Turbo译码器的低功耗超宽频通讯系统

文摘

一种新的方法来减少计算复杂度的turbo译码超宽频(UWB)正交频分复用(OFDM)系统。现有涡轮停止技术解码过程使用约束解码假设固定的信噪比(信噪比)的OFDM符号位,所以他们无法产生一个可接受的多载波系统的误比特率(BER)性能。在本文中,我们提出一个位停止涡轮技术解码过程基于约束的解码方法。在这种技术中,我们结合循环冗余校验(CRC)的自适应阈值的对数似然比(LLR)在每个副载波检测融合。阈值自适应的阈值的LLR一点是由OFDM符号的平均信噪比的信道增益副载波传输。结果表明,当信道状态信息(CSI)是用来确定阈值对LLR、停止技术可以减少计算复杂度约0.5 - -2.5等效迭代相比,精灵涡轮误码性能不退化。

1。介绍

快速数据传输的主要候选人超宽频(UWP),无线技术用于短程个人区域网络(锅)。高数据吞吐量和低功耗的距离不到十米的主要特点是超宽频正交频分复用(OFDM)系统,非常适用于数字家庭的需求。由于香农极限逼近性能,涡轮码预计超宽频系统中起着关键的作用。涡轮码可以增加数据速率不增加传播的力量,或者他们可以用来减少权力用来传输特定数据。然而,计算复杂度的增加,功耗,和延迟由于额外的计算是大前考虑超宽频系统的实现。

在实现涡轮码的主要挑战超宽频系统的复杂性考虑尽管高误比特率(BER)性能和节省传输功耗如上指出。Log-MAP的复杂性是大约四倍的维特比算法对于一个迭代,这意味着完成10全在代码涡轮迭代,计算复杂度会约40次卷积的计算复杂度译码器除了增加能耗和延迟由于额外计算。吸引力增强的性能和降低系统的传动功率与涡轮码使它重要研究超宽频系统的实现问题,以减少复杂性的合理水平,同时保持相同的性能。

方法减少turbo译码器出现的复杂性和被称为早期检测或停止技术(1- - - - - -8]。这些方法都是基于阻止turbo译码的迭代过程在某种程度上,而不是继续固定数量的迭代。标准是用来确定迭代过程时可以停止误码性能损失小。所有先前提议停止技术是基于单载波系统,在信噪比为所有帧比特是假定为常数。这些方法可能不是直接实现turbo译码器在多载波系统和超宽频OFDM一样,因为每一位(或一组比特)经历了不同的信噪比(信噪比)由于不同的衰落参数不同的副载波。合成不同的信噪比为每个副载波通道均衡后意味着不同的可靠性,这就需要不同的停止策略在每个副载波在涡轮解码。

在本文中,我们引入一个新的标准位停止对涡轮解码器超宽频系统为每个副载波分配不同的停止策略基于平均信噪比和副载波的瞬时信噪比。该技术使用受限的解码方法(1,5)通过夹紧部分满足对数似然比(LLR)阈值条件,并停止解码过程的循环冗余校验(CRC)检测时整个框架是正确解码。阈值自适应地确定使用信道状态信息(CSI)的超宽频通道值。的结果是比较理想的情况下停止技术,叫做精灵。假设在精灵停止技术,译码器知道所有的传输比特和停止解码过程当所有部分都正确解码,除非迭代次数达到最大允许迭代。因此,精灵是认为最好的误码性能和最少的迭代,可以通过任何框架停止准则对于一个给定的误码率性能。

本文的其余部分组织如下。准静态超宽频信道模型和一般假设为系统模型用于模拟给出了部分2。节3,我们简要回顾当前的停车技术和目前的仿真结果为现有包级别停止技术在超宽频通道。turbo译码器的提出停止技术提出了部分4。

2。模拟环境

超宽频通道分为多路准静态衰落信道,即信道脉冲响应仍然几乎不变的框架和传输信道估计给CSI几乎完美的估计。信道建模小组IEEE 802.15.3委员会提出的超宽频的信道模型系统(9)基于sv模型(10到达多路径组件),被认为是抵达的射线(路径)。射线有独立统一的阶段,和独立的瑞利振幅衰减指数的方差与集群和射线延迟。集群和集群内的光线形成泊松到达过程不同,但固定利率。建筑上层建筑形成的集群,而个人射线是由物体附近的发射机和接收机。根据(9),信道的脉冲响应多频带OFDM符号是由传播 在哪里和分别是多路径增益和反射系数的吗th射线的th集群,反射系数对“+ 1”或“等概率1。“集群的总数,每一个包含射线。和的过度延迟吗集群和多余的延迟th射线的分别th集群。的值,为每个OFDM符号传播假定为常数(准静态信道)。相应的信道频率响应的实现副载波由 在哪里是第一个副载波(最低频率)的OFDM符号,然后呢每个副载波的带宽。

CRC turbo-encoded序列首先是交叉和转换为调制符号然后后者OFDM调制。跳频应用于OFDM符号在传输之前通过超宽频通道。接收器,通道输出转换回频域通过快速傅里叶变换(FFT)后删除循环前缀。在频域,如果我们让二进制相移键控(BPSK)调制基带传输符号在一个OFDM符号,然后接收到的符号FFT后阶段 在哪里是加性高斯白噪声(AWGN)向量。在哪里定义在(2),是副载波的数量。

矩阵组件”频道收益”是用来平衡收到信号。合成软通道均衡后BPSK解调输出向量,在那里,发送之前deinterleaved turbo译码器。

本文模拟,该频道是假定为完全估计和没有载波间干扰(ICI)(即。,延迟扩展小于循环前缀)。仿真模型中使用的窄,涡轮编码器衬垫,并进行OFDM调制的信道衬垫,是随机窄。添加的CRC序列帧之后,1024位编码框架是涡轮增压的1/2递归系统卷积(RSC)编码器。对于每一个超宽频通道模型,CM1视线(LOS)(0 - 4米),CM2 nonline视线(仿真结果)(0 - 4米),立方厘米仿真结果(4到10米),CM4和极端的仿真结果,得到随机的信道冲激响应根据信道模型特征(11]。

3所示。审查当前的基于CRC的停止技术检测

指出从模拟涡轮码,一定数量的迭代之后,误码性能的改善为任何额外的迭代太小的解码过程可以停止最低性能退化。考虑这一点,许多研究人员寻求最好的方法来检测终点考虑三个主要目标:(1)保持性能下降(如果停止方法导致退化)在一定范围内从涡轮的性能与固定数量的迭代译码器;(2)减少迭代的数量,同时记住第一个目标;(3)以确保增加计算复杂性检测早期停止点不应超过计算复杂性降低停止迭代。

一般来说,停止技术可以分为三个不同的类根据夹紧部分:框架层面,包水平,水平。框架水准仪停止技术终止迭代过程对整个框架只有当终止的条件被满足。另一方面,包和位停止技术只使用受限解码夹紧部分满足标准条件和继续剩余部分解码过程。阻止技术的文献中有许多例子基于框架的水平,但一些方法使用,包级别终止妊娠。位停止技术是该方法的一个例子(2)实现了一种格子分割算法检测信息和码字的符号以及状态变量在解码。然而,由于切片(2)是基于LLR值,地板可能会导致一个非常大的错误。

通用包级别的早期检测方法在迭代解码流程介绍(1),这表明将完整的帧分成更小的包和添加一个小CRC序列每个数据包。使用CRC序列在接收机的内部代码来检测任何解码错误turbo-decoded包每次迭代的一半。如果一个特定的包没有错误,译码器停止解码“约束”位。位CRC检测发现阶段是正确的限制在下列格子解码阶段可能的路径的数量就减少了。

提出的方法在1)是一种有效的方法,当单载波系统的实现。它减少了计算复杂度降低平均路径在格子的数量正确终止流程开始夹解码数据包。然而,限制解码方法会导致误差传播如果夹位是不正确的。通过观察CRC的性能检测技术,指出这是有可能的错误决定CRC保护包是正确的而不是(CRC的misdetection解码器)。如果CRC misdetection发生时,一些将会错误地夹紧;因此,搜索路径的数量解码过程将是有限的,而且可能导致相邻位解码错误。

模拟显示,在多载波通道误差传播问题更严重比单载波通道。这可能是由于这样的事实:每一个(或一组比特)传播不同的渠道有不同的信噪比,并且由于较低的比特信噪比更有可能错误地夹比比特信噪比高、低比特信噪比性能的影响将主导位高信噪比的影响,尤其是对硬解码帧。因此,一个好的终止方法多载波系统(如超宽频OFDM)应该考虑到不同的信噪比不同的比特如果约束实现解码。

CRC的误差传播早期停止技术可以减轻通过设置最小数量的CRC检测到正确的数据包需要开始夹位。图1显示了误码性能涡轮解码的超宽频CM1通道CRC-stopping标准后立即开始寻找正确的数据包解码的第一阶段,开始夹紧时8,分别包被发现是正确的。

4所示。新的停车技术

在单载波系统中,信道的可靠性,可以通过测量通道的接收机输入,给出这是四倍信噪比在这个单一的载体,在哪里是编码速率。然而,在多载波系统,如MB-OFDM,每个副载波都有不同的衰落系数(信道频率响应),因此会有不同的从相邻的副载波信噪比的价值。因此,它更合理的得出每个副载波通道可靠性的副载波的信噪比。在我们的系统中,我们使用以下关系计算信道可靠性值将被乘以相应的软输入: 的一部分表示信道的瞬时信噪比,是所有航空公司的平均信噪比,然后呢是在副载波信道频率响应的大小吗所示(2)。如图2、大提高误码性能得到这个关系时用来计算信道可靠性的CSI值获得信道估计值。在本文中,我们只显示结果的turbo译码器使用通道可靠性获得(4)。

在本节中,我们提出一个CRC-based早期检测方法结合位停止LLR上使用阈值。CRC的早期检测方法作为精确的方法来确定当所有的解码帧聚合到正确的序列,和LLR阈值方法是位停止解码过程的早期阶段。位停止阈值LLR在我们提出的技术从一个点到另一个不同,每个从沪深是动态更新的,不像位停止技术提出了(2]。

后容易解码的帧数,LLR输出每个解码阶段持续增长和艰难的决定输出收敛到正确的序列。虽然LLR输出级的变化可能是大的容易解码的帧数,这是小hard-to-decode帧数。平均信噪比有明显的影响在每次迭代后LLR值之间的差异。实现一个高效的位早期检测的一种方法是监控解码比特LLR,夹的大小超过一定的比特LLR阈值。然而,从模拟指出,一般而言,hard-decoded输出和大小的比特LLR在副载波与小信噪比影响的大小的LLR相邻比特信噪比高。因此,在设计的早期检测方法是基于阈值的LLR、至关重要要考虑的两个主要因素:OFDM符号的平均信噪比(),每个副载波的瞬时信噪比。这个阈值应该增加平均信噪比增加时,它应该更高的比特转达了副载波较低的信噪比,所以一些在低信噪比副载波不会误测。一个简单的实现这个阈值满足上述两个主要因素如下: 在哪里是一个乘法因子,用于调整最大的阈值。是在信道状态信息(2),是一个常数等于固定百分比并用于调整最小阈值。的价值选择实验来减少损失的误码率性能和最大化早期检测位的百分比。正常化极大项的分母()可以设置为一个固定值来简化实现。

图3显示涡轮解码器的误码性能与新停止技术基于32位CRC检测结合阈值的值LLR(代码率是992/20480.484)。图中显示的结果三个任意选定的阈值设置(实验值)和选择不同的值的最大阈值作为

(1) (2) (3) 在那里,在这个例子中,我们选择线性方程与平均信噪比的值与最大阈值,然而,最大阈值为每个可以选择不同的最大阈值增加当平均信噪比增加。CSI的价值之间的关系的副载波和相应的阈值对比特LLR延续这副载波,两个值dB和3 dB,如图4,CSI的最大值是假定为3分贝。结果在图3表明CSI-CRC-turbo解码器将有小的误码性能退化阈值时更多的宽容(最大阈值减少)。

在这一点上,重要的是比较产生的减少计算复杂度的阻止新技术不同的阈值策略每次解码后阶段。图5显示部分发现的平均数量是正确的每个解码阶段后提出停止技术应用三个阈值策略,。如果阈值,约47%的平均比特将夹在第一次解码阶段(后0.5迭代)dB,大约89%和98%的平均比特将夹在1.0和1.5迭代之后,分别导致大量减少计算复杂度。比较这些数字和精灵涡轮,在相同的信噪比,约为2%,53%,和88%的平均比特将解码的0.5,1.0,1.5迭代,分别。由于没有位停止的情况下精灵涡轮(理想情况下假定当接收方知道所有接收到的比特序列,所以停止解码过程当所有帧比特发现正确解码),图中的曲线5对于精灵的情况代表总数的百分比传输帧,每个解码阶段后完全解码。当采取完全解码帧的平均百分比一定解码后阶段,这个数字相当于帧比特的平均百分比解码,解码后位停止技术阶段。

考虑这减少复杂性每个解码阶段后,我们可以计算出有效的迭代次数根据所需的总计算为每个方法。对于普通涡轮解码器没有停止技术应用,计算的总数必须完成迭代(无约束解码)表达的是(6),比特和帧的长度计算需要的总数软LLR输出单在解码阶段之一。系统应用,包层早期检测,所需计算的总数(限制解码)定义在(7): 在哪里是位解码的百分比(没有早期检测到)th解码阶段;它等于“0”时所有的框架都视为正确解码,它等于“1”时没有一个格子解码帧比特限制。注意,以防对所有,然后(7)降低(6)。方程(7)是用来计算平均有效的完全解码比特序列所需的迭代次数除以总数计算每个解码阶段计算的数量()迭代的平均数量。图6显示了三个等效平均迭代次数阈值的例子如图5比理想情况(精灵涡轮)。

从结果的有效数字迭代图6我们可以推断系统的计算复杂度与新停止技术是减少相当于2.5迭代在低信噪比和大约0.5迭代系统,在高信噪比阈值策略。的主要原因提出的方法在低信噪比更有效,也就是说,停止技术节省更多的计算没有性能的降低,是CRC检测技术需要更少的解码阶段决定解码序列是正确的,因为有更多的错误在低信噪比,但是阈值技术还可以检测位在高信噪比副载波和夹这些位,满足LLR条件。

在以下结果,我们检查的性能提出停止技术中给出的其他四种类型的超宽频通道(11]。图7显示turbo译码器的误码率性能结果LLR使用上使用CRC检测结合阈值和。这些配置的有效数量的迭代停止技术如图8。仿真结果表明,使用新的停止技术给出了误码率性能非常接近精灵涡轮。虽然CRC检测提供了一个精确的方法来终止解码过程,动态阈值方法有助于获得大减少计算复杂度,使涡轮码超宽频OFDM系统中一个不错的选择。

5。结论

在本文中,我们表明,现有的早期停止限制turbo译码器译码方法并不适合在多载波系统与不同的衰落系数为每个副载波因为他们给平等权重比特信噪比与变量。我们报告一位停止技术与自适应阈值减少的总数计算,电力消耗turbo译码器在超宽频OFDM系统。

提出停止使用CRC检测结合阈值技术。早期它减少了总计算复杂度译码阶段通过使用一种新型技术,比较了LLR输出与灵活的阈值,计算的CSI值超宽频通道考虑低和高信噪比的值不同的副载波,从而减少迭代的平均数量。CRC检测的一部分,该技术用于确定准确的停止点当所有序列的比特聚集到正确的序列。

结果显示大幅减少计算复杂度降低平均迭代次数少于一次迭代,同时保持最低的误码性能恶化。这意味着,如果涡轮解码技术是实现在超宽频系统中,只有四次或更少的解码复杂性维特比解码需要获得一个巨大的改善性能。

命名法

数量:	误比特率
信噪比:	信噪比
BPSK:	二进制相移键控
超宽频:	超宽频
OFDM:	正交频分复用
儿童权利公约:	循环冗余校验
LLR:	对数似然比
CSI:	信道状态信息
FFT:	快速傅里叶变换
摘要:	加性高斯白噪声
这里:	载波间干扰
仿真结果:	Nonline视线
RSC:	递归系统卷积
ARQ:	自动重发请求
锅:	个人区域网络
洛杉矶:	的视线。

引用

1. l .曹j . Daigle c . w . Chen和m . Matalgah”复杂性降低涡轮与连接检测编码解码,”职业训练局第58届IEEE车辆技术研讨会论文集(03),1卷,页678 - 681,奥兰多,佛罗里达州,美国,2003年10月。视图:谷歌学术搜索
2. b·j·弗雷和f . r . Kschischang”,早期发现和格子拼接:降低复杂性迭代解码,”IEEE在选定地区通讯》杂志上,16卷,不。2、153 - 159年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. j . Hagenauer大肠报价,和l . Papke“二进制块和卷积码的迭代译码,”IEEE信息理论,42卷,不。2、429 - 445年,1996页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. a . Shibutani h .须和f .足立,“复杂性减少涡轮解码”《职业训练局50 IEEE车辆技术会议(99年),3卷,第1574 - 1570页,阿姆斯特丹,荷兰,1999年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. l . h . Chen曹,c·w·陈,“限制解码turbo-CRC代码和高频谱效率的调制,”IEEE无线通信和网络研讨会论文集(WCNC ' 05),卷2,页1050 - 1054,新奥尔良,洛杉矶,美国,2005年3月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. r . y .邵、l .蜀和m . p . c . Fossorier”两个简单的停止标准涡轮解码,IEEE通信卷,47号8,1117 - 1120年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 依产生何等、p i达拉斯和b·s·谢里夫“小说turbo译码停止准则,”职业训练局第61届IEEE车辆技术研讨会论文集(05),3卷,第1608 - 1605页,斯德哥尔摩,瑞典,2005年5月- 6月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. b . Kim和h·s·李”,turbo译码迭代次数的减少使用外在信息,”IEEE 10地区研讨会论文集(TENCON ' 99),1卷,页494 - 497,济州岛,韩国,1999年9月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. j·福斯特把“信道建模小组委员会报告最后,IEEE P802.15无线个人区域网络,P802.15-02/490r1-SG3a, 2003年2月。视图:谷歌学术搜索
10. 萨利赫和r . Valenzuela“室内多路径传播的统计模型,IEEE在选定地区通讯》杂志上,5卷,不。2、128 - 137年,1987页。视图:谷歌学术搜索
11. a . f .莫氏利施,j·r·福斯特把和m . Pendergrass“个人区域网络超宽频的信道模型,”IEEE无线通信,10卷,不。6日,14号至21号2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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