JP3760244B2

JP3760244B2 - 超広帯域無線システムにおける受信機構成

Info

Publication number: JP3760244B2
Application number: JP2003387851A
Authority: JP
Inventors: 賢一滝沢; 隆二河野
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2023-11-18
Also published as: JP2005151302A; US7382829B2; US20050105649A1

Description

この発明は、超広帯域(Ultra Wide Bandwidth :ＵＷＢ)無線通信における受信機での伝送誤り率の改善に関している。

数ナノ秒オーダーのパルス信号幅を用いたＵＷＢ無線通信は、パーソナルエリアネットワークにおいて高速データ伝送・低消費電力を実現する無線通信として注目を集めている。ＵＷＢ無線通信では、受信側で生じるタイミングジッタの影響を受けやすい点、多数のデバイスが利用することで生じるパルス信号間干渉によって、伝送誤り率が大きく劣化する可能性がある。この伝送誤り率を改善する方法として、通信路符号化の適用が考えられる。これまでにＵＷＢ無線通信における通信路符号化として、リード・ソロモン符号、たたみこみ符号、ターボ符号などが検討されており、たたみこみ符号およびターボ符号が有効であることが示されている。本発明は、ターボ理論を用いることで、ＵＷＢ受信機においてパルス復調器と復号器間での尤度情報を用いた繰り返し復号を提案する。この復号方法を用いることで、従来の復号方法と比較して、受信機側でより誤り率特性の改善をはかることが可能になる。

従来例１
非特許文献１において、図４に示す構成を持つ繰り返し復号方法が報告されている。非特許文献１は、狭帯域信号を用いた符号分割多元接続システムＩＳ−９５（Ｂ）における伝送誤り率改善のための復号方法を、非特許文献５で示されるターボ理論を用いて構成している。図４においては、符号高速アダマール変換（ＦＨＴ）器からの出力を、デインタリーバを介して通信路復号器へと送り、復号器では最大事後確率（Maximum a posteriori probability:ＭＡＰ）復号アルゴリズムまたは軟判定ビタビ復号アルゴリズム（SoftOutput Viterbi Algorithm:ＳＯＶＡ）にもとづいて復号が行われ、出力が先験的な情報(apriori information)としてＦＨＴへと帰還される。各ＦＨＴおよび復号器からの入出力は、軟値である対数尤度比を用いて復号を行う。

従来例２
また、非特許文献２には、図５に示す繰り返し復号方法が報告されている。非特許文献２では、複数の拡散符号を用いて並列伝送を行う狭帯域マルチコードＣＤＭＡにおいて、非特許文献５で示されるターボ理論を用いることで、受信側での繰り返し復号を行う方法を示している。図５の構成については、符号デマッパ（Demapper）において各拡散符号で送信された情報の尤度を計算し、この尤度情報をデインタリーバを介して復号器（Decoder）へと送り、復号器では事後確率（aposteriori probability: ＡＰＰ）復号アルゴリズムにもとづいて復号を行い、出力を先験的な情報（a priori information）として符号デマッパへと帰還する。各符号デマッパおよび復号器からの入出力は、軟値である対数尤度比を用いて復号を行う。

これらは、通信路符号化を行った狭帯域符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）において、ターボ理論を用いて受信機側での繰り返し復号による伝送誤り率特性の改善を図ったものである。いずれも送信された拡散符号の尤度を計算するブロックと、デインタリーバ、復号器、インタリーバより構成されており、復号器からの尤度情報をインタリーバを介して帰還することで繰り返し復号を実現している。

従来例３
また、非特許文献３では、ＵＷＢ無線通信におけるたたみこみ符号またはリード・ソロモン符号の適用について検討を行っている。受信側で各パルス信号を硬判定し、各符号に対する復号を行う。受信機側で硬判定を行うために、伝送誤り率特性の改善は、軟値の尤度情報を用いた場合と比較して小さくなる。

従来例４
また、非特許文献４では、ＵＷＢ無線通信に対して、低符号化率ターボ符号の適用を行っている。受信側は、図６に示すように、パルス相関器、積分器、ターボ復号器より構成される。非特許文献４では、受信パルスの尤度情報について、復号器からの先験的な情報（apriori information）を用いた再計算は行わない。

R. Herzog, A. Schmitbauer, and J. Hagenauer, "Iterative Decoding and Despreadingimproves CDMA-Systems using M-ary OrthogonalModulation and FEC," IEEE International Conference on Communications, Montreal, Canada, pp.909-913, June 1997. S. ten Brink, "Iterative Decoding for MulticodeCDMA," IEEE Vehicular Technology Conference, Vol. 3, pp.1876-1880, May1999. 03154r2P802-15_TG3a XtremeSpectrum CFP Presentation. Proposalfor IEEEE 802. 15. 3a. May 2003. N. Yamamoto and T. Ohtsuki, "Adaptiveinternally turbo-coded ultra wideband-impulse radio (AITC-UWB-IR) system,"IEEE International Conference on Communications 2003, pp.3535-3539, May 2003. J. Hagenauer, "The turbo principle:Tutorial introduction and state of the art, " International Symposium onTurbo Codes, Brest, France, pp. 1-11, Sept. 1997.

本発明は、軟値の尤度情報を用いた繰り返し復号を用いることで、任意の符号化ＵＷＢ無線通信システムに対して伝送誤り率の改善を可能とする受信機構成を実現することを目的としている。軟値の尤度情報を用いることで、硬判定を行うことによる符号化利得の損失を低減できる。また本発明は、特定のパルスマッピングと通信路符号化との組み合わせに対してのみ有効であるわけではなく、任意のＵＷＢ無線通信システムに対しても適用が可能であり、伝送誤り率特性を改善することが可能である。

この発明を用いることで、任意のＵＷＢ無線通信システムの受信機において、伝送誤り率特性を繰り返し処理によって改善することができる。これによって、伝送距離の向上、またはユーザ容量の向上を期待できる。また繰り返し復号は、繰り返しによる計算コストの増加に応じて、伝送誤り率特性を改善することができる。これによって要求される伝送誤り率やスループットに応じて、繰り返し処理回数の増減による、計算コストの適応させることもまた可能になる。

本発明は、通信路符号化ＵＷＢ無線通信システムの受信機において、パルスデマッパと復号器間で繰り返し復号を行い、伝送誤り率特性を改善する方法を開示している。繰り返し復号は、軟値の尤度情報を用いて、パルスデマッパと通信路復号器間で尤度情報の受け渡しを行うことにより、逐次的に誤り率特性を改善することができる復号方法である。パルスデマッパから出力される尤度情報は、受信パルス信号および送信されうる各パルス波形に対する先験的な情報（事前確率）より計算する。この先験的な情報は、送信されたパルス波形に対する尤度情報であり、この先験的な情報がない場合にはすべての送信されうる波形に同一の尤度となる。パルスデマッパにおいて計算された尤度情報は、通信路復号器へとデインタリーバを介して受け渡す。通信路復号器では、受け取った尤度情報をもとに、復号を行って軟値の尤度情報を計算する。計算した尤度情報は、インタリーバを介して、パルスデマッパへと帰還させ、パルスデマッパにおける先験的な情報の計算に用いる。この操作を繰り返すことで、パルスデマッパと通信路復号器間での繰り返し復号を実現する。規定回数の繰り返し復号後、復号器における尤度情報をその正負符号により硬判定し、受信ビットを得る。

本発明の第１の特徴は、図１に示すような通信路符号化ＵＷＢ無線通信システムに対する受信機構成に関するものであり、
（１）事後確率復号アルゴリズムをもとにした、受信パルス信号および送信パルス波形に対する先験的な情報より、各ビットにおける軟値の尤度情報を計算するパルスデマッパと、
（２）上記のパルスデマッパからの出力を送信側で用いたインタリーバとその逆操作（デインタリーブ）を行うデインタリーバと、
（４）デインタリーブされた尤度情報から、各符号語ビットに対する尤度情報および情報ビットに対するそれぞれの尤度情報を計算する通信路復号器と、
（５）上記の符号語に対する通信路復号器の出力をインタリーブするインタリーバと、
（６）上記のインタリーバの出力を事前確率として、２回目以降の復号で利用するためにパルスデマッパへとフィードバックする帰還回路を、
備えることである。

また、第２の特徴は、上記の特徴を備えるＵＷＢ無線通信システムにおける受信機構成において、上記のパルスデマッパでの受信パルス信号および先験的な情報を用いた、符号語ビットに対する尤度情報の計算方法である。

また、第３の特徴は、上記の第２の特徴を備えるＵＷＢ無線通信システムにおける受信機構成において、通信路復号器において計算された符号語の各ビットに対する尤度情報を、インタリーバを介してパルスデマッパへと帰還し、送信されたパルス信号波形の先験的な情報として、２回目以降の復号で利用することである。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。先ず本発明の実施例を図１を用いて説明する。

図１にＵＷＢ無線通信システムにおける送信側構成を示す。情報ビット系列ｕ＝｛ｕ₁，…，ｕ_k，…，ｕ_K｝は、任意の通信路符号で符号化を行い、符号語ｃ＝｛ｃ₁，…，ｃ_n，…，ｃ_N｝を得る。この符号語ｃに対して、ビット単位のインタリーブを行う。インタリーバサイズは符号語長と同じＮビットとする。インタリーブされた符号語ｃ’＝｛ｃ’₁，…，ｃ’_n，…，ｃ’_N｝は、Ｋ_pビットを１シンボルとし、シンボルごとに対応するパルス信号にマッピングされる。送信パルス波形の種類をＭとすると、パルス信号あたりの送信可能な情報量は、Ｋ_p＝ｌｏｇ₂Ｍビットで与えられる。ｉ番目のシンボルに対応するパルス信号をｓ（ｉ）とする。またＰ＝｛ｓ₁，…，ｓ_m，…ｓ_M｝をＭ種類の送信パルス波形の集合とする。各パルス信号ｓ_mは、パルス時間幅Ｔ_Fを持つパルス波形であるとする。符号語ｃ’をマッピングしたパルス信号列Ｓ＝｛ｓ（１），…，ｓ（ｉ），…，ｓ（Ｎ／Ｋ_p）｝は、帯域制限フィルタを通して通信路へ送信される。

図２に繰り返し復号を用いたＵＷＢ無線通信システムの受信機構成を示す。送信側から送信されたパルス信号列Ｓに対するパルス相関器１の出力である受信パルス信号列をＲ＝｛ｒ（１），…，ｒ（ｉ），…，ｒ（Ｎ／Ｋ_p）｝とする。ｒ（ｉ）はｉ番目のシンボルに対する受信パルス信号を表す。

パルスデマッパ２では、符号語ｃ’に対する尤度情報Ｌ（ｃ’）を計算する。尤度情報の計算は、シンボルごとに、受信パルス信号ｒ（ｉ）および符号語ビットｃ’_(i-1)Kp+1からｃ’_i・Kpに対する先験的な情報より、これらＫ_pビットの尤度情報Ｌ（ｃ’_(i-1)Kp+1）からＬ（ｃ’_i・Kp）を計算する。先験的な情報は通信路復号器４から帰還された事前確率Ｌ_a（ｃ’）によって与えられる。よって１回目の復号時には事前確率はなく、Ｌ_a（ｃ’）＝０として尤度情報の計算を行う。

Ｌ（ｃ’）からＬ_a（ｃ’）を差し引いた外部情報Ｌ_e（ｃ’）は、デインタリーバ３でデインタリーブを行った後、通信路復号器４において、符号語ビットに対する事前確率Ｌ_a（ｃ）として通信路符号の復号に用いられる。

通信路復号器４では、符号語ｃおよび情報ビットｕに対する尤度情報Ｌ（ｃ）およびＬ（ｕ）を最大事後確率復号アルゴリズムまたは軟判定ビタビ復号アルゴリズムを用いて計算する。またＬ（ｃ）から復号器における事前確率Ｌ_a（ｃ）を差し引いた外部情報Ｌ_e（ｃ）は、インタリーバ５でインタリーブしてパルスデマッパ２へと帰還し、事前確率Ｌ_a（ｃ’）として２回目以降の復号で利用する。帰還回路に設けるインタリーバ５は、送信側で用いたものと同じものを用いる。

規定回数の繰り返し復号を行った後、Ｌ（ｕ）を正負符号の判定することで、硬判定復号ビットを得る。

次にパルスデマッパにおける尤度情報の計算方法を示す。通信路を加法性白色ガウス雑音(Additive White Gaussian Noise: ＡＷＧＮ)通信路と仮定すると、事後確率を用いた復号アルゴリズムを用いた場合、パルスデマッパから出力される各ビットｃ’_nの尤度情報Ｌ（ｃ’_n）は、数１であらわされる。

ここでｉは、ｎ／Ｋｐ以下の最大の整数であり、符号語ビットｃ’_nが対応するシンボルを示す。式において、数１における近似は、最大となるパルス波形に対するＰ（ｓ_m）Ｐ（ｒ_i｜ｓ_m）が、他の値よりも十分に大きいという仮定より導かれる。Ｐ（ｓ_m）は送信されうるパルス波形（ｍ＝１，…，Ｍ）の先験的な情報（事前確率）である。先験的な情報がない場合には、全パルス波形に対して等確率である１／Ｍとなる。また、Ｐ（ｒ_n｜ｓ_m）は、条件付確率であり、ＡＷＧＮ通信路を仮定しているので、数２の様になる。

数２のConstは全パルス波形に対するＰ（ｒ_n｜ｓ_m）において、同一の値となる定数である。各パルス波形の電力は、Ｅ_m＝∫｜ｓ_m（ｔ）｜²ｄｔで与えられる。σは雑音の標準偏差である。数２において、各パルス波形の電力が等しいとすれば、Ｅ_mの項をConstに含むことができ、数３となる。

ここでｚ_i,mはｉ番目の受信パルス信号ｒ_i（ｉ＝１，…，Ｎ／Ｋ_p）と、ｍ番目のパルス波形ｓ_m（ｍ＝１，…，Ｍ）との相互相関である。この相互相関値ｚ_i,mは、受信パルス信号ｒ_iをＭ個の各パルス信号に対応する相関器の出力として得ることができる。数３において、各パルス波形で同一の値となるConstを無視し、数１に代入すると、数４を得る。

ｌｏｇＰ（ｓ_m）は各パルス波形に対する先験的な情報（事前確率）である。２回目の復号から、ｉ番目のシンボルに対して、ｌｏｇＰ（ｓ_m）は復号器からの尤度情報である対数尤度比Ｌ_a（ｃ’_n）＝ｌｏｇ｛Ｐ（ｃ’_n＝１）／Ｐ（ｃ’_n＝０）｝より次のように計算する。

ここで、ｃ’_mはマッピングにおいてパルス波形ｓ_mに写像されるＫビット列である。またｎ_m ⁰は、ｃ’_mにおいて０であるビット位置を表す（ｎ_m ⁰∈{１，…，Ｋ_p}）。数５におけるConstは、数２あるいは数３のそれとは異なるものであるが、全パルス波形で共通の定数である。この数５で表される式を、数５のConstを無視して数４に代入すると、以下のようになる。

よって尤度情報Ｌ（ｃ’_n）は、雑音分散σ²により重み付けられた相関器出力ｚ_i、mおよび復号器から帰還された事前確率Ｌ_a（ｃ’_n）を用いて、加算と最大値計算によって求められる。復号器には、この尤度情報から事前確率Ｌ_a（ｃ’_n）を差し引いた数７で示される尤度情報が、デインタリーバを介して送られる。

シミュレーション結果
表１にシミュレーション諸元を示す。また図３に、ＡＷＧＮ通信路におけるシミュレーション結果を示す。図３には、ビットあたりの信号対雑音電力比（Ｅｂ／Ｎ０）５回までの繰り返し復号した結果のビット誤り率（BitError Rate :ＢＥＲ）特性と、比較として符号化を行わない場合を示す。１回目の復号結果は、繰り返し復号を行わない場合のビット誤り率特性に一致する。本発明による、パルスデマッパと復号器間での繰り返し復号を行うことによって、逐次的に誤り率特性を改善できることがわかる。また符号化を行わない場合と５回の復号を行った場合とを比較すると、ビット誤り率１０^-5を得るために必要なビットあたりの信号対雑音電力比において、約３．２ｄＢの利得が得られることがわかる。１回目の復号結果（繰り返し復号を行わない場合）と５回目の復号結果を比較すると、約２．０ｄＢの利得が得られることがわかる。距離二乗減衰の自由伝搬モデルを考えると、５回の繰り返し復号によって、ビット誤り率１０^-5を得ることができる距離を１．２５倍にすることができる。

本発明は、通信路符号化ＵＷＢ無線通信システムにおける、パルスデマッパと通信路符号の復号器間での繰り返し復号の構成方法である。パルスデマッパは、近似計算を用いることで、加算と最大値計算から尤度情報を容易に計算することができる。計算機シミュレーションより、たたみこみ符号を用いた場合と、ビット誤り率特性において符号化を行わない場合と、５回の復号を行った場合とを比較すると、ビット誤り率１０^-5において約３．２ｄＢの利得が得られることがわかる。

通信路符号化UWB無線システムにおける送信側構成を示すブロック図である。本発明の実施形態を示すブロック図である。本発明の、ＡＷＧＮ通信路におけるシミュレーション結果を示す図である。第１の従来例の構成を示すブロック図である。第２の従来例の構成を示すブロック図である。第４の従来例の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１パルス相関器
２パルスデマッパ
３デインタリーバ
４通信路復号器
５インタリーバ

Claims

インタリーブされた符号語の、予め決められたビット数を単位とし、符号語ごとにパルス波形にして送信された信号を受信する受信機について、
（１）事後確率復号アルゴリズムをもとにした、受信パルス信号および送信パルス波形に対する先験的な情報より、各ビットにおける軟値の尤度情報を符号語ごとにパルス単位で計算するパルスデマッパと、
（２）上記のパルスデマッパからの出力を送信側で用いたインタリーバの逆操作を行うデインタリーバと、
（４）デインタリーブされた尤度情報から、各符号語ビットに対する尤度情報および情報ビットに対するそれぞれの尤度情報を計算する通信路復号器と、
（５）上記の符号語に対する通信路復号器の出力をインタリーブするインタリーバと、
（６）上記のインタリーバの出力を事前確率として、２回目以降の復号で利用するためにパルスデマッパへとフィードバックする帰還回路
を、
備えることを特徴とする超広帯域無線システムにおける受信機構成。
上記のパルスデマッパで計算された、インタリーブされた符号語の各ビットに対する対数尤度比から各ビットに対する事前確率を差し引いた外部情報を、デインタリーブを行った後、上記の復号器において、符号語ビットに対する事前確率として復号に用いることを特徴とする請求項１に記載の超広帯域無線システムにおける受信機構成。
符号語に対する上記の尤度情報から事前確率を差し引いた外部情報をインタリーブして、パルスデマッパへとフィードバックし、事前確率として２回目以降の復号で利用することを特徴とする請求項２に記載の超広帯域無線システムにおける受信機構成。