JP3527652B2 - 情報符号化方法 - Google Patents
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Description
方式を用いたデータ通信に関し、特に、このような方式
による伝送のために情報を符号化する方法に関する。
よび無線の両方の応用を有する多重化技術である。前者
には、とりわけ、ディジタル加入者線(digital subscri
ber loop)通信への応用があり、後者には、とりわけ、W
aveLan通信への応用がある。
気通信連合(ITU)によって、番号T1.413のも
とで公表されている離散マルチトーン(DMT(discret
e multitone))標準に記載されている。
トリームを時間的なブロックの系列へと分割することに
よって動作する。図1に、各ブロックのデータ(「情報
系列」)を、周波数空間において、トーン(キャリアと
もいう。)10の系列によって表す。用いられるトーン
の数は、実装によって異なるが、一般に、32〜512
の範囲にある。情報は、各トーンに複素振幅(すなわ
ち、正の絶対値、および、位相)を割り当てることによ
って符号化される。割り当てることの可能な複素振幅は
任意ではなく、また、それらは連続的には変化しない。
その代わりに、それらは一般に、複素平面内の点の離散
集合(これをコンステレーションということがある。)
から取り出される。(このようなコンステレーションの
例を図2に示す。)このようなコンステレーション内の
点の数はさまざまなものが可能であるが、一般に点の数
は2〜512の範囲にある。例えば256点の場合、各
複素振幅は、log2256すなわち8ビットのデータ
を表す。振幅の系列を「信号系列」といい、この系列内
の各振幅を「信号要素」という。
す。)は、トーンの系列のフーリエ変換である。(当業
者には理解されるように、ここで意味していることは正
確には、周波数領域から時間領域への実数値フーリエ逆
変換である。)受信器は、本質的に、周波数空間に戻す
別のフーリエ変換を実行して、信号系列を回復する。受
信器では、情報系列と信号系列の間のマッピング(写
像)に関する知識を用いて、情報系列を回復する。
うに、位相差のあるトーンを重ね合わせると、強め合う
干渉により、しばしば、足し合わせた波形の平均振幅よ
りもかなり高いピークが出現する。送信信号がこの性質
を示す場合、ピーク対平均パワー比によって信号を特徴
づけることがしばしば有用である。これに関して注意す
べき点であるが、平均送信パワーは、通信可能な情報の
レートに直接に関係する。すなわち、高い平均パワー
は、可能なデータ通信レートが高いことを意味する。
「平均」という用語は、すべての信号にわたる統計的
(アンサンブル)平均を指す。他方、「ピーク」という
用語は、特定の系列に関していう。
平均パワー比を制限することが好ましい。多くの場合、
この量に制限を設ける標準および規制がある。より基本
的には、送信器の最終増幅段は入力信号の振幅ピークに
よって飽和することがあり、これは、送信波形のクリッ
ピングを引き起こし、その結果、データ伝送におけるエ
ラーを生じる。原理的には、増幅器は、実際に遭遇する
与えられたピーク対平均パワー比にほとんど対処するよ
うに設計することができる。しかし、増幅器のコストお
よび増幅器のパワー消費は、最大許容ピークパワーが増
大するとともに増大する。その結果、経済的考慮から、
歪みなしで送信することができないピークが現れる確率
を最小にするような設計の手段が講じられる。この確率
の最大許容値は個々のアプリケーションやその他の因子
に依存するが、一般的な値は10 -5である。
来のアプローチは、許容される信号を、許容できるほど
低いピークパワーを有する信号のみに制限することであ
る。このアプローチは、実用に供するのは困難である。
その理由は、周波数領域では適当な信号のセットを識別
するのが困難であるからである。さらに、利用可能な信
号の数を減らすことにより、各信号要素によって伝送さ
れるビット数が減少する。かなりの割合の信号がこのア
プローチによって除去されるため、送信データレートも
大幅に低下してしまう。
きないほど高いピーク対平均パワー比の確率を減少させ
る方法が改善される。概略的には、本発明は、少なくと
も2つの異なる信号系列を生成し、それぞれの信号系列
のフーリエ変換を計算し、フーリエ変換の計算結果に基
づいて、これらの信号系列のうちの1つを送信用に選択
する。具体的には、1つの信号系列の選択は、例えば、
その系列のフーリエ変換が許容可能なピークパワーを有
しているという判定に基づく。あるいは、それぞれの信
号系列のフーリエ変換の間で比較を行い、フーリエ変換
が最低のピークパワーを示すような系列を選択する。当
業者には理解されるように、ここで用いている「フーリ
エ変換」という用語は、いくつかの適当な数学的変換の
いずれをも包含し、しかも、それぞれいくつかの適当な
計算アルゴリズムのいずれによって実現することも可能
である。
許容できないピーク対平均パワー比を生じる同時確率
が、それぞれが単独でそのような比を生じる個別確率よ
りも大幅に小さくなるように生成される。これは、それ
ぞれの系列の間にほぼ統計的な独立性を与えることによ
って実現される。この独立性は、情報系列に対する作用
によって、あるいは、信号系列に対する作用によって、
または、情報系列と信号系列の間の写像を行う符号化手
続きにおいて、実現される。
情報系列を回復することが可能であるようにする。
よれば、信号要素は、差分符号化方式によって生成され
る。この場合、情報は、大略、信号要素間の差によって
伝送される。信号要素は、各情報伝送対が2つのセット
のうちのいずれか一方に完全に属するように、2つの重
なり合わない(互いに素の)セットに分割される。与え
られた信号要素の信号系列に対して、もう1つの信号系
列が、2つの互いに素のセットのうちの一方に属する信
号要素に複素平面における回転を適用することによって
導出される。適用される回転は、信号要素値のコンステ
レーションが不変であるような回転である。
系列が、もとの情報系列の少なくとも1つの暗号化され
たバージョンを形成することによって生成される。2つ
の信号系列は、単に、それぞれの情報系列を符号化する
ことによって生成される。受信器では、2つの信号系列
のいずれからももとの情報系列を回復することができる
ように、復号情報を利用可能とする。
波数領域においてある対称性を有するコンステレーショ
ンを使用する。例えば、それぞれに信号要素s1,
s2,...,snに対応する信号コンステレーションΩ1,
Ω2,...,Ωn(nは正の整数)は、複素平面における
π/2ラジアンの整数倍の回転のもとで不変であること
が多い。(当業者には理解されるように、各θの回転
は、対応する複素振幅にexp(iθ)を乗じることと
等価である。)以下で説明するように、本発明のいくつ
かの実施例は、この対称性を利用する。
は、0、1、2、および3の値のセットから選択され
る。各信号コンステレーションΩi(i=1,2,...,
n)は回転cのもとで不変とする。すなわち、cΩi=
Ωiである。信号系列s1,s2,...,sn(図3では要
素40で示す。)は、伝送される信号が、大略、差si
−sj(i≠j、j=1,2,...,n)に依存するよう
な差分符号化信号を表す。
デックス1,2,...,nは、互いに素のセットAおよ
びBに分割され(図3のブロック70)、差分符号化
は、情報を伝送する差si−sjが、iおよびjがいずれ
もセットAまたはセットBに属するようなインデックス
対に関係づけられるように行われる。
系列s1,s2,...,sn(図の要素40)に対して、送
信器は、インデックスが2つの互いに素のセットのうち
の一方(例えばセットB)に属するような信号要素を回
転する(ブロック90)ことによってもう1つの信号系
列を生成する。(図において、インデックスがセットB
に属し、従って、この例で回転される要素は、参照符号
80で示す。)一般に、このような回転を1回行うこと
により、1つの別の信号系列が得られる。しかし、2
回、あるいは3回の回転を実行して、(初期信号系列を
含めて)4個の信号系列を得ることも可能である。
め、受信器によって実行されるほとんどの信号処理は、
2つの信号符号化によって影響されない。
れ、受信器へ、同じ情報を伝送することになる。従っ
て、送信器は、ピーク対平均パワー比要求条件を最小に
するように、あるいは、ピーク対平均パワー比が高い確
率で設定限界内にあることを保証するように、2つの信
号のうちからの選択を行うことができる。
列のフーリエ変換を計算(ブロック120)して時間領
域信号130、140を生成することが含む。前述のよ
うに、「フーリエ変換」という用語は、いくつかの適当
な数学的変換およびその計算上の実装を包含する。例え
ば、直交周波数多重化(OFDM)方式では、高速フー
リエ変換(FFT)アルゴリズムを用いてフーリエ変換
を計算すると有効である。
れば、各信号系列を得て(ブロック150)、順に変換
し(ブロック160)、そのピークパワーを計算する
(ブロック170)が、テスト(ブロック190)でピ
ークパワーが設定限界以下の信号が見つかると、手続き
は選択を行い停止する(ブロック180)。
れば、すべての信号系列を変換してそれらのピークパワ
ーを求める(ブロック200)。次に、比較を行い(ブ
ロック210)、最低ピークパワーの系列を送信用に選
択する(ブロック220)。当業者には理解されるよう
に、これらの手続きのさまざまな組合せや変形も容易に
実行可能である。少なくともいくつかの場合には、上記
の手続きを組み合わせると有効である。例えば、前者の
手続きによっていずれの系列も設定限界以下のピークパ
ワーを生じないことがわかった場合、後者の手続きに従
って最低のパワーを生じる系列を選択することが可能で
ある。
有する場合、それらがいずれも許容できないピーク対平
均パワー比を生じる同時確率は、それぞれが単独でその
ような比を生じる(一般には等しい)確率の積となる。
すべての系列の間の偶然の一致によってのみ、許容でき
ないピークが送信されることになるため、このような送
信の確率は、この同時確率まで低下する。2つの系列は
同じ情報を伝送しているため、一般的には、それらは互
いに全く独立であるとはいえない。しかし、フーリエ変
換のもとで2つの系列が、本発明の目的にとって、ほと
んど統計的に独立であるかのようにふるまうのに十分な
相違が、回転手続きにより2つの系列の間に生じるよう
にすることができると考えられる。従って、許容できな
いピークの同時確率は、その個別確率よりも十分に小さ
いことは確実である。
な統計的独立性を達成するには、ほとんどの場合に、イ
ンデックスセットの分割を、AおよびBがほぼ同じサイ
ズになるように実行するのが有効である。(分割が2つ
より多くの互いに素のセットへと行われる場合、同様に
して、一般的に、すべての互いに素のセットがほぼ等し
いサイズになるようにするのが有効である。)
する時間領域信号におけるピークの発生を最小にするこ
とも可能である。すなわち、回転されていない各信号要
素の係数を1とし、回転された各信号要素の係数をex
p(imπ/2)とする。ただし、mは適当な値であ
る。当業者には認識されるように、もとの信号系列と回
転された信号系列のフーリエ変換どうしの間の数学的関
係は、後者が、前者と係数の系列のフーリエ変換との畳
込みであるというものである。この畳込みの積における
ピークの増大を避けるためには、できるだけ平坦なフー
リエ変換を有する系列を選択するのが好ましい。
ないという制約を課するとともに、本発明の方法を適用
することによって、送信器のピーク対平均パワー要求条
件を大幅に低減することができる。差分符号化の制約
は、送信されるビット数に対して比較的小さいペナルテ
ィにしかならないため、本発明の利点は、比較的低コス
トで達成されることになる。
ある。これは、複数の信号系列が同じ情報を伝送するた
めに生じる。この冗長性がなければ、信号系列あたり、
より多くの情報を伝送することができる。各情報系列ご
とに2つの信号系列を用意する場合、ペナルティは信号
系列あたり1ビットである。4つの信号系列を用意する
場合、ペナルティは2ビットである、などとなる。
自体によるものである。しかし、このペナルティを最小
にするいくつかの方法がある。例えば、差分符号化は、
インデックスがセットBに属する信号要素に限定するこ
とが可能である。このような方式とともに、インデック
スがセットBに属する最初の信号要素の、許容されるす
べての回転のもとでの(信号コンステレーションにおけ
る)像が等しくなるように、(差によらずに)情報を符
号化することも有効である。
ット{0,2}からのみ選択すると有効である。換言す
れば、ただ1つの回転が利用可能であり、この回転は、
すべてのBインデックスの(インデックスがセットBに
属する)信号要素に−1を乗じることによって実行され
る。このような場合、分割を、系列G1,G2,...,Gn
として表すと便利である。ただし、iがAに属する場合
にGiは1であり、iがBに属する場合にGiは−1であ
る。当業者には認識されるように、もとの信号系列と回
転された信号系列のフーリエ変換どうしの間の数学的関
係は、後者が、前者と系列Giのフーリエ変換との畳込
みであるというものである。より一般的な場合に関連し
て既に述べたように、できるだけ平坦なフーリエ変換を
有する系列Giを選択するのが好ましい。Golay系列とし
て知られるこのような系列が表として与えられている
(例えば、M. J. E. Golay, "Complementary Series",
I.R. E. Trans. On Information Theory, Vol.7 (April
1961) pp.82-87、を参照)。Golay系列のフーリエ変換
の最大絶対値は、ほぼ理論的最小値、すなわち、平方根
平均2乗絶対値の21/2倍である。
ば、セットAおよびBへの分割は、Golay系列に従っ
て、乗数1(セットAに対して)および−1(セットB
に対して)を信号要素に順次割り当てることによってな
される。これに関して注意すべき点であるが、ランダム
割当てのような、これらの乗数を割り当てる他の方法も
使用可能である。
ンの対称性のため、π/2ラジアンの整数倍の回転がし
ばしば有効である。いくつかの場合には、他の回転も、
信号コンステレーションがその回転のもとで不変である
場合に限り、有効なことがある。すなわち、例えば、本
発明の代替実施例として、セットBにπ/3ラジアンの
整数倍を乗じたものも直ちに考えられる。
場合には、2個より多くの互いに素のセットへの分割も
有効である。2個より多くの互いに素のセットへの分割
を行う場合、1個またはいくつかの互いに素のセットの
選択は、選択された回転によるものとすることが可能で
ある。
ーションをそれ自体の上に写像する作用(これは回転を
含むが、例えばそれ以外の、信号コンステレーションの
要素の置換をも含む)に関して記述することができる。
n個の作用gi(i=1,2,...,n)がそれぞれ、対
応する信号コンステレーションΩiをそれ自体の上に写
像すると仮定する。本発明のこの広い意味では、n個の
相異なる作用が表される。各作用giを、それぞれの信
号要素siに整数li回反復して適用すると仮定する。そ
の場合、i番目の要素がgi l(i)siであるようなもう1
つの信号系列が生成される。(l(i)は(電子化の都
合上)liと同じものを指すとする。)整数l(i)
は、任意に選択することも可能であるが、受信器には知
られていなければならない。符号化および復号手続き
は、もとの系列および変換された系列が同じ情報を表す
ようなものでなければならない。
対して、gi kl(i)が恒等作用である(すなわち、gi
kl(i)が各信号要素siをそれ自身に写像する)ようなあ
る最小の整数kが存在する。この場合、k個の相異なる
信号系列を生成することが可能であり、これらの系列の
うちのいずれを送信に用いることも可能である。
へと写像される複数の信号系列を生成することに関す
る。上記の実施例では、もとの信号系列の信号要素への
作用によって、他の信号系列が生成される。注意すべき
点であるが、複数の信号系列を生成するためには他の技
術も利用可能である。
号系列として符号化するときに生成することが可能であ
る。同じ情報系列が複数の信号系列を生じ、各信号系列
が同じ情報を伝送し、各信号系列を情報系列に逆写像す
ることが可能であるという意味で、冗長な符号化技術が
容易に用いられる。重要な点は、このような符号化技術
は、必ずしも差分符号化方式に限らないということであ
る。
報系列への少なくとも1回の作用によって複数の情報系
列を用意する。このような作用は、権限のない傍受に対
して情報系列を安全にするのに用いられる作用と同様の
ものであるため、このような作用を暗号化と呼ぶことに
する。その後、複数の情報系列から複数の信号系列を生
成する。
はm個のバイナリビットからなり(mは正の整数)、写
像Fはこの情報系列を信号系列(s1,s2,...,sn)
へ写像すると仮定する。写像Fは可逆であり、受信器は
受信した信号系列から情報系列を回復することができる
とする。
ば、暗号化アルゴリズムGは、情報系列(b1,
b2,...,bm)を、同じくm個のバイナリビットから
なる暗号化された情報系列(b1′,b2′,...,
bm′)へ写像する。好ましくは、この写像は本質的に
ランダムである。これは、受信器には知られていなけれ
ばならず、受信器における逆写像が可能でなければなら
ない。
列のm個の要素のランダムな置換である。擬似ランダム
バイナリ系列の発生器を用いて、暗号化された系列をさ
らにランダム化することが可能である。例えば、置換さ
れた系列を、同じ長さの擬似乱数系列と並べ、2つの系
列の間でビットごとの排他的OR演算を行うことによっ
て、変調することができる。変調に用いられる擬似乱数
系列を受信器も有していれば、もとの情報系列は回復可
能である。
方法があるので、Gを、送信器および受信器で生成され
る擬似乱数系列に従って時間とともに変えることが可能
である。この場合、Gは、擬似ランダムプロセスからの
(同期した)サンプリングとすることが可能である。
するために、アルゴリズムGを用いて2つの情報系列を
生成する方法の例を示す。
し、それにm番目のバイナリビットBを追加する(ブロ
ック240)。Bに値0および1を与えることによっ
て、それぞれ、暗号化作用G((b1,b2,...,
bm-1),B)(ブロック250)は、2つの相異なる
暗号化情報系列260、270を生成する。
列290、300として符号化される(ブロック28
0)。一方の信号系列を上記のようにして送信用に選択
する(ブロック310)。こうして、送信用に選択され
る信号系列は、F(G((b1,b2,...,bm-1),
B))となる。ただし、Bは0または1の適当なほうで
ある。受信器では、もとの情報系列を回復するために、
FおよびGの逆をとり、Bを単に無視する。
易に拡張される。例えば、2個のビットB1およびB2を
確保した場合、4個の暗号化情報系列が容易に生成され
る。
波数分割多重化方式を用いた情報符号化方法において、
許容できないほど高いピーク対平均パワー比の確率を減
少させることが可能となる。
と、対応する時間領域波形との間の関係の概略図であ
る。
ステレーションの簡単な例の図である。
を説明する流れ図である。もとの信号系列40は、情報
系列60を符号化する(図のブロック50)ことによっ
て得られ、その後、もう1つの信号系列が生成される。
テストに基づいて、信号系列を送信用に選択するアルゴ
リズム例の流れ図である。
号系列を送信用に選択するアルゴリズム例の流れ図であ
る。
生成する手続きの流れ図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 周波数分割多重化方式によって送信用に
情報(60)を符号化する方法において、 (A) nを正の整数として、複素信号要素からなる初
期信号系列(40)(s1,...,sn)として情報を
差分符号化(50)するステップと、 その結果、該信号要素のある対の差によって情報が表示
され、 (a) 前記信号要素は、共通の要素を有さない少なく
とも2個のグループに分割され(70)、前記差分符号
化ステップ(A)は、前記信号要素の対が、前記少なく
とも2個のグループのうちの1つのグループからのみ得
られるよう、実行され、 (B) 少なくとも1個の別の信号系列を生成し、前記
初期信号系列及び前記少なくとも1個の別の信号系列か
らなる、少なくとも2個の代替的な信号系列を得る、生
成ステップと、 前記(B)生成ステップは、 (B1)前記少なくとも2個のグループのうち、少なく
とも1個を選択し、他のグループは選択しないままにす
るステップと、 (B2)その選択したグループの信号要素を複素平面に
おいて回転するステップを含み、 (b) 各信号要素は、信号要素のコンステレーション
から選択され、 (c) 前記回転は、前記(B2)のステップで回転し
た信号要素が属する前記コンステレーションを置換する
ために選択され、かくして前記回転のもとで、前記コン
ステレーションがそれ自体に写像され、 (C) 前記初期信号系列の中から、送信すべき符号化
系列のピークパワーを制限する基準に従って、さらに少
なくとも1つの信号系列を選択するステップと、 (D) この選択された系列を送信するステップとを有
することを特徴とする情報符号化方法。 - 【請求項2】 前記回転は、eiπ/2,−1,もしく
はei3π/2からなるグループから選択された因数に
よる乗算に等しいことを特徴とする請求項1に記載の方
法。
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