JP2007258841A - チャネル符号化及び復号化を行うための装置及び方法 - Google Patents

チャネル符号化及び復号化を行うための装置及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】チャネル符号化及び復号化が行われる移動通信システムにおいて、チャネル符号化率を簡易且つ容易に変更すること。
【解決手段】符号化装置は、送信信号を構成する情報ビットをターボSPC方式により符号化し、１組の情報ビットから冗長ビットの組を1以上導出する手段と、制御信号で指定されるチャネル符号化率に従って冗長ビットを減らし又は増やし、情報ビット数と冗長ビット数の割合を調整する冗長度調整手段とを有する。冗長度調整手段で減らされる又は増やされる冗長ビットの少なくとも一部は、情報ビットの同じ組から導出される冗長ビットである。
【選択図】図１

Description

本発明は無線通信の技術分野に関連し、特にチャネル符号化及び復号化を行うための装置及び方法に関する。
一般に、送信信号はチャネル符号化された後に無線送信され、受信側で復号される。これにより無線伝送に伴う誤り率を改善することができる。IMT-2000のようなW−CDMAシステムではターボ符号化や畳み込み符号化が使用され、更にHSDPA(High-Speed Downlink Packet Access)では、チャネル状態に応じてデータ変調とチャネル符号化率を変更するリンクアダプテーションが行われている。今後のロングタームエボリューション（LTE）のような次世代通信システムでもチャネル符号化率を様々に変更することが望まれている。しかしながらターボ符号化等の手法は高い誤り訂正能力や信号の高品質化を図る観点からは望ましいが、演算処理が複雑であるという問題点がある。
一方、符号化及び復号化の演算処理を簡易化する観点からは、ターボシングルパリティチェック（ターボSPC）符号化方式を使用することが考えられるかもしれない（ターボSPCについては非特許文献１参照。）。しかしながらターボSPC符号化方式ではチャネル符号化率で期待される誤り率の改善効果を維持しつつチャネル符号化率を様々に変更する技術は確立されておらず、チャネル符号化率の変更が容易でないという問題がある。
従って従来の手法では簡易な構成でチャネル符号化率を様々に変更することは困難である。
K.Wu and L.Ping,"An improved two−state turbo-spc code for wireless communication systems", IEEE Trans. Commun., vol.52, no.8, pp.1238-1241, Aug.2004
本発明は、上記問題点の少なくとも１つに対処するためになされたものであり、その課題は、チャネル符号化及び復号化が行われる移動通信システムで使用され、チャネル符号化率を簡易且つ容易に変更できる装置及び方法を提供することである。
本発明では無線送信機で使用される符号化装置が使用される。符号化装置は、送信信号を構成する情報ビットをターボSPC方式により符号化し、１組の情報ビットから冗長ビットの組を1以上導出する手段と、制御信号で指定されるチャネル符号化率に従って冗長ビットを減らし又は増やし、情報ビット数と冗長ビット数の割合を調整する冗長度調整手段とを有する。冗長度調整手段で減らされる又は増やされる冗長ビットの少なくとも一部は、情報ビットの同じ組から導出される冗長ビットである。
本発明によれば、チャネル符号化及び復号化が行われる移動通信システムで使用される、チャネル符号化率を簡易且つ容易に変更することができる。
本発明の一形態によれば、情報ビット数と冗長ビット数の割合が調整され、チャネル符号化率が調整される。減らされる又は増やされる冗長ビットの少なくとも一部は、情報ビットの同じ組から導出される。これにより１組の情報ビットと冗長ビット対との対応関係が維持され、チャネル符号化率が変更されてもチャネル符号化率で期待される誤り率の改善効果を期待することができる。
情報ビットの同じ組から導出される一組の冗長ビットの内、一部は送信されるが一部は送信されないように、減らされる又は増やされる冗長ビットの少なくとも一部が設定されてもよい。これにより、チャネル符号化率が１に近い場合に、送信される冗長ビットが冗長ビット系列間で均一に分散させることができる。
所定数の情報ビットを排他的論理和演算することでビット群が導出され、ビット群の内容に依存して、該ビット群中のビットの符号を反転又は非反転することで冗長ビットの組が導出されてもよい。
図１は本発明の一実施例による送信機のチャネル符号化及び受信機の復号化に関する部分を示す（他の機能要素については図示の簡明化のため省略される。）。便宜上送信機及び受信機として説明されるが、これらは実際には基地局、移動局その他の無線通信装置の送信部及び受信部として用意される。
図１には送信機側に情報生成部１２、チャネル符号化部１４、冗長度調整部１６及び適応変復調制御部１８が描かれている。また受信機側には冗長度調整部２０及びチャネル復号化部２２が描かれている。
情報生成部１２は送信信号を形成する情報ビットを用意する。情報ビットは制御チャネルを構成してもよいし、データチャネルを構成してもよい。図示の簡明化のため制御チャネル、データチャネル及び他のチャネルが明示されてはいないが、送信機にはそれらが必要に応じて用意される。
チャネル符号化部１４はそこに入力された情報ビットにチャネル符号化を施す。本実施例ではチャネル符号化はターボシングルパリティチェック（ターボSPC）符号化方式により行われる。
図２はチャネル符号化部１４の詳細（上側）及び演算概要（下側）を示す。チャネル符号化部１４は、SPC符号化部２１及び畳み込み符号化部２３を有する。SPC符号化部２１はそこに入力された情報ビットＪ個（dk1,dk2,…,dkJ）につき１つの入力ビット（後段処理部への入力ビット）qkを出力する。より具体的にはＪ個の情報ビットを全て排他的論理和で加算することで入力ビットが導出される。
qk=dk1(XOR)dk2(XOR)…(XOR)dkJ
こうして導出された入力ビット２つが１組として、即ち入力ビット対(例えば、(qk,qk+1))として畳み込み符号化され、符号化部１４から出力される。畳み込み符号化部２３は入力ビット対の内容及び過去の履歴に基づいて出力ビット、即ち出力ビット対(pk,pk+1)を出力する。より具体的には２状態（Si=0,1）が定義され、入力ビット対が同符号なら出力ビット対の状態は入力ビット対と同じ状態に設定される。入力ビット対が異符号なら出力ビット対の状態は入力ビット対の状態と異なる状態に設定される。そして、入力ビット対の状態が一方の状態（例えば、Si=1）ならば、入力ビットの符号を反転することで出力ビットが形成される。入力ビット対の状態が他方の状態（例えば、Si=0）ならば、入力ビットの符号を反転しないで（そのまま）出力することで出力ビットが形成される。
図３は入力ビット(qk,qk+1)及び出力ビット(pk,pk+1)の状態遷移図を示す。図では入力ビットと出力ビットがまとめて示されている(qk,qk+1,pk,pk+1)。入力ビット対は２ビットで構成されるので、全部で４種類の入力ビット対(00),(11),(10)又は(01)が発生し得る。Si=1の場合は入力ビット対の符号を反転することで出力ビットが形成されるので、出力ビット対はそれぞれ(11),(00),(01)又は(10)になる。前２者はビット対中のビットの符号が同じなので状態はそのまま維持されるが（Si=1）、後２者ではそれらの符号が異なるので状態は変更される（Si=0）。Si=0の場合も同様な処理がなされる。この場合、入力ビット対の符号を反転せずにそのまま出力することで出力ビットが形成されるので、出力ビット対はそれぞれ(00),(11),(10)又は(01)になる。前２者はビット対中のビットの符号が同じなので状態はそのまま維持されるが（Si=0）、後２者ではそれらの符号が異なるので状態は変更される（Si=1）。
図１の冗長度調整部１６は情報ビット数及び冗長ビット数の割合を調整し、適応変復調制御部１８から指定されるチャネル符号化率の信号系列を形成し、出力する。冗長ビットとは上記の出力ビットに相当するビットである。情報ビット数及び冗長ビット数の割合をどのように調整するかについては後述される。なお、冗長ビットはパリティビットと呼ばれてもよい。
適応変復調制御部１８は送信信号に適用する変調方式及びチャネル符号化率を制御する。変調方式は例えばQPSK、１６QAM、６４QAM等のような様々な変調方式に設定されてよい。チャネル符号化率も０及び１の間の様々な有理数に設定されてよい。変調方式及びチャネル符号化率の組み合わせが情報レート毎に事前にテーブル化され、その組み合わせが指定されることでチャネル符号化率等が導出されてもよい。そのようなテーブルはMCSテーブルと呼ばれてもよい。
受信機側の冗長度調整部２０も、送信機側の冗長度調整部１６と同様に情報ビット数及び冗長ビット数の割合を調整し、制御信号で指定されるチャネル符号化率の信号系列を形成し、出力する。制御信号は送信機から通知される。より具体的には送信信号に施された変調方式及びチャネル符号化率が何であるかを示す制御信号が送信機から受信機に伝送される。この制御信号を受信し、分析することで受信機は使用されている変調方式及びチャネル符号化が何であるかを見出すことができる。
チャネル復号化部２２はターボシングルパリティチェック方式により符号化された信号系列を復号し、出力する。受信機では復号化後の信号に基づいて、送信された内容が復元される。
図４はチャネル符号化率の調整例を示す。図４左側に示されるように、この例では、入力ビット系列が２行に描かれ（６ビットずつ）、冗長ビット系列が４行に描かれている（６ビットずつ）。従って情報ビット数及び冗長ビット数の比率は1/3であり、これがチャネル符号化率に対応する。従って図５に示されるような４系列の冗長ビットを生成する要素が使用される。冗長ビット系列を生成する要素の各々で図２で説明された符号化の処理が行われる。但し、冗長ビット系列を生成する要素は必ずしもハードウエアとして４系列用意されなくてもよい。冗長ビット系列を生成する要素１つを反復的に使用することで、必要な冗長ビット系列を用意できるからである。
図４右側はチャネル符号化率Rが1/3から1/2に増やされた後の様子を示す。即ち図４左側に示されるような信号系列が図１のチャネル符号化部１４で生成され、図４右側に示されるような信号系列が冗長度調整部１６から出力される。図４の波線の円で示される冗長ビットは後段の不図示の送信部には与えられず、無線送信されない。このようにR=1/3を実現する冗長ビットの半数を除去することでR=1/2を実現できる。但し、除去する冗長ビットがどれであるかについては注意を要する。本実施例では対の形式で導出された冗長ビットが同じ対の形式で除去される或いは残される。この対とは上記の出力ビット対(pk,pk+1)である。冗長ビットの「除去」は「パンクチャリング(puncturing)」と呼ばれてもよい。
図４に示される例では２つの情報ビット２組から１つの入力ビット対(q1,q2)が導出される（J=2）。入力ビット対(q1,q2)から、冗長ビット系列#１の冗長ビット対(p1,p2)、冗長ビット系列#２の冗長ビット対(p1 ’,p2 ’)、冗長ビット系列#３の冗長ビット対(p1 ”,p2 ”)、冗長ビット系列#４の冗長ビット対(p1 ’”,p2 ’”)が導出される。このうち、図４右側に示されるように、冗長ビット系列#１の冗長ビット対(p1,p2)及び冗長ビット系列#３の冗長ビット対(p1 ”,p2 ”)、が残され、系列#２の冗長ビット対(p1 ’,p2 ’)及び系列#４の冗長ビット対(p1 ’”,p2 ’”)が除去される。
情報ビット数及び冗長ビット数の比率が単に1/2になるように冗長ビットが減らされるのではなく、２つの冗長ビットが除去される場合に、同じ入力ビット対(q1,q2)（一般的には(qk,qk+1)）に関連する冗長ビットが共に除去され、チャネル符号化率1/2が実現される。冗長ビットが対の形式で除去されるということは、残された冗長ビットも対の形式で残ることを意味する。言い換えれば、チャネル符号化率の調整前後で、一組の情報ビット（入力ビット対）に対応する冗長ビット対が残るので、その冗長ビット対に基づいて情報ビットを正確に復元しやすくなる。対の形式が乱されることを許容し、単に情報ビット数及び冗長ビット数の比率が1/2になるように冗長ビットが減らされたとすると、チャネル符号化率１／２で期待される誤り率を達成することは困難になるおそれがある。
図６はチャネル符号化率を増やす別の例を示す。図６ではチャネル符号化率R=1/3,1/2,2/3及び3/4の場合が示されている。R=1/3,1/2の例は図４で示されているものと同じであり、他の例との比較のために描かれている。R=2/3の例ではR=1/2の場合より多くの冗長ビットが除去される。図示されているように、除去される冗長ビットの少なくとも一部は、同じ入力ビット対から導出された冗長ビット対であるが、残された冗長ビットについて対の形式は維持されていない。冗長ビット対は図中波線枠で囲まれている。R=2/3の場合に対の形式を乱すことが許容されているのは、残される冗長ビットの分布を均一にするためである。冗長ビット系列＃１〜＃４の中で冗長ビットが均一に残されるように、冗長ビットが除去されている。チャネル符号化率が１に近づくと、対の形式を維持して同じ冗長ビット系列の冗長ビットを残し、冗長ビット系列間に偏りを生じさせるよりも、対の形式を乱すことを許容し、冗長ビット系列間で均一に冗長ビットを残した方が、受信品質の観点からは好ましい。R=3/4の場合は更に多くの冗長ビットが除去されているが、この場合も冗長ビット系列間で冗長ビットがなるべく均一に分散するように工夫されている。
図７はチャネル符号化率を減らす例を示す。図４，図６ではチャネル符号化率を増やす例が示されたが、図７ではチャネル符号化率が1/3から2/7に減らされる様子を示す。図示の例では第1〜第４の冗長ビット系列＃１〜＃４に加えて第５の冗長ビット系列＃５が加えられている。第５の冗長ビット系列＃５は、図５に示されるようなエンコーダを含む系列をもう１つ用意する或いはエンコーダの反復使用数を１回増やすことで得られる。或いは既に得られている冗長ビット系列の一部を複製することで、第５の冗長ビット系列が導出されてもよい。いずれにせよ、冗長ビット系列数を増やすことでチャネル符号化率を増やすことができる。更に、一組の情報ビット（入力ビット対）に対応する冗長ビットの対の形式が維持されるように冗長ビットが付加されるので、チャネル符号化率の低減に応じた誤り率の改善効果を期待できる。なお、冗長ビットの「付加」は「エクステンション(extension)」と呼ばれてもよい。
図８はチャネル符号化率を1/5に減らす例を示す。図示の例では第１〜第４の冗長ビット系列＃１〜＃４各々の一部を複製し、それを冗長ビットに加えることでチャネル符号化率が減らされる。冗長ビットだけでなく情報ビットも複製されている。この場合も、冗長度の調整前後で一組の情報ビット（入力ビット対）に対応する冗長ビットの対の形式が維持されるので、チャネル符号化率の低減に応じた誤り率の改善効果を期待できる。
本発明の一実施例による送信機のチャネル符号化に関する部分及び受信機の復号化に関する部分を示すブロック図である チャネル符号化部の詳細及び演算概要を示す図である。 入力ビット(qk,qk+1)及び出力ビット(pk,pk+1)の状態遷移図を示す。 チャネル符号化率を増やす例を示す図（その１）である。 チャネル符号化部を示す図である。 チャネル符号化率を増やす例を示す図（その２）である。 チャネル符号化率を減らす例を示す図（その１）である。 チャネル符号化率を減らす例を示す図（その２）である。
符号の説明
１２ 情報生成部
１４ チャネル符号化部
１６ 冗長度調整部
１８ 適応変復調制御部
２０ 冗長度調整部
２２ チャネル復号化部

Claims (6)

  1. 無線送信機で使用される符号化装置であって、
    送信信号を構成する情報ビットをターボシングルパリティチェック方式により符号化し、１組の情報ビットから冗長ビットの組を1以上導出する手段と、
    制御信号で指定されるチャネル符号化率に従って冗長ビットを減らし又は増やし、情報ビット数と冗長ビット数の割合を調整する冗長度調整手段と、
    を有し、前記冗長度調整手段で減らされる又は増やされる冗長ビットの少なくとも一部は、情報ビットの同じ組から導出される冗長ビットである
    ことを特徴とする符号化装置。
  2. 情報ビットの同じ組から導出される一組の冗長ビットの内、一部は送信されるが一部は送信されないように、前記冗長度調整手段で減らされる又は増やされる冗長ビットの少なくとも一部が設定される
    ことを特徴とする請求項１記載の符号化装置。
  3. 所定数の情報ビットを排他的論理和演算することでビット群が導出され、ビット群の内容に依存して、該ビット群中のビットの符号を反転又は非反転することで前記冗長ビットの組が導出される
    ことを特徴とする請求項１記載の符号化装置。
  4. 無線受信機で使用される復号化装置であって、
    送信機から受信した制御信号の示すチャネル符号化率に従って、受信信号を表すビットを増やし又は減らし、ターボシングルパリティチェック方式により符号化された信号を出力する冗長度調整手段と、
    出力された信号を復号する手段と、
    を有し、前記冗長度調整手段で減らされる又は増やされるビットの少なくとも一部は、ターボシングルパリティチェック方式で符号化される前の情報ビットの同じ組から導出された冗長ビットである
    ことを特徴とする復号化装置。
  5. 無線送信機で使用される符号化方法であって、
    送信信号を構成する情報ビットをターボシングルパリティチェック方式により符号化し、１組の情報ビットから冗長ビットの組を1以上導出する導出ステップと、
    制御信号で指定されるチャネル符号化率に従って冗長ビットを減らし又は増やし、情報ビット数と冗長ビット数の割合を調整する調整ステップと、
    を有し、前記調整ステップで減らされる又は増やされる冗長ビットの少なくとも一部は、情報ビットの同じ組から導出される冗長ビットである
    ことを特徴とする符号化方法。
  6. 無線受信機で使用される復号化方法であって、
    送信機から受信した制御信号の示すチャネル符号化率に従って、受信信号を表すビットを増やし又は減らし、ターボシングルパリティチェック方式により符号化された信号を出力する調整ステップと、
    出力された信号を復号するステップと、
    を有し、前記調整ステップで減らされる又は増やされるビットの少なくとも一部は、ターボシングルパリティチェック方式で符号化される前の情報ビットの同じ組から導出された冗長ビットである
    ことを特徴とする復号化方法。
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