CN1605160A - 增强通过网格搜索的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及增强通过网格搜索的装置和方法，例如，结合解码或信道均衡等应用。当通过网格搜索时，在网格的每一级将要处理的状态序号分成(500)一个以上的子集，在子集中定义(502)状态序号的路径测度，基于该测度从每个子集中选择(504，506)预定数目的状态序号以供延续。

Description

增强通过网格搜索的方法和装置
技术领域
本发明涉及增强通过网格搜索的方法和装置，其特征在于，在网格的每一级，选择该级的某组状态序号以供延续。
背景技术
通信***中使用的信道通常会对数据传输引起干扰。干扰出现在所有类型的***中，但是特别是在无线电信***中，在信号发送的很多不同方式中都有传输路径衰减和失真。信号的多径传播、不同的衰落和反射、以及在同一传输路径上发射的其它信号通常都会引起传输路径的干扰。
为了减少干扰的影响，已经开发了几种编码方法以保护信号不受干扰并纠正错误比特。卷积编码是广泛使用的编码方法。在卷积编码中，根据要发射的符号或者与自身或者与其它信号的卷积，使由符号组成的要发射的信号编为码字。码率和生成多项式定义了该卷积码。码率(k/n)是指产生的编码符号数(n)与待编码的符号数(k)的比率。编码器通常通过移位寄存器和异或器件来实现。码的约束长度(K)通常指的是移位寄存器的长度。编码器可以认为是具有2K-1个状态的状态机。
接收机对经过信道传播的编码信号解码。卷积码通常用网格解码，网格的节点描述了用于对信号编码的编码器状态，属于网格不同级的节点之间的路径描述了允许的状态转移。解码器试图找出编码器的连续状态，即从一个状态到另一个的转移。为了找出这些转移，解码器计算两种类型的测度：路径测度(或者状态测度)以及分支测度。路径测度代表接收信号中的符号集导向正处理的节点所描述状态的概率。分支测度代表不同转移的概率。
卷积码通常通过维特比算法解码。维特比算法是需要计算量的任务。维特比算法的通常问题是，当约束长度很长时(例如，在UMTS***WCDMA中有9位长)，维特比算法必须通过2(9-1)、即256个状态才能解出一个比特。无线电信***中还需要寻找经济有效的信号处理算法，特别是***的目的是尽可能减少用户终端的尺寸和功耗时更是如此。语音或数据解码的一种节省计算量的算法是M算法，这是从维特比算法简化的搜索算法。使用M算法可以减少搜索状态数，因为只有M条最佳路径、而不是所有路径被选出来实现网格级的延续。当M选择了合适的值时，解码器的性能不会下降得很厉害。例如，在上述***中，M可以得到的值是128，即选择一半的可能路径在每一级延续。
使用M算法的一个问题是在所有路径中选择用于延续的路径。通常，n个元素的排序需要n2/2次比较操作，而且这是需要计算量的任务。让我们假设，当使用完全搜索算法时，在WCDMA中DSP(数字信号处理)对一个比特的解码大约需要500个时钟周期。如果使用M算法，要搜索的状态数少一些，但是相应的排序会增加复杂度。当对16个元素排序时，需要128次比较操作。因此使用具有最佳16条路径的M算法导致几乎与全搜索算法相同的复杂度。如果使用256状态的码，全排序需要n2/2、即32786次比较。全搜索的操作复杂度太大，传统方法不可能实现。
实现M算法的一个已知解决方案是S.J.Simmons的出版物ANonsorting VLSI Structure for implementing the(M，L)algorithm(实现(M，L)算法的非排序VLSI结构)，见IEEE Journalon Selected Areas in Communications，Vol.6，No.3，1988年4月，538到546页。所揭示的解决方案不执行实际的排序，但是从最高有效比特开始同时检查几个不同的路径测度。在检查不同的路径时决定保留或去掉的路由。如果被检查的路由与已经选择的路径相反，就去掉它。但是，该出版物中揭示的解决方案在网格很大的情况下工作得很差，例如在UMTS***的WCDMA中。
网格结构不仅用于卷积码的解码上，也用于很多其它的应用中，例如信道均衡。当网格大小增加时，上述同样的问题也会出现在这些解决方案中。
因此，为了尽可能减小设备的尺寸和功耗，需要比以前更有效的方法处理通过网络的搜索，快速的方法以及按照ASIC结构实现不需要很大的空间。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种方法和实现该方法的装置，藉此可以比以前更有效地执行受限的网格搜索。一种增强通过网格搜索的方法可以实现它，其特征在于，在网格的每一级选择该级的某组状态序号以供延续。本发明的方法包括如下步骤：在网格的每一级将待处理的状态序号分成一个以上子集，在子集中定义状态序号的路径测度，根据该测度从每个子集中选择预定数目的状态序号以供延续。
本发明也涉及在检测器中增强通过网格搜索的装置，该装置设计为在网格的每一级选择该级的某组状态序号以供延续。在发明的装置中，检测器被设计为，当计算网格的每一级时将要处理的状态序号分成一个以上的子集，在子集中定义状态序号的路径测度，根据该测度从每个子集中选择预定数目的状态序号以供延续。
本发明优选的实施例在独立权利要求中描述。
本发明基于如下思想：将要处理的状态序号分成子集，可以大大降低必要的比较次数。例如，对于256状态码，当使用每个有8个状态的32个子集时，排序所需要的比较次数是32*(8*8)/2，即1024。相比现有技术中需要的32768次比较，减小了32倍。此外，由于一些优选实施例不需要全排序，只有每个子集中最佳值的确定才需要，还可以进一步减少比较次数。
因此本发明的方法和装置提供了几个好处。在接收机中实现本发明优选的解决方案很简单。M算法实际上用得并不多，因为它的复杂性比较高。通过本解决方案，可以有效地使用M算法。因为该解决方案比维特比算法检查的状态少，计算路径需要的存储量小。这样会带来设备成本的节约。此外，接收机的功耗也降低了，因为需要较少的计算和较少的存储量。但是，该解决方案实际上提供了足以与先前方法等同的性能。
特别是处理高数据率时，本解决方案提供了更大的好处，因为这时的网格尺寸通常是很大的。例如当在发射和接收时使用几个天线、复杂的调制方法以及强的码子时，也需要使用大网格。对大网格解码增强了对计算量的要求，而且在这种情况下，本发明有助于减少计算量。
优选实施例的解决方案可以用于使用网格的所有应用。除了上述卷积编码的解码以外，这类应用还包括其它类型码的解码、均衡、多用户解码以及语音识别。
附图说明
现在将参照附图、通过优选实施例更详细地描述本发明，其中
图1表示可以应用优选实施例的一个通信***的例子，
图2表示发射机和接收机的例子，
图3说明网格，
图4说明优选实施例的方法，
图5是说明优选实施例方法的流程图，
图6表示一个网格级中路径权重的例子，
图7说明实施例的性能，以及
图8A到8D表示不同的实施例。
优选实施例的说明
本发明方法可以用于具有网格结构的任意***。一个应用目的是解码，例如对卷积码、分组码、Turbo码或空时码解码。其它应用目的包括均衡、语音识别算法、信源编码和网格编码均衡(TCQ)。下面对本发明的描述是通过将其应用于数字蜂窝***，例如GSM***或UMTS***，对卷积码解码，但是并不想将本发明限制于此。
图1表示对本发明比较关键的蜂窝***结构的一些部分。该***包括基站100和一组通用移动用户终端102到106，它们与基站具有双向连接108到112。基站将终端的连接交换到基站控制器114，后者再将它们交换到***的其它部分或固定网络。基站控制器114控制一个或多个基站的操作。
参考图2，让我们研究一下发射机100和接收机102的例子，这里可以应用优选实施例的解决方案。在该图的例子中，发射机是基站，接收机是用户终端，但是优选实施例也可以用于接收机是基站接收机的情况。因此在图2的例子中，发射机100和接收机102通过无线信道108通信。发射机100包括数据源200，可以是语音编码器或一些其它的数据源。要发射的信号202从数据源的输出得到并送到信道编码器204，在本例中信道编码器204是卷积编码器。编码后的符号206送到调制器208，用已知的方式对信号调制。调制后的信号送到射频部分210，被放大并通过天线212发射到无线路径108上。
在无线路径118上，信号被传播信道所破坏。接收机102包括天线214，通过它接收的信号通过射频部分216送到解调器218。解调的信号送到检测器220，信号在这里根据发明的优选实施例解码、均衡并检测。信号222从检测器出来，被送到接收机的其它部分。
然后，通过图3更详细地描述一个在维特比解码器中使用网格的例子。该图以所示的8状态网格图作为例子。网格图是基于所用的码确定的；在该图中，每个点都有两个输入和两个输出路由，即所研究的码是1/n编码速率的码。每一列可以称为网格的一级。维特比算法是在网格图中完成的，做法是从左到右或者从右到左经过各级。每个点可以通过两条不同的路由到达，在每点选择一个较好的输入路由并存入存储器。这个选择基于前面提到的测度。路径测度代表接收信号中的符号集导向所研究节点描述的状态的概率。分支测度则代表不同转移的概率。因此在每点计算输入路由的测度，方法是前一节点和正处理节点之间转移的分支测度加入路径中前面节点的路径测度中。根据该方法，或者选择较大的或者较小的延续下去。
在传统的维特比算法中，所有路径和节点都要被检查。当使用M算法时，每级只选择M条路径延续下去。如果M等于所有状态数，那么就是普通维特比算法。本领域技术人员对M算法实际上是已知的，这里就不再更详细描述了。参考Schlegel的出版物：Trellis coding(网格编码)，IEEE Press，ISBN：0-7803-1052-7，153到189页。
现在让我们通过图4和5研究发明的优选实施例。假设在解码中处理网格中的一级。因此该级的状态序号400在解码中处理。这可能关系到所研究级的所有状态序号或者其中的一部分，根据码和M值而定。在该图中，每个点是一个状态序号。
在步骤500(对应于图4的步骤402)，要处理的状态序号分成一个以上的子集404到418。在图4的例子中，有八个子集。在这种情况下，每个子集都有相等数目的状态序号，即四个。在步骤502中，在子集中定义状态序号的路径测度。在步骤504中，在子集中对状态序号排序，方法是识别出每个子集中预定数目的最佳状态序号。在图4的例子中，第一子集404的最佳状态序号是420A和420B，最差状态序号是422A和422B。应该注意到状态序号不必以准确顺序设置，只需找到最佳状态序号，即420A和420B。在步骤506中，选择每个子集中这些特定的状态序号以便延续。在图4的例子中，两个最佳状态序号424从每个子集的四个状态序号中识别出来，并被选出以供延续。这些编号不必以任何特定的顺序放置。当所有状态处理完之后，选出了M个最佳状态序号以供延续。在这个例子中，每行选出两个编号以供延续，但是选出的数目可以是其它数。最差编号426被丢弃。选出以供延续的编号数不必象图4例子那样是二或者每个子集中元素的一半。在步骤508中，处理网格的下一级。
然后让我们研究一下被处理的状态序号400如何分成不同的子集。在一个实施例中，该划分是随机进行的。但是，为了进行部分排序并且尽可能有效地选出子集中出现的一定数目的序号，最好是状态序号的测度彼此不同。如果状态序号彼此只差一点，那么“好”或“坏”状态序号就不可能可靠地彼此区分出来。这就是为什么发明的有些优选实施例使用以下准则选择子集的状态序号。
让我们假设这里的S是所用的卷积码的状态数。以字母D标记从状态0到状态s的所有最小重量路径中的最大者，这里s＝0，1，...，S-1。令r是接收信号，即解码器输入信号，并对应于一个信道符号。由于码是线性的，任意两个路径测度之间的差小于或等于
D·max|r|
这里，||代表绝对值。因此上面的值代表任意两个路径测度之间的最大差。为子集选择状态序号的一个可能准则是，首先为放入每个子集的状态序号定义路径测度之间的最短距离，然后为子集选出状态序号，方法是最大化子集之间最短的未编码距离。
第二个可能的准则是为将放入每个子集的状态序号定义路径测度之间的最短距离，然后为子集选出状态序号，方法是最大化子集的最小未编码距离之和。
令Ds，s’是路径重量，该路径是所找到的以状态s和s’结束的具有最小未编码重量的路径之间的差。换句话说，当从点s和s’向后检查时，它是以状态s和s’结束并在尽可能早的节点彼此分开的路径之间差的重量。图6说明所有可能的s和s’值对应的Ds，s’值，该码是64状态码，多项式是133和171。该图表示了一个64×64矩阵，水平轴和垂直轴都有64个状态序号。每个方块的暗度表示Ds，s’值，因此最浅的方块Ds，s’值是10，最深的方块是0。在图6的划分线上，Ds，s’的值是0，因为这里s＝s’。
该图表示Ds，s’的行为具有分形特征。图6的矩阵可以分成四个方块，而且这些方块又可以进一步分成四个方块，每个方块保持整个方块的对称性。
在一个优选实施例中，这样选择子集的状态序号：在每个子集中，状态序号彼此相差的值是二的幂。因此，例如如果有256个状态，那么选择状态i的状态为(i，i+32，i+64，i+96，i+128，i+192，i+224)。
然后让我们研究一个例子，它说明了通过优选实施例的解决方案所进行的仿真。假设编码速率是1/2，帧长度是300比特，信道是白高斯噪声的。该码有256个状态，M值是状态数的一半，即128。子集数是32，每个有8个元素。根据前面段落选择子集的状态，即为状态i选择状态(i，i+32，i+64，i+96，i+128，i+192，i+224)。这就意味着子集所有状态之间的Ds，s’之和得到的值是240。子集中最小Ds，s’值是7，最大是10。
上面条件得到图7的性能。水平轴是Eb/NO，得到的值在0.0和4.0之间，垂直轴是误码率BER，得到的值在1.0·10-5到1.0之间。该图示出维特比算法(实线)、全排序M算法(点线)和八子集M算法(虚线)的曲线。可以看出，各自的性能几乎相同。但是子集解决方案是最容易实现的。
然后让我们研究一下可以在子集中选出所需数目的状态序号以供延续的一些实现方案。这里假设2M＝S，即每个子集中总是选出一半状态序号以供延续。选择这个限制只是为了简化这个例子，并不是一般性地限制该优选实施例。
图8A表示一种实现方案，适合子集的大小是两个元素、即状态序号的情况。该实现包括比较器800和复接器802。将子集值A和B送入比较器和复接器。比较器输出值根据哪个输入信号大而定，根据输出信号803，将所需的值、A或B导向复接器的输出。
图8B表示一种实现方案，适合子集大小是四个元素的情况。该实现包括MAXMIN单元804A到804D。每个单元比较输入值，并在MAX输出中提供较大的值，在MIN输出中提供较小的值。四个值A、B、C和D首先成对在单元804A和804B中彼此比较。这些比较之后，这些值交叉馈入单元804C和804D。选择来自每个MAX输出的值805A、805B以供延续，MIN输出的值被丢弃。
图8C说明MAXMIN单元的实现。可以用一个比较器806和两个受比较器806控制输出的复接器808A和808B实现。例如，如果A比B大，比较器就在输出中提供信号“1”，如果B比A大，就提供信号“0”。这个输出信号810连接到复接器808A和808B的控制输入。当复接器控制信号的值为“0”时，MAX复接器808A的输出就是值B，MIN复接器808A的输出就是值A。
图8D表示图8B解决方案的另一个实现方案。功能上，图8D的实现与图8B的解法相同，但是可以用相当少的端口实现。该实现包括四个并行复接器812A到812D，两个并行MAXMIN单元814A、814B，和四个延迟单元816A到816D。在这个图中，将时钟周期控制送入延迟单元和复接器，但是为了清楚起见在图中并没有画出。
首先复接器812A到812D的输入A、B、C和D连接到MAXMIN单元，后者的输出送入延迟单元816A到816D。延迟单元的输出送回复接器812A到812D，将这些输入在下一个时钟周期连接到MAXMIN单元。延迟单元816A和816C的输出提供选出值818、820以供延续。图8B中连续的MAXMIN单元被一对使用两次的单元代替。在该图的例子中，排序是折叠进行的。当数据循环多次时，需要较少的硬件资源。排序变慢了，但是硅表面区域变小了。
在发明的优选实施例中，接收机的检测器设计为将被处理的状态序号分成一个以上的子集，为子集中的状态序号定义路径测度，根据测度从每个子集中选出预定数目的状态序号以供延续。这些操作在检测器中可以由程序或作为硬件实现来完成。当设计接收机的检测器时最好是已经完成了这些连接和编程，因为它们通常在使用中不需要改变。
虽然在前面已经根据附图参照例子解释了本发明，但是显然本发明不限于这些例子，而是可以在所附权利要求揭示的发明思想范围内以很多方式进行修改。

Claims (17)

1.一种增强通过网格搜索的方法，在网格的每一级选择该级的某组状态序号以供延续，其特征在于本发明的方法包括如下步骤：
在网格的每一级，将待处理的状态序号分成(500)一个以上子集(404到418)，
在子集中定义(502)状态序号的路径测度，
根据该测度从每个子集中选择(504、506)预定数目的状态序号以供延续。
2.权利要求1中要求的方法，其特征在于
在每一级定义状态序号的路径测度，
为将放入每个子集的状态序号定义路径测度之间的最短距离，
以最大化子集之间最短距离的方法为子集选出状态序号。
3.权利要求1中要求的方法，其特征在于
在每一级定义状态序号的路径测度，
为将放入每个子集的状态序号定义路径测度之间的最短距离，
以最大化子集之间最短距离和的方法为子集选出状态序号。
4.权利要求1中要求的方法，其特征在于为子集选择状态序号，选择方法是在每个子集内，状态序号彼此相差的值是二的幂。
5.权利要求1中要求的方法，其特征在于在每个子集中根据大小为状态序号排序。
6.权利要求1中要求的方法，其特征在于从每个子集中选择具有最大路径测度的预定数目的状态序号以供延续。
7.权利要求1中要求的方法，其特征在于从每个子集中选择子集中一半的状态序号以供延续。
8.权利要求1中要求的方法，其特征在于接收信号的解码通过网格进行。
9.权利要求1中要求的方法，其特征在于卷积编码信号的解码通过网格进行。
10.权利要求1中要求的方法，其特征在于接收信号的均衡通过网格进行。
11.在检测器(220)中增强通过网格搜索的装置，该装置设计为在网格的每一级选择该级的某组状态序号以供延续，其特征在于检测器(220)被设计为，当计算网格的每一级时
将被处理的状态序号分成一个以上的子集(404到418)，
在子集(404到418)中定义状态序号的路径测度，
根据该测度从每个子集中选择预定数目的状态序号以供延续。
12.权利要求11中要求的装置，其特征在于检测器(220)被设计为
在每一级定义状态序号的路径测度，
为放入每个子集(404到418)的状态序号定义路径测度之间的最短未编码距离，
以最大化子集之间最短距离的方法为子集选出状态序号。
13.权利要求11中要求的装置，其特征在于检测器(220)被设计为
在每一级定义状态序号的路径测度，
为将放入每个子集(404到418)的状态序号定义路径测度之间的最短未编码距离，
以最大化子集之间最短距离和的方法为子集选出状态序号。
14.权利要求11中要求的装置，其特征在于检测器(220)被设计为：为子集选择状态序号，选择方法是在每个子集内，状态序号彼此相差的值是二的幂。
15.权利要求11中要求的装置，其特征在于检测器(220)被设计为执行接收信号的解码。
16.权利要求11中要求的装置，其特征在于检测器(220)被设计为执行接收信号的均衡。
17.权利要求11中要求的装置，其特征在于检测器(220)被设计为执行多用户解码。
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