JP4777876B2

JP4777876B2 - ターボデコーダの反復の早期終了

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Publication number: JP4777876B2
Application number: JP2006506117A
Authority: JP
Inventors: スティーブン・アラン・オールプレス
Original assignee: イセラ・インコーポレーテッド
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2004-04-13
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2024-04-13
Also published as: EP1614221A1; TW200505173A; JP2006523985A; CN1806391A; TWI350066B; CA2522498A1; AU2004231907B2; US20040260995A1; CN100539446C; US7454684B2; AU2004231907A1; WO2004095711A1

Description

本発明は、誤り訂正符号および復号に関し、より詳細にはターボデコーダ計算の終了に関する。

ターボ符号は、誤り訂正符号および復号を使用するシステムにおいて、広範囲に及ぶ用途を見い出している。こうした多くのシステムでは、巡回冗長検査(CRC)符号は、データのフレームが図1に示した並列ターボエンコーダ(parallel turbo encoder)などのターボエンコーダに入る前にそれに付加される。データのフレームの符号化は、CRCとともに、システマチックビット(systematic bit)x_k、およびパリティビットz_kおよびz_k'を生成する。次いでこうしたビットは、パンクチャ(punctured)(削除)されて、必要な符号化率が生成される。送信によって、符号化された信号は、雑音およびチャネルの混乱にさらされる。ターボデコーダは、受信機で、データの元のフレームおよびCRCを復元する。

図2に示した並列の連接符号のためにターボデコーダによって実施されるものなど、復号プロセスは、符号プロセスよりかなり複雑であり、送受信機における全部の計算のかなりの部分に責任を負う。復号プロセスは、出力された対数尤度比が硬判定221に変換される前に(反復ループ220でのように)何回か繰り返す。図3に示すように、反復ごとに誤り率は改善するが、利益は低減する。

従来のターボ復号方式は、フレームを正しく復号した後、ターボデコーダの不要な反復を実行する傾向にある。これは、時間および計算のリソースを浪費する。

計算リソースおよび消費電力を低減するために、早期終了技術の何らかの考慮が行われていた。ターボデコーダの早期終了の最も普及している技術は、CRC符号に依存する。通常の操作では、チャネル復号後、データのフレームは、データのフレームが正しいことを確認するために、CRCデコーダを通過する。しかし、CRCは、実際にはフレームが誤っているときにデータのフレームが正しいことを示す可能性がある。これは、ほぼ次の確率で起こる。

P_FERはフレーム誤り率、n-kはCRCの長さであり、これは知覚されるサービスの許容可能な質を与えるために慎重に選択される。こうした誤りが起こった場合、誤ったデータフレームは、正しいものとしてタグ付けされ、より高いプロトコル層に渡され、特に圧縮されたデータソースに関して重大な悪影響がもたらされる。ターボ復号プロセスの早期終了にCRCを使用する方式は、復号化されたデータフレームをターボデコーダの反復ごとにCRCデコーダに渡すことによって働く。CRC符号が通過すると、ターボデコーダは終了する。先ほど説明した誤り確率に基づいて、こうしたCRC終了方式で誤ったフレームを正しいと誤診する全確率は、次の通りである。

Lはターボデコーダの反復の平均数である。こうした故障率は、多くのタイプのサービスにとって許容しがたい。
J. Hagenauer、E. Offer、およびL. Papke、「Iterative Decoding of Binary Block and Convolutional Codes」IEEE Trans. Inform. Theory、第42巻、429〜445頁、1996年3月 R. Y. Shao、Shu Lin、およびMarc P.C. Fossorier、「Two Simple Stopping Criteria for Turbo Decoding,」IEEE Transactions on Communications、第47巻、no. 8、1117〜1120頁、1999年8月 C. Bai、J. Jiang、およびP. Zhang、「Hardware lmplementation of Log-MAP Turbo Decoder for W-CDMA Node B with CRC-Aided Early Stopping」、IEEE VTC Conference、2002年5月、1016〜1019頁

したがって、本発明の実施形態は、ターボデコーダの終了の改良された装置および方法を提供することを務める。

本発明の一態様によれば、複数回のデコーダの反復を含むターボ復号プロセスを使用して、受信した一連の記号を復号する方法が提供される。

本発明による一実施形態では、方法は、予め定められているデコーダ終了閾値測定基準(threshold metric)が満たされているかどうかを決定し、閾値測定基準が満たされている場合のみ、巡回冗長検査符号に基づくデコーダの終了テストに合格したかどうかを決定し、巡回冗長検査テストに合格した場合のみ、デコーダの反復を終了するステップを含む。

別の関連の方法実施形態では、閾値測定基準が満たされているかどうかを決定するステップは、デコーダの反復ごとの対数尤度比の分布間のクロスエントロピが予め定められているクロスエントロピの閾値未満であるかどうかを決定するステップ、または符号変化率(sign change ratio)を使用して復号プロセスの収束(convergence)を監視する、または硬判定支援テスト(hard deoision aided test)を使用する、または符号差率(sign difference ratio)を使用して復号プロセスの収束を監視する、または平均絶対対数尤度比(average absolute log-likelihood ratio)を使用する、または最も小さい対数尤度比の絶対値が予め定められている絶対閾値を上回るかどうかを決定するステップを含み得る。当業者であれば、こうした閾値の比較は、適した任意の比較基準を基にすることができることを理解されよう。

別の関連の方法実施形態では、方法は、並列ターボエンコーダ、直列ターボエンコーダ、またはエンコーダおよび変調器を含む送信機から一連の記号を受信するステップをさらに含み得る。この方法は、W-CDMA送信機、およびW-CDMA受信機を含むシステムなど、無線セルラーシステムにおいて記号を復号するステップも含み得る。

本発明の別の態様によれば、複数回のデコーダの反復を含むターボ復号プロセスを使用して、受信した一連の記号を復号する装置が提供される。

本発明による一実施形態では、装置は、予め定められているデコーダ終了閾値測定基準が満たされているかどうかを決定する閾値測定基準プロセッサと、閾値測定基準プロセッサが閾値測定基準は満たされていると決定した場合のみ、巡回冗長検査符号に基づくデコーダの終了テストに合格したかどうかを決定する巡回冗長検査プロセッサと、巡回冗長検査テストに合格した場合のみ、デコーダの反復を終了するデコーダ終了手段とを含む。

別の関連の装置実施形態では、閾値測定基準プロセッサは、デコーダの反復ごとの対数尤度比の分布間のクロスエントロピが予め定められているクロスエントロピの閾値未満であるかどうかを決定する手段、または符号変化率を使用して復号プロセスの収束を監視する手段、または硬判定支援テストを使用して復号プロセスの収束を監視する手段、または符号差率を使用して復号プロセスの収束を監視する手段、または平均絶対対数尤度比を使用して閾値測定基準が満たされているかどうかを決定する手段、または最も小さい対数尤度比の絶対値が予め定められている絶対閾値を上回るかどうかを決定する手段を含み得る。

別の関連の装置実施形態では、装置は、並列ターボエンコーダ、直列ターボエンコーダ、またはエンコーダおよび変調器を含む送信機から一連の記号を受信する手段をさらに含み得る。この装置は、W-CDMA送信機およびW-CDMA受信機を含むシステムなど、無線セルラーシステムも含み得る。

本発明による別の実施形態では、上述した方法のうちのいずれかを制御するように構成されているプログラムコード手段を含むコンピュータプログラム製品が提供される。

さらに、本発明の利点および新しい特徴を、以下の説明に一部分記載し、また一部には以下の説明および添付の図面により当業者がはっきりと理解できるようになり、または本発明の実施によって学び取ることができよう。

本発明をよりよく理解するために、また、本発明をどのように実行に移すことができるかを示すために、単なる例示として添付の図面を参照する。

図4は、本発明の一実施形態によるターボデコーダ終了装置を示すブロック図である。この実施形態では、ターボデコーダの反復からのデータ401(フレームデータ、対数尤度比、または他のデコーダデータを含み得る)は、閾値測定基準プロセッサ402に提供され、そこで閾値測定基準テスト403が実行される。閾値測定基準テスト403は、閾値測定基準が特定の閾値測定基準値より上回るか下回るかに基づいて、復号を終了するべきかどうかを決定する。閾値測定基準プロセッサ402が復号は終了すべきであることを決定した場合のみ、巡回冗長検査(CRC)プロセッサ404は、CRCテスト405を実行して、復号は実際に終了すべきであるかどうかを決定する。デコーダ終了手段406は、巡回冗長検査テスト405に合格した場合のみデコーダの反復を終了する。

このように、図4の実施形態は、閾値測定基準プロセッサ402を使用して、CRCプロセッサのみを使用する技術に比べてCRCがテストされる回数を低減する。というのは、CRCプロセッサ404は、閾値測定基準テスト403に合格した場合に使用されるだけであるからである。したがってCRCのテストは、わずかなフレーム部分を除いて、全フレームにおいて1回以上行われることはなく、したがって、CRC故障率P_fail(背景技術のセクションで上述)は、感知できるほど増加しない。さらに、閾値検査をCRCテストと組み合わせることによって、ターボ復号プロセスの早期終了が排除される。図4の実施形態の技術は、いくつかの環境においてCRCの故障の確率も低下し得る。というのは、閾値テストを最初に合格したデータフレームのみがCRCの妥当性に関して検査されるからである。

図5は、本発明の一実施形態による閾値測定基準プロセッサ502により使用できる考え得る様々な技術507〜511を示す図である。閾値測定基準プロセッサ502は、本発明の一実施形態に従って、これらの技術507〜511のうちの1つ、またはこうした複数の技術の混合物、または別の閾値測定基準技術を使用して閾値測定基準テスト403を実行することができる。クロスエントロピテスト507では、閾値測定基準プロセッサ502は、各反復iでの対数尤度比の分布間のクロスエントロピT(i)を計算する。クロスエントロピT(i)は、復号が収束するにつれて低下する。シミュレーションは、T(i)<(0.01〜0.0001)T(0)が好ましい閾値であることを示している。他の適した閾値は、以下でより詳細に説明するように、様々な基準または目的に基づいて決定することができる。クロスエントロピテスト507は、例えば、参照によりその開示が本明細書に組み込まれる、J. Hagenauer、E. Offer、およびL. Papke、「Iterative Decoding of Binary Block and Convolutional Codes」IEEE Trans. Inform. Theory、第42巻、429〜445頁、1996年3月に示されている原理を使用することができる。閾値測定基準プロセッサ502は、前の反復からいくつのビットが変わったかを検査することによって復号アルゴリズムの収束を監視する符号変化率テスト508を使用する、または反復間に変わったビット数の一次導関数を検査することによって復号アルゴリズムの収束を監視する符号差率テスト509を使用する、または連続するデコーダの反復での情報ビットの硬判定の比較に依存する硬判定支援(HAD)テスト510を使用することができる。符号変化率テスト508および硬判定支援テスト510は、例えば、参照によりその開示が本明細書に組み込まれる、R. Y. Shao、Shu Lin、およびMarc P.C. Fossorier、「Two Simple Stopping Criteria for Turbo Decoding」、IEEE Transactions on Communications、第47巻、no. 8、1117〜1120頁、1999年8月に示されている原理を使用することができる。あるいは(またはそれに加えて)、平均推定テスト(mean estimate test)511では、閾値測定基準プロセッサ502は、平均絶対対数尤度比を計算し、その比率の閾値に合格すると、復号を終了する。閾値測定基準プロセッサ502は、最も小さい対数尤度比の絶対値が特定の値を上回ると復号が終了される平均距離テスト512も使用することができる。このアルゴリズムを支持する理論的根拠は、フレームの誤りは対数尤度比の絶対値が小さい場合に起こる可能性が最も高いということである。実際に、対数尤度の分布全体ではなく、むしろ後期イベント(tail event)を考慮するだけでよい。符号差率テスト509、平均推定テスト511、および最低距離テスト512は、例えば、参照によりその開示が本明細書に組み込まれるC. Bai、J. Jiang、およびP. Zhang、「Hardware Implementation of Log-MAP Turbo Decoder for W-CDMA Node B with CRC-Aided Early Stopping」、IEEE VTC Conference、2002年5月、1016〜1019頁に示されている原理を使用することができる。

本発明の一実施形態によれば、閾値測定基準プロセッサ402によって使用される閾値測定基準の値は、実験的に、またはシミュレーションを介して決定することができる。閾値測定基準の設定があまりに控えめすぎる(すなわち終了前にデコーダの反復の回数がより多く行われるように閾値を設定する)と、結果として非常に多くの反復がもたらされ、一方、閾値の設定があまりに積極的すぎる(すなわち終了前にデコーダの反復の回数がより少なく行われるように閾値を設定する)と、結果として誤り率が増加する。閾値プロセッサを使用してCRCテストが行われる回数を低減する本発明の一実施形態に従って、閾値が適正に積極的な値(すなわちできるだけデコーダの反復数を低減するもの)に設定されることが好ましい。閾値は、信号対雑音比、反復数、フレームサイズなどいくつかの要因に依存し得る。

本発明の別の実施形態によれば、閾値測定基準プロセッサ402は、図5に示すように、最大反復プロセッサ512を含み得る。最大反復プロセッサ512は、予め定められている最大デコーダ反復数に達した後でのみ、データのフレームが閾値テストを合格したかどうかを決定し、それらのフレームを将来の処理に使用するものとして識別する。このように、CRCテスト405がその後成功した場合でさえ、システムは、正しい見込みのないフレームを特定することができ、したがってこれらのフレームは、その後の処理ステップで潜在的に誤ったものとして適切に処理される。

図6は、本発明による一実施形態が、シミュレーションに基づいて、すべてのフレームに一定数の反復を使用する技術と同じ性能を達成するのに必要なターボデコーダの最低反復数を示すグラフである。1.5 dBのEb/No比のグラフ613、および2.0 dBのEb/No比のグラフ614で、一定数の反復(ここでは一定数6回の反復)を使用する技術と同じ性能を達成するために必要なデコーダ反復平均数が低減する。より一般には、本発明によるアルゴリズムでは、純粋なCRCベースの技術と同じ電力効率を有するが、CRC故障率、または全誤り率は増加しない。シミュレーションでは、本発明による一実施形態は、フレーム長および信号対雑音比に応じて、40 %から60 %の省力化を生み出すように示されている。

多くのアプリケーションが予想され、実際に本発明の実施形態は、誤り訂正方式および復号方式でターボ符号が使用される任意のシナリオで使用することができる。一例として、こうした1つの応用分野は、第3世代無線セルラーシステムに見られる。図7Aおよび7Bは、ターボエンコーダおよびデコーダが本発明による一実施形態の技術を実施することができるW-CDMAシステムの一例を示している。図7AのW-CDMA送信機730は、ターボエンコーダ731を含み、図7BのW-CDMA受信機732と通信する。受信機732は、本明細書に記載した実施形態のうちの任意のものによるデコーダ終了技術を実施するターボデコーダ733を含む。

さらに、本明細書に記載した実施形態は、異なる様々な考え得るエンコーダシステムおよびデコーダシステムとともに使用できることを理解されたい。例えば、本発明の一実施形態によるターボデコーダを、図1のものに似た並列ターボエンコーダとともに使用することができる。あるいは、本発明の一実施形態によれば、ターボデコーダは、CRC符号(またはフレームの妥当性を確認する他の何らかの方法)がフレーム構造に含まれている限り、図8の直列エンコーダ800など、直列連接ターボ符号エンコーダとともに使用することができる。また、本発明の一実施形態によれば、ターボデコーダは、CRC符号(またはフレームの妥当性を確認する他の何らかの方法)がフレーム構造に含まれており、変調器940が記憶されないプロセスである限り、図9の送信機900などの送信機構造に対応する受信機に使用することができる。本発明によるデコーダへの送信に使用されるエンコーダ950は、ターボエンコーダである必要はなく、記憶を伴う任意の符号プロセスまたは変調プロセスとすることができることも理解されたい。

上記では、本発明を実施するのに最適と見なされる形態、また適切な場合、他の形態について説明してきたが、本発明は、好ましい実施形態のこの説明に開示した特定の装置の構成または方法ステップに限定されるべきではないことを当業者であれば理解されたい。また、本発明には広範な用途があり、実施形態は、本発明の概念から逸脱することなく、広範な変更を許容することを当業者であれば理解されたい。

従来技術による並列ターボエンコーダシステムを示す図である。従来技術によるターボデコーダシステムを示す図である。従来技術による一般のターボデコーダの性能を示す図である。本発明の一実施形態によるターボデコーダ終了装置を示すブロック図である。本発明の一実施形態による閾値測定基準プロセッサにより使用できる考え得る様々な技術を示す図である。本発明による一実施形態がすべてのフレームに一定数の反復を使用する技術と同じ性能を達成するのに必要なターボデコーダの最低反復数を示すグラフである。本発明による一実施形態を適用することができるW-CDMA送信機を示す図である。本発明による一実施形態を適用することができるW-CDMA受信機を示す図である。本発明による一実施形態をともに使用することができる直列連接ターボ符号エンコーダを示す図である。本発明による一実施形態をともに使用できる送信機の構造を示す図である。

符号の説明

220 反復ループ
221 硬判定
401 データ
402 閾値測定基準プロセッサ
403 閾値測定基準テスト
404 巡回冗長検査(CRC)プロセッサ
405 CRCテスト
406 デコーダ終了手段
502 閾値測定基準プロセッサ
507 クロスエントロピテスト
508 符号変化率テスト
509 符号差率テスト
510 硬判定支援(HAD)テスト
511 平均推定テスト
512 平均距離テスト
512 最大反復プロセッサ
700 W-CDMA送信機
731 ターボエンコーダ
732 W-CDMA受信機
733 ターボデコーダ
800 直列エンコーダ
900 送信機
940 変調器
950 エンコーダ

Claims

複数回のデコーダの反復を含むターボ復号プロセスを使用して、受信されたフレームの一連の記号を復号する方法であって、
予め定められているデコーダ終了閾値測定基準が満たされているかどうかを決定するステップと、
予め定められているデコーダ反復数に基づいて閾値測定基準が満たされていると判断された場合のみ、巡回冗長検査テストのために前記フレームをパスし、予め定められている最大デコーダ反復数に達した後でのみ、フレームが前記デコーダ終了閾値測定基準を満たしているかどうかを決定し、該決定において満たしていると判断された場合を除き、巡回冗長検査テストをパスしたことに優先してさらなる処理において使用するものとしてフレームが識別されるステップと、
前記閾値測定基準が満たされている場合のみ、巡回冗長検査符号に基づくデコーダ終了テストに合格したかどうかを決定するステップと、
前記巡回冗長検査テストに合格した場合のみ、前記デコーダの反復を終了するステップと
を含む方法。
前記閾値測定基準が満たされているかどうかを決定するステップが、デコーダの反復ごとの対数尤度比の分布間のクロスエントロピが予め定められているクロスエントロピ閾値未満であるかどうかを決定するステップを含む請求項1に記載の方法。
前記閾値測定基準が満たされているかどうかを決定するステップが、符号変化率を使用して前記復号プロセスの収束を監視するステップを含む請求項1に記載の方法。
前記閾値測定基準が満たされているかどうかを決定するステップが、符号差率を使用して前記復号プロセスの収束を監視するステップを含む請求項1に記載の方法。
前記閾値測定基準が満たされているかどうかを決定するステップが、硬判定支援テストを使用するステップを含む請求項1に記載の方法。
前記閾値測定基準が満たされているかどうかを決定するステップが、平均絶対対数尤度比を使用するステップを含む請求項1に記載の方法。
前記閾値測定基準が満たされているかどうかを決定するステップが、最も小さい対数尤度比の絶対値は予め定められている絶対閾値を上回るかどうかを決定するステップを含む請求項1に記載の方法。
並列ターボエンコーダから前記一連の記号を受信するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
直列ターボエンコーダから前記一連の記号を受信するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
エンコーダおよび変調器を含む送信機から前記一連の記号を受信するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
前記方法が無線セルラーシステムにおいて記号を復号するステップを含む請求項1に記載の方法。
前記無線セルラーシステムがW-CDMA送信機およびW-CDMA受信機を含む請求項11に記載の方法。
複数回のデコーダの反復を含むターボ復号プロセスを使用して、受信されたフレームの一連の記号を復号する装置であって、
予め定められているデコーダ終了閾値測定基準が満たされているかどうかを決定する閾値測定基準プロセッサと、
予め定められているデコーダ反復数に基づいて閾値測定基準が満たされていると判断された場合のみ、巡回冗長検査テストのために前記フレームをパスし、予め定められている最大デコーダ反復数に達した後でのみ、フレームが前記デコーダ終了閾値測定基準を満たしているかどうかを決定し、該決定において満たしていると判断された場合を除き、巡回冗長検査テストをパスしたことに優先してさらなる処理において使用するものとしてフレームを識別する最大反復プロセッサと、
前記閾値測定基準プロセッサが前記閾値測定基準は満たされていると決定した場合のみ、巡回冗長検査符号に基づくデコーダ終了テストに合格したかどうかを決定する巡回冗長検査プロセッサと、
前記巡回冗長検査テストに合格した場合のみ、前記デコーダの反復を終了するデコーダ終了手段と
を含む装置。
前記閾値測定基準プロセッサが、デコーダの反復ごとの対数尤度比の分布間のクロスエントロピは予め定められているクロスエントロピ閾値未満であるかどうかを決定する手段を含む請求項13に記載の装置。
前記閾値測定基準プロセッサが、符号変化率を使用して前記復号プロセスの収束を監視する手段を含む請求項13に記載の装置。
前記閾値測定基準プロセッサが、符号差率を使用して前記復号プロセスの収束を監視する手段を含む請求項13に記載の装置。
前記閾値測定基準プロセッサが、硬判定支援テストを使用して前記復号プロセスの収束を監視する手段を含む請求項13に記載の装置。
前記閾値測定基準プロセッサが、平均絶対対数尤度比を使用して前記閾値測定基準が満たされているかどうかを決定する手段を含む請求項13に記載の装置。
前記閾値測定基準プロセッサが、最も小さい対数尤度比の絶対値は予め定められている絶対閾値を上回るかどうかを決定する手段を含む請求項13に記載の装置。
並列ターボエンコーダから前記一連の記号を受信する手段をさらに含む請求項13に記載の装置。
直列ターボエンコーダから前記一連の記号を受信する手段をさらに含む請求項13に記載の装置。
エンコーダおよび変調器を含む送信機から前記一連の記号を受信する手段をさらに含む請求項13に記載の装置。
前記装置が無線セルラーシステムを含む請求項13に記載の装置。
前記装置がW-CDMA送信機およびW-CDMA受信機を含む請求項23に記載の装置。
請求項1に記載の方法を実行させるためのプログラム。