JP2017143343A - データ処理装置、通信システムおよびデータ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】誤り訂正能力を向上させることができるデータ処理装置を提供する。
【解決手段】複数の既知ビットを分散させて入力ユーザビット列に挿入して既知ビット挿入ビット列を生成する既知ビット挿入部と、既知ビット挿入ビット列に基づき低密度パリティ検査符号によるパリティビット列を生成するパリティビット列生成部と、入力ユーザビット列とパリティビット列とを含む出力ビット列を生成して出力する出力ビット列生成部と、既知ビットが挿入された位置に、既知ビットに対応した最大の対数尤度比を有する信号を設定することで既知ビット設定信号列を生成して出力する既知ビット設定部と、既知ビット設定信号列に対して低密度パリティ検査符号による復号処理を実行して推定情報ビット列を生成する復号部と、推定情報ビット列から既知ビットを削除する既知ビット削除部とを備えるデータ処理装置である。
【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データ処理装置、通信システムおよびデータ処理方法に関する。

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、受信した信号系列から送信された信号系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（非特許文献１〜３）。

特開２００７−８７５２９号公報

和田山正、「今だから学ぶ基礎知識 ＬＤＰＣ符号の実践的な構成法（上）」、日経エレクトロニクス、株式会社日経ＢＰ、２００５年８月１５日号、ｎｏ．９０６、ｐｐ．１２６−１３０ 和田山正、「今だから学ぶ基礎知識 ＬＤＰＣ符号の実践的な構成法（中）」、日経エレクトロニクス、株式会社日経ＢＰ、２００５年８月２９日号、ｎｏ．９０７、ｐｐ．１２７−１３２ 和田山正、「今だから学ぶ基礎知識 ＬＤＰＣ符号の実践的な構成法（下）」、 日経エレクトロニクス、株式会社日経ＢＰ、２００５年９月１２日号、ｎｏ．９０８、ｐｐ．１３７−１４５

上述したように、ＬＤＰＣ符号では、復号処理において、確率的な推定処理を反復して実行することで信号系列の推定精度を高めることができる。また、反復の回数は、パリティ検査を毎回実施することで最小限に抑えることができる。しかしながら、例えば通信システムにおいてはフェージング発生時など電波伝搬が変化するような劣悪な環境では反復回数を低く抑えることが難しい場合があり、制限された処理時間では誤り訂正能力を維持することができないことがあるという課題があった。

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データ処理装置、通信システムおよびデータ処理方法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、複数の既知ビットを分散させて入力ユーザビット列に挿入して既知ビット挿入ビット列を生成する既知ビット挿入部と、前記既知ビット挿入ビット列に基づき低密度パリティ検査符号によるパリティビット列を生成するパリティビット列生成部と、前記入力ユーザビット列と前記パリティビット列とを含む出力ビット列を生成して出力する出力ビット列生成部と、前記既知ビットが挿入された位置に、前記既知ビットに対応した最大の対数尤度比を有する信号を設定することで既知ビット設定信号列を生成して出力する既知ビット設定部と、前記既知ビット設定信号列に対して低密度パリティ検査符号による復号処理を実行して推定情報ビット列を生成する復号部と、前記推定情報ビット列から前記既知ビットを削除する既知ビット削除部とを備えるデータ処理装置である。

また、本発明の一態様は、上記データ処理装置であって、前記出力ビット列は、前記複数の既知ビットを含まない。

また、本発明の一態様は、複数の既知ビットを分散させて入力ユーザビット列に挿入して既知ビット挿入ビット列を生成する既知ビット挿入部と、前記既知ビット挿入ビット列に基づき低密度パリティ検査符号によるパリティビット列を生成するパリティビット列生成部と、前記入力ユーザビット列と前記パリティビット列とを含む出力ビット列を生成して出力する出力ビット列生成部とを有する送信機と、前記既知ビットが挿入された位置に、前記既知ビットに対応した最大の対数尤度比を有する信号を設定することで既知ビット設定信号列を生成して出力する既知ビット設定部と、前記既知ビット設定信号列に対して低密度パリティ検査符号による復号処理を実行して推定情報ビット列を生成する復号部と、前記推定情報ビット列から前記既知ビットを削除する既知ビット削除部とを有する受信機とを備えた通信システムである。

また、本発明の一態様は、上記通信システムであって、前記受信機と前記送信機との間の通信路の状況に応じて前記既知ビットの位置および個数の少なくとも一方を変化させる。

また、本発明の一態様は、複数の既知ビットを分散させて入力ユーザビット列に挿入して既知ビット挿入ビット列を生成する既知ビット挿入ステップと、前記既知ビット挿入ビット列に基づき低密度パリティ検査符号によるパリティビット列を生成するパリティビット列生成ステップと、前記入力ユーザビット列と前記パリティビット列とを含む出力ビット列を生成して出力する出力ビット列生成ステップと、前記既知ビットが挿入された位置に、前記既知ビットに対応した最大の対数尤度比を有する信号を設定することで既知ビット設定信号列を生成して出力する既知ビット設定ステップと、前記既知ビット設定信号列に対して低密度パリティ検査符号による復号処理を実行して推定情報ビット列を生成する復号ステップと、前記推定情報ビット列から前記既知ビットを削除する既知ビット削除ステップとを含むデータ処理方法である。

本発明によれば、複数の既知ビットを分散させて入力ユーザビット列に挿入するので、符号化の際の符号長を長くでき、また、復号の際には既知ビットの存在を前提として復号処理を実行できるので、容易に誤り訂正能力を向上させることができる。

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に示した送信機１０の動作例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の動作例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、ユーザビット決定部１１と、既知ビット挿入部１２と、ＬＤＰＣ符号化部１３と、既知ビット削除部１４と、変調部１５と、送信部１６とをこの順で接続して備えている。ユーザビット決定部１１は例えば外部から入力されたユーザビット列や予め決められたデータに基づき、既知ビット挿入部１２へ入力する入力ユーザビット列を決定する。既知ビット挿入部１２は、複数の既知ビットを分散させてユーザビット決定部１１が決定した入力ユーザビット列に挿入して既知ビット挿入ビット列を生成する。既知ビットとは、１または０の値と、入力ユーザビット列に挿入される位置とが予め決められているデータである。ＬＤＰＣ符号化部１３は、既知ビット挿入ビット列に基づきＬＤＰＣ符号による符号語を生成する。ここで符号語は、既知ビット挿入ビット列に対して、ＬＤＰＣ符号化部１３が既知ビット挿入ビット列に基づき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。ＬＤＰＣ符号化部１３が本発明のパリティビット列生成部の一例を示す構成である。既知ビット削除部１４は、符号語から既知ビットを削除し、入力ユーザビット列とパリティビット列とを含む出力ビット列を生成して出力する。なお、既知ビット削除部１４は、既知ビットを削除する代わりに、パリティビット列と既知ビットを挿入する前の入力ユーザビット列とを結合することで出力ビット列を生成してもよい。変調部１５は、出力ビット列に基づき被変調信号を生成して出力する。変調部１５において用いられる変調方式はいずれの変調方式を用いても良く限定されない。例えば変調部１５に用いられる変調方式としては、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）変調のように１次変調と２次変調とを組み合わせた変調方式であってもよいし、１次変調のみからなる変調方式であってもよい。そして、送信部１６は、変調部１５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。

一方、受信機２０は、受信部２１と、復調部２２と、尤度最大ＬＬＲ設定部２３と、ＬＤＰＣ復号部２４と、既知ビット削除部２５とをこの順で接続して備えている。ここで、ＬＬＲはLog Likelihood Ratio（対数尤度比）の略語である。受信部２１は、送信部１６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。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。本実施形態では、復調部２２が出力するビット単位の信号は対数尤度比で表された信号（以下、ＬＬＲ信号とする）である。尤度最大ＬＬＲ設定部２３は、送信機１０の既知ビット挿入部１２によって既知ビットが挿入された位置に、既知ビットに対応した最大の対数尤度比を有する信号を設定し、既知ビット設定信号列として出力する。なお、既知ビットに対応した最大の対数尤度比を有する信号とは、既知ビットが１の場合は１に最も確からしい値を有するＬＬＲ信号であり、既知ビットが０の場合は０に最も確からしい値を有するＬＬＲ信号である。また、受信機２０は、所定の記憶装置内に既知ビットの値と位置とを示す情報であって、送信機１０が記憶しているものと同じ内容の情報を記憶している。

ＬＤＰＣ復号部２４は、尤度最大ＬＬＲ設定部２３が出力した既知ビット設定信号列と所定のパリティ検査行列とに基づき、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１３が符号語を生成する際に基準とした既知ビット挿入ビット列を推定して、最も確からしい推定結果を推定情報ビット列として出力する。なお、Ｓｕｍ−Ｐｒｏｄｕｃｔ復号法には、確率領域Ｓｕｍ−Ｐｒｏｄｕｃｔ復号法と対数領域Ｓｕｍ−Ｐｒｏｄｕｃｔ復号法との２つがあるが、本実施形態ではソフトウェアやハードウェアによる実装に向いている対数領域Ｓｕｍ−Ｐｒｏｄｕｃｔ復号法を用いている。そして、既知ビット削除部２５は、ＬＤＰＣ復号部２４が出力した推定情報ビット列から既知ビットを削除して、推定ユーザビット列を生成して出力する。この推定ユーザビット列が、入力ユーザビット列に対応するデータである。

次に、図２〜図４を参照して、図１に示した通信システム１の動作例について説明する。図２は、図１に示した送信機１０の動作例を説明するためのフローチャートである。図３は、図１に示した受信機２０の動作例を説明するためのフローチャートである。そして、図４は、図１に示した通信システム１の動作例を説明するための模式図であり、各信号系列の形態を示す。

送信機１０では、まずユーザビット決定部１１が、入力ユーザビット列１０１（図４）を決定する（ステップＳ１１）。次に、既知ビット挿入部１２が、入力ユーザビット列１０１において既知ビット１０３ｂを挿入する複数の位置１０２ａを決定する（ステップＳ１２）。次に、既知ビット挿入部１２が、ステップＳ１２で決定した複数の位置に既知ビット１０３ｂを挿入し、既知ビット挿入ビット列１０３を生成する（ステップＳ１３）。なお、図４では、既知ビット挿入ビット列１０３が、入力ユーザビット１０３ａと既知ビット１０３ｂとを交互に同じ量で含むように示しているが量も位置関係も任意である。例えば１０００ｂｉｔの入力ユーザビット１０３ａに、２２４ｂｉｔの既知ビット１０３ｂを分散して含ませることができる。また、既知ビット１０３ｂは、所定の複数ビット分まとめて挿入されてもよいし、１ビットずつ別々に分散されて挿入されてもよいし、複数ビットまとめた部分と１ビットのみの部分とが混在していてもよい。

次に、ＬＤＰＣ符号化部１３が、既知ビット挿入ビット列１０３に基づきＬＤＰＣ符号化処理を行い、パリティビット列１０４ａを生成して既知ビット挿入ビット列１０３に付加した符号語１０４を生成する（ステップＳ１４）。次に、既知ビット削除部１４が、符号語１０４から複数の既知ビット１０３ｂを削除して出力ビット列１０５を生成する（ステップＳ１５）。なお、ステップＳ１５では、上述したように、符号語１０４または既知ビット挿入ビット列１０３から既知ビット１０３ｂを削除することで出力ビット列１０５を生成してもよいし、入力ユーザビット列１０１とパリティビット列１０４ａとを結合することで出力ビット列１０５を生成してもよい。

次に、変調部１５が、出力ビット列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Ｓ１６）。そして、送信部１６が、被変調信号を所定の信号波に変換して通信路３０に対して送信する（ステップＳ１７）。この信号波は、通信路３０を介して受信部２１によって受信される。

一方、受信機２０は、受信部２１が受信した受信信号を復調(軟判定)し、ＬＬＲ値で表された複数の信号からなる信号列１０７（図４）を取得する（図３のステップＳ２１）。信号列１０７は、出力ビット列１０５が含む入力ユーザビット列１０１とパリティビット列１０４ａとにそれぞれ対応する信号列１０７ａと信号列１０７ｂとを含む。

次に、尤度最大ＬＬＲ設定部２３が既知ビット位置を決定し（ステップＳ２２）、既知ビット位置に尤度最大となるＬＬＲ値を有する信号１０８ｂを設定し、既知ビット設定信号列１０８として出力する（ステップＳ２３）。次に、ＬＤＰＣ復号部２４は、尤度最大ＬＬＲ設定部２３が出力した既知ビット設定信号列１０８と所定のパリティ検査行列とに基づき、ＬＤＰＣ復号を行い、推定情報ビット列１０９を生成する（ステップＳ２４）。ＬＤＰＣ復号部２４が生成した推定情報ビット列１０９は、既知ビット挿入ビット列１０３に対応するものであり、入力ユーザビット１０３ａに対応する推定入力ユーザビット１０９ａと既知ビット１０３ｂに対応する既知ビット１０９ｂとを含んでいる。次に、既知ビット削除部２５が、推定情報ビット列１０９から既知ビット１０９ｂを削除して、推定ユーザビット列１１０を生成する。この推定ユーザビット列１１０が入力ユーザビット列１０１を受信側で推定した結果である。

ここで、本実施形態におけるＬＤＰＣ復号部２４内の処理について説明する。本実施形態では、図４に示したように、送信側で入力ユーザビット列１０１に冗長の既知ビット１０３ｂを挿入し、より大きい符号ビット長の符号でＬＤＰＣ符号化を行う。情報ビット長（この場合、既知ビット挿入ビット列１０３のビット長）の増加に伴いパリティビット長（この場合、パリティビット列１０４ａのビット長）も増加する。なお例えばＩＥＥＥ８０２．１６のＬＤＰＣ符号は組織符号であるため、符号化後の系列の一部に符号化前の系列がそのまま含まれている。そのため新たに挿入したビットの位置は、符号化後でも既知である。パリティビット列１０４ａは削除できないが、その挿入した既知ビット１０３ｂは、受信側においても既知であり、復号時に既知ビット１０３ｂに対応する尤度最大（信頼度最大）のＬＬＲ値を有する信号１０８ｂを挿入すれば送る必要がない。したがって送信時にこの既知ビット１０３ｂは削除することができる。受信側では受信ビット列（信号列１０７）の既知ビット位置に尤度最大（信頼度最大）のＬＬＲ値を割り当ててＬＤＰＣ復号を行うことにより、誤り訂正能力を高めることができる。なお挿入可能な既知ビット数は、例えば、大きな符号ビット長の符号化を行った結果のパリティビット増加分が割り当てのない空きシンボルに対応するビットに制限することができる。この構成によれば次の効果がえられる。（１）ＬＤＰＣ符号は符号長が長い方が誤り訂正能力を高めることができる傾向があることから、既知ビット挿入により符号ビット長を増加させることで、誤り訂正能力の向上が期待できる。（２）また、既知ビットは削除して伝送するため、伝送時の増加ビット数はパリティ増加分のみである。（３）また、受信側では尤度最大のＬＬＲ値を挿入するため誤り訂正能力の向上を図ることができる。

上記の（３）の効果は次の理由による。Ｓｕｍ−Ｐｒｏｄｕｃｔ復号法のように確率推定処理を複数回反復することで誤り訂正を行う処理は、各信号の推定値を他の信号の推定値に基づいて再度推定する処理を繰り返すことで推定の精度を上げている。そのため、本実施形態のように、既知ビットに対応する位置に尤度最大のＬＬＲ値を挿入した場合、既知ビットを挿入しなかった場合と比べると同一の精度を少ない反復回数で得られる可能性が高くなるのである。したがって、受信側では誤り訂正能力の向上を図ることができる。

なお、上記の説明では、既知ビットの挿入に係る情報を送信側と受信側で予め共有しておくこととした。しかし、既知ビットの挿入個数や挿入位置（挿入個数および挿入位置の少なくとも一方）は、予め１つのものに決めていてもよいし、例えば、受信機２０と送信機１０との間の通信路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る場合、パイロット信号等を用いて挿入に係る情報を指定したり、既知ビット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。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、通信品質や誤り訂正処理の状況を示す情報を２つの通信装置間でやりとりすることで、既知ビットの挿入に係る設定を調整するようにしてもよい。

以上のように本発明の実施形態によれば、複数の既知ビットを分散させて入力ユーザビット列に挿入するので、符号化の際の符号長を長くでき、また、復号の際には既知ビットの存在を前提として復号処理を実行できるので、容易に誤り訂正能力を向上させることができる。なお、復号アルゴリズムは、確率領域Ｓｕｍ−Ｐｒｏｄｕｃｔ復号法、ｍｉｎ−ｓｕｍ復号法など他のアルゴリズムを使用してもよい。また、通信路３０は、記憶媒体であると考えることができ、その場合、通信システム１は記憶システムを構成するものとすることができる。

また、図１に示した通信システム１は、データの符号化処理および復号処理を行うデータ処理装置としてとらえることができる。この場合、データ処理装置は、基本的な機能として、複数の既知ビットを分散させて入力ユーザビット列に挿入して既知ビット挿入ビット列を生成する既知ビット挿入部と、既知ビット挿入ビット列に基づき低密度パリティ検査符号によるパリティビット列を生成するパリティビット列生成部と、入力ユーザビット列とパリティビット列とを含む出力ビット列を生成して出力する出力ビット列生成部と、既知ビットが挿入された位置に、既知ビットに対応した最大の対数尤度比を有する信号を設定することで既知ビット設定信号列を生成して出力する既知ビット設定部と、既知ビット設定信号列に対して低密度パリティ検査符号による復号処理を実行して推定情報ビット列を生成する復号部と、推定情報ビット列から既知ビットを削除する既知ビット削除部とを備えている。ここで、既知ビット挿入部は、既知ビット挿入部１２に対応する。パリティビット列生成部と出力ビット列生成部は、ＬＤＰＣ符号化部１３に対応する。既知ビット設定部は、尤度最大ＬＬＲ設定部２３に対応する。復号部は、ＬＤＰＣ復号部２４に対応する。そして、既知ビット削除部は、既知ビット削除部２５に対応する。

１ 通信システム
１０ 送信機
１１ ユーザビット決定部
１２ 既知ビット挿入部
１３ ＬＤＰＣ符号化部
１４ 既知ビット削除部
１５ 変調部
１６ 送信部
２０ 受信機
２１ 受信部
２２ 復調部
２３ 尤度最大ＬＬＲ設定部
２４ ＬＤＰＣ復号部
２５ 既知ビット削除部
３０ 通信語
１０１ 入力ユーザビット列
１０３ 既知ビット挿入ビット列
１０３ｂ 既知ビット
１０４ａ パリティビット列
１０５ 出力ビット列
１０８ 既知ビット設定信号列
１０８ｂ 最大対数尤度比信号
１０９ 推定情報ビット列
１０９ｂ 既知ビット

Claims (5)

1. 複数の既知ビットを分散させて入力ユーザビット列に挿入して既知ビット挿入ビット列を生成する既知ビット挿入部と、
   前記既知ビット挿入ビット列に基づき低密度パリティ検査符号によるパリティビット列を生成するパリティビット列生成部と、
   前記入力ユーザビット列と前記パリティビット列とを含む出力ビット列を生成して出力する出力ビット列生成部と、
   前記既知ビットが挿入された位置に、前記既知ビットに対応した最大の対数尤度比を有する信号を設定することで既知ビット設定信号列を生成して出力する既知ビット設定部と、
   前記既知ビット設定信号列に対して低密度パリティ検査符号による復号処理を実行して推定情報ビット列を生成する復号部と、
   前記推定情報ビット列から前記既知ビットを削除する既知ビット削除部と
   を備えるデータ処理装置。
2. 前記出力ビット列は、前記複数の既知ビットを含まない
   請求項１に記載のデータ処理装置。
3. 複数の既知ビットを分散させて入力ユーザビット列に挿入して既知ビット挿入ビット列を生成する既知ビット挿入部と、
   前記既知ビット挿入ビット列に基づき低密度パリティ検査符号によるパリティビット列を生成するパリティビット列生成部と、
   前記入力ユーザビット列と前記パリティビット列とを含む出力ビット列を生成して出力する出力ビット列生成部と
   を有する送信機と、
   前記既知ビットが挿入された位置に、前記既知ビットに対応した最大の対数尤度比を有する信号を設定することで既知ビット設定信号列を生成して出力する既知ビット設定部と、
   前記既知ビット設定信号列に対して低密度パリティ検査符号による復号処理を実行して推定情報ビット列を生成する復号部と、
   前記推定情報ビット列から前記既知ビットを削除する既知ビット削除部と
   を有する受信機と
   を備えた通信システム。
4. 前記受信機と前記送信機との間の通信路の状況に応じて前記既知ビットの位置および個数の少なくとも一方を変化させる
   請求項３に記載の通信システム。
5. 複数の既知ビットを分散させて入力ユーザビット列に挿入して既知ビット挿入ビット列を生成する既知ビット挿入ステップと、
   前記既知ビット挿入ビット列に基づき低密度パリティ検査符号によるパリティビット列を生成するパリティビット列生成ステップと、
   前記入力ユーザビット列と前記パリティビット列とを含む出力ビット列を生成して出力する出力ビット列生成ステップと、
   前記既知ビットが挿入された位置に、前記既知ビットに対応した最大の対数尤度比を有する信号を設定することで既知ビット設定信号列を生成して出力する既知ビット設定ステップと、
   前記既知ビット設定信号列に対して低密度パリティ検査符号による復号処理を実行して推定情報ビット列を生成する復号ステップと、
   前記推定情報ビット列から前記既知ビットを削除する既知ビット削除ステップと
   を含むデータ処理方法。

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