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KR19990082874A - 다중 레벨 변조된 신호의 반복적 디코딩 방법 및 장치 - Google Patents

다중 레벨 변조된 신호의 반복적 디코딩 방법 및 장치 Download PDF

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KR19990082874A
KR19990082874A KR1019990011557A KR19990011557A KR19990082874A KR 19990082874 A KR19990082874 A KR 19990082874A KR 1019990011557 A KR1019990011557 A KR 1019990011557A KR 19990011557 A KR19990011557 A KR 19990011557A KR 19990082874 A KR19990082874 A KR 19990082874A
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soft
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브린크스테판텐
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루센트 테크놀러지스 인크
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Publication date
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Abstract

본 발명은, 채널 디코더의 소프트 출력 정보가 피드백되어, 추가 반복 디코딩 단계에 의한 디코딩 결과를 개선시키기 위해 전용 소프트 디매핑 소자에 의해 이용되는, 다중 레벨 변조된 신호를 반복적으로 디코딩하는 방법 및 장치를 포함한다. 수신기는, 디매핑된 신호를 발생시키는 디매퍼, 디매핑되고 디인터리브된 신호를 발생시키는 비트 디인터리버 및, 디코딩된 신호를 나타내는 소프트 신뢰도 값을 발생시키는 디코더를 포함한다. 이들 소프트 신뢰도 값은 비트 인터리브되고, 디코딩 처리의 추가 반복을 위해 연역적(a priori) 지식으로서 디매퍼에 피드백된다.

Description

다중 레벨 변조된 신호의 반복적 디코딩 방법 및 장치{Iterative demapping}
본 발명은 디지털 무선 통신 시스템의 수신기, 예컨대 기지국에서의 신호의 반복적 디코딩에 관한 것이다.
반복적 디코딩 알고리즘은 디지털 통신 분야에서 중요한 연구 분야가 되었다. 반복적 디코딩에 적합한 것으로 최초로 발견되어 여전히 가장 대중적인 인코딩 기구는, '터보 코드(Turbo Codes)'로도 언급되는, 두 개의 순환적인 계통적 콘벌루셔널 코드(recursive systematic convolutional codes)의 병렬 결합이다. 기본적인 '터보 원리'는 현대 디지털 통신에 사용되는 다른 알고리즘에 보다 일반적으로 적용될 수 있으며, 과거 몇 년 동안 '터보 원리'의 다른 응용들이 발견되어 왔다.
송신된 디지털 정보 신호가 잡음에 대해 보다 강력해 지도록 하기 위해 채널 코딩이 사용된다. 이를 위해, 정보 비트 시퀀스는 송신기에서 채널 인코더에 의해 인코딩되고, 수신기에서 채널 디코더에 의해 디코딩된다. 인코더에서는, 디코더에서의 에러 정정을 용이하게 하기 위해 정보 비트 시퀀스에 여유 정보가 추가된다. 예컨대, 계통적 채널 인코딩 기구에서, 여유 정보는 부가 삽입된 '코딩된' 비트로서 정보 비트 시퀀스에 추가된다. 비계통적 인코딩 기구에서, 출력 비트는 모두 코딩된 비트이며, '생(naked)' 정보 비트는 더 이상 존재하지 않는다. 인코더에 입력되는 비트(정보 비트)는 출력 비트(정보 비트 + 삽입 코딩된 비트, 또는 모두 코딩된 비트)보다 더 적다. 입력 비트와 출력 비트의 비는 '코드율 R'(통상 R=1:2)로 불린다.
'터보 원리'를 사용하는 최근의 개선은, 수신기를 갖는 다수의 무선 통신 사용자를 수반하는 디지털 통신 시스템에서, 수신된 데이터에 반복적 디코딩 단계를 적용함으로써 디코딩된 신호의 품질 개선이 달성될 수 있다는 것을 보여준다. 특히, Baunch, Khorram, Hagenauer에 의한 "이동 통신 시스템에서의 반복적 등화 및 디코딩(Iterative Equalization and Decoding in Mobile Communication Systems)"에서는, 이동 무선 채널로 송신된 코딩된 데이터의 반복적 디코딩에 대한 터보 원리의 적용을 설명하고 있다.
반복적 디코딩에 적합하도록, 송신된 신호는, 직렬 또는 병렬로 결합된, 적어도 두 개의 결합된 코드에 의해 인코딩되어야 한다.
도 1은 직렬 결합된 코딩 기구 즉, 송신이 블록 단위로 이루어지는 것을 도시한다. 디지털 소스로부터의 이진 신호는 먼저 외부 인코더에 의해 인코딩된 후 인터리버를 통해 전달되는데, 이 인터리버는, 다음 처리 단계에서 신호가 보다 무작위로 나타나도록 입력 비트 신호의 순서를 변경한다. 인터리버 다음에, 신호는 '내부' 인코더에 의해 두 번 인코딩된다. 따라서, 수신기에서 신호는, 먼저 제 1 디코딩 단계에서 외부 디코더에 의해 디코딩되고, 인터리브된 후, 제 2 디코딩 단계에서 외부 디코더에 의해 디코딩된다. 외부 디코더로부터는 소프트 결정 값이 부가적인 '연역적(a priori)' 입력으로서 내부 디코더에 피드백된다. 소프트 결정 값은 하드 결정 값의 신뢰도에 대한 정보를 제공한다. 제 1 반복에서는, 디코딩 단계가 반복되고, 소프트 결정 값이 제 1 및 제 2 디코더에 대한 입력값으로 사용된다.
송신된 특정 시퀀스의 반복적 디코딩은 예컨대 일정수의 반복 이후에 임의의 종료 기준에 의해 중단되거나, 특정 비트 에러율에 도달된 이후에 중단된다. 내부 디코더에 대한 '연역적' 소프트 값 입력은 송신된 비트 시퀀스의 제 1 디코딩동안 0으로 설정된다('0번 반복').
내부 및 외부 이진 코드는 임의 형태 즉, 계통적 또는 비계통적인, 블록 또는 컨벌루셔널 코드가 될 수 있다. 도 1에서는 단순화를 위해 도시하지 않았지만, 송신기에서는 (내부 인코더 이후에) 간단한 매핑(예컨대, 반대(antipodal) 또는 이진 위상 시프트 키잉)이 수행되고, 수신기에서는 (내부 디코더 이후에) 간단한 디매핑이 수행된다. 마찬가지로, 적절한 다중화 응용은 적합한 다중 사용자 시스템을 제공하지만, 도 1은 단일 사용자의 경우를 도시한다.
수신기에서, 두 개의 디코더는 소프트 인/소프트 아웃 디코더(SISO-decoder)이다. 소프트 값은 각 비트 심벌(0 또는 1이 이송됨)의 비트 결정에 대한 신뢰도를 나타낸다. 소프트 인 디코더(soft-in decoder)는 입력 비트 심벌에 대한 소프트 신뢰도 값을 수용한다. 소프트 아웃 디코더(soft-out decoder)는 출력 비트 심벌에 대한 신뢰도 출력 값을 제공한다. 소프트 아웃 신뢰도 값은, 송신기에서의 각 인코딩 단계에서 추가된 여유 정보에 기초하여 디코딩 처리동안 증가되므로, 소프트 인 신뢰도 값보다 통상 더 정확하다. 가장 우수한 성능은, 각각의 채널 코드에 맞춰진 귀납적 확률 계산기(A Posteriori Probability calculator: APP)를 제공하는 SISO 디코더에 의해 달성된다. SOVA(soft output Viterbi algorithm)와 같이, 더 빠르지만 최적성이 다소 떨어지는 수 개의 알고리즘이 존재한다.
이동 통신 시스템의 특정 응용에서, 채널 인코더 및 심벌간 인터페이스(ISI) 채널은, 외부 인코더로서 기능하는 채널 인코더 및 내부, 레이트 1, 시간 변동 컨벌루셔널 인코더로서 기능하는 ISI-채널을 갖는 직렬 결합된 인코딩 기구로 간주될 수도 있다. 따라서, 반복적 디코딩은 내부 디코딩 단계를 수행하는 등화기 및 외부 디코딩 단계를 제공하는 디코더를 갖는 유럽 무선 디지털 셀룰라 표준 "GSM"에 대한 응용에 특히 적합하다. 불량 통신 채널 상태(낮은 SNR, 페이딩, 다중경로 전파 등등)가 존재할 경우, BER 플로어에 도달될 때까지 각각의 반복적 디코딩 단계에 의해 비트 에러율(Bit Error Rate: BER)의 개선이 달성될 수 있다. 기지국에 의해 수신된 신호는 수신된 코딩된 비트의 소프트 결정값을 제공하도록 등화된다.
디코딩 단계를 수 회 반복하면, 수신된 신호의 BER이 개선될 수 있다. 그러나, 각각의 반복적 디코딩 단계는, 메모리, 계산 시간과 같은 자원을 소모하며, 전용 ASIC(Application Specific Integrated Circuits)를 구속한다. 실제 기지국에서, 병렬 디코딩될 수 있는 신호의 수는 이용 가능한 신호 처리 유닛(SPU)의 수에 의해 제한되며, 디지털 신호 처리기(DSPs)와 같은 반복적 디코딩 하드웨어를 제공하면, 각 SPU에 대한 소프트웨어는 기지국의 가격 및 복잡성을 상당히 증가시킨다.
다중 레벨 변조시에, N 비트(비트 심벌)는 송신기에서 함께 그룹화되어 하나의 '매핑된 심벌'(간단히 '심벌'로도 언급됨)을 형성한다. 이 심벌은 실수 또는 복소 신호 공간(즉, 실수축 또는 복소 평면)상에 매핑될 수 있다. 매핑 동작은 단순히 매핑되지 않은 심벌(N 비트, 0, ..., 2N-1)을, 펄스폭 변조(Pulse Amplitude Modulation: PAM)에 대한 이산 진폭 레벨, 위상 시프트 키잉(Phase Shift Keying: PSK)에 대한 이산 위상 레벨, 직교 진폭 변조(Quadrature Amplitude Modulation: QAM)에 대한 복소 평면의 임의의 이산 신호점, 또는 PAM, QAM, PSK의 임의의 조합과 관련시킨다. 통상, 그레이 코드 매핑이 사용되며, 그럴 경우, 인접 신호점은 정확히 1 바이트 디지트만큼 차이가 난다. 일반적으로 매핑은 임의의 형태가 될 수 있다.
수신기에서, 입력 심벌은 잡음에 영향받는다. 하드 결정 디매핑 동작은 입력 심벌을 신호 공간의 가장 가까운 신호점(실수 또는 복소 신호 공간에서 최소 기하학적 거리를 갖는 신호점)과 관련시키며, 예컨대 매핑 심벌당 N 비트에 대해 하드 결정값(0,1)으로서 각각의 그레이 인코딩된 코드워드를 취한다.
그러나, 다중 레벨 변조가 채널 코딩 및 소프트 채널 디코딩(즉, 소프드 입력 디코더)과 함께 사용될 경우, 양호하게는 디매핑 동작은 채널 디코더에 대한 입력으로서 소프트 신뢰도 값을 계산한다. 단순화를 위해, PAM, PSK 및 QAM을 언급할 때 '다중 레벨 변조'가 사용되는데, 이것은 PAM에 대해서는 '다중 진폭 레벨'을, PSK에 대해서는 '다중 위상 레벨'을, QAM에 대해서는 '다중 신호점'을 의미하는 것이다.
본 발명의 제 1 측면에 따르면, 신호를 디매핑하는 단계와; 디매핑된 신호를 디코딩하는 단계를 구비하는, 신호를 반복적으로 디코딩하는 방법으로서, 디매핑 단계 및 디코딩 단계가 반복되고, 반복된 디매핑 단계는 이전 디코딩 단계의 출력을 입력으로 사용하는 것을 특징으로 하는 신호의 반복적 디코딩 방법이 제공된다.
본 발명의 제 2 측면에 따르면, 신호를 수신하는 제 1 입력과 디매핑된 신호를 발생시키는 출력을 갖는 디매퍼와; 디매핑된 신호를 수신하는 입력과 디코딩된 신호를 발생시키는 출력을 갖는 디코더를 구비하는, 신호를 반복적으로 디코딩하는 장치로서, 디매퍼가 디코딩된 신호를 수신하는 제 2 입력을 갖는 것을 특징으로 하는 신호의 반복적 디코딩 장치가 제공된다.
이동 통신 시스템의 각 사용자는 다른 서비스 품질(Quality of Service: QoS) 필요 조건 즉, 다른 BER 및, 통신 서비스가 다르다는 것에 기인한 잠재적 구속을 가질 수도 있다. 예컨대, 음성 통신은, 가장 높은 잠재적 구속(즉, 양방향 대화에서 긴 지연을 견딜 수 없다)을 갖는 낮은 BER 필요조건(즉, 다수의 비트 에러에 견딜 수 있다)을 가지며, 시각적 통신은 더 높은 BER 필요조건 및 높은 잠재적 구속을 가지며; 데이터 통신(예컨대, 무선 인터넷 웹브라우징)은 가장 높은 BER 필요조건과 가장 낮은 잠재적 구속을 가진다. 각 사용자는, 기지국으로부터의 거리차, 전파 환경 및 이동국의 속도에 기인하여, 다른 신호 품질(즉, SNR), 다중 경로 전파 및 페이딩을 갖는 기지국과 통신한다.
매핑 동작 자체는 신호에 용장성(redundancy)을 부가하지 않지만('전통적인' 직렬 결합 인코딩 기구의 내부 인코더와 대조적임), 수개의 비트 심벌을 그룹화하여 하나의 매핑된 심벌을 형성함으로써 신호에 대한 메모리를 부가한다.
디매퍼는 디코더로부터 획득된 연역적 정보를 수용하기 위해 변형된 소프트 디매핑 소자이다. 디코더는 채널 디코더이며, 임의의 SISO 디코더(최적의 APP, 또는 SOVA와 같은 최적성이 떨어지는 다른 알고리즘)가 될 수 있다. 이와 같이, 반복적 디매핑 및 디코딩은 내부 디코더가 소프트 디매핑 소자로 대체되는 직렬 결합된 반복적 디코딩 기구로 간주될 수 있다. 반복적 디매핑 및 디코딩은 임의의 종료 기준(예컨대, 일정 회수의 반복이후, 또는 특정 비트 에러가 달성되었을 때)에 의해 중단된다.
이하 본 발명의 실시예를, 이동 셀룰라 통신 시스템을 예로 하면서 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 직렬 결합 코딩 기구를 사용하는 송신기 및 수신기를 도시하는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 송신기 및 수신기 시스템을 도시하는 도면.
도 3은 4 레벨 PAM 기구에 대한 신호 콘스텔레이션을 도시하는 도면.
도 4는 복소 신호 공간에서 직교 16점 QAM에 대한 신호 콘스텔레이션을 도시하는 도면.
도 5는 복소 신호 공간에서 8 레벨 PSK에 대한 신호 콘스텔레이션을 도시하는 도면.
도 6은 PAM, PSK, QAM으로도 언급되는 직교 QAM의 임의 조합에 대한 신호 콘스텔레이션을 도시하는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
z : 정합된 필터 출력
송신기에서, 이진 랜덤 신호는 컨벌루셔널 인코딩되어, 비트 심벌을 인터리브하는 인터리버에 공급된다. (임의의 채널 코드가 사용될 수 있으며, 비계통적 컨벌루셔널 코드는 예로서만 사용된다). 인터리버 다음에, N 비트는 함께 그룹화되고, 적용된 변조 기구(도 3 내지 6에 도시된 PAM, PSK, QAM, 여기서, 신호의 실수부에서는 I 채널이 성립하고, 허수부에서는 Q 채널이 성립한다)에 따른 복소 신호 콘스텔레이션(constellation) 상에 매핑된다. 양호한 코드워드 할당('매핑'으로도 언급됨)은 도 3 내지 6에 도시된 그레이 인코딩으로서, 여기서는 이웃하는 신호가 1 이진 디지트만큼만 다르다. 그레이 인코딩은 단순히 예로서 사용된 것이며, 안티 그레이 인코딩(Anti-Gray-encoding)과 같은 다른 매핑이 사용될 수도 있다.
채널에서, 심벌은 부가 잡음 또는 임의의 다른 잡음 형태에 의해 일그러진다.
수신기에서, 채널 심벌은, 심벌당 N 그레이 인코딩된 비트 각각에 대해 로그 공산비 계산(log-likelihood ratio calculation)에 의해 디매핑되고 그룹해제된다. 로그 공산비 값('소프트 값')은 디인터리브되고, 귀납적 확률 계산기(APP)에서 처리된다. (임의의 다른 SISO 디코더가 사용될 수도 있다). 디코딩 후에, 정보 비트에 대한 APP 소프트 출력값의 부호를 취함으로써, 송신된 정보 비트에 대한 추정값이 하드 결정 소자의 출력에서 입수될 수 있다.
반복적 디매핑/디코딩 경로에서, '외부 정보'는 비트 인터리버를 통과하여 소프트 디매핑 소자에 연역적 지식으로서 피드백된다. '외부' 정보는 디코더의 소프트 입력과 소프트 출력값 간의 차이이며, 디코딩 처리에 의해 획득된, 새로운 통계적으로 독립된 정보(적어도 제 1 반복동안)를 나타낸다.
수신기의 복소 채널 심벌(z)은 정합된 필터 출력으로 간주될 수 있다. SISO 디코더는 소프트 입력 처리를 가지므로, 디매핑 소자는 SISO 디코더에서의 추가 디코딩을 위해 각 비트(x0, ..., xN-1)마다 소프트 값을 추출한다. 심벌당 N 비트의 각각에 대한 이 소프트 값은 정합된 필터 출력(z)에 대해 조절된 각 비트의 로그 공산비(L 값)이다. L 값의 절대값은 비트 결정의 신뢰도를 나타낸다.
비트(xk)에 대한 L 값 계산의 전 항은, 비트(xk)에 대한 부가적인 '연역적' L 값 및, 나머지 비트(xj,j=0,...N-1,j=k)의 연역적 L 값이 포함되는 분수의 항으로 구성된다.
비트(x0, ..., xN-1)의 연역적 L 값은 SISO 디코더에 의해 소프트 디매핑 소자에 대한 입력으로서 제공된다.
시뮬레이션은, 비트(xk)에 대한 연역적 L 값이 비트(xk)에 대한 L 값의 전 항에서 제외되고, 나머지 비트(xj,j=0...N-1,j=k)의 연역적 L 값이 비트(xk)에 대한 L 값의 계산에서 고려될 경우, 반복적 소프트 디매핑 및 디코딩의 가장 양호한 성능이 달성됨을 보여준다. 이것은 도 2에서, 디매핑 소자 이후의 감산에 의해 표시된다. 즉, SISO 디코더로부터 제공된 연역적 값은 디매핑 소자에서 로그 공산비 계산의 출력으로부터 감산된다. 따라서, 디인터리버에 공급되는 정보는 디매핑 소자의 '외부 정보'로 간주될 수 있다(SISO 디코더로부터의 외부 정보와 대조적임).
L 값 계산은 심벌당 N 비트의 소프트 디매핑 및 그룹해제 모두를 의미한다(도 2가 제시하는 것처럼 두 개의 개별 동작이 아니다)는 것에 유의해야 한다.
반복적 소프트 디매핑 및 디코딩은, 평이한 채널 코딩을 사용하는 종래의 다중 레벨 변조의 비트 에러율을 감소시킨다. 간단한 채널 코딩 및 다중 레벨 변조를 갖는 다수의 현대 디지털 통신 시스템은, 연역적 정보를 수용하는 소프트 디매핑 소자 및, 채널 디코더로서 SISO 디코더를 포함하도록 수신기 회로를 변형시킴으로써 개선될 수 있다.
이것은 심벌당 N 비트를 갖는 다중 레벨 변조에 적용될 수 있는데, PAM, PSK, QAM에 대해서는 N>1이며, N=2를 갖는 PSK 및 QAM에 대해서는 안티 그레이 매핑(Anti-Gray-mapping)이 적용되어야 한다.
상기 인터리버는, 비트 레벨에서 심벌을 인터리브하는 비트 심벌 인터리버라는 것에 유의하는 것이 중요하다. 인코더와 매퍼 사이에 적어도 하나의 비트 심벌 인터리버가 존재할 경우, 인코더와 심벌 매퍼 사이의 직렬 결합에 비트 심벌과 'n 비트' 심벌 인터리버를 모두 적용하는 다른 시스템도 사용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 디매핑된 신호를 비트 디인터리브하는 단계와,
    디인터리브된 신호를 디코딩하는 단계를 구비하는, 다중 레벨 변조된 신호를 반복적으로 디코딩하는 방법에 있어서,
    상기 디인터리브 단계가 수행되기 전에 신호를 디매핑하는 단계와;
    상기 디매핑 단계, 상기 디인터리브 단계 및 상기 디코딩 단계를 반복하는 단계를 더 포함하고,
    반복된 디매핑 단계는 이전 디코딩 단계의 비트 인터리브된 출력을 입력으로서 사용하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 변조된 신호의 반복적 디코딩 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 디매핑, 디인터리브 및, 디코딩 단계는, 소정의 비트 에러율이 달성될 때까지 반복되는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 변조된 신호의 반복적 디코딩 방법.
  3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 상기 신호는 안티 그레이 인코딩되는(Anti-Gray encoded) 것을 특징으로 하는 다중 레벨 변조된 신호의 반복적 디코딩 방법.
  4. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디코딩 단계는 상기 디코딩된 신호를 나타내는 소프트 신뢰도값을 생성하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 변조된 신호의 반복적 디코딩 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 반복된 디매핑 단계는 상기 디코딩 단계에 의해 생성된 비트 인터리브된 소프트 신뢰도 값을 수용하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 변조된 신호의 반복적 디코딩 방법.
  6. 다중 레벨 변조된 신호를 수신하는 입력 및 디인터리브된 신호를 발생시키는 출력을 갖는 비트 디인터리버와;
    상기 디인터리브된 신호를 수신하는 입력 및 디코딩된 신호를 발생시키는 출력을 갖는 디코더;를 포함하는 다중 레벨 변조된 신호를 반복적으로 디코딩하는 장치에 있어서,
    상기 신호를 수신하는 제 1 입력과 디매핑된 신호를 발생시키는 출력을 갖는 디매퍼가 제공되고;
    상기 비트 디인터리버의 입력은 상기 디매핑된 신호를 수신하고, 상기 비트 디인터리버의 출력은 디인터리브되고 디매핑된 신호를 발생시키고;
    상기 디코딩된 신호를 수신하는 입력 및 비트 인터리브된 디코딩된 신호를 발생시키는 비트 인터리버가 제공되고;
    상기 디매퍼는 상기 비트 인터리브된 디코딩된 신호를 수신하는 제 2 입력을 갖는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 변조된 신호의 반복적 디코딩 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 디매퍼에 접속된 출력을 갖는, 다중화된 신호를 역다중화하는 역다중화기가 제공되는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 변조된 신호의 반복적 디코딩 장치.
  8. 제 6 항 또는 7 항에 있어서, 상기 디코더는 상기 디코딩된 신호를 나타내는 소프트 신뢰도 값을 생성하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 변조된 신호의 반복적 디코딩 장치.
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