JP6847321B2 - 低複雑度組織符号化器を用いた送信データの誤り訂正方法及びシステム - Google Patents
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Description
であれば、
である。一般に、ベクトルa=(a0,a1,a2,…,aN−1)に対して、{0,1,…,N−1}のkタプルがI=(i1,i2,…,ik)であれば、aIは部分ベクトル(ai1,ai2,…,aik)を表す。同様に、N行N列の行列
に対して、{0,1,…,M−1}のm−タプルI=(i1,i2,…,im)、{0,1,…,N−1}のn−タプルJ=(j1,j2,…,jn)であれば、表記AI,Jは部分行列
を表す。
と定義される。これはmk行rl列の行列である。行列Cは、
であれば、行列AとBのクロネッカー積に因数分解されるという。行列Aのn次のクロネッカー冪は、n≧2に対して
として再帰的に定義される。ここで、
である。
である場合に、iの二進展開である。範囲0≦i、j≦2n−1にある任意の2つの整数i、jに対して、
という表記は、iの二進展開bn−1bn−2…b0、jが二進展開b’n−1b’n−2…b’0よりもすべての0≦m≦n−1に対してbm≧b’mであるという意味で、支配することを示すために使用される。数10と「iがjを支配する」という表現は、同じ意味に使用される。0から2n−1の範囲の整数の集合において
という関係は、「半順序」を定義する。それは、
反射性:すべてのiに対して
反対称性:個別のiとjに対して
及び推移性:
を有する。数11に示される関係は、
という意味で、(「全順序」に対する)「半順序」である。例えば、14(2進数で1110)も7(2進数で0111)も他方を支配しない。
である。ここで
であり、
はFのn次のクロネッカー冪である。よく知られている[Arik1]特性が、
を二進展開の間の支配関係に関連付ける。もし
であればその場合にのみ、
である。ここで、行および列は0から番号が付けられる。したがって、インデックスは、0≦i,j≦2n−1の範囲の値をとる。一例としてn=3であれば、
であり、
が偽であるので、
であり、すべての0≦j≦7に対して
であるので、
である。
の基本的性質として、A=(a1,a2,…,ak)などのk個の(個別の)座標の任意のタプルに対して、部分行列
は可逆である。これは、Aの元が昇順、すなわちa1<a2<…akである場合、対角成分が1の下三角行列であるかどうかを観察することで理解できる。Aが昇順でない場合、Aの座標が昇順となっているタプルA〜を考慮すればよい。
と
は列と行の置換の違いだけであるので、他方が可逆であれば、またその場合にのみこれは可逆である。
の第2の基本的性質は、任意の2つのタプルA=(a1,a2,…,ak)とB=(b1,b2,…,bm)とに対して、Aの元aiのいずれの元もBの元bjのいずれの元を支配しない場合に限り、部分行列
がすべて0の行列に等しい。すなわち、すべての1≦i≦k及び1≦j≦mに対して、
である場合に限り
である。
の形式を有する場合には、好適な実施形態はその利点を以って適用可能である。ここで、Aは置換行列であり、F1は第1のカーネル変換、G1は第1段変換、Bは置換行列であり、第1のカーネル変換F1は1より大きいサイズを有し、かつ第1段変換G1は変換Gのサイズより小さいサイズである。本原理の好適な実施形態の一般的な選択は、AとBを恒等置換とすることである。
である。ここで
であり、すべての変換操作が二元体で行われる。この場合、行と列の数は2の累乗N=2nに制限される。(符号語の長さを2の累乗以外の整数値に設定するためにパンクチャリングの必要性が生じる。本開示は、データの組織符号化と組み合わせた特定のパンクチャリング方法のやり方を説明する。)
z=uG (1)
がある。
第2に、変換入力は以下のような様々な部分から組み立てられる。
uT=t (2)
uI=d’ (3)
uC=c=f(d) (4)
uF=b (5)
第3に、データが変換出力
zJ=d (6)
の一部として現れるという組織符号化の制約がある。
最後に、本原理の好適な実施形態は
zP=p (7)
の形の制約をパンクチャリング操作に課す。ここで、pはデータdとは独立の固定パターンである。式(1)から(7)のシステムは、Nである自由度よりも方程式の数が多いという意味で、優決定系を構成する。ただし、本原理の好適な実施形態においては、式(2)と式(7)は、tがpの関数であるとすれば実際には同一の制約を表す。したがって、分割(F,C,I,T)と(P,J,R)とを適切に選択すれば、式(2)から式(7)を同時に満足することは可能である。本開示は、式(1)から式(7)の制約下において、組織符号化を可能とする分割の選択方法を記述する。
zP=uTGT,P+uIGI,P+uCGC,P+uFGF,P (8)
zJ=uTGT,J+uIGI,J+uCGC,J+uFGF,J (9)
zR=uTGT,R+uIGI,R+uCGC,R+uFGF,R (10)
式(8)〜式(10)は、入力分割(F,C,I,T)と出力分割(P,J,R)の下で、変換出力の各項への変換入力の各項の影響を示す。以下で述べるように、式(2)から式(10)を検査することで設計ルールの数が現れる。これらの設計ルールは、本原理の数学的基礎を形成する。
uC=uIE+e (11)
の形のアフィン関数であり、また(GI,J+EGC,J)が可逆行列であるように、変換行列G、入力分割(F,C,I,T)及び出力分割(P,J,R)を選択する。
d’=(d−tGT,J−eGC,J−bGF,J)(GI,J+EGC,J)−1 (12)
となる。式(12)は、図5のデータマッパ510として使用可能なデータマッパを定義する。この可能性は、本原理の第1の実施形態として以下で検討する。
第1の実施形態は、設計ルール1が満たされることを仮定する。この実施形態のデータマッパ510は式(12)に基づき、これを簡単な形に書き換えると次のようになる。
d’=dD+a (13)
ここで、D=(GI,J+EGC,J)−1であり、a=(−tGT,J−eGC,J−bGF,J)(GI,J+EGC,J)−1である。行列Dとベクトルaは、データdから独立である。したがって、これらは事前に計算可能であって、データマッピング操作の式(13)は、データdのアフィン変換の計算から成る。
d’=d(GI,J)−1−tGT,J(GI,J)−1 (14)
のように簡略化される。式(14)は代替データマッパを定義し、これを本原理の第2の実施形態に検討する。
第2の実施形態は、検討するシステムが設計ルール2に合致することを仮定する。この実施形態は式(14)に基づくデータマッパを使用する。その他の組織符号化操作は、第1の実施形態と同様にして完了可能である。
第3の実施形態は、第2の実施形態の計算方法を改良し、本原理の最も好適な実施形態を構成する。
を考える。
行列G〜はGの行と列を置換することで得られる:
G〜=AGBT (16)
ここで、AとBは置換行列である。Gが可逆であると仮定すれば、G〜もまた可逆であって、直接計算によって証明できるように、
(G〜)−1=BG−1AT (17)
である。そして置換行列の逆はその転置行列に等しいことに留意されたい。
を有する。
可逆上三角行列は、これもまた上三角行列である逆行列を有することは周知である。したがって、G〜の逆行列は
の形を有する。ここで、「*」は一般的な部分行列であって、その具体的な形は本目的に対して何ら意味を持たない。式(19)は、GT,PとGI,Jの逆行列の存在を仮定することに留意されたい。これは設計ルール2により真であることが保証される。
1)データd501を入力として受信する
2)wP=p、wJ=d、かつwR=0であるように変換語wを用意する
3)v=wG−1を計算する
4)修正語d’503としてvIを出力する。
前の段落におけるデータマッパは、式(14)で特定されるようなデータマッピング操作を実行する。すなわち、ステップ4)での出力がvI=dD+aを満足する。ここで、D=(GI,J)−1かつa=−tGT,J(GI,J)−1である。
式v=wG−1は、次のように書ける。
これは、
vI=−wP(GT,P)−1GT,J(GI,J)−1+wJ(GI,J)−1 (21)
であって、wP=p、wJ=d、かつtGT,P=pであることから、式(21)は、
vI=−p(GT,P)−1GT,J(GI,J)−1+d(GI,J)−1=−tGT,J(GI,J)−1+d(GI,J)−1 (22)
と等価である。これで証明が完了する。
の形式であり、ここで、
は構造の「カーネル」と呼ばれる。極変換の以下の特性は、よく知られている[Arik1]。変換行列は、元Gi,jを有し、
であればGi,j=1、そうでなければGi,j=0である。逆変換G−1はGに等しく、任意の与えられたuに対して順変換uG及びその逆変換uG−1は、NlоgN次の論理演算を用いて計算可能である。
T=P=(7,11,15)=(0111,1011,1111)
I=J=(3,12,13,14)=(0011,1100,1101,1110)
C=(6,9,10)=(0110,1001,1010)
F=(0,1,2,4,5,8)=(0000,0001,0010,0100,0101,1000)
R=(F,C)=(0,1,2,4,5,8,6,9,10)=(0000,0001,0010,0100,0101,1000,0110,1001,1010)
ここでも、Gi,j=1であるかどうかをチェックしやすくするために、分割の元を表すのにインデックスの二進表示を用いた。(
が成立するときに限り、Gi,j=1であることに留意されたい)
のいくつかの一般的性質により容易となる。特に、部分行列GT,P=TとGI、J=Iが可逆であることは、GA,Aが任意の空でないAに対して可逆であるという一般的性質による。GI,P=0という事実は、Iのどの元もPの元を支配しないという事実による。同じ説明が、GC,P=0、GF,P=0、GC,J=0及びGF,J=0について成り立つ。
w=(0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,1,1,0)
v=wG−1=(1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,0,1,1,0)
d’=vI=(1,0,1,1)
となる。
で与えられ、それ自身が図7の再帰回路実装のタイプとなるので、図7の再帰的分割統治戦略を利用可能である。
Claims (27)
- 送信システムにおけるデータ検査付きの組織極符号化器であって、
送信すべき情報を含む入力データ語dを受信するように構成された入力と、
符号語xを生成するように構成された符号化器回路と、
前記符号語xを送信する、前記送信システムにおける出力と、
を備え、
前記符号化器回路による符号化操作が、変換行列Gと、変換入力uとを利用し、前記変換入力uは
前記入力データ語dとは独立の固定語bに関してuF=bを満足する項uFと、
前記入力データ語dとは独立の固定語である逆パンクチャ語tに関してuT=tを満足する項uTと、
前記入力データ語dから導かれる修正データ語d’に関してuI=d’を満足する項uIと、
uC=f(d’)を満足する項uCであって、fは前記修正データ語d’に作用して空でないチェック語を生成する、チェック生成器関数である項uCと、
を含み、
前記変換入力uはそれに関連する変換出力zを有し、
前記変換出力zはz=uGによって前記変換入力uに関連し、前記変換出力zは、
空の固定語と空でない固定語の内の1つであるパンクチャ語pに関してzP=pを満足するパンクチャ項zPと、
zJ=dを満足する項zJと、
冗長シンボルとして作用する項zRと、
を含み、
前記入力データ語dの組織符号化は、前記項zJ=dと前記変換出力zの前記項zRを所定の順序で結合させて前記符号語xを形成することにより達成される、データ検査付き組織極符号化器。 - 前記符号化操作は、ある任意の語eに関してwT=t、wJ=d及びwR=eを有するベクトルwを形成することと、v=WG−1を計算することと、d’=vIとすることで修正データ語d’を取得することとを含む、請求項1に記載のデータ検査付き組織極符号化器。
- すべての2≦i≦nに対してFi=F1である、請求項4に記載のデータ検査付き組織極符号化器。
- A又はBは単位行列である、請求項6に記載のデータ検査付き組織極符号化器。
- 送信システムにおけるデータ検査付きの組織極符号化器であって、
送信のために極符号化される情報を含む入力データ語dを受信して、修正データ語d’を生成するように構成されたデータマッパと、
前記修正データ語d’を受信して、符号語xのための変換出力zを生成するように構成された非組織極符号化器と、
前記符号語xを送信するように構成された、前記送信システムにおける送受信器と、
を備え、
前記非組織極符号化器は、前記修正データ語d’を符号化して座標Sのいくつかのサブシーケンスに関してxS=dとなるように、前記符号語xのための前記変換出力zを生成する変換行列Gを実行し、
前記変換行列Gは、入力分割(F,C,I,T)、ここで|C|>0、と出力分割(P,J,R)によって制約を受け、GI,P=0、GC,P=0、GF,P=0でありかつGT,Pが可逆である、データ検査付きの組織極符号化器。 - 変換行列Gを実行して変換出力zを生成するように構成された極変換を更に含み、
前記組織極符号化器は、前記変換行列Gの前記変換出力zから、少なくとも部分的に前記符号語xを決定するように構成され、前記変換出力zは、
パンクチャ語pに関してzP=pを満足するパンクチャド項zPであって、前記パンクチャ語pは前記入力データ語d及び空の固定語と空でない固定語の1つとは独立である、パンクチャド項zPと、
前記入力データ語dに対応するデータを搬送するための項zJと、
前記搬送されるデータを保護するための冗長シンボルとして作用する項zRであって、前記項zJと前記項zRが所定の順序で結合して前記符号語xを生成する、項zRと、
を備える、請求項8に記載のデータ検査付きの組織極符号化器。 - u=zG−1による前記変換出力zに関する、前記変換行列Gのための変換入力uが、前記入力データ語dとは独立した固定語である凍結語bに関して、uF=bを満足する項uFと、前記修正データ語d’に作用するチェック生成器関数fの出力を備え、かつ、前記修正データ語d’に依存する少なくとも1つの元を有する、データ検査cを備える項uCと、前記修正データ語d’を備える項uIと、uT=p(GT,P)−1を満足する項uTと、を備える、請求項9に記載のデータ検査付き組織極符号化器。
- 前記変換行列G、前記入力分割(F,C,I,T)及び前記出力分割(P,J,R)は、前記チェック生成器関数fがアフィン関数であるように選択される、請求項10に記載のデータ検査付き組織極符号化器。
- 前記変換行列G、前記入力分割(F,C,I,T)及び前記出力分割(P,J,R)は、GI,Jが可逆であり、GC,J=0かつGF,J=0であるように選択される、請求項10に記載のデータ検査付き組織極符号化器。
- すべての2≦i≦nに対してFi=F1である、請求項14に記載のデータ検査付き組織極符号化器。
- A又はBは単位行列である、請求項16に記載のデータ検査付き組織極符号化器。
- 送信システムにおけるデータ検査付きの組織極符号化のための方法であって、
送信のために極符号化される情報を含む入力データ語dをデータマッパにおいて受信するステップと、
前記データマッパを使用して修正データ語d’を生成するステップと、
前記修正データ語d’を非組織極符号化器において受信するステップと、
前記非組織極符号化器を使用して、変換行列Gにより符号語xに対する変換出力zを生成するステップであって、前記変換行列Gは前記修正データ語d’を符号化して、座標Sのいくつかのサブシーケンスに関してxS=dとなるように、前記符号語xに対する前記変換出力zを生成し、ここで前記変換行列Gは、入力分割(F,C,I,T)、ただし|C|>0、と出力分割(P,J,R)によって制約を受け、GI,P=0、GC,P=0、GF,P=0でありかつGT,Pが可逆である、ステップと、
前記符号語xを、前記送信システムにおける送受信器を使用して送信するステップと、
を含む方法。 - 前記変換行列Gを実行して変換出力zを生成する極変換を使用するステップを更に含み、
前記符号語xは少なくとも部分的に前記変換出力zから決定され、前記変換出力zは、
パンクチャ語pに関してzP=pを満足するパンクチャド項zPであって、前記パンクチャ語pは前記入力データ語d及び空の固定語と空でない固定語の1つとは独立である、パンクチャド項zPと、
前記入力データ語dに対応するデータを搬送するための項zJと、
前記搬送されるデータを保護するための冗長シンボルとして作用する項zRであって、前記項zJと前記項zRが所定の順序で結合して前記符号語xを生成する、項zRと、
を備える、請求項18に記載の方法。 - u=zG−1による前記変換出力zに関する、前記変換行列Gのための変換入力uが、前記入力データ語dとは独立した固定語である凍結語bに関して、uF=bを満足する項uFと、前記修正データ語d’に作用するチェック生成器関数fの出力を備え、かつ、前記修正データ語d’に依存する少なくとも1つの元を有する、データ検査cを備える項uCと、前記修正データ語d’を備える項uIと、uT=p(GT,P)−1を満足する項uTと、を備える、請求項19に記載の方法。
- 前記変換行列G、前記入力分割(F,C,I,T)及び前記出力分割(P,J,R)は、前記チェック生成器関数fがアフィン関数であるように選択される、請求項20に記載の方法。
- 前記変換行列G、前記入力分割(F,C,I,T)及び前記出力分割(P,J,R)は、GI,Jが可逆であり、GC,J=0かつGF,J=0であるように選択される、請求項20に記載の方法。
- すべての2≦i≦nに対してFi=F1である、請求項24に記載の方法。
- A又はBは単位行列である、請求項26に記載の方法。
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