JP3638554B2 - 情報ビットストリームのエラー防止方法 - Google Patents

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Description

【0001】
本発明は情報ビットストリームのエラー防止方法およびこの方法を実施するためのエラー防止装置に関する。
【0002】
音声、トーン、画像、ビデオなどのソース信号(情報源信号)はほぼつねに統計的な冗長性を有している。ソース符号化(情報源符号化)によりこうした冗長性は除去され、ソース信号の効率的な伝送ないし記憶が可能となる。ただし別の側面からすると、信号伝送時にチャネルノイズを除去するためには所望の冗長性をチャネル符号化により再び付加することが必要である。
【0003】
ソース信号に関する知識が不完全であるか、または符号化プロセスの複雑性における制限のために、ソース符号化は通常は最適に実現できない。すなわち圧縮データにはいまだ或る程度の冗長性が存在している。この残りの冗長性はいわゆるソース制御型のチャネル復号または共通のチャネル復号の際にさらにビットエラーを補正するために利用される。これについてはドイツ連邦共和国特許出願公開第4224214号明細書、および J.Hagenauer, "Source-controlled channel decoding", IEEE Trans. Commun., Vol.43, Sept. 1995 2449頁〜2457頁を参照されたい。この場合チャネル復号器の復号過程は伝送される符号ビットおよび幾つかの重要なソースビットの確率値に関するアプリオリ情報/アポステリオリ情報(事前情報/事後情報)により制御される。VA復号すなわちビタビアルゴリズム復号が行われる場合には、この手法はApri‐VAと称される。この手法はすでに音声、トーン、画像およびビデオの伝送に対して有効に適用されている。
【0004】
ソース符号化により形成されたビットすなわち情報ビットは通常それぞれが著しく異なっており、例えばディジタルのメッセージ伝送/記憶の際に発生するビットエラーに対して過敏である。このため種々のビットに対する非一様エラー防止法UEP:Unequal Error Protectionが要求される。すなわち重要なビットがあまり重要でないビットよりも良好に保護される。
【0005】
例としてCELP:code excited linear predictionに基づく音声コーデックが挙げられる。これは例えばGSM規格のEFR:Enhanced Fullrateの音声コーデックおよびAMR:Adaptive Multi Rateの音声コーデックである。GSM‐EFRコーデックは1フレームに相応する20msごとに244個のビットを形成する。これは12.2kbit/sに相応する。このビットストリーム内のエラーの復号後の音声品質への作用はそれぞれ大きく異なる。多くのビットのエラー、例えばLPC:linear predictive codingのビット係数のビットエラーは不明性または大きなノイズをまねくが、他のビットのエラー、例えば固定のコードブックのビットはほとんど認識されない。このことは音声符号化器後方のビットを複数のクラスすなわちクラス1a、1b、2へ分割する契機となり、これにより多様なエラーに対しても保護が達成される。充分な音声品質を得るために、典型的にはコーデックタイプおよび品質要求に応じて、最重要ビットについて約10−4〜10−5、あまり重要でないビットについて約10−1〜10−2のビットエラーレートBERで保護を行わなければならない。このプロセスはUEPプロセスと称される。
【0006】
UEPを実現する通常の手法には
a)UEP機構を備えた特殊符号の使用(例えば H.Ma, "Binary unequal error-protection block codes formed from convolutional codes by generalized tail-biting", IEEE Trans. Information Theory, Vol.32, 1986 776頁〜786頁を参照)、
b)種々のクラスのビットの個別のチャネル符号化(例えばGSM‐EFRでクラス1a、1bのビットは符号化率1/2、メモリm=4の畳込み符号によって符号化されて伝送され、クラス2のビットは符号化されずに伝送される)、
c)チャネル符号化とビットの重要度に適合化されたパンクチャとの組み合わせ(例えばGSM‐AMR規格)
などが挙げられる。
【0007】
こんにちでは第3世代の移動無線システム3GPP:third generation partner projectまたはUMTS:universal mobile telecommunication systemが標準化されている。一般的なデータ伝送に対しては既に統一的なストラクチャがまとめられている(Transport channel multiplexing structure for uplink, "TS25.212 V2.0.0.(1999-06), 3rd Generation Partnership Project(3GPP)", Technical Specification Group(TSG), Radio Access Network(RAN), Working Group1(WG1) のFig.4-1,4-2を参照)。
【0008】
その際に畳込み符号またはターボ符号によるチャネル符号化が実現される。畳込み符号は符号化率1/2および1/3であり、拘束長/制御長はm+l=9であり、ここでmは符号メモリと称される。符号化率マッチングはチャネル符号化により形成された符号ビットを符号ビットが少ない場合にサービス品質および/または所定のトランスポートチャネル内部で可能な固定長に相応して反復するか、符号ビットが多い場合パンクチャするために用いられる。すべての機能ユニット、すなわちCRC、チャネル符号化、インターリーバ、符号化率マッチングなどは一部のブロックではなくデータブロック全体へ、すなわち完全な入力ビットストロームへ適用される。
【0009】
このようなストラクチャは種々のサービスに対する簡単かつ統一的なシステムを形成するが、通常のチャネル符号化のメソッドでは、例えば音声サービスに対するUEPを実現するのは困難である。AMR符号化されたビットの重要度を適合化するために、種々のクラスのビットをそれぞれ別個に良好に保護して伝送しなければならない。簡単な解決手段は、種々のクラスのビットをそれぞれ異なるトランスポートチャネルを介して伝送することである。
【0010】
この種のUEP解決手段の欠点は、ビットおよびこれに必要なオーバヘッドの分解および合成の管理が複雑になることである。
【0011】
AMRコーデックのモード12.2kbit/sを例として見てみよう。このモードは3つのクラスのビット、すなわちクラスAの81ビット、クラスBの103ビット、およびクラスCの60ビットを有している。これら3つのクラスのビットが3つのトランスポートチャネルを介して伝送される場合、各クラスにはまずブロックエラー検出用の例えば16個のCRCビットと続いて8個のテールビットとが供給される。テールビットは符号化率1/3、拘束長9の畳込み符号が使用される場合に設けられる。チャネル符号化後の全符号ビットは3×(81+16+8)+3×(103+16+8)+3×(60+16+8)=948ビットであり、そのうち3×(16+8)+3×(16+8)+3×(16+8)=216ビット、すなわち全符号ビットのうち216/948≒23%はオーバヘッドに属する。244ビット全てがトランスポートチャネルによって伝送される場合、オーバヘッドは3×(16+8)=72ビットとなり、このビットがUMTSデータ伝送に必要となる。これは全符号ビット(244+16+8)×3=804のうち72/804≒9%に相当する。
【0012】
したがって本発明の課題は、僅かな防止コスト(オーバヘッド)および高い純情報密度のエラー防止方法およびエラー防止装置を提供することである。
【0013】
本発明はチャネル符号化ステップの前に既知のビットを挿入するという基本的な着想に基づいている。この既知のビット(以下ダミービットと称する)は情報ビットの近傍、特に情報ビットの両側へ挿入され、しかも非終結であるので既知のビットグループがデータブロックの終了部に存在する周知の符号終結とは異なっている。情報ビットの重要度が増すにつれて、より多くのダミービットおよび/または既知のビットがこの情報ビットの近傍へ挿入される。非一様なエラー防止を行うために従来の技術では情報ビットの2つのクラスへのクラシフィケーション、すなわち重要なビットとあまり重要でないビットとのクラシフィケーションが前提となっているのに対して、本発明では、より精細に段階付けられる少なくとも3つのクラスへのクラシフィケーションを行う。これはそれぞれ連続する複数のダミービットを重要度の高い情報ビットの近傍へ挿入し、1つのダミービットを中程度の重要度の情報ビット近傍へ挿入するようにして行われる。
【0014】
有利には、高い符号化率の符号から成る既知のダミービットを挿入することにより低い符号化率の符号を形成する。特に有利には組織符号を適用し、符号ビット内に挿入された既知のビットすなわちダミービットを一緒には伝送しない。
【0015】
パンクチャとの結合も有利であり、特に本発明の方法に続いて符号ビットをパンクチャすると好都合である。
【0016】
本発明の方法に関連して、ソース制御型のチャネル復号などの復号プロセスも使用可能である。ここで既知のビットに対して受信側で最大ないし絶対のアプリオリな知識が設定される。これはApri‐VAのアルゴリズムでは対数尤度比である。
【0017】
本発明の方法の主たる利点として
a)実現する際の簡便性:アプリオリな知識を利用するチャネル復号器(例えば通常のビタビアルゴリズムに代わるApri‐VAアルゴリズム)を除いてチャネルコーデックの他の全ての部分を変更せずに使用可能であり、これにより設定された伝送ストラクチャに対するUEP(3GPなど)も特段の変更なしに実現可能であること、
b)フレキシビリティ:UEPを個々の情報ビットへ容易に適合できること、
c)特殊なオーバヘッドの省略
などが挙げられる。
【0018】
UMTSでのAMRコーデック12.2kbit/sによる上述の例では、244ビット全てが本発明の方法により1つのトランスポートチャネル内部で伝送可能である。
【0019】
本発明の方法を実施するのに適した装置では、符号化器は既知のデータビットすなわちダミービットを重要度の高い情報ビット近傍の位置へ挿入する手段を含んでいる。この種の装置はさらに情報ビットをその重要度に応じてクラシフィケーションするクラシフィケーション装置を有しているか、または少なくとも相応のクラシフィケーション信号のソース、例えば外部のクラシフィケーション装置のメモリ装置に接続されている。
【0020】
畳込み符号化された受信ビットストリームを復号するために、例えば次のような修正ビタビアルゴリズムVAが使用される。畳込み符号のトレリスダイアグラムは分岐すなわち状態遷移部とノードとから成り、各ノードには複数の分岐が共通に到来している。1つのノードは畳込み符号のメモリの1つの状態を表している。符号化率1/nの畳込み符号の所定の時点に対して、トレリスダイアグラムではビットが予め定義されていなければ次の時点で2m+1個の分岐が存在する。ダミービットが挿入されると、さらに2個の分岐のみが可能となる。通常のビタビ復号器は当該の分岐のみが達成されるように修正することができる。換言すれば、2個の分岐を経ていないパスは拒絶される。この手法は複数のダミービットおよび他の符号に対して拡張することができる。
【0021】
この場合この種のシステムは、トレリスダイアグラム内の複数のパスを介して処理される情報ビットストリームの検査をダミービットの位置および値に則して制御するフロー制御部と、比較器ユニットに接続されかつ行われた比較結果に依存して所定のパスの拒絶または受容ないし選択を決定する判別ユニットとを有している。
【0022】
別の有利な実施形態では、この種の全システムはソース制御型のチャネル復号器を有しており、この復号器は特にApri‐VAアルゴリズムまたはMAPアルゴリズムを実現する。この種の復号器はいわゆる“L値”、すなわち挿入された既知のビットの対数尤度比の値に対するデータベースを有している。
【0023】
本発明の方法はソース信号、特に音声信号のエラー防止伝送に実際的な意義を有する。したがって本発明は特に移動無線システムでの適用に適している。
【0024】
本発明の利点および効果は従属請求項と図示の実施例および実施態様についての以下の説明とから得られる。図1にはチャネル符号化前の情報ビットストリームないし相応のチャネル符号化に対するアプリオリな知識ベースの概略図が示されている。図2にはAWGNチャネルのVA復号器のビット番号に依存するBERのシミュレーションが示されている。図3には既知のダミービットを有する畳込み符号の保護手段が示されている。図4にはAWGNチャネルのRSC符号のシミュレーションが示されている。
【0025】
図1に示されているように、ビットu,uはビットu,uよりも良好に保護しなければならず、ビットu,uはu,u,u,...よりも良好に保護しなければならない。この場合、2つの既知のビットをビットu,uの間に挿入し、1つの既知のビットをビットu,uの間に挿入する(“0”または“1”)。復号側では、u,uの間の2つのビットが“0”であり、u,uの間の1つのビットが“1”であるというアプリオリな知識が利用される。
【0026】
復号の際には次のような手法が可能である。
【0027】
a)通常のビタビアルゴリズムVAの場合、例えばアプリオリな知識は可能なパスを選択する際に使用される。すなわち既知のビットが誤って復号されたパスが廃棄される。このことは畳込み符号の終結と同様である。
【0028】
b)Apri‐VAまたは類似のアルゴリズム、例えばMAP復号アルゴリズム(最大事後確率復号)を使用する際には、既知のダミービットに対するアプリオリL値を許容可能な最大値として使用することができる。例えばビット“0”に対してL=+∞、ビット“1”に対してL=−∞である。情報ビットu,u,u,u,...に対してアプリオリな知識が存在しない場合には、L=0(i=1,2,...)が相当する。
【0029】
c)組織チャネル符号、例えば再帰的組織畳込み符号などはすでにGMR‐AMRチャネル符号化で使用されており、またコンポーネント符号はターボ符号化で使用されているが、これらに対しては情報ビットのアプリオリなL値がまず相応の組織符号ビットすなわち情報ビットのチャネル軟値すなわちチャネル復号器の軟入力値へ加算され、得られた軟値がチャネル復号器の軟入力値として使用される。このようにしてアプリオリな知識を利用するチャネル復号器、例えばApri‐VAを直接に従来のVAにより修正なしで実現することができる。
【0030】
図2には、拘束長m+l=5、符号化率1/3の畳込み符号を加法白色ガウス雑音AWGNのチャネルで使用した場合のシミュレーション結果が示されている。ブロック長はビット0...ビット199の200である。使用されるジェネレータ多項式は
=1+D+D
=1+D+D+D
=1+D+D+D
である。ここで符号は既知の初期状態を有しており、データブロックの終了部ではm個のテールビットにより終了される。テールビットはこの実施例では0である4個のビットである。
【0031】
シンボル“+”付きの実線ではダミービットなしの通常の符号化/復号を使用した200個全ての情報ビットのビットエラーレートBERが示されている。またシンボル“×”付きの破線で既知のダミービットをビット位置9、11、15、49、89、90、129、130、131、169、170、171、172へ挿入してApri‐VAを使用した場合のビットエラーレートBERが示されている。ここからわかるように、BER=0となるダミービットを考慮しない場合ダミービットの直接近傍のダミービットはダミービットから離れた情報ビットよりも低いBERを有する。これによりUEPが達成される。種々の平行線は種々のチャネル状況を表している。上方から下方へ向かって、信号ノイズ比S/N=−5.0,−4.5,−4.0,−3.5,−3.0,−2.5,−2.0,−1.5,−1.0,...である。
【0032】
以下の点に注意されたい。
【0033】
1)データブロックの開始部および終了部のビットは低いBERを有している。これは畳込み符号の開始状態および終結される場合の終了状態が既知であることによる。実際には本発明の方法は符号終結に類似の方式に基づいている。異なるのは既知のビットが終結時にデータブロックの所定の終了部のみで一度しか使用されないという点である。なぜなら終結が行われないとデータブロックの終了部のビットが充分に保護されず他のビットに比べて格段に劣化してしまうからである。これに対して本発明の方法では、既知のビットは良好に保護すべきビットの近傍へ一般には複数回挿入される。
【0034】
2)付加的なダミービットの使用すなわち複数の冗長符号の挿入により、情報ビットはつねに良好に保護され、その際にもパフォーマンスの劣化は生じない。
【0035】
3)畳込み符号の終結の場合と同様に、ダミービットの付加的な保護作用は基本的に符号の制御長までに制限されている。幾つのダミービットが挿入されるかに応じて、制御長m+lの2〜3倍の保護領域が得られる。例えば制御長が5であれば、付加的にダミービットから10〜15個の距離を有するビットも保護することができる。
【0036】
4)通常の非組織畳込み符号では、連続するm個以上のビットをダミービットとして使用することはできず、ここでmは符号メモリである。なぜならm個のビットの符号はすでに終結されており、m個を超えるビットによるBERの更なる低減は不可能だからである。
【0037】
図3には、m=4の非組織畳込み符号に対してビットuが左側4個、右側4個の8個のダミービットにより最適に保護されることが示されている。
【0038】
上述の説明は畳込み符号に対するものであるが、その基本方式は符号化後に連続する符号ビット間に相関が生じる全ての符号、例えばターボ符号にも適用できる。
【0039】
本発明の方法は組織チャネル符号、例えば再帰的組織畳込み符号/RSC符号またはターボ符号に対して特に魅力的かつ効果的である。なぜなら挿入された同じダミービット、例えば“0”は組織符号ビットとしての符号語へ反映され、伝送しなくてよいからである。
【0040】
このことを実施例に則して説明する。ビットa−b−c−0−d−0−e−f−g−...が符号化率1/2の符号でチャネル符号化され、ここでa−b−c−d−e−f−gがデータビットであり、そのうちのdを2つの0の挿入により保護すべきである場合、符号化されたビット、すなわち符号ビットまたは符号語は組織チャネル符号が使用されるケースではaA−bB−cC−0X−dD−0X−eE−fF−gG−...の形式を取る。この場合a,A,b,B,...,X∈{0,1}であり、一般にX=任意の数であって第1のXは必ずしも第2のXと等しくない。2つのダミービット0は受信側で既知となっているので、単にビットaA−bB−cC−X−dD−X−eE−fF−gG−...を伝送すればよい。伝送されないダミービットは場合によっては復号前に最高の信頼性によってリセットされる。これは低い等価符号化率に相応する。非組織符号が使用されるケースでは、符号化ビットは一般に全て伝送しなければならないAA−BB−CC−XX−DD−XX−EE−FF−GGの形式を取る。
【0041】
この方法によれば一般に低い符号化率の全ての符号を組織符号であっても非組織符号であっても高い符号化率の符号から形成することができる(次の実施例を参照)。したがって本発明の方法と、高い符号化率の符号を低い符号化率の符号から形成するパンクチャ法とを組み合わせて、所望かつ任意の符号化率および/または最適なパフォーマンスを達成することができる。
【0042】
実施例について説明する。符号化率1/3の組織符号を符号化率1/2の組織符号から規則的に0を挿入することにより形成することができる。すなわちa−0−b−0−c−0−d−0−...である。これらのビットを符号化率1/2の符号で符号化するとaA−0X−bB−0X−cC−0X−dD−0X−...となる。この場合伝送すべきビットはaA−X−bB−X−cC−X−dD−X−...である。符号化率1/3の符号は同数の符号ビットすなわちaAX−bBX−cCX−dDX−...を形成するので、等価の符号化率は1/3である。同様に等価の符号化率2/5の符号(a−b−0−c−d−0−e−...)、3/7の符号(a−b−c−0−d−e−f−0−...)を符号化率1/2の組織符号から形成することができる。このシミュレーションではこのようにして形成された符号化率1/3の符号が最適な符号化率1/3の符号とほぼ同等のパフォーマンスを示すことがわかる。
【0043】
図4では以下のデータが相当する。m=8、AWGNチャネル、TS25.212V20.0(1996-06), 3rd Generation Partnership Project(3GPP); Technical Specification Group(TSG), Radio Access Network(RAN); Working Group 1(WG1) の多項式から成るRSC符号は
a)m8r2rscvach0.pro.−3=符号化率1/2、チャネルE/N=−3dBの符号、
b)m8r3rscvach0.pro.−3=符号化率1/3、チャネルE/N=−3dBの符号、
c)m8r2rscvach0_alp2.pro.−3=等価符号化率1/3、チャネルE/N=−3dBの符号(本発明の方法)、
4)m8r2rscvach0_alp3.pro.−3=等価符号化率2/5、チャネルE/N=−3dBの符号(本発明の方法)、
5)m8r2rscvach0_alp4.pro.−3=等価符号化率3/7、チャネルE/N=−3dBの符号(本発明の方法)、
6)m8r2rscvach0_alp5.pro.−3=等価符号化率4/9、チャネルE/N=−3dBの符号(本発明の方法)
を有する。
【0044】
本発明の構成は上述の実施例に限定されるものではなく、当業者の扱う範囲の複数の分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 チャネル符号化前の情報ビットストリームの概略図である。
【図2】 AWGNチャネルのVA復号器のビット番号に依存するBERのシミュレーションを示す図である。
【図3】 既知のダミービットを有する畳込み符号の保護手段を示す図である。
【図4】 AWGNチャネルのRSC符号のシミュレーションを示す図である。

Claims (13)

  1. チャネル符号化前に既知の複数のダミービットを情報ビットストリームの情報キャリアビット近傍の既知のビット位置、例えば情報キャリアビットの両側へ挿入する、
    ビットエラーレートを低減するためのディジタルメッセージ伝送システムでの情報ビットストリームのエラー防止方法において、
    情報ビットストリームの情報ビットを重要度の点で少なくとも3つのクラスにクラシフィケーションし、
    ダミービットを重要な情報キャリアビットの近傍へ挿入する際に、連続する複数のダミービットを高い重要度を有する情報ビットの近傍へ、1つのダミービットを中程度の重要度を有する情報ビットの近傍へ挿入する
    ことを特徴とする情報ビットストリームのエラー防止方法。
  2. 既知のダミービットを挿入することにより高い符号化率の符号から低い符号化率の符号を形成する、請求項1記載の方法。
  3. 組織符号を適用し、符号ビット内のダミービットを伝送しない、請求項1または2記載の方法。
  4. 符号ビットを続いてパンクチャする、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
  5. 移動無線システムで適用される、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  6. ソース信号例えば音声信号の伝送に適用される、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  7. 畳込み符号に適用される、請求項4からまでのいずれか1項記載の方法。
  8. 受信側で例えばビタビアルゴリズムに関連して、保護すべき情報ビットストリームに基づくパス選択を行い、ダミービットの各位置ごとに処理される情報ビットストリームと保護される情報ビットストリームとが一致しているか否かを検査し、一致しない場合には相応のパスを拒絶する、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  9. 保護すべき情報ビットストリームの復号をソース制御型のチャネル復号、例えばApri‐VAまたはMAPアルゴリズムにより行う、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  10. 組織チャネル符号、例えば再帰的組織畳込み符号に対して情報ビットのアプリオリL値を相応の組織符号ビットの軟入力値へ加算し、続いて従来のビタビアルゴリズムを用いて復号する、請求項記載の方法。
  11. 請求項1から10までのいずれか1項記載の方法を実施するための情報ビットストリームのエラー防止装置において、
    既知のデータビットを符号化すべき情報ビットストリームの所定のビット位置へ挿入する手段を備えた符号化器が設けられており、
    情報ビットストリームの情報ビットの重要度を3つのクラスへクラシフィケーションするクラシフィケーション装置が設けられており、該クラシフィケーション装置の出力側は既知のデータビットの挿入を制御する手段に接続されている
    ことを特徴とする情報ビットストリームのエラー防止装置。
  12. 情報ビットを例えばビタビアルゴリズムにより複合化するために、受信された情報ビットストリームの複数のパスの検査を制御するフロー制御ユニットが設けられており、複数のパスを介して処理された情報ビットストリームをダミービットの位置および値に基づいて検査する比較器ユニットが設けられており、該比較器ユニットの出力側に接続されて、検査された各情報ビットストリームに対応するパスを比較の結果に応じて拒絶または受容する判別ユニットが設けられている、請求項11記載の装置。
  13. ソース制御型のチャネル復号器、例えばApri‐VAアルゴリズムまたはMAPアルゴリズムを実行する復号器が設けられている、請求項11または12記載の装置。
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