JP2006511993A - ガロア体上でシンボル再配置を用いるデータ再送信方法 - Google Patents

Abstract

前方誤り訂正（ＦＥＣ）符号を用いて、信号源から受信したデータを符号化し、ガロア体（ＧＦ）シンボルを発生させる工程を有するＡＲＱ通信システムの送信器から受信器へのデータ伝送方法。さらに、変調方式として四位相偏移変調（ＱＰＳＫ）を用いてＧＦシンボルをマッピングする工程と、ＱＰＳＫ変調シンボルを受信器に送信する工程とを有している。本発明はさらに、これに対応する送信器と、受信器と、通信システムとに関する。

Description

本発明は、独立請求項である請求項１に記載する如く、送信シンボル再配列とともにガロア体（Galois Field:ＧＦ）シンボルを用いるデータ伝送の方法に関する。本発明はまた、他の独立請求項に記載される如く、関連する送信器、受信器、及びＡＲＱ通信システムに関する。

本発明は概して、通信システムにおけるパケット指向のデータ送信に関する。ここには、ＡＲＱ機能と、ＦＥＣ（前方誤り訂正）符号化と、デジタルＱＰＳＫ（四位相偏移変調）変調と、ＧＦ（４）の計算と、信号空間中のユークリッド距離による誤り復号化の原理とが含まれる。

非実時間的なサービスの誤り検出のための一般的な技術は、自動再送信要求（ＡＲＱ）方式を前方誤り訂正（ＦＥＣ）とともにその基礎としており、これはハイブリッドＡＲＱ（ＨＡＲＱ）と呼ばれている。巡回冗長検査（ＣＲＣ）によって誤りが検出されれば、受信器は、送信器に対し追加のビットの送信を要求する。

S. Kallel, Analysis of a type 11 hybrid ARQ scheme with code combining, IEEE Transactions on Communications, Vol. 38, No. 8, August 1990、S. Kallel, R. Link, S. Bakhtiyari, Throughput performance of Memory ARQ schemes, IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 48, No. 3, May 1999及びB. A. Harvey and S. Wicker, Packet Combining Systems based on the Viterbi Decoder, IEEE Transactions on Communications, Vol. 42, No. 2/3/4, April 1994には、ＡＲＱをＦＥＣと組み合わせる場合に、さらには受信器でＡＲＱ再送信信号を合成する場合に、通信システムのパフォーマンスを向上させることができることが記載されている。さらに、例えばＷＯ０２／０６７４９１Ａ１に開示されるように、コンスタレーション(constellation)再配置の概念は、追加のＡＲＱ再送信が必要な場合において、変調シンボルマッピングを再配置することにより、システムのパフォーマンスを高めることが示されている。

パケットの符号化は、送信の前にＦＥＣとともに行われる。再送信されるビットにより、３つの異なるタイプのＡＲＱが定義される。

タイプＩ：誤りを含む受信パケットを破棄し、同じパケットの新しいコピーを再送信し、別途符号化する。先のバージョンの受信パケットと後のバージョンの受信パケット合成することはない。

タイプＩＩ：誤りを含む受信パケットを破棄せず、次の復号化のために送信器が提供するインクリメンタルな冗長ビットと合成する。再送信されたパケットは符号化率がこれよりも高い場合があり、受信器において蓄積した値と合成される。これは、各再送信に加誤りれるのは僅かな冗長性だけであるということを意味する。

タイプＩＩＩ：タイプＩＩに、各再送信されたパケットが自己復号化可能であるという制約が加えられている。このことは、伝送されたパケットは前のパケットと組み合わせることなく復号化可能であるということを意味する。再使用可能な情報がほとんどなくなるほどパケットがダメージを受けた場合に、これは有用である。

ハイブリッドＡＲＱ方式であるタイプＩＩ及びタイプＩＩＩは、タイプＩに比べて、インテリジェントの程度が高く、またパフォーマンスの向上を示すが、それは、過去に受信した誤りを含むパケットの情報を再利用する能力を提供するからである。過去に伝送したパケットの冗長性を再利用する方式は、基本的に３つある。
・ ソフト合成
・ 符号合成
・ ソフト合成と符号合成との組み合わせ

ソフト合成を用いる場合、再送信パケットは同一のシンボルを運ぶ。この場合、複数の受信パケットを、シンボル単位で又はビット単位で合成する（D. Chase, Code combining: A maximum-likelihood decoding approach for combining an arbitrary number of noisy packets, IEEE Trans. Commun., Vol. COM- 33, pp. 385-393, May 1985、及び、B. A. Harvey and S. Wicker, Packet Combining Systems based on the Viterbi Decoder, IEEE Transactions on Communications, Vol. 42, No. 2/3/4, April 1994）。全ての受信パケットからのこれら軟判定値を合成することにより、送信ビットの信頼性は、受信されたパケットの数及び電力に対して線形に増加する。復号器の見地からは、全ての送信で同じＦＥＣ方式（一定の符号率）を使う。それゆえ、復号器は、合成した軟判定値のみを見ているため、再送信の実行回数を知る必要はない。この方式では、全ての送信パケットが、同数のシンボルを運ぶ必要がある。

符号合成では、新しい符号語を発生させるために、受信されたパケットを連結する（送信数を増やすことで符号率が減る）。それゆえに、復号器は、再送信毎に適用するＦＥＣ方式を知る必要がある。

符号合成では、ソフト合成に比べて、より高い柔軟性を示す。それは、再送信パケットの長さを変えることで、チャネル状態に適応させることが可能だからである。しかしながら、符号合成は、ソフト合成に比べて、さらに多くの信号データの送信を必要とする。

再送信パケットが、過去に送信したシンボルと同じシンボルと、これとは異なるコードシンボルとを含む場合は、同一のコードシンボルを前述の如くソフト合成を用いて合成し、残りの符号シンボルを符号合成を用いて合成する。ここでのシグナリング要件は、符号合成と同様である。

G. Benelli, "New mapping rules for combination of M-ary modulation and error- detecting codes in ARQ systems", IEEE Proceedings, Vol. 137, Pt. I, No. 4, August 1990では、信号コンスタレーション点間のユークリッド距離を、線形的以上に増大させることにより、パフォーマンスが向上するということが示されている。これは、多数のパケット送信を用いることによって、あるいは同じパケット内の同一のデータを異なるコンスタレーションを用いて反復することによって、同一のデータが反復される場合に、特に有効である。

本発明の目的は、伝送誤差に対して優れた全体パフォーマンスとロバスト性とを有する、ＡＲＱ通信システムにおけるデータ伝送方法と、送信器と、受信器とを提供することにある。

係る目的は、独立請求項により定義される方法、送信器、受信器及び通信システムによって解決される。本発明は、ＡＲＱ処理の数回の送信において、ガロア体シンボル符号化と、デジタルＱＰＳＫ変調と、効果的な送信シンボル再配置との有効な組み合わせとして理解することができる。その結果、ＡＲＱ送信のためのＦＥＣ符号化とＱＰＳＫ変調との間の相互作用が最適化され、また、追加のＡＲＱ再送信のための変調シンボルコンスタレーション再配置の有益な効果をもたらす。再送信されたＱＰＳＫ変調シンボルが、好ましくは異なるＱＰＳＫ変調方式を用いることにより変更されるので、信号空間中のシンボル間の累算距離の最大均等分布を得ることができる。好適な別の実施の形態によれば、ＱＰＳＫ変調に先立つＧＦシンボルの変更は、例えばＡＲＱ送信方式に従い乗数を変化させる乗算を用いるＧＦ数値演算によって得られる。

さらに有利な実施の形態によれば、ＧＦシンボルは、符号化処理から直接に、又はＱＰＳＫ変調に先立つ符号化器シンボルの変換の後に得られるＧＦ（４）のシンボルである。

送信器の好適な実施の形態は、異なる変調方式を用いる複数のマッパーを備えることで、送信パターンに従って変更ＱＰＳＫ変調シンボル（modified QPSK modulation symbol）を発生させる。

好適な別の実施の形態によれば、送信器は、送信パターンによって変化する乗数をＧＦシンボルに乗じるための乗算ユニットを備えている。

受信器の好適な実施の形態によれば、受信器は、送信パターンに従って選択される複数の変調方式を用いる複数のデマッパーを有するデマッピングユニットを備えている。

さらに好ましい実施の形態によれば、受信器は、信号空間中のユークリッド距離の原理に則り復号化を実行するＦＥＣ復号器を用いる。

以下、添付の図面を参照し、本発明を更に詳細に説明する。

図１は、本発明に係る通信システムのブロック図を例示する。本システムは、送信器１００を備え、この送信器は、有線又は無線の伝送チャネル３００を介してデータを伝送するための受信器２００と通信する。伝送チャネルは、パフォーマンスの劣化や伝送誤差によって生じるノイズに直面する。受信器は、フィードバックチャネル４００によって送信器と通信を行い、例えば、データを要求し、送信処理のための制御信号を送る。

送信器１００では、信号源１１０が一定のデータレートで情報ビットを出力し、これは次いで、ＦＥＣ符号化器１２０で符号化される。符号化器は、ガロア体計算に基づいてシンボルを発生させる。ガロア体とは、有限要素の数理体である。数理体の４つの要素は、通常、ＧＦ（４）と示される。

ＧＦ（４）体では、加算及び乗算は４つの要素で十分に定義される演算である。便宜のため、各要素は、「０」、「１」、「２」、「３」で示される。図５は、サンプルとしての加算及び乗算演算の表を与える。

伝送チャネル３００を介する変調シンボルの送信の前に、ＧＦ（４）のシンボルはＱＰＳＫマッピングユニット１３０へ入力される。

ＱＰＳＫは、例えば図６の複素信号平面において、変調シンボルとしても知られる４つの異なる信号コンスタレーション点を用いるデジタル変調方式である。伝統的にバイナリー伝送システムでは、これらの変調シンボルはそれぞれ、２つのビットを伝送するために用いられる。一般に用いられるビットの変調シンボルへのサンプルマッピングが、表１に与えられる。

ユークリッド距離復号化は、単一の送信に対して優れたパフォーマンスを示すことができる。

信号コンスタレーション点の距離の変化を用いて数回の送信が開始されれば、この挙動を向上することができる。この目的を達するため、例えば、コンスタレーション点上のシンボルをマッピングするための別々の変調方式が存在する。この変調方式のシーケンスは、データパケットの送信数をパラメータとして、送信パターンを形成する。三つの異なる変調方式が、図６（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に例示される。

これらの方式では、第１の送信、第２の送信及び第３の送信のそれぞれにおいて、同一の入力シンボル（「０」、「１」、「２」、「３」）が異なる信号コンスタレーション点にマッピングされる。

受信器２００において伝送チャネルを介して受信されるデータは、デマッピングユニット２１０へ先ず入力される。デマッピングユニット２１０は、送信器で用いる方式と同様の復調方式を用いてＧＦ（４）のシンボルを調整する。これを実現するため、受信器は、最初の送信及び全てのさらなる再送信におけるＱＰＳＫ復調方式を知る。送信パターンは、メモリーテーブルの中に事前記憶されるか、あるいは、たとえば、初期化段階で送信器と受信器との間で行われる折衝ルーチンに従ってシグナリングされる。これにより、受信器は、最初の送信及び全ての再送信の送信数を受信しあるいは記録して、適切な復調方式を選択する。

この好適な実施の形態によれば、デマッパーは、ユークリッド距離を提供し、単純なハミング距離及び硬判定の何れも出力として提供しない。

その後、ＦＥＣ復号器２２０が、デマッピングユニット２１０によって復調されるシンボルを復号化する。この好適な実施の形態によれば、復号器は、ユークリッド距離を考慮し、単純なハミング距離と硬判定の何れも考慮しない。ＦＥＣ符号のパフォーマンスは、符号語間で最小のハミング距離ｄ_ｍｉｎに大きく依存する。畳込み符号については、これら大部分は自由距離ｄ_ｆｒｅｅによって表される。

これらの最小距離のために、パフォーマンスを最適化する多数の符号生成器が見出されている。しかしながら、これらは通常、符号語の要素間の距離が異なる可能性を無視したものである。ＧＦ（４）の要素ａ及びｂに関して、ハミング距離は次のように定義される：

変調方式が図６（ａ）〜（ｃ）のように用いられる場合、ユークリッド距離の二乗が得られるようにこの定義を信号空間へと拡張することは、より大きな意味をなす：

変調コンスタレーションを利用する符号の構築のためには、これらの距離を考慮すべきである。これにより、受信器において好ましいユークリッド距離復号器が得られる。

所与の距離プロファイルに対して良好な符号を見出すためのルール及びアルゴリズムは、さらにここで言及するまでもなく当業者に容易に明らかであり、また本発明は、システムに用いられる所与の変調シンボルコンスタレーションのユークリッド距離の二乗に関して最適化した当該符号の用法を含んでいる。

上述のように、本発明の好適な実施の形態では、ユークリッド距離に基づくＦＥＣ復号器を用いる。これは好適であるが、ハミング距離復号器等のパフォーマンスを低くしたより単純な復号器の構成を使うことは、それでもなお可能である。

さらに、上記に述べられるように、図１に示される復号器２２０は、数回の送信から得られる情報を合成する手段を有している。無論これは、受信器で別個のエンティティとして実施することができる。

ＱＰＳＫ変調シンボルへのＧＦ（４）の符号シンボルのマッピングの一例が、図６（ａ）〜（ｃ）の何れか一つと関連して表２に与えられる。

パケットの再送信に関しては、受信データのソフト合成を受信器で実行する場合は、各変調シンボル間のユークリッド距離を変化させることで、誤りデ復号化パフォーマンスを向上させる。したがって、ＱＰＳＫ変調シンボルへのＧＦ（４）のシンボルのマッピングルールを、送信数によって変化させることができる。再送信が要求された場合は、当該パケットのデータを再送信するということを信号源に通知する必要がある。同様に、ＱＰＳＫマッパー及びデマッパーは、再送信のために変更マッピング（modified mapping）を適用すべきであることを通知される。マッピングの変化（variation）は、シンボル間の累算ユークリッド距離の最大均等分布が存在するように選択される。

上記のように、ＱＰＳＫ信号間でユークリッド距離を変えることにより、ＱＰＳＫシンボルのマッピングは送信パターンに従って制御される。図２に例示されるように、第１の代替形態における送信シンボル再配置は、複数の、この例では３つの、異なるＱＰＳＫマッピングユニットを使うことによって得られ、これは表３に示す送信数に従って選択される。

ＱＰＳＫマッピングエンティティ１３０−１〜１３０−３のそれぞれは、たとえば図６（ａ）〜（ｃ）の場合のように、各自が別個のマッピングルールを有している。

これらのエンティティのうちどれを実際の送信に用いるかは、送信パターンによって選択される。

第２の代替形態では、マッピングルールは変わらず、必要なＱＰＳＫマッピングエンティティは一つだけである。その代わり、マッピングに先立ち、図３に例示されるように、ＧＦ（４）上での乗算が、乗算ユニット１２１により適用される。乗数は、例えば、第１の送信に対しては「１」、第２の送信に対しては「２」、そして第３の送信に対しては「３」とすることができる。実質的にはこの方法も、シンボルのマッピングを変化させる方法と同様の方法で、再送信信号上でのユークリッド距離を変化させる。乗算ユニット１２１の他、全ての他の要素は、図１と同一の符号で示されたものと同じである。

通常は、現在の通信システムにおけるＦＥＣ符号化器の入力及び出力データは、バイナリーであり、すなわちＧＦ（２）の要素である。ＦＥＣ入力及び出力がＧＦ（２）の要素である場合に、たとえば図２に示されるように異なるＱＰＳＫマッピングを適用させる前に、又は図３にあるようにＧＦ（４）の乗算ユニットの前に、ＧＦ（２）の２つのシンボルをＧＦ（４）の１つのシンボルに変換するコンバータが必要となる。この結果が、図４（ａ）及び（ｂ）に示される。ここでは送信器１００が変換ユニット１２２を有する。表４は、ＧＦ（２）のシンボルをＧＦ（４）のシンボルに変換する可能な変換方式を与える。

あるいは、ＦＥＣ符号が、ＧＦ（２）からＧＦ（４）への符号であってもよい。これに関する例は、W. E. Ryan, S. G. Wilson, "Two Classes of Convolutional Codes over GF(q) for q-ary Orthogonal Signaling", IEEE Transactions on Communications, Vol. 39, No. 1, January 1991、及び、J. Chang, D. Hwang, M. Lin, "Some Extended Results on the Search for Good Convolutional Codes", IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 43, No. 5, September 1997に与えられている。

本発明に係る通信システムを記載するブロック図 ＱＰＳＫマッパーの実施のための好適な実施の形態 本発明に係る通信システムの他の好適な実施の形態 送信器の他の好適な実施の形態を例示するブロック図 加算演算と乗算演算とを例示するＧＦ（４）の計算の例 信号平面における別々の変調方式を示す例

Claims (17)

1. ＡＲＱ通信システムの送信器から受信器へのデータ伝送方法であって、
   前方誤り訂正（ＦＥＣ）符号を用いて、信号源から受信したデータを符号化し、ガロア体（ＧＦ）シンボルを発生させる工程と、
   変調方式として四位相偏移変調（ＱＰＳＫ）を用いてＧＦシンボルをマッピングする工程と、
   ＱＰＳＫ変調シンボルを受信器に送信する工程と、
   変更ＱＰＳＫ変調シンボルを受信器に再送信する工程と、
   を有するデータ伝送方法。
2. 該変更ＱＰＳＫ変調シンボルは、ＱＰＳＫ変調の前に該ＧＦシンボルを変更することにより得られる請求項１に記載のデータ伝送方法。
3. 該修正は、数値演算によって得られる請求項２に記載のデータ伝送方法。
4. 該数値演算が、可変の乗数を用いたＧＦシンボルの乗算である請求項３に記載のデータ伝送方法。
5. 該乗数は、送信の数に関係する請求項４に記載のデータ伝送方法。
6. 該変更ＱＰＳＫ変調シンボルは、異なるＱＰＳＫ変調方式を用いてＧＦシンボルをマッピングすることによって得られる請求項１に記載のデータ伝送方法。
7. シンボル間の累算ユークリッド距離の最大均等分布が得られるよう、ＱＰＳＫ変調シンボルの該修正が選択される請求項１乃至６の何れかに記載のデータ伝送方法。
8. 該ＧＦシンボルは、符号化処理から直接に、又はＱＰＳＫ変調の前のＧＦ（２）符号化器シンボルの変換の後に、の何れかで得られるＧＦ（４）のシンボルである請求項１乃至７の何れかに記載のデータ伝送方法。
9. ＡＲＱ通信システムに用いる送信器であって、
   信号源（１１０）からデータを受信し、またガロア体（ＧＦ）シンボルを発生させるための、伝送誤り訂正（ＦＥＣ）符号化器（１２０）と、
   変調方式としてＱＰＳＫを用いてＧＦシンボルをマッピングするためのマッピングユニット（１３０）と、
   ＱＰＳＫ変調シンボル及び変更ＱＰＳＫ変調シンボルを受信器に送信するための送信ユニット（１００）と、
   を備える送信器。
10. 該マッピングユニット（１３０）は、変調方式の異なる複数のマッパー（１３０−１〜１３０−３）を備え、送信パターンに従って変更ＱＰＳＫ変調シンボルを発生させる請求項９に記載の送信器。
11. 送信の数に関係する乗数をＧＦシンボルに乗じるための乗算ユニット（１２１）を更に備える請求項９又は１０に記載の送信器。
12. 符号化されたＧＦ（２）のシンボルをＧＦ（４）のシンボルに変換するためのコンバータを更に備える請求項９乃至１１の何れかに記載の送信器。
13. ＡＲＱ通信システムの受信器であって、
    ＱＰＳＫを変調方式として変調された受信ＧＦシンボルをデマッピングし、また送信パターンに従って変更ＧＦシンボルを復調するように適合されたデマッピングユニット（２１０）と、
    前記デマッピングユニットの出力を復号化し合成するためのＦＥＣ復号器（２２０）と、
    を備える受信器。
14. 該デマッピングユニット（２１０）は、送信パターンに従って選択される複数の復調方式を有する複数のデマッパーを備える請求項１３に記載の受信器。
15. 送信の数に関係する乗数をＧＦシンボルに乗じるための乗算ユニットを更に備える請求項１３又は１４に記載の受信器。
16. 該ＦＥＣ復号器（２２０）は、複素信号空間内のユークリッド距離の原理に従って誤り復号化を実行する請求項１３乃至１５の何れかに記載の受信器。
17. 請求項９乃至１２に記載の送信器と、請求項１４乃至１６に記載の受信器とを備える通信システム。
    

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