JP5586336B2 - メッセージパッシングを使用して符号を復号するための方法及び復号器 - Google Patents
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Description
適切に設計された低密度パリティチェック(LDPC)符号は、信念伝搬(BP)復号器を使用して復号されると、信号対雑音比(SNR)が符号しきい値に近いいわゆる「ウォータフォール」レジームで近シャノン限界性能を達成することができる。多数のBP復号器が、従来技術において知られている。米国特許データベースは、5万(50,000)件を超える関連特許及び関連出願を公開している。
後述する本発明は、Gravel及びElserの「Divide and Concur: a General Approach to Constraint Satisfaction」,Phys.Rev.E 78,036706,2008に説明された方法により部分的に動機付けられている。以下では、分割統治(Divide and Conquer)をD&Cという。
第1のステップにおいて、レプリカは、分割射影によって示される所望の量の2倍を移動する。それらレプリカの新しい値は、次に、レプリカの「オーバーシュート」値と呼ばれる。
第2のステップにおいて、統治射影が、レプリカのオーバーシュート値に適用されて、レプリカの「被統治(conquered)」値が得られる。
第3のステップにおいて、レプリカ値が第1のステップにおいて「オーバーシュート」された量を引くことにより、レプリカの被統治値が訂正され、次の反復用のレプリカが得られる。
D&C方法のアイデアを使用してBP復号器を構築するには、本発明者らは、先ず、メッセージパッシング方法の手続きを使用してD&Cを再構築する必要があった。BP復号器がファクタグラフ上で「メッセージ」をパスすることを思い出されたい。これは、一目見ただけで、D&C方法で実行されるレプリカ値の更新とは非常に異なっている。D&Cを達成するために本発明者が定義する「メッセージ」及び「信念」は、従来のBP復号器のものと同様であるが、メッセージ更新ルール及び信念更新ルールは異なる。
分割統治方法の本発明の特定のバージョンを、グラフベース符号を復号するコンテキストでは、DCBP復号と呼ぶことにする。バイナリLDPC符号を復号する本発明の手法を説明することにするが、他のファクタグラフベース符号及びq項符号への一般化は簡単である。符号語cを探索することは、バイナリシーケンスを探し出すことと等価であり、これは、すべての単一パリティチェック(SPC)制約310を同時に充足する。
以下では、全体的な分割射影PDをM+1個の射影
mi→a≧0の場合には「ハード」判定hia=1を割り当て、それ以外の場合にはhia=−1を割り当てる。
haが偶数個の−1を有するか否かをチェックする。そうである場合には、
そうではなく、haが奇数個の−1を有する場合、v=argmin|mi→a|とする。2元対称チャネルの場合、いくつかのメッセージは、同じ最小値を有することができる。この場合、ランダムに1つを選択し、そのインデックスをvとして使用することにする。
hvaを反転する。すなわち、hva=−1の場合にはhvaを1に設定し、hva=1の場合にはhvaを−1に設定する。次に、
エネルギー制約が現在のメッセージm→0(t)によって充足される場合、現在のメッセージを返す。すなわち、
エネルギー制約が現在のメッセージによって充足されない場合、m→0(t)に最も近いベクトルであるh0を見つけ、エネルギー制約を一時的に充足する。i番目の成分hi0は、
図2は、本発明の実施の形態によるDCBP復号器のステップを示す。この方法のステップは、図4に示す方法と同様に、プロセッサにおいて実行される。プロセッサは、この技術分野で知られているように、メモリ及び入出力インターフェースを含むことができる。この方法は、特定用途向け集積回路(ASIC)において実施することもできる。
反復の最大回数をTmaxに設定し、現在の反復tを1に設定し、すべての符号語ビットノードi及び変数ノードiに隣接する制約ノードa、すなわちa∈M(i)について、メッセージmi→a(t=1)=2pi−1に設定する。ここで、piは、送信されたi番目のシンボルxiが1であるという信念を示す初期化パラメータである。初期化パラメータの1つの良い選択は、公式
pi=exp(Li)/(1+exp(Li))
によって与えられる。
制約aへ入来するメッセージm→aは、オーバーシュート公式
bi(t)<0の場合にはc=1に設定し、そうではなく、bi(t)>0の場合にはc=0に設定し、bi(t)=0の場合にはcを0又は1にランダムに設定する。行列積Hcを計算する。Hc=0の場合、符号語としてcを出力し(431)、停止する。
t=t+1にインクリメントする(450)。t>Tmaxの場合には終了し、失敗を返す(441)。それ以外の場合には、式(1)のように、「オーバーシュート」を訂正するように各変数ノードから出行するメッセージmi→aを更新し、ステップ1に行く。
上述したように、DCBP復号器は、適度に良好に動作し、その結果、ビットエラーレート(BER)性能は、標準的なBP復号器と等しくなり、エラーフロアレジームでは標準的なBP復号器よりも優れていることさえある。しかしながら、DCBP復号器は、収束するのに多くの反復を要することが多く、DCBP復号器のエラーは、「見逃し」エラーであることが多く、送信されない符号語に収束する。これとは異なり、BPは、通常、誤った符号語に収束するというよりは収束しない。本発明者らは、D&C方法の中核を成す差分マップ(DM)の概念を抽出して、DMを本発明者のBP復号器に適合させる。その結果は、新規な差分マップ信念伝搬(DMBP)復号器となる。DMBP復号器の複雑度は、標準的なBP復号器の複雑度と同等であるが、エラーフロアレジームにおいては標準的なBP復号器よりも大幅に低いBERを有する。
チェックノードにおけるメッセージ更新から開始して、標準的な最小和BP更新ルールは、入来メッセージmi→aを取り込み、
特定の変数ノードの現在の信念を計算するための標準的な最小和BPルールは、チャネル出力の観測結果からのメッセージを含めて、その変数ノードに向けて入来するすべてのメッセージを合計する。D&Cルールは、そうではなく、入来メッセージを平均する。したがって、DMBPでは、本発明者らは、折衷ルール
反復の最大回数をTmaxに設定し、現在の反復tを1に設定し、すべてのi及びすべてのa∈M(i)についてメッセージmi→a(t=1)=Liに設定する。
制約ノードaへ入来するメッセージm→a(t)が与えられると、出行メッセージma→(t)が、式(3)で上述した最小和更新ルールを使用して計算される。
信念bi(t)は、式(4)で上述した折衷更新ルールを使用して各変数ノードiにおいて計算される。
長さNのベクトルcを次のように構築する。bi(t)<0の場合にはci=1に設定し、そうではなく、bi(t)>0の場合にはci=0に設定し、bi(t)=0の場合にはciを0又は1にランダムに設定する。Hc=0である場合、符号語としてcを出力し、停止する。
t=t+1にインクリメントする(650)。t>Tmaxの場合には終了し、失敗を返す(641)。それ以外の場合、式(1)に与えられた「オーバーシュート訂正」ルールを使用して変数ノードからの各メッセージを更新し、ステップ1に戻る。
Claims (21)
- メッセージパッシングを使用して符号を復号するための方法であって、前記符号は、ファクタグラフによって表され、前記ファクタグラフは、iによってインデックスされる変数ノード及びaによってインデックスされる制約ノードを含み、前記変数ノード及び前記制約ノードは、前記変数ノードから前記制約ノードへ出行するメッセージmi→a及び前記制約ノードから前記変数ノードへ入来するメッセージma→iを転送するためのエッジによって接続され、前記メッセージmi→aは、受信されたシンボルの集合yに基づく変数ノードの集合の信念biと、前記方法のステップを反復して実行するためのプロセッサとを使用して初期化され、前記方法は、
前記制約ノードにおいて前記メッセージmi→aを、分割射影によって示されたオーバーシュート量に基づいてオーバーシュートすることによって前記メッセージma→iを生成するステップと、
前記メッセージma→iを使用して前記変数ノードにおいて前記信念biを更新するステップと、
前記符号語が見つかったか否かを求めるステップと、
前記符号語が見つかった場合には、前記符号語を出力するステップと、
前記符号語が見つからなかった場合には、前記オーバーシュートの訂正を使用して前記メッセージmi→aを更新するステップと、
を含むメッセージパッシングを使用して符号を復号するための方法。 - 終了条件に達した場合には、終了するステップをさらに含む請求項1に記載のメッセージパッシングを使用して符号を復号するための方法。
- 前記復号は、分割統治信念伝搬(DCBP)復号器において実行される請求項1に記載のメッセージパッシングを使用して符号を復号するための方法。
- 前記復号は、差分マップ信念伝搬(DMBP)復号器において実行される請求項1に記載のメッセージパッシングを使用して符号を復号するための方法。
- 前記復号は、高データレートの用途において適用される請求項1に記載のメッセージパッシングを使用して符号を復号するための方法。
- 前記復号は、高密度記憶の用途において適用される請求項1に記載のメッセージパッシングを使用して符号を復号するための方法。
- 前記符号はシンボルを含み、前記シンボルは、2つの値又はそれよりも多くの値を有する請求項1に記載のメッセージパッシングを使用して符号を復号するための方法。
- 前記符号語はシンボルを含み、前記ファクタグラフは、各パラメータチェック制約につき1つの制約ノード、及び前記符号語cの各シンボルxiにつき1つの変数ノードを有し、すべての前記変数ノードは、エネルギー制約ノードに接続され、前記エネルギー制約ノードは、対数尤度比(LLR)ノードLiの集合に接続される請求項3に記載のメッセージパッシングを使用して符号を復号するための方法。
- 前記シンボルは、値0又は1を有するビットであり、0を+1にマッピングし、1を−1にマッピングするステップをさらに含む請求項8に記載のメッセージパッシングを使用して符号を復号するための方法。
- 前記変数ノードから前記制約ノードへの次のメッセージmi→aは、現在のメッセージma→i及び前の反復中の同じメッセージmi→aに依存する請求項1に記載のメッセージパッシングを使用して符号を復号するための方法。
- λ=1/2である請求項11に記載のメッセージパッシングを使用して符号を復号するための方法。
- 前記パラメータEmaxは、前記エネルギー制約が決して充足されないような値に設定さて、前記信念biを前記受信されたシンボルyと実質的に同じに保つ請求項14に記載のメッセージパッシングを使用して符号を復号するための方法。
- 前記ファクタグラフは、各パリティチェック制約につき1つの制約ノード、及び前記符号語cの各ビットにつき1つの変数を有し、各変数ノードは、エネルギー制約ノードに接続され、各エネルギー制約ノードは、対数尤度比ノードLiに接続される請求項4に記載のメッセージパッシングを使用して符号を復号するための方法。
- 前記パラメータzは、0.25〜0.5の範囲の値に設定される請求項19に記載のメッセージパッシングを使用して符号を復号するための方法。
- メッセージパッシングを使用して符号を復号するための復号器であって、前記符号は、ファクタグラフによって表され、前記ファクタグラフは、iによってインデックスされる変数ノード及びaによってインデックスされる制約ノードを含み、前記変数ノード及び前記制約ノードは、前記変数ノードから前記制約ノードへ出行するメッセージmi→a及び前記制約ノードから前記変数ノードへ入来するメッセージma→iを転送するためのエッジによって接続され、前記メッセージmi→aは、受信されたシンボルの集合yに基づく信念biに基づいて初期化され、プロセッサを含み、
前記制約ノードにおいて前記メッセージmi→aを、分割射影によって示されたオーバーシュート量に基づいてオーバーシュートすることによって前記メッセージma→iを生成する手段と、
前記メッセージma→iを使用して前記信念biを更新する手段と、
前記符号語が見つかったか否かを求める手段と、
前記符号語が見つかった場合には、前記符号語を出力する手段と、
前記符号語が見つからなかった場合には、前記オーバーシュートの訂正を使用して前記メッセージmi→aを更新する手段と、
を含むメッセージパッシングを使用して符号を復号するための復号器。
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