Méthodes itératives appliquées au décodage efficace de combinaisons de codes sur treillis

par Antoine Olivier Berthet

Thèse de doctorat en Sciences appliquées. Télécommunications et théorie de l'information

Sous la direction de Gérard Cohen.

Soutenue en 2001

à Paris, ENST .


  • Résumé

    Bien loin de ne se cantonner qu’à la théorie des codes correcteurs de canal (turbo codes), le regain d’intérêt pour les méthodes itératives s’est propagé à l’ensemble de la théorie des communications, donnant lieu à l’émergence d’un véritable principe turbo. Dans la théorie classique, les différentes fonctions qui composent le récepteur (détecteur, égaliseur, démodulateur, décodeur canal, décodeur source) sont activés séquentiellement, une fois et une seule. La propagation de décisions pondérées entre ces différentes fonctions (par opposition à des décisions fermes) permet de conserver la totalité de l’information sur les grandeurs à estimer disponible en sortie du canal de transmission. Néanmoins, le caractère fondamentalement sous-optimal du partitionnement de la chaine de réception en fonctions spécifiques distinctes n’ayant qu’une connaissance partielle les unes sur les autres (tout spécialement les premières sur les dernières) demeure. Le principe turbo a pour but de pallier cette difficulté. Il substitue à l’approche conventionnelle une approche itérative, consistant à activer plusieurs fois et selon un ordonnancement prédéterminé les différentes fonctions de la chaine de réception, lesquelles, formellement identifiées à des décodeurs concaténés en série, acceptent, délivrent, et échangent entre elles une information probabiliste (qualifiée d’information extrinsèque) constamment raffinée sur les grandeurs à estimer. La turbo détection est un premier exemple d’application du principe turbo. L’idée est de modéliser le canal à interférence entre symboles (IES) comme un code convolutif de rendement unité à polynôme générateur à coefficients complexes et variables dans le temps. Le décodage global de l’ensemble codage canal et canal IES, réalisé itérativement par circulation d’information extrinsèque entre les fonctions de détection/égalisation et de décodage canal, supprime l’IES. En exploitant le caractère hautement structuré des signaux interférents, le principe turbo fournit également d’excellents résultats dans le domaine de la détection multiutilisateur. D’autres exemples récents et prometteurs portent sur les fonctions de démodulation et décodage canal dans les modulations non linéaires à phase continue ou les fonctions de décodage source et décodage canal dans le codage source-canal conjoint. Cette thèse a pour thème principal la recherche et l’analyse de nouvelles applications du principe turbo. Elle se compose de deux grandes parties. La première partie de la thèse est consacrée à la conception de codes multiniveaux à haute efficacité spectrale pour le canal gaussien. Les schémas proposés impliquent une multitude de petits codes composants linéaires, convolutifs ou en blocs, concaténés ou non. Le décodage optimal symbole par symbole à entrées et sorties pondérées des codes linéaires en blocs, pour lesquels la recherche d’un treillis représentatif aussi peu complexe que possible constitue un problème fondamental, fait l’objet d’une étude approfondie (chapitre 2, en français). Le paramétrage (longueur, rendements par niveau, etc. ) et les performances des codes multiniveaux sont optimisés sous l’hypothèse d’un décodage multiétage itératif (chapitre 3, en anglais). La seconde partie de la thèse traite du problème du décodage en sortie de canaux sélectifs en fréquence de modulations codées concaténées, entrelacées au niveau bit ou pas. Nous examinons différentes approches à complexité réduite réalisant de manière complètement ou partiellement disjointe et itérative les opérations de détection/égalisation, décodage canal et estimation des coefficients de la réponse impulsionnelle du canal (chapitre 4, en anglais). Nous étendons ensuite ces approches au cas des modulations codées en treillis concaténées et des canaux à entrées et sorties multiples sélectifs en fréquence (chapitre 5, en anglais).

  • Titre traduit

    Iterative methods for efficient decoding of treillis code combinations


  • Résumé

    Far from concentrating on the theory error-correcting codes (e. G. , turbo codes), the renewed interest for iterative methods has spread to the entire communications theory and lead to the advent of a real turbo principle. In the classical theory, the different elements which make up the receiver (detector, equalizer, demodulator, channel decoder, source decoder) are activated sequentially only once in a given order. The propagation of soft decisions between those elements (in opposition to hard decisions) preserves all the information available at the channel output about the variables to estimate. But still remains the fundamental sub-optimality induced by the partitioning of the receiver chain into distinct specific functions, each of them acting with a partial knowledge on the others (especially the first ones on the last ones). The so-called turbo principle aims at recovering the optimality. It substitutes to the classical approach an iterative approach where the different functions of the receiver chain, formally identified to serially concatenated decoders and activated several times according to a given schedule, accept, deliver, and exchange constantly refined probabilistic information (referred to as extrinsic information) about the variables to estimate. The turbo detection is a first instance of the turbo principle. The basic idea consists in modelling the intersymbol interference channel (IIC) as a rate-1 time-varying convolutional code defined by a generator polynomial with complex coefficients. The serial concatenation of the error-correcting code and the IIC suggests the application of an iterative procedure between the two corresponding decoders, which, in effect, allows removing the intersymbol interference completely. Exploiting the highly structured nature of interfering signals, the turbo principle provides excellent results in multiuser detection as well. Other recent and promising applications are the demodulation of nonlinear continuous phase modulations or the decoding of joint source-channel codes. This PhD thesis is mainly focused on the identification and analysis of new instances of the turbo principle. The first part of the thesis is devoted to the design and iterative decoding of highly spectrally-efficient multilevel codes for the Gaussian channel. The proposed schemes involve a multitude of small linear component codes, convolutional or block, and concatenated or not. The optimal symbol-by-symbol decoding of linear block codes, for which finding a representative trellis as reduced as possible in complexity constitutes a fundamental issue, is thoroughly investigated (chapter 2, in French). The parametrization (length, rates at each level, etc. ) and the performance of the multilevel codes are optimized under iterative multistage decoding (chapter 3, in English). The second part of the thesis deals with near-optimal decoding of serially concatenated modulations, bit-interleaved or not, when transmission occurs over frequency-selective channels. We investigate different reduced-complexity approaches to perform detection/equalization, channel decoding and channel estimation in a completely or partially disjoint and iterative fashion (chapter 4, in English). These approaches are then extended to serially concatenated space-time trellis-coded modulations and frequency-selective multiple-input multiple-output (MIMO) channels (chapter 5, in English).

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Informations

  • Détails : 1 vol. (231 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 206 réf.

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