JP2009239377A - 通信機 - Google Patents

Abstract

【課題】通信機で、受信側の処理を極めて簡略化し、誤り率スレッショルドを発生させる。
【解決手段】送信側において繰り返し符号化手段２により繰り返し符号を用いて符号化された後に拡張マッピング手段５により拡張マッピングされて送信手段６により送信された信号を受信する通信機において、ディマッピング手段１２が受信信号に対して前記拡張マッピングに対応したディマッピングを行い、復号手段１５がディマッピングの結果に対して前記繰り返し符号を用いた符号化に対応した復号を行い、また、ディマッピング手段１２と復号手段１５との間で尤度比に関する情報をやりとりすることで送信情報と復号結果との相互情報量を高める。
【選択図】 図１

Description

本発明は、通信機に関し、特に、雑音がある有線や無線のチャネルを介して位相変調方式を用いてディジタル信号を送受信するシステムにおける、送信側におけるチャネル符号化と変調信号点へのマッピング方法、及び、受信側における信号再生のための、復調器とチャネル復号器の間の繰り返し信号処理に関する。

１９９３年に、通信路容量に迫るターボ符号が発見されて以来、ＬＤＰＣ符号やＲＡ符号など、様々な高性能な符号が発見されている。これらの符号に共通する技術は、復号が確率伝播アルゴリズムによって実行されることであると言える。最近、この確率伝播アルゴリズムによる符号の復号と、通信に必要な他の機能とを組み合わせることで、全体として更に良い特性を得ようとする試みが多数行われている。

これらの中で、変調信号点に対応するシンボルの確率から、復号器からフィードバックされる事前確率を用いることでシンボルを構成する各ビットの確率に変換し、これを再度、復号器に伝播させる、というＢｉｔ Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ Ｃｏｄｅｄ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ（ＢＩＣＭ−ＩＤ）という技術が注目されている（例えば、非特許文献１参照。）。この技術を用いると、多値変調を用いる伝送システムにおいても誤り率スレッショルド（受信信号対雑音電力比がある値以上であれば誤り率特性を任意に小さくすることができる現象）を発生させることができる。

しかし、従来のＢＩＣＭ−ＩＤ方式では、誤り率スレッショルドを発生させるためにターボ符号やＬＤＰＣ符号などの符号自体がシャノン限界に迫るような強力な符号である必要があり、このために復号器の処理量が大きくなるという問題があった。この理由は、実際の多値変調信号点へのマッピング方法としてグレイ（Ｇｒａｙ）マッピングと呼ばれる方法を用いていたためである。

確率伝播アルゴリズムでは、複数の機能ブロックの間での繰り返し処理が行われる。繰り返し毎に誤り率特性が改善していき、最終的にスレッショルドを生じる。この場合、どのようにして各機能ブロックが送信情報に関する情報量を増大させていくかを評価するためには、相互情報量の伝達特性を評価しなければならない（例えば、非特許文献２参照。）。ＢＩＣＭ−ＩＤ方式では、複数の機能ブロックとは復調器（以下では、ディマッパと称する）と復号器（以下では、ディコーダと称する）に相当し、これらの間で変調シンボル点を構成する各ビットの尤度比が伝播される。

繰り返し処理による収束特性（収束が速い或いは遅いのみならず、繰り返しの後にスレッショルドを発生し得るか、を表す）は、相互情報量伝達特性で評価することができ、そのためにＥｘｔｒｉｎｓｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｃｈａｒｔ（以下、ＥＸＩＴチャートと略記する）が用いられることが多い（例えば、非特許文献３参照。）。

ＢＩＣＭ−ＩＤ方式のように、一方の機能ブロック（ＢＩＣＭ−ＩＤの場合、ディマッパ）のみがチャネルに接続され、もう一方の機能ブロック（ＢＩＣＭ−ＩＤの場合、ディコーダ）は前者に縦続接続されている場合、「直列連接型」と呼ばれる。
「直列連接型」の代表例はターボ等化システムであるため、ターボ等化システムを例にＥＸＩＴチャートを説明する。

図６には、ターボ等化システムの構成例を示してある。
本例のターボ等化システムでは、送信側の通信機は、ビット入力端子１０１と、エンコーダ１０２と、インタリーバ１０３と、信号マッパ１０４と、送信アンテナ１０５を備えており、また、受信側の通信機は、受信アンテナ１１１と、信号ディテクタ（等化器）１１２と、加算器１１３と、ディインタリーバ１１４と、ディコーダ１１５と、インタリーバ１１６と、ビット出力端子１１７を備えている。

概略的には、送信側の通信機では、ビット入力端子１０１から入力されたビット列がエンコーダ１０２によりエンコードされ、インタリーバ１０３によりインタリーブされ、信号マッパ１０４によりマッピングされて、これにより得られたチャネル信号が送信アンテナ１０５から無線送信される。
また、概略的には、受信側の通信機では、送信側からの無線信号が受信アンテナ１１１により受信されて、信号ディテクタ（等化器）１１２により処理され、その出力が加算器１１３を通った加算結果がディインタリーバ１１４によりディインタリーブされ、ディコーダ１１５によりディコードされて、その出力がビット出力端子１１７からビット列として出力される。また、ディコーダ１１５からの出力が、インタリーバ１１６によりインタリーブされて、加算器１１３及び信号ディテクタ（等化器）１１２に入力される。また、加算器１１３は、信号ディテクタ（等化器）１１２からの入力から、インタリーバ１１６からの入力を減算した結果（つまり、逆相で加算した結果）を、加算結果として出力する。

図６に示されるように、ターボ等化システムでは、信号ディテクタ１１２とディコーダ１１５が直列接続され、信号ディテクタ１１２のみがチャネルに接続されている。これら両者の間に、ビットの時間的関係をランダムに入れ替えるインタリーバ１１６及び逆の動作を行うディインタリーバ１１４が配置されている。これら、信号ディテクタ１１２とディコーダ１１５の間で各ビットの尤度比が伝播される。各機能ブロック（信号ディテクタ１１２とディコーダ１１５）では、与えられた尤度比を事前情報（事前尤度と言う）として、尤度比を繰り返し毎に更新し、新たな尤度比（外部尤度比と言う）を求め、これを他方へ伝播させる。

図７には、ターボ等化システムにおけるＥＸＩＴチャートの一例を示してある。
横軸は２つの値に対応している。一つは信号ディテクタ１１２へ入力される事前尤度比と対応する送信された符号化ビットとの間の相互情報量Ｉ_{Ａ，ＤＥＴ}であり、もう一方はディコーダ１１５から出力される外部尤度と対応する送信された符号化ビットとの間の相互情報量Ｉ_{Ｅ，ＤＥＣ}である。これらは、（インタリーバ１１６のため）時間的位置関係が異なるだけで値そのものは等しい。
縦軸も２つの値に対応している。一つは信号ディテクタ１１２から出力される外部尤度比と対応する送信された符号化ビットとの間の相互情報量Ｉ_{Ｅ，ＤＥＴ}であり、もう一方はディコーダ１１５に入力される事前尤度と対応する送信された符号化ビットとの間の相互情報量Ｉ_{Ａ，ＤＥＣ}である。これらは、（ディインタリーバ１１４のため）時間的位置関係が異なるだけで値そのものは等しい。

次に、このＥＸＩＴチャートの見方について説明する。
図７中には、複数の「逆Ｓ字型」カーブ１２１〜１２５と、一本の曲線１３１が描かれている。この一本の曲線１３１が信号ディテクタ１１２の相互情報量の伝達特性を表しており（入力が横軸、出力が縦軸）、「逆Ｓ字型」カーブ１２１〜１２５はディコーダ１１５の相互情報量の伝達特性を表している（入力が縦軸、出力が横軸）。複数の「逆Ｓ字型」カーブ１２１〜１２５はパラメータである符号化率に対応しており、カーブ１２１、１２２、１２３、１２４、１２５の順で符号化率が大きくなる（つまり、参照符号１２１〜１２５の値が大きいほど符号化率が大きい）。

さて、一回目の繰り返しではディコーダ１１５から入力される相互情報量はゼロ（つまり、ディコーダ１１５は送信情報に関する知識を全く持たない）であるが、信号ディテクタ１１２は、チャネルに接続されているため、適当な信号処理（例えば、Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｅｒｒｏｒ フィルタ：ＭＭＳＥ）によって、ディコーダ１１５からの事前尤度がゼロであっても、送信情報に関する知識を得ることができる（つまり、相互情報量を増大することができる）。この値が、図７のＥＸＩＴチャート中に参照符号１４１で示した点に相当する。

ディコーダ１１５には、この相互情報量を持った事前尤度比が入力される。ディコーダ１１５は、この事前尤度比を用いて符号化ルール（例えば、既知のルール）により尤度比を更新し（つまり、相互情報量を増大させ）、外部尤度比を求める。一例として、曲線１２３で示す符号化率０．５の符号を用いるとすると、この外部尤度比に相当する相互情報量が図７のＥＸＩＴチャート中に参照符号１４２で示した点に相当する。

２回目の繰り返しでは、ＥＸＩＴチャート中に参照符号１４２で示した点に相当する事前尤度比が信号ディテクタ１１２に既に与えられている。信号ディテクタ１１２は、この値を事前尤度比として用いて信号処理を繰り返すことによって、出力の相互情報量を更に増大させる（ここでの例では、ＥＸＩＴチャート中に参照符号１４３で示した点に相当する）。
これらの処理が繰り返される。つまり、ＥＸＩＴチャート上の信号ディテクタカーブ１３１とディコーダカーブ（ここでの例では、カーブ１２３）の間で尤度比を伝播させながら、「階段を上るように」相互情報量を増大させていく。図７では、このような相互情報量の遷移を参照符号１５１で示してある。

ここで、２つの曲線（信号ディテクタカーブとディコーダカーブ）が途中でクロスする場合を考える。
この場合、クロスするポイントに相当する値以上に相互情報量を増大させることができない。クロスするポイントが低い相互情報量に相当するとき（クロスがＥＸＩＴチャート上の左側の縦軸に近い場所で起こる場合）には、誤り率は実用にならない高い値となってしまう。
一方、クロスが起こらないぐらい両曲線が乖離している場合、つまり、与えられた信号ディテクタ１１２のＥＸＩＴカーブに対して低い位置に存在する「逆Ｓカーブ」を持つ符号を用いる場合には、少ない繰り返しで低い誤り率を達成することができるが、低い位置に「逆Ｓカーブ」を持つ符号はレートの低い符号であって、不要な帯域拡大を要している（つまり、ターボ等化システム自体がチャネルの能力を十分に活用していない、或いは、情報レートをロスしている）ことになる。

すると、全く情報レートにロスがなく、且つ任意に低い誤り率を達成できる状態とは、２つの曲線の間に乖離がなく、且つ両者がクロスしないようにシステムのパラメータ（符号やマッピング方法など）を選んだ場合の状態であり、２つの曲線がそれに近い振る舞いをするようにシステムを設計したときに「スレッショルド」が発生する。

次に、上述したようにＢＩＣＭ−ＩＤは「直列連接型」システムであるため、ＢＩＣＭ−ＩＤのＥＸＩＴチャートの振る舞いについても、ターボ等化システムと同様に説明することができる。
つまり、ディマッパ（チャネルに接続されている）のＥＸＩＴカーブとディコーダのＥＸＩＴカーブが、繰り返し処理の途中でクロスしていると、それ以上の相互情報量の増大は不可能になる。一方、これら２つのＥＸＩＴカーブの乖離が大きいと、チャネルの能力を十分に活用していない（つまり、漸近的に通信路容量を達成できない）ことになる。
このため、符号化率を固定したとき（つまり、符号を固定したとき）、その符号化率が通信路容量となるような受信信号対雑音電力比において誤り率スレッショルドを発生させるためには、ターボ等化システムと同様に、２つのＥＸＩＴカーブの乖離がなく、クロスもない状態にする必要があり、これに近い振る舞いをするときにスレッショルドが発生する）。

Ｌ．Ｈａｎｚｏ， Ｔ．Ｈ．Ｌｉｅｗ， ａｎｄ Ｂ．Ｌ．Ｙｅａｐ， "Ｔｕｒｂｏ Ｃｏｄｉｎｇ， Ｔｕｒｂｏ Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｐａｃｅ−Ｔｉｍｅ Ｃｏｄｉｎｇ ｆｏｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ Ｆａｄｉｎｇ Ｃｈａｎｎｅｌｓ"， Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ， ２００２ 松本、衣斐， "ターボ等化の基礎、及び情報理論的考察"， ＩＥＩＣＥ−Ｂ， Ｖｏｌ．Ｊ９０−Ｂ， Ｎｏ．１， ｐｐ．１−１６ Ｓ． ｔｅｎ Ｂｒｉｎｋ， "Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｉｔｅｒａｔｉｖｅｌｙ Ｄｅｃｏｄｅｄ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｃｏｎｃａｔｅｎａｔｅｄ Ｃｏｄｅｓ"， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｃｏｍ， ｖｏｌ．４９， Ｎｏ．１０， ｐｐ．１７２７／１７３７， Ｏｃｔ ２００１ Ｐ．Ｈａｎｋｅｌ， "Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｍａｐｐｉｎｇｓ ｆｏｒ Ｂｉｔ Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ Ｃｏｄｅｄ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ"， Ｐｒｏｃ． ｏｆ １７ｔｈ ＰＩＭＲＣ， Ｈｅｌｓｉｎｋｉ

ここで、ＢＩＣＭ−ＩＤシステムにおけるマッピング方法について考えてみる。
グレイマッピングでは、シンボルを構成するビットからなるベクトルのハミング距離が大きいほど信号点上での距離（ユークリッド距離と言う）が大きくなるように作られているため、ディマッパが得る受信信号サンプル値だけからでもビットへの変換が可能となる。つまり、ディコーダから伝播される確率ベクトルの入力がなくても、変換後の各ビットは送信された符号化後の情報を多く含んでいる（つまり、ディマッピング出力と送信された符号化系列の間の相互情報量が大きい）。このため、グレイマッピングに対するディマッパのＥＸＩＴカーブは大きな傾きを持たない。この比較的平坦なディマッパのＥＸＩＴカーブにうまく適合する（乖離が少なく、クロスもしない）復号器のＥＸＩＴカーブを持つ符号はターボ符号やＬＤＰＣ符号である。

しかしながら、ターボ符号やＬＤＰＣ符号では、符号自体が内部で多くの繰り返し処理を必要とし、大きな処理能力が必要となる。つまり、グレイマッピングに適合するように符号を設計すると、復号処理が大きくなってしまうという問題があった。
本発明は、このような従来の事情に鑑み為されたもので、例えば、極めて容易な方法で（つまり、復号処理が極めて容易で）、ディマッパのＥＸＩＴカーブとディコーダのＥＸＩＴカーブをマッチングさせる（つまり、乖離が少なく、クロスする点がＥＸＩＴチャートの右側の縦軸に近い領域で起こるようにする）ことができる通信機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、送信側から送信された信号を受信する通信機において、次のような構成とした。
ここで、送信側（例えば、送信側の通信機）では、繰り返し符号化手段により繰り返し符号を用いて符号化された後に拡張マッピング手段により拡張マッピングされた信号が送信手段により送信される。
すなわち、受信側の通信機では、ディマッピング手段が、受信信号に対して、前記拡張マッピングに対応したディマッピングを行う。復号手段が、前記ディマッピング手段によるディマッピングの結果に対して、前記繰り返し符号を用いた符号化に対応した復号を行う。また、前記ディマッピング手段と前記復号手段との間で尤度比に関する情報をやりとり（伝播）することで送信情報と前記復号結果との相互情報量を高める機能を備える。

従って、繰り返し符号と拡張マッピングの組み合わせを用いることにより、例えば、極めて容易な方法で（つまり、復号処理が極めて容易で）、ディマッパのＥＸＩＴカーブとディコーダのＥＸＩＴカーブをマッチングさせる（つまり、乖離が少なく、クロスする点がＥＸＩＴチャートの右側の縦軸に近い領域で起こるようにする）ことができる。これにより、誤り率スレッショルドを発生させることができる。

ここで、送信側の通信機としては、例えば、送信機能と受信機能の両方を有するものが用いられてもよく、或いは、送信機能のみを有するものが用いられてもよい。
また、受信側の通信機としては、例えば、送信機能と受信機能の両方を有するものが用いられてもよく、或いは、受信機能のみを有するものが用いられてもよい。
また、送信側の通信機と受信側の通信機を備えた通信システムが実施されてもよい。
また、通信としては、有線通信が用いられてもよく、或いは、無線通信が用いられてもよく、或いは、これらの両方が用いられてもよい。

また、ディマッピング手段と復号手段との間で尤度比に関する情報をやりとりすることで送信情報と前記復号結果との相互情報量を高める機能としては、例えば、ディマッピング手段と復号手段のほかに、演算手段（例えば、加算器）などが備えられてもよい。
また、尤度比に関する情報としては、種々な情報が用いられてもよく、例えば、各ビットの尤度比の情報を用いることができる。
また、一構成例として、送信側の通信機にインタリーブ手段を備えて、受信側の通信機に当該インタリーブ手段に対応するディインタリーブ手段を備えてもよい。この場合、例えば、受信側の通信機において、ディマッピング手段と復号手段との間のフィードバック経路に前記インタリーブ手段と同じ機能を有するインタリーブ手段を備える。

本発明に係る通信機では、好ましい態様例として、次のような構成とした。
すなわち、前記拡張マッピングとして、４相位相変調（ＱＰＳＫ）であって、第１のシンボルに０００、１０１を割り当て、第２のシンボルに０１０、１１１を割り当て、第３のシンボルに００１、１００を割り当て、第４のシンボルに０１１、１１０を割り当てる第１のマッピング（例えば、図２（Ａ）に示されるように１シンボルに３ビットを割り当てたもの）、又は、第１のシンボルに０１００、１１１０、００１０、１０００を割り当て、第２のシンボルに１１０１、１０１１、０１１１、０００１を割り当て、第３のシンボルに１０１０、１１００、００００、０１１０を割り当て、第４のシンボルに１１１１、０１０１、１００１、００１１を割り当てる第２のマッピング（例えば、図２（Ｂ）に示されるように１シンボルに４ビットを割り当てたもの）、又は、第１のシンボルに１００１１、１０１１０、０１０１１、１０１０１、０１１１０、０１１０１、１１１１１、００１１１を割り当て、第２のシンボルに００１００、００００１、０００１０、１１０１０、１１００１、１００００、０１０００、１１１００を割り当て、第３のシンボルに１０１１１、０１１１１、００１１０、１１１０１、００１０１、０００１１、１１１１０、１１０１１を割り当て、第４のシンボルに１００１０、０００００、１１０００、１０００１、０１０１０、１０１００、０１００１、０１１００を割り当てる第３のマッピング（例えば、図２（Ｃ）に示されるように１シンボルに５ビットを割り当てたもの）、のうちのいずれかを用いる。

好ましい態様例として、前記拡張マッピングとして、前記復号手段から伝播される尤度比に関する情報に対応する相互情報量が最大（例えば、情報のバイナリ表現の場合には、１）であるときに前記ディマッピング手段からの出力に関する相互情報量が最大となる４相位相変調（ＱＰＳＫ）であって１シンボルに３つ以上のビットを割り当てるものの変調信号点へのマッピングを用いる。

以上説明したように、本発明によると、繰り返し符号と拡張マッピングの組み合わせを用いることにより、例えば、極めて容易な方法で（つまり、復号処理が極めて容易で）、ディマッパのＥＸＩＴカーブとディコーダのＥＸＩＴカーブをマッチングさせる（つまり、乖離が少なく、クロスする点がＥＸＩＴチャートの右側の縦軸に近い領域で起こるようにする）ことができる。これにより、誤り率スレッショルドを発生させることができる。

本発明に係る実施例を図面を参照して説明する。
図１（Ａ）には、本発明の一実施例に係る送信側の通信機の構成例を示してあり、図１（Ｂ）には本発明の一実施例に係る受信側の通信機の構成例を示してある。
なお、本例では、送信側の通信機と受信側の通信機を分けて説明するが、１つの通信機に送信側の機能と受信側の機能の両方が備えられてもよい。

図１（Ａ）に示されるように、本例の送信側の通信機は、ビット入力端子１と、繰り返し符号器２と、インタリーバ３と、シリアルパラレル（Ｓ／Ｐ）変換器４と、拡張マッパ５と、送信アンテナ６を備えている。
図１（Ｂ）に示されるように、本例の受信側の通信機は、受信アンテナ１１と、信号ディマッパ（ＭＡＰアルゴリズム）１２と、加算器１３と、ディインタリーバ１４と、ディコーダ１５と、インタリーバ１６と、ビット出力端子１７を備えている。

概略的には、送信側の通信機では、ビット入力端子１から入力されたビット列が繰り返し符合器２により符号化され、インタリーバ３によりインタリーブされ、シリアルパラレル変換器４によりシリアルパラレル変換され、拡張マッパ５により拡張マッピングされて、これにより得られたチャネル信号が送信アンテナ６から無線送信される。
また、概略的には、受信側の通信機では、送信側からの無線信号が受信アンテナ１１により受信されて、信号ディマッパ（ＭＡＰアルゴリズム）１２により処理され、その出力が加算器１３を通った加算結果がディインタリーバ１４によりディインタリーブされ、ディコーダ１５によりディコードされて、その出力がビット出力端子１７からビット列として出力される。また、ディコーダ１５からの出力が、インタリーバ１６によりインタリーブされて、加算器１３及び信号ディマッパ（ＭＡＰアルゴリズム）１２に入力される。また、加算器１３は、信号ディマッパ（ＭＡＰアルゴリズム）１２からの入力から、インタリーバ１６からの入力を減算した結果（つまり、逆相で加算した結果）を、加算結果として出力する。

以下で、本例の通信機において行われる処理について、詳しく説明する。
符号化率を与えたときに、その符号化率が通信路容量となる受信信号電力対雑音電力比において誤り率スレッショルドを発生させるということは、ディマッパ１２のＥＸＩＴカーブと復号器１５のＥＸＩＴカーブを完全にマッチングさせることに相当する。このためにターボ符号のような強力な符号を用いる必要があったことは、グレイマッピングを用いていたからであって、マッピングの方法を変えれば、より簡単な符号で両者のＥＸＩＴカーブをマッチングさせることが可能であると考えられる。

そこで、本実施例では、上記の点に着目した。
つまり、あえて、マッピングルール自体ではビットの分離度が悪いマッピング方法を用い、ディコーダ１５から伝播される各ビットの尤度比が大きくなると、分離度が高まるマッピングを用いる。具体的には、各シンボルに複数の情報ビットベクトルを対応させる方式（拡張マッピング（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｍａｐｐｉｎｇ）と呼ばれる方式、例えば、非特許文献４参照。）を用いてＢＩＣＭ−ＩＤを構築する。これによって、伝送システム全体の周波数利用効率を下げることなく、より低符号化率の符号を用いることが可能となる。

図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）には、ディコーダ１５から伝播される尤度比に対応する相互情報量が１（情報のバイナリ表現の場合の最大値）であるときにディマッパ１２からの出力の相互情報量が最大となる４相位相変調（以下、ＱＰＳＫと略記する）点のマッピング方法（拡張マッピング方法）の例を示してある。
図２（Ａ）には１シンボル（ｓｙｍｂｏｌ）に３ビット（ｂｉｔ）をマッピングする場合を示してあり、図２（Ｂ）には１シンボル（ｓｙｍｂｏｌ）に４ビット（ｂｉｔ）をマッピングする場合を示してあり、図２（Ｃ）には１シンボル（ｓｙｍｂｏｌ）に５ビット（ｂｉｔ）をマッピングする場合を示してある。
ここで、図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に対応するパラメータは、各シンボルにマッピングされるビット数（すなわち、スペクトラム効率）である。

図３には、図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示されるようなマッピング方法を用いる場合におけるディマッパ１２のＥＸＩＴチャートの一例を示してある。具体的には、グレイマッピングを用いる場合におけるＥＸＩＴカーブである曲線２１を示してあるとともに、拡張マッピングを用いる場合におけるＥＸＩＴカーブである曲線２２を示してある。

図３を参照すると、ディコーダ１５から伝播される尤度比に対応する相互情報量Ｉ_{Ａ，ＤＥＴ}が０であるときにおけるディマッパ１２からの出力の相互情報量Ｉ_{Ｅ，ＤＥＴ}は、拡張マッピングでは、グレイマッピングと比較して、極めて小さいことがわかる。このことは、このマッピング方法を用いる場合には、ディマッパ１２自体ではシンボルからビットに変換できてもその誤り確率が高いことを意味する。一方、ディコーダ１５から伝播される相互情報量が１であるときには、ディマッパ１２からの出力の相互情報量は、拡張マッピングでは、グレイマッピングと比較して、極めて大きくなる。このことは、マッピング方法がスペクトラム効率自体を変化させないために、ＥＸＩＴカーブの左端が下がれば右端は上昇する（すなわち、ＥＸＩＴカーブの下の部分の面積はマッピング方法に依存しない）ことに対応している。

結果として、拡張マッピングのディマッパ１２のＥＸＩＴカーブは大きな傾きを持つ。このため、例えば、ターボ符号やＬＤＰＣ符号を用いると、ＥＸＩＴチャートの左側の縦軸に近い領域でクロスが生じ、拡張マッピングにこれらの符号を組み合わせると、高い誤り率しか得られず、スレッショルドは発生しない。
このことは、ディコーダ１５自体についても大きな傾きを持つ符号を用いなければならないことを示唆している。このような大きな傾きを有するＥＸＩＴカーブを持つ符号としては、最も簡単な符号である繰り返し符号がある。繰り返し符号の復号は極めて単純であり、ターボ符号やＬＤＰＣ符号の復号器が必要とする大きな演算処理量を必要としない。

図４には、拡張マッピングのディマッパ１２のＥＸＩＴチャート３１（横軸が入力の相互情報量、縦軸が出力の相互情報量である）の一例と、繰り返し符号のディコーダ１５のＥＸＩＴチャート３２（縦軸が入力の相互情報量、横軸が出力の相互情報量である）の一例を示してある。
図４に示されるように、両者３１、３２は極めて接近しつつ、クロスするポイントは右端の縦軸に極めて近いところで発生している。このことは、誤り率特性のスレッショルドが発生することを示唆している。

つまり、チャネルの信号電力対雑音電力比が小さい場合には、両曲線３１、３２はＥＸＩＴチャートの左端の縦軸に近い領域でクロスする。そして、信号電力対雑音電力比を徐々に上げていくと、ディマッパ１２のＥＸＩＴカーブ３１が次第に上方に移動し、突然、横軸のほとんど全ての値に対して両者３１、３２がクロスしなくなる（実際には、右端の縦軸に近いポイントでクロスする）。この状態が、誤り率が突然小さくなる現象、つまり、スレッショルドを発生していることに対応する。

一例として、３ビット拡張したＱＰＳＫ（つまり、５ビット／シンボル）と５回繰り返し符号を組み合わせた場合、スレッショルドを発生する信号電力対雑音電力比は１．２ｄＢである。
図５には、受信信号対雑音電力比（Ｅ_ｓ／Ｎ_０）に対する誤り率（ＢＥＲ）の特性の一例（曲線４１）を示してある。横軸は受信信号対雑音電力比を表しており、縦軸は誤り率を表している。
図５を参照すると、信号電力対雑音電力比が１．２ｄＢであるところにおいてスレッショルドが発生していることがわかる。

次に、図１（Ａ）、（Ｂ）に示される本例の通信機の動作について説明する。
送信側では、繰り返し符号器２において、送信されるべき情報ビット系列を繰り返し符号化する。符号化率は、拡張マッピングを適用することによって得られる変調方式のスペクトル効率の逆数（例えば、３ビット拡張したＱＰＳＫを用いる場合には、符号化率１／５）に設定する。
繰り返し符号器２からの出力（繰り返し符号化の結果）は、インタリーバ３によって、符号化後の各ビットの時間的位置がランダム化される。

インタリーバ３からの出力は、シリアルパラレル変換器４において１入力ｍ（例えば、図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に応じて、ｍ＝３、４、５）出力のシリアル／パラレル変換が為された後に、拡張マッパ５によりパラレルデータのパターンに対応する拡張マッピングの変調信号点にマッピングされる。例えば、図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示される信号点配置を用いる場合には、それぞれ、ＱＰＳＫの変調信号点にマッピングされた３、４、５ビット／シンボルの伝送が可能である。

受信側では、受信信号サンプル値をディマッパ１２によってビット尤度比に変換する。このための信号処理アルゴリズム（ディマッピングと言う）は、事後確率最大（Ｍａｘｉｍｕｍ Ａ ｐｏｓｔｅｒｉｏｒｉ Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ：ＭＡＰ）アルゴリズムと呼ばれる（詳細は、例えば、非特許文献４など参照。）。
前述のように、図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示した信号点配置は、ディコーダ１５からフィードバックされる相互情報量が１であることを条件に最適化してある。つまり、このとき、信号分離の確からしさは、他のマッピング方式と比較して最も大きくできる。

ディマッパ１２からの出力であるビット尤度比は、加算器１３によりディマッパ１２に入力された事前尤度比を差し引かれた後に、インタリーバの逆の時間配置変換を行うディインタリーバ１４に入力される。
ディインタリーバ１４からの出力は、繰り返し符号のディコーダ１５に入力され、ディコーダ１５では、符号化後の各ビットの尤度比が更新される。
ディコーダ１５により更新された尤度比は、インタリーバ１６によりインターリーブされた後に、ディマッパ１２に事前尤度比として入力（フィードバック）されるとともに、加算器１３に入力される。
この事前尤度比をシンボルの分離のためのディマッピングアルゴリズムが利用することで、分離度が高まる（つまり、一回目の処理よりも高い値のディマッパ１２出力の相互情報量が得られる）。
このような処理が繰り返される。

以上のように、本例の通信機における信号送受信方式では、送信側において、繰り返し符号による符号化及び拡張マッピングを行った信号を送信し、また、受信側において、受信信号に対してディマッピング（復調）及びディコード（復号）を行い、信号ディマッパ１２とディコーダ１５との間で尤度比のやりとりを繰り返して行うことにより相互情報量を高める。
本例の信号送受信方式では、拡張マッピング方法として、図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のいずれかに示されるマッピング方法を用いている。

以上のように、本例の通信機では、ＢＩＣＭ−ＩＤの受信側の処理を極めて簡略化することができる。そして、極めて簡単な符号である繰り返し符号を用いているにもかかわらず、誤り率スレッショルドを発生させることが可能である。これにより、例えば、ターボ符号やＬＤＰＣ符号のように複雑な且つディコーダ内部での繰り返しを行う処理を除去することができる。

更に、拡張マッピングでは、各シンボルに複数の情報ビットベクトルを対応させているため、高いビットレートを達成することができる。
一例として、４値位相変調（ＱＰＳＫ）のマッピングを３ビット拡張（Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）することで、３２値直交振幅位相変調（３２ＱＡＭ）相当と同等のビットレートを達成することができる。このことは、振幅変動を伴う３２ＱＡＭの代わりに、振幅変動を伴わない３ビット拡張したＱＰＳＫを使用すればよいということになり、通信機（送受信機）の負荷（例えば、送信機の電力消費の量、種々な不完全性要因に対する感度、など）を大幅に低減することができる。

なお、本例の送信側の通信機では、繰り返し符号器２の機能により繰り返し符号化手段が構成されており、インタリーバ３の機能によりインタリーブ手段が構成されており、拡張マッパ５の機能により拡張マッピング手段が構成されており、送信アンテナ６を用いて信号を無線送信する機能により送信手段が構成されている。
また、本例の受信側の通信機では、アンテナ１１を用いて無線信号を受信する機能により受信手段が構成されており、信号ディマッパ（ＭＡＰアルゴリズム）１２の機能によりディマッピング手段が構成されており、加算器１３の機能により演算手段が構成されており、ディインタリーバ１４の機能によりディインタリーブ手段が構成されており、ディコーダ１５の機能により復号手段が構成されており、インタリーバ１６の機能によりインタリーブ手段が構成されている。また、信号ディマッパ１２から加算器１３及びディインタリーバ１４を介してディコーダ１５へ各ビットの尤度比の情報が伝播され、フィードバック経路ではディコーダ１５からインタリーバ１６を介して信号ディマッパ１２へ各ビットの尤度比の情報が伝播され、これらの伝播が繰り返されて送信情報と復号結果との相互情報量が高められる。

ここで、本発明に係るシステムや装置などの構成としては、必ずしも以上に示したものに限られず、種々な構成が用いられてもよい。また、本発明は、例えば、本発明に係る処理を実行する方法或いは方式や、このような方法や方式を実現するためのプログラムや当該プログラムを記録する記録媒体などとして提供することも可能であり、また、種々なシステムや装置として提供することも可能である。
また、本発明の適用分野としては、必ずしも以上に示したものに限られず、本発明は、種々な分野に適用することが可能なものである。
また、本発明に係るシステムや装置などにおいて行われる各種の処理としては、例えばプロセッサやメモリ等を備えたハードウエア資源においてプロセッサがＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）に格納された制御プログラムを実行することにより制御される構成が用いられてもよく、また、例えば当該処理を実行するための各機能手段が独立したハードウエア回路として構成されてもよい。
また、本発明は上記の制御プログラムを格納したフロッピー（登録商標）ディスクやＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）−ＲＯＭ等のコンピュータにより読み取り可能な記録媒体や当該プログラム（自体）として把握することもでき、当該制御プログラムを当該記録媒体からコンピュータに入力してプロセッサに実行させることにより、本発明に係る処理を遂行させることができる。

本発明の一実施例に係る通信機の構成例を示す図であり、（Ａ）は送信側の構成例を示す図であり、（Ｂ）は受信側の構成例を示す図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は拡張マッピング方法の例を示す図である。 拡張マッピングに対するＥＸＩＴカーブの一例を示す図である。 ＥＸＩＴチャートの一例を示す図である。 受信信号対雑音電力比に対するビット誤り率特性の一例を示す図である。 ターボ等化システムの一例を示す図である。 ターボ等化システムにおけるＥＸＩＴチャートの一例を示す図である。

符号の説明

１、１０１・・ビット入力端子、 ２・・繰り返し符号器、 ３、１６、１０３、１１６・・インタリーバ、 ４・・シリアルパラレル変換器、 ５・・拡張マッパ、 ６、１０５・・送信アンテナ、 １１、１１１・・受信アンテナ、 １２・・信号ディマッパ（ＭＡＰアルゴリズム）、 １３、１１３・・加算器、 １４、１１４・・ディインタリーバ、 １５、１１５・・ディコーダ、 １７、１１７・・ビット出力端子、
２１・・グレイマッピングに対するＥＸＩＴカーブ、 ２２・・拡張マッピングに対するＥＸＩＴカーブ、
３１・・拡張マッピングに対するディマッパのＥＸＩＴカーブ、 ３２・・繰り返し符号に対するディコーダのＥＸＩＴカーブ、
４１・・受信信号対雑音電力比に対するビット誤り率特性、
１０２・・エンコーダ、 １０４・・信号マッパ、 １１２・・信号ディデクタ（等化器）、
１２１〜１２５・・符号化率をパラメータとするディコーダのＥＸＩＴカーブ、 １３１・・信号ディテクタのＥＸＩＴカーブ、 １４１〜１４３・・相互情報量を示す点、 １５１・・相互情報量遷移、

Claims (2)

1. 送信側において繰り返し符号化手段により繰り返し符号を用いて符号化された後に拡張マッピング手段により拡張マッピングされて送信手段により送信された信号を受信する通信機において、
   受信信号に対して前記拡張マッピングに対応したディマッピングを行うディマッピング手段と、
   前記ディマッピング手段によるディマッピングの結果に対して前記繰り返し符号を用いた符号化に対応した復号を行う復号手段と、を備え、
   前記ディマッピング手段と前記復号手段との間で尤度比に関する情報をやりとりすることで送信情報と前記復号結果との相互情報量を高める機能を備えた、
   ことを特徴とする通信機。
2. 請求項１に記載の通信機において、
   前記拡張マッピングとして、４相位相変調であって、
   第１のシンボルに０００、１０１を割り当て、第２のシンボルに０１０、１１１を割り当て、第３のシンボルに００１、１００を割り当て、第４のシンボルに０１１、１１０を割り当てる第１のマッピング、
   又は、第１のシンボルに０１００、１１１０、００１０、１０００を割り当て、第２のシンボルに１１０１、１０１１、０１１１、０００１を割り当て、第３のシンボルに１０１０、１１００、００００、０１１０を割り当て、第４のシンボルに１１１１、０１０１、１００１、００１１を割り当てる第２のマッピング、
   又は、第１のシンボルに１００１１、１０１１０、０１０１１、１０１０１、０１１１０、０１１０１、１１１１１、００１１１を割り当て、第２のシンボルに００１００、００００１、０００１０、１１０１０、１１００１、１００００、０１０００、１１１００を割り当て、第３のシンボルに１０１１１、０１１１１、００１１０、１１１０１、００１０１、０００１１、１１１１０、１１０１１を割り当て、第４のシンボルに１００１０、０００００、１１０００、１０００１、０１０１０、１０１００、０１００１、０１１００を割り当てる第３のマッピング、
   のうちのいずれかを用いる、
   ことを特徴とする通信機。

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