JP2010529766A - レートマッチングによる計算効率の高い畳み込み符号化 - Google Patents

レートマッチングによる計算効率の高い畳み込み符号化 Download PDF

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Abstract

エラーコーディング回路は、2つ以上のパリティビット群を生成するために入力ビットストリームを符号化するための非系統的畳み込み符号器と、各パリティビット群内でパリティビットをインタリーブするためのインタリーバ回路と、所望のコードレートを得るために、選択された数の、群ごとに配列されたインタリーブされたパリティビットを出力するためのレートマッチング回路と、を含む。
【選択図】図2

Description

本願は、2007年6月8日に出願された米国特許仮出願第60/942、770号明細書の利益を主張する。
本発明は、一般に、移動通信ネットワークのためのエラーコーディングに関し、特に、レートマッチングによる計算効果の高い畳み込み符号化のための方法および装置に関する。
レートマッチングは、畳み込み符号器またはターボ符号器のような符号器のコードレートを、通信チャネルのデータ伝送レートに合わせるために移動通信システムにおいて利用される技術である。レートマッチングは、典型的に、通信チャネルのデータ伝送レートに合わせるために、符号器により出力される符号化されたビットを削除する(puncture)、または繰り返す工程を含む。レートマッチングは、1つの符号器を、異なるデータ伝送レートの複数のデータチャネルのために利用することを可能とする。
従来のレートマッチング回路では、符号器が入力ビットストリームを受信し、2つ以上の符号化ビットストリームを生成する。インタリーバは、各符号化ビットストリームをインタリーブする。レートマッチング回路は、通信チャネルのデータ伝送レートに合わせるために、各インタリーブされたビットストリーム内の符号化されたビットをビット多重化し(bit−multiplex)、所望のビット数を有する送信機へと1つのビットストリームを出力する。レートマッチング回路により行なわれるビット多重化は、全てのインタリーブされたビットストリームからのインタリーブされたビットを混合する。符号器により出力されるビット数が必要数よりも大きい場合には、幾つかのインタリーブされたビットが削除される(punctured)。反対に、符号器により出力されるビット数が必要とされるよりも小さい場合には、幾つかのビットが繰り返されてもよい。レートマッチング回路は、循環バッファまたは実時間多重化回路を用いて実装されうる。
過去に利用されたレートマッチング回路は良好な性能を提供するが、複雑さがより軽減された良好な性能を提供する、畳み込み符号のための新しいレートマッチング回路に対する必要性が未だにある。
本発明は、畳み込み符号器による利用のためのレートマッチングのための方法および装置に関する。情報シーケンスが非系統的畳み込み符号器に入力される。畳み込み符号器が、情報シーケンスを符号化し、2つ以上のパリティビットストリームを出力する。インタリービング回路が、異なるパリティビットストリーム内でパリティビットを混合することなく、各パリティビットストリーム内でパリティビットをインタリーブする。インタリーブされたパリティビットは、レートマッチング回路に出力される。レートマッチング回路が、データチャネルに合わせるために、選択された数のパリティビットを出力する。パリティビットは群順に出力される。すなわち、第1のパリティビット群からのパリティビットの全てが、次の群からのいずれのビットも出力される前に出力される。
本発明に係るレートマッチングのための方法および装置は、同一のインタリーバを、符号器により出力される異なるパリティビットストリームをインタリーブするために利用することを可能とし、移動端末のためのチャネル符号器の複雑さを軽減し、チャネル符号化の性能を改善する。
コーディング回路を含む例示的な送受信機を示す。 本発明の1の例示的な実施形態に係る符号化回路である。 1の例示的な実施形態に係る第1の例示的なレートマッチング回路を示す。 他の例示的な実施形態に係る第2の例示的なレートマッチング回路を示す。 例示的なレートマッチング回路により出力されるパリティビットの順序を示す。 伝送のために入力ビットストリームを符号化するための例示的な方法を示す。
図1は、移動通信システムのための通信端末10の主な構成要素を示している。通信端末10は、通信端末10の動作全般を制御するためのシステムコントローラ12と、動作のために必要なプログラムおよびデータを格納するためのメモリ14と、遠隔装置へと信号を送信するための送信機20と、遠隔装置からの信号を受信するための受信機30と、を含む。送信機20および受信機30は、全二重オペレーションを可能にする送受切り替え器またはスイッチ16により、1つ以上のアンテナ18に接続されている。
送信機20は、情報ソースから情報ストリームを受信し、無線チャネルを介した伝送に適した送信信号を生成するために情報ストリームを処理し、RFキャリアへと送信信号を変調する。送信機20は、ソース符号器22と、チャネル符号器24と、変調器26と、を含む。ソース符号器22は冗長性を取り除き、または、最大情報コンテンツに最適化された情報シーケンスを生成するために情報ビットストリームをランダム化する。ソース符号器22からの情報シーケンスは、チャネル符号器24に伝えられる。チャネル符号器24は、符号化シーケンスを生成するために、ソース符号器22により供給された情報シーケンスに冗長性の要素を取り入れる。チャネル符号器24により追加された冗長性は、通信システムの誤り訂正の性能を高める役目を果たす。チャネル符号器24の出力は送信シーケンスである。変調器26は、チャネル符号器24から送信シーケンスを受信し、通信チャネルの物理的性質に合い通信チャネルを介して効率よく送信されうる波形を生成する。
受信機30は、通信チャネルを通じた移動により破損している、遠端装置から送信された信号を受信する。受信機の機能は、受信信号から元の情報ストリームを再構成することである。受信機30は、復調器32と、チャネル復号器34と、ソース復号器36と、を含む。復調器32は受信信号を処理し、受信されたビットのシーケンスを生成し、この受信されたビットのシーケンスは、各受信されたビットまたはシンボルについてのハードまたはソフトな値を含んでもよい。受信信号が誤りなく通信チャネルを通じて送信された場合に、受信されたビットのシーケンスは、送信機での送信ビットのシーケンスと同一であろう。実際には、通信チャネルを通じた受信信号の移動は、受信信号に送信エラーをもたらす。チャネル復号器34は、ビット誤りを検出し訂正するために、送信機20でチャネル符号器24により追加された冗長性を利用する。復調32およびチャネル復調器34が如何に良好に機能するかについての評価基準は、復号化された情報シーケンスにおいて生じるビット誤りの頻度である。最後のステップとして、ソース復号器36が、情報ソースから元の情報ビットストリームを再構成する。
図2は、本発明の1の実施形態に係る例示的なチャネル符号器24を示している。チャネル符号器24は、符号器40と、インタリービング回路42と、レートマッチング回路44と、を含む。チャネル符号器24はさらに、幾つかの実施形態において、レートマッチング回路44の後にチャネル・インタリーバ46を含みうる。
符号器40は、例えば、非系統的畳み込み符号器を含んでもよい。符号器40は、入力シーケンスIを受信し、2つ以上のパリティビットストリームP、P、・・・Pを生成する。例として、符号器40は、拘束長k=7、生成多項式[133、171、165]の1/3Tail−biting畳み込み符号を実装しうる。この畳み込み符号は、最適距離スペクトル(ODS:optimal distance spectra)による、最大自由距離(MFD:maximum free distance)符号のクラスに属する。この符号のクラスは、符号ワード間の自由距離を最大化し、全ての距離において重み(weight)が最も軽い。この畳み込み符号の他の利点は、レート1/2の符号が、多項式[165]により生成される符号化ビットを削除することによって得られうるということである。得られる1/2レートの畳み込み符号は、生成多項式[133、171]によって与えられる。当業者は、レート1/3およびレート1/2の畳み込み符号の入れ子型構造を、チャネル符号器24の複雑さを軽減するために利用出来ることが分かるであろう。
インタリービング回路42は、畳み込み符号器40からの3つのパリティビットストリームを別々に処理するために、3つのインタリーバ42a、42b、42cを含んでいる。当業者は、各パリティビットストリームが生成多項式のうちの1つに対応することが分かるであろう。図2では、パリティビットストリームがP、P、およびPで示されている。パリティビットPは、生成多項式[133]に対応し、パリティビットPは、生成多項式[171]に対応し、パリティビットPは、生成多項式[165]に対応する。以下で詳細に記載するように、パリティビットの群多重化(group multiplexing)によって、同一のインタリーバ42a、42b、43cを、パリティビットストリームP、P、Pそれぞれのために使用することが可能となる。各符号化ビットストリームP、P、Pのために同じインタリーバ構造を利用する能力によって、チャネル符号器24の複雑さが軽減される。対照的に、ビットレベルの多重化を実装するレートマッチング回路は、異なるインタリーバが異なるパリティビットストリームP、P、Pのために利用されることを必要とする。各パリティビットストリームのために同一のインタリーバを利用する能力は本発明の1つの効果であるが、当業者は、インタリービング回路42がパリティビットストリームそれぞれのための異なるインタリーバ42a、42b、42cを含みうることが分かるであろう。
インタリーバ24a、42b、42cにより出力されたインタリーブされたパリティビットストリームP’、P’、P’が、レートマッチング回路44に出力される。レートマッチング回路44は、以下に記載するようにパリティビットストリームP’、P’、P’の群多重化を行ない、出力シーケンスCを生成する。追加的に、レートマッチング回路44は、データ伝送チャネルに出力ビット数を合わせるために、幾つかのパリティビットを削除してもよく、または繰り返してもよい。
先に述べたように、例示的な実施形態における畳み込み符号器40は、レート1/3の畳み込み符号を含む。従って、レート1/3の畳み込み符号が必要な場合、レートマッチング回路44は、全ての3つのパリティビットストリームにおいて全てのパリティビットを出力する。レートマッチング回路44は、群多重化フォーマット(group−multiplexed format)でパリティビットを出力する。すなわち、レートマッチング回路44は、最初にパリティビットストリームPに対応するパリティビットを出力し、続いてパリティビットストリームPにおいてパリティビットを出力し、その後にパリティビットストリームPにおいてパリティビットを出力する。3つのパリティビットストリームP、P、Pにおけるパリティビットは、従来のレートマッチング回路におけるように混合されず、代わりに群単位で出力される。
データ通信チャネルに合わせるために1/3より速いコードレートが必要な場合に、レートマッチング回路44は、選択されたパリティビットを削除することによって、全てのパリティビットよりも少なく出力する。パリティビットを削除する際には、レートマッチング回路44は、最初に、パリティビットストリームPに対応するパリティビットを削除し、続いて、パリティビットストリームPに対応するパリティビットを削除する。すなわち、パリティビットストリームPからのパリティビットが全て削除されるまで、パリティビットストリームPからのパリティビットは削除されない。削除されていない残りのパリティビットは、先に述べたように群順に出力される。このように、レート1/2の畳み込み符号について、レートマッチング回路44は、パリティビットストリームPに対応する全てのビットを削除する。1/2〜1/3の間のコードレートを得るために、レートマッチング回路44は、パリティビットストリームPに対応する、全てのビットではなく幾つかのビットを削除する。1/2より大きいコードレートを得るために、レートマッチング回路44は、パリティビットストリームPに対応する全てのパリティビットと、パリティビットストリームPに対応する幾つかのパリティビットストリームと、を削除する。
データ通信チャネルに合わせるために1/3未満のコードレートが必要な場合には、レートマッチング回路44は、先に述べたように、P、P、Pの群多重化された順序で、各パリティビットストリームにおいてパリティビットを出力し、その後、所望数のビットが出力されるまで、同じ出力シーケンスを順に繰り返す。すなわち、3つのパリティビットストリームP、P、P全てにおける全パリティビットが出力された後に、必要数のパリティビットに達するまで、レートマッチング回路44は、最初に、パリティビットストリームPに対応する繰り返されたパリティビットを出力し、続いて、パリティビットストリームPからの繰り返されたパリティビットを出力し、その後、パリティビットストリームPからのパリティビットを出力する。
図3および図4は、レートマッチング回路44の2つの例示的な実装を示している。図3に示されるレートマッチング回路44は、循環バッファ50を含んでいる。インタリーブされたパリティビットストリームP’、P’、P’が、循環バッファ50の対応するセクションに読み込まれる。このように、循環バッファ50内のパリティビットは、群ごとに配列されている。レートマッチング回路44の出力ビットが、その後、循環バッファ50から引き続いて読み出される。必要数のビットが循環バッファ50のサイズよりも大きい場合には、読み出しは、循環バッファ50の最後から始めへと戻る(wrap)。
図4に示される実施形態において、群多重化回路52が、循環バッファ50の代わりに使用されている。群多重化回路52は、3つのパリティビットストリームからのパリティビットを読み出すために、「オンザフライで」(“on the fly”)インタリービングアドレスを生成する。このオンザフライでのアドレス指定は、循環バッファ50と同じ出力シーケンスCを生成するが、出力ビットをバッファリングする必要はない。
先に述べたように、レートマッチング回路44により実装される群多重化によって、同じインタリーバを、パリティビットストリームP、P、Pそれぞれのために利用することが可能となる。ターボ符号器においてレートマッチングのための良好な性能を提供するために、ビット逆順(BRO:bit reverse order)インタリーバが発見されている。長さ32のBROインタリーバは、以下のように与えられる。

BRO32=[0 16 8 24 4 20 12 28 2 18 10 26 6 22 14 30 方程式1
1 17 9 25 5 21 13 29 3 19 11 27 7 23 15 31]

任意のパリティビットストリーム長を調整するために、BROインタリーバは一般に、パリティビットストリームを含むだけ十分に大きい矩形インタリーバのための列置換(column permutation)パターンとしてとして利用される。すなわち、長さNのパリティビットストリームについて、インタリーバ42a、42b、42cが、32列、ceil(N/32)行の矩形インタリーバとして定義される。(NI=32*ceil(N/32)により与えられる)矩形インタリーバのサイズがパリティビットストリーム長よりも大きい場合は、N=N−N個のダミービットが、パリティビットストリームの前に埋め込まれる。(パリティビットおよび潜在的なダミービットを含む)入力ストリームが、第1行および第1列から開始して、行ごとにインタリーバに書き込まれる。その後、32列が、選択された列置換パターンに基づいて置換される(permuted)。列置換の後に、インタリーバの内容が、第1列および第1行から開始して、列ごとに読み出されうる。ダミービットは、存在する場合には、矩形インタリーバの内容が読み出されると破棄される。
畳み込み符号について、列置換(column−permuting)BROインタリーバは、好適に、各パリティビット群において奇数のビットが、同じパリティビット群内の偶数のビットよりも先に出力されるように、修正されるべきである。パリティビットの順序が図5に示されている。
1の例示的な実施形態において、インタリービング回路42のためのインタリーバ42a、42b、42cは、列置換のための逆BROインタリーバ(reverse BRO interleaver)を含んでもよい。逆BROインタリーバは、以下のように与えられる。

R-BRO32=[31 15 23 7 27 11 19 3 29 13 21 5 25 9 17 1 方程式2
30 14 22 6 26 10 18 2 28 12 20 4 24 8 16 0]

逆BROインタリーバは、ビットが従来のBROインタリーバと比べて逆の順序に出力されるように、従来のBROインタリーバを修正することにより実装される。
第2の実施形態において、インタリービング回路42のためのインタリーバ42a、42b、42cは、列置換のための巡回シフト型(cyclically−shifted)BROインタリーバを含んでもよい。巡回シフト型BROインタリーバの一例が、以下のように与えられる。

CS-BRO32=[1 17 9 25 5 21 13 29 3 19 11 27 7 23 15 31 方程式3
0 16 8 24 4 20 12 28 2 28 10 26 6 22 14 30]
第3の実施形態において、インタリービング回路42のためのインタリーバ42a、42b、42cは、列置換のためのモジュロオフセット(modulo−offset)インタリーバを含んでもよい。例示的なモジュロオフセット・インタリーバが、以下のように与えられる。

MO-BRO32=[3 19 11 27 7 23 15 31 5 21 13 29 9 25 17 1 方程式4
4 20 12 28 8 24 16 0 6 22 14 30 10 26 18 2]

方程式4により表されるモジュロオフセット・インタリーバは、インタリーバ42の長さを法とする(modulo)従来のBROインタリーバの出力インデックスに所定のオフセットを加算することによって実装されうる。インタリーバアドレスに加算されるオフセットは、奇数であるべきである。
符号器40から出力されるパリティビットストリームに対して行なわれるインタリービングのために、レートマッチング回路44からの出力シーケンスは、かなりランダム化された順序(randomized order)になっている。しかし、レートマッチング回路44の群多重化のお陰で、パリティビット群の間でのインタリービングはない。従って、状況によっては、チャネルインタリービングの深度を改善するために、レートマッチング回路44の後にチャネル・インタリーバ46を含むのが望ましいこともある。例えば、変調フォーマットが、各変調シンボルへと偶数のパリティビットをマッピングする場合に、レートマッチング回路44からの出力ビットを、2つのサブブロック(c、c、cN/2−1)と、(cN/2、cN/2+1、cN−1)とに均等に分割することが可能である。2つのサブブロックは、その後、ビット多重化され、変調器に送信されうる。例としてQPSK変調を利用して、第1の変調されたシンボルが、cおよびcN/2により定められ、第2の変調シンボルが、cおよびcN/2+1により定められる。
図6は、本発明の1の実施形態に係るチャネル符号器24により実施される例示的な方法100を示している。処理は、情報シーケンスIがチャネル符号器24に入力される場合に開始する。チャネル符号器24は、2つ以上のパリティビットストリームを生成するために、情報シーケンスIを符号化する(ブロック102)。先に述べたように、符号化は非系統的畳み込み符号器により行なわれる。パリティビットストリームP、P、・・・Pが、インタリービング回路42に入力される。インタリービング回路42は、インタリーブされたパリティビットストリームP’、P’、・・・P’を生成するために、各パリティビットをインタリーブする(ブロック104)。インタリーブされたパリティビットストリームは、その後、レートマッチング回路44に供給される。レートマッチング回路44は、データチャネルに合わせるために、選択された数のパリティビットを出力する(ブロック106)。パリティビットは、先に記載したように群順に出力される。すなわち、パリティビットストリームPに対応する全てのパリティビットが、パリティビットP等に対応する群からいずれのパリティビットも出力される前に出力される。データチャネルに合わせるために、全てのパリティビットよりも少ないビットが必要な場合には、パリティビットストリームPに対応する群から最初に、パリティビットPN−1等に対応する群からいずれのパリティビットも削除される前に、パリティビットが削除される。データチャネルに合わせるために必要なパリティビットの数が、チャネル符号器24により出力されるパリティビットの数を超える場合には、全てのパリティビットが、先に述べたように群ごとに配列されて出力され、その後、出力シーケンスが、必要数のパリティビットに達するまで繰り返される。本発明の幾つかの実施形態において、レートマッチング回路44からの出力シーケンスCは、インタリービングの深度を改善するために、チャネル・インタリーバ42によりインタリーブされてもよい(ブロック108)。しかし、この最後のインタリービングのステップは任意である。
特定の実装の関連において本発明を記載してきたが、当業者は、記載されるレートマッチング技術が、異なるレートの符号器、および異なる長さのインタリーバに適用されうることが分かるであろう。さらに、好適な実施形態は全ての3つのパリティビットストリームのために同一のインタリーバを利用するが、異なるパリティビットストリームに対して異なるインタリーバを適用することが可能である。
本発明は、当然のことながら、本発明の範囲および本発明の本質的な特徴から逸脱することなく、本明細書で記載する方法とは別の特定のやり方で実行することが可能である。従って、本実施形態は、全ての観点において例示的なものであり限定するものではないと見なされ、添付の請求項の意味および均等の範囲内で起こる全ての変更が、その中に含まれるものとする。

Claims (20)

  1. 2つ以上のパリティビット群を生成するために入力ビットストリームを符号化するための非系統的畳み込み符号器と、
    各パリティビット群内でパリティビットをインタリーブするためのインタリーバ回路と、
    所望のコードレートを得るために、選択された数の、群ごとに配列された前記インタリーブされたパリティビットを出力するためのレートマッチング回路と、
    を含む、エラーコーディング回路。
  2. 前記レートマッチング回路は、群ごとに配列された前記インタリーブされたパリティビットを格納するための循環バッファを含む、請求項1に記載のエラーコーディング回路。
  3. 前記レートマッチング回路は群多重化回路を含む、請求項1に記載のエラーコーディング回路。
  4. 前記インタリーバ回路は、各パリティビット群について同一のインタリービングを適用するように構成される、請求項1に記載のエラーコーディング回路。
  5. 前記インタリーバ回路は、各パリティビット群について異なるインタリービングを適用するように構成される、請求項1に記載のエラーコーディング回路。
  6. 前記レートマッチング回路は、各群内で、偶数のパリティビットの前に奇数のパリティビットを出力する、請求項1に記載のエラーコーディング回路。
  7. 前記インタリーバ回路は、各パリティビット群内で前記奇数のパリティビットが前記偶数のパリティビットより先に来るようにパリティビットを配列するように構成される、請求項6に記載のエラーコーディング回路。
  8. 前記インタリーバ回路は、列置換のための逆ビット逆順インタリーバを実装する、請求項7に記載のエラーコーディング回路。
  9. 前記インタリーバ回路は、列置換のための巡回シフト型ビット逆順インタリーバを実装する、請求項7に記載のエラーコーディング回路。
  10. 前記インタリーバ回路は、列置換のためのモジュロオフセット・ビット逆順インタリーバを実装する、請求項7に記載のエラーコーディング回路。
  11. 入力ビットストリームをエラーコーディングするための方法であって、
    前記方法は、
    2つ以上のパリティビット群を生成するために、非系統的畳み込み符号器において前記入力ビットストリームを符号化する工程と、
    各パリティビット群内でパリティビットをインタリーブする工程と、
    所望のコードレートを得るために、選択された数の、群ごとに配列された前記インタリーブされたパリティビットを出力する工程と、
    を含む、方法。
  12. 群ごとに配列された前記インタリーブされたパリティビットを循環バッファに格納する工程をさらに含み、前記インタリーブされたパリティビットは、前記循環バッファから出力される、請求項11に記載の方法。
  13. 前記ビットが出力される間に群多重化回路内で前記パリティビットを群多重化する工程をさらに含む、請求項11に記載の方法。
  14. 同一のインタリービングが各パリティビット群に適用される、請求項11に記載の方法。
  15. 異なるインタリービングが各パリティビット群に適用される、請求項11に記載の方法。
  16. 所望のコードレートを得るために、選択された数の、群ごとに配列された前記インタリーブされたパリティビットを出力する工程はさらに、各郡内で、偶数のパリティビットを出力する前に奇数のパリティビットを出力する工程を含む、請求項11に記載の方法。
  17. 前記インタリービングは、各パリティビット群内で前記偶数のパリティビットよりも前記奇数のパリティビットが先に来るようにパリティビットを配列する、請求項16に記載の方法。
  18. 前記インタリービングは、列置換のための逆ビット逆順インタリービングを含む、請求項17に記載の方法。
  19. 前記インタリービングは、列置換のための巡回シフト型ビット逆順インタリービングを含む、請求項17に記載の方法。
  20. 前記インタリービングは、列置換のためのモジュロオフセット・ビット逆順インタリービングを含む、請求項17に記載の方法。
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