JP5154621B2 - デジタル信号伝送方法および受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、デジタル信号伝送方法および受信装置に関する。

従来、デジタル信号伝送における伝送効率や伝送品質を高める方法として、ハイブリッド再送制御（Hybrid Auto Repeat reQuest；ＨＡＲＱ）の技術が知られている。ＨＡＲＱは、誤り訂正と再送制御を組み合わせた伝送方式であり、具体的には、送信情報に誤り訂正を施したパケットを送信し、そのパケットが正しく受信されなかった場合に同一の送信情報に基づいて作成した別のパケットを送信して、受信側でそれら複数のパケットから元の送信情報を正しく取り出すというものである。
ここで、ＨＡＲＱの代表的な方式として、ＩＲ（Incremental Redundancy）法とチェイス合成（Chase Combining）法があり、以下に図面を使ってこれらを説明する。

＜ＩＲ法＞
図９はＩＲ法によるデジタル伝送を行う送信装置３０のブロック図、図１０は同じく受信装置４０のブロック図である。
図９において、送信される情報ビットは符号化器３０１に入力されて誤り訂正符号化が施され、情報ビットとパリティビットからなる符号語が出力される。出力された符号語のうち、情報ビット全部とパリティビットの前半一部からなるビットは初回送信ブロックとして、残りのパリティビットは次回送信ブロックとして、それぞれバッファ３０２に蓄えられ、これらの各ブロックは順に変調器３０３に入力される。変調器３０３は、入力された各ブロックを変調して対応する変調シンボルを生成し、送信機（図示せず）がこの変調シンボルを送信する。このようにして、ある情報ビットを送信する場合に、初めに初回送信ブロック、次に次回送信ブロックという形で送信が行われる。

次に、図１０において、まず復調器４０１は初めに受信された初回受信ブロック（初回送信ブロックに対応する）を復調してブロック合成回路４０２へ出力する。この時、次回送信ブロックはまだ送信されていないので、ブロック合成回路４０２は送信されなかったパリティビットはパンクチャ（無効化）されたものとして処理し、入力された初回受信ブロックをそのまま復号化器４０３に出力する。復号化器４０３は入力されたブロックを復号して情報ビットを取り出すが、ここでは、図１における元の符号語全体のうち一部のパリティビットを使用していないから、符号化率が符号語全体を使用した場合よりも高いものとして復号化が行われることになる。

この復号化において、初回受信ブロックが正しく復号化できなかった場合には、受信装置側はそれを送信装置側に通知し、これを受けた送信装置３０は新たに次回送信ブロックを送信する。
すると、上記と同様にして次回受信ブロック（次回送信ブロックに対応する）が復調されてブロック合成回路４０２に入力されるが、今回は、初回および次回受信ブロックが直列に合成されてから復号化器４０３へ送られる。そして、復号化器４０３は、合成されたブロックの全体に対して復号化を行い、情報ビットを取り出す。ここで、この時の符号化率は、初回受信ブロックのみで復号化した時の符号化率よりも小さくなっている。したがって、復号化の誤り訂正能力が向上することとなり、初回の復号に比べて高い確率で復号が成功することとなる。

＜チェイス合成法＞
図１１はチェイス合成法によるデジタル伝送を行う送信装置３１のブロック図、図１２は同じく受信装置４１のブロック図である。
図１１において、チェイス合成法では、符号語がメモリ３０４で複製されて変調器３０３へ送られる。そして、複製の単位（つまり元の符号語）毎にブロック分割され、それぞれ初回送信ブロック、次回送信ブロックとして順に送信される。すなわち、チェイス合成法では初回も次回も送信される情報は同じである。なお、メモリ３０４は変調器３０３の後段に置く構成とすることもでき、同じ動作を実現できる。

次に、図１２において、初回受信ブロックに対する処理はＩＲ法と同様にして行われる。初回受信ブロックだけでは正しく復号化できず、次回送信ブロックが送られてきた場合は、ブロック合成回路４０２は初回および次回受信ブロックを同相で合成して、復号化器４０３に出力する。ここで、復号化器４０３への入力はビット当たりの電力が初回時よりも増しているため、初回に比べて高い確率で復号が成功することになる（なお、ＩＲ法と異なり、符号化率は初回と次回で変わらない）。

以上のＩＲ法とチェイス合成法は、それぞれ単独で用いるだけでなく、これらを組み合わせて伝送を行うことも可能である。図１３は、この組み合わせによる伝送を行う送信装置３２のブロック図である。同図において、符号語はメモリ３０４で複製された後、第１送信ブロックから第４送信ブロックの４つのブロックに分割されて変調器３０３へ送られる。第１・第３送信ブロックはＩＲ法における初回送信ブロックと同じく情報ビットとパリティビットの一部分から構成され、第２・第４送信ブロックはＩＲ法の次回送信ブロックと同じく残りのパリティビットで構成される。
そして受信側（対応する受信装置のブロック図は省略）では、第１および第２受信ブロックを受信した時の処理は上記ＩＲ法と同様の処理を行い、第３、第４受信ブロックを受信した時は、これら新たに受信したブロックを上記チェイス合成法の処理と同様に、既に受信済みのブロックと同相に合成し、復号化を行う。

なお、周波数分割した多数の搬送波を用いるマルチキャリア伝送方式に上述した各種のＨＡＲＱを適用する場合、送信ブロック毎に伝送パラメータを同一にするのが通常であるが、スループットを部分的に向上させる方法として、非特許文献１には、ＩＲ法を用いる場合に情報ビットだけからなる第１送信ブロックを送信するときのみWalsh符号拡散多重を行い、パリティビットを送信するときは符号拡散多重をしないことが好ましい方法であると紹介されている。

高岡、「適応可変拡散率を用いるMC-CDMA HARQのスループット特性」、信学技報、社団法人電子情報通信学会、平成１７年７月、ＲＣＳ２００５−４３、ｐ．１９−２４

上述したＩＲ法を用いたデジタル信号伝送方法では、２回目以降の伝送において多くのパリティビットが伝送されることで周波数ダイバシチ効果が得られるが、その反面、拡散多重信号の逆拡散受信による符号間干渉などの劣化要因が顕著となる。また、チェイス合成法では、２回目以降の伝送でブロック合成により受信Ｓ／Ｎが上がって符号間干渉の影響が相対的に小さくなるというメリットを生かしきれていない。このように、従来のＨＡＲＱ方式は、伝送パラメータが必ずしも最適化されていないため、スループットの面で問題があり、高品質な伝送を実現できないという課題があった。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、スループットを向上させて高品質な伝送を可能とするデジタル信号伝送方法および受信装置を提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明は、送信する情報ビットを符号化して得られた符号語を変調し、該変調によって得られた変調シンボルを２以上のブロックに分割して伝送するデジタル信号伝送方法であって、前記分割された全てのブロックを受信する前に復号を開始して、まだ受信していない未受信ブロックに含まれる変調シンボルの受信確率を、復号済みの変調シンボルの受信確率に基づいて予測し、前記未受信ブロックを受信して該ブロックに含まれる変調シンボルを復調するとき、前記予測された受信確率に基づいて通信路値を求めることを特徴とするデジタル信号伝送方法である。

また、本発明は、上記のデジタル信号伝送方法を用いて送信および／または受信を行う場合において、前記分割された全てのブロックを受信する前に、その時点までに復号された結果から前記情報ビットが正しく復号されたときは、送信側に通知して残りのブロックの送信を中止させることを特徴とするデジタル信号伝送方法である。

また、本発明は、上記のデジタル信号伝送方法を用いて送信および／または受信を行う場合において、前記分割された全てのブロックを受信する前に、その時点までに復号された結果から前記情報ビットが正しく復号されなかったときは、送信側に通知して残りのブロックを送信させることを特徴とするデジタル信号伝送方法である。

また、本発明は、送信する情報ビットを符号化して得られた符号語を変調し、該変調によって得られた変調シンボルを２以上のブロックに分割して伝送するデジタル信号伝送において、まだ受信していない未受信ブロックに含まれる変調シンボルの受信確率を、復号済みの変調シンボルの受信確率に基づいて予測し、前記未受信ブロックを受信して該ブロックに含まれる変調シンボルを復調するとき、前記予測された受信確率に基づいて通信路値を求める復調手段を備えることを特徴とする受信装置である。

本発明によれば、送信ブロック毎に符号多重数あるいは回転符号の角度を変えて各ブロックを送信し、また、既に復号された受信ビットの確からしさからまだ受信していない受信ビットの確からしさを推定して復調を行うので、伝送スループットを向上させ高品質な伝送を行うことが可能である。

第１の実施形態によるデジタル信号伝送方法で動作する送信装置のブロック図である。 第１の実施形態によるデジタル信号伝送方法で動作する受信装置のブロック図である。 第３の実施形態によるデジタル信号伝送方法で動作する送信装置のブロック図である。 第３の実施形態によるデジタル信号伝送方法で動作する受信装置のブロック図である。 第４の実施形態によるデジタル信号伝送方法で動作する受信装置のブロック図である。 第４の実施形態によるデジタル信号伝送方法で動作する他の受信装置のブロック図である。 第４の実施形態によるデジタル信号伝送方法で動作する他の受信装置のブロック図である。 図７の受信装置における双反復復号化器の内部構成を示すブロック図である。 従来の送信装置のブロック図である。 従来の受信装置のブロック図である。 従来の送信装置のブロック図である。 従来の受信装置のブロック図である。 従来の送信装置のブロック図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
≪第１の実施形態≫
図１と図２は、本発明の第１の実施形態によるデジタル信号伝送方法を説明する図であり、図１が送信装置１０のブロック図、図２が受信装置２０のブロック図である。本実施形態は、ＩＲ法によるＨＡＲＱを基にしたものである。

図１において、送信される情報ビットは符号化器１０１に入力されて誤り訂正符号化が施され、情報ビットとパリティビットからなる符号語が出力される。出力された符号語のうち、情報ビット全部とパリティビットの前半一部からなるビットは初回送信ブロックとして、残りのパリティビットは次回送信ブロックとして、それぞれ順に変調器１０２に入力される。変調器１０２は、入力ビットを変調して対応する変調シンボルを生成し、シリアルパラレル（Ｓ／Ｐ）変換器１０３へ送る。Ｓ／Ｐ変換器１０３に入力された変調シンボルをＡとＢで表すことにする。変調シンボルＡ、Ｂは、拡散多重化器１０４に入力されて、サブキャリアＦ１とＦ２にマッピングされる。このマッピングされたシンボルをＸ、Ｙとすると、拡散多重の操作は次式で表される。

Ｃは２×２の行列であり、次数２の拡散多重符号を与えるものである。なお、次数が４の場合には、４つの変調シンボルと４つのサブキャリアを関係付ける４×４の行列によって拡散多重符号が定義される。なお、行列Ｃの具体例として、次数をその長さとするWalsh-Hadamard行列などがある。
上式で与えられるサブキャリア上のシンボルＸ、Ｙは、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）器１０５を介して送信機（図示せず）から送信される。

次に、図２において、まず高速フーリエ変換（ＦＦＴ）器２０１を介して復調器２０２に入力された初回受信ブロック（初回送信ブロックに対応する）は、復調後、ブロック合成回路２０３へ出力される。この時、次回送信ブロックはまだ送信されていないので、ブロック合成回路２０３は送信されなかったパリティビットはパンクチャ（無効化）されたものとして処理し、入力された初回受信ブロックをそのまま復号化器２０４に出力する。復号化器２０４は入力されたブロックを復号して情報ビットを取り出す。

この復号化において、初回受信ブロックが正しく復号化できなかった場合には、受信装置側はそれを送信装置側に通知し、これを受けた送信装置１０は新たに次回送信ブロックを送信する。
すると、上記と同様にして次回受信ブロック（次回送信ブロックに対応する）が復調されてブロック合成回路２０３に入力されるが、今回は、初回および次回受信ブロックが直列に合成されてから復号化器２０４へ送られる。そして、復号化器２０４は、合成されたブロックの全体に対して復号化を行い、情報ビットを取り出す。

ここで、本実施形態では、前に送信するブロック（初回送信ブロック）の拡散多重の次数を、後に送信するブロック（次回送信ブロック）の拡散多重の次数より大きくして伝送を行う。このような伝送パラメータの調整を行うと、
（１） 符号化率が高い初回の送信においては、より大きな周波数ダイバシチ効果が得られる高次数の拡散多重符号を用いることで伝送特性を向上させることができ、
（２） ２回目以降の送信においては、多くのパリティビットが伝送されてブロック合成が行われるので、符号化率が小さくなってより高い周波数ダイバシチ効果が得られるようになる。この条件下では、符号間干渉などによる劣化要因となる拡散多重の度合いは、むしろ抑えた方が伝送特性を向上させることができる。ただし、拡散多重信号を逆拡散せずに復調することで符号間干渉を抑える効果が得られるので、２回目以降の送信においても低次の拡散多重符号を用いて送信することが望ましい。
伝送パラメータを上記のように最適化することで、本実施形態によれば従来技術より伝送スループットを向上させ、高品質な伝送を行うことが可能である。

≪第２の実施形態≫
本実施形態では、拡散多重符号として回転符号を適用する。この場合、前に送信するブロックと後に送信するブロックとで拡散多重の次数を変化させる代わりに、回転符号の回転角を、送信する順番の遅いブロックほど小さくして伝送を行う。このような伝送パラメータを用いることで、第１の実施形態の場合と同様に伝送スループットを向上させることができる。なお、回転行列は次数が２の場合次式で与えられる。ただし、符号多重化しない場合と等価な信号になる角度を０°とし、Walsh-Hadamard符号と等価な信号になる角度を４５°としたとき、角度θは０から４５°の範囲であるものとする。

≪第３の実施形態≫
図３と図４は、本発明の第３の実施形態によるデジタル信号伝送方法を説明する図であり、図３が送信装置１１のブロック図、図４が受信装置２１のブロック図である。本実施形態は、チェイス合成法によるＨＡＲＱを基にしたものである。
図３において、第１の実施形態との構成上の違いは、符号化器１０１と変調器１０２の間にメモリ１０６を設けた点である。そして、符号語がメモリ１０６で複製されて変調器１０２へ送られ、複製の単位（つまり元の符号語）毎にブロック分割されて、それぞれ初回送信ブロック、次回送信ブロックとして順に送信される。なお、メモリ１０６は変調器１０２の後段に置く構成とすることもでき、同じ動作を実現できる。

次に、図４において、初回受信ブロックに対する処理は第１の実施形態と同様にして行われる。初回受信ブロックだけでは正しく復号化できず、次回送信ブロックが送られてきた場合は、ブロック合成回路２０３は初回および次回受信ブロックを同相で合成して、復号化器２０４に出力する。そして、復号化器２０４は、合成されたブロックの全体に対して復号化を行い、情報ビットを取り出す。

本実施形態で基としているチェイス合成法では、送信するブロックによって符号化率が変わらないので、２回目以降の伝送で拡散多重符号の次数を小さくしても、伝送特性が向上するという効果は得られない。また、２回目以降の伝送では同相でブロック合成をしているため受信Ｓ／Ｎが上がっている。

そこで、本実施形態では、後に送信するブロック（次回送信ブロック）の拡散多重の次数を、前に送信するブロック（初回送信ブロック）の拡散多重の次数より大きくして伝送を行う。また、拡散多重符号として回転符号を用いている場合には、送信する順番の遅いブロックほど回転符号の回転角を大きくして伝送を行う。すると、いずれの場合にも後の伝送では、符号間干渉などによる劣化要因が相対的に小さくなるため、伝送特性が向上する。
伝送パラメータを上記のように最適化することで、本実施形態によれば従来技術より伝送スループットを向上させ、高品質な伝送を行うことが可能である。

≪第４の実施形態≫
図５は、本発明の第４の実施形態によるデジタル信号伝送方法を説明する、受信装置２２のブロック図である。
同図において、まず初回受信ブロックを処理する場合、復調器２０２は高速フーリエ変換器２０１からの出力である受信ビットに対し、各ビットの事前確率（受信確率）の初期値を１／２として通信路値Ｌ１を出力する。復号化器２０４はブロック合成回路２０３から出力された通信路値Ｌ２を入力として復号を行い、通信路値Ｌ３を出力する。この通信路値Ｌ３は、新たな事前確率として復調器２０２にフィードバック入力され、復調器２０２はＬ３を基にして再びＬ１を計算する。以降、所定の回数、または所定の条件が満たされるまで、上記フィードバックループが繰り返され、初回受信時における通信路値Ｌ０が定まる。

次に、次回受信ブロックを処理する場合、復調器２０２は、初回受信時に得られた上記の通信路値Ｌ０から推定される事前確率を初期値として、通信路値Ｌ１を出力する。そして、フィードバックループが同様に繰り返されて最終的な情報ビットが取り出される。
このように、過去の受信ブロックの復号過程で得られた受信ビットの確からしさから、まだ受信していないブロックに含まれる受信ビットの確からしさを推定し、それを用いて次に受信するブロックを復調することで、次回受信ブロック処理時の復号精度が高まり、伝送スループットが向上するという効果をもたらすことができる。

なお、図５において、処理の対象となる受信ブロックはＩＲ法による場合を示しているが、チェイス合成法の場合にも本実施形態を適用できるのはもちろんである。

また、図６に示すブロック図のように、図５における復調器２０２の機能を多次元復調部２０５と通信路値演算部２０６に分離して受信装置２３を構成しても、同等の効果を実現することができる。この場合、多次元復調部２０５は、受信信号点から最も確からしい送信時の信号点を判定する処理のみを行っている。通信路値演算部２０６は、復号化器２０４から得られる通信路値Ｌ３を基にして、通信路値を更新する処理を行っている。そして、初回受信ブロックの処理後に得られた通信路値から、次回受信ブロックに対する事前確率の初期値の推定が行われるが、これは図５における構成の場合と同じである。

さらに、図７に示すブロック図のように、図６における復号化器２０４と通信路値演算部２０６を双反復復号化器２０７に置き換えた受信装置２４とすることもできる。図８は、双反復復号化器２０７の内部構成を示したブロック図である。図８において、通信路値演算部２０８ａ・２０８ｂは、多次元復調部２０５で得られた２ビットシンボルａｂの確からしさＰｃ（ａｂ）、および、復号化器２０９ｂ・２０９ａで得られたシンボルｂの事後値Ｐ（ｂ）をそれぞれ用いて、次式に従ってシンボルａの軟判定値Ｐｃ（ａ）を計算して順次更新していく。ここで、ＡとＢは適切な効果を得るために用いる定数または変数であり、その値を１に設定してもよい。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、上述したいずれかの送信装置または受信装置を用いてデジタル信号伝送を行う場合において、受信装置が全てのブロックの受信を完了する前に、それまでに受信し復号した結果から伝送された情報ビットが正しく復号されたことが分かったときは、その旨を送信装置に通知して残りのブロックの送信を中止させるような制御を取り入れてもよい。このようにすれば、無駄なブロックが伝送されることを避けることができるので、伝送効率がさらに向上する。また逆に、伝送された情報ビットが正しく復号されなかったときに送信装置に通知して残りのブロックを送信させるよう制御を行ってもよい。

１０、１１、３０〜３２…送信装置 ２０〜２４、４０、４１…受信装置 １０１、３０１…符号化器 １０２、３０３…変調器 １０３…シリアルパラレル変換器 １０４…拡散多重化器 １０５…逆高速フーリエ変換器 １０６、３０４…メモリ ２０１…高速フーリエ変換器 ２０２、４０１…復調器 ２０３、４０２…ブロック合成回路 ２０４、２０９ａ、２０９ｂ、４０３…復号化器 ２０５…多次元復調部 ２０６、２０８ａ、２０８ｂ…通信路値演算部 ２０７…双反復復号化器 ３０２…バッファ

Claims (4)

1. 送信する情報ビットを符号化して得られた符号語を変調し、該変調によって得られた変調シンボルを２以上のブロックに分割して伝送するデジタル信号伝送方法であって、
   前記分割された全てのブロックを受信する前に復号を開始して、まだ受信していない未受信ブロックに含まれる変調シンボルの受信確率を、復号済みの変調シンボルの受信確率に基づいて予測し、
   前記未受信ブロックを受信して該ブロックに含まれる変調シンボルを復調するとき、前記予測された受信確率に基づいて通信路値を求め、
   前記復調の機能として、多次元復調の機能と通信路値演算の機能を有し、
   前記通信路値演算の機能は、前記通信路値を次の式により演算し、
   

   

   この式において、ａｂは前記多次元復調で得られた２ビットシンボルであり、Ｐｃ（ａｂ）は該２ビットシンボルの確からしさであり、Ｐ（ｂ）は前記復号で得られたシンボルｂの事後値であり、Ｐｃ（ａ）はビットａの軟判定値であって通信路値であり、ＡとＢは定数または変数であり、
   Ｐ（ｂ）とＰ（ｂ’）は前記受信確率の初期値であり、前記通信路値演算の機能は、初回の受信ブロックの処理時には該初期値を１／２とし、次回の受信ブロックの処理時には該初期値を初回の受信ブロックの処理時の結果とする
   ことを特徴とするデジタル信号伝送方法。
2. 請求項１に記載のデジタル信号伝送方法を用いて送信および／または受信を行う場合において、前記分割された全てのブロックを受信する前に、その時点までに復号された結果から前記情報ビットが正しく復号されたときは、送信側に通知して残りのブロックの送信を中止させる
   ことを特徴とするデジタル信号伝送方法。
3. 請求項１から請求項２のいずれかの項に記載のデジタル信号伝送方法を用いて送信および／または受信を行う場合において、前記分割された全てのブロックを受信する前に、その時点までに復号された結果から前記情報ビットが正しく復号されなかったときは、送信側に通知して残りのブロックを送信させる
   ことを特徴とするデジタル信号伝送方法。
4. 送信する情報ビットを符号化して得られた符号語を変調し、該変調によって得られた変調シンボルを２以上のブロックに分割して伝送するデジタル信号伝送において、
   まだ受信していない未受信ブロックに含まれる変調シンボルの受信確率を、復号済みの変調シンボルの受信確率に基づいて予測し、前記未受信ブロックを受信して該ブロックに含まれる変調シンボルを復調するとき、前記予測された受信確率に基づいて通信路値を求める復調手段を備え、
   前記復調の機能として、多次元復調の機能と通信路値演算の機能を有し、
   前記通信路値演算の機能は、前記通信路値を次の式により演算し、
   

   

   この式において、ａｂは前記多次元復調で得られた２ビットシンボルであり、Ｐｃ（ａｂ）は該２ビットシンボルの確からしさであり、Ｐ（ｂ）は前記復号で得られたシンボルｂの事後値であり、Ｐｃ（ａ）はビットａの軟判定値であって通信路値であり、ＡとＢは定数または変数であり、
   Ｐ（ｂ）とＰ（ｂ’）は前記受信確率の初期値であり、前記通信路値演算の機能は、初回の受信ブロックの処理時には該初期値を１／２とし、次回の受信ブロックの処理時には該初期値を初回の受信ブロックの処理時の結果とする
   ことを特徴とする受信装置。

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