Turbo code is one of the most powerful error control codes since it has been introduced in 1993. Thanks to its remarkable performance, most of the recent mobile communication standards specify the code as their mandatory channel coding method. This is also true for LTE, which dominates the current market and upcoming LTE-Advanced standards. However, there have been only minor attempts to develop a turbo decoder, which fully supports those standards. The decoders should handle multi-rate codes because the standards dynamically control turbo code rate by puncturing the codes based on wireless channel condition. In addition, extremely high-throughput, 1Gbps, is required for the LTE-Advanced compatible turbo decoders.
This thesis proposes two decoding methods and a resultant turbo decoder design. Firstly, a memory-optimized hybrid decoding method is presented to properly decode multi-rate codes. The method takes ad-vantages of two traditional sliding window algorithms and provides superior error-correcting performance for multi-rate codes. It is more valuable because the method minimizes the additional hardware overhead, border metric memory size. Secondly, a tail-overlapped decoding method is proposed to significantly enhance the throughput of the decoder. No additional hardware is required as well as the error-correcting performance is kept for high-rate codes. Lastly, a LTE-Advanced compatible turbo decoder is designed by employing the two methods. Hybrid constituent decoder architecture and a contention-free extrinsic memory system for the tail-overlapped method are proposed.
The resultant decoder outperforms other traditional designs for multi-rate codes. In addition, the de-sign is synthesized in a 0.13μm CMOS process to measure the enhanced throughput and complexity. As a result, the decoder operates in 1Gbps in tail-overlapped mode and occupies only 30% gate counts of an im-portant previous work, which also targets the LTE-Advanced applications.
1993년 Berrou등에 의해 개발된 터보 코드는 현존하는 에러정정코드 중 가장 강력한 성능을 내기 때문에 최근의 이동 통신 시스템들에 필수적으로 적용되고 있다. 특히, 현재 이동 통신 시장을 선도하고 있는 LTE 시스템뿐만 아니라, 향후 상용화 될 LTE-Advanced 시스템에서도 터보 코드가 채널 코드로서 의무화되었다. 하지만 터보 코드를 디코딩하기 위한 터보 디코더는 반복적인 디코딩 방식으로 인하여 매우 긴 지연시간을 갖는 등 이동 단말을 위하여 구현하기 어렵다. 특히, LTE-Advanced 시스템이 요구하는 1Gbps의 높은 통신 속도와 채널 환경에 따라 다양하게 변화하는 코드 율에 대처하는 터보 디코더에 관한 연구는 지금까지 거의 이뤄지지 않았다.
본 논문에서는 다양한 코드 율을 갖는 터보 코드를 우수한 성능으로 디코딩하면서, 1Gbps 이상의 고속으로 동작할 수 있는 방법들을 제시하고, 그 결과를 이용하여 LTE-Advanced 시스템을 위한 저면적 고성능의 터보 디코더를 설계하였다. 먼저 다양한 코드 율을 갖는 코드에 대처하기 위하여 memory-optimized hybrid decoding method를 제안하였다. 제안된 방법은 전통적인 sliding window algorithm을 융합하고 dynamic metric encoding을 함으로써 추가로 필요한 메모리의 양을 최소화하는 장점을 갖고 있다. 또한, 높은 디코딩 속도를 내기 위하여 tail-overlapped decoding method를 제안하였다. 제안된 방법을 통해, 기존의 터보 디코더가 원치 않게 쉬는 구간인 phase switching latency를 제거함으로써 추가적인 하드웨어 없이 속도를 크게 개선하는 결과를 보였다. 최종적으로 구현된 터보 디코더는 다양한 채널 환경에서 기존의 디코더 구조들에 비해 우수한 에러정정능력을 보였으며, 0.13μm CMOS 공정에서 합성한 결과, 기존 연구에 비해 30% 수준의 하드웨어만으로 1Gbps 이상의 높은 디코딩 속도를 낼 수 있음이 증명 되었다.