JP7015765B2

JP7015765B2 - 通信システムの送信装置及び受信装置

Info

Publication number: JP7015765B2
Application number: JP2018164432A
Authority: JP
Inventors: 翔平別府; 剛宏釣谷; 英憲高橋
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2018-09-03
Filing date: 2018-09-03
Publication date: 2022-02-03
Anticipated expiration: 2038-09-03
Also published as: JP2020039026A

Description

本発明は、通信システムの送信装置及び受信装置に関し、より詳しくは、確率シェイピング（ＰＳ：ＰｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃＳｈａｐｉｎｇ）を使用する通信システムに関する。

ＱＡＭの様な、少なくとも振幅を変調の対象とする変調方式において、振幅の大きなシンボルの送信には、振幅の小さいシンボルの送信より多くの電力を必要とする。したがって、非特許文献１及び２は、振幅の小さいシンボルの発生確率を、振幅の大きいシンボルの発生確率より高くすることで周波数利用効率を改善する確率シェイピング（ＰＳ：ＰｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃＳｈａｐｉｎｇ）を用いた通信システムを開示している。

図１は、確率シェイピング（以下、ＰＳ）を用いた通信システムを示している。なお、パリティ処理部８２及び９２が行うパリティ処理はオプションであるため、まず、パリティ処理部８２及び９２を有さない場合について説明する。なお、以下の説明において、送信装置８と受信装置９は２５６ＱＡＭを使用して通信を行うものとする。つまり、送信装置８は１シンボルで８ビットを送信するものとする。

送信装置８の変換部８１には送信するデータに対応するビット列が入力される。変換部８１は、コードブック８４に従い入力ビット列を変換する。図４は、コードブック８４の例を示している。コードブック８４は、ｎビットのビット列と、ｍビットのビット列との関係を示している。ここで、ｍ＞ｎであり、ｍは、使用する変調方式の多値度に対応する数の整数倍の数である。本例では、２５６ＱＡＭ、つまり、多値度は８であるためｍ＝８×ｐ（ｐは整数）である。また、ｎビットのビット列のパターンの数は２^ｎ個であるため、コードブック８４は、２^ｎ個のｎビットのパターンそれぞれについて、対応するｍビットのパターンを示すものとなる。変換部８１は、入力ビット列をｎビット単位に区切り、各区間のｎビットのパターンに対し、対応するｍビットのパターンを出力する。マッピング部８３は、変換部８１が、あるｎビットを変換してｍビットのビット列を出力すると、当該ｍビットのビット列に基づきｐ個のシンボルを生成して出力する。

ここで、コードブック８４が示す２^ｎ個のｍビットのビット列（つまり、２^ｎ個のｐ個のシンボル列）は、各振幅のシンボルが所定確率で出現する様に設定されている。なお、振幅の小さいシンボル程、出現確率は高くなる様に設定されている。よって、送信装置８が出力するシンボル列のシンボルは、振幅の小さいもの程、その数が多くなる。

受信装置９のディマッピング部９１は、送信装置８が送信するシンボル列を受信し、各シンボルをビット列、本例では、８ビットのビット列に変換する。変換部９３は、８ビットのビット列をｐ個受信すると、ｍ＝８×ｐビットのビット列をコードブック９４に従いｎビットのビット列に変換する。なお、コードブック９４は、コードブック８４の入力側と出力側を入れ替えたものである。

続いて、パリティ処理部８２及び９２がパリティ処理は行う場合について説明する。この場合、例えば、コードブック８４は、各ｎビットのパターンを、ｍ＝（８－１）×ｐビットのパターンに変換するものとする。つまり、本例では、２５６ＱＡＭであるため、１シンボルは８ビットに対応するが、コードブック８４では、１シンボル当たり７ビット分のパターンを出力する。そして、パリティ処理部８２は、１シンボルに対応する７ビットに１ビットのパリティを付加し、８ビットにする。ここで、パリティとしては"０"又は"１"が付加されるが、このパリティにより複素平面上の象限が変わるが、振幅は変わらない様に、ｍビットのパターンとシンボルの複素平面上における座標を設定しておく。そうすることで、各シンボルの出現確率を、その振幅に応じた所定値とすることができる。受信装置９において、パリティ処理部９２は、ディマッピング部９１が出力する各シンボルに対応するビット列に基づきパリティ検査を行う。なお、図１では、オプションとして誤り検出符号（パリティ）を使用したが、誤り訂正符号を同様の考え方により使用することができる。

Ｍ．Ｐ．Ｙａｎｋｏｖｎ，ｅｔａｌ．，"ＣｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎＳｈａｐｉｎｇｆｏｒＷＤＭＳｙｓｔｅｍｓＵｓｉｎｇ２５６ＱＡＭ／１０２４ＱＡＭＷｉｔｈＰｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ",ＪＬＴ，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．２２，２０１６年１１月１５日Ｇ．Ｂｏｃｈｅｒｅｒ，ｅｔａｌ．，"ＢａｎｄｗｉｄｔｈＥｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄＲａｔｅ－ＭａｔｃｈｅｄＬｏｗ－ＤｅｎｓｉｔｙＰａｒｉｔｙ－ＣｈｅｃｋＣｏｄｅｄＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＮＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ，Ｖｏｌ．６３，ＮＯ．１２，２０１５年１２月

ＰＳにおいて、周波数利用効率は、シェイピング・パラメータｖ及びＰＳを適用する通信システムのＳＮＲに応じて変化する。なお、シェイピング・パラメータｖとは、振幅ｘのシンボルの送信確率Ｐ（ｘ）を示すパラメータであり、例えば、Ｐ（ｘ）は、

である。なお、実際のＰ（ｘ）の値は、式（１）の右辺の値を全シンボルに渡り積算した値が１になる様に正規化される。式（１）より、シェイピング・パラメータｖが０であると、総てのシンボルの出現確率が等しい通常の通信システムになる。また、シェイピング・パラメータｖの値が大きくなる程、振幅の小さいシンボルの出現確率が大きくなる。なお、コードブックは、シェイピング・パラメータｖに応じて異なるものとなる。

したがって、周波数利用効率を最適にするには、適用する通信システムのＳＮＲに応じてシェイピング・パラメータｖを選択しなければならない。このため、例えば、多数のシェイピング・パラメータｖそれぞれについてコードブックを作成して送信装置及び受信装置に格納しておき、ＳＮＲに応じて最適なコードブックを選択して使用することが考えられる。しかしながら、上述した様に、１つのコードブックは、２^ｎ個のｎビット列のパターンそれぞれについて、対応するｍビット（ｍ＞ｎ）のビット列を示すものであり、そのデータ量は膨大である。したがって、多数のコードブックを送信装置及び受信装置に格納することは、送信装置及び受信装置に必要なメモリ容量を増大させ、送信装置及び受信装置のコストを増大させる。

本発明は、２つのコードブックにより、３つ以上のシェイピング・パラメータを使用できる技術を提供するものである。

本発明の一態様によると、送信装置は、ビット列の変換を行う第１コードブックと、ビット列の変換を行う第２コードブックと、を保持する保持手段と、第１期間においては送信するデータに対応するビット列を前記第１コードブックで変換し、第２期間においては送信するデータに対応するビット列を前記第２コードブックで変換し、それぞれ、変換後のビット列を出力する変換手段と、前記変換手段が出力する前記変換後のビット列をシンボルにマッピングして送信する送信手段と、を備え、前記第１コードブックは、第１の値のシェイピング・パラメータに基づき、前記第２コードブックは、前記第１の値より大きい第２の値のシェイピング・パラメータに基づき、前記第１期間と前記第２期間の比率は、前記第１の値以上、かつ、前記第２の値以下である第３の値のシェイピング・パラメータに基づき決定されることを特徴とする。

本発明によると、２つのコードブックにより、３つ以上のシェイピング・パラメータを使用することができる。

ＰＳを使用する通信システムの構成図。一実施形態による送信装置の構成図。一実施形態による受信装置の構成図。一実施形態によるコードブックを示す図。一実施形態による送信装置が送信する信号の説明図。一実施形態による送信装置が送信する信号の説明図。

以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態は例示であり、本発明を実施形態の内容に限定するものではない。また、以下の各図においては、実施形態の説明に必要ではない構成要素については図から省略する。さらに、以下の説明では、２５６ＱＡＭを使用するものとする。

＜第一実施形態＞
図２は、本実施形態による送信装置１の構成図である。なお、パリティ処理部１２及びマッピング部１３での処理は、図１のパリティ処理部８２及びマッピング部８３での処理と同じであるためその説明については省略する。本実施形態において、送信装置１の記憶部（保持部）は、２つのコードブック１４及びコードブック１５を有する。コードブック１４及び１５は、いずれも、図４に示す様に、ｎビットのビット列をｍビットのビット列に変換するものである。しかしながら、コードブック１４は、各振幅のシンボルが、シェイピング・パラメータｖ_１に対応する出現確率となる様に生成されており、コードブック１５は、各振幅のシンボルが、シェイピング・パラメータｖ_２に対応する出現確率となる様に生成されている。なお、ｖ_２＞ｖ_１とする。

変換部１１には送信するデータに対応するビット列が入力される。また、変換部１１には、同期部１６からフレームの開始を示す開始信号と、コードブックの切替を示す切替信号が入力される。変換部１１は、入力ビット列をｎビット単位に区切り、各区間のｎビットのビット列を、同期部１６からの通知に基づき、コードブック１４及びコードブック１５のいずれかを用いてｍビットのビット列に変換する。図５は、変換部１１における処理の説明図である。１フレームの時間をＦとすると、変換部１１は、同期部１６からの開始信号を受信してから切替信号を受信するまでの間、コードブック１４（シェイピング・パラメータｖ_１）を使用し、同期部１６からの切替信号を受信してから開始信号を受信するまでの間、コードブック１５（シェイピング・パラメータｖ_２）を使用する。

ここで、開始信号から切替信号までの期間をＦ*Ｒとし、切替信号から開始信号までの期間をＦ*（１-Ｒ）とする。なお、Ｒは０以上かつ１以下の数である。図５から明らかな様に、Ｒ＝１であると、シェイピング・パラメータｖ_１の通信システムになり、Ｒ＝０であると、シェイピング・パラメータｖ_２の通信システムになり、それ以外のＲにおいては、Ｒの値に応じて、シェイピング・パラメータｖ_１より大きく、シェイピング・パラメータｖ_２より小さいシェイピング・パラメータｖ_０の通信システムになる。つまり、Ｒの値により、シェイピング・パラメータｖ_０をｖ_１からｖ_２の範囲内のいずれかの値にすることができる。

なお、Ｒの値と、当該Ｒで得られるシェイピング・パラメータｖ_０の値には以下の関係がある。
Ｈｖ_０＝Ｒ*Ｈｖ_１＋（１－Ｒ）＊Ｈｖ_２（２）
ここで、Ｈｖ_０、Ｈｖ_１及びＨｖ_２は、それぞれ、シェイピング・パラメータｖ_０、ｖ_１及びｖ_２のエントロピーである。なお、シェイピング・パラメータｖのエントロピーＨｖは、以下の式で求められる。
Ｈｖ＝－Σ（ｐ（ｘ）＊ｌоｇ_２ｐ（ｘ））
ここで、ｐ（ｘ）は、式（１）に関して説明した各シンボルの出現確率である。

本実施形態において、送信装置１には、接続される伝送路のＳＮＲが設定される。なお、伝送路のＳＮＲは、測定装置等を用いて通信システムのオペレータが別途測定する。また、送信装置１の保持部には、ＳＮＲとシェイピング・パラメータｖとの関係を示す判定情報を予め格納しておく。同期部１６は、送信装置１に設定されたＳＮＲと保持部に格納された判定情報に基づき、使用するシェイピング・パラメータｖ_０を決定し、式（２）に基づき、シェイピング・パラメータｖ_０に従う通信システムとするためのＲを判定する。そして、同期部１６は、フレームの開始タイミングに加えて、コードブックの切替を示す切替タイミングを切替信号により変換部１１に通知する。なお、判定情報を予め格納する代わりに使用するシェイピング・パラメータｖ_０を、直接、同期部１６に設定する構成であっても良い。

図３は、本実施形態による受信装置２の構成図である。なお、ディマッピング部２１及びパリティ処理部２２での処理は、図１のディマッピング部９１及びパリティ処理部９２での処理と同じであるためその説明については省略する。本実施形態において、受信装置２の記憶部（保持部）は、２つのコードブック２４及びコードブック２５を有する。なお、コードブック２４は、コードブック１４の入力側と出力側を入れ替えたものであり、コードブック２５は、コードブック１５の入力側と出力側を入れ替えたものである。

また、受信装置２の保持部には、送信装置１と同様に判定情報が格納されており、受信装置２には、送信装置１に入力したのと同じＳＮＲが設定される。これにより、同期部２６は、送信装置１と同じシェイピング・パラメータｖ_０を決定し、送信装置１と同じＲを判定する。また、同期部２６は、例えば、送信装置１が周期的に送信するフレーム同期信号に基づき各フレームの開始タイミングを認識する。そして、同期部２６は、フレームの開始を示す開始信号と、コードブックの切替を示す切替信号を変換部２３に出力する。変換部２３は、開始信号から切替信号を受信するまではコードブック２４によりビット列の変換を行い、切替信号から開始信号を受信するまではコードブック２５によりビット列の変換を行う。

以上の構成により、２つのシェイピング・パラメータに基づき生成された２つのコードブックを使用して、当該２つのシェイピング・パラメータの範囲の多数のシェイピング・パラメータの通信システムを実現することができる。

なお、上記実施形態では、時間により使用するコードブックを切り替えたが、例えば、ＯＦＤＭ（直交周波数分割多重）の様な複数の周波数の信号を使用するシステムでは、周波数により使用するコードブックを切り替える構成とすることができる。例えば、図６に示す様に、Ｎ個のサブキャリアを使用する場合、例えば、周波数の低い側からＮ*Ｒ個のサブキャリアの各サブキャリアで搬送するデータに対応するビット列については、コードブック１４を使用して変換を行い、残りのＮ*（１－Ｒ）個のサブキャリアの各サブキャリアで搬送するデータに対応するビット列については、コードブック１５を使用して変換する構成とすることができる。なお、Ｎ個のサブキャリアは、同じ変調方式、例えば、２５６ＱＡＭを使用する。そして、マッピング部は、コードブック１４により変換されたＮ*Ｒ個のビット列それぞれについて、対応するサブキャリアのシンボルにマッピングし、コードブック１５により変換されたＮ*（１－Ｒ）個のビット列それぞれについて、対応するサブキャリアのシンボルにマッピングする。受信装置についても同様である。また、この場合においても、送信装置及び受信装置は、シェイピング・パラメータｖ_０に基づきＲの値を判定する。

なお、上記実施形態では、外乱の影響の少ない光通信システムを想定し、よって、振幅が小さいシンボル程、出現確率が大きくしていた。しかしながら、無線通信システム等、外乱の影響を受け易い通信システムに対しては、振幅が大きいシンボル程、出現確率が大きくする方が好ましい場合もあり得る。しかしながら、本実施形態は、ＰＳの態様に制限されない。つまり、シンボルの振幅に応じて出現確率を異ならせる様に、コードブックを用いてビット列を変換する任意の通信システムに対して本発明を適用することができる。

なお、本発明による送信装置１及び受信装置２は、１つ以上のプロセッサを有する装置と、当該１つ以上のプロセッサで実行されると、当該装置を上述した送信装置１や受信装置２として動作させるコンピュータプログラムにより実現することができる。これらコンピュータプログラムは、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記憶されて、又は、ネットワーク経由で配布が可能なものである。

１４、１５、２４、２５：コードブック、１１、２３：変換部

Claims

ビット列の変換を行う第１コードブックと、ビット列の変換を行う第２コードブックと、を保持する保持手段と、
第１期間においては送信するデータに対応するビット列を前記第１コードブックで変換し、第２期間においては送信するデータに対応するビット列を前記第２コードブックで変換し、それぞれ、変換後のビット列を出力する変換手段と、
前記変換手段が出力する前記変換後のビット列をシンボルにマッピングして送信する送信手段と、
を備え、
前記第１コードブックは、第１の値のシェイピング・パラメータに基づき、
前記第２コードブックは、前記第１の値より大きい第２の値のシェイピング・パラメータに基づき、
前記第１期間と前記第２期間の比率は、前記第１の値以上、かつ、前記第２の値以下である第３の値のシェイピング・パラメータに基づき決定されることを特徴とする送信装置。
前記第３の値に基づき前記第１期間と前記第２期間の比率を決定する決定手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の送信装置。
前記保持手段は、シェイピング・パラメータと信号対雑音比との関係を示す判定情報をさらに保持しており、
入力される信号対雑音比と前記判定情報とに基づき前記第３の値を判定する判定手段をさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載の送信装置。
ビット列の変換を行う第１コードブックと、ビット列の変換を行う第２コードブックと、を保持する保持手段と、
１つ以上の第１キャリアそれぞれで送信するデータに対応するビット列を前記第１コードブックで変換し、１つ以上の第２キャリアそれぞれで送信するデータに対応するビット列を前記第２コードブックで変換し、前記１つ以上の第１キャリア及び前記１つ以上の第２キャリアそれぞれについて、変換後のビット列を出力する変換手段と、
前記変換手段が出力する前記１つ以上の第１キャリアそれぞれのビット列を、対応する第１キャリアのシンボルにマッピングし、前記変換手段が出力する前記１つ以上の第２キャリアそれぞれのビット列を、対応する第２キャリアのシンボルにマッピングして送信する送信手段と、
を備え、
前記第１コードブックは、第１の値のシェイピング・パラメータに基づき、
前記第２コードブックは、前記第１の値より大きい第２の値のシェイピング・パラメータに基づくことを特徴とする送信装置。
前記１つ以上の第１キャリアの数と前記１つ以上の第２キャリアの数の比率は、第３の値のシェイピング・パラメータに基づき決定され、
前記第３の値は、前記第１の値以上、かつ、前記第２の値以下であることを特徴とする請求項４に記載の送信装置。
前記第３の値に基づき前記１つ以上の第１キャリアの数と前記１つ以上の第２キャリアの数の比率を決定する決定手段をさらに備えていることを特徴とする請求項５に記載の送信装置。
前記保持手段は、シェイピング・パラメータと信号対雑音比との関係を示す判定情報をさらに保持しており、
入力される信号対雑音比と前記判定情報とに基づき前記第３の値を判定する判定手段をさらに備えていることを特徴とする請求項６に記載の送信装置。
ビット列の変換を行う第１コードブックと、ビット列の変換を行う第２コードブックと、を保持する保持手段と、
シンボルを受信してビット列を出力する受信手段と、
第１期間においては前記受信手段が出力するビット列を前記第１コードブックで変換し、第２期間においては前記受信手段が出力するビット列を前記第２コードブックで変換し、それぞれ、変換後のビット列を出力する変換手段と、
を備え、
前記第１コードブックは、第１の値のシェイピング・パラメータに基づき、
前記第２コードブックは、前記第１の値より大きい第２の値のシェイピング・パラメータに基づき、
前記第１期間と前記第２期間の比率は、前記第１の値以上、かつ、前記第２の値以下である第３の値のシェイピング・パラメータに基づき決定されることを特徴とする受信装置。
前記第３の値に基づき前記第１期間と前記第２期間の比率を決定する決定手段をさらに備えていることを特徴とする請求項８に記載の受信装置。
前記保持手段は、シェイピング・パラメータと信号対雑音比との関係を示す判定情報をさらに保持しており、
入力される信号対雑音比と前記判定情報とに基づき前記第３の値を判定する判定手段をさらに備えていることを特徴とする請求項９に記載の受信装置。
ビット列の変換を行う第１コードブックと、ビット列の変換を行う第２コードブックと、を保持する保持手段と、
１つ以上の第１キャリア及び１つ以上の第２キャリアのそれぞれのシンボルを受信してビット列を出力する受信手段と、
前記１つ以上の第１キャリアそれぞれのシンボルに基づき前記受信手段が出力するビット列を前記第１コードブックで変換し、前記１つ以上の第２キャリアそれぞれのシンボルに基づき前記受信手段が出力するビット列を前記第２コードブックで変換し、それぞれ、変換後のビット列を出力する変換手段と、
を備え、
前記第１コードブックは、第１の値のシェイピング・パラメータに基づき、
前記第２コードブックは、前記第１の値より大きい第２の値のシェイピング・パラメータに基づくことを特徴とする受信装置。
前記１つ以上の第１キャリアの数と前記１つ以上の第２キャリアの数の比率は、第３の値のシェイピング・パラメータに基づき決定され、
前記第３の値は、前記第１の値以上、かつ、前記第２の値以下であることを特徴とする請求項１１に記載の受信装置。
前記第３の値に基づき前記１つ以上の第１キャリアの数と前記１つ以上の第２キャリアの数の比率を決定する決定手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１２に記載の受信装置。
前記保持手段は、シェイピング・パラメータと信号対雑音比との関係を示す判定情報をさらに保持しており、
入力される信号対雑音比と前記判定情報とに基づき前記第３の値を判定する判定手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１３に記載の受信装置。