JP2017143341A - 通信装置および通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】誤り訂正能力を向上させることができる通信システムを提供する。
【解決手段】本発明の通信システムは、入力されたユーザビット列に基づき低密度パリティ検査符号による符号語を生成する符号化部と、前記符号化部が生成した符号語を、複数の符号語毎にインターリーブするインターリーブ部と、前記インターリーブ部がインターリーブした後の前記符号語に基づく信号波を送信する送信部とを有する通信装置と、送信部が送信した信号波を受信する受信部と、受信部が受信した信号波に基づく信号列に対して前記インターリーブを元に戻す処理であるデインターリーブ処理を行うデインターリーブ部と、デインターリーブ部によってデインターリーブされた信号列に基づき低密度パリティ検査符号によって生成された前記符号語を推定する復号部とを有する通信装置とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、誤り訂正符号に低密度パリティ検査符号を用いた通信装置および通信システムに関する。

誤り訂正符号の１つであるＬＤＰＣ符号（Low Density Parity Check Code；低密度パリティ検査符号）は、通信や記録の分野で使用されている（例えば特許文献１）。ＬＤＰＣ符号では、多くの０と少ない１とからなる疎なパリティ検査行列が用いられる。また、復号においては、受信した信号列から送信された信号列を確率的に推定する処理を反復することで復号の精度を高めることができる。

特許文献１に記載されている符号化部は、入力されたユーザビット列に対してインターリーブ処理を行った後、ＬＤＰＣ符号化処理を行い、パリティビット列を生成する。そして、生成したパリティビット列に対してデインターリーブ処理を行った後、ユーザビット列とインターリーブ後のパリティビット列とを結合することで符号語を生成する。この構成では、パリティ検査行列を変更せずに、データビット列を並べ替えることで、バーストエラーによる誤り訂正能力の低下を防止している。

特開２００７−８７５２９号公報

上述した特許文献１に記載されている構成では、ユーザビット列とパリティビット列とから構成された１つの符号語のうち、ユーザビット列に対してインターリーブ処理が行われる。そのため、ユーザビット列の大部分にわたってバーストエラーが発生した場合、誤り訂正能力の低下が避けられないという課題がある。

本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、誤り訂正能力を向上させることができる通信装置および通信システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、入力されたユーザビット列に基づき低密度パリティ検査符号による符号語を生成する符号化部と、前記符号化部が生成した符号語を、複数の符号語毎にインターリーブするインターリーブ部と、前記インターリーブ部がインターリーブした後の前記符号語に基づく信号波を送信する送信部とを備えた通信装置である。

また、本発明の一態様は、低密度パリティ検査符号によって生成された符号語を、複数の符号語毎にインターリーブしたビット列に基づく信号波を受信する受信部と、前記受信部が受信した信号波に基づく信号列に対して前記インターリーブを元に戻す処理であるデインターリーブ処理を行うデインターリーブ部と、前記デインターリーブ部によってデインターリーブされた信号列に基づき低密度パリティ検査符号によって生成された前記符号語を推定する復号部とを備えた通信装置である。

また、本発明の一態様は、上記の通信装置であって、前記デインターリーブ部に入力される前記信号列を構成する各信号が、対数尤度比で表された信号である。

また、本発明の一態様は、上記の送信部を備えた通信装置と、上記の受信部を備えた通信装置とを備えた通信システムである。

また、本発明の一態様は、上記の通信システムであって、前記送信部と他の前記通信装置における前記受信部との間に形成される通信路の状況に応じて前記インターリーブの長さを変化させる。

本発明によれば、複数の符号語毎にインターリーブを行うので、誤り訂正能力を向上させることができる。
インターリーブによりバースト誤りを複数の符号化ブロックに分散させることで、個々の符号化ブロックでの誤り訂正能力が向上し、結果として通信装置および通信システムの総合的なＢＥＲ（符号誤り率）の向上を図ることができる。

本発明の実施形態を説明するためのブロック図である。 図１に示した通信システム１の動作を説明するための模式図である。 バーストエラーについて説明するための模式図である。 図１に示した通信システム１の動作を説明するための模式図である。 図１に示した送信機１０の動作を説明するためのフローチャートである。 図１に示した受信機２０の動作を説明するためのフローチャートである。 図１に示した通信システム１の動作を説明するための模式図である。 図１に示した通信システム１の動作を説明するための模式図である。 図１に示した通信システム１で用いられるフレームフォーマットの一例を説明するための模式図である。 図１に示した通信システム１の動作を説明するための模式図である。 図１に示した通信システム１の動作を説明するための模式図である。 図１に示した通信システム１で用いられるフレームフォーマットの一例を説明するための模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態を説明するためのブロック図である。図１に示した通信システム１は、送信機１０と、受信機２０とを備える。送信機１０と受信機２０とは無線または有線の通信路３０を介して接続されている。なお、送信機１０および受信機２０はそれぞれ単体で通信装置を構成するものであるが、送信機１０は受信機２０に対応する図示していない受信機とともに通信装置を構成したり、受信機２０は送信機１０に対応する図示していない送信機とともに通信装置を構成したりしてもよい。また、例えば、送信機１０と受信機２０とを有する通信システムを構成し、通信路３０を介して相互に接続するように構成しても良い。

送信機１０は、ＬＤＰＣ符号化部１１と、インターリーブ部１２と、変調部１３と、送信部１４とをこの順で接続して備えている。ＬＤＰＣ符号化部１１は、入力データとして入力されたユーザビット列に基づきＬＤＰＣ符号による符号語を生成する。ここで符号語は、ユーザビット列に対して、ユーザビット列に基づきＬＤＰＣ符号によって生成したパリティビット列を付加したビット列である。インターリーブ部１２は、符号化部１１が生成した符号語を、複数の符号語毎にビット単位でインターリーブして、インターリーブしたビット列を出力する。変調部１３は、インターリーブ部１２が出力したビット列に基づき被変調信号を生成して出力する。送信部１４は、変調部１３が生成した被変調信号に基づき所定形式の信号波を生成し、通信路３０に対して送信する。すなわち、送信部１４は、インターリーブ部１２がインターリーブした後の符号語に基づく無線または有線の信号波を生成して通信路３０に対して送信する。

一方、受信機２０は、受信部２１と、復調部２２と、デインターリーブ部２３と、ＬＤＰＣ復号部２４とをこの順で接続して備えている。受信部２１は、送信部１４が送信した信号波を通信路３０を介して受信し、所定の電気信号に変換して出力する。すなわち、受信部２１は、送信機１０においてＬＤＰＣ符号によって生成された符号語を複数の符号語毎にインターリーブしたビット列に基づく信号波を受信する。復調部２２は、受信部２１が出力した電気信号をＬＤＰＣ復号部２４が処理しやすいビット単位の信号からなる信号列に変換する。復調部２２が出力するビット単位の信号は例えば対数尤度比（ＬＬＲ；Log Likelihood Ratio）の値（ＬＬＲ値）で表された信号（以下、ＬＬＲ信号とする）である。デインターリーブ部２３は、復調部２２が出力したＬＬＲ信号列に対して、送信機１０のインターリーブ部１２が行った各ビットの並べ替えを元に戻す並び替え処理を行う。すなわち、デインターリーブ部２３は、受信部２１が受信した信号波に基づく信号列に対して、送信機１０のインターリーブ部１２によるインターリーブを元に戻す処理であるデインターリーブ処理を行う。ＬＤＰＣ復号部２４は、デインターリーブ部２３が出力したＬＬＲ信号列と所定のパリティ検査行列とに基づき、例えばＳｕｍ−Ｐｒｏｄｕｃｔアルゴリズムによって確率計算を繰り返し行い、送信機１０のＬＤＰＣ符号化部１１が生成した符号語を推定して、最も確からしい推定結果を出力する。すなわち、ＬＤＰＣ復号部２４は、デインターリーブ部２３によってデインターリーブされたＬＬＲ信号列に基づきＬＤＰＣ符号化部１１においてＬＤＰＣ符号によって生成された符号語を推定データとして推定し、推定した符号語からパリティビット列を削除して出力データとして出力する。

ここで、図２を参照して、インターリーブ部１２によるインターリーブ処理とデインターリーブ部２３によるデインターリーブ処理の一例について説明する。図２（Ａ）および（Ｂ）は、インターリーブ部１２およびデインターリーブ部２３がマトリックスインターリーバによってＬＤＰＣ符号の２つの符号語毎にビット列または信号列の並べ替えを行う場合に用いる行列の例を示す。ただし、ＬＤＰＣ符号の符号語の符号長（ビット長）は１２ビットであるとする。インターリーブ前の２つの符号語における各ビットの並び順はアルファベット順のＡ、Ｂ、Ｃ、…、Ｗ、Ｘであるとする。なお、この例の説明では、１つの符号語を１つの符号化ブロックとも呼ぶ。また、１ビットに対応する通信信号が１シンボルであるとする。

この場合、インターリーブ部１２は、まず、図２（Ａ）に示した例えば４行６列の行列に、各行で左から右に向かってまた上の行から下の行に向かって符号語の各ビットを順に格納する。次に、インターリーブ部１２は、各列で上から下に向かって左の列から右の列の順に格納された各ビットを出力する。この場合、インターリーブ後のビット列の並び順は、Ａ、Ｇ、Ｍ、…、Ｒ、Ｘとなる。

一方、デインターリーブ部２３は、まず、図２（Ｂ）に示した６行４列の行列に、各行で左から右に向かってまた上の行から下の行に向かって各ＬＬＲ信号を順に格納する。次に、デインターリーブ部２３は、各列で上から下に向かって左の列から右の列の順に格納された各ＬＬＲ信号を出力する。この場合、デインターリーブ後の信号列の並び順は、Ａ、Ｂ、Ｃ、…、Ｗ、Ｘとなる。

次に、図３および図４を参照して、バースト誤りの発生例とインターリーブとの関係について説明する。図３および図４は、受信レベルの時間変化とビット列の並び順との対応関係を示した図である。図３は受信レベルの時間変化とインターリーブなしのビット列との対応関係を示し、図４は受信レベルの時間変化とインターリーブありのビット列との対応関係を示す。また、図４は、デインターリーブ後のビット列とエラーの発生状況とを合わせて示す。図４に示した例におけるインターリーブとデインターリーブは、図２に示した行と列の要素を入れ替えるマトリックスインターリーバを使用している。すなわち、上述したように、インターリーブを２符号語毎に行う。また、各符号語の符号長は１２ビットである。

フェージング変動等により１つの符号化ブロック（符号語）に長い連続した誤りが発生するとＬＤＰＣ符号でも誤り訂正が困難となる。例えば図３および図４に示すようにフェージングにより、ある部分の受信レベルが低下してしまい、連続したシンボルの誤り（バースト誤り）が発生した場合を考える。図３はインターリーブしていない例で、網掛けして示したシンボルＣ〜Ｉの区間でバースト誤りが発生していることを示している。バースト誤りが発生すると、ＬＤＰＣ符号を用いても誤り訂正しきれずに誤りが発生する可能性がある。そこでバースト誤りが分散するような手法が効果的である。図４の例では、２つのＬＤＰＣ符号化ブロックのうち１つ目ではバースト誤りが発生しているが、２つ目のブロックでは誤りが発生していない。そこで図４に示す通り２つのＬＤＰＣ符号化ブロックを使用してインターリーブする。受信側でデインターリーブした後は、誤りが発生したシンボルは分散配置され、誤りが発生したシンボル長は２シンボル以下と短く済んでいるため、図３の場合よりもＬＤＰＣ符号の誤り訂正効果が期待できる。このようにインターリーブによりバースト誤りを複数の符号化ブロックに分散させることによって、個々の符号化ブロックでの誤り訂正能力が向上し、結果として複数の符号化ブロックの総合的なＢＥＲ（Bit Error Ratio；符号誤り率）の向上を図ることができる。

次に、図５を参照して、図１に示した送信機１０の動作例について説明する。図１に示した送信機１０では、ＬＤＰＣ符号化部１１が、入力データとして入力されたユーザビット列に基づきＬＤＰＣ符号化処理を行い符号語を生成する（ステップＳ１１）。次に、インターリーブ部１２が、生成された符号語をインターリーブする（ステップＳ１２）。次に、変調部１３が、インターリーブした符号語で所定の搬送波を変調し、被変調信号を生成する（ステップＳ１３）。そして、送信部１４が、被変調信号を所定の信号波に変換して送信する（ステップＳ１４）。

次に、図６を参照して、図１に示した受信機２０の動作例について説明する。図１に示した受信機２０では、受信部２１が受信した信号波を電気信号に変換した信号である受信信号を復調部２２が復調（軟判定）し、各受信信号の軟判定の結果からＬＬＲ値を取得し、ＬＬＲ信号列を生成する（ステップＳ２１）。次に、デインターリーブ部２３が、復調部２２が生成したＬＬＲ信号列をデインターリーブする（ステップＳ２２）。そして、ＬＤＰＣ復号部２４が、デインターリーブされた各信号のＬＬＲ値に基づき、ＬＤＰＣ復号処理を行い、推定データを生成する（ステップＳ２３）。

なお、図５および図６を参照して説明した動作例において、インターリーブとデインターリーブとにおけるインターリーブ長は、予め１つのものに決めていてもよいし、例えば、送信部１４と受信部２１との間に形成される通信路３０の状況に応じて変化させてもよい。通信路３０の状況に応じて変化させる場合、パイロット信号等を用いてインターリーブ長を指定したり、インターリーブの設定値を定めたテーブルにおけるレコード番号を指定したりすることができる。すなわち、パイロット信号などを用いたフィードバック制御により、通信路３０の状況変化（通信環境の変化）に対応したインターリーブ処理を行うことができる。また、図１に示した送信機１０と受信機２０とを一体的に組み合わせて通信装置を構成した場合には、送信機１０と受信機２０との両方をそれぞれ備えた２つの通信装置（第１通信装置および第２通信装置）から通信システムを構成し、第１通信装置と第２通信装置との間で通信品質や誤り訂正処理の状況を示す情報をやりとりすることで、第１通信装置と第２通信装置との間に形成される通信路の状況に応じてインターリーブの長さを変化させるようにしてもよい。

次に、図７〜図９を参照して、図１に示した送信機１０および受信機２０の他の動作例について説明する。この動作例では、２つの符号語毎にインターリーブおよびデインターリーブを実行する。また、１０００ｂｉｔのユーザビット列を単位としてＬＤＰＣ符号化および復号を行う。また、ＬＤＰＣ符号における符号化率は２分の１とする。したがって、１０００ｂｉｔのユーザビット列に基づく符号語の符号長は２０００ｂｉｔである。また、変調部１３における変調方式は、１次変調をＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）変調とするＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）である。

図７は、図１に示した通信システム１の動作を説明するための模式図であり、送信機１０における１０００ｂｉｔ長のユーザビット列に対する処理の流れと信号列の変化を示している。図８は、図１に示した通信システム１の動作を説明するための模式図であり、受信機２０における１０００ｂｉｔ長のユーザビット列を推定する処理の流れと信号列の変化を示している。そして、図９は、図１に示した通信システム１で用いられるフレームフォーマットの一例を説明するための模式図である。

この場合、図７に示した１０００ｂｉｔのユーザビット列１０１は、図９に示したＰＨＹ（Physical Layer、物理層）におけるＳＤＵ（service data unit）であるＰＨＹ−ＳＤＵｓ３０１として構成される。ＬＤＰＣ符号化部１１はユーザビット列１０１を１つのＬＤＰＣブロック３０２（図９）として符号化処理を行う。この例では符号化率が１／２なので生成された符号語１０２（図９のＬＤＰＣ符号語３０３）のビット長は２０００ｂｉｔである。次にインターリーブ部１２は、２つの符号語１０２を１つのブロック１０３に結合する。そして、インターリーブ部１２は、ブロック１０３に対してインターリーブ処理を行い、ビット系列１０４を生成する。ブロック１０３およびビット系列１０４は、図９のブロック３０４に対応し、ビット長は４０００ｂｉｔである。次に、変調部１３は、インターリーブ後のビット系列１０４をＯＦＤＭにおける一次変調（ＱＰＳＫ変調）して２ビットを１シンボルとする直交２成分の信号系列１０５を生成する。さらに、変調部１３は、信号系列１０５に対して、サブキャリアマッピング（ＳＣ ＭＡＰ）と、ＯＦＤＭにおける二次変調とを行い、時間波形１０６を生成する。その際、変調部１３は、ビット系列１０４をデータ分割した信号系列３０５毎に、１つのＯＤＦＭシンボル分の時間波形１０７を生成する。１つのＯＤＦＭシンボル期間は、例えば３．１２ｍｓである。

一方、図８に示したように、受信側では、逆に伝送されてきた信号２０１を受信部２１で受信し、復調部２２でＯＦＤＭ復調およびサブキャリアデマッピング（ＳＣ ＤＥＭＡＰ）して、一次変調（ＱＰＳＫ変調）された直交２成分の信号系列２０２を生成する。復調部２２は、信号系列２０２に対して軟判定処理を行い、ＬＬＲ信号からなる信号系列２０３を生成する。デインターリーブ部２３は、２つの信号系列２０３を結合して信号系列２０４を生成する。この信号系列２０４はＬＬＲ信号で構成されている。さらに、デインターリーブ部２３は、信号系列２０４に対してデインターリーブ処理を施して信号系列２０５を生成する。次に、ＬＤＰＣ復号部２４が、信号系列２０５を半分に分割したブロック２０６毎にＬＤＰＣ復号処理を実行する。ここでＬＤＰＣ復号部２４によってビット長が１０００ｂｉｔの４個の推定データ２０７が生成される。

次に、図１０〜図１２を参照して、図１に示した送信機１０および受信機２０の他の動作例について説明する。この動作例では、４つの符号語毎にインターリーブおよびデインターリーブを実行する。他の条件は、図７〜図９を参照して説明した動作例のものと同一である。すなわち、１０００ｂｉｔのユーザビット列を単位としてＬＤＰＣ符号化および復号を行う。また、ＬＤＰＣ符号における符号化率は２分の１とする。すなわち、１０００ｂｉｔのユーザビット列に基づく符号語の符号長は２０００ｂｉｔである。また、変調部１３における変調方式は、１次変調をＱＰＳＫ変調とするＯＦＤＭである。

図１０は、図１に示した通信システム１の動作を説明するための模式図であり、送信機１０における１０００ｂｉｔ長のユーザビット列に対する処理の流れと信号列の変化を示している。図１１は、図１に示した通信システム１の動作を説明するための模式図であり、受信機２０における１０００ｂｉｔ長のユーザビット列を推定する処理の流れと信号列の変化を示している。そして、図１２は、図１に示した通信システム１で用いられるフレームフォーマットの一例を説明するための模式図である。

この場合、図１０に示した１０００ｂｉｔのユーザビット列４０１は、図１２に示したＰＨＹにおけるＳＤＵであるＰＨＹ−ＳＤＵｓ６０１として構成される。ＬＤＰＣ符号化部１１はユーザビット列４０１を１つのＬＤＰＣブロック６０２（図１２）として符号化処理を行う。この例では符号化率が１／２なので生成された符号語４０２（図１２のＬＤＰＣ符号語６０３）のビット長は２０００ｂｉｔである。次にインターリーブ部１２は、４つの符号語４０２を１つのブロック４０３に結合する。そして、インターリーブ部１２は、ブロック４０３に対してインターリーブ処理を行い、ビット系列４０４を生成する。ブロック４０３およびビット系列４０４は、図１２のブロック６０４に対応し、ビット長は８０００ｂｉｔである。次に、変調部１３は、インターリーブした後のビット系列４０４をＯＦＤＭにおける一次変調（ＱＰＳＫ変調）して２ビットを１シンボルとする直交２成分の信号系列４０５を生成する。さらに、変調部１３は、信号系列４０５に対して、サブキャリアマッピング（ＳＣ ＭＡＰ）と、ＯＦＤＭにおける二次変調とを行い、時間波形４０６を生成する。その際、変調部１３は、信号系列４０５をデータ分割した信号系列６０５毎に、１つのＯＤＦＭシンボル分の時間波形４０７を生成する。１つのＯＤＦＭシンボル期間は、例えば３．１２ｍｓである。

一方、図１１に示したように、受信側では、逆に伝送されてきた信号５０１を受信部２１で受信し、復調部２２でＯＦＤＭ復調およびサブキャリアデマッピング（ＳＣ ＤＥＭＡＰ）して、一次変調（ＱＰＳＫ変調）された直交２成分の信号系列５０２を生成する。復調部２２は、信号系列５０２に対して軟判定処理を行い、ＬＬＲ信号からなる信号系列５０３を生成する。デインターリーブ部２３は、４つの信号系列５０３を結合して信号系列５０４を生成する。この信号系列５０４はＬＬＲ信号で構成されている。さらに、デインターリーブ部２３は、信号系列５０４に対してデインターリーブ処理を施して信号系列５０５を生成する。次に、ＬＤＰＣ復号部２４が、信号系列５０５を４分の１に分割したブロック５０６毎にＬＤＰＣ復号処理を実行する。ここでＬＤＰＣ復号部２４によってビット長が１０００ｂｉｔの推定データ５０７が生成される。

以上のように本発明の実施形態によれば、複数の符号語毎にインターリーブを行うので、誤り訂正能力を向上させることができる。なお、本発明の実施の形態は上記のものに限定されない。例えば、インターリーブ長は、偶数ブロック毎に限らず、奇数ブロック毎に行うことができる。また、変調方式は上記のものに限定されない。また、通信路３０を、ある確率で入力値と出力値とが不一致となる数学的な確率モデルとして考えた場合、上記実施形態は、無線通信システムや有線通信システムに限らず、記憶系システムに適用できることは明らかである。

１ 通信システム
１０ 送信機
１１ ＬＤＰＣ符号化部
１２ インターリーブ部
１３ 変調部
１４ 送信部
２０ 受信機
２１ 受信部
２２ 復調部
２３ デインターリーブ部
２４ ＬＤＰＣ復号部

Claims (5)

1. 入力されたユーザビット列に基づき低密度パリティ検査符号による符号語を生成する符号化部と、
   前記符号化部が生成した符号語を、複数の符号語毎にインターリーブするインターリーブ部と、
   前記インターリーブ部がインターリーブした後の前記符号語に基づく信号波を送信する送信部と
   を備えた通信装置。
2. 低密度パリティ検査符号によって生成された符号語を、複数の符号語毎にインターリーブしたビット列に基づく信号波を受信する受信部と、
   前記受信部が受信した信号波に基づく信号列に対して前記インターリーブを元に戻す処理であるデインターリーブ処理を行うデインターリーブ部と、
   前記デインターリーブ部によってデインターリーブされた信号列に基づき低密度パリティ検査符号によって生成された前記符号語を推定する復号部と
   を備えた通信装置。
3. 前記デインターリーブ部に入力される前記信号列を構成する各信号が、対数尤度比で表された信号である
   請求項２に記載の通信装置。
4. 請求項１に記載の通信装置と、
   請求項２または３に記載の通信装置と
   を備えた通信システム。
5. 前記送信部と他の前記通信装置における前記受信部との間に形成される通信路の状況に応じて前記インターリーブの長さを変化させる
   請求項４に記載の通信システム。

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