[논문]MAP 알고리즘을 이용한 터보 복호화기 설계

권순녀; 이윤현

MAP 알고리즘을 이용한 터보 복호화기 설계
A Design of Turbo Decoder using MAP Algorithm 원문보기

한국해양정보통신학회논문지 = The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, v.7 no.8, 2003년, pp.1854 - 1863

권순녀 (한국항공대학교 정보통신공학과) , 이윤현 (한국항공대학교 정보통신공학과)

초록
AI-Helper

디지털 통신 시스템에서 오류 정정 부호화 방식으로 사용되는 Turbo Code의 성능은 부호기에 내재되어 부호의 자유 거리 결정에 큰 영향을 미치는 인터리버와 복호기에서 수행되는 반복 복호에 의해 결정된다. 하지만 우수한 성능을 얻기 위해 수신 과정에서 많은 지연 시간이 요구되는데 이는 주로 인터리버의 크기에 의존하게 된다. 또한 Turbo Code는 페이딩 채널 상에서도 신뢰성 있는 강력한 코딩 기법으로 알려져, 최근 ITU 등에서 IMT2000과 같은 차세대 이동 통신에서 채널 코드의 표준으로 채택되었다. 따라서 본 논문에서는 기존의 블럭 인터리버를 변형한 인터리버와 MAP(Maximum A Posteriori)알고리듬을 이용한 병렬 구조의 터보 복호기를 제안하였다. 무선 멀티미디어 통신에서 실시간 음성 및 비디오 서비스를 제공할 때 CDMA 환경에서의 AWGN과 페이딩 채널에 대해 가변 복호방법을 이용하여 감소된 복호지연의 관점에서 컴퓨터 모의실험을 통해 성능 분석을 하고 기존의 다른 방법과 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the recent digital communication systems, the performance of Turbo Code using the mr correction coding depends on the interleaver influencing the free distance determination and the recursive decoding algorithms that is executed in the huh decoder. However, performance depends on the interleaver depth that needs many delays over the reception process. Moreover, turbo code has been blown as the robust coding methods with the confidence over the fading channel. International Telecommunication Union(ITU) has recently adopted it as the standardization of the channel coding over the third generation mobile communications(IMT2000). Therefore, in this paper, we preposed the interleaver that has the better performance than existing block interleaver, and modified turbo decoder that has the parallel concatenated structure using MAP algorithm. In the realtime voice and video service over third generation mobile communications, the performance of the proposed two methods was analyzed and compared with the existing methods by computer simulation in terms of reduced decoding delay using the variable decoding method over AWGN and fading channels for CDMA environments.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

특히 직 렬 복호화기를 2단 이상 연결하여 사용 시에는 하드웨어의 복잡성과 더불어 많은 복호 지연을 수반하게 된다. 따라서 본 논문에서는 기존의 2단 복호화기와 비교하여 하드웨어의 복잡도는 2배로 증가되나 성능은 향상시키고 복호 지연은 감소시킨 4단 병렬 복호화기를 제안한다. 그림 3은 본 논문에서 제안한 병렬 구조의 터보 복호화기이다.
따라서 본 논문에서는 이러한 인터리버 설계 특성에 기인하여 기존의 블럭 인터리버를 변형하여 최소 유클리드 거리를 최대화한 인터리버를 제안한다. 이를 위해 2개의 터보 부호에 사용된 구성부호로는 생성 다항식이 (7, 5) ₈인 4 상태 코드를 사용하였는데, 이 코드는 메모리가 2개일 때 가장 효과적인 거리를 제공하는 것으로 알려져 있다.
본 논문에서는 CDMA 통신 채널 환경에서 잡음의 영향으로부터 전송된 신호를 복원하기 위해필수적 인 오류 정정 부호 중 IS-95 및 cdma 2000 에서 채택한 터보 부호에 대해 인터리버 및 병렬구조 복호화기를 제안하고 이의 이론적 고찰과 모의 실험을 통한 분석을 하였다.
터보 부호는 낮은 Eb/No에서 강력한 오류정정 능력을 갖는 코딩 기법임에도 불구하고 너무 긴 복호 지연시간으로 인해 성능에 영향을 초래하므로 이를 해결하기 위한 노력의 일환으로 복호가 완료되면 반복 횟수를 중단시킴으로서 긴 복호 지연의 단점을 극복하기 위한 연구가 수행 되었다.[4][5] 본 논문에서는 터보 코드의 성능 향상에 크게 영향을 미치는 인터리버에 대하여 최적화 된 성능을 갖도록 하는 MAP 알고리즘에 대하여 알아보고 최근에 제안된 각종 인터리버 즉, GF, LCS, Mother 인터리버 등에 대하여 각각의 특성 및 성능을 분석하여 짧은 프레임 단위의블럭 인터리버의 성능을 개선한 인터리버와 반복 복호 횟수를 감소시킨 MAP 기반 병렬 구조의 4단 터보 복호기를 제안하고, 이를 CDMA 채널 환경에서 컴퓨터 모의실험을 통해 성능 분석을 하고 기존 방법과 비교하였다.

가설 설정

BPSK 변조를 가정하였으며, 구속장의 길이 K=3, 구성 부호화기의 생성 다항식은(7, 5)₈, 부호율은 펑처 링<punturing)을 사용하지 않은 1/3이 사용하였다. CDMA 채널 환경에서의 성능 분석을 위해 제안한 인터리버의 채널 모델은 플렛 페이딩 모델을 적용하였고, 제안 한복 호화기를 위한 채널 모델은 AWGN 과 플렛 페이딩 모델을 사용하였다.

제안 방법

위한 연구가 수행 되었다.[4][5] 본 논문에서는 터보 코드의 성능 향상에 크게 영향을 미치는 인터리버에 대하여 최적화 된 성능을 갖도록 하는 MAP 알고리즘에 대하여 알아보고 최근에 제안된 각종 인터리버 즉, GF, LCS, Mother 인터리버 등에 대하여 각각의 특성 및 성능을 분석하여 짧은 프레임 단위의블럭 인터리버의 성능을 개선한 인터리버와 반복 복호 횟수를 감소시킨 MAP 기반 병렬 구조의 4단 터보 복호기를 제안하고, 이를 CDMA 채널 환경에서 컴퓨터 모의실험을 통해 성능 분석을 하고 기존 방법과 비교하였다.
따라서 CDMA 채널 환경에서 사용되는 Turbo Code에 대해 복잡도는 2배로 증가하나 성능을 개선하고 복호 지연을 감소시킨 4단 병렬 터보 복호화기를 제안하였다. 제안한 복호화기 구조는 기존의 유사한 터보 복호화기와 비교하여 하드웨어의 복잡도는 2배로 증가하나 BER 성능과 복호 지연을 개선함으로써 1024, 4096비트는 약 0.
단축시킬 수 있다. 또한 일반적인 병렬 구조의 복호기를 이용하는 것보다 제안한 방식을 이용하여 복호시 상단과 하단의 복호기들이 각각 분리 동작하면서 LLR 값을 출력한다. 따라서 더욱 신뢰성 있는 복호 과정이 진행되고 성능을 향상시킬 수 있음이 컴퓨터 모의 실험을 통해 확인할 수 있었다.
CDMA 채널 환경에서의 성능 분석을 위해 제안한 인터리버의 채널 모델은 플렛 페이딩 모델을 적용하였고, 제안 한복 호화기를 위한 채널 모델은 AWGN 과 플렛 페이딩 모델을 사용하였다. 반복 복호 횟수는 최대 5회를 적용하여 가변 복호하도록 하였으며, 정보 시퀀스의 프레임 크기 L은 128, 256, 512, 1024, 4096 비트인 경우에 대하여 모의 실험하였다. 그림 4는 각각의 프레임에 대해 제안한 S-R 인터리버와 기존 인터리버와의 성능을 비교한 것이다.
특히 비트 에너지 대 잡음의 전력비가 클수록 오류분포 수렴 속도가 빨라져 불필요한 복호로 인한 지연은 더 크다고 할 수 있다. 이 때문에 본 논문에서는 위에서 언급한 각각의 LLR 값이 서로 다르다는 분포 특성을 이용하여 복호 횟수를 상당량 줄일 수 있는 방법을 사용하였다[6].

이론/모형

BPSK 변조를 가정하였으며, 구속장의 길이 K=3, 구성 부호화기의 생성 다항식은(7, 5)₈, 부호율은 펑처 링<punturing)을 사용하지 않은 1/3이 사용하였다. CDMA 채널 환경에서의 성능 분석을 위해 제안한 인터리버의 채널 모델은 플렛 페이딩 모델을 적용하였고, 제안 한복 호화기를 위한 채널 모델은 AWGN 과 플렛 페이딩 모델을 사용하였다. 반복 복호 횟수는 최대 5회를 적용하여 가변 복호하도록 하였으며, 정보 시퀀스의 프레임 크기 L은 128, 256, 512, 1024, 4096 비트인 경우에 대하여 모의 실험하였다.
복호화 알고리즘은 MAP를 사용하였고, 터보 부호화기는 동일한 2개의 RSC 부호화기를 사용하였다. BPSK 변조를 가정하였으며, 구속장의 길이 K=3, 구성 부호화기의 생성 다항식은(7, 5)₈, 부호율은 펑처 링<punturing)을 사용하지 않은 1/3이 사용하였다.
터보 부호의 복호화는 trellis를 기초로 하는 복호 알고리즘을 이용해서 각각 2개의 Markov process들에 대해서 독립적인 추정을 한다. 따라서 두 복호기 사이에서 소프트 정보를 반복적으로 공유하면 추가적이 이득을 얻을 수 있다.

성능/효과

알 수 있다. AWGN 채널 환경에서 각 프레임 길이 128, 256, 512비트에 대한 평균 이득은 약 0.4dB 정도의 성능 향상을 보였고, 1024, 4096 비트는 약 0.8 dB 정도의 이득을 보여 프레임 사이즈가 증가할수록 제안한 복호화기의 성능 향상이 두드러지게 개선됨을 알 수 있다. 그리고 페이딩 채널 환경에서도 약 0.
결합으로 구성된다. MAP 복호 알고리즘을 사용하여 재귀적 구조의 연산이 가능하고, 반복 복호 횟수의 증가에 따라 BER(Bit Error Rate) 성능을 향상시켜 BER 의 관점에서 샤논한계 (Shannon limit)에 가장 근접하는 성능을 보인다.
그림 4는 각각의 프레임에 대해 제안한 S-R 인터리버와 기존 인터리버와의 성능을 비교한 것이다. 각 프레임에 대해 기존의 블락 인터리버에 비해 제안한 인터리버가 BER= 10^-5 에서 평균 약 0.4 dB의 이득을 보였으며, 프레임의 크기가 증가할수록 랜덤 인터리버와의 성능 차이가 더욱 커짐을 알 수 있다. 여기서 S_R은 제안한 인터리버에 대한 성능을 나타낸다.
결론적으로 차세대 이동통신에서 고속 데이터전송을 위하여 높은 신뢰도를 얻기 위해서는 터보코드에서 성능이 우수한 인터리버 설계의 필요성이 필수적이라고 할 수 있다.
특히 복호화기의 구조는 하드웨어의 복잡도와 성능에 따라 결정되어야 하고, 반복 복호화의 수는 복호 지연과 성능을 잘 고려하여 선택되어야 한다. 그리고 복호화기의 출력은 연성 입·출력(SISO: Soft In/Soft Output) 데이터이므로 반복적인 복호가 가능하며, 반복 복호의 횟수가 증가할수록 성능이 향상되나 복호 지연과 계산의 복잡성, 연산량 증가 등의 문제를 가져오므로 대략 6~10회 정도의 반복 복호를 수행하면 만족할 만큼의 성능을 얻을 수 있다. 하지만 이러한 반복 복호를 수행함으로서 실시간 통신에서 커다란 장애라 할 수 있는 큰 지연을 수반하게 된다.
8 dB 정도의 이득을 보여 프레임 사이즈가 증가할수록 제안한 복호화기의 성능 향상이 두드러지게 개선됨을 알 수 있다. 그리고 페이딩 채널 환경에서도 약 0.5〜0.85dB 정도의 꾸준한 성능 개선이 이루어지며, 프레임 사이즈가 증가될수록 점점 뚜렷한 성능 개선이 이루어짐을 알 수 있다.
또한 일반적인 병렬 구조의 복호기를 이용하는 것보다 제안한 방식을 이용하여 복호시 상단과 하단의 복호기들이 각각 분리 동작하면서 LLR 값을 출력한다. 따라서 더욱 신뢰성 있는 복호 과정이 진행되고 성능을 향상시킬 수 있음이 컴퓨터 모의 실험을 통해 확인할 수 있었다. 제안한 복호화기 구조는 기존의 2 단 직렬 복호기에 비해 하드웨어의 복잡도는 2배이나, 그에 대한 보상으로 성능은 향상시키면서복호 횟수를 가변적으로 적용할 수 있는 방법을 사용하여 복호 지연을 감소시킬 수 있다.
모의 실험을 통해 프레임 사이즈가 증가할수록성능이 증가됨을 알 수 있었고, 전체적으로 4096 비트 이하의 프레임에서는 약 0.8dB 정도의 성능이 향상됨을 확인할 수 있었다.
본 논문에서 성능을 분석한 결과 터보코드에서 부호화한 비트들의 상관성이 증가할수록 복호화 동작을 위한 많은 정보를 얻을 수는 있겠지만 에러들에 대한 상관성이 증가하게 됨을 알 수 있었다.
따라서 더욱 신뢰성 있는 복호 과정이 진행되고 성능을 향상시킬 수 있음이 컴퓨터 모의 실험을 통해 확인할 수 있었다. 제안한 복호화기 구조는 기존의 2 단 직렬 복호기에 비해 하드웨어의 복잡도는 2배이나, 그에 대한 보상으로 성능은 향상시키면서복호 횟수를 가변적으로 적용할 수 있는 방법을 사용하여 복호 지연을 감소시킬 수 있다.
따라서 CDMA 채널 환경에서 사용되는 Turbo Code에 대해 복잡도는 2배로 증가하나 성능을 개선하고 복호 지연을 감소시킨 4단 병렬 터보 복호화기를 제안하였다. 제안한 복호화기 구조는 기존의 유사한 터보 복호화기와 비교하여 하드웨어의 복잡도는 2배로 증가하나 BER 성능과 복호 지연을 개선함으로써 1024, 4096비트는 약 0.8 dB 정도의 이득을 보여 프레임 사이즈가 증가할수록 제안한 복호화기의 성능 향상이 두드러지게 개선됨을 알 수 있다.

참고문헌 (11)

C. Berrou, A. Glavieux, P. Thitimajshima. 'Near Shannon Limit Error-Correcting Coding and Decoding : Turbo Codes,' in ICC, pp. 1064-1070, 1993
S. Dolinar and D. Divsalar, 'Weight Distributions for Turbo Codes Using Random and Nonrandom Permutations', The JPL TDA Progress Report 42-122, Aug. 15, 1995
Benedetto, S. and Montorsi, G., 'Unveiling turbo codes: some results on parallel concatenated coding schemes,' IEEE Trans. on Info. Theory, vol. 42, no. 2, pp. 409-429, Mar. 1996

상세보기
진 익수외 3인 ' 터보 부호의 인터리버 분석' ETRI 주간기술동향, 통권 905호, 1999.7
P. Jung and M. Nasshan, ' Designing Turbo-Codes for Speech Transmission in Digital Mobile Radio Systems, ' in Proc. ICT95, Bali, pp.180-183, 1995
Berrou. C., Glavieux. A., 'Near Optimum Error Correcting Coding and Decoding : Turbo Codes,' IEEE Transaction on Comm unications, Vol. 44, No. 10, pp.1261-1271, 1996

상세보기
S. Benedetto and G. Montorsi, 'Design of Parallel Concatenated Convolutional Codes,' IEEE Trans. Commun., vol. 44, iss. 5, pp.591-600, June 1996

상세보기
Akira, Hirohito, Fumiyuki, 'Complexity Reduction of Turbo Decoding', IEEE VTC'99, pp1570-1574 1999
이문호, 實用디지털通信 -기초와 용용-, 도서 출판 영일 1999
S. Benedetto, D.Divsalar and F.Pollara, 'Soft-Output Decoding Algorithm in Iterative Decoding of Turbo Codes,' TDA progress rep. 42-124, Jet Propolusion Lab., Pasadena, CA, Feb. 15, pp. 63-86, 1995
이문호 'IMT-2000에서 채널 터보 인터리버에 대한 연구' 전파진흥원, 통권12월호,1999

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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