JP4550290B2 - チャネル符号化方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載のディジタル通信伝送システムにおけるチャネル符号化方法に関する。
【０００２】
最新のディジタル通信システムでは信号（たとえば音声）の情報源符号化が行われており、これによれば伝送のために（最初の）ディジタル信号がもつビットレートよりもはるかに僅かなビットレートで十分なように信号の圧縮が行われる。したがって一般的に知られているＧＳＭ移動無線システムのシステム規格によれば、送信側において毎秒８０００個のサンプリング値というレートで音声信号がサンプリングされ、それらのサンプリング値は１３ｂｉｔの分解能で表される。このことは音声信号ごとに１０４ｋｂｉｔ／ｓのビットレートに対応する。情報源符号化器もしくは音声符号化器によりこのような音声信号が圧縮されて、２６０ｂｉｔのブロック長および１３ｋｂｉｔ／ｓのビットレートをもつ情報源符号化された音声信号が生成される。つまりこの場合、音声信号の圧縮率は８となる。
【０００３】
無線通信伝送における物理的なコンディションによって、殊に自然の障害物のところで多種多様な散乱や反射が生じる地上の条件のもとで移動無線システムのために利用できる周波数領域におけるコンディションによって、かなり強く変動する大きい伝播損失が引き起こされ、さらにマルチパス伝播により発生するフェージング（fast fading）が生じる。伝送過程における個々の時間区間（タイムスロット）内で伝送がそれによって強く妨害される可能性があるし、あるいはそれどころか完全に中断されてしまうおそれすらあるのに対し、他のタイムスロットはまったく妨害を受けない。
【０００４】
したがって有効データ流は、高いビット誤り率あるいはそれよりも低いビット誤り率をもつ位相を有することになり、つまりエラーは殊に束になって発生する。
【０００５】
このような状況に起因して、情報源符号化により高度に圧縮され冗長性の低減された音声信号はそのままでは許容できる品質で伝送することはできない。このため（１０^{- ３} 〜１０^{- １} のオーダにある）予期されるビット誤りを、適切な誤り訂正方式により（１０^{- ３} 〜１０^{- ６} のオーダにある）許容できる値まで低減しなければならない。そこで、情報源符号化された信号にこの理由で再び（規定の）冗長性を追加することにチャネル符号化の役割があり、そのような冗長性によって伝送区間（エアインタフェース）における伝送誤りの識別ならびに補正を行えるようになる。
【０００６】
本発明の前提となる方法の場合、チャネル符号化には誤り保護符号化（畳み込み符号化）ならびにインタリーブが含まれている（インタリーブ、スクランブルとも称する）。その後、畳み込み符号化されインタリーブされたブロックが暗号化されてバーストにマッピングされ、さらに搬送波周波数に載せて変調されて伝送される。
【０００７】
畳み込み符号化にあたり留意しなければならないのは、情報源符号化されたビットは復号後、音声品質に関して同じ重要度をも有していないことである。多くのビットにおける誤りによって了解度が著しく妨げられるのに対し、他のビットにおけるエラーにはほとんど気づかない。このため情報源符号化されたビットがクラスに分けられ、それらのクラスに対しそれぞれ異なる誤り保護が設定される。したがってＧＳＭフルレートコーデック（GSM full-rate encodec, フルレート伝送用の符号化／復号器）の場合、保護クラス１ａ，１ｂ，２が設けられている。
【０００８】
このような種々の保護を実現するための一般的な手法は、誤り保護符号化（畳み込み符号化）に続き符号をパンクチャリングすることである。（簡単にいえば）パンクチャリングによって、畳み込み符号化器の出力ビット流から所定のパターン（パンクチャリングテーブル）に従い１つまたは複数の桁が引き抜かれる。パンクチャリングテーブルは要素０および１から成り周期的に処理され、ここで出力ビット流内で０に対応するビットは送信されず１に対応するビットは送信される。符号化されたシーケンスはこれにより短くされ、誤り保護作用が弱められる。とはいえパンクチャリングされた符号は様々な符号化レートを実現できるという利点をもっており、これによればレート１／ｎのマスタ符号から出発して周期的なパンクチャリングによりいっそう高い符号化レートの符号が生成される。
【０００９】
移動無線コネクションにおいて主要な問題を成しているように束状に発生する誤りに対する畳み込み符号化復号化法の基本的な影響の受け易さはパンクチャリングによっていっそう鋭敏になり、その結果、パンクチャリングされた畳み込み符号は後続のインタリーブやネストを関連づけることによってしか実際には適用されない。ＧＳＭシステムあるいは類似のプロファイルをもつチャネル内でプロファイルＴＵ（Typical Urban）またはＨＴ（Hilly Terrain）をもつ典型的な移動無線チャネルの場合、１つのタイムスロット内でほぼ一定のフェージング振幅を有している。新たなタイムスロットごとに別のチャネルを使用するならば（ideal frequency hopping）、フェージング振幅を２つのタイムスロット間で無関係にスタティックなものとすることができる。この目的でインタリーブ手法として、当業者に知られているようなたとえばブロックインターリブまたはランダムインタリーブが考慮の対象となる。
【００１０】
パンクチャリングされる良好な畳み込み符号の決定も、誤り符号化後に適用すべきインタリーブ手法の選択や具体的な形態と同様、ディジタル通信伝送システムに対する重要な設計課題である。そのためのシステマティックかつ構造的な手法は知られておらず、パンクチャリングされる良好な畳み込み符号を見つけ出すためにコンピュータ支援により種々の符号およびパンクチャリングがテストされ、予測される伝送品質に関して表すことのできる所定の基準に基づき互いに比較される。その際、一般にインタリーバは理想的である（「無限に深い "infinitely deep"）ものとされる。
【００１１】
本発明の課題は、実現可能な伝送品質に関して改善されたチャネル符号化方法を提供することにある。
【００１２】
この課題は請求項１の特徴を備えた方法により解決される。
【００１３】
本発明に含まれる基本的な着想は、チャネル符号化にあたり共通の計算ステップにおいて求められる互いに関連し合うパンクチャリング規則とインタリーブ規則を、誤り保護符号化マスタ符号のパンクチャリングおよびインタリーブのために使用することである。互いに関連し合うこのパンクチャリングおよびインタリーブ規則を求める際、理想的なインタリーバという前提から離れ、インタリーブステップのコンフィグレーションが有利なパンクチャリング規則（ジェネレータマトリックスまたはパンクチャリングテーブル）を見出すこととの解くことのできない関係におかれる。
【００１４】
パンクチャリング規則またはインタリーブ規則はたとえばまえもって定められたサブ符号集合もしくはパンクチャリングテーブルとしてまとめられ、あるいはパンクチャリングマトリックスおよびインタリーブマトリックスないしはテーブルの組み合わせとしてまとめられる。それらはコンピュータに支援されて探し出され、その際に距離特性殊に最小自由距離および／または平均距離スペクトルの最適化という基準が考慮される。これらの用語は以下のようなものであるとする：
−１つの符号の最小自由距離ｄ_ｆ は異なる方向に拡がるパス（divergent path）間に生じる最小ハミング距離である。
【００１５】
−平均距離スペクトル｛ａ_ｄ｝は、
【００１６】
【数１】

【００１７】
により与えられる。ただしａ_ｄ は、Ｐ個の相前後するノードから出発してゼロパス（zero path）を離れ、再び出会ってその際に距離ｄを成すすべてのパスの個数であり、ＰはパンクチャリングマトリックスＰにおける列の個数であり、つまりはパンクチャリングの周期長を表す。
【００１８】
−平均距離スペクトル｛ｃ_ｄ｝は、
【００１９】
【数２】

【００２０】
により与えられる。ただし情報ウェイトｃ_ｄ は、Ｐ個の相前後するノードから出発してゼロパスを離れ、再び出会ってその際に距離ｄを成すすべてのパスに沿って値１をもつ個数である。
【００２１】
距離スペクトルから、ＡＷＧＮ（Additive White Gaussian Noise）チャネルまたはフルインタリーブ・レイリーチャネルについてビット誤り率を推定することができる。最適な非システマティックで非再帰的な畳み込み符号およびシステマティックで再帰的な畳み込み符号は、１／２のレートでメモリ（memory, 遅延素子数）２である上述のチャネルを介したパンクチャリングなしの伝送については知られている。
【００２２】
つまり実践においてはコンピュータにより多数の計算ステップで多数のアルゴリズムに従い、数多くのパンクチャリングマトリックスおよびインタリーブマトリックスまたはテーブルが求められ、評価ステップにおいてそのつどそれらの距離特性が上述のサブ基準に従って求められ、予期されるビット誤り率について最も好適な結果をもつパンクチャリングマトリックスおよびインタリーブマトリックスまたはテーブルがチャネル符号化器にインプリメントされる。殊に有利であるのは、提案された方法を先に挙げたプロファイルの伝送チャネルすなわち１つのタイムスロット内でほぼ一定のフェージング振幅をもつ伝送チャネルに適用することであり、また、各々新たなタイムスロットに別のチャネルが割り当てられることである。上記の利点はたとえば、高い伝送レートをもつ音声伝送法へ適用したときに得られる。この方法では、タイムスロットの欠落が最も頻繁に発生する誤りの結果であることが前提とされている。このことは調査によっても確かめられた。
【００２３】
次に、本発明について従来の解決策と対比させながら実施例に基づき詳しく説明する。以下の説明ならびにそれに関連して実現可能な伝送特性の改善を比較ダイアグラムとして描いた図１および図２には、本発明のさらに別の利点や実施形態がはっきりと示されている。
【００２４】
生成多項式
【００２５】
【数３】

【００２６】
によりレート１／２およびメモリもしくは遅延素子数ｍ＝４のマスタ符号のパンクチャリングにより、レートＲ＝１１／１６のシステマティックなパンクチャリングされた符号が生じる。コンピュータのサーチにより見つけ出された最良の距離特性をもつパンクチャリングマトリックスは、
【００２７】
【数４】

【００２８】
となる。
【００２９】
周期長Ｐはこの実施例では１１である。パンクチャリングされる符号の選択にあたり留意しなければならないのは、パンクチャリングマトリックス中の１の個数Ｚがタイムスロットの整数倍となることであり、その目的は各タイムスロットに同じ個数のビットを割り当てることができるようにするためである。インタリーブによってマトリックスＰのビットがタイムスロットに割り当てられる。この実施例ではハーフレートチャネルが採用され、つまりＺ＝１６のビットはＦ＝４のタイムスロットに配分される。ブロックインタリーブ（一般的な別個のインタリーバ）を適用するならば、パンクチャリングマトリックスとインタリーブマトリックスの以下のような組み合わせが得られる：
【００３０】
【数５】

【００３１】
値０をもつマトリックスの要素はパンクチャリングされるビットであり、値１〜４により個々のビットが対応するタイムスロットに割り当てられる。
【００３２】
この場合、１つのブロックの欠落はさらに別のパンクチャリングのようにみなすことができ、すなわちそのブロックにおけるすべてのビットは無視される。失われたビットの個数は、１つのブロック欠落であればＢ＝Ｚ／Ｆである。この場合、Ｒ_ｕ ＝^Ｐ／_{Ｚ - ｂ} のレートの新たなサブ符号が発生し、ここでＰはパンクチャリングマトリックスＰにおける列の個数であり、つまりはパンクチャリングの周期長を表す。
【００３３】
インタリーバにより、チャネルブロックへビットを割り当てることでサブ符号のコンフィグレーションが決定される。この場合、ブロック欠落により発生したサブ符号が既述の距離基準の点で最適となるよう、インタリーバの選択を行う必要がある。レート１／２のマスタ符号とレート１１／１６のパンクチャリングされた符号をコンピュータ支援によりサーチした後、第３のサーチを実行する必要がある。サーブ符号に対するＦ個の良好なパンクチャリングマトリックスを探す必要があり、それらのパンクチャリングマトリックスの要素は、マスタ符号のパンクチャリングマトリックスがその個所でゼロを有するときには必ずゼロとなるものであり、サブ符号の他のいかなるマトリックスもその個所においてゼロでないときにだけ他のポジションでゼロを有してもよいものである。
【００３４】
４つのタイムスロットに対するレート１１／１６の符号の割り当てについて、レートＲ_ｕ ＝１１／１２の以下の最適なサブ符号が得られる。
【００３５】
【数６】

【００３６】
これらのサブマトリックスをまとめることで、パンクチャリングマトリックスとインタリーブマトリックスの組み合わせを作ることができる：
【００３７】
【数７】

【００３８】
このマトリックスは式（３．３）のブロックインタリーバのマトリックスと異なる。この場合、距離特性がブロックインタリーバのマトリックスよりも改善されている。最適な符号を求めるため、サブ符号における個々の距離スペクトルが加算される。
【００３９】
表３．１：レート１１／１６のパンクチャリングされる符号の自由距離および距離スペクトル
d_ｆ = 4 a_４ = 6 c_４ =18 a_５ = 34 c_５ = 132
表３．２：レート１１／１２におけるサブ符号の自由距離および距離スペクトル
【００４０】
【表１】

【００４１】
これと比べてブロックインタリーバの場合、最小距離ｄ_ｆ ＝１をもつサブ符号が存在する。これによって誤り率が高くなる。
【００４２】
図１では、慣用の手法に従い求められたインタリーバ（「通常」の付された破線）もしくはパンクチャリングマトリックスとインタリーバマトリックスとの組み合わせにより式（３．５）に従って記述されたインタリーバ（「最適」の付された実践）に関するハーフレートチャネルのブロック誤り率が対比されている。このような簡単な実例であってもすでに０．３ｄＢの利得が得られ、これは復号器側で余分なコストをかけずに実現できる。
【００４３】
図２には、慣用のインタリーバ（ブロックインタリーバ、図中「古い符号」と付された特性曲線）と、最適なインタリーバ（図中「新しい符号」と付された特性曲線）におけるビット誤り率の比較が示されている。この図はレート８．１ｋｂｉｔ／ｓにおけるハーフレートチャネル（モード３Ｈ、mode 3H）に関するものであり、小さい四角で符号レートが表され、ビット番号に対するビット誤り率が示されている。
【００４４】
この場合、不均等な誤り保護を達成する目的で、以下のレートで符号化を行った：
表１：ブロックインタリーバと最適化されたインタリーバとによるモード３Ｈのレート
【００４５】
【表２】

【００４６】
発明者の調査により判明したのは、提案した方法により達成可能な利得は符号レートが高くなればなるほど大きくなることである。また、まとめられるビットの個数が多くなると距離特性が改善され、ひいては予期されるビット誤り率が小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 伝送特性の改善を比較ダイアグラムとして描いた図である。
【図２】 伝送特性の改善を比較ダイアグラムとして描いた図である。

Claims (7)

1. 誤り保護符号化およびインタリーブが行われる、ディジタル通信伝送システムたとえば移動無線システムにおける音声伝送用の音声信号のディジタル通信伝送システムにおけるチャネル符号化方法において、
   共通の計算ステップで求められる互いに関連し合うパンクチャリングおよびインタリーブ規則を、まえもって定められた誤り保護符号化マスタ符号のパンクチャリングならびにインタリーブのために使用し、該規則をインタリーブ後の距離特性の最適化基準に従って求めることを特徴とする、
   チャネル符号化方法。
2. サブ符号集合またはパンクチャリングテーブルとしてパンクチャリングおよびインタリーブ規則を使用する、請求項１記載の方法。
3. パンクチャリングおよびインタリーブ規則をパンクチャリングマトリックスまたはテーブルおよびインタリーブマトリックスまたはテーブルの組み合わせとして使用する、請求項１または２記載の方法。
4. ａ）複数の所定のアルゴリズムよる複数の計算ステップで複数の互いに関連し合うパンクチャリングおよびインタリーブ規則を求め、
   ｂ）１つの計算ステップにおいて自由距離および／またはその距離特性における平均距離スペクトルを求め、
   ｃ）最も好適な自由距離および／または最も好適な距離スペクトルを生じさせる互いに関連し合うパンクチャリングおよびインタリーブ規則をチャネル符号化にあたり使用する、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. １つのタイムスロット内でほぼ一定のフェージング振幅をもつ伝送チャネルと、各々新たな時間区間に別のチャネルが割り当てられる伝送方式に使用する、請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
6. ブロックごとの符号化および少ないタイムスロットへのフレームの割り当てが行われる音声伝送方式へ適用する、請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
7. １つのタイムスロット内の主誤りイベント 消去（extinction）をもつ伝送チャネルに使用する、請求項１から６のいずれか１項記載の方法。

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