JP3662766B2

JP3662766B2 - 反復デマッピング

Info

Publication number: JP3662766B2
Application number: JP09573099A
Authority: JP
Inventors: テンブリンクスチーヴァン
Original assignee: ルーセントテクノロジーズインコーポレーテッド
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1999-04-02
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2019-04-02
Also published as: JP2000041078A; CN1236229A; CN1140059C; CA2266108C; EP0948140A1; KR19990082874A; KR100403230B1; AU2251099A; DE69930467T2; AU721048B2; ES2259227T3; CA2266108A1; US6353911B1; BR9901231A; EP0948140B1; DE69930467D1

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、例えば、デジタル無線通信システムの基地局のような受信機における信号の反復復号化に関する。
【０００２】
【発明の背景】
反復復号化アルゴリズムは、デジタル通信における重要な研究分野となった。反復復号化に適した符号化スキームの中、最初に発見され現在でも最も一般的なものは、「ターボ・コード(Turbo Codes)」とも呼ばれる、２つの再帰的組織コンボルーション・コード(recursive systematic convolutional code)の並列連結である。その基礎にある「ターボ原理」は、最新デジタル通信で使用される他のアルゴリズムにより一般的に適用可能であり、最近数年間、「ターボ原理」の他の用途が発見された。
【０００３】
チャネル符号化は、伝送デジタル情報信号の雑音に対する耐性を高めるために使用される。このため情報ビット・シーケンスは送信機でチャネル符号器によって符号化され、受信機でチャネル復号器によって復号化される。符号器では冗長情報が情報ビット・シーケンスに追加され、復号器での誤り訂正のために使用される。例えば、組織チャネル符号化スキームでは、冗長情報は、追加の挿入された「符号化」ビットとして情報ビット・シーケンスに追加される。非組織符号化スキームでは、出ビットはすべて符号化ビットなので、「裸の」情報ビットは存在しない。入ビット（情報ビット）の数は出ビット（情報ビット＋挿入された符号化ビット、またはすべての符号化ビット）の数より少ない。この入／出ビットの比は「コード・レートＲ」と呼ばれる（通常、Ｒ＝１：２である）。
【０００４】
「ターボ原理」を使用する最近の進歩が示したことは、受信機と無線通信する複数のユーザを含むデジタル通信システムでは、反復復号化ステップを受信データに適用することによって復号化信号の品質の改善が達成されるということである。特に、Baunch、KhorramおよびHagenauerの「移動通信システムにおける反復等化と復号化(Iterative Equalization and Decoding in Mobile Communication System)」（ＥＰＭＣＣ’９７、第３０７頁乃至第３１２頁、１９９７年１０月、ボン（ドイツ））は、移動無線チャネルを通じて伝送される符号化データの反復復号化へのターボ原理の適用を論じている。
【０００５】
反復復号化に適したものとするために、伝送信号は少なくとも２つの連結コードによって符号化し、直列または並列に連結しなければならない。
【０００６】
図１は、直列連結符号化スキームを示す。伝送はブロック毎に行われる。デジタル信号源からのバイナリ信号は、まず外部符号器によって符号化された後、インタリーバ(interleaver)を通過するが、そこでは入ビット記号の順序が変更され、信号が以下の処理段に対してよりランダムに見えるようになる。インタリーバの後、信号は「内部符号器(inner encoder)」によって２度目の符号化が行われる。これに対応して、受信機では、信号はまず第１復号化ステップで内部復号器によって復号化され、デインタリーブ(de-interleave)され、第２の復号化ステップで外部復号器によって復号化される。外部復号器からソフト決定値が、内部復号器への追加「事前」入力としてフィードバックされる。ソフト決定値はハード決定値の信頼性に関する情報を提供する。最初の反復では、復号化ステップが反復され、ソフト決定値が第１のおよび第２の復号器の入力値として使用される。
【０００７】
ある特定の伝送シーケンスの反復復号化は、例えば、一定数の反復後、またはあるビット誤り率の到達といった任意の終了基準をもって終了する。内部復号器への「事前」ソフト値は、伝送ビット・シーケンスの最初の復号化（０次反復）に対して０に設定されることに留意されたい。
【０００８】
内部および外部バイナリ・コードは、組織、非組織ブロックまたはコンボルーション・コード(convolution)といったどんな形式でもよい。単純マッピング（例えば、対蹠またはバイナリ位相シフト・キーイング）が、（内部符号器の後）送信機で行われ、単純デマッピングが、（内部復号器の後）受信機で行われるが、これは説明をわかりやすくするため図１では示されない。同様に、図１は、単一ユーザのシナリオを例示しているが、適当な多重化を適用することによって適切な多重ユーザ・システムが提供される。
【０００９】
受信機の２つの復号器は、ソフトイン／ソフトアウト復号器（Ｓoft-Ｉn/Ｓoft-Ｏut復号器）である。ソフト値は、対応するビット記号のビット決定（０と１のどちらが送信されたか）の信頼性を表す。ソフトイン復号器は入ビット記号に関するソフト信頼性値を受け入れる。ソフトアウト復号器は出ビット記号に関するソフト信頼性値を提供する。ソフトアウト信頼性値は、送信機の各符号化ステップで追加される冗長情報に基づいて復号化処理中に改善されているため、普通、ソフトイン信頼性値より正確である。最上の性能は、対応するチャネル・コードに合わせて調整された事後確率計算器（ＡＰosteriori Ｐrobability calculator：ＡＰＰ計算器）を提供するＳＩＳＯ復号器によって達成される。例えば、ＳＯＶＡ（Ｓoft Ｏutput Ｖiterbi Ａlgorithm：ソフト出力ビタビ・アルゴリズム）のような、より高速だが最適状態に及ばないアルゴリズムもいくつか存在する。
【００１０】
移動通信システムの特定の用途では、チャネル符号器と符号間干渉（ＩnterＳymbol Ｉnterface：ＩＳＩ）チャネルは直列連結符号化スキームと考えられ、チャネル符号器は外部符号器として機能し、ＩＳＩチャネルは内部、レートＩ、時間変化コンボルーション符号器として機能する。それ故、反復復号化は、特に等化器が内部復号化ステップを行い、復号器が外部復号化ステップを提供するヨーロッパ無線デジタル・セルラ標準「ＧＳＭ」での利用に適している。悪い通信チャネル条件（低ＳＮＲ、フェージング、マルチパス伝播等）が存在する場合、ビット誤り率（Ｂit Ｅrror Ｒate：ＢＥＲ）の改善が、ＢＥＲの下限に達するまで行われる各反復ステップによって達成される。基地局が受信した信号は等化され、受信符号化ビットのソフト決定値を提供する。
【００１１】
復号化ステップを何回も繰り返すことによって受信信号のＢＥＲは改善される。しかし、各反復ステップはメモリ、計算時間といったリソースを消費し、専用の特定用途向け集積回路ＡＳＩＣ（Ａpplication Ｓpecific Ｉntegrated Ｃircuits）を拘束する。実際の基地局では、並列に復号化できる信号の数は利用可能な信号処理ユニット（Ｓignal Ｐrocessing Ｕnit：ＳＰＵ）の数によって制限される。従って、デジタル信号プロセッサ（Ｄigital Ｓignal Ｐrocessing：ＤＳＰ）のような反復復号化ハードウェアとソフトウェアを各ＳＰＵに提供することは基地局の費用と複雑さを大きく増加させる。
【００１２】
多重レベル変調では、Ｎ個のビット（ビット記号）が送信機で集められて１つの「マップ記号(mapped symbol)」（簡単に、「記号」とも呼ばれる）を形成する。この記号は実または複素信号空間（すなわち、実軸または複素平面）にマップされる。マッピング操作は簡単に、マップされていない記号（Ｎビット、数値は０、．．．２^N−１）をパルス振幅変調（Ｐulse Ａmplitude Ｍodulation：ＰＡＭ）の離散的振幅レベル、位相シフト・キーイング（Ｐhase Ｓhift Ｋeying：ＰＳＫ）の離散的位相レベル、直交振幅変調（Ｑuadrature Ａmplitude Ｍodulation：ＱＡＭ）の複素平面の何れかの離散的信号点またはＰＡＭ、ＱＡＭ、ＰＳＫの何れかの組み合わせに関連させることである。通常、グレーコード・マッピングが使用されるが、この場合、隣接する信号点は正確に１ビットだけ異なっている。一般に、マッピングはどの種類でもよい。
【００１３】
受信機では、入記号は雑音に影響される。ハード決定デマップ操作(hard decision demapping operation)は、入記号を信号空間の最も近い信号点（実または複素信号空間での最小ユークリッド距離の信号点）と関連させ、例えば、対応するグレーコード化符号語をＮビット／マップ記号に対するハード決定値（０、１）として得る。
【００１４】
しかし、チャネル符号化およびソフト・チャネル復号化（すなわち、ソフト入力復号器）と共に多重レベル変調を使用する場合、デマップ操作は、好適には、ソフト信頼性値をチャネル復号器への入力として計算する。説明を簡単にするため、「多重レベル変調」という用語は、ＰＡＭ、ＰＳＫおよびＱＡＭに言及するとき、ＰＡＭの場合「多重振幅レベル」、ＰＳＫの場合「多重位相レベル」、ＱＡＭの場合「多重信号点」の意味で使用する。
【００１５】
【発明の概要】
本発明の第１の実施例によれば、信号を反復復号化する方法が提供されるが、この方法は、信号をデマップするステップと、デマップ信号を復号化するステップとを含み、デマップ・ステップと復号化ステップとが反復されることを特徴とし、さらに反復デマップ・ステップが入力として以前の復号化ステップ出力を使用することを特徴とする。
【００１６】
本発明の第２の実施例によれば、信号を反復復号化する装置が提供されるが、この装置は、信号を受信する第１の入力と出力とを有し、デマップ信号を発生するデマッパと、デマップ信号を受信する入力と復号化信号を発生する出力を有する復号器とを備え、デマッパは復号化信号を受信する第２の入力を有することを特徴とする。
【００１７】
移動通信システムの各ユーザは、通信サービスの相違により、異なったサービス品質（Ｑuality ｏf Ｓervice：ＱｏＳ）の要求、すなわち、異なったＢＥＲと待ち時間の制約を有する。例えば、音声通信はＢＥＲの要求は最も低い（すなわち、多くのビット・エラーを許容できる）が待ち時間の制約は最も大きい（すなわち、双方向会話では長い遅延は許容できない）。視覚的通信はＢＥＲの要求は音声通信より高く、待ち時間の制約も高い。データ通信（例えば、無線インターネット・ウェブ・ブラウジング）は、ＢＥＲの要求が最も高いが、待ち時間の制約は最も低い。各ユーザは、基地局からの距離、伝播環境および、移動中の場合、速度の相違により異なった信号品質（すなわち、ＳＮＲ）、マルチパス伝播およびフェージングで基地局と通信する。
【００１８】
マッピング操作自体は、（「古典的な」直列連結符号化スキームとは異なって）信号の冗長性を増やさないが、いくつかのビット記号を集めて１つのマップ記号を形成することによって信号のメモリを増やす。
【００１９】
デマッパは、復号器から得られた事前情報を受け入れるために修正されたソフト・デマッピング・デバイスである。復号器はチャネル復号器であり、どんなＳＩＳＯ復号器（最適ＡＰＰ、または、例えば、ＳＯＶＡのような他の次善アルゴリズム）でもよい。すなわち、反復デマッピングと復号化は、直列連結反復復号化スキームと見なすことができ、そこでは、内部復号器はソフト・デマッピング・デバイスによって置換される。反復デマッピングと復号化は任意の終了基準（例えば、一定数の反復後、またはあるビット誤り率に到達したとき）によって終了する。
【００２０】
本発明の実施例は、一例として移動セルラ通信システムを使用し、添付の図面を参照して説明される。
【００２１】
【発明の詳細な記述】
送信機では、バイナリ・ランダム信号が連結符号化されてインタリーバに供給され、そこでビット記号がインタリーブされる（任意のチャネル・コードが使用可能であり、非組織符号は一例として使用されるに過ぎない）。インタリーバの後、Ｎ個のビットが集められ、適用される変調スキーム（図３乃至図６に例示されるようなＰＡＭ、ＰＳＫ、ＱＡＭ、そこではＩチャネルが信号の実部を表し、Ｑチャネルが虚数部を表す）に従って複素信号配列にマップされる。好適な符号語配列（「マッピング」とも呼ぶ）は、図３〜図６に示すグレーコード化であり、隣接する信号点は１つの２進数だけ異なる。グレーコード化は、一例として使用されるに過ぎず、逆グレーコード化等の何らかの他のマッピングも使用される。
【００２２】
チャネルでは、記号は、付加的雑音または何らかの他の形態の雑音によって歪められる。
【００２３】
受信機では、チャネル記号はデマップされ、Ｎ個／記号のグレーコード化ビットの各々についてログ尤度比計算(log-likelihood ratio calculation)によって分解される。ログ尤度比値（「ソフト値」）はデインタリーブされ、事後確率計算器（ＡＰＰ）に入力される（何らかの他のＳＩＳＯ復号器も使用される）。復号化の後、情報ビットのＡＰＰソフト出力値の符号を得ることによって、伝送情報ビットの推定がハード決定デバイスの出力で得られる。
【００２４】
反復デマッピング／復号化経路では、「付帯的情報」はビット・インタリーバを通過し、事前知識としてソフト・デマッピング・デバイスにフィードバックされる。「付帯的」情報とは、復号器でのソフト入力とソフト出力の値の差であり、復号化処理によって得られた新しい、統計的に独立した情報（少なくとも最初の反復について）を示す。
【００２５】
受信機での複素チャネル記号ｚは整合フィルタ出力と考えられる。これはＮ個の符号化ビットを伝える。ＳＩＳＯ復号器はソフト入力処理を有するので、デマッピング・デバイスはＳＩＳＯ復号器でさらに復号化するために各ビットｘ₀、．．．ｘ_N-1についてソフト値を抽出する。記号毎の各Ｎビットに対するこのソフト値は、整合フィルタ出力ｚによって条件付けられる対応するビットのログ尤度比（Ｌ値）である。Ｌ値の絶対値はビット決定の信頼性を示す。
【００２６】
ビットｘ_kに対するＬ値計算のすべての項は、ビットｘ_kの付加的「事前」Ｌ値と、残りのビットｘ_j、j＝０．．．Ｎ−１，ｊ≠ｋの事前Ｌ値を含む小数項からなる。
【００２７】
ビットｘ₀、．．．ｘ_N-1の事前Ｌ値は、ＳＩＳＯ復号器によってソフト・デマッピング・デバイスの入力として提供される。
【００２８】
シミュレーションが示すところによれば、反復ソフト・デマッピングと復号化の最高の性能は、ビットｘ_kの付加的事前Ｌ値がビットｘ_kのＬ値のすべての項の範囲外に残り、残りのビットｘ_j、j＝０．．．Ｎ−１、ｊ≠ｋの事前Ｌ値がビットｘ_kの計算の際検討される場合達成される。これは図２でデマッピング・デバイスの後の減算によって示される。すなわち、ＳＩＳＯ復号器からの事前値がデマッピング・デバイスの対応するビットのログ尤度比計算の出力から減算される。この情報はデインタリーバにフィードバックされ、（ＳＩＳＯ復号器からの付帯的情報と異なって）デマッピング・デバイスの「付帯的情報」とみなされる。
【００２９】
Ｌ値の計算には、ソフト・デマッピングと記号毎のＮビットの分解との両方が含まれる（これらは図２が示唆するように、２つの別個の操作ではない）ことに留意されたい。
【００３０】
反復ソフト・デマッピングと復号化は、簡単なチャネル符号化を使用する従来の多重レベル変調スキームのビット誤り率を低減する。単純なチャネル符号化と多重レベル変調を有する最新のデジタル通信システムの多くは、受信機回路を変更し、事前情報を受け入れるソフト・デマッピング・デバイスを加え、チャネル復号器としてＳＩＳＯ復号器を加えることによって改善される。
【００３１】
これはＮビット／記号の多重レベル変調スキームに適用できるが、ここでＰＡＭ、ＰＳＫおよびＱＡＭについてＮ＞１であり、Ｎ＝２のＰＳＫとＱＡＭについて逆グレー・マッピング(Anti-Gray-mapping)を適用しなければならない。
【００３２】
インタリーバは、記号をビット・レベルでインタリーブするビット記号インタリーバであることに留意することは重要である。符号器とマッパの間に少なくとも１つのビット記号インタリーバがあれば、符号器と記号マッパの間に直列連結されたビット記号と「ｎビット」記号の両方のインタリーバを適用する他のシステムも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】直列連結符号化スキームを使用する送信機と受信機を示す図である。
【図２】本発明による送信機と受信機のシステムを示す図である。
【図３】４レベルＰＡＭスキームの信号配列を示す図である。
【図４】複素信号空間での矩形１６点ＱＡＭの信号配列を示す図である。
【図５】複素信号空間での８レベルＰＳＫの信号配列を示す図である。
【図６】任意の組み合わせのＰＡＭ、ＰＳＫ、矩形ＱＡＭ（ＱＡＭとも呼ぶ）の信号配列を示す図である。

Claims

多重レベル変調信号を反復して復号化する方法であって、
前記信号をデマップする段階と、
デマップされた前記信号をビット・デインタリーブする段階と、
デインタリーブされた前記信号を復号化する段階とを含む方法において、
デインタリーブされた前記信号と前記復号化する段階の出力の間の差をインタリーブする段階と、
前記デマップ段階、前記デインタリーブ段階および前記復号化段階を反復する段階と、をさらに含み、
前記復号化段階は、前記復号化された信号を表すソフト信頼性値を生成し、
前記反復されたデマップ段階は、以前の復号化段階のビット・インタリーブされた差信号をデマップするようになっていることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法において、前記デマップ段階、デイン
タリーブ段階及び復号化段階が、所定のビット誤リ率が達成されるまで反復されることを特徴とする方法。
請求項１乃至２のいずれかに記載の方法において、前記信号が逆グレーコード化されることを特徴とする方法。
多重レベル変調信号を反復して復号化する装置であって、
前記信号を受信する第 1 の入カと出力とを有し、デマップされた信号を発生するデマッパと、
前記デマップされた信号を受信する入力と出カとを有し、デマップされかつデインタリーブされた信号を発生するビット・デインタリーバと、
前記デインタリーブされた信号を受信する入カと出力とを有し、復号化信号を発生する復号器とを備える装置において、
前記デインターリーブされた信号と前記復号化信号の間の差を受信する入力と出力を有し、ビットインターリーブされた差信号を発生するためのビット・インターリーバをさらに備え、
前記デマッパは前記ビットインターリーブされた差信号を受信する第２の入力を有し、および前記復号器は前記復号化信号を表すソフト信頼性値を生成するようになっていることを特徴とする装置。
請求項４に記載の装置において、前記デマッパに接続された出力を有し、多重化信号を多重化分離するデマルチプレクサが提供されることを特徴とする装置。