CN1310924A - 无线电信***的自适应最大经验概率信道解码装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种移动通信***中的自适应MAP信道解码装置和方法。在所述自适应MAP信道解码装置中,信道估算器计算信道噪声功率和比例因子,控制器通过检验累积的信道噪声功率和比例因子来决定操作模式,MAP信道解码器在静态信道模式中,利用包括对数函数的E函数执行MAP解码运算,而在时变信道模式中,利用不包括对数函数的E函数执行MAP解码运算。

Description

无线电信***的自适应 最大经验概率信道解码装置和方法

                    发明背景

本发明一般涉及在无线电信***中的信道解码装置和方法，尤其涉及MAP(Maximum Aposteriori Probability，最大经验概率)信道解码装置和方法。

在无线电信***(例如卫星***、WCDMA、UMTS以及CDMA 2000)中，可使用多种信道代码进行可靠的通信。本发明涉及一种turbo代码解码装置和方法，它利用递归***卷积代码在不好的信道环境中进行数据发送。

Turbo代码解码是通过MAP或SOVA(软输出维特比算法，Soft OutputViterbi Algorithm)方法来实现的。前一种方法在比特差错率(bit error rate,BER)方面展现出最佳性能。在理想的接收器中，MAP信道解码器的性能比SOVA信道解码器的性能要高出大约0.6-0.7dB。为了实现用于MAP或SOVA turbo解码的接收器的理想运算(operation)，下列条件必须得到满足：(1)接收器正确估算当前的信道状态；以及(2)接收器使用足够数量的比特来用于内部运算。

同时，接收器也要使输入信号经过RF(Radio Frequency，射频)处理、向下转换(down-conversion)、ADC(analog-to-digital conversion，模数转换)以及信号解调。

一般来说，在信道环境中的噪声功率估算在MAP运算之前执行。因此，MAP解码器通过信道估算器来接收所估算的噪声功率，而噪声功率决定其解码性能。

在MAP算法中，有许多种度量值(metrics)被用作主要变量。在下文中描述了实现MAP算法所必需的公式。

分路度量值(branch metric,BM)是通过下式来计算的，

    D_k ⁱ(m)=(L_a(d_k)+L_c·x_k)·i+L_C·y_k·Y_l ⁱ(m)    ……(1)

其中，L_a(d_k)是从MAP信道解码器的反馈环路中获得的外部信息，L_c是信道可靠性，可表示为2/σ²(σ²是信道估算器所估算的噪声功率)，x_k是***码，y_k是奇偶校验码，i是期望的***码，Y_l ⁱ(m)是期望的奇偶校验码。前向状态度量值(forward state metric,FSM),Alpha(α)为 $A_k^i\left(m\right)=D_k^i\left(m\right)+E_{j=0}^1\left(A_{k-1}^i\left(S_b^j\left(m\right)\right)\right)---\left(2\right)$

其中，S_b ^j(m)表示当信息位为j，当前状态设定为m时的后向改变状态。E函数定义为

    xEy=min(x,y)-log(1+e^-|x-y|)

在MAP算法中，x和y可以是公式(4)和(2)中的诸如Beta(β)和Alpha这样的度量值。

反向状态度量值(reverse state metric,RSM),Beta为 ${B_K}^i\left(m\right)=E_{j=0}^1\left(B_{K+1}^i(S_b^i\left(m\right)\right)+D_{K+1}^j\left(S_f^j\left(m\right))\right)--\left(4\right)$

其中，S_f ^j(m)表示当信息位是在当前编码状态为m时输入的前向变化的状态。

如果信息位在MAP的时间为k时为d_k，则对数可能性比率(log likelihoodratio,LLR)为 $L\left(d_k\right)=E_{m=0}^{\mathrm{NS}-1}{A}_k^0\left(m\right)+B_k^0\left(m\right)E_{m=0}^{\mathrm{NS}-1}{A}_k^1\left(m\right)+B_k^1\left(m\right)--\left(5\right)$

其中L(d_k)是当信息位在MAP的时间为k时的LLR，并且E^NS-1 _m=0表示运算过程是根据NSE函数来执行的。

正如以上的描述，MAP解码器根据接收码计算BM，然后计算上述公式中的RSM。MAP解码器在计算FSM的同时，还要计算作为解码软输出LLR。

从公式1得知，MAP信道解码器需要L_c来计算BM。也就是说，MAP信道解码器仅当它发现信道环境的噪声功率后才会计算BM。因此，按照通常的MAP算法，MAP信道解码器的解码性能很容易受到信道估算器的运算的影响。

如果信道解码器的执行是用于turbo解码，最好，无论当前信道状态如何，信道解码器始终在实时移动通信信道中稳定操作。

具体讲，输入信号相应于信道状态中的变化比如衰减而乘以一比例因子，并且对于接收器来说，要得到关于当前信道状态的精确比例因子也是不容易的。然而，精确的比例因子必须反映为能够获得对信道状态的精确估算。也就是说，除非比例因子是准确计算的，否则当信道可靠性L_c降低时，MAP算法的解码性能也会降低。

接收器利用有限的比特对输入的模拟信号进行量化。因此，强度比预定水平大的输入信号被切去。输入信号的动态范围严重影响信道解码器的性能，特别是在功率控制方面。

                    本发明的总结

因此，本发明的一个目的是提供一种在预定的移动通信信道环境中的稳定的MAP信道解码装置以及方法。

本发明的另一个目的是提供一种在移动通信***的实时信道环境中稳定地对数据解码的装置和方法。

本发明还有一个目的是提供一种MAP信道解码装置和方法，其中，无论移动通信***的信道环境中的信道噪声功率为多大，解码都能被稳定地执行。

本发明还有一个目的是提供一种稳定的MAP信道解码装置和方法，其中，如果当前信道状态为静态信道状态，则利用第一E函数来完成MAP信道解码，该第一E函数包括对数(log)函数，而如果当前信道状态为时变信道状态，则利用第二E函数来完成MAP信道解码，该第二E函数不包括对数函数，用来确保在实时移动通信信道环境中有最佳的解码性能。

简要地说，在移动通信***中，通过提供自适应MAP信道解码装置和方法可实现本发明的这些和其它目的。在自适应MAP信道解码装置中，信道估算器计算信道噪声功率和比例因子，控制器通过检验累积的信道噪声功率和比例因子来决定操作模式，并且，MAP信道解码器在静态信道模式(好的信道状态)下利用包括对数函数的E函数来执行MAP解码运算，而在时变信道模式(不好的信道状态)下利用不包括对数函数的E函数来执行MAP解码运算。

按照本发明的另一个方面，在自适应MAP信道解码方法中，当前信道状态被首先估算。接着，如果当前信道状态为静态，则执行包括对数函数的E函数，如果当前状态为时变状态，则执行不包括对数函数的E函数。

                    附图的简单描述

从下列结合附图所进行的详细描述中，本发明的以上或其它目的、特征和优点会更加明白，附图中：

图1是描述按照本发明的一个实施例的新的E函数的意义的曲线图；

图2是描述实时实现的MAP turbo解码器、子MAP turbo解码器、仿真MAP turbo解码器和子MAP turbo解码器之间的性能对比曲线图；

图3是描述按照本发明的实施例，在实时实现的子MAP turbo解码器和实时MAP turbo解码器之间的对应于E_b/N_o的各种比例因子的性能对比曲线图；

图4是描述按照本发明的实施例，取决于信道状态的自适应MAP递归解码装置的方框图；

图5A是描述按照本发明的实施例，通过参考查找表(look-up table)来实现一对数函数的过程的曲线图；

图5B是描述按照本发明的实施例，用于实现一对数函数所参考的查找表；以及

图6是描述按照本发明的实施例，适应于当前信道状态的MAP解码方法。

                    优选实施例的详细描述

接下来将参照附图详细描述本发明的优选实施例。在以下的描述中，众所周知的功能或结构将不再详细描述，以免用不必要的细节模糊了本发明的本质。

本发明提供了MAP信道解码装置和方法，其中，当信道解码器是利用MAP算法来实现时，无论在实时移动通信信道环境中的信道的噪声功率如何，MAP信道解码都能被稳定实现，所述的MAP算法是用于turbo解码的主要算法。

在本发明中，通常的MAP算法是在静态信道状态下实现的，而子MAP算法是利用一个二E函数来实现的，该二E函数是按照随时间变化的信道状态而提出的，用于稳定的MAP信道解码。

为了计算公式1中不带L_c的BM,E函数应该在公式3中加以改进。该E函数被定义为一主函数与一对数函数间的差。对数函数具有非线性的特征。因此，本发明定义了一种新的E函数(下文中称为2E函数)，该2E函数是通过将对数函数从E函数中除去而得到的，表示如下：

            xEy=min(x,y)    ……(6)

在公式6中忽略log(1+e^-|x-y|)的原因可通过利用公式7进行估算来找到答案。

        F(z)=log(1+e^-|z|)    ……(7)

公式7是对称的，并且如图1所述，当|z|增大时，F(z)快速向0收敛。图1是描述按照本发明的优选实施例，来自新的2E函数的对数函数的意义的曲线图。图中的水平轴表示|z|，垂直轴表示公式7中的F(z)。如图中所求，当|z|增大时，F(z)快速向0收敛。

从图1可知，当公式3中的|x-y|增大时，log(1+e^-|x-y|)向0收敛，对E函数没有影响。相应地，除非x和y间的差值很小，即，SNR很小，否则可期望log(1+e^-|x-y|)并不影响E函数。也就是说，仅当信道环境保持一定的SNR时，在常规的E函数中没有log(1+e^-|x-y|)的实时MAP算法性能的变化才可以忽略不计。

图2是描述当MAP信道解码器和子MAP信道解码器被实现且仿真时，它们之间的性能对比的曲线图。垂直轴代表BER(比特差错率，bit error rate)和FER(帧差借率，frame error rate)，水平轴代表E_b/N_o。每个分量解码器的约束长度k=4，码率r=1/2，以及帧长度为375比特。在理想的信道估算状态中的AWGN(Additive White Gaussian Noise，附加的白高斯噪声)信道上进行了测试。

如图2所示，子MAP算法的主要性能比MAP算法的主要性能低大约0.1dB。然而，如果SNR为2.5dB,MAP信道解码器和子MAP信道解码器之间的性能差别就很小。按照测试结果，如果信道环境能确保SNR为预定的水平，则公式3中的log(1+e^-|x-y|)就近似地收敛为0。

同时，按照公式6所定义的新的E函数，公式1、2、4和5可分别改变成：

其中L_c为偏移值。因为从递归解码反馈环路所获得的外部信息L_a从0开始，因此最初的FSM和RSM并不包括L_c乘法。因此公式8可变成：

按照本发明的实施例，根据公式6确定的新的E函数，L_c不再用于子MAP算法中。即，子MAP算法是独立的信道噪声功率。

接下来将讨论当实时信道噪声功率不匹配时，MAP算法和子MAP算法的解码性能的灵敏度。在这里假定用于MAP信道解码器和子MAP信道解码器的是固定点仿真。也就是说，在分量解码器中，用于内部度量值的是预定数目的量化比特。

作为一个仿真条件，AWGN上的输入信号用下式来度量：

            S=(c+σ·n)·g    ……(10)

其中，S是输入信号，c∈{+1,-1}是码符号，n是正态分布N(0,1)的取样值，g是比例因子，σ是信道噪声的标准偏差。因此，σ²是信道噪声功率。

在公式10中，c·g是信号分量，σ·c·g是噪声分量。当比例因子被去掉时，输入信号S的SNR将是常量SNR=(c·g)/(σ·c·g)=c/(σ·n)，与g的值无关。即，公式10中的比例是基于这样一种假设，即信道状态的变化(variation)与传输信号中的最终变化相同。因此，公式10的仿真条件通过比例因子g将SNR保持为常量。为满足以上条件，输入信号的电平(level)可以人为地增加或降低。结果是，输入信号偏离了具有有限量化等级和有限量化范围的量化器的动态范围。

MAP算法和子MAP算法的解码性能的灵敏度将在以上仿真条件的范围内加以描述。除非与比例有关的L_c在MAP算法中能够被正确反映，否则MAP信道解码器的解码性能将很快下降到子MAP解码器的水平。如果MAP解码器在仿真条件下运算，分量解码器必将输入信号乘以L_c=2/(g·σ)²，其中精确的比例因子得到反映，但只接收到L_c=2/σ²，其结果是，MAP信道解码器的解码性能将下降。

别一方面，子MAP信道解码器的运算与L_c无关，当输入信号的等级偏离了动态范围时，其性能的下降应归因于量化范围的相对变化，分辨率(resolution)归因于比例因子。

图3是描述按照本发明的实施例，当E_b/N_o中的比例因子改变时，实时MAP信道和实时子MAP信道解码器之间的性能相对比的曲线图。图中的垂直轴表示BER和FER，而水平轴表示比例因子g的值，用dB表示。如果水平轴设定为20×log(g)，而g为3，则用20×log(3)表示为图中的g。对于g=1，则有log1=0，因此g在图中为0。

从图3可知，只要得到精确的g值，那么MAP信道解码器的解码性能将比子MAP信道解码器的性能优越。但是，随着比例因子g的逐渐增大或减小，MAP信道解码器的解码性能将很快下降。这就意味着MAP信道解码器的解码性能对当前的信道状态很敏感。

另一方面，相对于比例因子g的变化，子MAP信道解码器的解码性能变化较小。即，相对于比例因子g的变化，子MAP解码比MAP解码有更宽的操作范围。因此，按照本发明的实施例，与MAP解码方案相比，子MAP解码方案更稳定，受实时移动无线环境中的当前信道状态的影响更小。

如图3所示，子MAP信道解码器的稳定运算范围是大约-10dB到+10dB，然而MAP信道解码器的稳定运算范围是大约-3dB到+6dB。

从图2和图3得知，MAP信道解码器与子MAP信道解码器的性能差异取决于SNR。但在超过特殊等级的SNR处，它们的性能相同。在这种情况下，由于信道噪声功率不匹配所造成的性能下降不可能出现在+10到-10dB范围内。

图4是描述按照本发明的实施例，自适应于信道状态的MAP信道解码装置的方框图。参照图4，接收器410将通过天线(未示出)接收到的模拟无线信号经由RF处理，然后将RF信号下转换成IF信号，将IF信号模数转换，以及符号解调并输出解调信号。信道估算器420计算来自接收器410的输出的信道噪声功率和比例因子。控制器430根据信道估算器420的输出来判断静态信道模式和时变模式之间的MAP信道解码器的操作模式。这种判断是基于信道噪声功率和比例因子的变化而做出的。控制器430基于从MAP信道解码器440接收到的BER/FER来决定其操作模式。例如，如果可以看到连续发生预定次数的比例因子接近于预定dB，则控制器430判断其操作模式为静态信道模式。

同时，如果控制器430判断当前信道状态为静态信道模式，则MAP信道解码器440的E函数运算器450处理公式3中的输入x和y，以便得到最佳的解码性能。MAP信道解码器440对公式1、2、4和5中的输入信号进行解码。在时变信道模式中，E函数运算器450处理公式6中的输入x和y，接着MAP信道解码器440利用公式9对输入信号进行解码。

E函数运算器450中的长(long)函数可通过查找表来实现。如图1所示，所述查找表可存储在相对较小的存储单元中，因为log(1+e^-|x-y|)函数随|x-y|的增大而快速下降。

图5A是描述按照本发明的实施例，通过参考查找表来实现对数函数的过程的曲线图，图5B是描述按照本发明的实施例，用于实现对数函数的查找表。

在图5A所示的曲线图中，水平轴代表相应于E函数运算器450的输入值x和y之间的差值的函数输入值的等级，垂直轴代表相对于存储在表中的函数输入等级的log(1+e^-|x-y|)。

输入值x和y已经被量化，并且只有有限数量的|x-y|值。如图5B所示，查找表利用x和y之间的差来作为其存储器地址，并且存储了相对于数据区域中的存储器地址的已经计算出的函数。

按照本发明的实施例，由于log(1+e^-|x-y|)的特性，输出值与查找表中的输入值成反比例。因此，查找表可存储在相对小量的存储器中。

图6是描述按照本发明的实施例，自适应于当前信道状态的MAP解码方法的流程图。将参照图1到图6来描述自适应MAP解码方法。

在步骤610中，控制器430通过信道估算器420来估算当前的信道状态。在步骤620中，控制器接收来自信道估算器420的累积信道噪声功率或比例因子，并且根据信道噪声功率或比例因子的变化来决定当前信道状态。另外，控制器430可以根据从MAP信道解码器440接收到的BER/FER中的变化来决定当前信道状态。

在步骤630中，控制器430将模式选择信号输出到MAP信道解码器440，并且在静态信道模式中运算MAP信道解码器440。即，在步骤630中，MAP信道解码器440的E函数运算器450利用公式3即通常的E函数来处理输入x和y。因此，正如步骤640所述，MAP信道解码器440利用公式1、2、4和5对输入信号进行解码。在这里，E函数运算器450可以参照查找表来实现一对数函数。

在步骤620中，如果控制器430判断当前的信道状态为随时间变化的，那么在步骤650中，控制器430将模式选择信号输出到MAP信道解码器440，并且以时变信道模式操作该解码器。即，正如步骤660所描述的那样，按照本发明，E函数运算器450利用公式9即2E函数执行MAP信道解码。

正如参照图1到图6所描述的，按照本发明的子MAP信道解码算法独立于当前的信道状态，这就减小了MAP算法对于当前信道状态变化的灵敏度。另外，与MAP算法相比，子MAP算法增强了实时移动通信信道环境中的稳定性。

按照本发明的自适应MAP信道解码装置和方法，首先基于累积的信道噪声功率或信道估算器的比例因子的变化，或MAP信道解码器的BER/FER的变化来检验当前信道的状态。如果当前信道状态判定为静态，则利用包括对数函数的E函数的执行解码，以确保最佳的解码性能。如果当前信道状态为随时间变化的，则无论当前信道状态是什么，在E函数运算中都不使用对数函数，从而在实时通信信道环境中执行稳定的信道解码。因此，MAP信道解码是自适应于信道状态来完成的。

尽管已经参照特定的优选实施例对本发明进行了显示和描述，但本领域的技术人员应该明白，在不偏离由附属权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况下，可以对其做各种形式和细节方面的改变。

Claims (12)

1、一种通信***中的自适应MAP信道解码装置，包括：

一信道估算器，用于计算信道噪声功率和比例因子；

一控制器，用于根据信道噪声功率和比例因子来决定一操作模式；以及

一MAP信道解码器，它包括E函数运算器，用以根据以下的公式有选择性地在静态信道模式中运算：

        xEy=min(x,y)-log(1+e^-|x-y|)

以及根据以下公式在时变模式中运算：

        xEy=min(x,y)

其中x和y是度量值。

2、按照权利要求1所述的自适应MAP信道解码装置，其中所述的MAP信道解码器当处于静态模式时利用下列公式来执行第一MAP信道解码运算：

其中D_k ⁱ(m)=一个分路度量值(BM)；

L_a(d_k)=从MAP信道解码器中的反馈环路获得的外部信息；

L_c=信道可靠性，可表示为2/σ²(σ²是噪声功率)；

x_k=***码；

y_k=奇偶校验码；

i=期望的***码；

Y_l ⁱ(m)=期望的奇偶校验码；

A_i ^k(m)=前向状态度量值(FSM)；

S_b ^j(m)=当信息位为j，将当前状态设定为m时的后向改变状态；

B_k ⁱ(m)=反向状态度量值(RSM)；

S_f ^j(m)=当信息位以当前编码状态m输入时的前向改变状态；以及

L(d_k)=当信息位在MAP时间为k时值为d_k时的对数可靠性比率(LLR)LLR；以及

当处于时变模式时，利用下列公式执行第二MAP信道解码运算；

其中，D_k ⁱ(m)=BM；

L_a(d_k)=从MAP信道解码器中的反馈环路获得的外部信息；

x_k=***码；

y_k=奇偶校验码；

i=期望的***码；

Y_l ⁱ(m)=期望的奇偶校验码；

A_i ^k(m)=前向状态度量值(FSM)；

S_b ^j(m)=当信息位为j，将当前状态设定为m时的后向改变状态；

B_k ⁱ(m)=RSM；

S_f ^j(m)=当信息位以当前编码状态m输入时的前向改变状态；以及

L(d_k)=当信息位在MAP时间为k时值为d_k时的对数可靠性比率(LLR)LLR。

3、按照权利要求2所述的自适应MAP信道解码装置，其中所述E函数运算器利用函数输入值之间的差的绝对值来作为存储器地址，以便在存储器的数据区域中查找已存储的相对应的计算后的对数函数并且输出相对应的对数函数值。

4、按照权利要求1所述的自适应MAP信道解码装置，其中所述控制器根据累积的信道噪声功率和比例因子中的变化来决定其操作模式。

5、按照权利要求1所述的自适应MAP信道解码装置，其中所述控制器根据从MAP信道解码器接收到的比特差错率(BER)和帧差错率(FER)来决定其操作模式。

6、一种通信***中的自适应MAP信道解码方法，包括以下步骤：

估算当前信道的状态；

当前信道状态为静态时，按照下列公式来执行E函数运算，并且执行第一MAP解码运算：

        xEy=min(x,y)-log(1+e^-|x-y|)

其中x和y是度量值；以及

当前信道状态为时变状态时，按照下列公式来执行E函数运算，并且执行第二MAP解码运算：

        xEy=min(x,y)

其中x和y是度量值。

7、按照权利要求6所述的自适应MAP信道解码方法，其中所述的第二MAP信道解码运算利用下列公式执行：

其中D_k ⁱ(m)=BM；

L_a(d_k)=从MAP信道解码器中的反馈环路中获得的外部信息；

x_k=***码；

y_k=奇偶校验码；

i=期望的***码；

Y_l ⁱ(m)=期望的奇偶校验码；

A_i ^k(m)=前向状态度量值(FSM)；

S_b ^j(m)=当信息位为j，将当前状态设定为m时的后向改变状态；

B_k ⁱ(m)=RSM；

S_f ^j(m)=当信息位以当前编码状态m输入时的前向改变状态；以及

L(d_k)=当信息位在MAP时间为k时值为d_k时的LLR。

8、按照权利要求6所述的自适应MAP信道解码方法，其中所述当前信道状态是通过检验累积的信道噪声功率和比例因子中的变化来估算的。

9、按照权利要求6所述的自适应MAP信道解码方法，其中所述当前信道状态是通过检验累积的BER和FER的变化来估算的。

10、一种在移动通信***中自适应于当前通信信道的MAP信道解码方法，包括以下步骤：

按照下列公式执行不包括对数函数的E函数运算：

xEy=min(x,y)

其中x和y是E函数运算器的输入值；以及

按照下列公式执行MAP信道解码：

其中D_k ⁱ(m)=BM；

L_a(d_k)=从MAP信道解码器中的反馈环路中获得的外部信息；

x_k=***码；

y_k=奇偶校验码；

i=期望的***码；

Y_l ⁱ(m)=期望的奇偶校验码；

A_i ^k(m)=前向状态度量值(FSM)；

S_b ^j(m)=当信息位为j，将当前状态设定为m时的后向改变状态；

B_k ⁱ(m)=RSM；

S_f ^j(m)=当信息位以当前编码状态m输入时的前向改变状态；以及

L(d_k)=当信息位在MAP时间为k时值为d_k时的LLR。

11、一种通信***中的接收装置，包括：

一MAP信道解码器，用于对帧中接收到的信号进行解码；

一信道估算器，用于对输入信号的信道状态进行估算；以及

一控制器，用于按照从信道估算器接收到的估算的信道状态值以及从MAP信道解码器接收到的解码的帧的差错信息来控制MAP信道解码器的操作模式。

12、一种在通信***中的MAP信道解码装置，包括：

一接收器，用于接收无线信号并且输出解调信号；一MAP信道解码器，利用下列公式的E函数对解调的信号进行解码：

        xEy=min(x,y)其中x和y是度量值。

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