JP3507894B2

JP3507894B2 - 誤り訂正方法および誤り訂正符号生成装置

Info

Publication number: JP3507894B2
Application number: JP2001232628A
Authority: JP
Inventors: 享秀神尾; 博司原田
Original assignee: 独立行政法人通信総合研究所
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2004-03-15
Anticipated expiration: 2021-07-31
Also published as: JP2003046394A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、誤り訂正方法に
関するものであり、特に、畳み込み符号化され、また符
号化の冗長率を改善された信号の誤り訂正方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】デジタル誤り訂正のために用いられる符
号には、大別してブロック符号、差集合巡回符号、畳み
込み符号、等があることが知られている。

【０００３】このうちで畳み込み符号は、シフトレジス
タとモード２の加算器とを用いて構成され、入力情報の
過去の情報データを用いて符号化される。この畳み込み
符号を用いる場合には、復号時の開始時と終了時の状態
を同一にするために、テールビットを付加して符号化の
終端が行われる。このため、誤り訂正には直接関係しな
い情報をも送らなければならない。しかし、これは、短
い情報の畳み込み符号を生成する場合には、もとの信号
に対する終端も含めた符号の比率を、符号化の冗長率と
するとき、その符号化の冗長率を増大させる要因とな
る。

【０００４】この増大の防止方法のひとつとしては、生
成された畳み込み符号の一部を規則的に欠落させるパン
クチャド符号化を用いて、その符号化の冗長率の増大を
防ぐことができることが知られている。さらにまた、符
号化後の最初と最後の部分には冗長な情報があることに
注目し、これを削減して伝送する方法も既に知られてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、パンク
チャド符号化では、本来の誤り訂正符号化を行った部分
も削除するため符号化利得の劣化を招くことが知られて
いる。特に、符号化率の大きい符号では、その符号にお
ける冗長分の情報の割当が少ないため、その符号化利得
の劣化は特に顕著となる。また、生成された畳み込み符
号の一部を規則的に欠落させるパターンにより、その劣
化の度合いが異なるため、符号化の設計が難しいなどの
問題点がある。

【０００６】さらに、符号化後の最初と最後の冗長な情
報部分を削除する方法では、削減数が僅かに増加すると
符号化利得が大幅に劣化するという問題点がある。従っ
て削減数も限られたものになる。

【０００７】また、パケット伝送などで符号を短い単位
で送り、もし誤りがある部分はその単位部分を再送する
というシステムにおいては、符号を短い単位で送ること
は、伝送路での誤りの影響を受けにくいなどのメリット
がある。しかしながら、上記のように、短い情報の畳み
込み符号を生成することは、その符号化の冗長率を増大
させる要因となるため、畳み込み符号を用いてパケット
伝送を行う場合の効率を改善することは困難であった。

【０００８】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
符号化利得劣化を招くことなく高い符号化率で短い情報
単位で符号化あるいは復号することが可能となる誤り訂
正方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決し、
目的を達成するために、本発明にかかる誤り訂正方式に
あっては、畳み込み符号化において、入力された情報系
列のいくつかの先頭ビットを最後尾に付加して符号化を
行う。このため、本発明の基本的な特徴は、予め決めら
れた長さのデジタル信号を用いて行う通信における符号
の生成において、第１のデジタル信号の一部を、第１の
デジタル信号に連接するように複写して第２のデジタル
信号を生成し、第２のデジタル信号を畳み込み符号化し
て第１のデジタル符号を生成して送出し、受信した符号
を連接した符号を生成して復号することである。

【００１０】また、この場合、そのいくつかの先頭ビッ
トは、省略することも可能であるから、第１の発明は、
予め決められた長さのデジタル符号を用いて行う通信に
おける符号の生成において、第１のデジタル信号の一部
を、第１のデジタル信号に連接するように複写して第２
のデジタル信号を生成する手続きと、第２のデジタル信
号を畳み込み符号化して第１のデジタル符号を生成する
手続きと、第１のデジタル符号の一部を省いて第２のデ
ジタル符号を生成する手続きと、第２のデジタル符号を
通信路に送出する手続きと、第２のデジタル符号を受信
する手続きと、受信した第２のデジタル符号を繰り返し
連接する手続きと、前記の連接されたデジタル符号を復
号する手続きと、を、含むことを特徴としている。

【００１１】また、符号化が巡回的に行われるようにし
て、復号時の状態を確定するためのテールビットを用い
ないで復号可能としている。このため、第２の発明は、
予め決められた長さのデジタル符号を用いて行う通信に
おける符号の生成において、第１のデジタル信号を繰り
返し連接した信号を第２の信号とし、また、第２の信号
を符号化した信号における繰り返し単位部分を第１の符
号とし、また、第１の符号を繰り返し連接した符号を第
２の符号とし、また、第２の符号を復号したデジタル信
号の繰り返し単位部分を第３の信号とするとき、第１の
符号と等価な符号を伝送する手続きと、前記の第１の符
号と等価な符号を受信する手続きと、受信した第１の符
号と等価な符号を繰り返し連接して第２の符号と等価な
符号を生成する手続きと、生成された第２の符号と等価
な符号を復号したデジタル信号の繰り返し単位部分を選
択することにより第３の信号と等価な信号を復号する手
続きとを、含むことを特徴としている。

【００１２】このとき、復号方法として、符号の拘束長
の数倍の系列を遡って復号結果を判定する方法を用い
る。これは、畳み込み符号の性質上、先頭のデータを再
び符号化することにより、巡回的に畳み込み符号化さ
れ、符号化系列がリング状に続くためである。

【００１３】このようにして復号された符号について
は、第１ないし第２のいずれかの発明を用いて得られた
デジタル符号であるから、第３の発明は、その復号処理
において、上記の第２のデジタル信号の生成において連
接するように複写された部分を切り離して、予め決めら
れた位置に戻す手続きを含むことを特徴としている。

【００１４】また、第４の発明は、誤り訂正符号生成装
置に関しており、予め決められた長さのデジタル符号を
用いて行う通信における符号の生成において、第１のデ
ジタル信号の一部を、第１のデジタル信号に連接するよ
うに複写して第２のデジタル信号を生成する手段と、第
２のデジタル信号を畳み込み符号化して第１のデジタル
符号を生成する手段と、第１のデジタル符号の一部を省
いて第２のデジタル符号を生成する手段と、第２のデジ
タル符号を通信路に送出する手段と、第２のデジタル符
号を受信する手段と、第２のデジタル符号を繰り返し連
接する手段と、前記の連接されたデジタル符号を復号す
る手段と、を、含むことを特徴としている。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下にこの発明の原理を図２に示
す簡単な符号器の例を用いて説明し、その後、実施の形
態を説明する。

【００１６】図２は、レジスタＲ１、Ｒ２とモード２の
加算器ＡＤＤ１、ＡＤＤ２を用いて構成した符号化率1/
2、拘束長３の畳み込み符号器である。この符号器を用
いて、第１のデジタル信号（１０１１）を符号化する場
合、図３（ａ）に示す従来の符号方法では、この信号に
終端するための信号を付加してデジタル信号（１０１１
００）として符号化されており、符号化の結果は、（ａ
₁ｂ₁、…、ａ_iｂ_i、…）＝（１１、１０、００、０１、
０１、１１）となる。

【００１７】これに対し、本発明においては、終端する
ための信号を付加せずに、繰り返す信号の特性を用い
る。図３（ｂ）に示す様に、上記の信号（１０１１）の
代わりに（１０１１１０１１…）と繰り返すデジタル信
号である第２の信号を符号化することにより、（１１、
１０、００、０１、１０、０１、００、０１、１０、０
１、…）と、最初の２組を除いて、繰り返す第１の符号
が得られる事がわかる。また、この繰り返しの単位とな
る符号を得るには、（１０１１１０）までの第２のデジ
タル信号を符号化すれば良いことが分かる。さらに、第
２の符号である繰り返し符号（００、０１、１０、０
１、００、０１、１０、０１、…）に、例えばビタビ復
号を行うと、（１１１０１１１０１１…）と復号され、
最初の２ビットを除いて、繰り返す信号となることが分
かる。この繰り返し単位部分が第３の信号である。ま
た、この繰り返しの単位となる信号を得るには、（０
０、０１、１０、０１、００、０１）までを復号すれば
良いことが分かる。

【００１８】しかし、最適な復号法とほぼ同じ性能の準
最適ビタビ復号においては、一般に、終端となる符号を
用いずに復号を行うが、拘束長の３から５倍にあたる組
数の符号で復号できることが知られている。このため、
復号においては、繰り返し符号に、拘束長の３から５倍
にあたる組数の符号を連接して復号することが望まし
い。

【００１９】このように、繰り返すことを前提に符号化
や復号を行う場合は、繰り返しの単位となる符号を伝送
し、復号することにより、終端するための信号を用いず
に短い伝送単位で通信を行うことができることが分か
る。

【００２０】一般に、デジタル信号を符号化した場合、
最初の（拘束長−１）組の符号をおいて繰り返しが始ま
り、そのデジタル信号のビット数分の組数の符号が繰り
返しの単位となる。また、復号においては、復号された
デジタル信号の（拘束長−１）ビットをおいて、繰り返
しが始まり、符号の組の長さが繰り返しの単位長とな
る。このため、繰り返す信号を送信あるいは受信する必
要は無く、繰り返しの単位を送受信すれば良いことは明
らかである。しかし、もし、繰り返し符号の長さが拘束
長の３から５倍に満たないときは、拘束長の３から５倍
になるまで繰り返して受信信号を用いればよい。

【００２１】次に第１の実施の形態を、図１を用いて説
明する。図１は、デジタル信号を符号化率1/2、拘束長
７の符号化を行って伝送し、また復号する場合の信号を
示す模式図である。ここでは、（ａ）100ビットの情報
を誤り訂正符号化あるいは復号する場合を想定し、信号
に付した番号は、終端信号を用いる場合の信号の並び順
をもとに数えるものとする。（ｂ）入力データは、最初
の6ビットがデータの最後にコピーされ、（ｃ）符号化
される。そして、（ｄ）13ビット目から212ビット目ま
での200ビットが符号化後のデータとして通信路に送出
される。（ｅ）復号では、最初に13ビット目から103ビ
ット目の90ビット分が（ｆ）受信データの最後にコピー
される。その後、（ｇ）既に良く知られた復号法（例え
ばビタビ復号）により復号を行い、145ビットの復号デ
ータが出力される。最後に、（ｈ）101ビット目から125
ビット目を符号化前の順番にデータ系列をもどして終了
となる。

【００２２】上記の（ｄ）で、１ビット目から１２ビッ
ト目までを用いないのは、拘束長が７の場合には、一般
に６つのレジスタが符号器に用いられているが、このレ
ジスタの状態が初期状態によらず確定されるまでのデー
タが１から１２ビット目までのデータであるためであ
る。また、（ｈ）で、拘束長を超えるビット数を戻すの
は、拘束長の２倍程度のビット数までが、復号器に用い
られるレジスタの状態が初期状態によらず確定されるま
でのビット数に相当するためである。

【００２３】本発明の効果を確認するため、１パケット
の情報ビット数が50ビットあるいは300ビットの場合に
ついてパケット誤り率特性の計算機シミュレーションを
行った。計算機シミュレーションは、QPSK変調伝送路に
おいて、拘束長7、符号化率1/2の畳み込み符号化とそれ
に対応するビタビ復号を用いた場合について行い、ま
た、伝送路の劣化要因として、雑音のみを仮定した。

【００２４】図４は、そのシミュレーション結果を示す
図で、その横軸はEb/N0であり、縦軸はパケットの誤り
率である。ここで、Ebは、情報１ビット（符号化前）当
たりの送信電力である。また、N0は、雑音電力スペクト
ル密度である。図４から分かるように、１パケットが50
ビット長の場合、従来のテールビットを付加した場合と
比較して、本発明の場合はパケット誤り率特性が向上し
ている。これは、Ebが情報ビット当たりであるため、１
パケット50ビット、符号化率1/2とすると、送信ビット
数は、従来方法の場合は112ビット必要であるのに対
し、本発明の場合は100ビットで済むため、このとき必
要となる電力をビット長50で割ってEbを計算しているこ
とにより、本発明の符号化の効率が良いことが反映され
ているためである。また、１パケットが300ビット長と
長い場合の特性向上が少ないのは、どちらの方法でも全
ビットに対するテールビットの割合が小さいためであ
る。

【００２５】本発明との比較のために、従来のパンクチ
ャド符号化を行った場合で、１パケットが50ビットの場
合も図４に併せて示した。これについては、上記のよう
に、テールビットを付加した場合よりもパケット誤り率
特性の向上があるはずであるが、本来の符号化の部分を
削除したため誤り訂正のための情報が失われており、大
幅な特性劣化となっている。また、１パケットが300ビ
ットの場合は、その特性の差は少ない。これは、どちら
の方法でも全ビットに対するテールビットの割合が少な
いためであり、また、パンクチャド符号では、符号化の
ビット数に対する削除されるビット数の割合が少なく、
誤り訂正のための情報が失われる割合が少ないためであ
る。

【００２６】このように、本発明の方法を用いると、１
パケットのビット数が少ない場合には、従来の方法に比
べて特性が大幅に向上する事がわかる。

【００２７】上記の（ｂ）においては、最初の6ビット
をデータの最後にコピーしたが、これとは逆に、最後の
6ビットをデータの最初にコピーしても同様の効果を得
る事ができる。ただしこの場合は、（ｅ）において、最
初に13ビット目から103ビット目の90ビット分を、
（ｆ）において、受信データの最初にコピーし、（ｈ）
では、21から125ビットを符号化前の順番にデータ系列
に順番を戻す必要がある。

【００２８】なお、本実施の形態では、畳み込み符号化
／ビタビ復号について述べたが、畳み込み符号化／逐次
復号、ターボ符号／復号などにも適用できるのはもちろ
んである。

【００２９】次に第２の実施の形態として、パケット伝
送などの自動再送伝送（ARQ：Automatic Repeat Reques
t）を行うシステムの場合を説明する。このシステムで
は、Nビットの情報を単位として通信する場合、それぞ
れの通信においては、誤り訂正符号化し、さらに、誤り
検出符号化して送出し、誤り訂正復号後、誤り検出を行
い、誤り訂正の能力を超える誤訂正の検出を行い、その
データの再送要求を行う。ここで、単位となる情報が大
きく、N=500の場合は、500ビット中のどこに誤り訂正の
能力を超える誤訂正があっても500ビット全体を再送し
なければならない。これに対してN=50の場合は、50ビッ
トの再送でよいため、効率の劣化が少なくて済む。とこ
ろが、従来は、符号化率1/2、拘束長７の場合は、符号
化された終端をするためのテールビットとして12ビット
必要なため、N=50の場合は、テールビットの割合が20%
を超えてしまう。このように、Nを小さくして再送によ
る効率の劣化を防止しても、そのテールビットによる伝
送効率の低下があるため、情報伝送の効率改善には上限
があった。

【００３０】しかし、本発明の誤り訂正方法をＡＲＱシ
ステムに用いた場合は、上記のようなテールビットを用
いないため、テールビットによる伝送効率の低下を招く
ことが無く、その情報伝送の効率を改善することができ
る。図４では、パケット長を５０ビットとした場合と３
００ビットとした場合とを比較してみると、同じＥｂ／
Ｎ０で、５０ビットのほうが、パケット誤り率が小さい
ことがわかる。これより、短いパケットで伝送すること
で、伝送効率を改善できることがわかる。

【００３１】次に第３の実施の形態として、符号生成器
を説明する。図５は、第１のデジタル信号生成部と、第
２のデジタル信号生成部と、畳み込み符号化と、除去部
とからなる符号生成器を示すブロック図である。第１の
デジタル信号生成部では、まず情報データより、符号化
するデジタルデータを取り出し、第２のデジタル信号生
成部では、第１のデジタル信号の一部を、第１のデジタ
ル信号に連接するように複写して第２のデジタル信号を
生成する。また、畳み込み符号化部では、第２のデジタ
ル信号を畳み込み符号化して第１のデジタル符号を生成
する。さらに、除去部では第１のデジタル符号の一部を
省いて第２のデジタル符号を生成するものである。この
ような構成をもった装置により、例えば図１に示すよう
な符号化を行うことができる。

【００３２】上記の実施の形態のほかに、本発明を、従
来のパンクチャド符号化と組合せて用いることができる
ことは明らかである。また、本発明は、誤り検出機能の
あるシステムで汎用的に適用可能である。誤り検出機能
のあるシステムとしては、上記で説明した通信システム
の他に、記憶装置や制御装置などがある。

【００３３】

【発明の効果】以上、説明したように、従来は終端のた
めのテールビットなどの余分な情報の伝送が必要であっ
たが、本発明の誤り訂正方法あるいは誤り訂正符号生成
装置によれば、送信するデジタル信号を巡回的に配置し
て符号化を行うことにより、本発明ではそれは不要とな
り、伝送効率が向上した。また、高い伝送効率を維持し
たまま短い情報単位で符号化／復号することが可能とな
り、誤り訂正技術を用いるシステムに付随した従来の上
限を解消することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】デジタル信号を符号化率1/2、拘束長７の符号
化を行って伝送し、また、復号する場合の信号を示す模
式図である。

【図２】符号化率1/2、拘束長３の符号器の一例を示す
図である。

【図３】デジタル信号の符号化の詳細を示す図で、
（ａ）は終端にテールビットを用いた従来の符号方法に
よる符号化を示し、（ｂ）は繰り返すデジタル信号を符
号化する場合を示す。

【図４】計算機シミュレーション結果を示す図である。

【図５】符号生成器を示すブロック図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−335973（ＪＰ，Ａ) 特開平６−244742（ＪＰ，Ａ) 特開平11−177527（ＪＰ，Ａ) 特公平１−52937（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03M 13/00 - 13/53 H04L 1/00,1/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】予め決められた長さのデジタル符号を用
いて行う通信における符号の生成において、第１のデジ
タル信号の一部を、第１のデジタル信号に連接するよう
に複写して第２のデジタル信号を生成する手続きと、第
２のデジタル信号を畳み込み符号化して第１のデジタル
符号を生成する手続きと、第１のデジタル符号の一部を
省いて第２のデジタル符号を生成する手続きと、第２の
デジタル符号を通信路に送出する手続きと、第２のデジ
タル符号を受信する手続きと、受信した第２のデジタル
符号を繰り返し連接する手続きと、前記の連接されたデ
ジタル符号を復号する手続きと、を、含むことを特徴と
する誤り訂正方法。
【請求項２】予め決められた長さのデジタル符号を用
いて行う通信における符号の生成において、第１のデジ
タル信号を繰り返し連接した信号を第２の信号とし、ま
た、第２の信号を符号化した信号における繰り返し単位
部分を第１の符号とし、また、第１の符号を繰り返し連
接した符号を第２の符号とし、また、第２の符号を復号
したデジタル信号の繰り返し単位部分を第３の信号とす
るとき、第１の符号と等価な符号を伝送する手続きと、
前記の第１の符号と等価な符号を受信する手続きと、受
信した第１の符号と等価な符号を繰り返し連接して第２
の符号と等価な符号を生成する手続きと、生成された第
２の符号と等価な符号を復号したデジタル信号の繰り返
し単位部分を選択することにより第３の信号と等価な信
号を復号する手続きとを、含むことを特徴とする誤り訂
正方法。
【請求項３】請求項 1に記載の誤り訂正方法を用いて
得られたデジタル符号の復号処理において、上記の第２
のデジタル信号の生成において連接するように複写され
た部分を切り離して、予め決められた位置に戻す手続き
を含むことを特徴とする誤り訂正方法。
【請求項４】予め決められた長さのデジタル符号を用
いて行う通信における符号の生成において、第１のデジ
タル信号の一部を、第１のデジタル信号に連接するよう
に複写して第２のデジタル信号を生成する手段と、第２
のデジタル信号を畳み込み符号化して第１のデジタル符
号を生成する手段と、第１のデジタル符号の一部を省い
て第２のデジタル符号を生成する手段と、第２のデジタ
ル符号を通信路に送出する手段と、第２のデジタル符号
を受信する手段と、第２のデジタル符号を繰り返し連接
する手段と、前記の連接されたデジタル符号を復号する
手段と、を、含むことを特徴とする誤り訂正符号生成装
置。