JP2591011B2 - 逐次復号法を用いた通信回線の回線品質推定方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、衛星通信等におけるビット誤り率、C/N等
の回線品質を推定し監視する方式に係わり、時に逐次復
号器により復号を行う通信回線に適用して有効な逐次復
号を用いた通信回線の回線品質推定方式に関する。

（従来の技術） 衛星通信回線のような回線では降雨等などにより回線
品質が劣化するので、各局を結ぶ通信回線は地域的な気
象条件により異なる品質を有する。よって回線の高稼働
率を維持するためには受信側で各送信局の回線品質を常
時モニターし、必要に応じて回線品質に関する情報を送
信局へ伝え、送信電力を適宜制御することが必要にな
る。

回線品質の監視方法としてはビット誤り率を測定した
りあるいは推定する方法が主として用いられている。そ
の方法の一つとして送信データ中に誤り率測定用のデー
タ系列（例えばPN系列）を挿入し、受信側で直接ビット
誤り率を測定する方法がある。この方法によると誤り率
測定用データのためいわゆるボオーバーヘッドが増、伝
送効率が低下するのが欠点である。

一方、特定の誤り率測定用データ系列を挿入せずに擬
似誤りを検出し、ビット誤り率を推定する方法もある。
また、復調ベースバンド信号から擬似誤りを検出してビ
ット誤り率を推定する方式が代表的でこれには識別回路
の閾値をオフセットする方式、サンプリング時刻をオフ
セットする方式などがある。これらの方法は擬似誤り検
出回路を必要とするため、ハードウェアの増加につなが
る。また、QPSK信号の場合には、信号を４逓倍してサン
プル値の正負の識別を行って擬似誤りを検出する方法も
ある。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように、従来の回線品質推定方式では誤り率測
定用データを付加するために伝送効率が低下したり、擬
似誤り検出回路等により回路構成が複雑化したりする問
題点があった。

本発明は上述した従来技術の問題点を解決するために
なされたものえ、伝送効率の低下をきたさず、かつ回路
構成も簡単で回線品質の推定が可能な逐次復号法を用い
た通信回線の回線品質推定方式を提供することを目的と
する。

（課題を解決するための手段） 本発明の特徴は、畳込み符号を用いて予め定められた
ブロック毎に符号化された送信データ系列を逐次復号法
により誤り訂正を行う回線に対し、復号の過程において
ブロック毎に計算されるメトリックの値を殆んどそのま
ま利用することにより予め定めた変換テーブルを介して
回線品質を推定することにある。

（作用） 本発明では、逐次復号器で受信系列から送信系列を推
定する場合に用いるメトリックの値を殆んどそのまま流
用するため、簡単な回路構成で、かつ回線品質推定用の
情報を付加しないため伝送効率を低下せずに回線品質を
推定することができる。

（発明の原理） 本発明は、スタックアルゴリズムあるいはファノアル
ゴリズムに基づいて動作する逐次復号器を用いて誤り訂
正する場合に有効であるため、以下の説明ではスタック
アルゴリズムを用いた場合を例にとり説明する。

先ず、スタックアルゴリズム（「Zigangirov−Jeline
k アルゴリズム」）について、拘束長Ｋ＝３、符号語シ
ンボル数ｖ＝２、符号化率ｒ＝1/2の場合を例として説
明する。

第１図に、この符号の符号器の構成を示す。図におい
て、１は情報ビット入力端子、２はシフトレジスタ、３
はシフトレジスタ２を構成する１シンボル遅延素子、４
は加算器、5,6は符号化ビットの出力端子である。入力
端子１より情報ビットが１ビット入力する毎に、出力端
子5,6にそれぞれ１ビット出力される。すなわち、情報
ビットの１ビットは２ビットの符号語に符号化される。

第２図には、第１図の符号器から生成される符号の樹
枝状構造を示す。図において、丸印を節点と呼び、丸中
の数字を節点番号と呼ぶ。節点と節点とを結ぶ線は枝と
呼び、枝に付された数字が符号器より出力される符号語
である。また、節点に付された（ ）で示される数字は
シフトレジスタ２の状態を示している。

第２図において、各節点から上および下へ伸びる枝
は、それぞれ入力情報ビットの“0"あるいは“1"によっ
て生成される、したがって、ある情報系列に対応して生
成される符号語系列はこの樹枝状構造図のうちのどれか
１つのパスに相当する。図中の太線で示したパスは、情
報ビット系列が（0,1,1,0）であるとき、符号語系列（0
0,11,01,01）を生成するパスである。

このように生成された符号語系列を受信して復号する
スタックアルゴリズムは、受信信号系列と畳込み符号器
によって生成されると考えられる符号との相関値（尤度
またはメトリック）を求め、第２図の樹枝状構造に沿っ
て、相関値の大きいもの（最も確からしいパス）を復号
系列として出力するものである。

このための、スタックアルゴリズムの手順は次の通り
であり、その流れ図を第３図に示しておく。

（１）まず、節点０をスタックへ入れ、スタックの先頭
へおく。

（２）スタックの先頭の節点から出る２つの枝の尤度を
計算し、それぞれをスタックの先頭にある節度のもつ尤
度（パス尤度）に加えてそれにつながる２つの節点のパ
ス尤度を求める。

（３）スタックから先頭にある節点を除去する。

（４）新たに求められた２つの節点を挿入する。

（５）スタック内で尤度の大きさの順に節点を並べる。

（６）同様に新しく先頭にきた節点から次々と（２）か
ら（５）の手順をくり返し、最終レベルの節点がスタッ
クの先頭にあらわれた場合に復号を終わる。

本アルゴリズムでは毎ステップ、スタックの先頭にあ
る節点から枝を伸ばし（この枝を伸ばす操作を以下「エ
クステンション」と呼ぶ）、それから分岐する２本の枝
を持つ尤度（これを枝メトリックと呼ぶ）を計算する。
この枝メトリックは受信系列と各枝を構成するビット列
のハミング距離を求め、距離に応じてメトリックの値を
決めるものである。この場合、正しいパスに従う符号語
が復号レベルの進行に伴いそのパスのもつ尤度（パスメ
トリック：パスを構成する枝の枝メトリックの和）が常
に増加し、かつ、そうでない符号語が誤まりパスとして
パスメトリックの値が減少するように枝メトリックは選
ばれ、例えば図２の符号の場合ハミング距離が0,1,2に
対応して、1,−4,−９を与えることができる。

第４図の樹枝状構造図（拘束長Ｋ＝３、符号化率ｒ＝
1/2）を例にとり、スタックアルゴリズムにおけるパス
メトリックの計算及びアルゴリズムの進行を説明する。
第２図で説明した符号語系列（00,11,01,01）が、伝送
路上で誤りを受け、（01,11,00,01）の系列で受信され
たものとする。

（１）まず最初の節点◎をスタックに挿入する。

（２）次に最初の受信系列01と節点◎から伸びる２本の
枝00,11と受信系列を比較しハミング距離を求めると共
に１であるのでこの２本の枝に枝メトリックとして−4,
−４を与えると、節点及びのもつパスメトリックは
−4,−４となる。

（３）スタック内から最初の節点◎を除去し、そのかわ
りに新しい節点及びを挿入してその大きさの順に並
べる。この場合節点及び共に同じ大きさのパスメト
リックを有するが、スタック内で節点を大きさの順に並
べる際には老い番を優先するという規則を仮に設定する
と、節点が先頭にくる。

（４）以下節点から同様にエクステンション，メトリ
ックの計算及び順序付け（第３図において〜に対応
し、これを１ステップとする）をくり返すと第３図の場
合、各ステップでは表１に示すようにスタックの内容が
変化していく。

（５）最終的レベルの接点○がスタックの先頭にきた時
にエクステンションを終了し、節点に続くパス（00,1
1,01,01）を復号系列として出力する。

スタックには挿入された節点の番号とその節点のもつ
パスメトリックがともに格納される。表１からわかるよ
うに、スタックアルゴリズム（Ｚ−Ｊアルゴリズム）で
は、１ステップ実行される度毎にスタック内の節点も１
つずつ増えていく。逐次復号においては、送信側では情
報系列を特定のビット長のブロックに区切り、各ブロッ
ク毎に符号器のシフトレジスタの内容を全て０にするた
めにブロックの終わりにＫ−１個の０を付加して符号器
に入力する。受信側では各ブロック毎に第３図のアルゴ
リズムに従って復号を行う。

ヴイタビ符号では復号までに要する計算回数は用いる
符号の拘束長によって一意に定まるのに対し、逐次復号
における計算回数は、符号の固有な性質とは無関係であ
り、符号化率と伝送路雑音の関数となる。１情報ビット
を復号するのに必要な計算回数Ｃは次式で示されるパレ
ト（Pareto）分布となることが知られている。

Ｐ（Ｃ≧Ｎ）＜βN^- Ｎ≫１ ここでα，βは前述の通り符号化率ｒと伝送路のビッ
ト誤り率に依存する量であり、一般に符号化率が高いほ
ど、伝送路雑音が大きいほど計算回数が大きくなる。従
って、符号化率が一定でも伝送路の品質により計算回数
が変動するのでこれに対処するために入出力にバッファ
を設けて、復号過程における遅延の変動を吸収する必要
がある。さらに極度に雑音が大きくなると著しく計算回
数が増大し、定められた時間内に復号終了せず、いわゆ
る、バッファのオーバーフローを引き起こすこともある
ので、いかに計算回数を有限な値におさめるか、又、オ
ーバーフローが生じた場合、どのように対処するかが重
要になる。前者の問題は解析、計算機シミュレーション
及び実際の装置による測定により限界が求められてお
り、符号化率ｒ＝1/2のとき、E_b/N_oが4.5dB以上の伝送
路であれば有限の計算回数で復号できることが示されて
いる。また後者の問題は、符号として組織符号（System
atic Code）やQLI（Quick Look In）符号等の受信系列
から容易に情報系列を推定できる符号を用い、オーバー
フローを生じた場合には、直接情報系列を求めて出力す
ることを行えばよい。

さて、スタックアルゴリズムを用いてブロック化され
たデータの復号を終了した際、スタックの先頭にある節
点は最尤パスとみなされ全ての節点の中で最大のメトリ
ックを有することになる。本発明者は、復号終了時点で
この最大メトリックを利用して回線品質を推定すること
ができると考えた。

第５図は符号化率1/2、拘束長50の組織畳込み符号を
用い、１ブロックを1,200ビット、１情報ビット当りの
信号エネルギーE_bと雑音密度N_oとの比（E_b/N_o）が3.5d
B、軟判定閾値間隔比が0.35の場合における回線品質（E
_b/N_o）に対して計算される最大のパスメトリックを求め
た実験結果である。すなわち、本発明では、この図より
逆に予め最尤パスのメトリックと回線品質との変換テー
ブルを作成しておき、求められた最尤パスのメトリック
から回線品質（E_b/N_o）を推定するようにしたものであ
る。

但し、第５図の如く約8,000の最尤パスの平均パスメ
トリック値をそのまま用いて直線回線品質を推定するこ
ともできるが、変換テーブルを簡単化するためにはメト
リックの値に対し数ビットの量子化を行って平均パスメ
トリック値の範囲を縮小してから回線品質の推定を行う
方がより好ましい。

表２に復号終了時の最大メトリック値と回線品質E_b/N
_o（dB）との対応表の一例を示す。表２の対応表は復号
終了時のメトリック値Ｍを次式に従って６ビットで64段
階に量子化した値M_oとE_b/N_o（dB）との関係を示したも
のである。

M_o＝［（Ｍ−3480）/70］ （注）［ｘ］はｘを超えない最大の表２において計算さ
れたM_oの値が０又は負になればバッファオーバーフロー
を宣言し、この時は特別に０を出力するものとする。

例えば、表２において、メトリック値が47の時、回線
品質（E_b/N_o）は4.65デシベル（dB）である。

なお、第５図では図面を簡単化するために回線品質
（E_b/N_o）に対するメトリックの値を１つしか存在しな
いように記載してあるが、実際には１ブロック当りに発
生する誤まりの状態によって若干のバラツキが生じる。
例えば、E_b/N_oが2.5dBのときの推定誤差（標準偏差）は
0.2dB程度（約８％）、E_b/N_oが5dBのときは約４％とな
り、E_b/N_oの値が大きくなるにつれて推定誤差が小さく
なる。

また、表２は６ビットでメトリック値を量子化した場
合の１例であり、量子化ビット数を大にすればより精度
の高い推定ができる。さらに、この最尤パスのブランチ
メトリックをある一定の複数のブロックにわたって平均
値を求めてE_b/N_oの推定を行えば、細かな変動の影響を
受けないでスムーズな推定が可能となる。

（実施例１） スタックアルゴリズムを用いた本発明による逐次復号
器の構成を第６図に示す。入力バッファ７はブロック化
された受信データをブロックごとに次のブロックを入力
するまで格納しておくものであり、出力バッファ８は復
号された情報系列を格納し、入力バッファ７と同期して
出力するものである。スタックメモリ９は次節点91、親
節点93、ビン92、レベル94、状態95及びメトリック96の
６つのメモリから構成される。ビン（Bin）92はスタッ
クをあらかじめパスメトリックの閾値を設けて複数のサ
ブスタック（Bin）に分割しておき、節点のもつパスメ
トリックの値に応じて各節点を機械的に該当するビンへ
格納するためのものである。親節点93、次節点91、レベ
ル94、状態95及びメトリック96は１つ節点に関する属性
を示すもので共通のアドレスを有する。各ビンにはその
ビンの先頭の節点が格納されているアドレスが格納され
る。空でない最大のメトリックを有する節点が格納され
ているビンはトップ・ビン11という補助メモリに逐次記
憶され、毎回のセクステンションの対象となる節点が決
められる。親節点メモリ93は、該当する節点がどの親節
点からエクステンションされたかを示すもので親節点の
格納されるアドレスが格納されている。レベル・メモリ
94には該当する節点の木構造上でのレベルが格納され
る。状態メモリ95には該当する節点のもつ状態（符号器
のシフトレジスタの内容に相当する）が格納される。メ
トリック96には該当する節点のもつパスメトリックの値
が格納される。次節点メモリ91には該当する節点の次に
エクステンションの対象となるべき節点が格納されるア
ドレスが格納される。以上の６つのスタックメモリと１
つの補助メモリであるトップビンメモリ11を用いてメト
リック計算回路10でブランチメトリック及びパスメトリ
ックの計算を行い、メモリの読み出し、書き込みの制御
を行う。

回線品質情報としては１ブロックの復号終了時に最大
のメトリックを有する節点のメトリックをメトリックメ
モリ96から読み出してこれを第７図に示す回線品質情報
出力回路12へ入力してやり、平均化及びメトリック値を
E_b/N_o値への変換を行えば得ることができる。

また、逐次復号法では一定の時間内に復号が終了せず
いわゆるバッファのオーバーフローが生じるという固有
の問題があるが、この場合にはオール０系列の回線品質
情報としてこの出力回路に入力し、平均化する場合にこ
れを考慮してやればよい。ここで、平均化回路121は入
力メトリックを一定のブロック毎に平均化する回路であ
り、平均値はブロック毎に逐次平均値メモリ122に格納
され、次のデータ入力時に読み出されて新たな平均値が
計算される。メトリックをE_b/N_oに変換する変換テーブ
ル回路123では入力された平均メトリックから対応するE
_b/N_o値に変換され、変換されたE_b/N_oが回線品質の推定
値となる。

以上、スタックアルゴリズムを用いた逐次復号法を用
いて、直接、伝送路の回線品質を推定する方法及びその
時の逐次復号器及び回線品質出力回路12の構成について
述べたが、ファノアルゴリズムを用いた場合でも同様
に、復号に要する手順から直接回線品質を推定すること
が可能である。

（実施例２） ファノアルゴリズムによる逐次復号は第８図に示すよ
うに常にある一つのパスについてのみ探索を行い、この
パスが最も大きなパスメトリックを持ち、今後も探索す
べきかどうかを知るために復号器はメトリックの値に対
してしきい値を設定し、これを変化させながら最尤パス
を探索していく方式である。すなわち、現在探索してい
るパスのメトリックがその閾値よりも大きければ正しい
パスに沿って進んでいると判定してさらに前へ進むが、
閾値より小さいと前進をやめ、より適切なパスを探して
いく。アルゴリズムは前進ループと探索ループに分けら
れ、復号器の動作は次の段階の接点へ進む前進（Ｆ）、
同じ段階の別の節点へ進む並進（Ｌ）及びひとつ前の段
階へ戻る後退（Ｂ）の３つに分類され、表３に示すよう
に直前の動作及び閾値との大小より規定される５つの規
則のどれか一つに従って次の動作が決められる。

このとき、パスメトリックの値は常時記憶されない
が、復号器の動作として規則１に該当する場合はある一
定の幅だけ閾値を上げ、又規則４に該当する場合は同様
に閾値をある一定の幅だけ下げるので両者の回数をカウ
ントすることにより、そのパスメトリックの大きさが簡
単に推定できる。すなわち、第９図に示すように、カウ
ンタ１及びカウンタにより、復号器の閾値の増加及び減
少の回数を各々カウントし、そのカウンタ値C₁及びC₂の
差と閾値増減幅ΔｔよりパスメトリックＭをメトリック
計算回路により推定することができる。

第９図は本発明によるファノアルゴリズムを用いた逐
次復号器を利用した回線品質推定方式の構成図である。

図において、13はファノ型逐次復号器、14はメトリッ
ク算出回路であり、復号器13の閾値の増加及び減少の回
数をそれぞれカウントするカウンタA141とカウンタB142
と、カウンタA141のカウンタ値C₁とカウンタB142のカウ
ントタ値C₂との差（C₁−C₂）と閾値増減幅Δｔとの積に
よりパスメトリックＭ（Ｍ≒Δｔ×（C₁−C₂）を計算す
るメトリック計算回路143,12は第７図と同一構成の回線
品質情報出力回路である。

すなわち、ファノアルゴリズムを用いた逐次復号の場
合には、メトリックの近似値をメトリック算出回路14に
より求めてからスタックアルゴリズムで説明した回線品
質情報出力回路12で平均化及び変換により回線品質を推
定する。

（発明の効果） 以上のように、本発明はメトリックの大きさを予め定
めた変換テーブルで変換して回線品質を推定するため、
回線品質測定用のデータ系列を挿入することなく、かつ
簡単な回路構成で測定することが可能となり、その効果
は大である。

【図面の簡単な説明】 第１図から第５図は本発明の原理を説明するためのスタ
ックアルゴリズム概念図であり、第１図は送信側の符号
器の概略図、第２図は畳込み符号の木構造図、第３図は
スタックアルゴリズムのフローチャート図、第４図はス
タックアルゴリズムとパスメトリックの概略図、第５図
は本発明による最尤パスの平均ブランチメトリックと回
線品質との関係図、第６図は本発明によるスタックアル
ゴリズムを用いた逐次復号器の構成図、第７図は本発明
による回線品質情報出力回路の構成図、第８図はファノ
アルゴリズムのフローチャート図、第９図は本発明によ
るファノアルゴリズムを用いた逐次復号器の構成図であ
る。 １……情報ビット入力端子、２……シフトレジスタ、３
……１シンボル遅延素子、４……加算器、5,6……出力
端子、７……入力バッファ、８……出力バッファ、９…
…スタックメモリ、10……メトリック計算回路、11……
トップビンメモリ、12……回線品質情報出力回路、13…
…ファノ型逐次復号器、14……メトリック算出回路、91
……次節点メモリ、92……ビンメモリ、93……親節点メ
モリ、94……レベルメモリ、95……状態メモリ、96……
メトリックメモリ、121……平均化回路、122……平均値
メモリ、123……変換テーブル回路、141……カウンタ
Ａ、142……カウンタＢ、143……メトリック計算回路。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】畳込み符号を用いて送信側でデータを予め
   定めた一定長のブロック毎に符号化して送信系列を生成
   し、受信側では逐次復号器で受信系列に対し最尤パスの
   メトリックを計算して該送信系列を推定する逐次復号法
   において、 該逐次復号器で該ブロック毎に復号の過程において計算
   されるメトリックの値からこの値と対応して予め定めた
   変換手段を介して伝送路の回線品質を推定することを特
   徴とする逐次復号法を用いた通信回線の回線品質推定方
   式。
2. 【請求項２】前記変換手段が復号終了時の最大メトリッ
   ク値と回線品質との対応を示すものであることを特徴と
   する請求項１記載の逐次復号法を用いた通信回線の回線
   品質推定方式。