TW201526553A - 用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法 - Google Patents
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Abstract
一種用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法，係於使用低密度奇偶校驗解碼運算進行層解碼運算後，進行層停止偵測，以偵測並記錄各層運算單元之收斂狀況，之後依據各層運算單元之收斂狀況，於之後的疊代運算中，將已收斂之層運算單元的運算停止，並重覆進行層停止偵測，而針對已收斂之層運算單元停止其內部運算將能夠達到低功耗低密度奇偶校驗解碼之設計。另外針對已停止運算之層運算單元，輸入訊息能夠略過已收斂之層運算單元，能夠直接傳送給下一級層運算單元。此方法可依舊繼續正常運作並維持其錯誤更正能力。
Description
本發明係關於一種用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法，特別是指一種之收斂層運算技術，係藉由偵測各層解碼得到之資訊，能夠判斷層解碼之收斂狀況，並於之後的疊代解碼運算中，停止已收斂層之運算，以減少解碼器功耗。
近年來通訊產業蓬勃發展，多媒體影音處理及高速無線通訊傳輸的品質需求提高，為了達到目標需求，因低密度奇偶校驗碼(LDPC code)優異之解碼效能而被廣泛地採用在各無線通訊標準中，例如：DVB-S2、IEEE 802.11n、IEEE 802.16m、…等。低密度奇偶校驗解碼藉由多次疊代運算提升錯誤更正能力，使其編碼增益逼近薛農極限(Shannon limit)。
但隨著低密度奇偶校驗解碼器疊代運算次數增加，其消耗之功率也呈線性增加。而早終結疊代技術是一套有效偵測多餘疊代次數之技術，能夠提早停止已經收斂之低密度奇偶校驗解碼，並維持低密度奇偶校驗碼整體的解碼效能。然而早終結疊代技術只針對整個資訊收斂之狀況下，才停止整個低密度奇偶校驗解碼器之疊代運算，並無法偵測內部資訊並停止其運算，如此即將有任一層已達到收斂之狀況，習用技術仍然是必
須針對整個資訊都收斂之狀況下，才會停止整個低密度奇偶校驗解碼器之疊代運算，故會消耗許多不必要的功率輸出。
因此，為了克服上述問題，故提出一種收斂層運算(Layer-stopping，LS)之技術，為了能有效偵測各位元之收斂情況，於層解碼(Layer decoding)運算後，插入層停止偵測(Layer stopping detection)，進行偵測並記錄各層之收斂狀況，而當層運算單元達到收斂時，紀錄此層運算單元為收斂之層，並在之後疊代運算中，停止已收斂層之運算以減少不必要的功耗，如此應為一最佳解決方案。
本發明即在於提供一種用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法，係針對已收斂之層運算單元，將其停止其內部運算，以達到低功耗低密度奇偶校驗解碼之目的。
可達成上述用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法，其步驟為：1.使用低密度奇偶校驗解碼運算進行層解碼運算後，進行層停止偵測，以偵測並記錄各層運算單元之收斂狀況；以及2.依據各層運算單元之收斂狀況，於之後的疊代運算中，將已收斂之層運算單元的運算停止，並重覆對未收斂之層運算單元進行層停止偵測。
更具體的說，所述層停止偵測係使用層解碼運算之軟式資訊或硬式資訊進行比對，以偵測各層運算單元之收斂狀況。
更具體的說，所述任一層運算單元之收斂狀況為整個層皆達
到收斂，則記錄此層運算單元為收斂層，並於之後的疊代運算中，停止收斂層之運算，另外任一層運算單元之收斂狀況為未整個層皆達到收斂，則記錄此層層運算單元為未收斂層。
更具體的說，所述進行疊代運算時，未收斂層運算之輸出能夠直接略過收斂層直接輸入至下一未收斂層進行運算，此方式依舊繼續正常運作並維持其錯誤更正能力。
更具體的說，所述進行疊代運算時，針對收斂層，能夠略過運算，並將層停止偵測時所使用的層解碼運算之軟式資訊或硬式資訊輸入至下一未收斂層，此方式依舊繼續正常運作並維持其錯誤更正能力。
更具體的說，所述軟式資訊可為檢查點訊息、變數點訊息、事前機率值、外部機率值或事後機率值。
更具體的說，所述硬式資訊可為由檢查點訊息、變數點訊息、事前機率值、外部機率值或事後機率值所轉換所得的硬式資訊值。
更具體的說，所述用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法，能夠應用於複數個平行層同時運算之機制，並進行偵測與停止複數個平行層運算。
〔本發明〕
無
第1圖係本發明用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法之步驟流程圖；第2圖係本發明用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法之進行低密度奇偶校驗解碼運算的運作流程圖；第3圖係本發明用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法之第一實施例
之使用層停止技術之層解碼流程示意圖；第4圖係本發明用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法之未收斂層與收斂層運算單元狀態比較示意圖；第5圖係本發明用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法之第一實施例之不同門檻值產生之解碼效能變化示意圖；第6圖係本發明用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法之第一實施例之不同門檻值產生之停止量變化示意圖；第7圖係本發明用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法之第一實施例之各信雜比下早疊代終結技術與層停止技術的停止量示意圖；第8圖係本發明用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法之第一實施例之層停止技術加入早終結疊代技術之停止量模擬示意圖；第9圖係本發明用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法之第二實施例之採用層停止運算技術之複數個平行層解碼流程示意圖；第10圖係本發明用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法之第二實施例之不同門檻值產生之解碼效能變化示意圖；以及第11圖係本發明用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法之第二實施例之不同門檻值產生之停止量變化示意圖。
有關於本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
本發明之用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法，如第1圖所示，其步驟為：
1.使用低密度奇偶校驗解碼運算進行層解碼運算後，進行層停止偵測，以偵測並記錄各層運算單元之收斂狀況101；以及2.依據各層運算單元之收斂狀況，於之後的疊代運算中，將已收斂之層運算單元的運算停止，並重覆對未收斂之層運算單元進行層停止偵測102。
而步驟101中提到的層停止偵測係使用層解碼運算之軟式資訊或硬式資訊進行比對，以偵測各層運算單元之收斂狀況，因此當任一層運算單元之收斂狀況為整個層皆達到收斂，則記錄此層運算單元為收斂層，並於之後的疊代運算中，停止該收斂層之運算，另外任一層運算單元之收斂狀況為未整個層皆達到收斂，則記錄此層層運算單元為未收斂層。
如第2圖所示，為本發明進行低密度奇偶校驗解碼運算的運作流程圖，其中當開始進行本次疊代低密度奇偶校驗解碼運算201時，能夠於停止已收斂層之運算202後，再進行未收斂層解碼運算203，之後進行偵測解碼運算中是否有新收斂層204，若有新的收斂層，則紀錄層收斂狀況205，若沒有新的收斂層，則進行下一次疊代低密度奇偶校驗解碼運算206；由第2圖可知，由於後續會進行疊代運算，因此當進行疊代運算時，未收斂層運算之輸出能夠直接略過收斂層直接輸入至下一未收斂層進行運算，進行疊代運算時，針對收斂層，能夠略過運算，並將層停止偵測時所使用的層解碼運算之軟式資訊(檢查點訊息、變數點訊息、事前機率值、外部機率值或事後機率值等類型)或硬式資訊(由檢查點訊息、變數點訊息、事前機率值、外部機率值或事後機率值等類型所轉換所得的硬式資訊值)輸入至下一未收斂層。
而接下來以第一實施例說明在WiMAX低密度奇偶校驗碼機制下，採用傳統層解碼技術，模擬本發明之狀況，於本實施例中，係採用WiMAX(IEEE 802.16)為例，並採用層運算之最小值-總和演算法(Min-Sum Algorithm，MSA)執行低密度奇偶校驗解碼。
層運算以第3圖為例，第3圖是使用層停止技術之層解碼流程示意圖，由圖中之層2可知，一邊是未達到使用層停止技術之標準，因此層運算單元須執行部分，另一邊有達到使用層停止技術之標準，因此停止運算。由於本實施例中是將檢視層解碼運算之軟式資訊並進行軟式資訊比對，紀錄層運算單元收斂過程，其中達到使用層停止技術之標準為軟式資訊是使用事後機率值(Λν k,L )進行比對；因此在低密度奇偶校驗碼使用層運算執行解碼過程中，進行偵測每層運算產生的事後機率值(Λν k,L )，當層2(第二層運算單元)產生的事後機率值(Λν k,L )大於所設定之門檻值(δ)時，則將層2稱為收斂層(Convergent layer)，亦可稱為收斂層，而層1、層3、層L則是未收斂層(Non-convergent layer)，亦可稱為未收斂層。
上述收斂層不參與之後的疊代運算，以減少運算單元使用次數達到節省功率消耗之目的。而原先輸入給收斂層的事後機率值則略過運算過程，直接傳送給下一層使用。由第3圖可知，層運算處理器中包含了檢查點更新(Check node update)與變數點更新(Variable node update)以及事後機率值的運算。再由第4圖中可知，係總結未收斂層與收斂層之運算比較，其中收斂層所包含的檢查點、變數點與事後機率值的運算，以及檢查點記憶體之存取(Check node access)皆可停止。
本實施例之解碼模擬是採用WiMAX通訊標準之低密度奇
偶校驗碼驗證此技術，在資訊長度2304位元下，最大疊代次數8次，加成性高斯白雜訊通道(Additive White Gaussian Noise)做為模擬條件，如第5圖所示之不同門檻值產生之解碼效能變化圖，其中顯示了各信雜比(Eb/N0)下，本技術所能維持低密度奇偶校驗解碼的位元錯誤率(Bit error rate,BER)，由此可知，本發明之技術能夠依據使用者需求進行門檻值的設定。
再由第5圖與第6圖中可知，進行比較第5圖與第6圖之門檻值對於位元錯誤率與停止量的關係，較低的門檻值能使偵測器容易判斷層為收斂狀態進而停止運算，因此使用者可依設計需求為高停止量、低精準度或是低停止量、高精準度進行門檻值之設定。再如第7圖所示之各信雜比下早疊代終結技術與層停止技術的停止量可知，本實施例在不同的信雜比下可停止2%~48%的運算量並維持低密度奇偶校驗碼之效能。
另外，本發明可結合任何一種已知的低密度奇偶校驗碼早終結疊代技術，在各種習知的早終結疊代條件成立前，本發明即可停止其內部收斂層之運算以提升其停止量。由第8圖中可知，是顯示該層停止技術加入早終結疊代技術之停止量模擬示意圖，因此當單獨使用本發明層運算停止技術(Layer Stopping,LS)在WiMAX規格中碼率為二分之一資訊長度為2304的低密度奇偶校驗碼在加成性白高斯雜訊通道中進行解碼，在高通道品質下(Eb/N0=3.2dB)可達到48%的停止量。而第8圖中也說明本發明結合習知軟式資訊判斷的早終結疊代技術-軟式決策輔助(Soft Decision-Aided,SDA)與習知硬式資訊判斷的早終結疊代技術-奇偶校驗方程式(Parity Check Equation,PCE)的停止結果；因此使用軟決策輔助(Soft Decision-Aided,SDA)做為早終
結疊代技術，其中習知軟式決策輔助早終結疊代技術為比對低密度奇偶校驗解碼器執行每一次疊代運算後產生的事後機率值是否大於設定的門檻值(φ)，若條件成立則停止低密度奇偶校驗解碼器的疊代運算。此結合可在疊代終結條件成立前停止已收斂層之運算使低密度奇偶校驗解碼器，在高通道品質下，達到53%的停止量(加入層停止技術後停止量增加為1%~53%)且高於單獨使用習知軟式決策輔助早終結疊代技術47%的停止量(軟式決策輔助在不同的信雜比下可停止1%~47%停止量)。
而使用習知硬式奇偶校驗方程式早終結疊代技術則是低密度奇偶校驗解碼器在每一次疊代運算後產生的碼字進行奇偶校驗方程式驗證，若條件成立則停止疊代運算，本發明依舊可在奇偶校驗方程式條件成立前偵測其內部各層收斂情況，進而停止已收斂層之運算，此結合方式在高通道品質下達到60%的停止量且高於單獨使用習知硬式奇偶校驗方程式早終結疊代技術57%的停止量。
除了上述第一實施例之外，本發明更提供第二實施例，以車載通訊應用下，採用低密度奇偶校驗多層解碼模擬收斂之狀況，本實施例之解碼器係採用自行開發之適用於車載通訊應用之低密度奇偶校驗碼標準驗證此技術，其中使用資訊長度2048位元，多解碼核心平行處理，最大疊代次數8次，建築物密集的城鎮中心地帶的無線通道(Rayleigh channel)做為模擬條件。使用多解碼核心平行處理可大幅提升低密度奇偶校驗解碼器之吞吐量，但也同時增加了解碼器功率的消耗，在此突顯本發明之重要特性。
如第9圖所示，在使用多解碼核心平行處理時，多層運算處
理器會同時進行運算，增加解碼速度，此種解碼方式依舊多次重複操作已收斂層運算，本發明套用在此解碼方式下，可同時偵測多層收斂狀況進而同時終止多層已收斂之層解碼處理器，因此本發明應用於複數個平行層同時運算之機制時，能夠進行偵測與停止複數個平行層運算；而本實施例中，係運用在雜訊較多的通道環境模擬下，以及使用多解碼核心平行處理技術，採用多層運算之最小值-總和演算法執行低密度奇偶校驗解碼。而在多核心的處理概念下，如第4圖所示，是總結單一解碼核心未收斂層與收斂層之運算比較；由於收斂層所包含的檢查層停止偵測器依舊可準確同時判斷多層之收斂狀況，進而同時停止多層解碼處理器操作，而當應用在建築物密集的城鎮中心地帶的無線通道下，根據不同門檻值產生之解碼效能變化圖則如第10圖所示，顯示了各信雜比下，本技術所能維持低密度奇偶校驗解碼的位元錯誤率；由於第11圖表示了應用在建築物密集的城鎮中心地帶的無線通道下，根據不同門檻值產生之停止量變化圖，因此能夠進一步比較第10圖與第11圖之門檻值對於位元錯誤率與停止量之關係，而較低的門檻值能使偵測器容易判斷層為收斂狀態進而停止運算，因此使用者可依設計需求為高停止量、低精準度或是低停止量、高精準度進行門檻值之設定，以界定何種情況應判斷為收斂狀態並停止運算。
由上述實施例可知，本發明提出之收斂層輸入略過運算後直接輸出之方式能有效地運用在多解碼核心平行處理解碼器上，維持解碼效能，並有良好的停止量表現。此例說明，層停止運算技術可以運用在不同
的通道環境與多套解碼核心平行處理，並且依舊能依設計者所需條件進行門檻值之調整，達到節省低密度奇偶校驗解碼器之功率消耗。
另外，由於前述兩個實施例皆是以軟式資訊進行比對，但本發明亦可套用至檢視層解碼運算之硬式資訊並進行硬式資訊比對，紀錄層運算單元收斂過程，其中硬式資訊可為檢查點訊息、變數點訊息、事前機率值、外部機率值與事後機率值…等類型所轉換所得的硬式資訊值，即0與1或正與負，轉換方式多由軟式資訊的最大位元值求得，但並不限定。使用硬式資訊比對，主要是採用習知的不同軟式資訊轉換的硬式資訊比對法、前後疊代的硬式值比對法、硬式值變化量偵測法、或奇偶校驗方程式(H．VT=0)作為判斷標準，其中H係低密度奇偶校驗碼矩陣，VT編碼碼字(codeword)的硬式值轉置向量。
本發明所提供之用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法，與其他習用技術相互比較時，其優點如下：
1.本發明有別於早疊代終結技術，能在整個資訊收斂前，額外偵測部分收斂之層，並停止其運算，達到低功耗低密度奇偶校驗碼設計，因此在後續之疊代運算中，停止已收斂層之運算則能夠減少不必要的功耗。
2.本發明針對停止運算之層運算單元，其輸入訊息能夠略過已收斂之層運算單元，直接傳送給下一級層運算單元。因此本發明所提之方法不會影響運算，可依舊繼續正常運作並維持其錯誤更正能力。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本
發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
Claims (10)
- 一種用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法，其步驟為：使用低密度奇偶校驗解碼運算進行層解碼運算後，進行層停止偵測，以偵測並記錄各層運算單元之收斂狀況；以及依據各層運算單元之收斂狀況，於之後的疊代運算中，將已收斂之層運算單元的運算停止，並重覆對未收斂之層運算單元進行層停止偵測。
- 如申請專利範圍第1項所述之用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法，其中層停止偵測係使用層解碼運算之軟式資訊或硬式資訊進行比對，以偵測各層運算單元之收斂狀況。
- 如申請專利範圍第2項所述之用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法，其中軟式資訊可為檢查點訊息、變數點訊息、事前機率值、外部機率值或事後機率值。
- 如申請專利範圍第2項所述之用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法，其中硬式資訊可為由檢查點訊息、變數點訊息、事前機率值、外部機率值或事後機率值所轉換所得的硬式資訊值。
- 如申請專利範圍第2項所述之用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法，其中任一層運算單元之收斂狀況為整個層皆達到收斂，則記錄此層運算單元為收斂層，並於之後的疊代運算中，停止收斂層之運算，另外任一層運算單元之收斂狀況為未整個層皆達到收斂，則記錄此層層運算單元為未收斂層。
- 如申請專利範圍第5項所述之用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法，其中進行疊代運算時，未收斂層運算之輸出能夠直接略過收斂層 直接輸入至下一未收斂層進行運算。
- 如申請專利範圍第5項所述之用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法，其中進行疊代運算時，針對收斂層，能夠略過運算，並將層停止偵測時所使用的層解碼運算之軟式資訊或硬式資訊輸入至下一未收斂層。
- 如申請專利範圍第7項所述之用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法，其中軟式資訊可為檢查點訊息、變數點訊息、事前機率值、外部機率值或事後機率值。
- 如申請專利範圍第7項所述之用於低密度奇偶校驗解碼之層運算停止方法，其中硬式資訊可為由檢查點訊息、變數點訊息、事前機率值、外部機率值或事後機率值所轉換所得的硬式資訊值。
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| TWI765476B (zh) * | 2020-12-16 | 2022-05-21 | 元智大學 | 基於可信度傳遞演算法作為極化碼解碼之層運算停止方法 |
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| TWI504162B (zh) | 2015-10-11 |
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