JP2010521929A - 通信信号を符号化する方法および装置 - Google Patents
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Abstract
通信信号を符号化する装置が提供される。この装置は、通信信号の長さを延ばすために、通信信号を符号化するように構成されたエンコーダと、この通信信号の延ばされた長さのうちの少なくとも幾つかを利用するために、符号化された通信信号の一部を反復符号化するように構成された反復コーダとを含む。この装置はさらに、反復符号化された通信信号をインタリーブするように構成されたインタリーバを含む。通信信号を符号化する方法もまた提供される。
Description
本特許出願は、2007年3月16日に出願され、本願の譲受人に譲渡され、本明細書に参照によって明確に組み込まれた"REPETITION CODING IN ULTRA WIDEBAND COMMUNICATIONS"と題される仮出願の優先権を主張する。
本発明は、一般に、無線通信に関し、さらに詳しくは、無線通信信号を符号化する方法および装置に関する。
無線通信の分野では、送信されたデータの完全性を証明するために、および、送信中に生じた誤りを訂正するために、精巧な誤り訂正方法が望まれる。また一般に、帯域幅が増加すると、無線通信に関連する誤り率が増加する。
新たな誤り訂正符号化を実施する場合、新たな符号化が、既存の誤り訂正符号フォーマットと互換性を持つことが望まれる。このようにして、新たな誤り訂正符号フォーマットを有するデータは、古いデバイスと今までどおり互換性を有することができる。その他の場合、特に、そのような過去との互換性がパフォーマンスを下げる場合、過去との互換性は望まれない。したがって、改善された誤り訂正を用いてデータを符号化し、コスト、サイズ、および電力の低減をもたらすニーズが存在する。さらに、そのような符号化が、既存の誤り訂正符号フォーマットと互換性をもつことが望まれる。
本開示の1つの局面では、通信信号を符号化する装置が提供される。この装置は、通信信号の長さを延ばすために、通信信号を符号化するように構成されたエンコーダと、通信信号の延ばされた長さの少なくとも幾つかを利用するために、符号化された通信信号の一部を反復符号化するように構成された反復コーダとを含む。この装置はさらに、反復符号化された通信信号をインタリーブするように構成されたインタリーバを含む。
本開示のさらなる局面では、通信信号を符号化する方法が提供される。この方法は、通信信号の長さを延ばすために、通信信号を符号することと、通信信号の延ばされた長さの少なくとも幾つかを利用するために、符号化された通信信号の一部を反復符号化することとを含む。この方法はさらに、反復符号化された通信信号をインタリーブすることを含む。
本開示のさらなる局面では、通信信号を符号化する装置が提供される。この装置は、通信信号の長さを延ばすために、通信信号を符号化する手段と、通信信号の延ばされた長さの少なくとも幾つかを利用するために、符号化された通信信号の一部を反復符号化する手段とを含む。この装置はさらに、反復符号化された通信信号をインタリーブする手段を含む。
本開示のさらなる局面では、通信信号を符号化するプロセッサが提供される。このプロセッサは、通信信号の長さを延ばすために、通信信号を符号化するように構成されたエンコーダと、通信信号の延ばされた長さの少なくとも幾つかを利用するために、符号化された通信信号の一部を反復符号化するように構成された反復コーダとを含む。このプロセッサはさらに、反復符号化された通信信号をインタリーブするように構成されたインタリーバを含む。
本開示のさらなる局面では、通信信号を符号化するための命令群を備えた機械読取可能媒体が提供される。これら命令群は、通信信号の長さを延ばすために、通信信号を符号化するためのコードと、通信信号の延ばされた長さの少なくとも幾つかを利用するために、符号化された通信信号の一部を反復符号化するためのコードとを含む。これらの命令群はさらに、反復符号化された通信信号をインタリーブするためのコードを含む。
主題技術の他の構成は、主題技術の様々な構成が例示によって図示され説明される以下の詳細説明から、当業者に容易に明らかになるであろうことが理解される。理解されるように、本主題技術は、その他の構成および異なる構成とすることもでき、幾つかの詳細は、全て主題技術のスコープから逸脱することなく、他の様々な観点での変形が可能である。したがって、これら図面および詳細説明は、限定ではなく、本質的に例示と見なされるべきである。
図1は、通信信号の符号化が使用される無線通信システム100の例を示す図である。システム100は、少なくとも1つの送信機102と1つの受信機106とを含む。これらは、ともに、例えば、モバイル電話のようなデバイスによって構成されうる。デバイス102およびデバイス106は、モバイル電話として示されているが、それらはそのようなものに限定されるべきではない。デバイス102およびデバイス106は例えば、コンピュータ、ラップトップ・コンピュータ、電話、他のタイプのモバイル電話、携帯情報端末(PDA)、オーディオ・プレーヤ、ゲーム機、カメラ、カムコーダ、オーディオ・デバイス、ビデオ・デバイス、マルチメディア・デバイス、(例えば、プリント回路基板、集積回路、および/または回路素子のような)前述したもののうちの何れかの構成要素、あるいは、無線通信をサポートすることが可能なその他任意のデバイスを表すことができる。デバイス102およびデバイス106は、固定式あるいは移動式であり、デジタル・デバイスでありうる。
送信機102は、受信機106に通信信号104を送信することができる。送信機102は、通信信号を、受信機106へ送信される前に符号化することができ、受信機106は、符号化された通信信号を復号することができる。
この点において、通信システム100は、無線パーソナル・エリア・ネットワーク(WPAN)用のラジオ技術である超広帯域(UWB)システムに相当しうる。通信システム100は、その他多くの通信プロトコルのうちの1つを用いることができる。一例として、通信システム100は、イボリューション・データ・オプティマイズド(EV−DO)および/またはウルトラ・モバイル・ブロードバンド(UMB)をサポートすることができる。EV−DOおよびUMBは、CDMA2000規格ファミリの一部として第3世代パートナシップ計画2(3GPP2)によって提唱されているエア・インタフェースであり、モバイル加入者へブロードバンド・インターネット・アクセスを提供するために、例えば符号分割多元接続(CDMA)のような多元接続技術を用いる。あるいは、通信システム100は、広帯域CDMA(W−CDMA)エア・インタフェースに主に基づいてユニバーサル・モバイル・テレコミュニケーション・システム(UMTS)モバイル電話規格を改善する3GPP2内の計画であるロング・ターム・イボリューション(LTE)をサポートすることができる。通信システム100はさらに、WiMAXフォーラムに関連したWiMAX規格をもサポートしうる。これらは単に典型的なプロトコルであり、通信システム100はこれらの例に限定されない。
通信システム100によって適用される実際の通信プロトコルは、システムに課された特定のアプリケーションおよび設計全体の制約に依存しうる。本開示の全体にわたって示された様々な技術は、異種混合の通信システム100あるいは同種の通信システム100の任意の組み合わせにも等しく適用可能である。
再びUWBを参照すると、このラジオ技術は、一般に、低データ・レートおよび高データ・レートの両方のために、異なる送信レートを提供する。例えば、WiMedia UWBは、現在、53.3Mbpsから480Mbpsの生データ・レートであるデータ・レート規格である。この規格は、直交周波数分割多重化(OFDM)に基づく。それは、幅広い家電製品に搭載されることが計画されているので、その設計は、低コストのハードウェアおよび低電力の消費に力点を置いている。低電力消費は一般に、パケットが高データ・レートでバーストしデバイスがパケット間でほとんど停止しうるデューティ・サイクルによって達成されるので、電力を節約する。
図2は、通信信号のためのリード・ソロモン(RS)符号ヘッダ構成の例を示す概念ブロック図である。RS符号は、ヘッダ情報の保護のために、WiMedia標準に最近加えられた。この点において、RS符号ヘッダは、WiMedia物理レイヤ用に適用されたヘッダ構成に相当するが、他のヘッダ構成フォーマットも使用されうる。以下に、反復符号ヘッダ・フォーマットについてより詳細に説明する。
一般に、ヘッダは、データ・パケットの残り(例えば、ペイロード)を復号するために必要とされる。ペイロードは、低データ・レートあるいは高データ・レートで送信されうる一方、ヘッダは一般に、チャネル悪化および雑音に対する高い保護を保証するために、低データ・レートで送信される。
ヘッダ構成(図示せず)に関するWiMediaのオリジナル設計の1つは、ヘッダを、インタリーバ・サイズと互換性を持たせるために、52のゼロ・ビットを、148の予め指定されたデータ・ビットへ追加する。この点において、図2におけるリード・ソロモン・ビットは、ゼロ・パディングを用いるために使用される。したがって、受信機が使用しない52のビットが存在する。
WiMediaによって組み込まれたヘッダ構成のための他の設計が、図2に示される。この設計では、追加された52のゼロ・ビットが、追加ヘッダの保護のために使用される。この例では、仮にペイロード符号化が改善されたとしても、ヘッダ符号化は未だにペイロード符号化よりも強力であろう。
最低データ・レート(53.3Mbps)で動作しており、ペイロード長が短い場合、ヘッダ誤りから、相当な量のパケット誤りが生じうる。ヘッダをより強力にすることによって、パケット誤り率(PER)は、改善するものと思われる。さらに、近隣デバイスおよびピコネットのより良好な可視性(visibility)を提供するために、よりロバストなヘッダが考えられる。媒体アクセス制御(MAC)は、より良好なスケジューリング判断およびリソース割当を達成しうる。この点において、近隣のペイロードを復号する必要はなく、かつ、ヘッダを復号するために、その全てが必要とされる訳ではないことが注目されるべきである。マップは、どのデバイスが周囲に存在し、どのような種類のリソースを使用しているのかからなる。
上述したように、52のパディングされたヘッダ・ビットのために、WiMediaによって適用された構成は、リード・ソロモン符号である。この符号の設計は、過去との互換性があるので、52のパディング・ビットを無視する古いデバイスが、正常に機能し続けることができる。RS符号は、体系的な符号であるので、この条件を満たすことができる。言い換えれば、情報ビットはそのまま送られ、52のパディング・ビットの位置に、パリティ・ビットが挿入される。古いデバイスは、これらパリティ・ビットを無視することができ、一般に、それらのパフォーマンスは変わらない。新たなデバイスは、これらパリティ・ビットを用いて、パフォーマンスを高めることができる。
RS符号は、(255,249)体系符号を短くすることによって得られる(23,17)体系符号になるように選択される。この符号は、送信された23バイトのうちの何れかのうち、誤りのある最大3ビットまでを訂正することができる。この符号のパリティは、一般に、物理レイヤ(PHY)ヘッダ(5バイト)、MACヘッダ(10バイト)、および巡回冗長検査(CRC)(2バイト)に基づいて計算される。一般に、CRCは、復号動作が成功したかをチェックするために必要とされる。RS符号の全情報は17バイトである。パリティ・ビットは、6バイト(52ビットのうちの48ビット)からなる。
52ビットのうちの残りの4ビットは、畳み込みエンコーダのためのテール・ビットとして使用される。それについては、以下に詳述する。RS符号と、情報と、パリティとを加えた合計バイト数は、23バイトである。
図3Aおよび図3Bは、通信信号を符号化するデバイスの機能の比較を例示するための、反復符号化のない、および、反復符号化のあるそれぞれの概念ブロック図である。図中における破線は、該スキームには存在するが、他のスキームには存在しないブロックを示す。反復符号化の代わりにRS符号を組み込む図3Aに示すように、ヘッダは、外部RSエンコーダ302によって符号化された後、レート1/3内部畳み込みエンコーダ304へ送られる。畳み込みエンコーダ304の制約長さは一般に7である。畳み込みエンコーダ304によって符号化された後、ヘッダは、インタリーバ306によってインタリーブされる。
図4に示すように、畳み込みエンコーダ304の入力におけるヘッダの合計長さは、一般に200ビットである。したがって、畳み込みエンコーダ304の出力における合計長さは、200×3=600符号化ビットである。
図3Bに示すように、RSエンコーダ302が削除され、反復符号308が追加されると、ハードウェアが少なく、電力需要が減り、ほとんどの場合において、同じパフォーマンスであるか、あるいはより良いパフォーマンスが実現されうる。畳み込みエンコーダ304の前の52のパディング・ビットを考慮するのではなく、これらのビットは、畳み込みエンコーダ304の後に考慮することができる。
図5は、通信信号を符号化するデバイスの機能の例を例示する。この図で見られるように、52ビットは、52×3=156の符号化ビットとなる。一方、有用な情報ビットは、一般に、200−52=148ビットである。畳み込みエンコーダ304の後、それらは、148×3=444の符号化ビットとなる。したがって、148の有用な情報ビットのみが、畳み込みエンコーダ304を介して送られ、444の符号化ビットが得られる。その後、ブロック308において、156の符号化ビットを繰り返す反復パターンが適用されてギャップが埋められ、次のステージ(図3Bのインタリーバ306)で必要とされる600の符号化ビットが得られる。
反復パターンの1つの例は、畳み込みエンコーダ304の上部ブランチからの全ての符号化ビット(例えば、148の反復された符号化ビット)と、54ビットで分けられた、畳み込みエンコーダ304の下部ブランチからの8ビットとを反復することである。言い換えれば、以下の符号化ビットが反復される。0〜441、3ステップ;2〜380、54ステップ。
この点において、他の反復パターンも使用されうる。例えば、1つの比較的単純なスキームは、どのビットが反復されるのかを選択するために、断片的なステップを使用することができる。これは、図6Bを参照してより詳細に説明される。
図3Bに示すように、反復されるビットの合計数は一般に156である。ビット反復のための2つのオプションは以下の通りである。
・反復されたビットが、末尾へ追加されて、600の符号化ビットが生成される。
・反復されたビットが、オリジナルのビットの間に挿入されうる。
・反復されたビットが、末尾へ追加されて、600の符号化ビットが生成される。
・反復されたビットが、オリジナルのビットの間に挿入されうる。
反復されたビットを追加する第1のオプションに関し、このオプションは、反復されたビットを無視する古いデバイスとの互換性を維持する。この反復スキームのための受信機復号処理は、RS復号と比較して、やや単純である(例えば、単純な加算器およびカウンタ・ロジック)と思われる。さらに、新たなデバイスは、反復された部分を利用することができるか、あるいは、さらなるパフォーマンスに対する要求がないとMACが判断する場合、節電を望むのであれば、それを無視することができる。一般に、このアプローチに関するバッファリング要件があるが、バッファリング要件はまた、RS符号アプローチにおいても存在する。
反復されたビットをオリジナル・ビット間に挿入する第2のオプションに関し、このアプローチは、ハードウェアの観点からより単純であるように思われ、一般に、バッファリングする必要はない。しかしながら、一般に、過去との互換性は失われる。この場合、MACメッセージまたは特別なヘッダ・ビットが、ヘッダ・フォーマットのタイプ(例えば、古いヘッダ・フォーマットまたは新たなヘッダ・フォーマット)をシグナルする。
ヘッダ内の反復符号化の上述した利点に加えて、細かな処理によって追加されたレイテンシを、比較的無視することができる。一方、RS符号化を用いると、RSデコーダは、必然的に生じる処理による有意なレイテンシをもたらしうる。レイテンシは、受信信号の追加のバッファリングを意味する。
反復符号化のために受信機側で考慮される1つの問題は、ビタビ(Viterbi)デコーダの入力におけるビット幅である。反復を元へ戻した後、ビット幅は、1ビット増え、飽和する恐れがある。
ヘッダのみならず、反復符号化もまた、ペイロードで使用するために拡張されうる。例えば、反復ブロックは、短いペイロードを保護し、恐らくは、低いデータ・レートを実現するために使用される。これによって、範囲が増加する。この点において、(例えば、20ミリ秒毎に送信される短い音声パケットのような)どの短いペイロードも、自動的に利益を得ることができる。さらに、畳み込みエンコーダ前の空のパディングが、畳み込みエンコーダ後の反復符号と交換されうる。
図6Aおよび図6Bは、通信信号を符号化するデバイスの機能の別の比較を例示するための、反復符号化のない、および、反復符号化のあるそれぞれの概念ブロック図である。図6Aは、ゼロ・パディング・ブロック602、畳み込みエンコーダ304、パンクチャラ604、およびインタリーバ606の使用を示す。一方、図6Bは、畳み込みエンコーダ304、反復ブロック608、パンクチャラ604、およびインタリーバ606の使用を示す。
図6Bから明らかなように、畳み込みエンコーダ304とパンクチャラ604との間に反復ブロック608が挿入される。受信機側(図示せず)では、反復ブロック608が、デパンクチャラとビタビ・デコーダとの間に挿入されうる。一般に、(図6Aの要素602に示すような)ゼロ・パディングは実行されない。その代わりに、反復ビット間のステップ・サイズを計算するために、ゼロ・パディング領域のサイズが、反復ブロック608に提供される。過去との互換性を維持するために、ゼロ・パディングのために格納された領域に、反復ビットが配置される。そのような場合、追加のバッファリングが必要となりうる。
しかしながら、過去との互換性が必要ではない場合、ペイロード反復がイネーブルされることを、ヘッダ内のフラグが示すことができる。これによって、反復ビットが、オリジナルのビットと混合される可能性があり、バッファリングは必要とされないだろう。
さらに、反復ビット間のステップ・サイズは、整数境界を越えるまで累積される小数でありうる。この小数が境界を越える毎に、1ビットが反復されうる。このステップ・サイズはまた、畳み込みエンコーダ304のブランチあたり1つからなる3つの断片的な数からなりうる。
反復ブロック608はまた、範囲を増加させるために、ペイロード・データ・レートを現在の53.3Mbpsよりも減少させることが注目されるべきである。反復量は、ヘッダでシグナルされうる。反復ブロック608はまた、整数または小数であるステップ・サイズを計算し、それにしたがってビットを反復する。例えば、53.3Mbpsは、4で除されて、13.3Mbpsのデータ・レート、および、範囲をほとんど2倍にする6dBの拡散利得が得られる。反復ビットは、符号化ビット間に挿入されうる。さらに、インタリーバ606は、反復ビットを、異なるサブキャリアおよび周波数帯域にわたって自動的に分散させることができる。しかしながら、増加した範囲では、ヘッダ自身は、好適には、低データ・レートで反復して送信される。さらに、プリアンブルは、一般に、長さが延長される。これは、簡単なプリアンブル検出アルゴリズムのパフォーマンスを悪くしうる。
上述したように、反復符号化は、ヘッダおよび/またはペイロード内で使用されうる。これら用途に加えて、反復符号は、しばしば、WiMediaの周波数領域拡散(FDS)および時間領域拡散(TDS)の代わりとして使用されうる。FDSおよび/またはTDSは、スプレッダまたは拡散方法に相当しうる。この反復符号は、より高い電力消費に対するトレードとしての、より高いパフォーマンスを提供する。図7Aおよび図7Bは、通信信号を符号化するデバイスの機能のさらに別の比較を例示するための、反復符号化のない、および、反復符号化のあるそれぞれの概念ブロック図である。図7Aは、畳み込みエンコーダ304、パンクチャラ702、インタリーバ704、およびFSD/TDSブロック706を含んでいる。一方、図7Bは、畳み込みエンコーダ304、反復ブロック708、およびインタリーバ704を示している。
あるデータ・レート(例えば、80Mbpsおよび200Mbps)の場合、周波数領域拡散(TDS)および時間領域拡散(FD)符号化方法は好まれない。これには、以下の通り、少なくとも2つの理由がある。
・FDS方法およびTDS方法は一般に、パンクチャ後の反復の形態を適用するので、AWGNにおける場合でさえも、符号化ロスが生じる(例えば、80Mbpsの場合、約0.25dBのロス、200Mbpsの場合、0.6dBのロス)。
・これらの方法は一般に、インタリーブ後の反復の形態を適用するので、非AWGNチャネルにおけるダイバーシティ・ロスとなり、正確には不適切なインタリーブとなる。これはほとんど、周波数帯域ホッピングがオフされる場合に生じる(例えば、帯域ホッピングのないチャネル・モデルCM2では、53Mbpsの場合約0.5dBのロスであり、80Mbpsの場合、1dBのロスである)。
・FDS方法およびTDS方法は一般に、パンクチャ後の反復の形態を適用するので、AWGNにおける場合でさえも、符号化ロスが生じる(例えば、80Mbpsの場合、約0.25dBのロス、200Mbpsの場合、0.6dBのロス)。
・これらの方法は一般に、インタリーブ後の反復の形態を適用するので、非AWGNチャネルにおけるダイバーシティ・ロスとなり、正確には不適切なインタリーブとなる。これはほとんど、周波数帯域ホッピングがオフされる場合に生じる(例えば、帯域ホッピングのないチャネル・モデルCM2では、53Mbpsの場合約0.5dBのロスであり、80Mbpsの場合、1dBのロスである)。
例えば、1つのシナリオでは、1dBを越えるロスが示される。FDSおよびTDSは、あるデータ・レートでは貧弱にしか動作しないように思われるが、これら(例えば、図7Aのパンクチャラ702を用いた)方法によって、ハードウェアは、低速で動作し、電力を節約することが可能となる。したがって、図7Bの反復符号化スキームはしばしば、電力とパフォーマンスとをトレードするために使用され、ヘッダは、どのスキームが使用されているかをシグナルすることができる。図7Bに示す反復符号化スキームは、改善された反復形態を提供すると考えられ、図7Bに示すスキームに関連するロスを回復すると考えられる。
図7Aに示すように、畳み込みエンコーダ304が、200Mbpsのビット・レートを有する入力を受信する場合、畳み込みエンコーダ304は、600Mbpsで符号化データを生成することができる。これは、入力レートの3倍である。符号化されたデータは、パンクチャ・ブロック702へ送られ、320Mbpsの符号化ビット・レートが生成される。これは、TDSによって2回反復されて、640Mbpsの最終的な符号化ビット・レートが得られる。これは、例えばQPSKトーンにマップされうる。
図8は、通信信号を符号化するデバイスの機能の別の例を例示する概念ブロック図である。図7Bおよび図8の両方に示すように、この例では、200Mbpsのビット・レートを有する入力データが、畳み込みエンコーダ304へ適用される。畳み込みエンコーダ304の後、符号化ビット・レートは、一般に、3倍高い600Mbpsとなる。この例では、パンクチャは、畳み込みエンコーダ304後に実行されない。その代わりに、反復ブロック708は、600Mbpsの一部を反復して、640Mbpsの符号化ビット・レートを得ることができる。例えば、反復ブロック708aは、15番目の符号化ビット毎に反復することができる。その後、これは例えばQPSKトーンにマップすることができる。この反復によっても、ハードウェアは、TDSおよびFDSと同様に、低速で動作し、電力を節約できるようになる。
また図7Bおよび図8に示すように、インタリーバ704前の640Mbpsの符号化ビット・レートは、例えば480Mbpsのような既存の高データ・レートによって得られるレートに類似している。したがって、例えばインタリーバ704およびその後の他のブロックを含むブロック704aは、一般に追加のハードウェアが必要とされずに、高データ・レート・モードで設定されうる。また、高データ・レート・モードでは、一般に、高速フーリエ変換(FFT)が、2倍高速で動作する。
図9は、通信信号を符号化するデバイスの機能のさらに別の例を示す概念ブロック図である。図7Aおよび図7Bに関して上述したように、電力とパフォーマンスとをトレードするために、パンクチャラ/FDS/TDSスキームの代わりに、しばしば反復符号化スキームが使用され、ヘッダは、どのスキームが使用されているかをシグナルすることができる。
図9の例では、反復符号化スキームがブランチ904として示され、パンクチャラ/FDS/TDSスキームがブランチ902として示される。さらに、ブランチ902とブランチ904との間の選択のために、(図示しない)セレクタが使用されうる。セレクタは、例えば、電力とパフォーマンスとの間のトレードオフに基づいてブランチを選択することができる。例えば、80Mbpsおよび200Mbpsのようなデータ・レートの場合、セレクタは、反復符号化ブランチ904を選択することができる。セレクタが、反復符号化ブランチ904を選択する場合、インタリーバ704およびその後のブロック(例えば、図8におけるブロック704a参照)は、高データ・レート・モードを使用することができる。
セレクタは、畳み込みエンコーダ304の前、あるいは、畳み込みエンコーダ304内に実装されうる。セレクタはまた、畳み込みエンコーダ304の後であるが、パンクチャラ702または反復ブロック708(あるいは、図8の708a)の前に実装することも可能である。
要約すると、反復符号化は、ヘッダ内で、ペイロード内で、および/または、しばしばFDS/TDS符号化の代用のために使用されうる。反復符号化は、改善された誤り訂正、コスト、サイズ、および電力のために提供される。さらに、そのような符号化は、既存の誤り訂正符号フォーマットと互換性をもつことができる。
反復符号化のシミュレートされたパフォーマンスのより詳細な説明が、以下に与えられる。図10乃至図12は、アディティブ・ホワイト・ガウシアン・ノイズ(AWGN)における反復符号化のパフォーマンスの例を示すグラフである。特に、図10は、アディティブ・ホワイト・ガウシアン・ノイズ(AWGN)におけるリード・ソロモン(RS)符号化対反復符号化のパフォーマンスの例を示す。図11は、CM2およびFFIモードにおけるリード・ソロモン(RS)符号化対反復符号化のパフォーマンスの例を示す。図12は、CM2およびTFIモードにおけるリード・ソロモン(RS)符号化対反復符号化のパフォーマンスの例を示す。
これらの図では、CM2は、IEEE 802.15.3のチャネル・モード2(CM2)に相当するが、シャドーイングはない。さらに、図11では、周波数帯域ホッピングがオフされる。これは、WiMedia仕様における固定周波数インタリーブ(FFI)に相当する。
図12では、周波数帯域ホッピングがオンされる。これは、時間および周波数インタリーブ(TFI)に相当する。反復符号化を用いるTFIモードでは、3つの周波数帯域がカバーされ、送信電力は、ほぼ3倍(〜4.7dB)に増える。その結果は、ヘッダ誤りレート(HER)を、信号対雑音比として、すなわち、Eb/Noとして与える。
図10で見られるように、RS符号化は、高いEb/Noにおいて、反復符号化よりも性能が優れているように見える。これは、低いHERに相当する。誤りは非常に集中しているので、これは、RS符号が有用である場合に一般的である。しかしながら、興味のある好適な範囲は、一般に10−3よりもはるかに大きいペイロードのパケット誤り率(PER)に相当するHERの範囲である。このPERでは、約10−4のHERで十分である。
また図10に示すように、HER>10−4という典型的な使用範囲内では、反復符号化は、RS符号化よりも優れているか、あるいは、0.2dB未満であるがわずかに劣っている。さらに、反復符号化は、低いEb/Noにおいて、高いパフォーマンスが与えられるシャドーイングに対してより安全である。反復符号化は、興味のある範囲において、十分なヘッダ保護を提供するより単純な符号であると見なされる。
FFIモードでは、チャネル推定のために6つのシンボルが使用される一方、TFIモードでは、周波数帯域毎のチャネル推定のためにわずかに2つのシンボルしか使用されないので、FFIモード(例えば、図11)におけるパフォーマンスは、TFIモード(例えば、図12)よりも優れているように見えることが注目されるべきである。しかしながら、TFIモードでは、UWBデバイスは、3倍超の電力を送信することが許容されているので、実際のシステムにおいて、パフォーマンスの差は一般にはないだろう。FFIモードにおける電力制約は、その能力を制限するように思われる。したがって、図11および図12によって示される2つのモードは、必ずしも直接的に比較されるべきではない。
図10乃至図12で見られるように、多くの場合において、反復符号化は、RS符号化よりも優れている。1つの理由は、オリジナルのRS符号は、反復符号が競争できない(255,249)だからである。なぜなら、249バイトに対する6バイトでは、一般に、十分な反復のための余裕がないからである。しかし、符号を(23,17)に短縮化した後、反復符号は、競争するチャンスがある。17バイトに対する6バイトでは、一般に、十分な反復のための余裕がある。
さらに詳しくは、低HER(例えば、10−3)では、ビタビ復号後、一般に、パケット内に最大1つの誤りイベントが存在する。この誤りイベントは、1、2、3あるいはそれ以上の連続したバイトにわたって拡がる不正確なビットの隣接したセグメントに変わりうる。この誤りが3バイト以下である場合、RS符号は一般に誤りを訂正することができる。しかしながら、誤りが4バイト以上である場合、RS符号は一般に失敗する。
ビタビ・デコーダ後のバイトにおける誤りイベント長さは、パケット長とは全く独立している。むしろ、誤りイベント長さは、一般に、10−3のHERを達成するために、動作中のEb/Noにのみ依存する。よって、所望の動作中のEb/Noでは、パケットのサイズ(23バイトまたは255バイト)に関わらず、一般に、3バイトのオーダの長さからなる単一の誤りイベントだけが存在するだろう。RS符号は、パケット長が23バイトまたは255バイトであれ、以下のように固定の利得を与える。
この点において、255バイトのパケットは、短縮されていないRS符号に相当するが、23バイトのパケットは、より短縮されたバージョンに相当する。
この反復利得は、動作中のEb/Noに依存しない。n=255バイトの場合、この利得はわずか0.1dBであり、一般に、反復ビットを適切に分配することは困難である。n=23バイトの場合、この利得は1.3dBであり、反復ビットは、畳み込みエンコーダ304後にスムーズに分配されうる。したがって、WiMedia UWBにおける反復は、RS符号に同様の利得を提供すると思われる。
図11に示すように、アディティブ・ホワイト・ガウシアン・ノイズ(AWGN)の場合、誤りは、しばしば3バイト未満に集中する傾向にあることがわかる。ビタビ・デコーダは、誤りのあるイベントから迅速に回復させるように機能する。IEEE 802.15.3のチャネル・モデル2(CM2)のようなチャネルが存在する状態では、誤りは、さらなるバイトにわたって広がる傾向にあり、新たな入力メトリックは弱いであろうから、ビタビ・デコーダは、誤りのあるイベントから回復することがより困難となる。したがって、RS符号は、周波数帯域ホッピングがオフされた状態では、チャネルが存在する場合、著しく悪くしか動作しない。
そのような最悪のパフォーマンスとなる理由は、ダイバーシティ利得に関連しうる。反復デコーダは、ビタビ・デコーダの前に動作し、ダイバーシティの完全な利点を得る一方、RSデコーダは、ビタビ・デコーダの後に動作し、ほとんどダイバーシティ利得を得ない。実際、WiMediaの現在のヘッダ符号化は、次善の周波数および時間領域拡散を使用すると理解され、FFIモードにおけるダイバーシティを欠いていると思われる。これについては、以下にさらに詳しく説明する。反復符号は、ダイバーシティ・ロスを回復するものと理解される。図12に示すように、TFIモードでは、WiMedia符号化は、十分なダイバーシティを与えるものと理解され、もって、反復符号とRS符号との両方が、AWGNにおけるように振舞う。
図13および図14は、反復符号化のパフォーマンスのさらなる例を提供する。図13は、FFIモードにおける時間領域拡散符号化対反復符号化のパフォーマンスの例を示し、図14は、TFIモードにおける時間領域拡散符号化対反復符号化のパフォーマンスの例を示す。さらに詳しくは、図13は、シャドーイングはないが、FFIモードにおけるアディティブ・ホワイト・ガウシアン・ノイズ(AWGN)、およびIEEE 802.15.3のチャネル・モデル2(CM2)における200Mbpsのペイロード・シミュレーション結果を示す。図14は、TFIモードにおける同様の結果を示す。これらの結果は、信号対雑音比Eb/Noの関数としてパケット誤り率(PER)を与える。
図13および図14で見られるように、AWGNでは、反復符号は、TDSに関して約0.6dBの符号化利得を与えることが理解される。さらに、CM2では、反復符号は、FFIモードの場合0.6dBの、TFIモードの場合0.3dBのダイバーシティ利得を有する。したがって、合計利得は、FFIモードの場合1.2dB、TFIモードの場合0.9dBである。広がるにも関わらず、TDSスキームは、FFIモードでは、幾つかのダイバーシティを失っていると思われる。
したがって、WiMedia UWBにおいて、リード・ソロモン符号の代わりに反復符号を実行することによって、より良いパフォーマンスを持つより簡単な実施が実現されうる。提案される反復スキームのエンコーダ/デコーダの複雑さは、リード・ソロモンの場合に比べてほとんど無視できる。
さらに、反復符号スキームは、短いペイロードのシステム・パフォーマンスを改善し、53.3Mbps未満のデータ・レートを達成し、例えばTDSやFDSのような広がりと比較された場合、より最適な方法で既存のデータ・レートを送信するために使用されうる。
図15は、通信信号を符号化する典型的な動作を例示するフローチャートである。ステップ1502において、通信信号の長さを延ばすために、通信信号が符号化される。ステップ1504において、通信信号の延ばされた長さのうちの少なくとも幾つかを利用するために、符号化された通信信号の一部が、反復符号化される。ステップ1506では、反復符号化された通信信号がインタリーブされる。
図16は、通信信号を符号化するためのデバイスの機能の例を示す概念ブロック図である。デバイス1602は、通信信号の長さを延ばすために通信信号を符号化するモジュール1604を含んでいる。デバイス1602はさらに、通信信号の延ばされた長さのうちの少なくとも幾つかを利用するために、符号化された通信信号の一部を反復符号化するモジュール1606を含んでいる。さらに、デバイス1602は、反復符号化された通信信号をインタリーブするモジュール1608を含んでいる。
当業者であれば、本明細書に記載された様々な例示的なブロック、モジュール、要素、構成要素、方法、およびアルゴリズムが、電子的なハードウェア、コンピュータ・ソフトウェア、あるいはこれらの組み合わせとして実現されることを理解するであろう。例えば、畳み込みエンコーダ、反復ブロック、およびインタリーバは、電子的なハードウェア、コンピュータ・ソフトウェア、あるいはこれらの組み合わせとして実現されうる。ハードウェアとソフトウェアとの相互置換性を例示するために、例示的な様々なブロック、モジュール、要素、構成要素、方法、およびアルゴリズムが、それらの機能の観点から一般的に説明された。そのような機能がハードウェアとしてあるいはソフトウェアとして実現されるかは、設計全体に課せられる特定のアプリケーションおよび設計制約に依存する。当業者は、説明された機能を、特定のアプリケーションのおのおのに対して変わりうる方法で実現することができる。様々な構成要素およびブロックは、主題技術のスコープからすべて逸脱することなく、別の方法(例えば、別の順序で構成される。あるいは、別の方法で分割される)で構成されうる。
特定の通信プロトコルおよびフォーマットの例が、主題技術を例示するために与えられた。しかしながら、主題技術は、これらの例に限定されず、他の通信プロトコルおよびフォーマットに適合する。
開示された処理におけるステップの具体的な順序または階層は、典型的なアプローチの例であることが理解される。設計選択に基づいて、処理におけるステップの具体的な順序または階層が、再アレンジされうることが理解される。これらステップのうちの幾つかは、同時に実行されうる。それに伴う方法クレームは、様々なステップの要素をサンプル順で示しており、示された特定の順序または階層に限定されることは意図されない。
上記記述は、当業者が、本明細書に記載された様々な局面を実現できるように与えられた。これらの局面への様々な変更は、当業者に容易に明らかになるだろう。そして、本明細書で定められた一般的な原理は、他の局面にも当てはまる。したがって、請求項は、本明細書に示された局面に限定されることは意図されず、「1または複数」と明確に述べられていないのであれば、請求項の全スコープは、単数要素に対する言及が「1または1のみ」を意味するものと意図されていない請求項の文言と合致するものと意図される。特に断らない限り、用語「幾つか」は、1または複数を指す。男性名詞(例えば、彼の)は、女性および中性(例えば、彼女のおよびその)を含み、その逆もありうる。本開示にわたって記述され、当業者に知られているかあるいは後に知られることになる様々な局面の要素に対する全ての構造的および機能的な等価物は、参照によって本明細書に明確に組み込まれ、請求項に包含されることが意図されている。さらに、そのような開示が請求項において明示的に述べられているかに関わらず、本明細書で開示された何れも、公衆に放棄されることは意図されていない。どの請求項要素も、"means for"というフレーズを用いて、あるいは方法請求項の場合であれば"step for"というフレーズを用いて記載されていないのであれば、35U.S.C112条第6パラグラフのプロビジョンの下で解釈されない。
Claims (70)
- 通信信号を符号化する装置であって、
前記通信信号の長さを延ばすために、前記通信信号を符号化するように構成されたエンコーダと、
前記通信信号の延ばされた長さのうちの少なくとも幾つかを利用するために、前記符号化された通信信号の一部を反復符号化するように構成された反復コーダと、
前記反復符号化された通信信号をインタリーブするように構成されたインタリーバと
を備える装置。 - 前記反復コーダは、前記符号化された通信信号へ、反復されたビットを追加するように構成され、前記追加された反復されたビットは、外部デバイスによって使用される請求項1に記載の装置。
- 前記反復コーダは、前記符号化された通信信号へ、反復されたビットを追加するように構成され、前記追加された反復されたビットは、外部デバイスによって無視される請求項1に記載の装置。
- 前記反復コーダは、反復符号化に関連するバッファリング量を低減するために、反復されたビットを、前記符号化された通信信号のオリジナルのビット間に挿入するように構成された請求項1に記載の装置。
- 前記反復コーダは、どのビットが反復されるべきかを選択するために、断片的なステップを使用するように構成され、前記断片的なステップは、反復されたビット間のステップ・サイズに関連しており、前記ステップ・サイズは、整数境界を越えるまで累積される小数である請求項1に記載の装置。
- 前記通信信号は、ヘッダおよびペイロードを備える請求項1に記載の装置。
- 前記反復コーダは、符号化された通信信号のヘッダを反復符号化するように構成された請求項6に記載の装置。
- 前記反復コーダは、前記符号化された通信信号のペイロードを反復符号化するように構成された請求項6に記載の装置。
- 前記エンコーダの直前にリード・ソロモン(RS)コーダを含まない請求項1に記載の装置。
- 前記反復コーダによる反復量が、MACメッセージによってシグナルされる請求項1に記載の装置。
- 前記反復コーダによる反復量が、ヘッダでシグナルされる請求項1に記載の装置。
- モバイル電話である請求項1に記載の装置。
- 前記反復コーダおよび前記インタリーバを備え、前記通信信号を処理する第1のブランチと、
前記通信信号を処理する第2のブランチと、
前記第1のブランチか前記第2のブランチかを選択するセレクタとをさらに備え、
前記第2のブランチは、
前記エンコーダに接続され、前記符号化された通信信号をパンクチャするように構成されたパンクチャラと、
前記パンクチャされた通信信号をインタリーブするように構成された第2のインタリーバと、
前記インタリーブされた通信信号を広げるように構成されたスプレッダと
を備える請求項1に記載の装置。 - 前記インタリーバは、前記反復符号化された通信信号をインタリーブするために、高データ・レート・モードを使用するように構成された請求項1に記載の装置。
- 通信信号を符号化する方法であって、
前記通信信号の長さを延ばすために、前記通信信号を符号化することと、
前記通信信号の延ばされた長さのうちの少なくとも幾つかを利用するために、前記符号化された通信信号の一部を反復符号化することと、
前記反復符号化された通信信号をインタリーブすることと
を備える方法。 - 前記反復符号化することは、前記符号化された通信信号へ、反復されたビットを追加することを備え、前記追加された反復されたビットは、外部デバイスによって使用される請求項15に記載の方法。
- 前記反復符号化することは、前記符号化された通信信号へ、反復されたビットを追加することを備え、前記追加された反復されたビットは、外部デバイスによって無視される請求項15に記載の方法。
- 前記反復符号化することは、反復符号化に関連するバッファリング量を低減するために、反復されたビットを、前記符号化された通信信号のオリジナルのビット間に挿入することを備える請求項15に記載の方法。
- 前記反復符号化することは、どのビットが反復されるべきかを選択するために、断片的なステップを使用することを備え、前記断片的なステップは、反復されたビット間のステップ・サイズに関連しており、前記ステップ・サイズは、整数境界を越えるまで累積される小数である請求項15に記載の方法。
- 前記通信信号は、ヘッダおよびペイロードを備える請求項15に記載の方法。
- 前記反復符号化することは、前記符号化された通信信号のヘッダを反復符号化することを備えた請求項20に記載の方法。
- 前記反復符号化することは、前記符号化された通信信号のペイロードを反復符号化することを備えた請求項20に記載の方法。
- 前記符号化の直前にリード・ソロモン(RS)符号化を実行しない請求項15に記載の方法。
- 前記反復符号化によって実行される反復量が、MACメッセージによってシグナルされる請求項15に記載の方法。
- 前記反復符号化によって実行される反復量が、ヘッダでシグナルされる請求項15に記載の方法。
- モバイル電話によって実行される請求項15に記載の方法。
- 第1のブランチおよび第2のブランチのうちの1つを選択することをさらに備え、
前記第1のブランチが選択された場合、反復符号化およびインタリーブするステップが実行され、
前記第2のブランチが選択された場合、反復符号化およびインタリーブするステップが、前記符号化された通信信号をパンクチャし、前記パンクチャされた通信信号をインタリーブし、前記インタリーブされた通信信号を広げるステップと交換される請求項15に記載の方法。 - 前記インタリーブすることは、前記反復符号化された通信信号をインタリーブするために、高データ・レート・モードを使用する請求項15に記載の方法。
- 通信信号を符号化する装置であって、
前記通信信号の長さを延ばすために、前記通信信号を符号化する手段と、
前記通信信号の延ばされた長さのうちの少なくとも幾つかを利用するために、前記符号化された通信信号の一部を反復符号化する手段と、
前記反復符号化された通信信号をインタリーブする手段と
を備える装置。 - 前記反復符号化する手段は、前記符号化された通信信号へ、反復されたビットを追加するように構成され、前記追加された反復されたビットは、外部デバイスによって使用される請求項29に記載の装置。
- 前記反復符号化する手段は、前記符号化された通信信号へ、反復されたビットを追加するように構成され、前記追加された反復されたビットは、外部デバイスによって無視される請求項29に記載の装置。
- 前記反復符号化する手段は、反復符号化に関連するバッファリング量を低減するために、反復されたビットを、前記符号化された通信信号のオリジナルのビット間に挿入するように構成された請求項29に記載の装置。
- 前記反復符号化する手段は、どのビットが反復されるべきかを選択するために、断片的なステップを使用するように構成され、前記断片的なステップは、反復されたビット間のステップ・サイズに関連しており、前記ステップ・サイズは、整数境界を越えるまで累積される小数である請求項29に記載の装置。
- 前記通信信号は、ヘッダおよびペイロードを備える請求項29に記載の装置。
- 前記反復符号化する手段は、符号化された通信信号のヘッダを反復符号化するように構成された請求項34に記載の装置。
- 前記反復符号化する手段は、前記符号化された通信信号のペイロードを反復符号化するように構成された請求項34に記載の装置。
- 前記符号化する手段の直前にリード・ソロモン(RS)コーダを含まない請求項29に記載の装置。
- 前記反復符号化する手段による反復量が、MACメッセージによってシグナルされる請求項29に記載の装置。
- 前記反復符号化する手段による反復量が、ヘッダでシグナルされる請求項29に記載の装置。
- モバイル電話である請求項29に記載の装置。
- 前記反復符号化する手段と、前記反復符号化された通信信号をインタリーブする手段とを備え、前記通信信号を処理する第1のブランチと、
前記通信信号を処理する第2のブランチと、
前記第1のブランチか前記第2のブランチかを選択する手段とをさらに備え、
前記第2のブランチは、
前記符号化された通信信号をパンクチャする手段と、
前記パンクチャされた通信信号をインタリーブする手段と、
前記インタリーブされた通信信号を広げる手段と
を備える請求項29に記載の装置。 - 前記インタリーブする手段は、前記反復符号化された通信信号をインタリーブするために、高データ・レート・モードを使用するように構成された請求項29に記載の装置。
- 通信信号を符号化するプロセッサであって、
前記通信信号の長さを延ばすために、前記通信信号を符号化するように構成されたエンコーダと、
前記通信信号の延ばされた長さのうちの少なくとも幾つかを利用するために、前記符号化された通信信号の一部を反復符号化するように構成された反復コーダと、
前記反復符号化された通信信号をインタリーブするように構成されたインタリーバと
を備えるプロセッサ。 - 前記反復コーダは、前記符号化された通信信号へ、反復されたビットを追加するように構成され、前記追加された反復されたビットは、外部デバイスによって使用される請求項43に記載のプロセッサ。
- 前記反復コーダは、前記符号化された通信信号へ、反復されたビットを追加するように構成され、前記追加された反復されたビットは、外部デバイスによって無視される請求項43に記載のプロセッサ。
- 前記反復コーダは、反復符号化に関連するバッファリング量を低減するために、反復されたビットを、前記符号化された通信信号のオリジナルのビット間に挿入するように構成された請求項43に記載のプロセッサ。
- 前記反復コーダは、どのビットが反復されるべきかを選択するために、断片的なステップを使用するように構成され、前記断片的なステップは、反復されたビット間のステップ・サイズに関連しており、前記ステップ・サイズは、整数境界を越えるまで累積される小数である請求項43に記載のプロセッサ。
- 前記通信信号は、ヘッダおよびペイロードを備える請求項43に記載のプロセッサ。
- 前記反復コーダは、符号化された通信信号のヘッダを反復符号化するように構成された請求項48に記載のプロセッサ。
- 前記反復コーダは、前記符号化された通信信号のペイロードを反復符号化するように構成された請求項48に記載のプロセッサ。
- 前記エンコーダの直前にリード・ソロモン(RS)コーダを含まない請求項43に記載のプロセッサ。
- 前記反復コーダによる反復量が、MACメッセージによってシグナルされる請求項43に記載のプロセッサ。
- 前記反復コーダによる反復量が、ヘッダでシグナルされる請求項43に記載のプロセッサ。
- モバイル電話に含まれる請求項43に記載のプロセッサ。
- 前記反復コーダおよび前記インタリーバを備え、前記通信信号を処理する第1のブランチと、
前記通信信号を処理する第2のブランチと、
前記第1のブランチか前記第2のブランチかを選択するセレクタとをさらに備え、
前記第2のブランチは、
前記エンコーダに接続され、前記符号化された通信信号をパンクチャするように構成されたパンクチャラと、
前記パンクチャされた通信信号をインタリーブするように構成された第2のインタリーバと、
前記インタリーブされた通信信号を広げるように構成されたスプレッダと
を備える請求項43に記載のプロセッサ。 - 前記インタリーバは、前記反復符号化された通信信号をインタリーブするために、高データ・レート・モードを使用するように構成された請求項43に記載のプロセッサ。
- 通信信号を符号化するための命令群を備えた機械読取可能媒体であって、
前記命令群は、
前記通信信号の長さを延ばすために、前記通信信号を符号化し、
前記通信信号の延ばされた長さのうちの少なくとも幾つかを利用するために、前記符号化された通信信号の一部を反復符号化し、
前記反復符号化された通信信号をインタリーブする
ためのコードを備える機械読取可能媒体。 - 前記反復符号化するためのコードは、前記符号化された通信信号へ、反復されたビットを追加するためのコードを備え、前記追加された反復されたビットは、外部デバイスによって使用される請求項57に記載の機械読取可能媒体。
- 前記反復符号化するためのコードは、前記符号化された通信信号へ、反復されたビットを追加するためのコードを備え、前記追加された反復されたビットは、外部デバイスによって無視される請求項57に記載の機械読取可能媒体。
- 前記反復符号化するためのコードは、反復符号化に関連するバッファリング量を低減するために、反復されたビットを、前記符号化された通信信号のオリジナルのビット間に挿入するためのコードを備える請求項57に記載の機械読取可能媒体。
- 前記反復符号化するためのコードは、どのビットが反復されるべきかを選択するために、断片的なステップを使用するためのコードを備え、前記断片的なステップは、反復されたビット間のステップ・サイズに関連しており、前記ステップ・サイズは、整数境界を越えるまで累積される小数である請求項57に記載の機械読取可能媒体。
- 前記通信信号は、ヘッダおよびペイロードを備える請求項57に記載の機械読取可能媒体。
- 前記反復符号化するためのコードは、前記符号化された通信信号のヘッダを反復符号化するためのコードを備える請求項62に記載の機械読取可能媒体。
- 前記反復符号化するためのコードは、前記符号化された通信信号のペイロードを反復符号化するためのコードを備える請求項62に記載の機械読取可能媒体。
- 前記コードは、前記符号化の直前にリード・ソロモン(RS)符号化を実行するためのコードを備える請求項57に記載の機械読取可能媒体。
- 前記反復符号化によって実行される反復量が、MACメッセージによってシグナルされる請求項57に記載の機械読取可能媒体。
- 前記反復符号化によって実行される反復量が、ヘッダでシグナルされる請求項57に記載の機械読取可能媒体。
- 前記命令群はモバイル電話において実行される請求項57に記載の機械読取可能媒体。
- 前記命令群はさらに、第1のブランチおよび第2のブランチのうちの1つを選択するためのコードを備え、
前記第1のブランチは、反復符号化しインタリーブするためのコードを備え、
前記第2のブランチは、前記符号化された通信信号をパンクチャし、前記パンクチャされた通信信号をインタリーブし、前記インタリーブされた通信信号を広げるためのコードを備える請求項57に記載の機械読取可能媒体。 - 前記インタリーブすることは、前記反復符号化された通信信号をインタリーブするために、高データ・レート・モードを使用する請求項57に記載の機械読取可能媒体。
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