Brevet FR2910200A1 — publié le 20080620

RÉCEPTEUR À DÉCODAGE CONDITIONNEL DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine du décodage et plus particulièrement du décodage itératif. Elle trouve notamment application dans les récepteurs de systèmes de télécommunication sans fil. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les algorithmes de décodage itératif sont bien connus de l'état de la technique, que ce soit dans le cadre du turbo-décodage ou, de manière plus générale dans le cadre du décodage par passage de messages dans un graphe bipartite. On trouvera par exemple une description détaillée d'algorithmes de turbo-décodage dans l'article de J. Hagenauer et al. intitulé Iterative decoding of binary block and convolutional codes publié dans IEEE Trans. on Information Theory, vol. 42, N 2, Mars 1996, pages 429-445. Schématiquement, les algorithmes de décodage itératif effectuent plusieurs étapes de décodage élémentaire d'un bloc de données, chaque étape utilisant une information d'entrée dite a priori et générant, à partir de la connaissance de la loi de codage, une information de sortie dite a posteriori, de plus grande fiabilité que l'information d'entrée. Le supplément d'information par rapport à l'information d'entrée est appelé information extrinsèque. Cette information extrinsèque est prise en compte pour 2910200 2 générer l'information a priori à l'étape suivante. Chaque étape de décodage élémentaire bénéficie ainsi d'une information a priori de fiabilité accrue par rapport à l'étape précédente. 5 En principe, le procédé de décodage itératif converge au bout d'un certain nombre d'itérations. Le critère d'interruption des itérations a fait l'objet de nombreuses recherches. Il est en effet important, tout particulièrement en téléphonie mobile, où les 10 ressources du récepteur sont limitées, de réduire autant que possible le nombre d'itérations effectuées, et par conséquent aussi bien l'énergie consommée que le temps de latence. Une solution triviale consiste à fixer un nombre 15 prédéterminé d'itérations. Toutefois ce nombre peut s'avérer être insuffisant pour des conditions de transmission de faible rapport signal à bruit, auquel cas le taux d'erreurs en sortie du décodeur devient anormalement élevé, ou bien au contraire trop 20 important, auquel cas un certain nombre d'itérations sont effectuées en pure perte. La plupart des critères d'interruption proposés dans la littérature sont basés sur l'observation des informations a priori au fur et à mesure des itérations 25 successives. Certains critères mesurent le degré de fiabilité du résultat du décodage en sortie de chaque itération, d'autres mesurent leur évolution. On comprendra que la croissance en valeur absolue d'une valeur souple d'information a priori, lorsqu'elle est 30 exprimée sous forme de logarithme de rapport de 2910200 3 vraisemblance, est significative du degré de convergence du procédé de décodage. Parmi les critères d'interruption connus on peut citer celui de l'écart entropique entre les 5 informations a posteriori issues de deux itérations successives, tel qu'exposé dans l'article précité, ainsi que ses dérivés, comme ceux décrits par exemple dans l'article de R.Y. Shao et al. intitulé Two simple stopping criteria for turbo decoding publié 10 dans IEEE Transactions on Communications, vol. 47, pages 117-120, Août 1999, ou bien encore ceux fondés sur les propriétés statistiques des valeurs extrinsèques, tels que décrits dans les demandes de brevet EP-A-1334562 et EP-A-1128589. L'article de 15 A. Matache et al. intitulé Stopping rules for turbo decoders paru en 2000 dans TMO Progress report 42-142, Jet Propulsion Laboratory, passe en revue un certain nombre de critères d'interruption opérant sur les valeurs dures ou les valeurs souples d'information 20 a posteriori. Les critères d'interruption précités ont été conçus pour un canal à bruit blanc additif et gaussien, encore dit BBAG. En pratique, toutefois, les canaux de transmission des systèmes de télécommunication sans 25 fil, que ce soit des systèmes de type multiporteuse comme IEEE 802.11a, IEEE 802.11g ou des systèmes à sauts de fréquence tels que les systèmes GSM ou EDGE (Enhanced Data GSM Environment) ou encore des systèmes à étalement de spectre tels que le système UMTS, ne 30 peuvent être modélisés par un canal BBAG mais par un canal à évanouissements par blocs. 2910200 4 En outre, les critères d'interruption ne s'appliquent bien entendu qu'au cours du décodage itératif. On ne dispose pas à l'heure actuelle d'un critère permettant de déterminer à l'avance si le 5 décodage itératif pourra converger ou non. Même en l'absence de tout décodage itératif, un récepteur d'un système de télécommunication procède classiquement au décodage du code correcteur d'erreurs appliqué en transmission, que ce soit un code par 10 blocs, un code convolutif ou un code concaténé. Lorsque les conditions de transmission sont mauvaises, il arrive que le procédé de décodage ne puisse corriger toutes les erreurs affectant le bloc reçu. Dans ce cas, le récepteur envoie généralement une requête 15 automatique de retransmission ou ARQ (Automatic Repeat reQuest) à l'émetteur. Toutefois, le décodage du mot erroné aura alors grevé inutilement les ressources du récepteur, tant en termes d'énergie consommée qu'en temps de latence. 20 Le but de la présente invention est de permettre au récepteur de décider au préalable s'il y a lieu de procéder au décodage du code reçu, en particulier à un décodage itératif, afin de ne pas grever inutilement ses ressources. 25 EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie par un récepteur de système de télécommunication sans fil, comprenant un démodulateur adapté à démoduler un signal reçu d'une source via un canal de transmission pour 30 fournir un mot de code correcteur d'erreurs sous forme de valeurs souples ou dures, un décodeur adapté à 2910200 5 effectuer le décodage dudit mot de code, le récepteur comprenant en outre des moyens de décision adaptés à recevoir une estimation des coefficients d'évanouissement dudit canal pendant la transmission 5 dudit mot de code ainsi qu'une estimation de la variance de bruit ou de rapport signal à bruit, à en déduire une estimation de l'information mutuelle instantanée relative au dit canal, et à décider d'inhiber ou non le décodage du mot de code par le 10 décodeur, selon que le taux binaire de transmission de la source est respectivement supérieur ou inférieur à un seuil caractéristique de ladite information mutuelle instantanée. L'information mutuelle instantanée est 15 avantageusement estimée comme l'information mutuelle moyenne entre l'entrée et la sortie dudit canal pendant la durée de transmission du mot de code. Selon une première variante, le canal étant du type à une antenne d'émission et une antenne de 20 réception, l'information mutuelle instantanée est calculée selon : I inst ù ne i=1 Ii =1og Q ù 1 Ez log exp Q k=1 q=1 où ne est le nombre de coefficients d'évanouissement hi;i =1,..,ne du canal affectant le mot de code, Q et ak;k=l,..Q sont respectivement le cardinal et les éléments de l'alphabet de modulation binaire à symbole 2 1hiak+zùhiaq ù 26 2 2910200 6 utilisée pour moduler le mot de code avant sa transmission sur ledit canal, 62 est la variance du bruit affectant le canal, z un échantillon de bruit suivant une loi N(O,62) et Ez l'espérance sur z. Selon une seconde variante, le canal étant du type à une antenne d'émission et une antenne de réception, l'information mutuelle instantanée du canal est estimée à partir de : où n, est le nombre de coefficients d'évanouissement hz;i =1,..,ne du canal affectant le mot de code et y est le rapport signal à bruit en réception. De préférence, ladite valeur de seuil est égale à l'information mutuelle instantanée du canal diminuée d'une valeur d'offset strictement positive. La valeur d'offset peut être fonction d'au moins un paramètre appartenant au groupe constitué du niveau de charge de la batterie du récepteur, du type de codage dudit mot de code, du temps de latence maximal, du type de modulation et/ou du cardinal de l'alphabet de modulation utilisé pour moduler ledit mot de code avant sa transmission sur le canal. En outre, si le temps de vie d'un paquet contenant ledit mot de code est expiré, le décodage peut être aussi inhibé. 2910200 7 Avantageusement, le décodeur effectue un décodage itératif et peut être adapté à interrompre les itérations de décodage sur la base de l'écart entropique des informations a priori fournies par deux itérations successives ou, alternativement, sur la base d'une mesure de fiabilité des informations a priori. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de 5 l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention fait en référence aux figures jointes parmi lesquelles : La Fig. 1 représente un mot de code destiné à être transmis sur un canal de transmission à 10 évanouissements par blocs ; La Fig. 2 représente schématiquement un récepteur d'un système de télécommunication sans fil, selon un mode de réalisation de l'invention. 15 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Nous considérerons tout d'abord le cas d'un système de télécommunication sans fil, par exemple un système de télécommunication radiomobile, ayant une configuration SISO (Single Input Single Output), c'est- 20 à-dire à une seule antenne de transmission et une seule antenne de réception, le canal de transmission peut alors être modélisé de la manière suivante : y =hlxl+zl, i=1,...,N (1) 2910200 8 où xi et yz représentent respectivement les signaux transmis et reçu à l'instant tl=iT où T est la période symbole et N est le nombre de symboles dans le bloc, zl 5 est un échantillon de bruit BBAG de moyenne nulle et de variance 62 et les coefficients d'évanouissement hl sont des échantillons de variables aléatoires indépendantes et identiquement distribuées (i.i.d.), typiquement selon une loi de Rayleigh. 10 On sait que la capacité d'un canal au sens de Shannon est définie comme le maximum de l'information mutuelle moyenne I(X,Y), X et Y étant des variables aléatoires respectivement associées à l'entrée et à la sortie du canal. Par information mutuelle moyenne on 15 doit comprendre une information mutuelle moyennée sur les valeurs possibles x de la variable aléatoire d'entrée X et les valeurs possibles y de la variable aléatoire de sortie Y. Pour un canal sans mémoire, c'est-à-dire pour un 20 canal dont la sortie à un instant donné dépend seulement de l'entrée à cet instant et non des entrées et sorties précédentes, la capacité est définie comme le maximum de l'information mutuelle moyenne sur toutes les distributions possibles px de la variable d'entrée 25 2V, soit : C = max I(X,Y) (2) Px,P≤PT 2910200 9 où P = Etx2 } est la puissance moyenne du signal d'entrée et PT est la puissance maximale de l'émetteur. On rappelle que l'information mutuelle moyenne d'un couple de variables aléatoires X,Y est définie dans le 5 cas continu par : I (X , Y) _ JJ px,Y (x, y) log px,Y (x, y) dxdy (3) Px (x)py (y) où pxy(x,y) est la densité de probabilité conjointe de X et Y et px (x) , py(y) les densités de probabilité de 10 X et Y respectivement. Nous supposerons tout d'abord que le canal est ergodique, c'est-à-dire que h(iT) este un processus aléatoire à temps discret ergodique. La capacité 15 ergodique, ou capacité au sens de Shannon, du canal SISO modélisé par (1) s'exprime comme : C = EH {(4) 20 où EH{.} indique l'espérance sur la loi de probabilité des coefficients hl. On montre que la capacité ergodique du canal à évanouissements s'écrit alors . 25 C=EH}log(l+yh2} (5) 2910200 10 où y est le rapport signal à bruit (SNR) en réception. Le terme générique h a été utilisé en raison de l'identité des lois de probabilité des coefficients hl. 5 De même, on montre qu'un canal MIMO (Multiple Input Multiple Output) c'est-à-dire à pluralité d'antennes d'émission et pluralité d'antennes de réception peut être modélisé par : 10 yi = Hixi + zi i =1,.., N (6) où ici les xi et y; sont respectivement les vecteurs des signaux émis par les M antennes d'émission, et reçus par les P antennes de réception, Hi est la 15 matrice des coefficients de propagation entre les antennes d'émission et de réception, zi est un vecteur d'échantillons de bruit BBAG et N est le nombre d'utilisations du canal. On suppose que les coefficients des matrices Hi sont des échantillons de 20 variables aléatoires i.i.d. La capacité du canal MIMO est définie de manière similaire à (2) . C = max I(X,Y) 1,tr (R'.) _ 1 . La borne supérieure de l'expression (14) peut alors se décomposer en deux termes, comme suit : PER J p(h)dh + f fP (y, h) p(h)dh (13) heRR,.c heR,,.c 10 Le premier terme est une composante du taux d'erreur par paquet qui dépend de l'instance du canal. Le second terme est une composante du taux d'erreur par paquet qui dépend du niveau de bruit lorsque l'information 15 mutuelle instantanée est plus grande que le taux binaire de transmission R. L'information mutuelle instantanée du canal, c'est-à-dire, plus précisément ici, calculée sur la 20 durée de transmission du mot de code, peut être évaluée par : 1 n' Iinst Ii ne i=1 25 où I. est l'information mutuelle instantanée calculée sur le bloc i. Le comportement du canal sur un bloc peut être considéré, au coefficient multiplicatif hi près, comme étant de type BBAG. (14) 2910200 16 On suppose que le récepteur connaît les coefficients hl grâce à la détection de symboles pilotes et que le démodulateur symbole Q-aire à bits fournit une estimation de la variance de bruit 62. On 5 peut alors exprimer l'information mutuelle moyenne IZ du canal SISO : Ii=1og Q - 1 E Ez log exp Q k=1 q=1 (14') 2 kak+z- hiaq - 2- 2a2 10 où les aq=1,..,Q sont les symboles de l'alphabet de modulation et z=N(O,62). Au lieu d'estimer l'information mutuelle instantanée du canal à partir (14) et (14'), il est possible de l'évaluer empiriquement de manière 15 approchée par : ne Iinst Y hi 12 i=1 Si l'on considère maintenant un canal SISO avec une 20 modulation OFDM, et si l'on suppose qu'un mot de code est modulé sur un seul symbole OFDM, on peut montrer que l'information mutuelle instantanée peut être estimée par : 1 ( 25 linst = ùlog det IK + HEH K 6 (15) (16) 2910200 17 où K est le nombre de porteuses du symbole OFDM (par hypothèse K =n), IK est la matrice unité de taille K x K, E est la matrice de covariance du vecteur d'entrée, c'est-à-dire du vecteur des symboles de 5 l'alphabet, modulant les différentes porteuses, H = diag h e c'est-à-dire H est la matrice K diagonale dont les éléments sont les coefficients d'évanouissement des différentes porteuses et H est la transposée conjuguée de H. 10 Ce résultat peut se généraliser à un canal MIMO avec une modulation OFDM, en considérant M symboles OFDM concaténés comme vecteur d'entrée, où M est, comme indiqué plus haut, le nombre d'antennes 15 d'émission : 1 ( 1 linst = K log det IKP + 2 H E H où K est le nombre de porteuses du symbole OFDM, P est 20 le nombre d'antennes de réception, Im, est la matrice unité de taille KP x KP, H est une matrice de taille KPx KM diagonale par blocs, chacun des K blocs étant constitué d'une matrice de taille Px Al donnant les coefficients d'évanouissement entre les antennes 25 d'émission et les antennes de propagation à la fréquence d'une porteuse, et E est la matrice de covariance de signaux d'entrée, de taille KMxKM . (17) 2910200 18 La Fig. 2 représente de manière schématique un récepteur selon un mode de réalisation de l'invention. Le récepteur comprend un démodulateur symbole 210 5 démodulant le signal d'entrée pour fournir les symboles reçus, un estimateur de canal 220 estimant les coefficients hl sur la base de symboles pilote SP envoyés par l'émetteur. Les symboles d'information reçus S sont ensuite démodulés par le démodulateur 230 10 fournissant les mots de code c sous la forme de valeurs souples. Il faut noter que, si la modulation est de type BPSK, les symboles BPSK donnent directement les valeurs souples. Les mots de code ainsi obtenus sont ensuite transmis à un décodeur 240, par exemple un 15 décodeur itératif dans le cas d'un turbo-décodeur ou un décodeur à passage de messages. Alternativement, le démodulateur 230 peut fournir des valeurs dures, auquel cas le décodeur 240 est un décodeur ECC (Error Correcting Code) classique n'utilisant pas 20 d'information de fiabilité. Le récepteur comprend en outre des moyens de décision 250 recevant d'une part, de l'estimateur de canal 220, les estimations des coefficients d'évanouissement hl et d'autre part, du démodulateur 25 230, une estimation de la variance de bruit 62 et/ou du rapport signal à bruit y. La variance du bruit/ le rapport signal à bruit est calculé(e) par le démodulateur à l'aide des symboles reçus et des symboles correspondants non bruités. Ces derniers sont 30 eux-mêmes obtenus à partir des décisions dures et des estimations des coefficients d'évanouissement. 2910200 19 Les moyens de décision 250 connaissent le type de codage et de modulation utilisé ou MCS (Modulation and Coding Scheme), soit de manière implicite soit au moyen d'un message préalable transmis par l'émetteur. En 5 particulier, le récepteur connaît les symboles aq=1,..,Q de l'alphabet de modulation. Ces moyens de décision calculent l'information mutuelle instantanée du canal par exemple selon les expressions (14) et (14'), ou (15) pour un canal SISO, 10 ou selon l'expression (16) pour un canal SISO OFDM ou encore selon l'expression (17) pour un canal MIMO OFDM. Alternativement, les moyens de décision peuvent utiliser une table pré-calculée stockée en mémoire, indexée par les valeurs des hl, y et/ou 62. La table 15 peut avoir été obtenue par calcul d'une expression analytique telle que (14) et (14'), 15, 16 ou 17 ou bien encore avoir été obtenue par une simulation du canal Les moyens de décision 250 comparent l'information 20 mutuelle instantanée du canal ainsi estimée avec le taux binaire de transmission R. Si l'information mutuelle instantanée du canal est inférieure au taux binaire de transmission, les moyens de décision 250 inhibent le décodage car celui-ci ne serait pas capable 25 de corriger toutes les erreurs sur le mot de code. En revanche, si l'information mutuelle instantanée du canal est supérieure au taux binaire de transmission, les moyens de décision 250 autorisent le décodage car une correction des erreurs est alors possible. Si le 30 décodage est itératif, un critère d'interruption des itérations, connu en soi, peut alors être appliqué. 2910200 20 Lorsqu'ils inhibent le décodage, les moyens de décision peuvent simultanément déclencher la transmission d'un message de non-acquittement (NACK) pour requérir la retransmission (ARQ) du mot de code. 5 Alternativement, la reprise sur erreur interviendra à un niveau de protocole plus élevé. Selon une variante de réalisation, l'information mutuelle instantanée du canal, n'est pas comparée à R mais à un seuil réduit, par exemple à Rùb où cô >0 est 10 un offset de seuil qui peut dépendre de nombreux paramètres tels que le niveau de batterie du récepteur, le type de codage, le temps de latence maximal, le type de modulation et notamment du cardinal de l'alphabet de modulation Q. Si lins, REVENDICATIONS 1. Récepteur de système de télécommunication sans fil, comprenant un démodulateur (220, 230) adapté à démoduler un signal reçu d'une source via un canal de transmission pour fournir un mot de code correcteur d'erreurs sous forme de valeurs souples ou dures, un décodeur (240) adapté à effectuer le décodage dudit mot de code, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de décision (250) adaptés à recevoir une estimation des coefficients d'évanouissement dudit canal pendant la transmission dudit mot de code ainsi qu'une estimation de la variance de bruit ou de rapport signal à bruit, à en déduire une estimation de l'information mutuelle instantanée relative au dit canal, et à décider d'inhiber ou non le décodage du mot de code par le décodeur, selon que le taux binaire de transmission de la source est respectivement supérieur ou inférieur à un seuil caractéristique de ladite information mutuelle instantanée. 2. Récepteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'information mutuelle instantanée est estimée comme l'information mutuelle moyenne entre l'entrée et la sortie dudit canal pendant la durée de transmission du mot de code. 3. Récepteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que, le canal étant du type à une antenne d'émission et une antenne de réception, l'information mutuelle instantanée est calculée selon : 2910200 linst ù ne i=1 Ii =1og Q ù 1 Ez log exp Q k=1 q=1 où ne est le nombre de coefficients d'évanouissement hi;i =1,..,ne du canal affectant le mot de code, Q et ak;k=l,..Q sont respectivement le cardinal et les éléments de l'alphabet de modulation binaire à symbole utilisée pour moduler le mot de code avant sa transmission sur ledit canal, 62 est la variance du bruit affectant le canal, z un échantillon de bruit suivant une loi N(O,62) et Ez l'espérance sur z. 4. Récepteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le canal étant du type à une antenne d'émission et une antenne de réception, l'information mutuelle instantanée du canal est estimée à partir de : où ne est le nombre de coefficients d'évanouissement hi;i =1,..,ne du canal affectant le mot de code et y est le rapport signal à bruit en réception. 5. Récepteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite valeur de 2 hiak+zùhiaq ù 2a' 22 2910200 23 seuil est égale à l'information mutuelle instantanée du canal diminuée d'une valeur d'offset strictement positive. 6. Récepteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la valeur d'offset est fonction d'au moins un paramètre appartenant au groupe constitué du niveau de charge de la batterie du récepteur, du type de codage dudit mot de code, du temps de latence maximal, du type de modulation et/ou du cardinal de l'alphabet de modulation utilisé pour moduler ledit mot de code avant sa transmission sur le canal. 7. Récepteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que si le temps de vie d'un paquet contenant ledit mot de code est expiré, le décodage est encore inhibé. 8. Récepteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le décodeur effectue un décodage itératif. 9. Récepteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le décodeur est adapté à interrompre les itérations de décodage sur la base de l'écart entropique des informations a priori fournies par deux itérations successives. 10. Récepteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le décodeur est adapté à 2910200 24 interrompre les itérations dudit décodeur sur la base d'une mesure de fiabilité des informations a priori.