dd4e4c81d48e85277608ebdd5c14499a566829b9
[debian/gnuradio] / gr-trellis / doc / gr-trellis.xml
1 <?xml version="1.0" encoding="ISO-8859-1"?>
2 <!DOCTYPE article PUBLIC "-//OASIS//DTD DocBook XML V4.2//EN"
3           "docbookx.dtd" [
4   <!ENTITY test_tcm_listing SYSTEM "test_tcm.py.xml">
5 ]>
6
7 <article>
8
9 <articleinfo>
10   <title>Trellis-based algorithms for GNU Radio</title>
11   <author>
12      <firstname>Achilleas</firstname>
13      <surname>Anastasopoulos</surname>
14      <affiliation>
15         <address>
16            <email>anastas@umich.edu</email>
17         </address>
18      </affiliation>
19   </author>
20
21 <revhistory>
22   <revision>
23   <revnumber>v0.0</revnumber>
24   <date>2006-08-03</date>
25   <revremark>
26     First cut.
27   </revremark>
28   </revision>
29
30 </revhistory>
31
32 <abstract><para>This document provides a description of the 
33 Finite State Machine (FSM) implementation and the related 
34 trellis-based encoding and decoding algorithms
35 for GNU Radio.
36 </para></abstract>
37
38 </articleinfo>
39
40
41
42
43 <!--=====================================================-->
44 <sect1 id="intro"><title>Introduction</title>
45
46 <para>....</para>
47
48 <para>
49 The basic goal of the implementation is to have a generic way of 
50 describing an FSM that is decoupled from whether it describes a 
51 convolutional 
52 code (CC), a trellis code (TC), an inter-symbol interference (ISI) 
53 channel, or any
54 other communication system that can be modeled with an FSM.
55 To achieve this goal, we need to separate the pure FSM descrition from the
56 rest of the model details. For instance, in the case of a rate 2/3 TC, 
57 the FSM should not involve details about the modulation used (it can
58 be an 8-ary PAM, or 8-PSK, etc). Similarly, when attempting maximum likelihood
59 sequence detection (MLSD)--using for instance the Viterbi algorithm (VA)--
60 the VA implementation should not be concerned with the channel details
61 (such as modulations, channel type, hard or soft inputs, etc).
62 Clearly, having generality as the primary goal implies some penalty
63 on the code efficiency, as compared to fully custom implementations. 
64 </para>
65
66 <para>
67 We will now describe the implementation of the basic ingedient, the FSM.
68 </para>
69
70 </sect1>
71
72
73 <!--=====================================================-->
74 <sect1 id="fsm"><title>The FSM class</title>
75
76 <para>An FSM describes the evolution of a system with inputs
77 x<subscript>k</subscript>, states s<subscript>k</subscript> and outputs y<subscript>k</subscript>. At time k the FSM state is s<subscript>k</subscript>. 
78 Upon reception of a new input symbol x<subscript>k</subscript>, it outputs an output symbol
79 y<subscript>k</subscript> which is a function of both x<subscript>k</subscript> and s<subscript>k</subscript>.  
80 It will then move to a next state s<subscript>k+1</subscript>.
81 An FSM has a finite number of states, input and output symbols. 
82 All these are formally described as follows:
83 </para>
84
85 <itemizedlist>
86 <listitem><para>The input alphabet A<subscript>I</subscript>={0,1,2,...,I-1}, with cardinality I, so that x<subscript>k</subscript> takes values in A<subscript>I</subscript>.</para></listitem>
87 <listitem><para>The state alphabet A<subscript>S</subscript>={0,1,2,...,S-1}, with cardinality S, so that s<subscript>k</subscript> takes values in A<subscript>S</subscript>.</para></listitem>
88 <listitem><para>The output alphabet A<subscript>O</subscript>={0,1,2,...,O-1}, with cardinality O, so that y<subscript>k</subscript> takes values in A<subscript>O</subscript></para></listitem>
89 <listitem><para>The "next-state" function NS: A<subscript>S</subscript> x A<subscript>I</subscript> --> A<subscript>S</subscript>, 
90 with the meaning 
91 s<subscript>k+1</subscript> = NS(s<subscript>k</subscript>, x<subscript>k</subscript>)</para></listitem>
92 <listitem><para>The "output-symbol" function OS: A<subscript>S</subscript> x A<subscript>I</subscript> --> A<subscript>S</subscript>, 
93 with the meaning 
94 y<subscript>k</subscript> = OS(s<subscript>k</subscript>, x<subscript>k</subscript>)</para></listitem>
95 </itemizedlist>
96
97 <para>
98 Thus, a complete description of the FSM is given by the 
99 the five-tuple (I,S,O,NS,OS).
100 Observe that implementation details are hidden 
101 in how the outside world interprets these input and output 
102 integer symbols.
103 Here is an example of an FSM describing the (2,1) CC
104 with constraint length 3 and generator polynomial matrix
105 (1+D+D<superscript>2</superscript> ,  1+D<superscript>2</superscript>)
106 from Proakis-Salehi pg. 779.
107 </para>
108
109
110 <example id="cc_ex"><title>(2,1) CC with generator polynomials (1+D+D<superscript>2</superscript> , 1+D<superscript>2</superscript>)</title>
111
112 <para>
113 This CC accepts 1 bit at a time, and outputs 2 bits at a time.
114 It has a shift register storing the last two input bits.
115 In particular, 
116 b<subscript>k</subscript>(0)=x<subscript>k</subscript>+
117 x<subscript>k-1</subscript>+x<subscript>k-2</subscript>, and
118 b<subscript>k</subscript>(1)=x<subscript>k</subscript>+
119 x<subscript>k-2</subscript>, where addition is mod-2. 
120 We can represent the state of this system
121 as s<subscript>k</subscript> = (x<subscript>k-1</subscript> x<subscript>k-2</subscript>)<subscript>10</subscript>. In addition we can represent its
122 output symbol as y<subscript>k</subscript> = (b<subscript>k</subscript>(1) b<subscript>k</subscript>(0))<subscript>10</subscript>. 
123 Based on the above assumptions, the input alphabet A<subscript>I</subscript>={0,1}, so I=2; 
124 the state alphabet A<subscript>S</subscript>={0,1,2,3}, so S=4; and
125 the output alphabet A<subscript>O</subscript>={0,1,2,3}, so O=4.
126 The "next-state" function NS(,) is given by
127 <programlisting>
128 s<subscript>k</subscript>       x<subscript>k</subscript>       s<subscript>k+1</subscript>
129 0       0       0
130 0       1       2
131 1       0       0
132 1       1       2
133 2       0       1
134 2       1       3
135 3       0       1
136 3       1       3
137 </programlisting>
138 The "output-symbol" function OS(,) can be given by
139 <programlisting>
140 s<subscript>k</subscript>       x<subscript>k</subscript>       y<subscript>k</subscript>
141 0       0       0
142 0       1       3
143 1       0       3
144 1       1       0
145 2       0       1
146 2       1       2
147 3       0       2
148 3       1       1
149 </programlisting>
150 </para>
151
152 <para>
153 Note that although the CC outputs 2 bits per time period, following 
154 our approach, there is only one (quaternary) output symbol per 
155 time period (for instance, here we use the decimal representation 
156 of the 2-bits). Also note that the modulation used is not part of 
157 the FSM description: it can be BPSK, OOK, BFSK, QPSK with or without Gray mapping, etc; 
158 it is up to the rest of the program to interpret the meaning of 
159 the symbol y<subscript>k</subscript>.
160 </para>
161
162 </example>
163
164
165 <para>
166 The C++ implementation of the FSM class keeps private information about
167 I,S,O,NS,OS and public methods to read and write them. The NS
168 and OS matrices are implemented as STL 1-dimensional vectors.
169 </para>
170
171 <programlisting>
172 class fsm {
173 private:
174   int d_I;
175   int d_S;
176   int d_O;
177   std::vector&lt;int&gt; d_NS;
178   std::vector&lt;int&gt; d_OS;
179   std::vector&lt;int&gt; d_PS;
180   std::vector&lt;int&gt; d_PI;
181 public:
182   fsm();
183   fsm(const fsm &amp;FSM);
184   fsm(const int I, const int S, const int O, const std::vector&lt;int&gt; &amp;NS, const std::vector&lt;int&gt; &amp;OS);
185   fsm(const char *name);
186   fsm(const int mod_size, const int ch_length);
187   int I () const { return d_I; }
188   int S () const { return d_S; }
189   int O () const { return d_O; }
190   const std::vector&lt;int&gt; &amp; NS () const { return d_NS; }
191   const std::vector&lt;int&gt; &amp; OS () const { return d_OS; }
192   const std::vector&lt;int&gt; &amp; PS () const { return d_PS; }
193   const std::vector&lt;int&gt; &amp; PI () const { return d_PI; }
194 };
195 </programlisting>
196
197 <para>
198 As can be seen, other than the trivial and the copy constructor, 
199 there are three additional
200 ways to construct an FSM. 
201 </para>
202
203 <itemizedlist>
204 <listitem>
205 <para>Supplying the parameters I,S,O,NS,OS:</para>
206 <programlisting>
207   fsm(const int I, const int S, const int O, const std::vector&lt;int&gt; &amp;NS, const std::vector&lt;int&gt; &amp;OS);
208 </programlisting>
209 </listitem>
210
211 <listitem>
212 <para>Giving a filename containing all the FSM information:</para>
213 <programlisting>
214   fsm(const char *name);
215 </programlisting>
216 <para>
217 This information has to be in the following format:
218 <programlisting>
219 I S O
220
221 NS(0,0)   NS(0,1)   ...  NS(0,I-1)
222 NS(1,0)   NS(1,1)   ...  NS(1,I-1)
223 ...
224 NS(S-1,0) NS(S-1,1) ...  NS(S-1,I-1)
225
226 OS(0,0)   OS(0,1)   ...  OS(0,I-1)
227 OS(1,0)   OS(1,1)   ...  OS(1,I-1)
228 ...
229 OS(S-1,0) OS(S-1,1) ... OS(S-1,I-1)
230 </programlisting>
231 </para>
232 <para>
233 For instance, the file containing the information for the example mentioned above is of the form:
234 <programlisting>
235 2 4 4
236
237 0 2
238 0 2
239 1 3
240 1 3
241
242 0 3
243 3 0
244 1 2
245 2 1
246 </programlisting>
247 </para>
248 </listitem>
249
250 <listitem>
251 <para>The third way is specific to FSMs resulting from shift registers, and the output symbol being the entire transition (ie, current_state and current_input). These FSMs are usefull when describibg ISI channels. In particular the state is comprised of the.....
252 </para>
253 <programlisting>
254   fsm(const int mod_size, const int ch_length);
255 </programlisting>
256 </listitem>
257
258 </itemizedlist>
259
260
261 <para>
262 Finally, as can be seen from the above description, there are
263 two more variables included in the FSM class implementation, 
264 the PS and the PI matrices. These are computed internally 
265 when an FSM is instantiated and their meaning is as follows.
266 Sometimes (eg, in the traceback operation of the VA) we need
267 to trace the history of the state or the input sequence. 
268 To do this we would like to know for a given state s<subscript>k</subscript>, what are the possible previous states s<subscript>k-1</subscript>
269 and what input symbols x<subscript>k-1</subscript> will get us from 
270 s<subscript>k-1</subscript> to s<subscript>k</subscript>. This information can be derived from NS; however we want to have it ready in a 
271 convenient format. 
272 In the following we assume that for any state, 
273 the number of incoming transitions is the same as the number of 
274 outgoing transitions, ie, equal to I. All applications of interest 
275 have FSMs satisfying this requirement.
276
277 If we arbitrarily index the incoming transitions to the current state 
278 by "i", then  as i goes from 0 to I-1, PS(s<subscript>k</subscript>,i)
279 gives all previous states s<subscript>k-1</subscript>,
280 and PI(s<subscript>k</subscript>,i) gives all previous inputs x<subscript>k-1</subscript>.
281 In other words, for any given s<subscript>k</subscript> and any index i=0,1,...I-1, starting from 
282 s<subscript>k-1</subscript>=PS(s<subscript>k</subscript>,i)
283 with input 
284 x<subscript>k-1</subscript>=PI(s<subscript>k</subscript>,i)
285 will get us to the state s<subscript>k</subscript>. 
286 More formally, for any i=0,1,...I-1 we have
287 s<subscript>k</subscript> = NS(PS(s<subscript>k</subscript>,i),PI(s<subscript>k</subscript>,i)).
288
289 </para>
290
291
292 </sect1>
293
294
295
296
297
298 <!--=====================================================-->
299 <sect1 id="tcm"><title>TCM: A Complete Example</title>
300
301 <para>
302 We now discuss through a concrete example how
303 the above FSM model can be used in GNU Radio.
304
305 The communication system that we want to simulate
306 consists of a source generating the
307 input information in packets, a CC encoding each packet separately, 
308 a memoryless modulator,
309 an additive white Gaussian noise (AWGN) channel, and
310 the VA performing MLSD.
311 The program source is as follows.
312 </para>
313
314 &test_tcm_listing;
315
316 <para>
317 The program is called by
318 <literallayout>
319 ./test_tcm.py fsm_fname Es/No_db repetitions
320 </literallayout>
321 where "fsm_fname" is the file containing the FSM specification of the
322 tested TCM code, "Es/No_db" is the SNR in dB, and "repetitions" 
323 are the number of packets to be transmitted and received in order to
324 collect sufficient number of errors for an accurate estimate of the
325 error rate.
326 </para>
327
328 <para>
329 The FSM is first intantiated in "main" by 
330 </para>
331 <programlisting>
332  62      f=trellis.fsm(fname) # get the FSM specification from a file (will hopefully be automated in the future...)
333 </programlisting>
334
335
336
337
338
339
340
341 <para>
342 Each packet has size Kb bits
343 (we choose Kb to be a multiple of 16 so that all bits fit nicely into shorts and can be generated by the lfsr GNU Radio).
344 Assuming that the FSM input has cardinality I, each input symbol consists 
345 of bitspersymbol=log<subscript>2</subscript>( I ). The Kb/16 shorts are now 
346 unpacked to K=Kb/bitspersymbol input
347 symbols that will drive the FSM encoder.
348 </para>
349 <programlisting>
350  63      Kb=1024*16  # packet size in bits (make it multiple of 16 so it can be packed in a short)
351  64      bitspersymbol = int(round(math.log(f.I())/math.log(2))) # bits per FSM input symbol
352  65      K=Kb/bitspersymbol # packet size in trellis steps
353 </programlisting>
354
355
356
357 <para>
358 The FSM will produce K output symbols (remeber the FSM produces always one output symbol for each input symbol). Each of these symbols needs to be modulated. Since we are simulating the communication system, we need not simulate the actual waveforms. An M-ary, N-dimensional
359 modulation is completely specified by a set of M, N-dimensional real vectors. In "fsm_utils.py" file we give a number of useful modulations with the following format: modulation = (N,constellation), where
360 constellation=[c11,c12,...,c1N,c21,c22,...,c2N,...,cM1,cM2,...cMN].
361 The meaning of the above is that every constellation point c_i
362 is an N-dimnsional vector c_i=(ci1,ci2,...,ciN)
363 For instance, 4-ary PAM is represented as
364 (1,[-3, -1, 1, 3]), while QPSK is represented as
365 (2,[1, 0, 0, 1, 0, -1, -1, 0]). In our example we choose QPSK modulation.
366 Clearly, M should be equal to the cardinality of the FSM output, O.
367 Finally the average symbol energy and noise variance are calculated.
368 </para>
369 <programlisting>
370  66      modulation = fsm_utils.psk4 # see fsm_utlis.py for available predefined modulations
371  67      dimensionality = modulation[0]
372  68      constellation = modulation[1]
373  69      if len(constellation)/dimensionality != f.O():
374  70          sys.stderr.write (&apos;Incompatible FSM output cardinality and modulation size.\n&apos;)
375  71          sys.exit (1)
376  72      # calculate average symbol energy
377  73      Es = 0
378  74      for i in range(len(constellation)):
379  75          Es = Es + constellation[i]**2
380  76      Es = Es / (len(constellation)/dimensionality)
381  77      N0=Es/pow(10.0,esn0_db/10.0); # noise variance
382 </programlisting>
383
384
385
386 <para>
387 Then, "run_test" is called with a different "seed" so that we get
388 different noise realizations.
389 </para>
390 <programlisting>
391  82          (s,e)=run_test(f,Kb,bitspersymbol,K,dimensionality,constellation,N0,-long(666+i)) # run experiment with different seed to get different noise realizations
392 </programlisting>
393
394
395
396 <para>
397 Let us examine now the "run_test" function. 
398 First we set up the transmitter blocks.
399 The Kb/16 shorts are first unpacked to 
400 symbols consistent with the FSM input alphabet.
401 The FSm encoder requires the FSM specification,
402 and an initial state (which is set to 0 in this example).
403 </para>
404 <programlisting>
405  15      # TX
406  16      src = gr.lfsr_32k_source_s()
407  17      src_head = gr.head (gr.sizeof_short,Kb/16) # packet size in shorts
408  18      s2fsmi = gr.packed_to_unpacked_ss(bitspersymbol,gr.GR_MSB_FIRST) # unpack shorts to symbols compatible with the FSM input cardinality
409  19      enc = trellis.encoder_ss(f,0) # initial state = 0
410 </programlisting>
411
412
413
414
415 <para>
416 We now need to modulate the FSM output symbols.
417 The "chunks_to_symbols_sf" is essentially a memoryless mapper which 
418 for each input symbol y_k 
419 outputs a sequence of N numbers ci1,ci2,...,ciN  representing the 
420 coordianates of the constellation symbol c_i with i=y_k.
421 </para>
422 <programlisting>
423  20      mod = gr.chunks_to_symbols_sf(constellation,dimensionality)
424 </programlisting>
425
426 <para>
427 The channel is AWGN with appropriate noise variance.
428 For each transmitted symbol c_k=(ck1,ck2,...,ckN) we receive a noisy version
429 r_k=(rk1,rk2,...,rkN).
430 </para>
431 <programlisting>
432  22      # CHANNEL
433  23      add = gr.add_ff()
434  24      noise = gr.noise_source_f(gr.GR_GAUSSIAN,math.sqrt(N0/2),seed)
435 </programlisting>
436
437
438
439 <para>
440 Part of the design methodology was to decouple the FSM and VA from
441 the details of the modulation, channel, receiver front-end etc.
442 In order for the VA to run, we only need to provide it with
443 a number representing a cost associated with each transition 
444 in the trellis. Then the VA will find the sequence with 
445 the smallest total cost through the trellis. 
446 The cost associated with a transition (s_k,x_k) is only a function
447 of the output y_k = OS(s_k,x_k), and the observation
448 vector r_k. Thus, for each time period, k,
449 we need to label each of the SxI transitions with such a cost.
450 This means that for each time period we need to evaluate 
451 O such numbers (one for each possible output symbol y_k). 
452 This is done 
453 in "metrics_f". In particular, metrics_f is a memoryless device
454 taking N inputs at a time and producing O outputs. The N inputs are
455 rk1,rk2,...,rkN.
456 The O outputs
457 are the costs associated with observations rk1,rk2,...,rkN and
458 hypothesized output symbols c_1,c_2,...,c_M. For instance,
459 if we choose to perform soft-input VA, we need to evaluate
460 the Euclidean distance between r_k and each of c_1,c_2,...,c_M,
461 for each of the K transmitted symbols.
462 Other options are available as well; for instance, we can
463 do hard decision demodulation and feed the VA with 
464 symbol Hamming distances, or even bit Hamming distances, etc.
465 These are all implemented in "metrics_f".
466 </para>
467 <programlisting>
468  26      # RX
469  27      metrics = trellis.metrics_f(f.O(),dimensionality,constellation,trellis.TRELLIS_EUCLIDEAN) # data preprocessing to generate metrics for Viterbi
470 </programlisting>
471
472 <para>
473 Now the VA can run once it is supplied by the initial and final states.
474 The initial state is known to be 0; the final state is usually 
475 forced to some value by padding the information sequence appropriately.
476 In this example, we always send the the same info sequence (we only randomize noise) so we can evaluate off line the final state and then provide it to the VA (a value of -1 signifies that there is no fixed initial
477 or final state). The VA outputs the estimates of the symbols x_k which
478 are then packed to shorts and compared with the transmitted sequence.
479 </para>
480 <programlisting>
481  28      va = trellis.viterbi_s(f,K,0,-1) # Put -1 if the Initial/Final states are not set.
482  29      fsmi2s = gr.unpacked_to_packed_ss(bitspersymbol,gr.GR_MSB_FIRST) # pack FSM input symbols to shorts
483  30      dst = gr.check_lfsr_32k_s();
484 </programlisting>
485
486
487
488
489 <para>
490 The function returns the number of shorts and the number of shorts in error. Observe that this way the estimated error rate refers to 
491 16-bit-symbol error rate.
492 </para>
493 <programlisting>
494  48      return (ntotal,ntotal-nright)
495 </programlisting>
496
497
498
499 </sect1>
500
501
502 <!--====================n================================-->
503 <sect1 id="future"><title>Future Work</title>
504
505
506
507 <itemizedlist>
508
509 <listitem>
510 <para>
511 Improve the documentation :-)
512 </para>
513 </listitem>
514
515 <listitem>
516 <para>
517 automate fsm generation from generator polynomials 
518 (feedforward or feedback form).
519 </para>
520 </listitem>
521
522 <listitem>
523 <para>
524 Optimize the VA code.
525 </para>
526 </listitem>
527
528 <listitem>
529 <para>
530 Provide implementation of soft-input soft-output (SISO) decoders for 
531 potential use in concatenated systems. Also a host of suboptimal
532 decoders, eg, sphere decoding, M- and T- algorithms, sequential decoding, etc.
533 can be implemented.
534 </para>
535 </listitem>
536
537
538 <listitem>
539 <para>
540 Although turbo decoding is rediculously slow in software, 
541 we can design it in principle. One question is, whether we should 
542 use the encoder, and SISO blocks and connect them
543 through GNU radio or we should implement turbo-decoding
544 as a single block (issues with buffering between blocks).
545 </para>
546 </listitem>
547
548 </itemizedlist>
549
550 </sect1>
551
552
553 </article>