LTE-Advanced标准中低存储容量Turbo码译码器及设计方法
【专利摘要】本发明提供了一种LTE?Advanced标准中低存储量Turbo码译码器及其设计方法，包括一重算模块，所述重算模块用于在前向状态度量计算出来后，需要编号为j＝0,2,5,7的前向状态度量值来计算后验概率时，这些度量值通过所述重算模块被重新计算出来，而只有编号为j＝1,3,4,6的前向状态度量值被存储在SMC中，从而使得SMC容量降低50％。本发明提出的适合反向重算的Max*函数与其反向重算，以及对应的硬件实现结构，由于SMC中只需存储一半的前向状态度量值，SMC的容量降低了50％，且引入的额外计算复杂度较低。
【专利说明】
LTE-Ad vanced标准中低存储容量Tu r bo码谭码器及设计方法
技术领域
[0001] 本发明设及通信技术领域，具体地，设及一种基于适合反向重算Max*函数的低存 储量化Ao码译码器及其设计方法。
【背景技术】
[0002] Turbo码:Turbo码是一种逼近香农极限的纠错码，在无线通信中得到了广泛应用。 目前，Turbo码已为LTE-Advanced标准所采用，W保证高速、可靠的数据传输。在化Ao码译 码器结构设计的研究中，误码率，吞吐率和功耗是=个最为重要的指标。
[0003] 状态度量缓存(state Metric化che:SMC):译码器中需要大容量的状态度量缓存 (SMC)O
[0004] 功能仿真:本文的硬件仿真由FPGA实现，采用皿L语言进行编程，之后进行功能仿 真，W检验硬件电路是否满足设计要求。
[0005] 微电子技术的发展，深度亚微米技术使得算术运算的功耗远小于对SMC访问操作 的功耗。因此，W增加冗余计算为代价，代替对SMC的访问操作，是一个非常有效的低存储容 量译码器结构设计方法。D.S丄ee等提出了状态度量的反向试探计算译码方法，只有那些不 能被反向计算的状态度量才会存放在SMC中，并设置特殊的标志寄存器做识别;L. C.化ng等 人提出的基-4追溯计算法，将8个状态度量转换为6个差值度量和2个比特的符号位，SMC容 量降低了20% ;M.Mad ina等人提出的Wash-化damard变换法，SMC容量降低了约50%，但引 入的变换和反变换较为复杂，对译码器吞吐率有一定负面影响，且该变换本质上是一种有 损压缩变换，使得译码器误码率不甚理想。且现有技术在采用化rbo码的接收机中，译码器 功耗占整个接收机功耗的一半左右，而译码器功耗的50% W上用于对SMC的访问操作;进一 步地，大容量的SMC使得译码器忍片面积较大，增加了静态漏电流功耗。
【发明内容】
[0006] 针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于适合反向重算 Ma巧函数的低存储量化Ao码译码器及其设计方法，为降低SMC容量，减小引入的冗余计算 的复杂度，WLTE中的化rbo码为研究对象，将网格图做分解，提出一种前向度量后向计算的 译码器结构设计方法。
[0007] 为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[000引 LTE-Advanced标准中低存储量化Ao码译码器，包括一重算模块，所述重算模块用 于在前向状态度量计算出来后，需要编号为j = 0,2,5,7的前向状态度量值来计算后验概率 时，运些度量值通过所述重算模块被重新计算出来，而只有编号为j = l，3,4,6的前向状态 度量值被存储在SMC中，从而使得SMC容量降低50%。
[0009] 一种LTE-Advanced标准中低存储量化Ao码译码器设计方法，基于前向状态度量 后向计算的方法，在每个译码时刻的8个前向状态度量中，有4个度量值不需要存储在SMC 中，当需要运4个未存储的前向状态度量时，它们在后向状态度量递归计算的同时，重新计 算出来，为保证误码率，对Max*函数进行简化及逆计算，对前向状态度量进行后向计算，避 免对误码率造成影响。
[0010] 所述对Ma巧函数进行简化的方法，具体如下；
[0011] (§)
[001^ 设义=|(12-(11|，对式(8)中的两个校正函数做折线逼近，如下式所示，
[OOU] ln(l+e-x)
[0014] ^=max{-0.5x+0.6875,-O.125x+0.40625,-O.0078125x+0.0625} (9-1)
[0015] ln( 1+e^) ^max {0.75x+0.6875, x} (9-2)
[0016] 进一步地，结合式(7)，式(8)被改写为式(10)，
[0017] (7)
[001 引 ； (1,0)
[0019]式（10)即可求解Ma巧函数的近似值，而且对误码率性能没有影响；
[0020] 其中：
也禾大于0, Xl、x2是前一个译码时刻的前向状 态度量值，cl、c2是对应的当前译码时刻分支度量值，dl，d2是中间变量，表示前向状态度量 值和对应分支度量值的和）。
[0021] 所述对Ma巧函数进行逆运算求解X2的方法，具体如下：
[0022]
[0023] 11)
[0024] y是Ma巧函数简化计算后的近似值。
[00巧]当0.6875<y-di<0.03125时，需要做乘1/3的操作，为避免复杂的乘法操作，将1/3 修改为0.34375，即0.25+0.0625+0.03125，引入3%的计算误差。
[0026] 所述对Ma巧函数进行简化及逆计算实现的硬件包括加法单元、移位单元和比较单 J L O
[0027] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0028] 在传统的化rbo码译码器结构下，前向状态度量计算出来后，只有编号为j = l，3， 4，6的前向状态度量值被存储在SMC中。当需要编号为j = 0，2，5，7的前向状态度量值来计算 后验概率时，本发明通过增加重算模块，运些度量值将在新增加的重算模块中被重新计算 出来，使得SMC容量因此而降低了 50%。本发明将LTE标准中的化rbo码网格图做分解，提出 了一种降低SMC容量50%的译码器结构设计方案，研究了一种适合未存储前向状态度量逆 计算的雅可比对数式简化计算方法，推导出了其对应的逆计算方法，并给出了硬件实现框 图，简洁高效，引入的计算复杂度较低，而译码性能与Log-MAP算法相比，误码率损失了约 0.03地。
【附图说明】
[0029] 通过阅读参照W下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0030] 图1(a)为LTE标准中化Ao码编码器结构示意图；
[0031] 图1(b)为LTE标准中分量编码器网格图；
[0032] 图2为前向状态度量计算的网格图分解；
[0033] 图3为译码器结构设计框图；
[0034] 图4(a)为校正函数的逼近比较图一；
[0035] 图4(b)为校正函数的逼近比较图二；
[0036] 图5为初步的误码率仿真图；
[0037] 图6(a)为雅可比对数式简化计算实现框图；
[0038] 图6(b)为对应FPGA的功能仿真；
[0039] 图6(c)为逆计算实现框图；
[0040] 图6(d)为对应FPGA的功能仿真。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。W下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不W任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可W做出若干变形和改进。运些都属于本发明 的保护范围。
[0042] 本发明是基于一种前向度量后向计算的译码器结构设计方法。在每个译码时刻的 8个前向状态度量中，有4个度量值不需要存储在SMC中。当需要运4个未存储的前向状态度 量时，它们可W在后向状态度量递归计算的同时，重新计算出来。为保证理想的误码率，提 出了一种Max*函数的简化计算方法，并推导了该Max*函数的逆计算，使得前向状态度量的 后向计算也较为简单，不会对误码率造成负面影响。
[0043] 1.译码器分析与结构的提出
[0044] LTE标准采用的化rbo码编码器和分量编码器的网格图如图1所示。
[0045] 根据图1(a)、图1(b)所示本发明一实施例中的网格图，可W得出图2中的分解。从 状态度量的前向递归计算来看，沒4吗)，/=指4,6由成1(4，片，3, 4,6、知,知^=〇,2,5，巧口对应的 分支度量计算得到（j为编码器的寄存器状态，l《k《N为时序下标，N为译码窗口宽度）。如 果从后向计算的方向来看，馬_1片)，_/ = 〇,2，式7可^由沒啦)，^ = 1，3,4,6、相-也.)，./' = 1，3,4，自和对 应的分支度量计算得到。分析
的反向计算，可W将状态j分为两个部分： j = l，3,4,6和j = 0,2,5,7。
[0046] 因此，在成(S,)，> = O山.? ?，7的前向递归计算过程中，可W只将
运 4个度量值存储在SMC中。当需要&,(.^',.）../ = 〇>2.5.7来计算后验概率对数似然比的时候，可 W利用存储在SMC中於
和相应的分支度量来重新计 算。由于SMC中只需存储一半的前向状态度量值，SMC的容量降低了 50%，结构设计框图如图 3所示。
[0047] 与现有的化rbo码译码器相比，图3的结构有两点不同：第一，SMC中存储了一半的 前向状态度量;第二，只插入了一个计算模块
比现有技术中的译码器 结构设计框图简单的多。
[004引2.前向状态度量的重新计算
[0049]根据Log-MAP算法，前向状态度量计算如式(1)所示：
[00加]
…
[0051] 其中，二变量的Ma巧函数(雅可比对数式)定义如式(2)所示：
[0052] Max;*(xi ,X2) = ln[exp(xi)+exp(X2) ] (2)
[0053] 对于多变量的Ma巧函数，研究表明，取所有变量中最大的两个值即可，对误码率的 影响很小，而不必采用雅可比对数式的递归实现。
[0054] 由图2和式（1)，可得爲心)J = 1，3,4，:6的具体计算公式并将其做逆运算可解得 馬-1 (AV) J =化2,5,7的计算公式：
[0化5]
[0化6]
[0化7]
[0化引
[0化9]由图3的译码结构，可知式（3)中，巧来自计算后向状态度量时的分支度量，
来自对SMC的访问，只有= 是未知 的。考虑到式(3)中的4个子公式具有相同的形式，为分析方便，定义了式(4)的Min*函数，在 式(5)的条件下，将式(3)的子公式写出式(7)的形式。
[0060]
(4)
[0061] Y=Ma 巧（xi+ci,X2+C2) 巧）
[0062] X2+C2=Min*(y ,xi+ci) (6)
[0063] 综上所述，前向状态度量的反向计算，归结为在式(6)的条件下，已知y、xi、ci和C2， 求解X2。
[0064] 3.基于雅可比对数式和Min*函数近似的反向计算
[0065] 在Log-MAP算法中，指数和对数计算过于复杂，因此实际的译码器结构设计中，雅 可比对数式都采取了近似计算的方式，W-定的误码率损失为代价，换取降低译码复杂度 的好处。W误码率和实现复杂度为考察指标，式(7)的雅可比对数式近似计算具有非常均衡 的性能(本质上是对光滑曲线的4折线逼近）。
[0066] (7)
[0067] 基于式(7)的近似计算，由式(6)求解X2,比较容易想到的有两种方法：
[0068] 1)，类似式(7)构造式(7)中Min*函数的折线近似计算；
[0069] 2)，构造基于式(7)的逆计算。
[0070] 实际研究结果如下：
[0071] 方法1)，类似式（7)，构造出了式(6)Min*函数的高精度折线近似，但仿真结果表 明，误码率很差，1.1地时的误码率，仅相当于Log-MAP算法时的0.3地，而误帖率几乎没有改 善。详细分析重新计算出来的状态度量，发现式(6)对输入值很敏感，式(7)引入的逼近误差 被恶性放大，使得重新计算出来的状态度量值误差过大。
[0072] 方法2)，针对式(7)的4折线逼近，构造了对应的逆计算，发现当y = di时，只能得到 d2《di-2/3,而不是一个具体值，显然无法获得理想的误码率。详细分析表明，问题在于式 (7)采取了近似计算，当di-d2>2/3时，式(7)的计算结果与Cb的没有任何关系，进而无法求 解X2。
[0073] 经过分析，问题根源在于现有的雅可比对数式近似计算不适合逆计算，I di-cb I超 过某一特定值后，较小的自变量将会被忽略掉。当运个忽略的自变量是Cb时，逆计算失去了 意义。
[0074] 基于W上分析，需要构造一个新的雅可比对数式简化计算方法，它能保证任何条 件下，Cb变量都不会被忽略。为此，提出了一种新的雅可比对数式简化计算方法，如式(8)所 /J、- O
[0075]
CS)
[0076] 设X= |d2-di|，对式(8)中的两个校正函数做折线逼近，如式(9)所示。为便于硬件 实现和后续逆计算求解X2，参数经过优化，使用移位操作即可实现乘法运算。
[0077] (9-1)
[007引 ln(l+eX)^=max{0.75x+0.6875，x} (9-2)
[0079] 式(9)中两个校正函数的逼近效果如图4(a)、图4(b)所示。
[0080] 进一步地，结合式(7)，其中di = xi+ci，d2 = X2+C2,式(8)被改写为式（10):
[0081] (IO)
[0082]式（10)计算较为简单，采用较少复杂度的比较、加法和移位操作，即可求解雅可比 对数式的近似值，而且对误码率性能影响很小。
[008引对式（10)做逆计算求X2,得到如式（11)所示。
[0084]
[0085] Ul)
[0086] 式（11)能精确的重新计算出X2，且引入的计算复杂度较小。MATLAB仿真表明，重新 计算出来的前向状态度量最大计算误差不超过误码率性能与Log-MAP算法非常接近。
[0087] 考虑到W下两点：
[0088] 1)，译码器的硬件实现中，分支度量是(9,3)量化，状态度量是（10,3)量化（如，門 量化中，q是量化总比特数，f是小数位比特数），计算精度有限；
[0089] 2)，式（11)中，当0.6875<y-di<0.03125时，需要做乘1/3的操作，为避免复杂的乘 法操作，将1/3修改为0.34375(即0.25+0.0625+0.03125)，引入了约3%的计算误差。
[0090] 因此，最终的误码率会有一定影响。初步的MATLAB仿真表明，较Log-MAP算法损失 了 0.03地，如图5所示，其中5为度量因子。
[0091] 3.硬件实现框图
[0092] 根据W上分析，给出了图6(a)和6(c)所示的雅可比对数式和其逆计算的实现框 图。采用简单的移位、加法和比较操作，引入了较小的计算复杂度，即可达到较高的计算精 度。根据图6(b)和图6(d)的仿真图可知（仿真时采用十位二进制数，左起第一位表示符号 位，第二位到第五位是整数位，最后五位表示小数位），最后逆计算x2为0.01111，而由图（b) 可知x2 = 0.1，误差为0.00001，换算成十进制为0.03125,运是由于在雅可比逆计算式（11) 中引入了约3%的计算误差。
[0093] 本发明提供了一种LTE-Advanced标准中化rbo码的低存储容量译码器结构设计方 法，包括译码网格图的分解，译码器结构设计方案，适合反向重算的Max*函数与其反向重 算，W及对应的硬件实现结构。根据网格图的分解，将前向状态度量的计算按序号分成j = l，3,4,6和j = 0,2,5,7两个部分，可W只将?(?s,レ。l，3,4,6运4个度量值存储在SMC中，当 需要爲k,.) J = 0,2,女7来计算后验概率对数似然比的时候，可W利用存储在SMC中的 = K3.4.6 心,= I，3,4,6和相应的分支度量来重新计算。为了上述结构是实 、. 现，本发明提出了适合反向重算的Ma巧函数与其反向重算，W及对应的硬件实现结构。由于 SMC中只需存储一半的前向状态度量值，SMC的容量降低了50%，且引入的额外计算复杂度 较低。
[0094] W上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述 特定实施方式，本领域技术人员可W在权利要求的范围内做出各种变形或修改，运并不影 响本发明的实质内容。
【主权项】
1丄TE-Advanced标准中低存储量化rto码译码器，其特征在于，包括一重算模块，所述 重算模块用于在前向状态度量计算出来后，需要编号为j = 〇,2,5,7的前向状态度量值来计 算后验概率时，运些度量值通过所述重算模块被重新计算出来，而只有编号为j = l，3,4,6 的前向状态度量值被存储在SMC中，从而使得SMC容量降低50%。2. 根据权利要求1所述的LTE-Advanced标准中低存储量化rbo码译码器设计方法，其特 征在于，基于前向状态度量后向计算的方法，在每个译码时刻的8个前向状态度量中，有4个 度量值不需要存储在SMC中，当需要运4个未存储的前向状态度量时，它们在后向状态度量 递归计算的同时，重新计算出来，为保证误码率，对Max*函数进行简化及逆计算，对前向状 态度量进行后向计算，避免对误码率造成影响。3. 根据权利要求2所述的LTE-Advanced标准中低存储量化rbo码译码器设计方法，其特 征在于，所述对Ma巧函数进行简化的方法，具体如下：设x=|d2-di|，对式(8)中的两个校正函数做折线逼近，如下式所示，式（10)即可求解Ma巧函数的近似值，而且对误码率性能没有影响； 其中；《奶(為，馬）二Ιη(?"'| +/2)，di，d2大于0，xl、x2是前一个译码时刻的前向状态度量 值，cl、c2是对应的当前译码时刻分支度量值，dl，d2是中间变量，表示前向状态度量值和对 应分支度量值的和）。4. 根据权利要求3所述的LTE-Advanced标准中低存储量化rbo码译码器设计方法，其特 征在于，所述对Max*函数进行逆运算求解X2的方法，具体如下： di = xi+ciy是Ma巧函数简化计算后的近似值。5. 根据权利要求4所述的LTE-Advanced标准中低存储量化rbo码译码器设计方法，其特 征在于，当0.6875<y-di<0.03125时，需要做乘1/3的操作，为避免复杂的乘法操作，将1/3修 改为0. :34375，即0.25+0.0625+0.03125，引入3% 的计算误差。6. 根据权利要求2所述的LTE-Advanced标准中低存储量化rbo码译码器设计方法，其特 征在于，所述对Max*函数进行简化及逆计算实现的硬件包括加法单元、移位单元和比较单 J L· 〇
【文档编号】H03M13/29GK105939160SQ201610006354
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年1月4日
【发明人】詹明, 伍军
【申请人】西南大学, 伍军