JP4634423B2 - Information transmission / reception method, encoding apparatus, and decoding apparatus - Google Patents

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Description

この発明は、情報送受信方法、符号化装置および復号化装置に関する。   The present invention relates to an information transmission / reception method, an encoding device, and a decoding device.

従来より、雑音を有する通信路を介した情報伝達においては、通信路で発生する誤りを訂正する仕組みを情報に付加した符号語を生成して通信路に入力し、通信路から出力された符号語を、付加された仕組みを用いて復号することで、雑音により発生する情報の誤りを訂正して信頼性の高い情報伝達を実現する通信路符号化が行なわれている。すなわち、雑音を有する通信路における通信路符号化においては、符号器によって「情報ビット」に「誤り訂正のためのビット」を付加した符号語を生成し、通信路から出力された符号語を、復号器が「誤り訂正のためのビット」を用いて復号することで誤り訂正処理を行なっている。   Conventionally, in information transmission via a noisy communication channel, a code word is generated by adding a mechanism for correcting an error that occurs in the communication channel to the information, input to the communication channel, and the code output from the communication channel Channel decoding that corrects information errors caused by noise and realizes highly reliable information transmission is performed by decoding a word using an added mechanism. That is, in channel coding in a channel having noise, a code word in which “bit for error correction” is added to “information bit” by an encoder is generated, and the code word output from the channel is The decoder performs error correction processing by decoding using “bits for error correction”.

ここで、雑音を有する通信路における通信路符号化においては、以下の3つの課題がある。   Here, there are the following three problems in channel coding in a channel having noise.

第1の課題は、「必ずしも加法的雑音とは限らない一般の雑音を有する通信路に対しても適用でき、復号誤りを任意に小さくすること」である。ここで、加法的雑音を有する通信路とは、例えば、「0」および「1」から構成される情報が通信路から出力された場合、「0」が「1」として誤って出力される確率、および「1」が「0」として誤って出力される確率が固定値である2元対称通信路(Binary Symmetric Channel)のようにモデル化された通信路のことであり、一般の雑音を有する通信路とは、「0」が「1」として誤って出力される確率、および「1」が「0」として誤って出力される確率が情報伝達ごとに変動する通信路のことである。すなわち、第1の課題は、このような一般の雑音を有する通信路においても、復号誤りを任意に小さくすることができる情報の符号化および復号を可能にする通信路符号化を達成することである。   The first problem is “to be applied to a communication channel having general noise that is not necessarily additive noise, and to arbitrarily reduce decoding errors”. Here, the communication path having additive noise is, for example, the probability that “0” is erroneously output as “1” when information composed of “0” and “1” is output from the communication path. , And a channel that is modeled like a binary symmetric channel that has a fixed probability of being erroneously output as "0" and has general noise The communication path is a communication path in which the probability that “0” is erroneously output as “1” and the probability that “1” is erroneously output as “0” vary for each information transmission. That is, the first problem is to achieve channel coding that enables encoding and decoding of information that can arbitrarily reduce decoding errors even in a channel having such general noise. is there.

第2の課題は、「通信路容量に近い伝送レート(符号化レート)で符号化できること」である。ここで、通信路容量とは、通信路が誤りなく伝送できる情報の最大量のことである。また、伝送レート(符号化レート)とは、「情報ビット数」に対する「誤り訂正符号化後のビット数」の比であり、例えば、伝送レート(符号化レート)が「8/9」とは、8ビットの「情報ビット」に対して、1ビットの「誤り訂正のためのビット」を付加して、9ビットの符号語を生成することを意味する。すなわち、第2の課題は、通信路が誤りなく伝送できる情報の最大量の限界近くまで、「誤り訂正のためのビット」を付加する情報の符号化を可能にする通信路符号化を達成することである。   The second problem is “being able to encode at a transmission rate (encoding rate) close to the channel capacity”. Here, the channel capacity is the maximum amount of information that can be transmitted without error on the channel. The transmission rate (encoding rate) is the ratio of the “number of bits after error correction encoding” to the “number of information bits”. For example, the transmission rate (encoding rate) is “8/9”. , 8 bits of “information bits” and 1 bit of “bits for error correction” are added to generate a 9-bit code word. That is, the second problem is to achieve channel coding that enables coding of information to which “bits for error correction” are added, close to the limit of the maximum amount of information that the channel can transmit without error. That is.

第3の課題は、「符号化および復号化が効率的に実時間で実行可能とすること」である。具体的には、線形符号によって情報を符号化する際に用いられる多項式のオーダーが、1乗から3乗のオーダーに収まるようにすることで、情報伝達における符号器および復号器の計算処理を少なくして、情報伝達にかかる時間を短くすることを可能にする通信路符号化を達成することである。   The third problem is “to enable efficient encoding and decoding in real time”. Specifically, the calculation order of the encoder and decoder in information transmission can be reduced by making the order of polynomials used when encoding information with linear codes fall within the order of the first power to the third power. Thus, it is to achieve channel coding that makes it possible to shorten the time required for information transmission.

これら3つの課題を部分的に解決する通信路符号は、数多く存在するが、代表的なものとしては、以下のものが挙げられる。   There are many communication path codes that partially solve these three problems, but typical ones include the following.

第1の課題および第2の課題を解決する通信路符号としては、ランダム符号化によって構成されるタイプ一定符号(ユニバーサル符号)が知られており(非特許文献1参照)、また、第1の課題および第3の課題を解決する通信路符号としては、ブロック符号であるリードソロモン符号(Read−Solomon Coding)が知られている(非特許文献2参照)。   As a channel code that solves the first problem and the second problem, a fixed type code (universal code) constituted by random coding is known (see Non-Patent Document 1). A Reed-Solomon code (Read-Solomon Coding) that is a block code is known as a channel code that solves the problem and the third problem (see Non-Patent Document 2).

また、第2の課題および第3の課題を解決する通信路符号としては、リードソロモン符号と同じくブロック符号であり、sum−product法などの効率的な最適化アルゴリズムによる復号ができる低密度パリティ検査符号(LDPC符号、LDPC:Low Density Parity Check)が知られている(非特許文献3および非特許文献4参照)。ここで、LDPC符号は、非常に疎な疎行列であるパリティ検査行列(低密度パリティ検査行列:LDPC行列)により定義される線形ブロック符号であり、通信路符号のみならず、情報源を符号化によって圧縮する情報源符号化においても、有用な手法として知られている(非特許文献5参照)。   The channel code that solves the second and third problems is a block code similar to the Reed-Solomon code, and a low-density parity check that can be decoded by an efficient optimization algorithm such as the sum-product method. A code (LDPC code, LDPC: Low Density Parity Check) is known (see Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4). Here, the LDPC code is a linear block code defined by a parity check matrix (low density parity check matrix: LDPC matrix) that is a very sparse matrix, and encodes not only a channel code but also an information source. It is also known as a useful technique in information source coding compressed by the above (see Non-Patent Document 5).

また、LDPC符号に量子化手法を組み合わせることにより、第1の課題も解決する可能性のあることが、理論的な観点から考察されている(非特許文献6参照)。   Moreover, it is considered from a theoretical viewpoint that there is a possibility that the first problem may be solved by combining a quantization method with an LDPC code (see Non-Patent Document 6).

また、LDPC符号と同様な特性を有する通信路符号としては、畳み込み符号であるターボ符号が知られている(非特許文献7参照)。   Further, a turbo code that is a convolutional code is known as a channel code having characteristics similar to those of an LDPC code (see Non-Patent Document 7).

植松友彦著、「現代シャノン理論―タイプによる情報理論」、培風館、1998年7月、p64−77Tomohiko Uematsu, "Contemporary Shannon Theory-Information Theory by Type", Baifukan, July 1998, p64-77 平澤茂一、西島利尚著、「符号理論入門」、培風館、1999年11月、p101−107Shigeichi Hirasawa, Toshihisa Nishijima, “Introduction to Code Theory”, Baifukan, November 1999, p101-107 和田山正著、「低密度パリティ検査符号とその復号法」、トリケップス社、2002年6月、p23−42、p65−99Wadayama Tadashi, "Low-density parity check code and its decoding method", Trikeps, June 2002, p23-42, p65-99. D. J. C. MacKay, “Good error-correcting codes based on very separate matrices.”, IEEE Transactions on Information Theory, Vol. IT-45, No. 2, pp.399-431, 1999D. J. C. MacKay, “Good error-correcting codes based on very separate matrices.”, IEEE Transactions on Information Theory, Vol. IT-45, No. 2, pp.399-431, 1999 S. Miyake and J. Muramatsu, “Construction of a lossy source code using LDPC matrices.”, 信学技報, Vol. IT2006-51, pp.7-12, 2007S. Miyake and J. Muramatsu, “Construction of a lossy source code using LDPC matrices.”, IEICE Technical Report, Vol. IT2006-51, pp.7-12, 2007 A. Bennatan and D. Burshtein, “On the application of LDPC codes to arbitrary discrete-memoryless-channels.”, IEEE Transactions on Information Theory, Vol. IT-50, No. 3, pp.417-438, 2004A. Bennatan and D. Burshtein, “On the application of LDPC codes to arbitrary discrete-memoryless-channels.”, IEEE Transactions on Information Theory, Vol. IT-50, No. 3, pp.417-438, 2004 C. Berrou and A. Glavieux, “Near optimum error correcting coding and decoding: Turbo-Codes.”, IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-44, No. 10, pp.1261-1271, 1996C. Berrou and A. Glavieux, “Near optimum error correcting coding and decoding: Turbo-Codes.”, IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-44, No. 10, pp.1261-1271, 1996

ところで、上記した従来の通信路符号は、第1の課題、第2の課題および第3の課題のすべてを実用運用面において解決するものではない。   By the way, the above-described conventional communication path code does not solve all of the first problem, the second problem, and the third problem in terms of practical operation.

すなわち、上記した従来のタイプ一定符号は、ランダム符号化によって構成されるものであるとともに、復号法に最尤推定や相互情報量最大推定を用いるため、効率的な復号が行なえないため、第3の課題を解決することができない。   That is, the above-described conventional constant type code is configured by random encoding, and since maximum likelihood estimation and mutual information maximum estimation are used for the decoding method, efficient decoding cannot be performed. The problem cannot be solved.

また、上記した従来のリードソロモン符号は、singlton bound(限界)を満足する最大距離分離符号であり、復号時の誤り確率を限りなく「0」に近い値にするためにはブロック長を大きくすることとなり、必然的に伝送レートは漸近的に「0」に近づいていくため、第2の課題を解決することができない。また、リードソロモン符号と畳み込み符号とを組み合わせるなど、既存の符号同士を組み合わせることで、伝送レートの効率化と符号器および復号器による計算の効率化とを同時に実現する構成を実現する試みが数多くなされてきたが、応用的な面からは、あまり不自由なく利用できるようになっているものの、通信路容量に近い伝送レートで情報を送信できるとともに、復号時の誤り確率を限りなく「0」に近い値にすることができるシャノン限界に達することができるものは、依然として構成されていない。   The conventional Reed-Solomon code described above is a maximum distance separation code that satisfies the single bound (limit), and in order to make the error probability at the time of decoding as close to “0” as possible, the block length is increased. As a result, the transmission rate inevitably approaches “0”, so the second problem cannot be solved. In addition, many attempts have been made to realize a configuration that simultaneously realizes transmission rate efficiency and calculation efficiency by an encoder and a decoder by combining existing codes such as a Reed-Solomon code and a convolutional code. Although it has been made from an application viewpoint, it can be used without much inconvenience, but information can be transmitted at a transmission rate close to the channel capacity, and the error probability at the time of decoding is “0”. Anything that can reach the Shannon limit that can be close to is still not configured.

また、上記した従来のLDPC符号は、シャノン限界を達成する可能性を持つとされているが、線形符号をベースとしているので、その有効性は、加法的雑音下の通信路に限られているため、第1の課題を解決することができない。   Moreover, although the above-mentioned conventional LDPC code is said to have the possibility of achieving the Shannon limit, since it is based on a linear code, its effectiveness is limited to communication channels under additive noise. Therefore, the first problem cannot be solved.

また、上記した従来のLDPC符号に量子化手法を組み合わせた方法は、漸近的に大きくする量が、ブロック長のみならず、符号器の量子化パラメータも含むため、現実的な符号器として実装には困難である。   In addition, the above-described conventional LDPC code combined with a quantization method includes an encoder asymptotically increased in amount, not only the block length but also the quantization parameter of the encoder. It is difficult.

また、上記した従来のターボ符号は、第2の課題および第3の課題を解決する場合があることが経験的にわかっているのみであり、LDPC符号のように理論的な解析が進んでいない。   In addition, the above-described conventional turbo code is only empirically known to sometimes solve the second and third problems, and theoretical analysis is not progressing like the LDPC code. .

このように、上記した従来の通信路符号は、第1の課題、第2の課題および第3の課題のすべてを実用運用面において解決する技術ではないので、一般の雑音を有する通信路の通信路容量に近い伝送レートで情報を送信できるとともに、復号時の誤り確率を限りなく「0」に近い値にすることができる効率的な通信路符号ではないという問題点があった。   As described above, the above-described conventional channel code is not a technology that solves all of the first problem, the second problem, and the third problem in terms of practical operation. There is a problem that it is not an efficient channel code that can transmit information at a transmission rate close to the channel capacity and can make the error probability at the time of decoding as close to “0” as possible.

そこで、この発明は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、sum−product法などの効率的な最適化アルゴリズムが利用可能であるというLDPC符号の利点を残しつつ、漸近的なパラメータがブロック長のみである符号を構成することにより、一般の雑音を有する通信路の通信路容量に近い伝送レートで情報を送信できるとともに、復号時の誤り確率を限りなく「0」に近い値にすることができ、かつ、符号化および復号化が実時間で行なえる情報送受信方法、符号化装置および復号化装置を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and asymptotically, while leaving the advantage of the LDPC code that an efficient optimization algorithm such as a sum-product method can be used. By configuring a code whose only parameter is the block length, information can be transmitted at a transmission rate close to the channel capacity of a channel having general noise, and the error probability at the time of decoding is set to “0” as much as possible. An object of the present invention is to provide an information transmission / reception method, an encoding device, and a decoding device that can be set to close values and that can be encoded and decoded in real time.

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項1に係る発明は、送信対象である情報を符号化した符号語を生成して雑音を有する通信路に入力し、前記通信路から出力された前記符号語である出力符号語を復号化した復号語を生成して前記情報を受信する情報送受信方法であって、第一の疎行列と第二の疎行列とをそれぞれ生成する疎行列生成工程と、前記通信路に入力される前記符号語の出現確率の分布である入力確率分布を第一の記憶部に記憶する入力確率分布記憶工程と、前記通信路を模した確率分布として、前記符号語が入力された際に前記出力符号語が出力される条件付確率分布を第二の記憶部に記憶する条件付確率分布記憶工程と、前記情報に対して、前記疎行列生成工程によって生成された前記第一の疎行列との積が零行列となり、かつ前記疎行列生成工程によって生成された前記第二の疎行列との積が前記情報となる前記符号語の候補の中で、前記第一の記憶部が記憶する前記入力確率分布が最大となるものを最適化アルゴリズムによって選択し、当該選択された候補を当該情報の前記符号語として生成する符号語生成工程と、前記出力符号語に対して、前記疎行列生成工程によって生成された前記第一の疎行列との積が零行列となる前記符号語の候補の中で、自身が前記通信路に入力された場合、前記第一の記憶部が記憶する前記入力確率分布と前記第二の記憶部が記憶する前記条件付確率分布とを用いて算出される当該出力符号語が出力される確率が最大となるものを最適化アルゴリズムによって選択し、当該選択された候補と前記疎行列生成工程によって生成された前記第二の疎行列との積を、当該出力符号語の前記復号語として生成する復号語生成工程と、を含んだことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, the invention according to claim 1 generates a code word obtained by encoding information to be transmitted, inputs the code word to a communication channel having noise, and outputs the code word from the communication channel. An information transmission / reception method for generating a decoded word obtained by decoding an output codeword that is a coded codeword and receiving the information, wherein a sparse matrix for generating a first sparse matrix and a second sparse matrix respectively As a probability distribution imitating the communication path, an input probability distribution storage process of storing an input probability distribution that is a distribution of the appearance probability of the codeword input to the communication path in a first storage unit, A conditional probability distribution storing step of storing a conditional probability distribution in which the output codeword is output when the codeword is input in a second storage unit; and for the information, the sparse matrix generating step The product with the generated first sparse matrix is zero The input probability distribution stored in the first storage unit among the codeword candidates in which the product is a column and the product of the second sparse matrix generated by the sparse matrix generation step is the information. A code word generating step for selecting the largest candidate by the optimization algorithm and generating the selected candidate as the code word of the information, and the output code word generated by the sparse matrix generating step Among the codeword candidates whose product with the first sparse matrix is a zero matrix, when the codeword is input to the communication path, the input probability distribution stored in the first storage unit and the first A candidate that maximizes the probability of output of the output codeword calculated using the conditional probability distribution stored in the second storage unit is selected by the optimization algorithm, and the selected candidate and the sparse matrix According to the production process The product of the second sparse matrix generated Te, characterized in that it includes a decoded word generating step of generating as the decoded word of the output code word, the.

また、請求項2に係る発明は、送信対象である情報を符号化した符号語を生成して雑音を有する通信路に入力する符号化装置であって、第一の疎行列と第二の疎行列とをそれぞれ生成する疎行列生成手段と、前記通信路に入力される前記符号語として出現する確率の分布である入力確率分布を記憶する入力確率分布記憶手段と、前記情報に対して、前記疎行列生成手段によって生成された前記第一の疎行列との積が零行列となり、かつ前記疎行列生成手段によって生成された前記第二の疎行列との積が前記情報となる前記符号語の候補の中で、前記入力確率分布記憶手段が記憶する前記入力確率分布が最大となるものを最適化アルゴリズムによって選択し、当該選択された候補を当該情報の前記符号語として生成する符号語生成手段と、を備えたことを特徴とする。   The invention according to claim 2 is an encoding device that generates a codeword obtained by encoding information to be transmitted and inputs the codeword to a communication channel having noise, and includes a first sparse matrix and a second sparse matrix. Sparse matrix generation means for generating each matrix, input probability distribution storage means for storing an input probability distribution that is a probability distribution appearing as the codeword input to the communication path, and for the information, The product of the first sparse matrix generated by the sparse matrix generation means is a zero matrix, and the product of the second sparse matrix generated by the sparse matrix generation means is the information. Among the candidates, a code word generating unit that selects the one having the maximum input probability distribution stored in the input probability distribution storage unit by an optimization algorithm and generates the selected candidate as the code word of the information And be prepared Characterized in that was.

また、請求項3に係る発明は、送信対象である情報を符号化した符号語が雑音を有する通信路に入力された後に、当該通信路から出力された前記符号語である出力符号語を復号化した復号語を生成して前記情報を受信する復号化装置であって、第一の疎行列と第二の疎行列とをそれぞれ生成する疎行列生成手段と、前記通信路に入力される前記符号語として出現する確率の分布である入力確率分布を記憶する入力確率分布記憶手段と、前記通信路を模した確率分布として、前記符号語が入力された際に前記出力符号語が出力される条件付確率分布を記憶する条件付確率分布記憶手段と、前記出力符号語に対して、前記疎行列生成手段によって生成された前記第一の疎行列との積が零行列となる前記符号語の候補の中で、自身が前記通信路に入力された場合、前記入力確率分布記憶手段が記憶する前記入力確率分布と前記条件付確率分布記憶手段が記憶する前記条件付確率分布とを用いて算出される当該出力符号語が出力される確率が最大となるものを最適化アルゴリズムによって選択し、当該選択された候補と前記疎行列生成手段によって生成された前記第二の疎行列との積を、当該出力符号語の前記復号語として生成する復号語生成手段と、を備えたことを特徴とする。   Further, the invention according to claim 3 decodes the output codeword that is the codeword output from the communication path after the codeword encoding the information to be transmitted is input to the communication path having noise. A decoding device that generates a decoded word and receives the information, sparse matrix generation means for generating a first sparse matrix and a second sparse matrix, respectively, and the input to the communication path An input probability distribution storage means for storing an input probability distribution, which is a probability distribution that appears as a code word, and the output code word is output when the code word is input as a probability distribution simulating the communication path. Conditional probability distribution storage means for storing a conditional probability distribution, and for the output codeword, the product of the first sparse matrix generated by the sparse matrix generation means is a zero matrix. Among the candidates, it enters the communication channel. The probability that the output codeword calculated using the input probability distribution stored in the input probability distribution storage means and the conditional probability distribution stored in the conditional probability distribution storage means is output. Decoding that selects the largest one by an optimization algorithm and generates a product of the selected candidate and the second sparse matrix generated by the sparse matrix generation means as the decoded word of the output codeword And a word generation means.

本発明によれば、第一の疎行列と第二の疎行列とをそれぞれ生成し、通信路に入力される符号語の出現確率の分布である入力確率分布と、通信路を模した確率分布として、符号語が入力された際に出力符号語が出力される条件付確率分布とを記憶する。そして、送信対象の情報に対して、第一の疎行列との積が零行列となり、かつ第二の疎行列との積が情報となる符号語の候補の中で、入力確率分布が最大となるものを最適化アルゴリズムによって選択し、当該選択された候補を当該情報の符号語として生成する。さらに、出力符号語に対して、第一の疎行列との積が零行列となる符号語の候補の中で、自身が通信路に入力された場合、入力確率分布と条件付確率分布とを用いて算出される当該出力符号語が出力される確率が最大となるものを最適化アルゴリズムによって選択し、当該選択された候補と第二の疎行列との積を、当該出力符号語の復号語として生成する。従って、第一の疎行列は、従来のLDPC符号に用いられていたパリティチェック用のLDPC行列として用い、また、第二の疎行列は、送信対象である情報(送信メッセージ)と符号語との対応関係を与える行列として用い、さらに、符号化時において、パリティチェックおよび送信メッセージと符号語との対応付けを実現するために、通常、従来のLDPC符号における復号化時においてのみ用いられるsum−product法などの最適化アルゴリズムを符号化時においても用いることで、復号化時において、送信メッセージと符号語との対応付けを行なう計算処理が効率的になるので、一般の雑音を有する通信路の通信路容量に近い伝送レートで情報を送信できるとともに、復号時の誤り確率を限りなく「0」に近い値にすることができ、かつ、符号化および復号化が実時間で行なえる。   According to the present invention, a first sparse matrix and a second sparse matrix are generated respectively, and an input probability distribution that is a distribution of the appearance probability of codewords input to the communication path, and a probability distribution that simulates the communication path As a conditional probability distribution in which an output codeword is output when the codeword is input. Then, for the information to be transmitted, the input probability distribution is the largest among the codeword candidates whose product with the first sparse matrix is the zero matrix and the product with the second sparse matrix is the information. Is selected by an optimization algorithm, and the selected candidate is generated as a codeword of the information. Furthermore, among the codeword candidates whose product with the first sparse matrix is the zero matrix for the output codeword, when the input codeword is input to the communication channel, the input probability distribution and the conditional probability distribution are The output codeword that is calculated using the output codeword that has the highest probability of being output is selected by the optimization algorithm, and the product of the selected candidate and the second sparse matrix is the decoded word of the output codeword Generate as Therefore, the first sparse matrix is used as the LDPC matrix for parity check used in the conventional LDPC code, and the second sparse matrix is the transmission target information (transmission message) and the code word. Sum-product, which is usually used only in decoding in the conventional LDPC code, is used as a matrix for giving a correspondence relationship, and further, in encoding, in order to realize a parity check and a correspondence between a transmission message and a code word By using an optimization algorithm such as the method at the time of encoding, the calculation process for associating the transmission message with the code word becomes efficient at the time of decoding. Information can be transmitted at a transmission rate close to the path capacity, and the error probability at the time of decoding should be as close to “0” as possible. Can, and encoding and decoding can be performed in real time.

以下に添付図面を参照して、この発明に係る情報送受信方法、符号化装置および復号化装置の実施例を詳細に説明する。なお、以下では、この発明に係る情報送受信方法を実行する通信システムを実施例として説明する。   Exemplary embodiments of an information transmitting / receiving method, an encoding device, and a decoding device according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the following, a communication system for executing the information transmitting / receiving method according to the present invention will be described as an embodiment.

[用語の説明]
まず最初に、以下の実施例で用いる主要な用語を説明する。以下の実施例で用いる「通信路」とは、情報の送受信のために使用される情報伝達用媒体であり、「雑音を有する通信路」とは、2元対称通信路(Binary Symmetric Channel)のように「0」および「1」から構成される情報が「通信路」から出力された場合、「0」が「1」として誤って出力される確率、および「1」が「0」として誤って出力される確率が固定値であるような「加法的雑音を有する通信路」の他に、「0」が「1」として誤って出力される確率、および「1」が「0」として誤って出力される確率が情報伝達ごとに変動するものも含まれる「一般の雑音を有する通信路」のことである。
[Explanation of terms]
First, main terms used in the following examples will be described. The “communication path” used in the following embodiments is an information transmission medium used for transmission and reception of information, and the “communication path having noise” is a binary symmetric communication path (Binary Symmetric Channel). Thus, when information composed of “0” and “1” is output from the “communication channel”, the probability that “0” is erroneously output as “1” and “1” is erroneously assumed as “0” In addition to the “communication channel with additive noise” such that the probability of being output is a fixed value, “0” is erroneously output as “1”, and “1” is erroneously assumed as “0” It is a “communication channel having a general noise” that includes one in which the probability of being output varies depending on information transmission.

また、「符号器」とは、送信対象である送信メッセージとしての「情報ビット」に「誤り訂正のためのビット」を付加した符号語(符号化されたメッセージ)を生成し、符号語を「通信路」に入力する装置であり、特許請求の範囲に記載の「符号化装置」に対応する。なお、以下では、「符号化されたメッセージ」のことを、「通信路入力メッセージ」と記述する場合がある。また、「復号器」とは、「通信路」から出力された符号語(通信路出力メッセージ)を、「誤り訂正のためのビット」を用いて誤り訂正を行なった復号語を生成して、送信メッセージを復号化した復号メッセージを、情報受信対象に出力する装置であり、特許請求の範囲に記載の「復号化装置」に対応する。また、「通信路出力メッセージ」は、特許請求の範囲に記載の「出力符号語」に対応する。   The “encoder” generates a code word (encoded message) in which “bit for error correction” is added to “information bit” as a transmission message to be transmitted, and the code word is converted to “ It is a device that inputs to the “communication path” and corresponds to the “encoding device” recited in the claims. In the following, “encoded message” may be described as “communication path input message”. In addition, the “decoder” is a codeword (communication channel output message) output from the “communication channel”, and generates a decoded word in which error correction is performed using “bits for error correction”. A device that outputs a decrypted message obtained by decrypting a transmission message to an information reception target, and corresponds to a “decryption device” recited in the claims. The “communication path output message” corresponds to the “output codeword” recited in the claims.

また、伝送レート(符号化レート)とは、「情報ビット数」に対する「誤り訂正符号化後のビット数」の比であり、伝送レート(符号化レート)が「k/n」とは、「kビット」の「情報ビット」に対して、「(n−k)ビット」の「誤り訂正のためのビット」を付加して、「nビット」の符号語を生成することを意味する。また、「通信路容量」とは、「通信路」が誤りなく伝送できる情報の最大量のことであり、「シャノン限界」とは、『「通信路容量」に近い「伝送レート」で情報を送信できるとともに、復号時の誤り確率を限りなく「0」に近い値にすることができる』ことを意味する。   The transmission rate (encoding rate) is the ratio of the “number of bits after error correction encoding” to the “number of information bits”, and the transmission rate (encoding rate) is “k / n”. This means that “bits for error correction” of “(n−k) bits” are added to “information bits” of k bits to generate an “n bit” code word. “Channel capacity” refers to the maximum amount of information that can be transmitted without error, and “Shannon limit” refers to “Transmission rate” close to “Channel capacity”. This means that the error probability at the time of decoding can be set to a value close to “0” as much as possible ”.

また、以下の説明で用いるアルファベットは、加減乗除で閉じている集合である「体:Zq(ただし、qは素数)」に属するものとする。なお、本実施例では、「q=2」であり、「体」は、「0」および「1」からなる数字の集合である場合について説明する。また、「X」は、通信路に入力される「符号語」の確率変数であり、「Y」は、通信路から出力される「符号語」の確率変数であるとする。また、「xn」および「yn」は、ぞれぞれ、確率変数「X」および「Y」の実現値(nビット)を示し、これらは、「体:Zq」に属する。 The alphabet used in the following description belongs to “field: Z q (where q is a prime number)”, which is a set closed by addition / subtraction / division / division. In the present embodiment, a case where “q = 2” and “body” is a set of numbers including “0” and “1” will be described. Further, “X” is a random variable of “code word” input to the communication path, and “Y” is a random variable of “code word” output from the communication path. Further, “x n ” and “y n ” respectively indicate the actual values (n bits) of the random variables “X” and “Y”, and these belong to “field: Z q ”.

また、「kビット」の送信メッセージを、「uk」として表し、「uk」は、集合「{ Zq}k」に属するものとする。また、「符号器」を、ギリシャ文字の「ファイ」で表し、本実施例では、「符号器:ファイ」は、「kビット」の送信メッセージ「{ Zq}k」を、「nビット」の符号語「{ Zq}n」に符号化するものとする。また、「復号器」を、ギリシャ文字の「プサイ」で表し、本実施例では、「復号器:プサイ」は、「nビット」の符号語「{ Zq}n」を、「kビット」の復号メッセージ「{ Zq}k」に復号化するものとする。なお、復号メッセージを、以下では、「uk」の「u」の上に「^:ハット」記号をつけて表すものとする。 Also, the transmission message "k bits", expressed as "u k", "u k" is intended to belong to the set "{Z q} k". In addition, “encoder” is represented by the Greek letter “phi”. In this embodiment, “encoder: phi” represents “k bits” of the transmitted message “{Z q } k ” and “n bits”. Is encoded into the code word “{Z q } n ”. In addition, “decoder” is represented by the Greek letter “Psai”. In this embodiment, “decoder: Psai” represents “n bits” code word “{Z q } n ” and “k bits”. It is assumed that the decrypted message “{Z q } k ” is decrypted. In the following, the decrypted message is represented by adding “^: hat” symbol on “u” of “u k ”.

[本実施例における通信システムの概要および特徴]
続いて、図1および図2を用いて、本実施例における通信システムの概要および主たる特徴を具体的に説明する。図1は、本実施例における通信システムの概要を説明するための図であり、図2は、本実施例における通信システムの特徴を説明するための図である。
[Outline and features of communication system in this embodiment]
Next, the outline and main features of the communication system in the present embodiment will be specifically described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a diagram for explaining an outline of a communication system in the present embodiment, and FIG. 2 is a diagram for explaining characteristics of the communication system in the present embodiment.

本実施例における通信システムは、図1に示すように、「送信メッセージ」を符号化した符号語である「通信路入力メッセージ」を、「符号器」によって『伝送レート(符号化レート):「k/n」』で生成して「雑音を有する通信路」に入力し、「雑音を有する通信路」から出力された符号語である「通信路出力メッセージ」を、「復号器」によって復号化して復号語である復号メッセージを生成することを概要とする。なお、図1に示すアルファベットの記号は、上述した[用語の説明]に順ずるものである。   As shown in FIG. 1, the communication system according to the present embodiment converts a “communication path input message”, which is a code word obtained by encoding a “transmission message”, into a “transmission rate (encoding rate):“ k / n ”” and input to the “channel having noise”, and the “channel output message” which is a code word output from the “channel having noise” is decoded by the “decoder”. The outline is to generate a decrypted message that is a decrypted word. Note that the alphabetical symbols shown in FIG. 1 are in accordance with the above-mentioned [Terminology].

ここで、本発明は、一般の雑音を有する通信路の通信路容量に近い伝送レートで情報を送信できるとともに、復号時の誤り確率を限りなく「0」に近い値にすることができ、かつ、符号化および復号化が実時間で行なえることに主たる特徴がある。この主たる特徴について簡単に説明すると、本実施例における通信システムは、図2の(A)に示すように、「符号器」および「復号器」とともに、「疎行列生成装置」をさらに備え、「疎行列生成装置」は、第一の疎行列(A)と第二の疎行列(B)とをそれぞれ生成し、生成した第一の疎行列(A)と第二の疎行列(B)とを、「符号器」および「復号器」に出力する。ここで、第一の疎行列(A)は、「n行l列」のLDPC行列であり、第二の疎行列(B)は、「n行k列」のLDPC行列であるとする。また、これらが疎行列であることは、sum−product法などの効率的な最適化アルゴリズムを効率的に実行させるために必要な条件となる。なお、第一の疎行列(A)と第二の疎行列(B)との具体的な生成法については、後に詳述する。   Here, the present invention can transmit information at a transmission rate close to the channel capacity of a channel having general noise, and can make the error probability at the time of decoding as close to “0” as possible, and The main feature is that encoding and decoding can be performed in real time. Briefly describing this main feature, as shown in FIG. 2A, the communication system in the present embodiment further includes a “sparse matrix generation device” in addition to an “encoder” and a “decoder”. The sparse matrix generator generates a first sparse matrix (A) and a second sparse matrix (B), respectively, and generates the generated first sparse matrix (A) and second sparse matrix (B). Are output to the “encoder” and “decoder”. Here, the first sparse matrix (A) is an LDPC matrix of “n rows and 1 columns”, and the second sparse matrix (B) is an LDPC matrix of “n rows and k columns”. In addition, the fact that these are sparse matrices is a necessary condition for efficiently executing an efficient optimization algorithm such as the sum-product method. A specific method for generating the first sparse matrix (A) and the second sparse matrix (B) will be described in detail later.

また、本実施例における通信システムを構成する「符号器」および「復号器」は、通信路に入力される符号語の出現確率の分布である入力確率分布を記憶する。例えば、図2の(A)に示すように、「符号器」および「復号器」は、「xn」が出現する確率の分布である入力確率分布を、「Pxn」として記憶する。なお、本実施例で用いられる入力確率分布は、通信システムの管理者により予め設定されるものであり、「シャノン限界」を達成するために最適な確率分布が用いられる。例えば、本実施例で用いられる入力確率分布は、タイプ一定符号に対応して、相互情報量(通信路が伝送できる情報の量)が「通信路容量」より小さくなるような確率分布であればよく、例えば、Arimoto−Blahutアルゴリズム(R. W. Yeung, “A First Course in Information Theory.”, Springer, 2002参照)を用いることで得ることができる。 Further, the “encoder” and “decoder” constituting the communication system in the present embodiment store an input probability distribution that is a distribution of appearance probabilities of codewords input to the communication path. For example, as shown in FIG. 2A, the “encoder” and the “decoder” store an input probability distribution, which is a probability distribution of “x n ”, as “Px n ”. The input probability distribution used in the present embodiment is preset by the administrator of the communication system, and an optimal probability distribution is used to achieve the “Shannon limit”. For example, the input probability distribution used in the present embodiment is a probability distribution in which the mutual information amount (the amount of information that can be transmitted through the communication channel) is smaller than the “communication channel capacity” corresponding to the constant type code. For example, it can be obtained by using the Arimoto-Blahut algorithm (see RW Yeung, “A First Course in Information Theory”, Springer, 2002).

また、本実施例における通信システムを構成する「復号器」は、「通信路」を模した確率分布として、「通信路入力メッセージ」が入力された際に「通信路出力メッセージ」が出力される条件付確率分布を記憶する。例えば、図2の(A)に示すように、「復号器」は、通信路に入力される「符号語」の確率変数「X」が入力された際に、通信路から確率変数「Y」が出力される条件付確率分布を「WY|X」として記憶する(なお、以下では、「WY|X」のように、図2の(A)に示す条件付確率分布における「X」および「Y」にある上付きの「n」は、省略して記述する)。ここで、本実施例で用いられる条件付確率分布は、「通信路」ごとに固有のものとして与えられるものであるが、「通信路」ごとに実際に情報の送受信を行なうことで得られる経験値に基づいて、通信システムの管理者が算出して設定するものであってもよい。 In addition, the “decoder” constituting the communication system according to the present embodiment outputs a “communication path output message” when a “communication path input message” is input as a probability distribution simulating the “communication path”. Store the conditional probability distribution. For example, as shown in FIG. 2A, when the “decoder” receives a random variable “X” of “codeword” input to the communication channel, the random variable “Y” from the communication channel. Is stored as “W Y | X ” (hereinafter, “X” in the conditional probability distribution shown in FIG. 2A as “W Y | X ”). And the superscript “n” in “Y” is omitted). Here, the conditional probability distribution used in the present embodiment is given as unique to each “communication channel”, but experience obtained by actually transmitting / receiving information for each “communication channel” Based on the value, the administrator of the communication system may calculate and set the value.

なお、H(X)を、「Pxn」により定義される量であるエントロピーとし、H(X|Y)を、「PXY=PxWY|X」により定義される量である条件付エントロピーとした場合、上記した自然数「n」、「k」および「l」は、「l/n> H(X|Y)」を満たし、かつ、「(l+k)/n< H(X)」を満たすものとする。これは、シャノン限界に近づくための条件として必要なものである。 Note that H (X) is entropy that is an amount defined by “Px n ”, and H (X | Y) is a conditional condition that is an amount defined by “P XY = P x W Y | X ”. In the case of entropy, the natural numbers “n”, “k” and “l” satisfy “l / n> H (X | Y)” and “(l + k) / n <H (X ) ”. This is necessary as a condition for approaching the Shannon limit.

そして、本実施例における通信システムを構成する「符号器」は、図2の(B)に示すように、送信メッセージ「uk」に対して、第一の疎行列(A)との積が零行列となり、かつ第二の疎行列(B)との積が「uk」となる符号語の候補の中で、入力確率分布が最大となるものを最適化アルゴリズムによって選択し、当該選択された候補を当該情報の符号語である「通信路入力メッセージ:xn」として生成して、「通信路」に出力する。なお、図2の(B)に示すように、符号語の候補は、「xn」の「x」の上に「~:チルダ」記号をつけて表しており、符号語の候補は、「{ Zq}n」に属する。 Then, as shown in FIG. 2B, the “encoder” constituting the communication system in the present embodiment has a product of the transmission message “u k ” and the first sparse matrix (A). Among the candidate codewords that have a zero matrix and a product of “u k ” with the second sparse matrix (B), the one having the maximum input probability distribution is selected by the optimization algorithm, and the selected The candidate is generated as “communication path input message: x n ” which is a codeword of the information, and is output to “communication path”. As shown in FIG. 2B, codeword candidates are represented by adding “˜: tilde” symbols on “x” of “x n ”. Belongs to {Z q } n ".

そして、本実施例における通信システムを構成する「復号器」は、図2の(C)に示すように、「通信路出力メッセージ:yn」に対して、第一の疎行列(A)との積が零行列となる符号語の候補の中で、自身が通信路に入力された場合、入力確率分布「Pxn」と条件付確率分布「WY|X」とを用いて算出される当該出力符号語が出力される確率「PXY=PxWY|X」が最大となるものを最適化アルゴリズムによって選択し、当該選択された候補(すなわち、推定された「通信路入力メッセージ」)と第二の疎行列(B)との積を、「送信メッセージ」を復元した復号メッセージ(「^:ハット」記号が「uk」の「u」の上に付加されたもの)として生成して、情報受信対象に出力する。なお、図2の(C)では、図2の(B)と同様に、「通信路出力メッセージ:yn」から誤り訂正される符号語の候補を、「xn」の「x」の上に「~:チルダ」記号をつけて表しており、さらに、誤り訂正される符号語の候補の中で、最適化アルゴリズムによって選択されたものを、「xn」の「x」の上に「^:ハット」記号をつけて表している。 Then, as shown in FIG. 2C, the “decoder” that configures the communication system in the present embodiment has the first sparse matrix (A) and “communication path output message: y n ” If the codeword candidate is input to the communication channel among the candidate codewords whose product is a zero matrix, it is calculated using the input probability distribution “Px n ” and the conditional probability distribution “W Y | X ” An optimization algorithm is used to select the output codeword with the highest probability “P XY = P x W Y | X ”, and the selected candidate (ie, the estimated “communication path input message”). ) And the second sparse matrix (B) as a decrypted message ("^: hat" symbol added above "u" of "u k "), which is a restoration of "sent message" And output to the information reception target. In (C) of FIG. 2, similar to (B) of FIG. 2, codeword candidates to be error-corrected from “communication channel output message: y n ” are displayed above “x” of “x n ”. "~: Tilde" is added to the codeword, and among the candidate codewords that are error-corrected, the one selected by the optimization algorithm is displayed above "x" in " xn " It is shown with the “^: hat” symbol.

このようなことから、本実施例における通信システムは、第一の疎行列(A)は、従来のLDPC符号に用いられていたパリティチェック用のLDPC行列として用い、また、第二の疎行列(B)は、送信メッセージと符号語との対応関係を与える行列として用い、さらに、符号化時において、パリティチェックおよび送信メッセージと符号語との対応付けを実現するために、通常、従来のLDPC符号における復号化時においてのみ用いられるsum−product法などの最適化アルゴリズムを符号化時においても用いることで、復号化時において、送信メッセージと符号語との対応付けを行なう計算処理が効率的になるので、上記した主たる特徴の通り、一般の雑音を有する通信路の通信路容量に近い伝送レートで情報を送信できるとともに、復号時の誤り確率を限りなく「0」に近い値にすることができ、かつ、符号化および復号化が実時間で行なえる。   For this reason, in the communication system according to the present embodiment, the first sparse matrix (A) is used as the LDPC matrix for parity check used in the conventional LDPC code, and the second sparse matrix ( B) is used as a matrix that gives the correspondence between transmission messages and codewords. Further, in order to realize a parity check and correspondence between transmission messages and codewords at the time of encoding, a conventional LDPC code is usually used. By using an optimization algorithm such as a sum-product method used only at the time of decoding at the time of encoding, calculation processing for associating a transmission message with a code word at the time of decoding becomes efficient. Therefore, as described above, information can be transmitted at a transmission rate close to the channel capacity of a channel having general noise. Both can be a value close to "0" as possible the error probability during decoding and encoding and decoding can be performed in real time.

[本実施例における疎行列生成装置の構成]
次に、図3および図4を用いて、本実施例における疎行列生成装置の構成を説明する。図3は、本実施例における疎行列生成装置の構成を示すブロック図であり、図4は、疎行列生成部を説明するための図である。
[Configuration of sparse matrix generation apparatus in this embodiment]
Next, the configuration of the sparse matrix generation device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of the sparse matrix generation apparatus according to the present embodiment, and FIG. 4 is a diagram for explaining a sparse matrix generation unit.

図3に示すように、本実施例における疎行列生成装置10は、通信制御I/F部11と、処理部12とから構成され、さらに、符号器20および復号器40とネットワークを介して接続される。   As shown in FIG. 3, the sparse matrix generation device 10 in the present embodiment includes a communication control I / F unit 11 and a processing unit 12, and is further connected to an encoder 20 and a decoder 40 via a network. Is done.

通信制御I/F部11は、ネットワークを通じて送信されるデータの転送を制御するインターフェースである。具体的には、通信システムの管理者からの疎行列生成要求を、ネットワークを介して、受け付けたり、後述する疎行列生成部12aによって生成される疎行列を、ネットワークを介して、符号器20および復号器40に送信する。   The communication control I / F unit 11 is an interface that controls transfer of data transmitted through the network. Specifically, the sparse matrix generation request from the administrator of the communication system is received via the network, or the sparse matrix generated by the sparse matrix generation unit 12a described later is transmitted via the network to the encoder 20 and Transmit to the decoder 40.

処理部12は、各種処理を実行し、特に本発明に密接に関連するものとしては、図3に示すように、疎行列生成部12aを備える。   As shown in FIG. 3, the processing unit 12 performs various processes, and particularly includes a sparse matrix generation unit 12a as closely related to the present invention.

疎行列生成部12aは、第一の疎行列(A)と第二の疎行列(B)とをそれぞれ生成し、生成した第一の疎行列(A)と第二の疎行列(B)とを、符号器20および復号器40に通信制御I/F部11を介して送信する。ここで、疎行列生成部12aは、「n行l列」のLDPC行列である第一の疎行列(A)を、例えば、図4の(A)に示す方法により生成する。まず、「n行l列」のAの要素をすべて「0」とし、「1〜l」の数字をランダムに「t」回取り出す。ここで、「t」は、「n」の自然対数によって求められるオーダー(Order)である。そして、疎行列生成部12aは、取り出された数字に対応する「列」に、「1」を「体:Zq」上で加える。これにより、「n行l列」の要素において「0」が多い第一の疎行列(A)を生成する。 The sparse matrix generation unit 12a generates a first sparse matrix (A) and a second sparse matrix (B), and generates the generated first sparse matrix (A) and second sparse matrix (B). Is transmitted to the encoder 20 and the decoder 40 via the communication control I / F unit 11. Here, the sparse matrix generation unit 12a generates the first sparse matrix (A), which is an LDPC matrix of “n rows and 1 columns”, for example, by the method shown in FIG. First, all the elements of A in “n rows and l columns” are set to “0”, and the numbers “1 to l” are randomly extracted “t” times. Here, “t” is an order obtained by the natural logarithm of “n” (Order). Then, the sparse matrix generation unit 12a adds “1” to “column” corresponding to the extracted number on “body: Z q ”. As a result, the first sparse matrix (A) having many “0” s in the elements of “n rows and 1 columns” is generated.

また、疎行列生成部12aは、第一の疎行列(A)と同様に、「n行k列」のLDPC行列である第二の疎行列(B)を、図4の(B)に示す方法により生成する。まず、「n行k列」のBの要素をすべて「0」とし、「1〜k」の数字をランダムに「t」回取り出す。そして、疎行列生成部12aは、取り出された数字に対応する「列」に、「1」を「体:Zq」上で加える。これにより、「n行k列」の要素において「0」が多い第二の疎行列(B)を生成する。なお、オーダー「O」で定義される数値は、図4の(C)に示す関係式で定義されるものである。 Also, the sparse matrix generation unit 12a shows the second sparse matrix (B), which is an LDPC matrix of “n rows and k columns”, as in the first sparse matrix (A), as shown in FIG. Generate by the method. First, all elements of B in “n rows and k columns” are set to “0”, and numbers “1 to k” are randomly extracted “t” times. Then, the sparse matrix generation unit 12a adds “1” to “column” corresponding to the extracted number on “body: Z q ”. As a result, a second sparse matrix (B) with many “0” s in the elements of “n rows and k columns” is generated. The numerical value defined by the order “O” is defined by the relational expression shown in FIG.

[本実施例における符号器の構成]
続いて、図5および図6を用いて、本実施例における符号器の構成を説明する。図5は、本実施例における符号器の構成を示すブロック図であり、図6は、符号語生成部を説明するための図を説明するための図である。
[Configuration of encoder in this embodiment]
Then, the structure of the encoder in a present Example is demonstrated using FIG. 5 and FIG. FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of the encoder in the present embodiment, and FIG. 6 is a diagram for explaining a diagram for explaining a codeword generation unit.

図5に示すように、本実施例における符号器20は、入力部21と、出力部22と、通信制御部23と、入出力制御I/F部24と、記憶部25と、処理部26とから構成され、さらに、疎行列生成装置10とネットワークを介して接続され、通信路30に接続される。   As shown in FIG. 5, the encoder 20 in this embodiment includes an input unit 21, an output unit 22, a communication control unit 23, an input / output control I / F unit 24, a storage unit 25, and a processing unit 26. Are further connected to the sparse matrix generation device 10 via a network and connected to the communication path 30.

入力部21は、各種情報を入力する。例えば、キーボードや、タッチパネルなどがこれに該当し、特に本発明に密接に関連するものとしては、通信システムの管理者が設定し、後述する入力確率分布記憶部25bに格納される入力確率分布を、通信システムの管理者が操作するキーボードなどから入力する。   The input unit 21 inputs various information. For example, a keyboard, a touch panel, and the like correspond to this, and particularly those closely related to the present invention include an input probability distribution set by an administrator of the communication system and stored in the input probability distribution storage unit 25b described later. Input from the keyboard operated by the administrator of the communication system.

出力部22は、各種情報を出力する。例えば、ディスプレイやスピーカなどがこれに該当し、例えば、疎行列生成装置10が送信した疎行列を、ディスプレイの画面に表示したりする。   The output unit 22 outputs various information. For example, a display, a speaker, etc. correspond to this, for example, the sparse matrix which the sparse matrix production | generation apparatus 10 transmitted is displayed on the screen of a display.

通信制御部23は、他の装置との通信を制御する。例えば、ネットワークを通じて送受信されるデータの転送を制御し、特に本発明に密接に関連するものとしては、送信対象である送信メッセージのデータ受信を制御したり、疎行列生成装置10が生成して送信した疎行列のデータ受信を制御したり、後述する符号語生成部26aが生成した通信路入力メッセージを通信路30に出力する際のデータ送信を制御したりする。   The communication control unit 23 controls communication with other devices. For example, the transfer of data transmitted and received through the network is controlled, and particularly as closely related to the present invention, data reception of a transmission message to be transmitted is controlled, or generated and transmitted by the sparse matrix generation device 10 The data reception of the sparse matrix is controlled, and the data transmission when the communication channel input message generated by the codeword generation unit 26a described later is output to the communication channel 30 is controlled.

入出力制御I/F部24は、入力部21、出力部22および通信制御部23と、記憶部25および処理部26との間におけるデータ転送を制御する。   The input / output control I / F unit 24 controls data transfer between the input unit 21, the output unit 22, the communication control unit 23, the storage unit 25, and the processing unit 26.

記憶部25は、処理部26による各種処理に用いるデータを記憶し、特に本発明に密接に関連するものとしては、図5に示すように、疎行列記憶部25aと、入力確率分布記憶部25bとを備える。   The storage unit 25 stores data used for various types of processing by the processing unit 26, and particularly those closely related to the present invention include a sparse matrix storage unit 25a and an input probability distribution storage unit 25b as shown in FIG. With.

疎行列記憶部25aは、疎行列生成装置10が生成し、通信制御部23が受信した第一の疎行列(A)と第二の疎行列(B)とを記憶する。   The sparse matrix storage unit 25a stores the first sparse matrix (A) and the second sparse matrix (B) generated by the sparse matrix generation device 10 and received by the communication control unit 23.

入力確率分布記憶部25bは、通信路30に入力される符号語の出現確率の分布である入力確率分布を記憶する。ここで、入力確率分布は、通信システムの管理者により予め設定されるものであり、入力部21を介して入力され、入出力制御I/F部24を介して、入力確率分布記憶部25bに格納され、例えば、図2の(A)に示すように、「xn」が出現する確率の分布である入力確率分布を、「Pxn」として記憶する。なお、入力確率分布は、例えば、Arimoto−Blahutアルゴリズムを用いることで得ることができる。 The input probability distribution storage unit 25 b stores an input probability distribution that is a distribution of appearance probabilities of codewords input to the communication path 30. Here, the input probability distribution is set in advance by the administrator of the communication system, input via the input unit 21, and input to the input probability distribution storage unit 25 b via the input / output control I / F unit 24. For example, as shown in FIG. 2A, an input probability distribution that is a probability distribution of occurrence of “x n ” is stored as “Px n ”. The input probability distribution can be obtained by using, for example, the Arimoto-Blahut algorithm.

処理部26は、入出力制御I/F部24から転送された送信メッセージ「uk」に基づき各種処理を実行し、特に本発明に密接に関連するものとしては、図5に示すように、符号語生成部26aを備える。 The processing unit 26 executes various processes based on the transmission message “u k ” transferred from the input / output control I / F unit 24, and particularly as closely related to the present invention, as shown in FIG. A codeword generator 26a is provided.

符号語生成部26aは、図6に示す定義に従って、送信メッセージ「uk」に対して、疎行列記憶部25aが記憶する第一の疎行列(A)との積が零行列となり、かつ疎行列記憶部25aが記憶する第二の疎行列(B)との積が「uk」となる符号語の候補の中で、入力確率分布記憶部25bが記憶する入力確率分布が最大となるものを最適化アルゴリズムによって選択し、当該選択された候補を当該情報の符号語である「通信路入力メッセージ:xn」として生成して、通信路30に、通信制御部23を介して、出力する。なお、図6に示すように、符号語の候補は、「xn」の「x」の上に「~:チルダ」記号をつけ表しており、符号語の候補は、「{ Zq}n」に属する。 In accordance with the definition shown in FIG. 6, the codeword generation unit 26 a has a zero product of the product of the transmission message “u k ” and the first sparse matrix (A) stored in the sparse matrix storage unit 25 a. Among the codeword candidates whose product with the second sparse matrix (B) stored in the matrix storage unit 25a is “u k ”, the input probability distribution stored in the input probability distribution storage unit 25b is the maximum. Is selected by an optimization algorithm, and the selected candidate is generated as “communication path input message: x n ” which is a codeword of the information, and is output to the communication path 30 via the communication control unit 23. . As shown in FIG. 6, codeword candidates are represented by adding “˜: tilde” symbols on “x” of “ xn ”, and codeword candidates are represented by “{Z q } n. Belongs to.

[本実施例における復号器の構成]
続いて、図7および図8を用いて、本実施例における復号器の構成を説明する。図7は、本実施例における復号器の構成を示すブロック図であり、図8は、復号メッセージ生成部を説明するための図である。
[Configuration of Decoder in this Embodiment]
Subsequently, the configuration of the decoder in the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the decoder in the present embodiment, and FIG. 8 is a diagram for explaining the decoded message generation unit.

図7に示すように、本実施例における復号器40は、入力部41と、出力部42と、通信制御部43と、入出力制御I/F部44と、記憶部45と、処理部46とから構成され、さらに、疎行列生成装置10とネットワークを介して接続され、通信路30に接続される。   As shown in FIG. 7, the decoder 40 in this embodiment includes an input unit 41, an output unit 42, a communication control unit 43, an input / output control I / F unit 44, a storage unit 45, and a processing unit 46. Are further connected to the sparse matrix generation device 10 via a network and connected to the communication path 30.

入力部41は、各種情報を入力する。例えば、キーボードや、タッチパネルなどがこれに該当し、特に本発明に密接に関連するものとしては、通信システムの管理者が設定し、後述する入力確率分布記憶部45bに格納される入力確率分布、および後述する条件付確率分布記憶部45cに格納される条件付確率分布を、通信システムの管理者が操作するキーボードなどから入力する。   The input unit 41 inputs various information. For example, a keyboard, a touch panel, and the like correspond to this, and particularly as closely related to the present invention, an input probability distribution set by an administrator of the communication system and stored in an input probability distribution storage unit 45b described later, The conditional probability distribution stored in the conditional probability distribution storage unit 45c described later is input from a keyboard or the like operated by the administrator of the communication system.

出力部42は、各種情報を出力する。例えば、ディスプレイやスピーカなどがこれに該当し、例えば、疎行列生成装置10が送信した疎行列を、ディスプレイの画面に表示したりする。   The output unit 42 outputs various information. For example, a display, a speaker, etc. correspond to this, for example, the sparse matrix which the sparse matrix production | generation apparatus 10 transmitted is displayed on the screen of a display.

通信制御部43は、他の装置との通信を制御する。例えば、ネットワークを通じて送受信されるデータの転送を制御し、特に本発明に密接に関連するものとしては、通信路30から出力された通信路出力メッセージのデータ受信を制御したり、疎行列生成装置10が生成して送信した疎行列のデータ受信を制御したり、後述する復号メッセージ生成部46aが生成した復号メッセージを送信対象に出力する際のデータ送信を制御したりする。   The communication control unit 43 controls communication with other devices. For example, the transfer of data transmitted and received through the network is controlled, and particularly as closely related to the present invention, the data reception of the communication path output message output from the communication path 30 is controlled, or the sparse matrix generation device 10 Controls the reception of sparse matrix data generated and transmitted, and controls data transmission when a decoded message generated by a decoded message generation unit 46a described later is output as a transmission target.

入出力制御I/F部44は、入力部41、出力部42および通信制御部43と、記憶部45および処理部46との間におけるデータ転送を制御する。   The input / output control I / F unit 44 controls data transfer between the input unit 41, the output unit 42, the communication control unit 43, the storage unit 45, and the processing unit 46.

記憶部45は、処理部46による各種処理に用いるデータを記憶し、特に本発明に密接に関連するものとしては、図7に示すように、疎行列記憶部45aと、入力確率分布記憶部45bと、条件付確率分布記憶部45cとを備える。   The storage unit 45 stores data used for various types of processing by the processing unit 46, and particularly those closely related to the present invention include a sparse matrix storage unit 45a and an input probability distribution storage unit 45b as shown in FIG. And a conditional probability distribution storage unit 45c.

疎行列記憶部45aは、符号器20における疎行列記憶部25aと同様に、疎行列生成装置10が生成し、通信制御部43が受信した第一の疎行列(A)と第二の疎行列(B)とを記憶し、入力確率分布記憶部45bは、符号器20における入力確率分布記憶部25bと同様に、通信路30に入力される符号語の出現確率の分布である入力確率分布を記憶する。   Similar to the sparse matrix storage unit 25a in the encoder 20, the sparse matrix storage unit 45a generates the first sparse matrix (A) and the second sparse matrix generated by the sparse matrix generation device 10 and received by the communication control unit 43. (B) is stored, and the input probability distribution storage unit 45b stores an input probability distribution, which is a distribution of the appearance probabilities of codewords input to the communication path 30, in the same manner as the input probability distribution storage unit 25b in the encoder 20. Remember.

条件付確率分布記憶部45cは、「通信路」を模した確率分布として、「通信路入力メッセージ:xn」が入力された際に「通信路出力メッセージ:yn」が出力される条件付確率分布を記憶する。ここで、条件付確率分布は、通信システムの管理者により、入力部41を介して入力され、入出力制御I/F部44を介して、条件付確率分布記憶部45cに格納され、例えば、図2の(A)に示すように、「復号器」は、通信路に入力される「符号語」の確率変数「X」が入力された際に、通信路から確率変数「Y」出力される条件付確率分布を「WY|X」として記憶する。なお、本実施例で用いられる条件付確率分布は、「通信路」ごとに与えられる固有のものとして設定するものであるが、「通信路」ごとに実際に情報の送受信を行なうことで得られる経験値に基づいて、通信システムの管理者が算出して設定するものであってもよい。 The conditional probability distribution storage unit 45c is a conditional distribution that outputs “communication path output message: y n ” when “communication path input message: x n ” is input as a probability distribution simulating “communication path”. Memorize the probability distribution. Here, the conditional probability distribution is input by the administrator of the communication system via the input unit 41 and stored in the conditional probability distribution storage unit 45c via the input / output control I / F unit 44. As shown in FIG. 2A, the “decoder” outputs the random variable “Y” from the communication path when the random variable “X” of the “code word” input to the communication path is input. Is stored as “W Y | X ”. The conditional probability distribution used in the present embodiment is set as a unique one given for each “communication path”, but can be obtained by actually transmitting / receiving information for each “communication path”. The administrator of the communication system may calculate and set based on the experience value.

処理部46は、入出力制御I/F部44から転送された「通信路入力メッセージ」に基づき各種処理を実行し、特に本発明に密接に関連するものとしては、図7に示すように、復号メッセージ生成部46aを備える。   The processing unit 46 executes various processes based on the “communication path input message” transferred from the input / output control I / F unit 44, and particularly as closely related to the present invention, as shown in FIG. A decrypted message generator 46a is provided.

復号メッセージ生成部46aは、図8の(A)に示す定義に従って、「通信路出力メッセージ:yn」に対して、疎行列記憶部45aが記憶する第一の疎行列(A)との積が零行列となる符号語の候補の中で、自身が通信路に入力された場合、入力確率分布記憶部45bが記憶する入力確率分布「Pxn」と条件付確率分布記憶部45cが記憶する条件付確率分布「WY|X」とを用いて算出される当該出力符号語が出力される確率(図8の(C)参照)が最大となるものを最適化アルゴリズムによって選択する。 In accordance with the definition shown in FIG. 8A, the decryption message generation unit 46a multiplies the “communication channel output message: y n ” by the product of the first sparse matrix (A) stored in the sparse matrix storage unit 45a. Is a zero matrix, and when it is input to the communication channel, the input probability distribution “Px n ” stored in the input probability distribution storage unit 45 b and the conditional probability distribution storage unit 45 c store them. The optimization algorithm selects the one with the highest probability (see FIG. 8C) that the output codeword calculated using the conditional probability distribution “W Y | X ” is output.

そして、復号メッセージ生成部46aは、図8の(B)に示すように、選択された候補と疎行列記憶部45aが記憶する第二の疎行列(B)との積を、復号メッセージ(「^:ハット」記号が「uk」の「u」の上に付加されたもの)として生成して、情報受信対象に出力する。 Then, as illustrated in FIG. 8B, the decrypted message generation unit 46 a converts the product of the selected candidate and the second sparse matrix (B) stored in the sparse matrix storage unit 45 a into the decrypted message (“ ^: A “hat” symbol added to “u” of “u k ”) and output it to the information reception target.

[本実施例における疎行列生成装置による処理の手順]
次に、図9を用いて、本実施例における疎行列生成装置10による処理を説明する。図9は、本実施例における疎行列生成装置の処理の手順を説明するための図である。
[Procedure of processing by sparse matrix generation apparatus in this embodiment]
Next, processing performed by the sparse matrix generation device 10 in this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a diagram for explaining a processing procedure of the sparse matrix generation device according to the present embodiment.

図9に示すように、まず、本実施例における疎行列生成装置10は、通信システムの管理者から疎行列生成要求を、通信制御I/F部11を介して、受け付けると(ステップS901肯定)、疎行列生成部12aは、第一の疎行列(A)と第二の疎行列(B)とをそれぞれ生成する(ステップS902)。   As shown in FIG. 9, first, the sparse matrix generation device 10 in the present embodiment receives a sparse matrix generation request from the communication system administrator via the communication control I / F unit 11 (Yes in step S901). The sparse matrix generation unit 12a generates a first sparse matrix (A) and a second sparse matrix (B), respectively (step S902).

例えば、疎行列生成部12aは、「n行l列」のLDPC行列である第一の疎行列(A)を、図4の(A)に示す方法により生成し、「n行k列」のLDPC行列である第二の疎行列(B)を、図4の(B)に示す方法により生成する。   For example, the sparse matrix generation unit 12a generates a first sparse matrix (A) that is an LDPC matrix of “n rows and 1 columns” by the method illustrated in FIG. A second sparse matrix (B) that is an LDPC matrix is generated by the method shown in FIG.

そして、疎行列生成部12aは、生成した第一の疎行列(A)および第二の疎行列(B)を、通信制御I/F部11から、符号器20および復号器40にネットワークを介して送信し(ステップS903)、処理を終了する。   Then, the sparse matrix generation unit 12a transmits the generated first sparse matrix (A) and second sparse matrix (B) from the communication control I / F unit 11 to the encoder 20 and the decoder 40 via a network. (Step S903), and the process ends.

[本実施例における符号器による処理の手順]
次に、図10を用いて、本実施例における符号器20による処理を説明する。図10は、本実施例における符号器の処理の手順を説明するための図である。
[Procedure for Processing by Encoder in this Embodiment]
Next, processing by the encoder 20 in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a diagram for explaining the processing procedure of the encoder in the present embodiment.

図10に示すように、まず、本実施例における符号器20は、送信メッセージ「uk」を、通信制御部23を介して、受信すると(ステップS1001肯定)、符号語生成部26aは、受信した送信メッセージ「uk」から、最適アルゴリズムを用いて符号語である「通信路入力メッセージ:xn」を生成する(ステップS1002)。 As shown in FIG. 10, first, when the encoder 20 in the present embodiment receives the transmission message “u k ” via the communication control unit 23 (Yes in step S1001), the codeword generation unit 26a receives the message. From the transmitted message “u k ”, a code word “communication path input message: x n ” is generated using an optimal algorithm (step S1002).

すなわち、符号語生成部26aは、図6に示す定義に従って、送信メッセージ「uk」に対して、疎行列記憶部25aが記憶する第一の疎行列(A)との積が零行列となり、かつ疎行列記憶部25aが記憶する第二の疎行列(B)との積が「uk」となる符号語の候補の中で、入力確率分布記憶部25bが記憶する入力確率分布が最大となるものを最適化アルゴリズムによって選択し、当該選択された候補を当該情報の符号語である「通信路入力メッセージ:xn」として生成する。 That is, according to the definition shown in FIG. 6, the codeword generation unit 26a has a product of the transmission message “u k ” and the first sparse matrix (A) stored in the sparse matrix storage unit 25a as a zero matrix, Among the codeword candidates whose product with the second sparse matrix (B) stored in the sparse matrix storage unit 25a is “u k ”, the input probability distribution stored in the input probability distribution storage unit 25b is the largest. Is selected by an optimization algorithm, and the selected candidate is generated as “communication path input message: x n ” which is a codeword of the information.

そして、符号語生成部26aは、生成した符号語である「通信路入力メッセージ:xn」を、通信路30に、通信制御部23を介して、入力し(ステップS1003)、処理を終了する。 Then, the codeword generation unit 26a inputs the generated codeword “communication path input message: x n ” to the communication path 30 via the communication control unit 23 (step S1003), and ends the process. .

[本実施例における復号器による処理の手順]
次に、図11を用いて、本実施例における復号器40による処理を説明する。図11は、本実施例における復号器の処理の手順を説明するための図である。
[Procedure of processing by the decoder in this embodiment]
Next, processing performed by the decoder 40 in this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a diagram for explaining the processing procedure of the decoder in the present embodiment.

図11に示すように、まず、本実施例における復号器40は、通信路30から、出力符号語である「通信路出力メッセージ:yn」が出力されると(ステップS1101肯定)、復号メッセージ生成部46aは、受信した出力符号語から最適アルゴリズムを用いて最適な符号語を選択する(ステップS1102)。 As shown in FIG. 11, first, when the decoder 40 in this embodiment outputs an output codeword “communication path output message: y n ” from the communication path 30 (Yes in step S1101), the decoding message is output. The generation unit 46a selects an optimal codeword from the received output codeword using an optimal algorithm (step S1102).

すなわち、復号メッセージ生成部46aは、図8の(A)に示す定義に従って、「通信路出力メッセージ:yn」に対して、疎行列記憶部45aが記憶する第一の疎行列(A)との積が零行列となる符号語の候補の中で、自身が通信路に入力された場合、入力確率分布記憶部45bが記憶する入力確率分布「Pxn」と条件付確率分布記憶部45cが記憶する条件付確率分布「WY|X」とを用いて算出される当該出力符号語が出力される確率(図8の(C)参照)が最大となるものを最適化アルゴリズムによって選択する。 That is, the decryption message generation unit 46a determines the first sparse matrix (A) stored in the sparse matrix storage unit 45a for the “communication channel output message: y n ” according to the definition shown in FIG. Among the codeword candidates whose product is a zero matrix, the input probability distribution “Px n ” stored in the input probability distribution storage unit 45 b and the conditional probability distribution storage unit 45 c are stored in the channel. The optimization algorithm is used to select the one that maximizes the probability (see FIG. 8C) that the output codeword calculated using the stored conditional probability distribution “W Y | X ” is output.

そして、復号メッセージ生成部46aは、復号メッセージを生成する(ステップS1103)。すなわち、復号メッセージ生成部46aは、図8の(B)に示すように、選択された候補と疎行列記憶部45aが記憶する第二の疎行列(B)との積を、復号メッセージとして生成する。   Then, the decrypted message generation unit 46a generates a decrypted message (step S1103). That is, as shown in FIG. 8B, the decrypted message generating unit 46a generates a product of the selected candidate and the second sparse matrix (B) stored in the sparse matrix storage unit 45a as a decrypted message. To do.

そののち、復号メッセージ生成部46aは、生成した復号メッセージを情報受信対象に出力して(ステップS1104)、処理を終了する。   After that, the decrypted message generation unit 46a outputs the generated decrypted message to the information reception target (step S1104) and ends the process.

[本実施例の効果]
上記したように、本実施例によれば、第一の疎行列(A)は、従来のLDPC符号に用いられていたパリティチェック用のLDPC行列として用い、また、第二の疎行列(B)は、送信メッセージと符号語との対応関係を与える行列として用い、さらに、符号化時において、パリティチェックおよび送信メッセージと符号語との対応付けを実現するために、通常、従来のLDPC符号における復号化時においてのみ用いられるsum−product法などの最適化アルゴリズムを符号化時においても用いることで、復号化時において、送信メッセージと符号語との対応付けを行なう計算処理が効率的になるので、一般の雑音を有する通信路の通信路容量に近い伝送レートで情報を送信できるとともに、復号時の誤り確率を限りなく「0」に近い値にすることができ、かつ、符号化および復号化が実時間で行なえる。
[Effect of this embodiment]
As described above, according to the present embodiment, the first sparse matrix (A) is used as the LDPC matrix for parity check used in the conventional LDPC code, and the second sparse matrix (B). Is used as a matrix that gives the correspondence between transmission messages and codewords, and in order to realize a parity check and correspondence between transmission messages and codewords at the time of encoding, it is usually decoded in a conventional LDPC code. Since an optimization algorithm such as a sum-product method used only at the time of encoding is also used at the time of encoding, calculation processing for associating a transmission message with a code word becomes efficient at the time of decoding Information can be transmitted at a transmission rate close to the channel capacity of a channel having general noise, and the error probability at the time of decoding is set to “0” as much as possible. It can be had values, and encoding and decoding can be performed in real time.

なお、本実施例では、疎行列生成装置10が生成した第一の疎行列(A)と第二の疎行列(B)とを、ネットワークを介して、符号器20と復号器40とに送信して入力する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、疎行列生成装置10が生成した第一の疎行列(A)と第二の疎行列(B)とを、通信システムの管理者が、符号器20と復号器40とに対して、直接、入力する場合であってもよい。   In this embodiment, the first sparse matrix (A) and the second sparse matrix (B) generated by the sparse matrix generation apparatus 10 are transmitted to the encoder 20 and the decoder 40 via the network. However, the present invention is not limited to this. For example, the first sparse matrix (A) and the second sparse matrix (B) generated by the sparse matrix generation device 10 May be directly input to the encoder 20 and the decoder 40 by the administrator of the communication system.

また、疎行列生成装置10が生成した第一の疎行列(A)と第二の疎行列(B)とは、本発明が適用される通信路すべてにおいて同一のものを使用してもよいが、例えば、本発明が適用される通信路それぞれにおいて、疎行列生成装置10が、第一の疎行列(A)と第二の疎行列(B)とを生成して使用する場合であってもよい。   In addition, the first sparse matrix (A) and the second sparse matrix (B) generated by the sparse matrix generation device 10 may be the same in all communication channels to which the present invention is applied. For example, in each communication channel to which the present invention is applied, even when the sparse matrix generation device 10 generates and uses the first sparse matrix (A) and the second sparse matrix (B). Good.

また、本実施例において説明した各処理のうち、自動的におこなわれるものとして説明した処理の全部または一部を手動的におこなうこともでき、あるいは、手動的におこなわれるものとして説明した処理の全部または一部を公知の方法で自動的におこなうこともできる。この他、上記文書中や図面中で示した処理手順、制御手順、具体的名称、各種のデータやパラメータを含む情報については、特記する場合を除いて任意に変更することができる。   In addition, among the processes described in this embodiment, all or part of the processes described as being performed automatically can be performed manually, or the processes described as being performed manually can be performed. All or a part can be automatically performed by a known method. In addition, the processing procedure, control procedure, specific name, and information including various data and parameters shown in the above-described document and drawings can be arbitrarily changed unless otherwise specified.

また、図示した各装置の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部または一部を、各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的または物理的に分散・統合して構成することができる。さらに、各装置にて行なわれる各処理機能は、その全部または任意の一部が、CPUおよび当該CPUにて解析実行されるプログラムにて実現され、あるいは、ワイヤードロジックによるハードウェアとして実現され得る。   Further, each component of each illustrated apparatus is functionally conceptual, and does not necessarily need to be physically configured as illustrated. In other words, the specific form of distribution / integration of each device is not limited to that shown in the figure, and all or a part thereof may be functionally or physically distributed or arbitrarily distributed in arbitrary units according to various loads or usage conditions. Can be integrated and configured. Further, all or any part of each processing function performed in each device may be realized by a CPU and a program analyzed and executed by the CPU, or may be realized as hardware by wired logic.

なお、本実施例で説明した情報送受信方法は、あらかじめ用意されたプログラムをパーソナルコンピュータやワークステーションなどのコンピュータで実行することによって実現することができる。このプログラムは、インターネットなどのネットワークを介して配布することができる。また、このプログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク(FD)、CD−ROM、MO、DVDなどのコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行することもできる。   The information transmission / reception method described in this embodiment can be realized by executing a program prepared in advance on a computer such as a personal computer or a workstation. This program can be distributed via a network such as the Internet. The program can also be executed by being recorded on a computer-readable recording medium such as a hard disk, a flexible disk (FD), a CD-ROM, an MO, and a DVD and being read from the recording medium by the computer.

以上のように、本発明に係る情報送受信方法、符号化装置および復号化装置は、送信対象である情報を符号化した符号語を生成して雑音を有する通信路に入力し、通信路から出力された符号語である出力符号語を復号化した復号語を生成して情報を受信する場合に有用であり、特に、一般の雑音を有する通信路の通信路容量に近い伝送レートで情報を送信できるとともに、復号時の誤り確率を限りなく「0」に近い値にすることができ、かつ、符号化および復号化が実時間で行なえることに適する。   As described above, the information transmission / reception method, the encoding device, and the decoding device according to the present invention generate a codeword obtained by encoding information to be transmitted, input it to a communication channel having noise, and output from the communication channel This is useful when receiving information by generating a decoded word obtained by decoding an output codeword that is a coded codeword, and transmitting information at a transmission rate close to the channel capacity of a channel having general noise. In addition, the error probability at the time of decoding can be made as close to “0” as possible, and encoding and decoding can be performed in real time.

本実施例における通信システムの概要を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the outline | summary of the communication system in a present Example. 本実施例における通信システムの特徴を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the characteristic of the communication system in a present Example. 本実施例における疎行列生成装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the sparse matrix production | generation apparatus in a present Example. 疎行列生成部を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a sparse matrix production | generation part. 本実施例における符号器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the encoder in a present Example. 符号語生成部を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a codeword production | generation part. 本実施例における復号器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the decoder in a present Example. 復号メッセージ生成部を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a decoding message production | generation part. 本実施例における疎行列生成装置の処理の手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the procedure of a process of the sparse matrix production | generation apparatus in a present Example. 本実施例における符号器の処理の手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the procedure of the process of the encoder in a present Example. 本実施例における復号器の処理の手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the procedure of the process of the decoder in a present Example.

符号の説明Explanation of symbols

10 疎行列生成装置
11 通信制御I/F部
12 処理部
12a 疎行列生成部
20 符号器
21 入力部
22 出力部
23 通信制御部
24 入出力制御I/F部
25 記憶部
25a 疎行列記憶部
25b 入力確率分布記憶部
26 処理部
26a 符号語生成部
30 通信路
40 復号器
41 入力部
42 出力部
43 通信制御部
44 入出力制御I/F部
45 記憶部
45a 疎行列記憶部
45b 入力確率分布記憶部
45c 条件付確率分布記憶部
46 処理部
46a 復号メッセージ生成部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Sparse matrix production | generation apparatus 11 Communication control I / F part 12 Processing part 12a Sparse matrix production | generation part 20 Encoder 21 Input part 22 Output part 23 Communication control part 24 Input / output control I / F part 25 Memory | storage part 25a Sparse matrix memory | storage part 25b Input probability distribution storage unit 26 Processing unit 26a Codeword generation unit 30 Communication path 40 Decoder 41 Input unit 42 Output unit 43 Communication control unit 44 Input / output control I / F unit 45 Storage unit 45a Sparse matrix storage unit 45b Input probability distribution storage Unit 45c conditional probability distribution storage unit 46 processing unit 46a decrypted message generation unit

Claims (3)

送信対象である情報を符号化した符号語を生成して雑音を有する通信路に入力し、前記通信路から出力された前記符号語である出力符号語を復号化した復号語を生成して前記情報を受信する情報送受信方法であって、
第一の疎行列と第二の疎行列とをそれぞれ生成する疎行列生成工程と、
前記通信路に入力される前記符号語の出現確率の分布である入力確率分布を第一の記憶部に記憶する入力確率分布記憶工程と、
前記通信路を模した確率分布として、前記符号語が入力された際に前記出力符号語が出力される条件付確率分布を第二の記憶部に記憶する条件付確率分布記憶工程と、
前記情報に対して、前記疎行列生成工程によって生成された前記第一の疎行列との積が零行列となり、かつ前記疎行列生成工程によって生成された前記第二の疎行列との積が前記情報となる前記符号語の候補の中で、前記第一の記憶部が記憶する前記入力確率分布が最大となるものを最適化アルゴリズムによって選択し、当該選択された候補を当該情報の前記符号語として生成する符号語生成工程と、
前記出力符号語に対して、前記疎行列生成工程によって生成された前記第一の疎行列との積が零行列となる前記符号語の候補の中で、自身が前記通信路に入力された場合、前記第一の記憶部が記憶する前記入力確率分布と前記第二の記憶部が記憶する前記条件付確率分布とを用いて算出される当該出力符号語が出力される確率が最大となるものを最適化アルゴリズムによって選択し、当該選択された候補と前記疎行列生成工程によって生成された前記第二の疎行列との積を、当該出力符号語の前記復号語として生成する復号語生成工程と、
を含んだことを特徴とする情報送受信方法。
Generate a codeword that encodes information to be transmitted and input it to a communication channel having noise, generate a decoded word by decoding an output codeword that is the codeword output from the communication channel, and An information transmission / reception method for receiving information,
A sparse matrix generation step for generating a first sparse matrix and a second sparse matrix respectively;
An input probability distribution storage step of storing an input probability distribution, which is a distribution of the appearance probability of the codewords input to the communication path, in a first storage unit;
A conditional probability distribution storage step of storing, in a second storage unit, a conditional probability distribution in which the output codeword is output when the codeword is input as a probability distribution imitating the communication path;
The product of the information and the first sparse matrix generated by the sparse matrix generation step is a zero matrix, and the product of the second sparse matrix generated by the sparse matrix generation step is the Among the codeword candidates to be information, the one that maximizes the input probability distribution stored in the first storage unit is selected by an optimization algorithm, and the selected candidate is the codeword of the information A codeword generation step to generate as
When the output codeword is input to the communication channel among the codeword candidates whose product of the first sparse matrix generated by the sparse matrix generation step is a zero matrix with respect to the output codeword The probability that the output codeword calculated using the input probability distribution stored in the first storage unit and the conditional probability distribution stored in the second storage unit is output is maximized. A decoding word generation step of generating a product of the selected candidate and the second sparse matrix generated by the sparse matrix generation step as the decoding word of the output codeword ,
An information transmission / reception method comprising:
送信対象である情報を符号化した符号語を生成して雑音を有する通信路に入力する符号化装置であって、
第一の疎行列と第二の疎行列とをそれぞれ生成する疎行列生成手段と、
前記通信路に入力される前記符号語として出現する確率の分布である入力確率分布を記憶する入力確率分布記憶手段と、
前記情報に対して、前記疎行列生成手段によって生成された前記第一の疎行列との積が零行列となり、かつ前記疎行列生成手段によって生成された前記第二の疎行列との積が前記情報となる前記符号語の候補の中で、前記入力確率分布記憶手段が記憶する前記入力確率分布が最大となるものを最適化アルゴリズムによって選択し、当該選択された候補を当該情報の前記符号語として生成する符号語生成手段と、
を備えたことを特徴とする符号化装置。
An encoding device that generates a code word obtained by encoding information to be transmitted and inputs the code word to a communication channel having noise,
Sparse matrix generation means for generating a first sparse matrix and a second sparse matrix respectively;
Input probability distribution storage means for storing an input probability distribution which is a distribution of the probability of appearing as the codeword input to the communication path;
The product of the information and the first sparse matrix generated by the sparse matrix generation means is a zero matrix, and the product of the second sparse matrix generated by the sparse matrix generation means is the Among the codeword candidates to be information, the one that maximizes the input probability distribution stored by the input probability distribution storage means is selected by an optimization algorithm, and the selected candidate is the codeword of the information Codeword generation means for generating
An encoding device comprising:
送信対象である情報を符号化した符号語が雑音を有する通信路に入力された後に、当該通信路から出力された前記符号語である出力符号語を復号化した復号語を生成して前記情報を受信する復号化装置であって、
第一の疎行列と第二の疎行列とをそれぞれ生成する疎行列生成手段と、
前記通信路に入力される前記符号語として出現する確率の分布である入力確率分布を記憶する入力確率分布記憶手段と、
前記通信路を模した確率分布として、前記符号語が入力された際に前記出力符号語が出力される条件付確率分布を記憶する条件付確率分布記憶手段と、
前記出力符号語に対して、前記疎行列生成手段によって生成された前記第一の疎行列との積が零行列となる前記符号語の候補の中で、自身が前記通信路に入力された場合、前記入力確率分布記憶手段が記憶する前記入力確率分布と前記条件付確率分布記憶手段が記憶する前記条件付確率分布とを用いて算出される当該出力符号語が出力される確率が最大となるものを最適化アルゴリズムによって選択し、当該選択された候補と前記疎行列生成手段によって生成された前記第二の疎行列との積を、当該出力符号語の前記復号語として生成する復号語生成手段と、
を備えたことを特徴とする復号化装置。
After a codeword obtained by encoding information to be transmitted is input to a communication channel having noise, a decoded word obtained by decoding an output codeword that is the codeword output from the communication channel is generated to generate the information. A decryption device for receiving
Sparse matrix generation means for generating a first sparse matrix and a second sparse matrix respectively;
Input probability distribution storage means for storing an input probability distribution which is a distribution of the probability of appearing as the codeword input to the communication path;
Conditional probability distribution storage means for storing a conditional probability distribution in which the output codeword is output when the codeword is input as a probability distribution imitating the communication path;
Among the codeword candidates in which the product of the output codeword and the first sparse matrix generated by the sparse matrix generation means is a zero matrix, the input codeword is input to the communication channel The probability that the output codeword calculated using the input probability distribution stored in the input probability distribution storage unit and the conditional probability distribution stored in the conditional probability distribution storage unit is output is maximized. Decoding word generating means for selecting an object by an optimization algorithm and generating a product of the selected candidate and the second sparse matrix generated by the sparse matrix generating means as the decoded word of the output codeword When,
A decoding apparatus comprising:
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