JP2010124401A - 符号化装置、復号化装置、符号化方法および復号化方法 - Google Patents

符号化装置、復号化装置、符号化方法および復号化方法 Download PDF

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Abstract


【課題】 ファイル全体を1ブロックとして符号化しながら、ブロック内のデータに対して誤り耐性の優劣をつけることである。
【解決手段】
レートレス符号化技術により伝送データを符号化する符号化装置30において、検査行列生成部35は、誤り耐性を向上させるソースシンボルに対応して定められた所定の範囲において非零要素を、他の範囲と比較して多く配置した検査行列を生成する。そして、符号化部36は、この検査行列生成部35により生成された検査行列を用いてソースシンボルを符号化する。
【選択図】 図3

Description

本発明は、LDPC符号などのレートレス符号を用いる符号化装置、復号化装置、符号化方法、および復号化方法に関する。
近年、大容量のデータを多数の受信者に効率よく配信する放送型コンテンツ配信技術が注目されている。この放送型コンテンツ配信では、伝送路のデータ消失に対する耐性を高めるために、FEC(Forward Error Correction)が利用されている。このFECの符号化方式としては、LDPC(low-densityparity-check code)符号や、Raptor符号等のレートレス符号化方式が用いられている。
LDPC符号では、伝送データは複数のソースシンボルに分割され、ソースシンボルから、排他的論理和(XOR)演算でパリティシンボルが生成される。このソースシンボルとパリティシンボルを合わせて符号化シンボルという。送信端末は、この符号化シンボルを送信し、受信端末は送信された符号化シンボルのうち、復号に必要なシンボルを受信できた場合、全ソースシンボルを復元することができる。
LPDC符号では、符号化のブロックサイズを大きくしても計算量があまり大きくならないという特徴がある。一般的に、ブロックサイズが大きい方が誤り耐性を向上させることができるため、LPDC符号では伝送ファイル全体を1ブロックとして符号化することが多い。この符号化の際には、下記非特許文献1に記載されている技術を用いて、検査行列を生成して、これを用いた符号化処理、または復号化処理を行うことができる。
ファイル全体を1ブロックとして符号化した場合、ファイル内のデータは全て同じ誤り耐性となる。しかし、伝送ファイルによっては、ファイルの中で重要度の高い部分とそうではない部分がある。特に放送型コンテンツ配信では動画等のマルチメディア情報を伝送する場合、先頭のデータさえそろっていれば、受信端末は先頭のデータを再生しながら、後続のデータの欠損部分を通信で再送要求して揃えることもできるため、誤り耐性に優劣をつけることが考えられる。
例えば、特許文献1に記載の方法では、ファイルを複数のブロックに分割し、各々を相異なる符号化器で符号化することで、誤り耐性に優劣をつけることが記載されている。
特開2006−311567号公報 IETF RFC5170 "Low Density Parity Check (LDPC) Staircase and TriangleForward Error Correction (FEC) Schemes", June, 2008, [Online]、[平成20年11月17日検索]、インターネット<http://www.ietf.org/rfc/rfc5170.txt>
しかしながら、特許文献1に記載されている方法では、符号化処理が複雑になるほか、ブロックを小さく分割するために誤り耐性が落ちることになる。
そこで、本発明では従来のレートレス符号化と同様に、ファイル全体を1ブロックとして符号化しながら、ブロック内のデータに対して誤り耐性の優劣をつけることのできる符号化方法、符号化装置およびこれら方法・装置で符号化された符号化データを復号する復号化方法および復号化装置を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するために、本発明の符号化装置は、レートレス符号化技術により伝送データを符号化する符号化装置において、誤り耐性を向上させる対象であるソースシンボルに対応して定められた検査行列における所定の範囲において、非零要素を他の範囲と比較して多く配置した検査行列を生成する符号化側検査行列生成手段と、前記符号化側検査行列生成手段により生成された検査行列を用いてソースシンボルを符号化する符号化手段と、を備えている。
この発明によれば、誤り耐性を向上させる対象であるソースシンボルに対応して定められた検査行列における所定の範囲において、非零要素を他の範囲と比較して多く配置した検査行列を生成し、生成された検査行列を用いてソースシンボルを符号化することができる。これにより、ファイル全体として1ブロックとして符号化できるとともに、特定のデータに対して誤り耐性を強化することができる。
また、本発明の符号化装置は、乱数系列を生成する符号化側乱数系列生成手段をさらに備え、前記符号化側検査行列生成手段は、前記符号化側乱数系列生成手段により生成された乱数系列を用いて検査行列を生成することが好ましい。
この発明によれば、乱数系列を用いて検査行列を生成することにより、この乱数系列に基づいて、誤り耐性を強化することができる。
また、本発明の符号化装置は、前記符号化側検査行列生成手段により生成された検査行列を用いた復号処理に必要な情報として、非零要素を高密度で配置させた検査行列における範囲を示す行数および列番号を送信する送信手段をさらに備えることが好ましい。
この発明によれば、生成された検査行列を用いた復号処理に必要な情報として、非零要素を高密度で配置させた検査行列における範囲を示す行数および列番号を送信することで、復号化装置に通知することができ、よって復号化装置側で適切に復号処理を行うことができる。
また、本発明の符号化装置は、誤り耐性を強化する対象であるソースシンボルの優先度合いを設定する優先度設定手段をさらに備え、前記符号化側検査行列生成手段は、前記優先度設定手段により設定された優先度合いおよびその対象となるソースシンボルに基づいて、前記所定の範囲を決定することが好ましい。
この発明によれば、誤り耐性を強化する対象であるソースシンボルの優先度合いを設定し、設定された優先度合いに基づいて、所定の範囲を決定することにより、誤り耐性の強化の度合いを設定することができる。
また、本発明の復号化装置は、上述符号化装置において符号化された伝送データを復号化する復号化装置において、誤り耐性を向上させる対象であるソースシンボルに対応して定められた検査行列における所定の範囲において、非零要素を他の範囲と比較して多く配置した検査行列を生成する復号化側検査行列生成手段と、前記検査行列生成手段により生成された検査行列を用いて符号化シンボルを復元する復号化手段と、を備えている。
これにより、誤り耐性を向上させる対象であるソースシンボルに対応して定められた検査行列における所定の範囲において、非零要素を他の範囲と比較して多く配置した検査行列を生成し、生成された検査行列を用いて符号化シンボルを復元することができる。これにより、ファイル全体として1ブロックとして符号化され、特定のデータに対して誤り耐性が強化された符号化データを復号することができる。
また、本発明の復号化装置は、上述符号化装置において生成された乱数系列に合わせて乱数系列を生成する復号化側乱数系列生成手段をさらに備え、前記復号化側検査行列生成手段は、前記復号化側乱数系列生成手段により生成された乱数系列を用いて検査行列を生成することが好ましい。
この発明によれば、符号化装置側で生成された乱数系列に合わせた乱数系列を生成し、この乱数系列を用いて検査行列を生成することにより、符号化装置側で符号化された符号化データを復号することができる。
また、本発明の復号化装置は、上述符号化装置において生成された符号化データの復号処理に必要な情報として、前記検査行列における、非零要素を高密度で配置させる行列における範囲を示す行数および列番号を受信する受信手段をさらに備え、前記復号化側検査行列生成手段は、前記受信手段により受信された行数および列番号を用いて検査行列を生成することが好ましい。
この発明によれば、復号処理に必要な情報として、前記検査行列における、非零要素を高密度で配置させる行列における範囲を示す行数および列番号を受信することができ、これを用いて適切な符号化処理を行うことができる。
また、本発明の復号化装置において、前記符号化側検査行列生成手段は、前記優先度設定手段により設定された優先度合いおよびその対象となるソースシンボルに基づいて、前記所定の範囲を決定することが好ましい。
この発明によれば、誤り耐性を強化する対象であるソースシンボルの優先度合いを設定し、設定された優先度合いに基づいて、所定の範囲を決定することにより、誤り耐性の強化の度合いが設定された検査行列に基づいて符号化された符号化データを復号することができる。
ところで、本発明は、上記のように符号化装置または復号化装置の発明として記述できる他に、以下のように、符号化方法、復号化方法の発明としても記述することができる。これらはカテゴリーが異なるだけで、実質的に同一の発明であり、同様の作用・効果を奏する。
すなわち、本発明の符号化方法は、レートレス符号化技術により伝送データを符号化する符号化装置における符号化方法において、誤り耐性を向上させる対象であるソースシンボルに対応して定められた検査行列における所定の範囲において、非零要素を他の範囲と比較して多く配置した検査行列を生成する符号化側検査行列生成ステップと、前記符号化側検査行列生成ステップにより生成された検査行列を用いてソースシンボルを符号化する符号化ステップと、を備えている。
また、本発明の復号化方法は、上述符号化方法において符号化された伝送データを復号化する復号化装置の復号化方法において、誤り耐性を向上させる対象であるソースシンボルに対応して定められた検査行列における所定の範囲において、非零要素を他の範囲と比較して多く配置した検査行列を生成する復号化側検査行列生成ステップと、前記検査行列生成ステップにより生成された検査行列を用いて符号化シンボルを復元する復号化ステップと、を備えている。
本発明によれば、ファイル全体として1ブロックとして符号化できるとともに、特定のデータに対して誤り耐性を強化することができる。
添付図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
本実施形態においては、8個のソースシンボルから12個のパリティシンボルを生成し、合計20個の符号化シンボルを生成する例を示す。なお、レートレス符号化として、LDPC符号のStaircaseアルゴリズムを用いる。
図1は、通常のLDPC符号の検査行列および検査式を示す図である。図1に示すとおり、8個のソースシンボルはsからsで示し、12個のパリティシンボルはp〜pで示す。ソースシンボルs〜s、パリティシンボルp〜p12を合わせた20個のシンボルを符号化シンボルとする。検査行列は、要素が“0”、“1”の行列であり、ソースシンボルに関与する左側検査行列と、パリティシンボルに関与する右側検査行列で構成される。
左側検査行列には、要素“1”がランダムに存在しているが、各行に存在する要素“1”の要素数は、3つと定められている。また、右側検査行列は、i行i列目の要素と、i行i−1列目の要素が“1”となり、その他の要素は“0”となる。この検査行列とシンボル系列とを乗算した結果が零ベクトルとなるようにパリティシンボルp〜p12が生成される。この場合、ソースシンボルs〜sの誤り耐性は、略全てにおいて同じとなる。
本実施形態においては、検査行列の特定の行および列に要素“1”の分布を偏らせることで、ソースシンボルs〜sの誤り耐性に重みをつけることができる。図2はその具体例を示す検査行列であり、ソースシンボルs〜sの誤り耐性に重みをつけることができる検査行列を示す図である。この図2においては、特に、ソースシンボルs〜sについて、誤り耐性を強化した検査行列の具体例を示している。
図2に示すように、検査行列における左下4行4列の部分(点線で囲まれている部分X)には、他の部分を比較して多くの要素“1”が配置されており、この部分Xにおいては要素“1”の密度が高くなっている。これにより、ソースシンボルs〜sの中で、ソースシンボルs〜sの誤り耐性がソースシンボルs〜sと比較して、強化されている。
このようなある部分について他の部分と比較して要素“1”を多くする、すなわち要素“1”の密度を高くした検査行列を生成する符号化装置について説明する。
図3は、本実施形態におけるある部分における誤り耐性を強化することのできる検査行列を生成する符号化装置30の機能を示すブロック図である。この符号化装置30は、伝送ファイル取得部31、シンボル分割部32、優先度設定部33(優先度設定手段)、乱数系列生成部34(符号化側乱数系列生成手段)、検査行列生成部35(符号化側検査行列生成手段)、符号化部36(符号化手段)、および送信部37(送信手段)を含んで構成されている。以下、各構成要素について説明する。
伝送ファイル取得部31は、符号化の対象となる伝送ファイルを取得する部分である。例えば、メモリに保存されている伝送ファイルを取得したり、ユーザから入力された伝送ファイルを取得したりするものである。取得した伝送ファイルは、シンボル分割部32に出力される。
シンボル分割部32は、伝送ファイル取得部31において取得された伝送ファイルを複数のソースシンボルに分割する部分である。
優先度設定部33は、誤り耐性を高くする対象であるソースシンボルに対応する列範囲low列〜high列を算出するとともに、要素“1”の分布を偏らせる行数mを設定する部分である。この行数mは、誤り耐性を高くする度合いに応じてその数値が大きくなるように定められることが好ましく、例えば、行数mは、行数n−kに所定の係数(1以下)を乗算して得た数値に基づいて定められた整数値とすることが考えられる。さらに具体的には、行数n−kの30%に相当する数値を行数mとする。また、誤り耐性を向上させたいソースシンボルに基づいて、low列およびhigh列は定められる。図2では、行数mは4と定められ、low列およびhigh列は、low列=1、high列=4と定められる。なお、行数mについては、伝送するデータの特性に応じて定められるものであり、上述の方法に限定されるものではない。
乱数系列生成部34は、復号化装置と共有する乱数の初期値から、乱数系列を生成する部分である。なお、乱数系列生成部34は、送信部37を用いて、復号化装置側に乱数生成のための初期値を通知することにより、その初期値を同じにし、よって同じ乱数生成アルゴリズムを用いることにより同じ乱数系列を生成することができる。
検査行列生成部35は、乱数系列生成部34により生成された乱数系列に基づいて、優先度設定部33により算出された行数mに基づいて、左側検査行列の下からm行のlow列〜high列に要素“1”の密度が高くなるように行列を生成する部分である。
符号化部36は、検査行列生成部35により生成された検査行列を用いて、ソースシンボルを符号化し、符号化シンボルを生成する。すなわち、ソースシンボルおよび検査行列を用いてパリティシンボルを生成し、そのソースシンボルとパリティシンボルとから符号化シンボルを生成する。
送信部37は、符号化部36により符号化された符号化シンボルおよび優先度設定部33により算出された、low列、high列および行数mを示す数値情報を、復号化装置に送信する部分である。また、送信部37は、これら符号化シンボルを送信するに先立って、復号化装置において復号のための検査行列を生成することができるように、乱数生成のための初期値を示す初期値情報を送信する。
これにより、誤り耐性を向上させたいシンボルについては誤り耐性を向上させることができるとともに、ファイル全体を1ブロックとして符号化するとともに、そのブロック内において誤り耐性に優劣をつけることができる。
つぎに、このように構成された符号化装置30における検査行列生成の処理について説明する。図4は、検査行列生成部35における検査行列生成処理の詳細処理を示したフローチャートである。以下、図5の検査行列の具体例を参照しながら説明する。なお、nが符号化シンボルの数、kがソースシンボルの数、N1が行列における各行または各列の要素“1”を必要とする数(ここでは3としている)、mが誤り耐性を強化するシンボルの数であり、左側検査行列の行数を示す。また、low列およびhigh列は、それぞれ優先シンボル範囲の下側番号、上側番号である。ここでは、low列は1、high列は4に設定されている。
まず、検査行列生成部35において、全要素が“0”のn−k−m行k列の行列Aを生成する(S101)。この行列Aの各列に要素“1”をN1個挿入する(S102)。ここで、N1=3とすると、要素“1”を3つ挿入する。ここでは、ランダムに挿入しても良いし、所定ルールに従って挿入しても良い。同様に行列Aの各行に要素“1”がN1個以上ない場合には、N1個に達するように要素“1”をランダムに挿入する(S103)。
つぎに、全要素が“0”となるm行k列の行列Bを生成する(S104)。この行列Bにおいて、誤り耐性を向上させる対象となるソースシンボルに基づいて定められたlow列〜high列に要素“1”をN1個(=3)挿入する(S105)。上述と同様に、所定ルールに従って挿入しても良いし、ランダムに挿入しても良い。つぎに、行列Bの各行に要素“1”がN1個以上ない場合には、N1個に達するように要素“1”をlow列〜high列にランダムに挿入する(S106)。図5においては、符号Xで示された部分が誤り耐性を向上させた優先部分である。
そして、このように要素“1”をランダムに挿入されて得られた行列Aおよび行列Bを合成して、図5に示される検査行列を生成する(S107)。
以上の処理により、シンボルの優先度に応じて誤り耐性を向上させることができる検査行列を生成することができる。
図6は、このフローチャートに基づいたプログラムを示す図である。図6に示されるプログラムは、左側検査行列を生成するプログラムであり、RFC5170 “Low Density Prity Check (LDPC) Staircase and TriangleForward Error Correction (FEC) Schemes”に記載されているプログラムを拡張したものである。相違点としては、以下の通りである。なお、引数として、ソースシンボルの数k、符号化シンボルの数n、次数N1=3、要素“1”の分布を偏らせる列範囲(low列〜high列)が定められている。
この検査行列生成プログラムは、全ての列にランダムに要素“1”を配置する上側の行列生成処理と、low列〜high列にだけ要素“1”をランダムに配置する左下の行列生成処理で構成されている。
まず、(n-k)*kで構成される行列において、その要素が全て“0”で構成される行列が生成される。matrx_insert_entry(i,j)は、i行j列の要素を“1”二関数である。また、matrx_has_entry(i,j)は、i行j列において“1”か否かを判定する関数である。また、pmms_rand(n)は、0〜n-1の範囲で乱数を生成する関数である。
図7は、検査行列生成補助アルゴリズムのプログラムを示す図であり、左側検査行列の行数が列数より多いときに用いられる。まず、全ての行および列には要素“1”が3つおよび3つ以上配置するように、不足している要素“1”をランダムに挿入する。各行に要素“1”が3つあるか判定する関数であるdegree_of_rowを実行し、要素“1”が3つ存在しない行に関しては、ランダムに要素を選んで“1”を挿入する。このアルゴリズムも全ての列にランダムに“1”を配置する上側の行列生成処理と、low列〜high列にだけ要素“1”をランダムに配置する左下の行列生成処理で構成される。
つぎに、復号化装置について説明する。図8は、符号化装置30において生成された符号化シンボルを復号する復号化装置40の機能を示すブロック図である。この復号化装置は、乱数系列生成部41(復号化側乱数系列生成手段)、検査行列生成部42(復号化側検査行列生成手段)、復号化部43(復号化手段)、シンボル再構成部44、および受信部45(受信手段)を含んで構成されている。以下、各構成に要素について説明する。
乱数系列生成部41は、符号化装置30と共有する乱数の初期値から、乱数系列を生成する部分である。この乱数系列生成部41は、符号化装置30の乱数系列生成部34から受信した乱数生成のための初期値に基づいて乱数系列生成部34と同じ乱数生成アルゴリズムを用いて乱数系列を生成する。
検査行列生成部42は、乱数系列生成部41により生成された乱数系列および受信部45により受信された検査行列の要素“1”の分布に偏りをつけるためのlow列〜high列、および行数mの情報を用いて、左側検査行列の下側m行のlow列〜high列に要素“1”の密度が高くなるように行列を生成する。この検査行列生成部42の具体的な動作は、符号化装置30における検査行列生成部35と同じである。
復号化部43は、符号化装置30において符号化された符号化シンボルであって受信部45で受信された符号化シンボルと、生成した検査行列とを用いてソースシンボルを復元する。
シンボル再構成部44は、復号化部43において復元されたソースシンボルから伝送データを構成する。
このように構成された復号化装置40において、乱数系列生成部41により生成された乱数系列、および受信部45により受信されたlow列、high列およびm行に基づいて検査行列生成部42は、検査行列を生成し、この生成した検査行列を用いて復号化部43は復号してソースシンボルを復元することができる。復元されたソースシンボルはシンボル再構成部44により、再構成され、伝送データが構成されることになる。
通常のLDPC符号の検査行列および検査式を示す説明図である。 ソースシンボルs〜sの誤り耐性に重みをつけることができる検査行列を示す説明図である。 検査行列を生成する符号化装置30の機能を示すブロック図である。 検査行列生成部35における検査行列生成処理の詳細処理を示したフローチャートである。 検査行列の具体例を示す説明図である。 左側検査行列を生成するためのプログラムを示す図である。 左側検査行列を生成するための補助プログラムを示す図である。 復号化装置40の機能を示すブロック図である。
符号の説明
30…符号化装置、31…伝送ファイル取得部、32…シンボル分割部、33…優先度設定部、34…乱数系列生成部、35…検査行列生成部、36…符号化部、37…送信部、40…復号化装置、41…乱数系列生成部、42…検査行列生成部、43…復号化部、44…シンボル再構成部、45…受信部。

Claims (10)

  1. レートレス符号化技術により伝送データを符号化する符号化装置において、
    誤り耐性を向上させる対象であるソースシンボルに対応して定められた検査行列における所定の範囲において、非零要素を他の範囲と比較して多く配置した検査行列を生成する符号化側検査行列生成手段と、
    前記符号化側検査行列生成手段により生成された検査行列を用いてソースシンボルを符号化する符号化手段と、
    を備える符号化装置。
  2. 乱数系列を生成する符号化側乱数系列生成手段をさらに備え、
    前記符号化側検査行列生成手段は、前記符号化側乱数系列生成手段により生成された乱数系列を用いて検査行列を生成することを特徴とする請求項1に記載の符号化装置。
  3. 前記符号化側検査行列生成手段により生成された検査行列を用いた復号処理に必要な情報として、非零要素を高密度で配置させた検査行列における範囲を示す行数および列番号を送信する送信手段をさらに備える請求項1または2に記載の符号化装置。
  4. 誤り耐性を強化する対象であるソースシンボルの優先度合いを設定する優先度設定手段をさらに備え、
    前記符号化側検査行列生成手段は、前記優先度設定手段により設定された優先度合いおよびその対象となるソースシンボルに基づいて、前記所定の範囲を決定することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の符号化装置。
  5. 請求項1に記載の符号化装置において符号化された伝送データを復号化する復号化装置において、
    誤り耐性を向上させる対象であるソースシンボルに対応して定められた検査行列における所定の範囲において、非零要素を他の範囲と比較して多く配置した検査行列を生成する復号化側検査行列生成手段と、
    前記検査行列生成手段により生成された検査行列を用いて符号化シンボルを復元する復号化手段と、
    を備える復号化装置。
  6. 請求項2に記載の符号化装置において生成された乱数系列に合わせて乱数系列を生成する復号化側乱数系列生成手段をさらに備え、
    前記復号化側検査行列生成手段は、前記復号化側乱数系列生成手段により生成された乱数系列を用いて検査行列を生成することを特徴とする請求項5に記載の復号化装置。
  7. 請求項3に記載の符号化装置において生成された符号化データの復号処理に必要な情報として、前記検査行列における、非零要素を高密度で配置させる行列における範囲を示す行数および列番号を受信する受信手段をさらに備え、
    前記復号化側検査行列生成手段は、前記受信手段により受信された行数および列番号を用いて検査行列を生成することを特徴とする請求項5または6に記載の復号化装置。
  8. 前記符号化側検査行列生成手段は、前記優先度設定手段により設定された優先度合いおよびその対象となるソースシンボルに基づいて、前記所定の範囲を決定することを特徴とする請求項5から7のいずれか1項に記載の復号化装置。
  9. レートレス符号化技術により伝送データを符号化する符号化装置における符号化方法において、
    誤り耐性を向上させる対象であるソースシンボルに対応して定められた検査行列における所定の範囲において、非零要素を他の範囲と比較して多く配置した検査行列を生成する符号化側検査行列生成ステップと、
    前記符号化側検査行列生成ステップにより生成された検査行列を用いてソースシンボルを符号化する符号化ステップと、
    を備える符号化方法。
  10. 請求項9に記載の符号化方法において符号化された伝送データを復号化する復号化装置の復号化方法において、
    誤り耐性を向上させる対象であるソースシンボルに対応して定められた検査行列における所定の範囲において、非零要素を他の範囲と比較して多く配置した検査行列を生成する復号化側検査行列生成ステップと、
    前記検査行列生成ステップにより生成された検査行列を用いて符号化シンボルを復元する復号化ステップと、
    を備える復号化方法。
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