KR100311413B1 - 통신 시스템의 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유무선의 통신 시스템에서 직렬 연쇄 컨벌루션 부호의 내/외부 부호를 펑처링하여 사용하는 경우 성능 향상 및 복호의 안정성을 보장할 수 있도록 내/외부 부호의 펑처링 범위를 적절하게 설정해 주는 컨벌루션 부호의 펑처링 기술에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 목적은, 사용된 컨벌루션 부호의 트렐리스를 한 데이터 블록 내에서 약정된 상태로 종료시키기 위한 테일비트를 입력 데이터에 추가하는 제1과정과; 상기 테일비트가 추가된 데이터를 대상으로 외부 부호화기 및 내부 부호화기를 이용하여 직렬 연쇄 컨벌루션 방식으로 부호화 할 때, 외부 및 내부 부호어들에 대한 펑처링 범위를 지정하여 펑처링하는 제2과정에 의하여 달성된다.

Description

통신 시스템의 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화 방법 및 장치{SERIALLY CONCATENATED CONVOLUTIONAL ENCODING METHOD AND APPARATUS FOR COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 유무선의 통신 시스템에서 컨벌루션 부호화 기술에 관한 것으로, 특히 직렬 연쇄 컨벌루션 부호의 내/외부 부호를 펑처링하여 사용하는 경우 부호화의 성능 향상 및 복호화의 안정성을 보장하는데 적당하도록한 통신 시스템의 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화 방법 및 장치에 관한 것이다.

근래 들어, 유무선 이동통신 시스템에서 정보의 신뢰도를 향상시키기 위한 다양한 기술이 개발되고 있다. 그 중에서 에러 정정기법의 하나로 비터비 알고리즘을 채택한 컨벌루션(Convolution) 부호화 방식의 경우 이미 많은 시스템에 적용되어 사용되고 있는 실정에 있다. 예를 들어 상기 부호화 방식은 IS-95, GSM 등의 이동통신 시스템에 적용되어 사용되고 있으며, 차세대 이동통신 시스템(예: IMT-2000)에도 이미 채택되어 있다. 이와 같이 컨벌루션 코딩방식이 널리 사용되고 있는 이유는 다른 부호화 방식에 비하여 상대적으로 간단한 복호 알고리즘을 사용하고도 높은 부호이득을 얻는 장점을 가지고 있기 때문이다.

채널의 환경이 유동적으로 변화되거나 멀티 미디어 데이터를 전송하고자 하는 경우, 송신측에서 고정된 데이터율을 고수하는 것 보다 적절하게 변화시킴으로써 데이터 전송효율을 향상시킬 수 있게 된다. 이렇게 데이터율을 변화시키는 방법의 예로써 각각의 데이터율에 적합한 최적의 부호단과 복호단을 설계하는 방법을 들 수 있지만, 이 경우 각각의 데이터율에 해당하는 부호단과 복호단을 모두 포함하고 있어야 하므로 시스템이 너무 복잡해지는 문제점이 있다.

데이터율을 변화시키는 다른 방법으로써 펑처링 테이블(Puncturing table)을 사용하는 것을 들 수 있는데, 이 방법을 사용하면 낮은 데이터율을 갖는 하나의 부호단과 복호단으로 다양한 데이터율을 얻을 수 있다. 이 경우 펑처링 패턴에 따라 성능에 커다란 차이를 나타내므로 최적의 펑처링 테이블은 데이터율을 변화시키는 콘벌루션 코드의 중요한 파라미터라 할 수 있다.

상기 컨벌루션 부호화 방식에는 주로 병렬 연쇄 컨벌루션 부호(Parallel concatenated convolutional code)와 직렬 연쇄 컨벌루션 부호(Serially concatenated convolutional code)가 사용되는데, 그 중에서 높은 신호 대 잡음비(SNR)에서 성능 포화 현상이 나타나는 병렬 연쇄 컨벌루션 부호보다 지속적으로 성능이 향상되는 직렬 컨벌루션 부호가 각광을 받고 있다.

일반적으로, 직렬 연쇄 부호화기는 병렬 연쇄 부호화기에 비하여 하드웨어가 복잡하게 구현된다. 따라서, 이러한 복잡도를 줄이기 위해 외부 부호를 펑처링하여 부호율을 높여서 사용하거나, 내부 부호를 펑처링하여 부호율을 높여서 사용하거나, 내/외부 부호를 모두 펑처링하여 사용한다.

이와 같은 경우, 상기 펑처링 방법에 따라 부호화 성능이 다양하게 나타나므로 사용되는 부호에 따른 최적화된 펑처링 방법에 대한 연구가 필요하다. 특히, 외부/내부 코드를 컨벌루션 부호로 사용하는 경우에는 각 데이터 블록별로 트렐리스 종료(Trellis termination)를 위해 테일 비트(Tail bit)들을 사용하게 되는데, 복호시 그 테일 비트들의 역할이 중요하기 때문에 테일 비트들에 대한 펑처링 방법이 고려되어야 한다.

그럼에도 불구하고, 종래 기술에 의한 컨벌루션 부호화 기술에 있어서는 사용되는 부호에 따른 펑처링 기술이 마련되지 않았으며, 더욱이, 외부/내부 코드를 컨벌루션 부호로 사용하는 경우에 대해서도 테일 비트들에 대한 펑처링 기술이 마련되지 않았다. 따라서, 종래의 컨벌루션 부호화 기술을 이용하는 경우 부호화의 성능 향상 및 복호화의 안정성이 저하되는 결함이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 유무선의 통신 시스템에서 직렬 연쇄 컨벌루션 부호의 내/외부 부호를 펑처링하여 사용하는 경우 성능 향상 및 복호의 안정성을 보장할 수 있도록 내/외부 부호의 펑처링 범위를 적절하게 설정해 주는 직렬 연쇄 컨벌루션 부호의 펑처링 방법 및 장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 의한 통신 시스템의 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화 장치의 일실시 예시 블록도.

도 2는 본 발명에 의한 통신 시스템의 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화 장치의 상세 블록도.

도 3은 도 2에서 펑처링 처리부의 펑처링 패턴의 실험 결과 그래프.

도 4는 본 발명에 의한 통신 시스템의 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화 방법의 신호 흐름도.

도 5a-5k는 본 발명에 의한 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화의 실험 결과 비교표.

도 6a-6k는 본 발명에 의한 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화의 또 다른 실험 결과 비교표.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

1 : 외부 컨벌루션 엔코더 2,5 : 펑처링 처리부

3 : 인터리버 4 : 내부 컨벌루션

본 발명의 제1특징은, 외부 부호의 트렐리스 종료를 위해 테일 비트를 사용하는 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화기에서 외부 부호어(codeword)들을 펑처링할 때 그 외부 부호어들에 대한 펑처링 범위를 지정하는 것이다.

본 발명의 제2특징은, 내부 부호의 트렐리스 종료를 위해 테일 비트를 사용하는 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화기에서 내부 부호어들을 펑처링할 때 그 내부 부호어들에 대한 펑처링 범위를 지정하는 것이다.

본 발명의 제3특징은, 외부 및 내부 부호의 트렐리스 종료를 위해 테일 비트를 사용하는 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화기에서 외부 및 내부 부호어들을 펑처링할때 그 외부 및 내부 부호어들에 대한 펑처링 범위를 지정하는 것이다.

본 발명의 제4특징은, 상기 제1-3특징에서와 같이 펑처링 범위를 지정함에 있어서, 각 외부나 내부 부호어들을 펑처링할 때 펑처링 범위는 테일 비트를 제외한 데이터에 의해서 발생한 부호어로 한정하는 것이다. 즉, 각 부호어들 중에서 각 부호어들의 트렐리스 종료를 위해 사용되는 테일 비트에 의하여 발생한 부호어들은 펑처링에서 제외하는 것이다.

본 발명의 제5특징은, 제3특징에서와 펑처링 범위를 지정함에 있어서, 외부 부호어들을 펑처링할 때 펑처링 범위는 외부 부호의 트렐리스 종료를 위해 사용된 테일 비트를 제외한 데이터에 의해서 발생한 외부 부호어로 한정하고, 내부 부호어들을 펑처링할 때 펑처링 범위는 내부 부호를 모두 포함시키는 것이다. 즉, 외부 부호어들 중에서 외부 부호의 트렐리스 종료를 위해 사용된 테일 비트에 의하여 발생된 외부 부호어들은 펑처링에서 제외시키고, 내부 부호어들 중에서 내부 부호의 트렐리스 종료를 위해 사용된 테일 비트들에 의하여 발생된 부호어들은 펑처링에 포함시키는 것이다.

또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 통신 시스템의 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화 방법은, 사용된 컨벌루션 부호의 트렐리스를 한 데이터 블록 내에서 약정된 상태로 종료시키기 위한 테일비트를 입력 데이터에 추가하는 제1과정과; 상기 테일비트가 추가된 데이터를 대상으로 펑처링을 수행할 때 그 테일비트를 펑처링 대상에서 제외시키는 제2과정과; 상기 펑처링된 데이터를 인터리빙 처리하고 컨벌루션부호화 처리하는 제3과정으로 이루어진다.

도 1은 본 발명에 의한 통신 시스템의 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화 장치의 일실시 예시 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 사용된 컨벌루션 부호의 트렐리스를 한 데이터 블록 내에서 약정된 상태로 종료시키기 위한 테일비트가 포함된 입력 데이터(d)를 외부 부호로 컨벌루션 부호화 처리하는 외부 컨벌루션 엔코더(1)와; 상기 외부 컨벌루션 엔코더(1)의 출력신호를 펑처링함에 있어서, 외부 부호의 트렐레스 종료를 위해 사용된 테일 비트들에 의하여 발생한 외부 부호어들은 펑처링에서 제외시키는 펑처링 처리부(2)와; 상기 펑처링 처리부(2)의 출력신호를 무작위 순서로 인터리빙하는 인터리버(3)와; 상기 인터리버(3)의 출력신호를 내부 부호로 컨벌루션 부호화 처리하는 내부 컨벌루션 엔코더(4)와; 상기 내부 컨벌루션 엔코더(4)의 출력신호를 펑처링함에 있어서, 내부 부호의 트렐리스 종료를 위해 사용된 테일 비트에 의해 발생한 내부 부호어들을 포함시키거나 제외시켜 펑처링하는 펑처링 처리부(5)로 구성한 것으로, 이와 같이 구성한 본 발명의 작용을 첨부한 도 2 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에서, 입력 데이터(d)가 외부 컨벌루션 엔코더(1)에서 외부 부호로 컨벌루션 부호화 처리된 다음 펑처링 처리부(2)를 통해 인터리버(3)에서 인터리빙되고, 다시 내부 컨벌루션 엔코더(4)에서 내부 부호로 컨벌루션 부호화 처리된 후 펑처링 처리부(5)를 통해 출력된다.

이와 같은 부호화 처리과정에서 상기 펑처링 처리부(2)와 펑처링 처리부(5)는 선택적으로 동작한다. 즉, 두 개의 펑처링 처리부(2),(5) 중에서 어느 하나의 펑처링 처리부에서 펑처링이 수행되거나 양쪽 모두에서 펑처링이 수행된다.

일반적으로, 직렬 연쇄 컨벌루션 부호는 반복적인 복호 처리과정에 의해 복호화 되는데, 이때, 테일 비트에 의한 정보가 중요한 역할을 한다.

반복적으로 복호화를 수행하는 복호기가 아닌 일반적인 복호기를 사용할 경우에는 테일 비트에 의하여 발생된 부호어들에 대한 정보가 일회성으로 사용되므로 펑처링은 부호어 전체에 대하여 이루어져도 무방하다. 하지만, 반복적으로 부호화를 수행하는 복호기가 사용되는 경우에는 부호어들에 대한 정보가 반복적으로 사용되므로, 중요도가 큰 테일 비트에 의하여 발생된 부호어들에 대한 정보를 잘 보존할 필요가 있다.

도 1과 같은 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화기의 외부 컨벌루션 엔코더(1)나 내부 컨벌루션 엔코더(4)의 출력단에서 펑처링이 필요한 경우, 펑처링은 테일 비트를 제외한 데이터에 의하여 생성된 부호어들에 대해서만 수행된다.

상기 외부 컨벌루션 엔코더(1)나 내부 컨벌루션 엔코더(4)의 출력단에서 펑처링이 필요한 경우, 외부 부호어들 중에서 외부 부호의 트렐리스 종료를 위해 사용한 테일 비트에 의하여 생성되어진 부호어들은 펑처링에서 제외시키고, 내부 부호어들 중에서 내부 부호의 트렐리스 종료를 위해 사용한 테일 비트에 의하여 생성되어진 부호어들은 펑처링에 포함시킨다.

도 2는 상기 도 1에서와 달리 외부 부호를 위한 펑처링만 수행하고 내부 부호에 대한 펑처링은 수행하지 않는 제2의 구현예를 나타낸 것으로, 여기서, 외부 부호와 내부 부호는 부호율이 모두 1/2이고 구속장이 3인 RSC(RSC: Recursive Systematic Convolutional) 코드이다. 이때, 외부 부호는 1/4의 비율 즉, 4bit 당한 비트 비율로 펑처링하여 부호율이 2/3로 변환되고, 그 결과 전체 부호율은 1/3이 된다.

예를 들어 외부 컨벌루션 엔코더(11)의 입력 데이터의 한 프레임이 {d₁,d₂,d₃,…,d_k-1,d_k} 라고 하면, 트렐리스 종료를 위하여 2bit의 테일 비트가 첨가된다. 즉, 한 프레임이 {d₁,d₂,d₃,…,d_k-1,d_k,T₁,T₂}가 된다. 그 결과 외부 컨벌루션 엔코더(11)의 출력 데이터 비트 수는 (k+2)*2가 되고, 이 중에서 끝 부분의 4bit가 테일 비트에 의하여 발생된 부호어들이다.

그런데, 상기 끝 부분의 4bit는 펑처링 처리부(12)의 펑처링 과정에서 제외되므로 이 펑처링 처리부(12)의 출력은 2k*3/4+4=k*3/2+4 가 되고, 이 비트들은 인터리버(13)에 의하여 인터리빙된다. 그리고, 내부 부호의 트렐리스 종료를 위해 2bit의 테일 비트가 첨가된 후 다시 내부 컨벌루션 엔코더(14)에 의하여 부호화 처리된다. 그 결과, 상기 내부 컨벌루션 엔코더(14)의 출력 비트 수는 (k*3/2+4+2)*2 =3k+12가 된다. 즉, 총 12bit의 테일 비트들이 발생된다.

참고로, 기존의 방식에 의하여, 상기 외부 컨벌루션 엔코더(11)의 출력 데이터 중에서 테일 비트에 의한 끝 부분의 4bit가 상기 펑처링 처리부(13)에 의해 펑처링되는 경우에는 이 펑처링 처리부(13)의 출력은 (2k+4)*3/4=k*3/2+3 bit가 된다. 그리고, 내부 부호의 트렐리스 종료를 위해 2 비트의 테일 비트가 첨가된 후 내부 컨벌루션 엔코더(14)에 의하여 부호화가 수행되면, 이 엔코더(14)의 출력 비트수는 (k*3/2+3+2)*2=3k+10 bit가 된다. 즉, 총 10비트의 테일 비트들이 발생된다.

결국, 본 발명에 의한 부호화 방식은 기존의 부호화 방식과 비교하여 하드웨어 복잡도에서 거의 동일하게 됨을 알 수 있다.

도 3은, 상기 도 2에서 테일 비트를 제외한 순수한 입력 데이터(d)의 한 프레임 당 비트 수가 320 bit이고, 부가백색 가우시안 잡음채널(AWGN) 하에서 데이터가 전송되며, 펑처링 처리부(12)의 펑처링 패턴이 '11-10-11-10-11-…'인 경우 즉, 멀티플렉서(MUX)의 양측 입력단에 공급되는 데이터가 교번되게 순차적으로 선택되어 그의 출력 데이터가 '11-10-11-10-11-…'인 경우에 대한 실험 결과를 나타낸 것이다. 10번의 반복적인 복호 과정이 수행되었으며, 사용된 인터리버(13)는 랜덤 인터리버이고 이의 처리용량은 483 bit이다.

상기 펑처링 처리부(12)의 펑처링 패턴에서 '1'로 표기된 비트는 펑처링되지 않는 비트임을 의미하고 '0'으로 표기된 비트는 펑처링되는 비트임을 의미한다. 따라서, 이와 같은 경우 연속해서 3bit를 그대로 통과시킨 후 그 다음의 1bit를 펑처링하는 방식으로 펑처링을 수행하게 된다. 즉, 4bit 당 1bit를 펑처링하게 된다.

한편, 도 5a-5k는 상기 도 2에서 입력 데이터(d)의 한 프레임 당 비트 수가 320bit이고 AWGN 채널하에서 데이터가 전송되며, 펑처링 처리부(12)의 패턴이 '11-01-11-01-11-…'인 경우에 대한 실험 결과와 기존의 방식(즉, 외부 부호어 중에서 테일 비트에 의한 부호어도 펑처리 처리부(12)에 의해 펑처링 되는데, 이때 인터리버(13)의 처리 용량은 483bit가 됨)에 의한 실험 결과를 나타낸 표이다.

또한, 도 6a-6k는 상기 도 2에서 입력 데이터(d)의 한 프레임 당 비트 수가 320bit이고 AWGN 채널하에서 데이터가 전송되며, 펑처링 처리부(12)의 패턴이'11-10-11-10-11-…'인 경우에 대한 실험 결과와 기존의 방식(즉, 외부 부호어 중에서 테일 비트에 의한 부호어도 펑처리 처리부(12)에 의해 펑처링 되는데, 이때 인터리버(13)의 처리 용량은 483bit가 됨)에 의한 실험 결과를 나타낸 표이다.

본 발명의 제2실시 예로써, 도 2와 같은 부호화기에서 내부 부호를 위한 펑처링이 더 추가될 경우, 내부 컨벌루션 엔코더(14)의 출력 중 내부 부호를 위한 테일 비트에 의해서 발생한 부호어 역시 펑처링에 포함시키지 않는다.

본 발명의 제3실시 예로써, 상기 제2실시예에서 내부 컨벌루션 엔코더(14)의 출력 중 내부 부호를 위한 테일 비트에 의해서 발생한 내부 부호어를 펑처링에 포함시킬 수 있다. 이와 같은 경우, 내부 컨벌루션 엔코더(14)의 테일 비트에 의한 정보는 외부 부호를 위한 복호 과정에 정보를 반복적으로 제공하지 않기 때문에 상기의 제2실시예에 비하여 성능이나 복호 안정성의 측면에서 큰 차이가 나타나지 않는다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은, 유무선의 통신 시스템에서 직렬 연쇄 컨벌루션 부호의 내/외부 부호를 펑처링하여 사용하는 경우 사용된 컨벌루션 부호의 트렐리스를 한 데이터 블록 내에서 약정된 상태로 종료시키기 위한 테일비트를 제외한 데이터에 의해 발생된 부호어로 한정함으로써 부호화 성능을 저하시키지 않고 복호의 안정성을 보장할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 사용된 컨벌루션 부호의 트렐리스를 한 데이터 블록 내에서 약정된 상태로 종료시키기 위한 테일비트를 입력 데이터에 추가하는 제1과정과; 상기 테일비트가 추가된 데이터를 대상으로 외부 부호화기 및 내부 부호화기를 이용하여 직렬 연쇄 컨벌루션 방식으로 부호화 할 때, 외부 및 내부 부호어들에 대한 펑처링 범위를 지정하여 펑처링하는 제2과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 통신 시스템의 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화 방법.
2. 제1항에 있어서, 제2과정에서의 펑처링 범위는 테일비트를 제외한 데이터에 의해 발생한 부호어로 한정되는 것임을 특징으로 하는 통신 시스템의 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화 방법.
3. 제1항에 있어서, 제2과정에서의 펑처링 범위는 외부 부호어들 중에서 외부 부호의 트렐리스 종료를 위해 사용된 테일 비트에 의하여 발생한 외부 부호어들은 제외되고, 내부 부호어들 중에서 내부 부호의 트렐리스 종료를 위해 사용된 테일 비트에 의해 발생한 부호어들은 포함되는 것임을 특징으로 하는 통신 시스템의 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화 방법.
4. 입력 데이터를 외부 부호로 컨벌루션 부호화 처리하는 외부 컨벌루션 엔코더(1) 및내부 부호로 컨벌루션 부호화 처리하는 내부 컨벌루션 엔코더(4)와; 직렬 연쇄 방식으로 접속된 상기 엔코더(1),(4)의 출력단에 각기 접속되어 펑처링을 수행함에 있어서, 각 부호어들 중에서 테일 비트에 의하여 발생한 부호어들은 제외되도록 펑처링 범위를 지정하여 펑처링하는 펑처링 처리부(2) 및 펑처링 처리부(5)를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 통신 시스템의 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 내부 컨벌루션 엔코더(4)는 내부 부호어들 중에서 내부 부호의 트렐리스 종료를 위해 사용된 테일 비트에 의해 발생한 부호어들을 포함시켜 펑처링하도록 구성한 것을 특징으로 하는 통신 시스템의 직렬 연쇄 컨벌루션 부호화 장치.