JP4727380B2

JP4727380B2 - 復号装置および方法、ならびに復調復号装置および方法

Info

Publication number: JP4727380B2
Application number: JP2005308398A
Authority: JP
Inventors: 辰鄭; 利則鈴木
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2025-10-24
Also published as: JP2007116597A

Description

本発明は、符号化変調においてＬＤＰＣ符号を適用する復号装置および方法、ならびに復調復号装置および方法に関する。

高い周波数利用効率を達成するためには、訂正能力の高い誤り訂正符号と多値変調の応用が必要である。例えば、非特許文献１に示すように、ｃｄｍａ２０００ＨＲＰＤ（ＨｉｇｈＲａｔｅＰａｃｋｅｔＤａｔａ）システムのような既存セルラーシステムにおいても、情報ビットをターボ符号化し、１６ＱＡＭ（ＱｕａｄｒａｔｕｒｅＡｍｐｌｉｔｕｄｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）などの多値変調を用いることにより、周波数利用効率を改善している。また、非特許文献２に示すように、変復調と符号復号技術の融合として、誤り訂正復号と多値レベルの変復調方式とを組み合わせる技術を提案したものがある。

また、非特許文献４に示すように、低密度パリティ検査符号（Ｌｏｗ−ＤｅｎｓｉｔｙＰａｒｉｔｙ−ＣｈｅｃｋＣｏｄｅｓ、以下、ＬＤＰＣ符号と略記する）は、新世代モバイルを対象とした無線方式において有力な候補として注目され、ターボ符号と並んで、シャノン限界に迫る性能を持つ。ＬＤＰＣ符号は、その特長として、復号アルゴリズムが、本質的に並列アルゴリズムであるため並列分散型ハードウェア実装に適している。また、様々な符号長、符号化率の符号を容易に構成できる柔軟性が利点として挙げられる。

多値レベルの変復調方式とＬＤＰＣ符復号技術の融合として、非特許文献３に示すような従来方式がある。非特許文献３の方式は、ＬＤＰＣ符号における反復復調復号方式である。この方式は、復調を行う後にＬＤＰＣ復号を行い、さらに、ＬＤＰＣ復号器の出力判定値（事後値）を復調器に戻して、復調値を更新し、更新した復調値をＬＤＰＣ復号器に入力して反復復号を行う。こうしたＬＤＰＣ符号における反復復調復号方式は、反復復調を行わない復号方式より、特性をさらに改善することができる。

図１にはＬＤＰＣ符号における反復復調復号方式の構成を示す。送信器１００は、ＬＤＰＣ符号器１０１と変調器１０２とで構成され、入力情報データのＬＤＰＣ符号化を行い、符号化データを変調して生成したシンボルを、通信路３００を介して伝送する。また、受信器２００はＬＤＰＣ復号器２０２と復調器２０１とで構成され、受信信号を復調して復調値をＬＤＰＣ復号器２０２に入力する。ＬＤＰＣ復号器２０２は、ＬＤＰＣ復号化を行い、ＬＤＰＣ復号器２０２の出力を復調器２０１に戻して復調値を更新し、次回のＬＤＰＣ反復復号を行う。以上の復調と復号処理を数回に繰り返して行う。
３ＧＰＰ２、Ｃ．Ｓ００２４Ｖｅｒｓｉｏｎ４．０、"ｃｄｍａ２０００ＨｉｇｈＲａｔｅＰａｃｋｅｔＤａｔａＡｉｒＩｎｔｅｒｆａｃｅＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ、" Ｏｃｔ．２００２．Ｓ．ｔｅｎＢｒｉｎｋ、Ｊ．Ｓｐｅｉｄｅｌ、ａｎｄＲ．Ｙａｎ、 "ＩｔｅｒａｔｉｖｅＤｅｍａｐｐｉｎｇａｎｄＤｅｃｏｄｉｎｇｆｏｒＭｕｌｔｉｌｅｖｅｌＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ、" Ｐｒｏｃ．ＧｌｏｂｅＣｏｍ、ｐｐ．５７９−５８４、１９９８．Ｒ．Ｎａｒａｙａｎａｓｗａｍｉ、"ＣｏｄｅｄＭｏｄｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈＬｏｗ−ＤｅｎｓｉｔｙＰａｒｉｔｙ−ＣｈｅｃｋＣｏｄｅｓ、" Ｍａｓｔｅｒ‘ｓＴｈｅｓｉｓ、Ｄｅｐｔ．Ｅｌｅｃｔ．Ｅｎｇ、ＴｅｘａｓＡ＆ＭＵｎｉｖ、ＣｏｌｌｅｇｅＳｔａｔｉｏｎ、ＴＸ、２００１．和田山正著：低密度パリティ検査符号とその復号法、トリケップス社、２００２．

ここで、反復復調復号方式についての一般的なアルゴリズムは非特許文献２に記載されており、非特許文献３に示した従来方式によるＬＤＰＣ符号の反復復調復号方式の処理フローは図６のようになっている。図６の処理フローには二つの処理が含まれており、その一つが反復復調を行う外部処理（図中、ステップＳ２７からステップＳ３０）である。すなわち、ＬＤＰＣ復号器から戻ってくる復号器の事後値を復調器の事前値として、復調器の出力復調値を更新する。二つ目の処理は反復復号を行う内部処理（図中、ステップＳ２１からステップＳ２６）である。すなわち、復調器において更新した復調値をＬＤＰＣ復号器に入力し、ＬＤＰＣ反復復号を行う。なお、図６は対数領域Ｓｕｍ−Ｐｒｏｄｕｃｔ復号アルゴリズムを示すものであり、詳細な復号アルゴリズムは非特許文献４に詳しく記載されている。

復号アルゴリズムにおける主な処理には、行処理、列処理、およびパリティ検査がある。行処理は復号器の外部値を更新するものであり、列処理は復号器の事前値を更新するものである。ＬＤＰＣ復号を行った後に、復号器の事後値は反復復調器に戻される。以上の処理を繰り返して行う。

しかしながら、図６に示した従来の方式では、毎回反復復調を行った後に、すなわち内部処理となるＬＤＰＣ復号を行う前に、復号処理の初期化を行っている。つまり、復号処理初期化の際、復号器の事前値を０に設定することになる。この結果、反復復調を行う都度、事前値がゼロクリアされるため、大きな反復復号回数を設定する必要があり、全ての反復回数（反復復調回数と反復復号回数の合計）が増えるという問題がある。

また、システム構成の複雑化を抑制するためには、全ての反復回数を減らす必要があるが、全ての反復回数を減らすことにより誤り率特性の劣化を招くという問題がある。例えば、反復復調回数をＰ、反復復号回数をＱとした場合、全ての反復回数はＴ＝Ｐ×Ｑになるが、Ｔを一定値とするためには、反復復調回数がＰ＞１であることから、反復復号回数Ｑを減らす必要がある。すなわち、従来方式においては、毎回復号初期化を行うときに、事前値として０を設定するため、反復復号回数Ｑを減らすことになって、特性の劣化を招くという問題がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ＬＤＰＣ符号を多値変調に適用しても反復復調と反復誤り訂正を効率よく利用することにより、特性の優れたＬＤＰＣ符号化変調方式を実現し、データ伝送の特性を向上させる復号装置および方法、ならびに復調復号装置および方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の事項を提案している。
請求項１に係る発明は、一入力値に対する反復復号について繰り返しＬＤＰＣ復号を行う復号装置であって、前記反復復号を完了した際に復号器の事前値を保存する記憶手段と、次回の反復復号を行う前に、復号器の初期化を行い、該記憶手段に記憶した事前値に基づいて今回の復号器の初期値を更新する更新手段と、を備え、該更新された初期値に基づいて、引き続いて反復復号を行うことを特徴とする復号装置を提案している。

請求項２に係る発明は、一入力値に対する反復復号について繰り返しＬＤＰＣ復号を行う復号方法であって、前記反復復号を完了した際に復号器の事前値を保存する第１のステップと、次回の反復復号を行う前に、復号器の初期化を行い、該記憶手段に記憶した事前値に基づいて今回の復号器の初期値を更新する第２のステップと、該更新された初期値に基づいて、引き続いて反復復号を行う第３のステップと、を有することを特徴とする復号方法を提案している。

請求項３に係る発明は、復調器の出力復調値をＬＤＰＣ復号器に入力し、繰り返しＬＤＰＣ復号を行う復調復号装置であって、前記復号器が初期化を行って反復復号を行い、復号器の出力事後値を出力するとともに、該出力された出力事後値をフィードバック入力して復調値を更新し、引き続いて復調復号を行うことを特徴とする復調復号装置を提案している。

請求項４に係る発明は、復調器の出力復調値をＬＤＰＣ復号器に入力し、繰り返しＬＤＰＣ復号を行う復調復号方法であって、前記復号器が初期化を行って反復復号を行い、復号器の出力事後値を出力する第１のステップと、該出力された出力事後値をフィードバック入力して復調値を更新し、引き続いて復調復号を行う第２のステップと、を有することを特徴とする復調復号方法を提案している。

本発明によれば、ＬＤＰＣ復号における反復復号回数を減少させることにより、誤り訂正能力の劣化を防止して、低誤り率で信頼性の高い通信を行うことが可能になるという効果がある。また、ＬＤＰＣ符号を多値変調に適用しても反復復調と反復誤り訂正を効率よく利用することにより、特性の優れたＬＤＰＣ符号化変調方式を実現し、データ伝送の特性を向上させることができるという効果がある。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本発明は、従来方式の欠点を改善するものであり、反復復調復号方式として、ＬＤＰＣ反復復号回数を低くしても、特性の劣化を抑えることができるものである。図２に本実施形態における反復復調と復号の処理フローを示す。ここで、図２に示した処理フローには、三つの処理がある。一つ目は、反復復調を行う外部処理（図中、ステップＳ８からステップＳ１１）である。外部処理は、ＬＤＰＣ復号器２０２から戻ってきた復号器の事後値を復調器の事前値として、復調器２０１の出力復調値を更新する。二つ目は反復復号を行う内部処理である（図中、四角囲みの部分、ステップＳ１からステップＳ６）。内部処理は、外部処理において更新した復調値をＬＤＰＣ復号器２０２に入力して繰り返しＬＤＰＣ復号を行う。

ここでの主な復号処理には、行処理、列処理、およびパリティ検査が含む。行処理はＬＤＰＣ復号器２０２の外部値を更新することであり、列処理はＬＤＰＣ復号器２０２の事前値を更新することである。ＬＤＰＣ復号が完了すると、ＬＤＰＣ復号器２０２の出力事後値は復調器２０１に戻される。

三つ目の処理はＬＤＰＣ復号器２０２の初期化事前値を更新することである（図中、ステップＳ７）。今回の復号初期化を行っているとき、前回完了したＬＤＰＣ復号器２０２の事前値を今回の復号初期事前値として設定して、復号を引き続いて行う。つまり、従来方式である復号初期事前値を０に設定することを行わない。以上の三つの処理を繰り返して行う。

以下、図２に基づいて、本実施形態におけるＬＤＰＣ符号の反復復調復号方式に関して、復調と復号の処理を詳細に説明する。ＬＤＰＣ符号は、非常に疎な検査行列により定義される線形符号である。疎な検査行列というのは、検査行列（０と１を含む行列）内の1の個数が非常に少ないということを意味している。符号化ブロック長は検査行列の列数に等しく、以下ではＭ×Ｎ行列Ｈを復号したいＬＤＰＣ符号の検査行列とする。

ここで、検査行列Ｈのｍ行n列目の要素をH_ｍｎと表記する。また、集合［１、N］の部分集合Ａ（ｍ）、Ｂ（ｎ）を数１のように定義する。

すなわち、Ａ（ｍ）は検査行列Ｈのｍ行目において、1 が立っている列インデックスの集合を意味し、Ｂ（ｎ）は検査行列Ｈのｎ列目において1 が立っている行インデックスの集合を指す。符号化データは数２のように仮定し、そのうち、各Ｋビットは一つのシンボルＳ_ｌに変調され、数３に示すＬ個シンボルとして送受信したものと仮定する。また、通信路としては、シンボルの条件付確率Ｐ_ｃｈＳ_ｌで記述される無記憶通信路を仮定する。以下、復調と復号の処理について説明する。

＜復調器初期化＞（ステップＳ１）
反復復調回数のカウンタとする変数をｐ＝１とし、復調器の対数事前値比を数４とする。また、反復最大復調回数を変数Ｐに設定する。受信シンボル中第ｉビットの対数尤度比は、数５により定義される。

＜復号器初期化＞（ステップＳ２）
反復回数のカウンタとする変数をｑ＝１とし、反復最大回数を変数Ｑに設定する。Ｈ_ｍｎ＝１を満たす全ての組（ｍ、n）に対して対数事前値比を数６とする。

＜行処理＞（ステップＳ３）
ｍ＝１、２、・・・・、Ｍの順にＨ_ｍｎ＝１を満たす全ての組（ｍ、n）に対して、数７に示す更新式を利用して数８に示す対数外部値比を更新する。ここで、ｓｉｇｎ（ｘ）は、数９に示すようであり、数１０に示す関数ｆ（ｘ）をＧａｌｌａｇｅｒ関数と呼ぶ。

＜列処理＞（ステップＳ３）
n＝１、２、・・・、Nの順にＨ_ｍｎ＝１を満たす全ての組（ｍ、n）に対して、数１１に示す更新式を利用して事前値を更新する。

＜一時推定語の計算およびパリティ検査＞（ステップＳ３、ステップＳ４）
数１２を計算し（ステップＳ３）、一時推定語が符号語になっているかどうかを検査する（ステップＳ４）。このとき、数１３の関係を満たせば、数１４を推定語として出力し、アルゴリズムを終了する。

＜反復復号回数のカウント＞（ステップＳ５、ステップＳ６）
反復回数ｑがｑ＜Ｑの関係にある場合には、ｑをｑ＝ｑ＋１として（ステップＳ６）、ステップＳ３に戻る。また、ｑ＝Ｑおよびｐ＜Ｐであるときは、ｐをｐ＝ｐ＋１として（ステップＳ９、ステップＳ１０）、数１５に示す復調器の事前値が更新され（ステップＳ８）、受信シンボル中第ｉビットの対数尤度比が、数１６に示すように更新されてステップＳ２に戻る。また、反復回数ｑがｑ＝Ｑの場合には、復号器事前値β（ｐ）をβ（ｐ）＝β（ｐ−１）に更新して、ステップＳ２に戻る（ステップＳ７）。

＜反復復調回数のカウント＞（ステップＳ１０、ステップＳ１１）
また、ｑ＝Ｑで、ｐ＝Ｐの場合には、数１７を推定語として出力し、処理を終了する。

以上、本実施形態のＬＤＰＣ符号における反復復調復号方式について、計算機によるシミュレーションを行って、シミュレーション結果より本実施形態の方式の特性の比較と評価を行う。ここで、ＬＤＰＣ符号の符号化率は１／２であり、情報記号数は２０４８ビットである。また、変調方式は１６ＱＡＭ、チャネルは相加性白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）である。

図３は、本実施形態の方式により得られたフレーム誤り率ＦＥＲ特性と従来方式の特性とを比較するものであり、ＦＥＲをビットエネルギー対背景相加性白色雑音電力密度比Ｅ_ｂ／Ｎ_oの関数として比較したものである。ここで、反復復調回数は５回、反復復号回数は５０回である。この図から、本実施形態の方式（図中、実線で表示）は従来方式より特性が改善できることが分かる。

図４は、本実施形態の方式により得られたＦＥＲ特性を示し、反復復調を行わないＬＤＰＣ復号（１００回の反復復号）の特性と比較するものである。まず、全体の反復回数が等しい時、すなわち、５回反復復調と２０回反復復号にあわせる場合(５×２０=１００)、特性が改善することが分かる。

次に、本実施形態の方式において、全体の反復回数が半分ぐらいに減少する場合、すなわち３回反復復調と２０回反復復号にあわせる場合、反復復調を行わないＬＤＰＣ復号の特性とほぼ等しい結果であることが分かる。

図５は、図４の特性に関連する平均反復回数の特性を示している。ビットエネルギー対背景相加性白色雑音電力密度比Ｅ_ｂ／Ｎ_oが低いとき、３回反復復調と２０回反復復号を行う本実施形態の方式の場合、平均反復回数をさらに減らすことができることが分かる。

したがって、本実施形態によれば、ＬＤＰＣ復号における反復復号回数を減少させることにより、誤り訂正能力の劣化を防止して、低誤り率で信頼性の高い通信を行うことが可能になる。また、ＬＤＰＣ符号を多値変調に適用しても反復復調と反復誤り訂正を効率よく利用することにより、特性の優れたＬＤＰＣ符号化変調方式を実現し、データ伝送の特性を向上させることができる

以上、この発明の実施形態につき、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。例えば、本実施形態においては、前回完了したＬＤＰＣ復号器の事前値を今回の復号初期事前値としてそのまま設定する方法について説明したが、前回完了したＬＤＰＣ復号器の事前値に所定の係数を乗じる等の加工を行ったものを今回の復号初期事前値として設定してもよい。

本実施形態の構成を示す図である。本実施形態における反復復調と復号の処理フロー図である。本実施形態の方式により得られたフレーム誤り率ＦＥＲ特性と従来方式の特性とを比較する図である。本実施形態の方式により得られたＦＥＲ特性を示す図である。図４の特性に関連する平均反復回数の特性を示す図である。従来例における反復復調と復号の処理フロー図である。

符号の説明

１００・・・送信機、１０１・・・ＬＤＰＣ符号器、１０２・・・変調器、２００・・・受信機、２０１・・・復調器、２０２・・・ＬＤＰＣ復号器、３００・・・通信路。

Claims

一入力値に対する反復復号について繰り返しＬＤＰＣ復号を行う復号装置であって、
前記反復復号を完了した際に復号器の事前値を保存する記憶手段と、
次回の反復復号を行う前に、復号器の初期化を行い、該記憶手段に記憶した事前値に基づいて今回の復号器の初期値を更新する更新手段と、
を備え、該更新された初期値に基づいて、引き続いて反復復号を行うことを特徴とする復号装置。
一入力値に対する反復復号について繰り返しＬＤＰＣ復号を行う復号方法であって、
前記反復復号を完了した際に復号器の事前値を保存する第１のステップと、
次回の反復復号を行う前に、復号器の初期化を行い、該記憶手段に記憶した事前値に基づいて今回の復号器の初期値を更新する第２のステップと、
該更新された初期値に基づいて、引き続いて反復復号を行う第３のステップと、
を有することを特徴とする復号方法。
復調器の出力復調値を請求項１に記載された復号装置の復号器に入力し、繰り返しＬＤＰＣ復号を行う復調復号装置であって、
前記復号器が初期化を行って反復復号を行い、復号器の出力事後値を出力するとともに、該出力された出力事後値をフィードバック入力して復調値を更新し、引き続いて復調復号を行うことを特徴とする復調復号装置。
復調器の出力復調値を請求項１に記載された復号装置の復号器に入力し、繰り返しＬＤＰＣ復号を行う復調復号方法であって、
前記復号器が初期化を行って反復復号を行い、復号器の出力事後値を出力する第１のステップと、
該出力された出力事後値をフィードバック入力して復調値を更新し、引き続いて復調復号を行う第２のステップと、
を有することを特徴とする復調復号方法。