JP4386587B2 - 符号化または復号化方法および符号化または復号化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
従来の技術
本発明は請求項１の上位概念に記載された方法に関する。Handbuch fuer die Telekommunication，Springer Verlag，１９９８年第１／３７からすでに、外部符号と内部符号が使用される符号化および復号化方法が公知である。ここでは外部符号としてブロック符号が、または内部符号として畳込み符号が提案されている。さらに畳込み符号の選択されたビットの繰り返し（不均等な繰り返し Unequal Repetition）および／またはパンクチャによって、データ速度を伝送チャネルの所定のデータ速度に適合させることができる。
【０００２】
発明の利点
請求項１の特徴部分に記載された本発明の方法はこれに対して、データ速度の適合をブロック符号化に作用することによって行うという利点を有する。したがって簡単な手段で誤り識別および誤り訂正を改善することができる。有利な発展形態および改善は従属請求項に記載された手段から得られる。データ速度適合の微調整は、例えば、比較的少ない個々のビット（１または２ビットだけで）の繰り返し／充填またはパンクチャによって行うことができる。複数のデータ源ではこのブロック符号化の適合により、個別のデータ源の信号対雑音比を相互に適合させることができる。これはこれらのデータ源のデータストリームが時間多重化でただ１つの伝送チャネルを介して送信される場合である。
【０００３】
図面
図１は符号化／復号化の従来の方法を示しており、図２は符号化／復号化の本発明の方法を示しており、図３はデータ速度適合の微調整を示しており、図４は複数のデータ源の場合に信号対雑音比を調整する従来の手法を示しており、図５は複数のデータ源の場合に信号対雑音比を調整する本発明の手法を示している。
【０００４】
説明
データ伝送システムにおいては、技術的な事情により、任意のすべてのデータ速度を物理チャネルで実現できないことは通例のことである。その代わりに、例えばＵＭＴＳシステムで行われているように、伝送すべきチャネルデータ速度に対していくつかの離散的な値だけが許容されている。そこでは（単一符号伝送時に）３２＊２ｋキロビット／秒、ただしｋ＝０，…，６のチャネルデータ速度、すなわち離散値３２ｋｂｐｓ，６４ｋｂｐｓ，１２８ｋｂｐｓ，２５６ｋｂｐｓ，５１２ｋｂｐｓおよび１０２４ｋｂｐｓが指定されている。しかしながら（ユーザ側から見ると）任意のソースデータ速度を有する情報伝送が、ＵＭＴＳシステムによってサポートされるべきである。送信すべき情報は、例えば移動通信システムにおいて、物理チャネルを介する伝送の前にチャネル符号化方法によって保護され、これによりできる限り誤りのない受信が保証されようにしなければならない。
【０００５】
チャネル符号化方法によって、受信側で誤り訂正、誤り識別、または伝送誤りの訂正と識別とからなる組み合わせが可能である。殊にデジタル移動通信システムでは、高度に発展したチャネル符号化方法を使用し、これによって移動チャネルを介してデジタル信号を伝送する際の欠点がたくみに処理される。一般的にこのようなチャネル符号化方法は内部および外部符号からなる。内部符号化は、通例、畳込み符号またはターボ符号によって行われ、多くの場合に受信側でビタビ復号器または最大事後確率（ＭＡＰ）復号器を用いて復号化される。典型的にはこれらの２つのタイプの復号器が使用され、ここでこれらの復号器は、誤りを訂正することはできるが、誤りを識別することも、復号化されたビットが信頼できることないしは正しいことについて何の情報も提供しない。この場合、内部復号化装置の誤り判定を付加的に識別するために、ＣＲＣ符号（cyclic redundancy check）符号またはリードソロモン（Reed-Solomon）符号に基づく外部符号を使用する。
【０００６】
今日のＵＭＴＳ仕様のチャネル符号化方法では、畳込み符号またはターボ符号の使用時に１／２，１／３および１／４の符号化率が規定されている。これらの離散的なチャネルデータ速度を考慮すると、このことが意味するのは、約ＲＣｏｄｅ＊３２＊２ｋキロビット／秒の離散的なソースデータ速度だけが許容されることである。付加的な速度適合化を有しないデータ伝送システムの場合、例えば符号化率ＲＣｏｄｅ＝１／２では、おおよそ１６，３２，６４，１２８，２５６または５１２ｋｂｐｓのソースデータ速度だけしか許容することができない。
【０００７】
しかしながら任意のソースデータ速度をサポートするために、チャネル符号化の後、チャネル符号化された情報と、上記の離散的なチャネルデータ速度とのデータ速度適合化（Rate Matching）が行われる。データ速度のこの適合化に対して設けられたアルゴリズムでは、データストリームにおける選択されたビットの繰り返しないしはパンクチャだけが行われる。個々のビットの繰り返しおよびパンクチャは、誤り保護のためのメカニズムのうちで最も簡単なものである。
【０００８】
時間的な長さが一定であるデータフレームのビットを個別にパンクチャ除去する場合、すなわち削除して伝送しない場合、データ速度はチャネルにおいて低下し、これに対してビットを繰り返すと、この選択された個々のビットの付加的なレプリカがデータストリームに埋め込まれて、実効的なデータ速度はチャネルにおいて上昇する。これについては図３を参照されたい。しかしながらこれらの２つのメカニズムは、物理チャネルを介する誤りのある伝送に対してごくわずかな保護しか提供しない。パンクチャでは内部符号の冗長が少なくなり、すなわち誤り保護も同様に低下してしまい、または繰り返し（不均等な繰り返し）では、付加的に挿入した保護は、データフレームの全ビットをカバーせず、このフレームの個々のビットだけに関係するのである。
【０００９】
図１には、データ速度を伝送チャネル１０５に適合化する従来の方法が示されている。ソースデータ１００はまず機能ブロック１０１においてブロック符号化される。このブロック符号化部１０１も外部符号化部と称する。通例、この外部ブロック符号化部１０１に対してＣＲＣ符号を使用する。これに続くステップ１０２では内部符号化、すなわち典型的には畳込み符号化またはターボ符号化が行われる。これに続くステップ１０３ではつぎに伝送チャネル１０５の可能なデータ速度への適合化が行われる。チャネル符号化１０２後のデータが、伝送チャネル１０５の可能なデータ速度を上回る場合、畳込み符号化されたデータのパンクチャが行われ、これによってデータ量が相応に低減される。畳込み符号化１０２後のデータ速度が、伝送チャネル１０５の考えられ得るデータ速度よりも低い場合、個別のビットが繰り返されるか、またはフィルビットが挿入され、これによってデータ速度を相応に上昇させる。データ速度適合化１０３の後、さらにインタリーブステップ１０４が続いており、ここでは個々のビットの送出時点を時間的に交換することによって伝送の確実性をさらに高める。これに相応してつぎにデータチャネル１０５を介してデータを所定のビットレートで伝送する。復号化は機能ブロック２０１〜２０４で行われる。機能ブロック２０４ではまずデインタリーブが行われ、ここではビットの元々の時間的な順序が再度作成される。これに続く適合化ステップ２０３では機能ブロック１０３データ速度適合化がキャンセルされる。パンクチャの場合にはこれは情報内容のないビットを挿入することによって行われ、繰り返しの場合には個々のビットを抽出することによって、または複数のビットをただ１つのビットにまとめることによって行われる。これに続く機能ブロック２０２では、内部復号化（畳込みまたはターボ符号化）が行われ、これに続くステップ２０１ではブロック復号化が行われる。重大な伝送障害がなければ、復号化されたデータ２００は元々のソースデータ１００に等しいはずである。
【００１０】
個々の符号化および復号化メカニズムはそれぞれその機能が異なる。ブロック符号は通例、誤り識別のためにだけ使用され、受信したデータの完全性／信頼性についての表示を提供する。これに対して内部符号（畳込みコードまたはターボ符号）は、伝送誤りを訂正するための有利な手段であるが、これによっては、復号化されたデータの信頼性が高い否かについて限られた情報しか得られない（またはまったく情報が得られない）。
【００１１】
本発明では、図１の伝送システムの誤り保護全体が改善される。これは速度適合化を可変のブロック長の符号により実行することによって行われる。このために伝送システムの構造を図２のように変更する。ソースデータ速度と、許容される伝送データ速度との適合化は、図１に示した誤り保護のための手段（内部および外部符号化）と、可変のブロック符号に基づく付加的な（簡単な）誤り保護装置とからなる組み合わせによって行われる。内部および外部チャネル符号化方法からなるこの二重化の誤り保護（図２参照）により、図１に示したシステムに比してつぎにような利点が得られる。すなわちデータ速度を適合化させるために挿入された誤り保護は、データフレームのすべてのビット全体に亘って延在しており、データストリームの選択された個々のビットに限定されていない。これによって、図１に示したシステムの誤り保護特性を上回り、かつ（少なくとも移動無線システムにおける）データ伝送システムのチャネルの容量および／または帯域幅効率が改善される。移動無線システムにおいて、誤り保護が改善されて、受信品質に影響することなくエアインタフェースにおける信号の送信出力を低減することができる。これによって移動無線網の運営者は、その網のユーザの数を増やす、すなわちこの移動無線網の（チャネル）容量を増やすことができる。
【００１２】
図２から分かるように、速度適合化の元々のブロックを、極めて簡単な訂正ユニットによって置き換え、提案した可変のブロック符号を、元々の外部（多くの場合ＣＲＣ）符号の代わりに使用する。ＣＲＣ符号は一般的に、内部復号器の誤り判定を識別するためにだけ使用され、これにより誤りを伴って復号化されたデータフレームが識別され、これらをそのようなものとしてマーキングできる。これに対して可変のブロック符号を使用すると、その誤り訂正特性も、誤り識別特性も利用することできる。
【００１３】
可変のブロック符号によって付け加えられた冗長に含まれるビットが、図１に示したＣＲＣ符号に含まれる冗長に含まれるビットよりも少なくなければ、可変のブロック符号は、少なくとも同等の誤り保護能力を提供する。図２の冗長が図１のＣＲＣ冗長を上回る場合、誤り識別の信頼性をさらに向上することができるか、または付加的な誤り訂正が可能になる。刊行物"Fast Burst Error-Correction Scheme with Fire-Code, Wael Adi, IEEE Transactions on Computers, vol. c-33, No.7 July 1984"には、誤り識別と誤り訂正との間の柔軟な調整を可能にするブロック符号化方法が記載されている。ここでは誤り識別の能力を、訂正能力を低下させて犠牲にすることによって、符号化または復号化メカニズムを変更することなく柔軟に高めて監視すること、またはこの逆が可能である。
【００１４】
可変のブロック符号は実現が難しくないため、伝送システムの全体的な複雑さが低減される。
【００１５】
本発明の方法を図２に示す。ソースデータ１０にまず外部ブロック符号化１１が行う。しかしながら図１と異なり、ここでは挿入される冗長のサイズと、ひいては出力されるデータブロックのサイズとは調整可能である。ここでのブロック符号化は、可変の冗長とブロックサイズとを有するブロック符号化である。ここで冗長と、ひいてはブロックサイズの変更とは、後続の符号化ステップの知識で、データ速度と伝送チャネル１５との適合ができる限り精確に行われるように選択される。後続の機能ブロック１２ではつぎに内部符号化を、例えば畳込み符号またはターボ符号によって行う。このような符号化器１２は通例、１／２，１／３，１／４などの伝送速度を有しており、すなわち１つの入力ビットから２つの出力ビットないしは３つないしは４つの出力ビットが形成される。したがって内部の符号化器１２から出る符号化されたビットレートはつねに、ブロック符号器１１から供給されるデータ速度の２倍、３倍、４倍である。これによりブロック符号１１のデータ速度を適合化することによって、１ビット（１／２畳込み符号化）、２ビット（１／３畳込み符号化）、ないしは３ビット（１／４畳込み符号化）の精度で、データ速度を伝送チャネル１５のデータ速度に適合させることができる。これに起因して適合微調整部１３が設けられており、この適合微調整部は相応に、１，２または３ビットのオーダーで、内部符号化器１２の選択したデータ速度に相応して適合を微調整することができる。したがって適合微調整部１３によって１ビットの精度でデータ速度を伝送チャネル１５のデータ速度に適合させることが可能である。適合微調整部１３とデータチャネル１５との間には付加的にさらにインタリーバ１４が設けられており、これは公知のようにデータのインタリーブを行う。選択的には付加的なインタリーブ部１１ａをブロック１１と１２との間に設けることができ、これによってブロック符号１１の誤り保護特性をさらに高めることができる。このインタリーブは典型的は符号１１の複数のブロックに亘って行われる。
【００１６】
データの復号化は相応に機能ブロック２１〜２４で行われる。チャネル１５を介して伝送されるデータを受け取る機能ブロック２４ではまずデインタリーブを行う。すなわちチャネル符号化されたデータの元々の順番を再度作成する。ステップ２３ではつぎにデータ速度の適合微調整を行う。すなわち個々のビット（１，２，３など）を付け加えたか、またはパンクチャによって除去した場合、相応するビットを再度除去するかまたは付け加える。これに続く機能ブロック２２ではつぎに内部復号化が行われ、ここで内部復号化は通例、畳込み符号化またはターボ符号化である。これに続く機能ブロック２１ではつぎにブロック復号化を行い、これによって再度元のデータ２０が得られ、これらのデータはつぎにデータ受信装置に供給される。選択的なインタリーブ１１ａを実行した場合は選択的なデインタリーブ２１ａも実行して、データを再び対応する時間的な順序にソートしなければならない。
【００１７】
送信側と受信側との間で当然、どのように符号化を行ったかおよびこれに対応してこの場合に復号化をどのように行うべきについて情報を交換しなければならない。例えば内部符号化に対してつねに所定の手法を使用する場合には、どのブロック符号化を機能ブロック１１において使用したかを伝えなければならない。
【００１８】
図３ではデータ速度と、伝送チャネルとの適合微調整が示されている。機能ブロック１３にはここではデータの例１０１２が供給される。適合微調整の動作を説明するために個々のフレームが示されており、これらのフレームは、それぞれ９ビット１０１３と、別に示した１個別ビット１１４とからなる。適合微調整のために適合微調整ユニット１３は、この個別の特徴的なビット１０１４に作用することができる。上方の機能パスでは、ビット１０１４を除去することによって、短くなったデータ列が得られる（パンクチャ；データフレームを伝送する時間的な長さは一定のままであると、これによってデータ速度が下がる）。この図の下方の部分には択一的な例が示されており、ここではビット１０１４を倍にすることによって、長くなったビットストリーム１０１６が得られる（不均等な繰り返し；データフレームを伝送する時間的な長さは一定のままであると、これによってデータ速度が上がる）。この手法によって、データ速度と伝送チャネル１５との適合微調整を行う。
【００１９】
１つの例で、情報を８キロビット／秒のソースデータ速度で従来のＵＭＴＳシステムを介して伝送するとする。ここで誤り訂正を、レート１／３の畳込み符号（内部符号）によって保証し、残差識別を、８ビットの冗長を有する外部ＣＲＣ符号を介して実現するとする。ＵＭＴＳ仕様により、ソースデータ流を長さ１０ｍｓのデータフレームに分割する。すなわち各フレームは８０情報ビットになる。残差識別のためにこれらの８０ビットをＣＲＣ符号化し、このために８ビットの冗長が設けられる。これらの８８ビットには付加的に８テールビットがついており、これによって畳込み符号化器を、データブロックの符号化の後、ゼロ状態にリセット（reset）し、ひいては受信側のビタビ復号器ができる限り高い信頼性で動作できるようにする。畳込み符号（レート１／３）によってこれらの９６ビットは２８８ビットに符号化され、すなわち符号化されたビットのデータ速度は２８．８キロビット／秒である。この速度は、許容されるつぎのチャネルデータ速度（１６ｋｂｐｓまたは３２ｋｂｐｓ）とはかなり離れているため、つぎの速度への速度適合、すなわち３２キロビット／秒（１０ｍｓに３２０ビット）のチャネルデータ速度への速度適合が必要である。"UMTS (xx.04) V0.5.0, UTRA FDD, multiplexing, channel coding and interleaving description"における記載事項に相応して各９ビット目を繰り返し、これによって１０ｍｓの長さのフレームを３２０ビットに充填する。これによりビット繰り返しによる付加的な誤り保護は主に、実際に繰り返された２８８／９＝３２ビットに延在する。これに対して本発明に相応してデータ速度を適合化すると、フレームの全ビットに対して高い誤り保護が得られる。伝送すべき情報ビットを同様に３２キロビット／秒の同一のチャネルに対応付けるために、フレームの８０ビットに、ＶＲＣ符号を用いてまず１９ビットの冗長を追加する。この９９ビットに同様に８テールビットをつける（上記参照）。この結果、畳込み符号化（レート１／３）は、１０ｍｓの長さのフレーム毎に３＊１０７＝３２１ビットになる。この個数はすでにフレーム毎に３２０ビットである許容されるフレーム構造に極めて近い。３２１ビットの各データフレームの１ビットだけが、単純な補正ユニットにおいてパンクチャされ、これによって３２キロビット／秒に等しくされる。この補正ユニット（図２のブロック１３）は、２つのブロック１２および１４の間にあり、有利には先に挿入したＶＲＣ冗長に相応するビットに作用する。この補正ユニットとはつねに、０，１または最大２ビット（チャネル符号がレート１／４の場合にだけ）をパンクチャする／繰り返すユニットである。
【００２０】
"UMTS (xx.04) V0.5.0, UTRA FDD, multiplexing, channel coding and interleaving description"に準拠する既存のシステムでは、８ビットのＣＲＣだけが誤り識別のために挿入され、これに対して本発明によれば、この例において１９ビットのＶＲＣ冗長が付加される。付加的に挿入される１１ビットは、システムの誤り識別の能力を改善しおよび／または内部（ビタビ）復号器の誤り判定を補正可能にするために使用することができる。
【００２１】
複数のソースからなるデータを相異なる要求で伝送しなければならない場合、データ速度をさらに適合化する必要がある。これは図４に示されている。図４では２つのソースデータストリーム１００が示されており、これらは第１（外部の）ブロック符号化部１０１と、後続の内部の符号化部１０２とによって符号化される。引き続き処理ブロック１０３では、データ速度の適合化を行う。しかしながら図４ではデータ速度のこの適合化は、伝送チャネルへの最終的な適合のためにではなく、２つのデータ源の信号対雑音比を調整するために行うのである。このことは、データ源からのソースデータ１００が異なれば、伝送品質について、すなわち信号対雑音比についての異なる要求があることに基づく。これらの種々の品質要求は、送信出力、すなわち信号をデータチャネルに送出するエネルギーを、これらのデータ源毎に相応に適合させることによって満たすこともできる。しかしながら品質要求の異なる複数のデータストリームを同一の伝送チャネルを介して伝送しなければならない場合、この手法はふつう適用することができない。択一的な手法では、より高い品質で伝送しなければならないデータに対する符号化の際に相応により多くの冗長を設ける。これは速度適合部１０３で行われ、ここではいかなる品質でデータを伝送しなければならないかに依存して、相応により多くの冗長情報を設ける。例えば適合化を、符号器１０２の畳込み符号化されたデータの個々のビットを繰り返すことによって行う場合、１つのデータストリームに対して第１０番目のビット毎に繰り返し、これに対して品質要求がより高い別の１つのデータストリームに対して第５番目のビット毎に繰り返す。データ速度が相応に適合化された、速度適合化ブロック１０３の出力信号は、マルチプレクサ２０００に供給され、これはこれらの２つのデータストリームをシリアルな１つのデータストリームにまとめる。この際に当然、さらに２つのデータストリームの相応のインタリーブを行うことも可能である。引き続き機能ブロック２００１ではつぎに、相応するデータチャネル２００５の実際の伝送容量に対して適合化が行われる。
【００２２】
図５には、相異なるデータ源からのソースデータの信号対雑音比を適合化する本発明の方法が示されている。図５では２つのソースデータストリーム１０が示されており、これらはまず外部のブロック符号化部１１によって符号化される。ここでは、どのように信号対雑音比を相応するデータ源に対して調整しなければならないかに依存して、より多くのまたはより少ないビットが設けられる。したがって例えば、（図では左に示されている）第１のデータストリームに対しては１０ビット毎に１冗長ビットを設け、これに対して（図では右側に示されている）第２のデータストリームではソースデータの１０ビット毎に３つの冗長ビットを設けることができる。設けられた付加的な冗長ビットに相応して第２のデータストリームの信号対雑音比が改善される。これに続く内部の符号化ステップ１２では第２の符号化が、例えば畳込みまたはターボ符号器によって行われる。このように処理された２つのデータストリームはつぎにマルチプレクサ２０００によってシリアルな１つのデータストリームにまとめられる。ここではさらに相応にインタリーブすることができる。これに続く機能ブロック１３ではつぎに伝送チャネル１５のデータ速度への適合微調整が行われる。２つのブロック１１において挿入されるビットの冗長が、２つのデータストリーム１０のソースデータ速度および２つの符号器１２の符号化率に最適化された場合、適合微調整のために相応にさらに１，２その他のビットだけが必要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 符号化／復号化の従来の方法を示す図である。
【図２】 符号化／復号化の本発明の方法を示す図である。
【図３】 データ速度適合の微調整を示す図である。
【図４】 複数のデータ源の場合に信号対雑音比を調整する従来の手法を示す図である。
【図５】 複数のデータ源の場合に信号対雑音比を調整する本発明の手法を示す図である。

Claims (9)

1. ブロック符号化ステップ（１１）と、当該ブロック符号化ステップに後置された内部符号化ステップとを有する、ソースデータ（１０）を符号化する方法において、
   前記ブロック符号化ステップ（１１）では、データ速度と、伝送チャネル（１５）の所定のデータ速度とを適合化するために、挿入される冗長ビットのサイズと、ひいてはブロック符号化されるデータのブロックサイズとを、前記の後続の内部符号化ステップによる符号化の知識で選択し、これによって前記データ速度と、伝送チャネル（１５）データ速度とを適合化し、
   前記データ速度を適合化するために可変のブロック長および可変の冗長ビットの符号を選択し、
   前記データ速度を適合化するために挿入される誤り保護データは、データフレームのすべてのビット全体に適用され、
   前記データ速度を伝送チャネルデータ速度（１５）に適合化するための適合微調整ステップ（１３）が、前記の内部符号化ステップに後続して設けられていることを特徴とする、
   ソースデータを符号化する方法。
2. 前記の内部符号化ステップに後続している適合微調整ステップ（１３）では、前記データ速度と、伝送チャネルデータ速度（１５）とをビットの精度で適合化し、
   前記適合微調整ステップ（１３）によって補正されるビットの数を、内部符号化ステップ（１２）の符号化率（入力ビットと出力ビットとの比）によって決定する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記適合微調整ステップ（１３）では個々のビットをパンクチャする、
   請求項２に記載の方法。
4. 前記適合微調整ステップ（１３）では個々のビットを付け加える、
   請求項２に記載の方法。
5. 別のソースデータ（１０）を符号化するために少なくとも１つの別のブロック符号化ステップ（１１）が設けられており、これによって冗長ビットと、ひいてはブロック符号器（１１）および前記の別のブロック符号器（１１）のブロック符号化されるデータのブロックサイズとを調整する際に、付加的にさらにソースデータの所望の信号対雑音比を考慮する
   請求項１に記載の方法。
6. ビットを付け加える際に、前記のブロック符号化ステップで挿入した冗長ビットを繰り返す、
   請求項４または５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 請求項１から６までのいずれか１項の方法にしたがって処理され、かつチャネルを介して伝送されたデータを復号化する方法において、
   外部のブロック復号化ステップと、当該ブロック符号化ステップに後置された内部の復号化ステップとが設けられていることを特徴とする、
   データを復号化する方法。
8. デインタリーブステップによって、チャネル符号化されたデータの元々の順番を再度作成する、
   請求項７に記載の方法。
9. 適合微調整ステップでは符号化時に、相応に除去されたビットを再度付け加え、付け加えたビットを再度除去する、
   請求項７または８に記載の方法。

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