist die normalisierten systematischen Bits s'i berechnet werden als und wobei K eine Korrektur des systematischen Fehlers ist, die berechnet wird als
- Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem der Skalierungsfaktor Lc entweder als ein fester Wert, als das Ergebnis einer anfänglichen Anzahl von Iterationen unter Verwendung eines bekannten Algorithmus, als das Ergebnis eines Filterns über folgende Iterationen und Block-Kodieren oder als das Ergebnis einer SNR/SIR-Schätzung des Eingabedatensignals y initialisiert wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter mit Berechnen der Varianz des Skalierungsfaktors in folgenden Iterationen und, wenn die Varianz nach einer bestimmten Anzahl von Iterationen über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt, Zurückkehren zu einem unterschiedlichen Skalierungsfaktor-Berechnungsverfahren und/oder Turbo-Dekodier-Verfahren.
- Dekodergerät zum Dekodieren eines gefaltet kodierten Eingabedatensignals y mit: – einem Multiplikationselement (
8 ) zum Multiplizieren eines empfangenen Eingangsdatensignals y mit einem Skalierungsfaktor Lc; – einem Demultiplexer (6 ) zum Demultiplexen des multiplizierten Eingabedatensignals Lcy in drei Signale, die sich auf systematische Bits und Paritätsbits beziehen, wobei ein demultiplextes Eingabedatensignal LcS mit den systematischen Bits verknüpft ist; – einem Turbo-Dekodierer (5 ) zum Dekodieren des demultiplexten Eingabedatensignals, um turbodekodierte Ausgabendaten Λ zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass das Dekodergerät (10 ) weiter ein anpassungsfähiges Skalierungselement (7 ) umfasst, das angeordnet ist, den Skalierungsfaktor Lc für eine nächste Iteration auf Grundlage einer Kombination von a-posteriori-Wahrscheinlichkeits-Daten, die auf turbo-dekodierten Ausgabedaten Λ basieren, und a-priori-Wahrscheinlichkeitsdaten, die auf dem demultiplexten Signals LcS basieren, unter Verwendung einer Schätzung des Durchschnittswerts der Signalamplitude c und einer Schätzung der Rauschvarianz zu aktualisieren, bei dem die Schätzung des Durchschnittswertes der Signalamplitude gleich ist zu wobei N die Anzahl von Bits in einem Codingblock des Eingabedatensignals ist, si das i-te systematische Bit ist und Λi das Log-Wahrscheinlichkeitsverhältnis ist, das aus der am nächsten zurückliegenden Turbo-Dekoder-Iteration resultiert, und bei dem die Rauschvarianzschätzung gleicht wobei die Wahrscheinlichkeit, dass das i-te Bit Null ist, geschätzt wird als und die Wahrscheinlichkeit, dass das Bit Eins ist wie die normalisierten systematischen Bits berechnet werden als und wobei K eine Korrektur des systematischen Fehlers ist, die berechnet wird als - Dekodergerät nach einem der Ansprüche 5 und 6, bei dem das Dekodergerät weiter angeordnet ist, den Skalierungsfaktor entweder als einen festen Wert, als das Ergebnis einer anfänglichen Anzahl von Iterationen und der Verwendung eines bekannten Algorithmus, als das Ergebnis eines Filterns über folgende Iterationen und Kodierblöcke oder als das Ergebnis einer SNR/SIR-Schätzung des Eingabedatensignals y zu initialisieren.
- Dekodergerät nach einem der Ansprüche 5–7, in dem das Dekodergerät weiter angeordnet ist, die Varianz des Skalierungsfaktors in folgenden Iterationen zu berechnen und, wenn die Varianz nach einer zuvor bestimmten Anzahl von Iterationen über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt, zu einem unterschiedlichen Skalierungsfaktor-Berechnungsverfahren und/oder Turbo-Dekodierverfahren zurückzukehren.
- Computerprogrammprodukt, das einen Computer-ausführbaren Code umfasst, der, wenn in einem Verarbeitungssystem geladen, das Verarbeitungssystem mit der Fähigkeit ausstattet, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–4 auszuführen.
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