Пристрій оптимізації процесу турбодекодування при низьких значеннях відношення сигнал-шум в каналі

УКРАЇНА (19) UA (11) 33338 (13) U (51) МПК H03M 13/37 (2008.01) МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС видається під відповідальність власника патенту ДО ПАТЕНТУ НА КОРИСНУ МОДЕЛЬ (54) ПРИСТРІЙ ОПТИМІЗАЦІЇ ПРОЦЕСУ ТУРБОДЕКОДУВАННЯ ПРИ НИЗЬКИХ ЗНАЧЕННЯХ ВІДНОШЕННЯ СИГНАЛ-ШУМ В КАНАЛІ 2 коректно декодованих пакетів здійснюється при відсутності розбіжностей в знаках жорстких рішень, що були отримані на першій та другій напівітераціях, який відрізняється тим, що як вхідна інформація використовується апріорна та апостеріорна інформація з другої напівітерації, що застосовується при декодуванні інформаційних бітів, сталість знаків якої при порівнянні з граничним значенням дозволяє робити висновок про неможливість коректного декодування кодової послідовності ТК за встановлену кількість ітерацій, що дає змогу пристрою виконувати оптимізацію процесу декодування не тільки за рахунок задовільно декодованих послідовностей, але й за рахунок тих, подальше декодування яких є безперспективним; граничне значення для l-ї ітерації обчислюється як 1-й член спадної геометричної прогресії у*(l)=N·ql, де N - кількість інформаційних бітів в кодовій послідовності ТК, q - параметр, що визначає швидкість спадання та залежить від структури турбокоду, що застосовується. Корисна модель належить до пристроїв, що відповідають за зупинку процесу ітеративного декодування турбокодів (ТК), і може застосовуватися для оптимізації процесу декодування при малих значення відношення сигнал/шум (ВСШ) з метою підвищення ККД при використанні декодера. Відомо декілька підходів для вирішення аналогічної задачі по зупинці процесу декодування ТК. Перший з них полягає в застосуванні послідовного каскадного кодування [1]. В цьому випадку інформаційна послідовність ТК також представляє собою завадостійкий код (як правило, блоковий). Внутрішній код використовується для реєстрації помилок, а не для корекції після того, як буде завершено процедуру декодування зовнішнього ТК. Недоліком подібного підходу є різке зменшення швидкості кодування (буде залежати від швидкості додаткового коду) та, як наслідок, зменшення швидкості передачі інформації. Другий підхід полягає в виконанні аналізу вихідної інформації, що генерується компонентними декодерами ТК [2-3]. Спосіб аналізу залежатиме від конкретного методу. В цьому випадку каскадне кодування не застосовується. Аналіз, як і в попередньому випадку, відбувається по завершенню кожної ітерації і дозволяє на підставі розгляду непрямої інформації роботи висновки про якість декодування ТК. Другий підхід позбавлений недоліку падіння швидкості кодування. Обидва з наведених вище прикладів передбачають, що по завершенні кожної ітерації приймається рішення, щодо продовження або припинення процесу декодування. Разом з тим відомий підхід [4] який передбачає, що після виконання аналізу канальної послідовності до початку ітеративного декодування обчислюється кількість ітерацій, протягом яких доцільно виконувати обробку пакета. В якості аналогу також може розглядатися пристрій [5], що забезпечує вибіркову корекцію певних ділянок переданої інформаційної послідовності. Декодер подібного вигляду не орієнтований на зменшення кількості ітерацій декодування, але переслідує аналогічну ціль - зменшити кількість зайвих обчислень. (19) UA (11) 33338 (13) (21) a200802237 (22) 21.02.2008 (46) 25.06.2008, Бюл.№ 12, 2008 р. (72) АРТЮХ ОЛЕКСІЙ ІВАНОВИЧ, UA, ЛІВЕНЦЕВ СЕРГІЙ ПЕТРОВИЧ, UA, ЗАЙЦЕВ СЕРГІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, UA, КУВШИНОВ ОЛЕКСІЙ ВІКТОРОВИЧ, UA, ГОРЛИНСЬКИЙ БОРИС ВІКТОРОВИЧ, UA (73) АРТЮХ ОЛЕКСІЙ ІВАНОВИЧ, UA, ЛІВЕНЦЕВ СЕРГІЙ ПЕТРОВИЧ, UA, ЗАЙЦЕВ СЕРГІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, UA, КУВШИНОВ ОЛЕКСІЙ ВІКТОРОВИЧ, UA, ГОРЛИНСЬКИЙ БОРИС ВІКТОРОВИЧ, UA (57) Пристрій оптимізації процесу турбодекодування при низьких значеннях відношення сигналшум в каналі, що використовує сукупність вихідних даних компонентних декодерів турбокоду, які можуть бути зчитані по закінченні кожної ітерації декодування для прийняття рішення про доцільність продовження процесу декодування; завершення процесу декодування кодової послідовності для U 1 3 Спільним недоліком всіх розглянутих вище аналогів є ігнорування того факту, що на практиці ТК знаходять своє застосування лише при малих значеннях ВСШ в каналі. Логіка роботи аналогів базується на тому, що вони орієнтовані на пошук в загальній множині такої підмножини пакетів, в яких виправлені всі помилки, що з'явилися під час передачі інформації в каналі. Однак, при малих ВСШ в каналі на боці прийому буде з'являється значна кількість пакетів, структура та кількість помилок в яких унеможливлює їх коректне декодування за граничну кількість ітерацій - максимальне число ітерацій декодування, протягом яких може відбуватися декодування пакета ТК. В подальшому подібні пакети будуть позначатися як НДП - пакет, що не може бути декодованим. Відомий пристрій-прототип [3], який після завершенні кожної ітерації виконує порівняння жорстких рішень (hard decision) щодо значень інформаційних біт, що були отримані на першій та другій напівітераціях. При отриманні ідентичних впорядкованих множин приймається рішення про зупинку декодування, а отримана інформаційна послідовність класифікується як задовільна. З конструктивної точки зору пристрій-прототип являє собою два буфери пам'яті, що оновлюються після виконання декодером кожної ітерації та набір логіки, що виконує компарацію вмісту цих буферів та генерує керуючі сигнали. За технічною суттєвістю та результатом, що досягається, пристрій є найбільш близьким до того, що заявляється. Недоліком пристрою-прототипу є той факт, що рішення про неможливість декодування пакету приймається лише в тому випадку, коли по виконанні граничної кількості ітерацій послідовність ТК не буде класифікована як задовільна. Подібний підхід є нераціональним з точки зору швидкодії в тому випадку, коли при малих значеннях ВСШ в каналі НДП починають становити суттєву частину трафіку, що передається. В основу корисної моделі покладено завдання створити пристрій, конструкція якого дасть можливість здійснювати оптимізацію обробки пакетів ТК не тільки за рахунок дострокової зупинки декодування тих пакетів ТК, в яких були виправлені всі помилки, але й за рахунок дострокового припинення обробки безперспективних НДП. Поставлене завдання вирішується шляхом доповнення канального турбодекодера додатковим оптимізуючим пристроєм, завданням якого є генерація сигналу дострокової зупинки процесу декодування, та виконання класифікації декодованої канальної послідовності як задовільної або такої, що містить помилки. Відмінними ознаками пристрою, що заявляється є: - запропонований пристрій в якості вхідних даних використовує інформацію про жорсткі рішення щодо значень інформаційних біт з першої та другої напівітерації та додатково застосовується апріорна та апостеріорна інформація, що використовується при декодуванні кожного інформаційного біта, з другої напівітерацій; 33338 4 - наявність логіки, що виконує класифікацію поточного пакету, як безперспективного, з точки зору подальшого декодування; - окрім сигналу зупинки SIG_STOP, що припиняє процедуру обробки поточного пакету, пристрій додатково генерує сигнал SIG_SAT, що застосовується для визначення якості отриманої інформаційної послідовності. Виходячи з описаного рівня техніки випливає, що вказані відміни пристрою, що заявляється, є новими. На Фіг.1 подано структурну схему декодера ТК, що працює разом з оптимізуючим пристроєм (OD). Надалі вважається, що приймачем вже виконаний прийом пакету, що передавався, у вигляді множини канальних відліків, і ця множина була розділена на підмножини систематичних відліків ХС, та перевірочних відліків, отриманих від першого ХР,1 та другого ХР,2 компонентних кодерів. Декодер ТК представляє собою послідовне з'єднання двох компонентних декодерів (D1 та D2) розділених пристроєм перемежіння INT1 та деперемежіння INT1. В якості вхідної інформації для декодера виступають канальні відліки інформаційних та перевірочних біт. На перший декодер систематичні канальні відлики подаються безпосередньо, на другий - в переставленому вигляді, що досягається за допомогою блока перемежіння INT2. Апріорна та апостеріорна інформація, що використовується та продукується при декодуванні кожного з N інформаційних біт в пакеті, буферизується в пристроях перемежіння/деперемежіння. Завдяки цьому оптимізуючий пристрій, що заявляється, позбавляється необхідності включати до свого складу додаткові буфери пам'яті. Пошук безперспективних з точки зору декодування пакетів, що є основною суттєвою ознакою пристрою, що заявляється, відбувається виходячи з наступних міркувань. Відомо, що зміна знаку при переході при переході La→Le можна вважати передумовою для зміни рішення щодо значення відповідного інформаційного біта L [6]. Таким чином, відсутність коливань знаків впродовж всього блоку що містить N інформаційних біт. У випадку задовільного декодування пакету, що містить N інформаційних біт, кількість змін знаку при переході La→Le (позначимо як у) впродовж циклу декодування буде спадати в геометричній прогресії. Загальна кількість коливань знаку при декодуванні пакету другим компонентнім декодером може бути обчислена як сума N доданків ì0, при L a,2,i × L e,2,i ³ 0 N y = å mi , де m i = í i =1 î 1, при L a,2,i × L e,2,i у*(l) для довільної ітерації пакет класифікується як НДП і його подальша обробка припиняється. Параметр q для спадаючих геометричних прогресій знаходиться в інтервалі (0; 1). Оптимальне значення може бути отримано методом ітеративного пошуку. Воно не буде залежати від ВСШ в каналі, а буде визначатися структурою застосованого кодека ТК. Зважаючи на це, при конструюванні пристрою оптимізації, що працює з жорсткого заданим ТК, доцільно зберігати у спеціальному буфері невелику кількість наперед обчислених граничних значень у*(l) (порядку 8-16 значень), ніж вводити до складу пристрою елементи для їх динамічного обчислення. При наявності пристрою оптимізації, що заявляється, декодер працює наступним чином. 1. Перший компонентний декодер D1 виконує цикл декодування, використовуючи апріорну інформацію La,1 та записуючи до наступного перемежувала апостеріорну інформацію Le,1. Для першого декодера першої ітерації апріорна інформація буде представляти собою множину нульових значень. 2. Впродовж роботи першого компонентного декодера знаки L1 (N значень) буферизуються пристроєм оптимізації. 3. Пристрій перемежіння INT1 виконує перестановку N чисел, що були буферизовані. 4. Другий компонентний декодер U1 виконує цикл декодування, аналогічно D2. В процесі декодування окрім запису апостеріорної інформації Le,2 до пристрою деперемежіння INT1 виконується також буферизація жорстких рішень щодо значень інформаційних біт в буфері Н. 5. Пристрій оптимізації OD, використовуючи та Le,2 виконує розрахунок величини у, та в залежності від порядкового номеру ітерації порівнює її з відповідним граничним значенням. У випадку перевищення граничного значення процес декодування пакету припиняється, та за допомогою сигналу SIG_SAT повідомляється, що декодування пакету завершилось незадовільно. 6. В протилежному випадку пристрої деперемежіння INT1 та Н виконують обернену перестановку N чисел, що були буферизовані. 7. Пристрій оптимізації, використовуючи раніш буферизовані знаки L1 порівнює їх зі знаками чисел в буфері Н. В разі повного співпадіння робіться висновок про коректне завершення процесу декодування, що припиняється, та за допомогою сигналу SIG_SAT повідомляється, що декодування послідовності ТК завершилось задовільно. 8. В протилежному випадку лічильник ітерацій збільшується на одиницю. 9. При перевищенні лічильником граничної кількості ітерацій процес декодування пакету припиняється та за допомогою сигналу SIG_SAT по 33338 6 відомляється, що декодування послідовності ТК завершилось незадовільно. 10. В протилежному випадку за блок CNT ініціює нову ітерацію обробки послідовності ТК, що рівноцінно переходу до кроку 1. Аналогічна послідовність дій представлена на Фіг.2 у вигляді блок-схеми. При паралельному використанні аналізаторів, що реєструють як задовільні, так і НДП, більш пріоритетним вважається класифікація пакета як НДП. Подібний підхід при розв'язанні задачі класифікації дозволяє не допустити збільшення ймовірності пакетної помилки. Пошук коректно декодованих пакетів аналогічний тому, що застосовується в пристрої-прототипі. Методика розрахунку скоротних характеристик системи передачі інформації з ТК при застосуванні пристроїв, що достроково зупиняють процедуру декодування, описана в [6]. Так при ВСШ, що становило 0дБ, при застосуванні пристрою-аналогу на отримання одного задовільного пакету декодер в середньому витрачав 201±11 ітерації. При використанні пристрою, що заявляється - 132±8 ітерації (на 34,33% менше). При 0,5дБ затрати на декодування становитимуть відповідно 24,7±0,5 та 17,8±0,3 ітерації (на 27,94% менше). При 1дБ 6,93±0,06 та 6,31±0,07 ітерацій (на 8,95% менше). При розрахунку точності достовірність становила 90%. Важливою особливістю при застосуванні пристрою оптимізації є той факт, що його застосування не призводить до підвищення ймовірності пакетної помилки. Список використаної літератури 1. Патент WO2007052991A1 "Apparatus and method for stopping iterative decoding in a mobile communication system" //May 10, 2007. 2. Патент US2006048035A1 "Method and apparatus for detecting a packet error in a wireless communications system with minimum overhead using embedded error detection capability of turbo code" //Mar. 2, 2006. 3. Патент WO2007001305A1 "Stopping criteria in iterative decoders" //Jan. 4, 2007. 4. Патент WO0230004A2 "Method and apparatus for reducing power consumption of a decoder in a communication system" //April 11, 2002. 5. Патент WO2005064800A1 "SISO decoder with sub-block processing and sub-block based stopping criterion" //July 14, 2005. 6. Мохор В.В., Ливенцев СП., Артюх А.И. Синтез методов оптимизации процесса обработки пакетов в системах передачи данных с турбокодированием //Функціонування ринку послуг галузі зв'язку та сфери інформатизації. Збірник наукових праць. К., 2007. - №1. - С.3-16. 7. Зайцев СВ., Ливенцев СП., Горлинский Б.В., Артюх А.И. Свидетельство о регистрации авторского права на произведение №17007 от 20.06.2006. Компьютерная программа "Имитационная модель системы радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты и помехоустойчивым турбокодированием, функционирующая в условиях радиоэлектронного противодействия". 7 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 33338 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601