KR20110123635A - 통신 시스템에서의 채널 부호화 장치 및 방법 - Google Patents

통신 시스템에서의 채널 부호화 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 통신 시스템에서 파운틴 부호(Fountain code)를 이용하여 입력 비트를 부호화하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 사전 부호의 부호율과 부호화 비트의 개수를 기반으로 부호화 비트의 차수를 결정하는 과정과; 상기 결정된 부호화 비트의 차수를 이용하여 적어도 하나의 입력 비트에 상응하는 연관 비트를 선택하는 과정; 및 상기 선택된 연관 비트에 부호화 함수를 적용하여 부호화 비트를 생성하는 과정을 포함하는 부호화 방법을 제공한다.

Description

통신 시스템에서의 채널 부호화 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CHANNEL ENCODING IN A COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 통신 시스템에서의 채널 부호화 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 채널 부호화 기술로써 파운틴 부호(Fountain code)를 이용하여 입력 비트를 부호화하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
통상적으로 통신 시스템의 근본적인 목적은 통신 채널을 통하여 정보를 오류 없이 전달하는 것이다. 이때 통신 채널이 완벽한 충실도(fidelity)를 가질 경우에 수신자는 송신자가 전송한 파일과 정확하게 동일한 파일을 채널을 통하여 수신할 수 있다.
하지만 실제 응용에서 고려되는 통신 채널에서는 여러 가지 잡음 (noise)과 페이딩 (fading) 현상 및 심볼간 간섭 (inter-symbol interference, ISI) 등에 의한 정보의 왜곡이 발생하므로 이를 극복하기 위한 기술의 개발이 필수적이다.
최근에는 정보의 왜곡을 효율적으로 복원하여 통신의 신뢰도를 높이기 위한 방법으로서 오류정정부호 (error-correcting code)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
통상적으로 데이터 전송 량을 최대화하기 위해서는 통신 채널의 신뢰도와 전송되는 정보의 특성에 따라 최적의 성능을 가지도록 설계된 오류 정정 부호의 사용이 요구된다. 예를 들어 대부분의 시간 동안 충실도가 높지만 특정한 시간 간격 동안 신뢰도가 급격하게 감소하는 통신 채널의 경우에는 연집 오류(burst error)에 강한 오류 정정 부호의 사용이 요구된다.
예를 들어, TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 등의 인터넷 기반 프로토콜(protocol)에서는 패킷 손실에 의한 영향을 극복하기 위한 방법으로 ARQ (Automatic Repeat reQuest) 기법이 사용되고 있다.
상기 ARQ 기법에서 수신장치는 패킷을 정상적으로 수신하였을 경우에는 송신장치에게 ACK (ACKnowledgement) 신호를 전송하고, 패킷에 오류가 있을 경우에는 송신장치에게 NACK (not ACK) 신호를 전송한다. 상기 ARQ 기법에서, 송신장치는 수신장치에게 패킷을 전송하고, 수신장치에게서 상기 패킷에 대한 NACK 신호를 수신하였을 경우와 수신장치에게서 상기 패킷에 대한 ACK 신호를 수신하지 못한 경우 모두에 대하여 상기 패킷을 재전송한다.
이러한 ARQ 기법은 수신장치가 송신장치에 정보를 전달할 수 있는 충실도 높은 재귀 채널(feedback channel)이 존재할 경우에 송신장치와 수신장치 사이의 일대일 통신에서 효율적인 정보의 전달을 보장한다. 그러나 하나의 송신장치가 다수의 수신장치에 정보를 전달할 경우나 다수의 송신장치가 다수의 수신장치에 정보를 전달할 경우에는 ARQ 기법의 효율성은 급격하게 감소한다. 뿐만 아니라 재귀 채널의 충실도가 낮거나 상기 재귀 채널을 이용할 수 없을 경우에는 ARQ 기법의 적용이 어렵다.
따라서 다 대다 통신 시스템에서 이러한 ARQ 기법의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 파운틴 부호와 같은 소실 부호들(erasure codes)이 제안되고 있다.
파운틴 부호는 채널 코딩의 부호율을 (기존 정보의 양)/(부호화한 데이터의 양)으로 표현할 때, 부호화한 데이터의 양이 미리 정해지지 않기 때문에 이를 Rateless 부호라고도 부른다. 상기 파운틴 부호는 송신단측에서 수신단에 대한 정보가 부족하거나 수신단의 수가 매우 많을 때처럼 양방향 정보 전송이 어려운 경우에도 단방향 전송만으로 에러 없이 완벽한 수신을 가능하게 한다는 장점이 있다.
랩터 부호는 상기 파운틴 부호의 하나이며, 2004년 Amin Shokrollahi에 의하여 개발되었다. 또한 DVB-H의 application 계층에서의 표준으로 채택되었다. 상기 랩터 부호는 기존의 파운틴 부호인 루비 변환 부호(Luby-Transform code, 이하 'LT 부호'라 칭함)보다 복호화 과정의 연산량 측면에서 더 좋은 성능을 지니고 있다. 즉, 상기 LT 부호의 가장 큰 단점은 정보 비트들을 복구하는데 필요한 연산량이 선형적이지 못하다는 점이나, 상기 랩터 부호는 이러한 단점을 보완하여 부호화 연산량을 선형 시간 이내로 유지하면서 선형 시간의 복호화 연산량을 얻을 수 있게 한다.
한편, 일반적으로 전송되는 부호어(codeword)의 비트 중에 정보어 비트들이 포함되어 있는 구조적 부호(systematic code)는 비 구조적 부호(non-systematic code)에 비하여 우수한 성능을 보이고 있다. 그러나 현재까지 제안된 랩터 부호의 경우 구조적인 부호를 만들기 위하여 k개의 정보 비트에 대하여
Figure pat00001
의 부호화 복잡도를 필요로 한다. 따라서, 부호화 복잡도가 낮은 구조적 랩터 부호의 설계가 요구된다.
또한, 파운틴 부호의 경우 채널 상태에 따라 복호에 사용되는 수신 비트들의 개수가 달라지므로 이에 따른 최적의 부호화 방법이 요구된다.
본 발명에서는 파운틴 부호의 일 예로써 랩터 부호를 사용하는 통신 시스템에서 패리티 비트들과 함께 정보어를 전송하는 부호화 장치 및 방법을 제안한다.
또한, 본 발명에서는 루비 변환 부호(LT 부호)를 사용하는 통신 시스템에서 부호화 비트의 개수에 따라 부호화 비트의 차수를 제어하는 부호화 장치 및 방법을 제안한다.
또한, 본 발명에서는 LT 부호를 사용하는 통신 시스템에서 부호화 비트의 개수를 고려하여 LT 부호의 정보 비트들을 선택하는 부호화 장치 및 방법을 제안한다.
본 발명은 사전 부호의 부호율과 부호화 비트의 개수를 기반으로 부호화 비트의 차수를 결정하는 과정과; 상기 결정된 부호화 비트의 차수를 이용하여 적어도 하나의 입력 비트에 상응하는 연관 비트를 선택하는 과정; 및 상기 선택된 연관 비트에 부호화 함수를 적용하여 부호화 비트를 생성하는 과정을 포함하는 통신 시스템에서의 부호화 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 통신 시스템에서 파운틴 부호를 사용하여 입력 비트를 부호화하는 장치에 있어서, 사전 부호의 부호율과 부호화 비트의 개수를 기반으로 부호화 비트의 차수를 결정하는 부호화 비트 차수 선택부와; 상기 결정된 부호화 비트의 차수를 이용하여 적어도 하나의 입력 비트에 상응하는 연관 비트를 선택하는 연관 비트 선택부; 및 상기 선택된 연관 비트에 부호화 함수를 적용하여 부호화 비트를 생성하는 부호화 비트 생성부를 포함하는 부호화 장치를 제공한다.
본 발명은 정보 비트를 LT 부호의 부호화 비트로 전송하는 랩터 부호를 설계함으로써 부호화 복잡도가 낮은 구조적 랩터 부호를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 LT 부호를 사용하는 통신 시스템에서 부호화 길이에 따른 최적의 부호화 비트의 차수 분포를 선택함으로써 부호화 및 복호화 성능을 개선한다.
한편 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 랩터 부호화기의 구성도;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 LT 부호의 부호화 과정을 팩토 그래프로 나타낸 예를 도시한 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 LT 부호화기의 구성도;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 부호화 비트의 차수를 제어하는 부호화 비트 차수 선택부의 구성도;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 부호화 비트의 개수를 고려하여 LT 부호의 정보 비트들을 선택하는 연관 비트 선택부의 구성도;
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 송신장치에 구비된 부호화기에 의해 수행되는 LT 부호화 절차의 흐름도.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 랩터 부호를 사용하는 통신 시스템에서 정보어를 전송하여 부호화 성능을 향상시키기 위한 부호화 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 LT 부호를 사용하는 통신 시스템에서 부호화율에 상관없이 복호 성능을 향상시기기 위한 부호화 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예로써 새로이 구현하고자 하는 랩터 부호는 선형시간 부호화 및 복호화가 가능한 파운틴 부호의 일종으로 사전 부호(pre-code)와 LT 부호를 연접한 부호이다. 여기서, 상기 사전 부호는 상기 LT 부호에서 복원되지 못한 정보 비트를 복원하는 역할을 수행한다.
상기 랩터 부호의 부호화 과정에 있어, 사전 부호는 k개의 정보 비트를 사용하여 r개의 용장 비트(redundant bit)를 생성한다. 이때, 상기 k개의 정보 비트와 상기 r개의 용장 비트를 통칭하여 '중간 비트(intermediate bit)'라 칭한다. 상기 랩터 부호의 부호화 비트는 앞에서 정의된 k+r개의 중간 비트에 LT 부호화 과정을 적용함으로써 생성할 수 있다. 이와 같이 생성된 랩터 부호의 부호화 비트들은 통신 채널을 통하여 전송된다. 상기 채널을 통해 랩터 부호의 부호화 비트들을 수신한 수신장치는 랩터 부호의 복호화를 통해 상기 수신한 부호화 비트들로부터 정보 비트들에 대한 복원을 시도한다.
상기 랩터 부호의 복호화 과정은 LT 부호의 복호화를 통하여 중간 비트를 복원하는 과정과, 사전 부호의 복호화를 통하여 정보 비트를 복원하는 과정으로 분리되어 수행된다. 한편, 상기 사전 부호와 상기 LT 부호가 하나의 부호로 간주되어 동시에 수행될 수 있다. 이때 수신장치는 부호화 비트의 차수 및 부호화에 사용된 정보 비트들의 색인(index)을 송신장치로부터 전달받거나 상기 송신장치와 동일한 과정을 통하여 동일한 값들을 생성할 수 있어야 한다.
상기 랩터 부호는 부호화 비트들이 전송하고자 하는 정보 비트들을 정확하게 포함하는 구조적인 형태(systematic)로 사용될 수 있다. 여기서, 전송되는 부호어의 비트들 중에 정보어가 포함되어 있는 부호를 구조적 부호(systematic code)라고 부른다. 부호어가 채널을 통과할 때 소실이 발생하지 않는 경우 구조적 부호를 사용하면 복호 과정을 거치지 않아도 정보 비트를 복원할 수 있는 장점을 가진다. 하지만, 현재까지 알려진 랩터 부호는 구조적인 특징을 구비하고 있지 않고, 전송되는 비트들의 첫 부분이 실제 정보 비트가 되도록 하는 상태 비트(state bit)를 랩터 부호의 입력 비트로 사용한다. 이 경우, 구조적인 랩터 부호에서 주어진 k개의 정보 비트에 대응하는 k개의 상태 비트를 생성하기 위해서는
Figure pat00002
의 부호화 복잡도를 필요로 한다.
따라서, 이하 본 발명의 실시 예에서는 랩터 부호의 성능을 향상시키기 위한 부호화 장치 및 방법에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 랩터 부호화기의 구성을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 랩터 부호화기(100)는 사전 부호화기(102)와 LT 부호화기(104)가 연접된 형태로 구성된다.
먼저, 상기 사전 부호화기(102)는 입력되는 정보 비트들(s)을 사용하여 사전 부호의 패리티 비트들(p1)을 출력한다. 이때, 상기 정보 비트들(s)과 상기 패리티 비트들(p1)은 LT 부호화기(104)의 입력으로 제공된다. 그리고, 상기 LT 부호화기(104)는 입력되는 정보 비트들(s)과 패리티 비트들(p1)에 부호화 함수를 적용하여 LT 부호의 패리티 비트들(p2)을 출력한다.
상기 랩터 부호화기(100)는 상기 사전 부호의 패리티 비트들(p1) 및 상기 LT 부호의 패리티 비트들(p2)과 함께 정보 비트들(s)을 출력한다. 즉, 본 발명에 따른 랩터 부호의 부호화 비트는 정보 비트들(s)을 포함한다. 따라서, 송신장치는 상기 정보 비트들(s), 사전 부호의 패리티 비트들(P1) 및 LT 부호의 패리티 비트들(P2)를 수신장치로 전송한다.
이처럼, 본 발명에 따른 랩터 부호화기는 패리티 비트들과 함께 정보어를 전송함으로써, 부호화 복잡도가 낮은 구조적 랩터 부호를 생성할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 상기 랩터 부호의 복호화는 LT 부호의 복호화를 통하여 중간 비트를 복원하는 과정과, 사전 부호의 복호화를 통하여 정보 비트를 복원하는 과정으로 분리되어 수행된다. 이때, 수신장치는 부호화 비트의 차수 및 부호화에 사용된 정보 비트들의 색인(index)을 송신장치로부터 전달받거나 상기 송신장치와 동일한 과정을 통하여 동일한 값들을 생성할 수 있어야 한다.
상기 LT 부호의 패리티 비트들(p2)의 길이는 제한적이지 않으며, 채널 상황이 매우 좋을 경우에는 상기 정보 비트들(s)과 사전 부호의 패리티 비트들(p1)을 기반으로 복호화가 가능하며, 채널 상황이 비교적 좋을 경우에는 LT 부호의 패리티 비트들(p2) 중 일부 패리티 비트들과 상기 정보 비트들(s)과 사전 부호의 패리티 비트들(p1)을 기반으로 복호화한다. 또한, 채널 상황이 매우 좋지 않을 경우에는 LT 부호의 모든 패리티 비트들(p2)과 상기 정보 비트들(S)과 사전 부호의 패리티 비트들(p1)을 기반으로 복호화한다. 이처럼, 채널의 상황에 따라 복호에 사용되는 수신 비트들의 개수가 달라지며, 특히 복호에 사용되는 LT 부호의 패리티 비트들의 개수가 크게 달라짐을 알 수 있다.
따라서, 파운틴 부호의 경우, 채널 상태에 따라 복호에 사용되는 수신 비트들의 개수에 따라 최적의 LT 부호어를 생성하는 방법이 요구된다.
이하에서는, LT 부호를 사용하는 통신 시스템에서 부호화율에 상관없이 복호 성능을 향상시기기 위한 부호화 방법에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
특히, 본 발명의 실시 예에서는 LT 부호를 사용하는 통신 시스템에서 부호화 길이에 따라 부호화 비트의 차수를 제어하는 방법과 부호화 비트의 개수를 고려하여 LT 부호의 정보 비트들을 제한하는 방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
설명의 편의상, LT 부호의 입력 비트들인 정보 비트들(s)과 사전 부호의 패리티 비트들(p1)을 LT 부호의 정보 비트들이라 지칭하도록 하고, LT 부호의 패리티 비트들(p2)을 부호화 비트들이라 지칭하도록 한다.
LT 부호에 의한 부호화 비트는 1개 이상의 LT 부호의 정보 비트들을 파라미터로 가지는 부호화 함수를 사용하여 계산할 수 있다. 이때 각각의 부호화 비트들은 다른 부호화 비트들과 독립적으로 생성된다. 그리고 생성 가능한 부호화 비트의 개수는 이론적으로 무한대이며, 특정 응용에 있어서는 어떤 값으로 제한될 수 있다.
한편 부호화 비트의 생성을 위해 사용되는 부호화 함수의 대표적인 예로는 정보 비트들에 대해 배타적 논리합(XOR) 연산을 취하여 부호화 비트를 계산하는 방법이 있다. 이때 상기 부호화 비트를 계산하기 위하여 사용된 LT 부호의 정보 비트들을 부호화 비트의 '연관 비트'라 하고, 상기 연관 비트의 개수를 '부호화 비트의 차수'라 한다.
일반적으로 LT 부호에 있어 부호화 비트의 차수 분포는 하기의 <수학식 1>과 같은 다항식 형태로 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
상기 <수학식 1>에서 k는 LT 부호에 의한 부호화 절차에서 사용되는 LT 부호의 정보 비트의 총 개수이며, ai는 임의로 선택된 부호화 비트의 차수가 i일 확률이다.
상기 <수학식 1>과 같은 부호화 비트의 차수 분포는 LT 부호의 성능을 결정하는 중요한 요소이다.
한편 부호화 함수로 XOR 함수를 사용하는 LT 부호에 의한 부호화 절차는 하기와 같이 정리할 수 있다.
< LT 부호화 과정 >
단계 1: 주어진 부호화 비트의 차수 분포에 따라 차수를 선택한다.
단계 2: 선택된 차수에 해당하는 개수의 서로 다른 정보 비트들을 균등한 확률로 랜덤하게 선택한다.
단계 3: 선택된 정보 비트들에 대해 XOR 연산을 수행함으로써 부호화 비트를 생성한다.
상기 LT 부호에 의한 부호화 과정을 통해 생성된 부호화 비트들은 송신장치에 의해 채널을 통해 전송되며, 수신장치는 상기 부호화 비트들을 수신하여 LT 부호의 복호화를 통해 정보 비트들에 대한 복원을 시도한다.
상기 LT 부호의 복호화는 LT 부호를 표현하는 팩토 그래프 상에서의 메시지 전달(message passing)을 통하여 이루어지거나 정보 비트와 부호화 비트의 관계를 나타내는 선형 방정식(linear equation)의 해를 구하는 과정으로 이루어진다. 이때 수신장치는 부호화 비트의 차수 및 부호화에 사용된 정보 비트들의 색인(index)을 송신장치로부터 전달받거나 상기 송신장치와 동일한 과정을 통하여 동일한 값들을 생성할 수 있어야 한다는 점에 유의한다.
도 2는 LT 부호의 부호화 과정을 팩토 그래프로 나타낸 일 예를 보이고 있다. 도 2에서 보이고 있는 팩토 그래프는 4개의 LT 부호의 정보 비트들 X(1)(202), X(2)(204), X(3)(206), X(4)(208)과 5개의 부호화 비트들 Z(1)(210), Z(2)(212), Z(3)(214), Z(4)(216), Z(5)(218)로 이루어진다. 그리고 부호화 함수로써 배타적 논리합 (XOR) 연산인
Figure pat00004
을 사용한다. 그리고 여기서 LT 부호의 정보 비트는 부호화를 위해 입력되는 비트를 의미한다.
도 2에 나타낸 LT 부호에서 정보 비트들과 부호화 비트들의 관계는 하기 <수학식 2>로 정의될 수 있다.
Figure pat00005
이때, 도 2에 나타낸 LT 부호의 차수 분포는 하기 <수학식 3>과 같다.
Figure pat00006
만약 상기 부호화 비트의 개수가 충분히 많다면, LT 부호의 정보 비트들은 통계적으로 동일한 차수를 가지게 된다. 하지만 상기 부호화 비트의 개수가 증가함에 따라 복호 성능은 감소하게 된다. 따라서, LT 부호의 부호화 비트의 개수에 따라 다른 차수 분포를 가지게 됨에 따라 최적의 차수 분포를 획득하는 방안이 요구된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 LT 부호의 부호화 비트의 차수 분포는 하기 규칙을 통해 구할 수 있다.
<규칙 1>
입력되는 LT 부호의 정보 비트들의 차수 분포는 최대한 균일하다고 가정하고, LT 부호의 부호화 비트의 차수를 다양하게 결정한다. 즉, 상기 수학식 1의 변수 x의 차수들을 다양하게 선택하도록 한다.
<규칙 2>
상기 결정된 부호화 비트의 차수에 대하여 잡음 임계치를 최대화할 수 있도록 한다. 이때 잘 알려져 있는 차분 진화(differential evolution) 방법을 사용한다.
즉, 상기 차분 진화 방법에 의하여 상기 부호화 비트의 차수를 다양하게 변화시켜 가면서 각 부호화 비트의 차수를 가지고 부호화를 수행할 경우 이 부호를 복호를 하였을 때 에러가 발생하지 않는 잡음의 최대값인 잡음 임계치 값을 구하도록 한다. 각각의 차수 분포들에 대하여 상기 잡음 임계치 값이 가장 높게 나오는 차수 분포를 선택하도록 한다.
<규칙 3>
최적의 차수 분포는 부호화 비트의 개수에 따라 변경될 수 있다. 그러므로 구간(또는 부호화 길이)별로 나누어 최적의 차수 분포를 구한다. 이때 기존 구간에 대하여 최적의 차수 분포를 기반으로 하고 새로운 구간에 대하여 최적의 차수 분포를 구하도록 한다. 여기서, 상기 구간은 부호화 비트의 개수가 0~X, X~Y, Y~Z 등을 의미한다.
이하에서는, 상기 규칙들에 의거하여 최적의 부호화 비트의 차수 분포를 구하는 방법에 대해 하기 표들을 참조하여 설명하도록 한다.
예를 들어, 하기 표 1은 사전 부호의 부호율이 1/2인 경우 BEC(Binary erasure channel) 채널에서 최적화된 부호화 비트의 차수를 나타낸다. 정보어 길이를 k라 할 때,
Figure pat00007
은 부호화 길이가 4.0k보다 짧은 길이에 대해 최적화된 부호화 비트의 차수 분포이며,
Figure pat00008
는 부호화 길이가 4.0k보다 길고, 6.0k보다 짧은 경우에 대해 최적화된 부호화 비트들의 차수 분포이다.
Figure pat00009
는 부호화 길이가 무한하게 긴 경우에 대해 최적화된 부호화 비트의 차수 분포이다.
Figure pat00010
상기 부호화 비트의 차수 분포는 채널과 사전 부호어의 부호율에 따라 다르게 생성할 수 있다.
하기 표 2는 사전 부호의 부호율이 1/2이고, AWGN 채널일 경우 최적화된 부호화 비트의 차수 분포를 나타낸다.
Figure pat00011
하기 표 3은 사전 부호의 부호율이 0.95이고, AWGN 채널일 경우 최적화된 부호화 비트의 차수 분포를 나타낸다.
Figure pat00012
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 LT 부호화기(104)의 구성에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 LT 부호화기(104)의 구성을 도시하고 있다. 도 3을 참조하면, 상기 LT 부호화기(104)는 LT 부호의 정보 비트 버퍼(310), 부호화 함수 선택부(320), 부호화 비트 차수 선택부(330), 연관 비트 선택부(340), 부호화 비트 생성부(350)을 포함한다.
먼저, 하나의 파일(file) 또는 그 일부를 구성하는 k개의 LT 부호의 정보 비트들 X(0), X(2), …, X(K-1)는 LT 부호의 정보 비트 버퍼(310)에 순차적으로 저장된다.
부호화 비트 차수 선택부(330)는 부호화 비트 생성부(350)의 출력 비트의 개수(또는 부호화 비트의 개수) N과 사전 부호의 부호율 R을 입력으로 한다. 그리고 상기 부호화 비트 차수 선택부(330)는 전술한 규칙들에 의거하여 획득한 차수 분포를 기초로 부호화 비트의 차수(W)를 선택한다. 여기서, 상기 부호화 비트의 차수 W는 k개의 입력 비트들(LT 부호의 정보 비트들) 중 부호화 비트를 생성하기 위해 요구되는 입력 비트의 개수를 의미한다. 상기 부호화 비트 차수 선택부(330)의 구체적인 동작에 대해서는 이하에서 후술될 것이다.
상기 부호화 비트 차수 선택부(330)는 출력 비트의 개수 N 값에 따라 서로 다른 차수 분포들을 선택할 수 있다. 이때, 상기 차수 분포들은 미리 설정되어 테이블 등의 형태로 저장될 수 있다. 그리고, 상기 부호화 비트 차수 선택부(330)는 선택한 부호화 비트의 차수 W를 연관 비트 선택부(340)와 부호화 비트 생성부(350)로 제공한다.
상기 연관 비트 선택부(340)는 상기 부호화 비트의 차수 W를 입력으로 하고, 상기 부호화 비트의 차수를 이용하여 부호화 비트를 생성하기 위한 적어도 하나의 LT 부호의 정보 비트에 상응하는 연관 비트를 선택한다. 상기 연관 비트를 선택하는 방법에 있어서 연관 비트의 인덱스 값을 결정할 때, 소정의 방식에 의하여 상기 인덱스 값들을 저장할 수도 있고, 매번 생성할 수도 있다. 상기 매번 생성할 경우 소정의 키(key) 값을 이용하여 송신기와 수신기에서 서로 알 수 있도록 한다. 상기 연관 비트 선택부(340)의 구체적인 동작에 대해서는 이하에서 후술될 것이다.
상기 연관 비트 선택부(330)는 선택된 적어도 하나의 연관 비트에 의해 연관 비트 목록(AL)을 생성할 수 있다. 여기서 상기 연관 비트 목록 AL은 부호화 비트를 생성하기 위해 상기 k개의 입력 비트들(LT 부호의 정보 비트들) 중 상기 부호화 비트의 차수(W)에 의해 결정된 개수만큼의 입력 비트들을 가리키는 인덱스들의 목록에 해당한다. 상기 연관 비트 선택부(340)는 앞서 생성한 연관 비트 목록(AL)을 상기 부호화 비트 생성부(350)로 제공한다.
상기 부호화 비트 생성부(350)는 상기 부호화 비트 차수 선택부(330)에 의해 제공된 부호화 비트의 차수(W)와 상기 연관 비트 선택부(340)에 의해 제공된 연관 비트 목록(AL)을 기반으로 하여 상기 정보 비트 버퍼(310)에 저장된 k개의 입력 비트들 중 상기 부호화 비트의 차수(W)만큼의 입력 비트에 대해 부호화 함수를 적용하여 부호화 비트를 생성한다.
상기 부호화 비트를 생성하기 위해 적용되는 부호화 함수 F를 선택적으로 사용하기 위한 부호화 함수 선택부(320)를 추가로 구비할 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시 예에서는 부호화 함수 F로써 XOR 함수를 가정하고 있음에 따라, 상기 부호화 함수 F를 선택적으로 적용하기 위한 구성에 대해 구체적인 설명을 생략하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 부호화 비트의 차수를 제어하는 부호화 비트 차수 선택부의 구성을 도시하고 있다.
도 4를 참조하면, 상기 부호화 비트 차수 선택부(330)은 부호화 비트 개수 카운터(400), 부호화 비트 차수 분포 선택기(410), 부호화 비트 차수 선택기(420) 및 부호화 비트 차수 업데이트기(430)를 포함한다.
부호화 비트 개수 카운터(400)는 상기 부호화 비트 생성부(350)의 출력 비트의 개수를 계산하고, 계산된 부호화 비트의 개수(N)를 상기 부호화 비트 차수 분포 선택기(410)로 출력한다. 여기서, 상기 부호화 비트 개수 카운터(400)는 상기 부호화 비트 차수 선택부(330)의 내부에서 구현되는 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 상기 장치의 외부에서 구현될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
부호화 비트 차수 분포 선택기(410)는 상기 부호화 비트 개수 카운터(400)로부터 입력된 부호화 비트의 개수(N)와 사전 부호의 부호율(R)를 기반으로 하여 최적의 부호화 비트의 차수 분포를 선택한다. 예를 들면, 상기 부호화 비트 차수 분포 선택기(410)는 전술한 표 1 내지 표3에서 나타내는 부호화 비트의 차수 분포
Figure pat00013
중 최적의 차수 분포를 선택한다.
부호화 비트 차수 선택기(420)는 상기 부호화 비트 차수 분포 선택기(410)로부터 입력된 차수 분포(
Figure pat00014
)를 기초로 현재 부호화 비트의 차수를 결정한다. 이때, 부호화 비트 차수 업데이트기(430)는 상기 부호화 비트 차수 선택기(420)에 의해 선택된 차수에 따라 현재 부호화 비트의 차수를 갱신한다.
예를 들어, 상기 부호화 비트 차수 분포 선택기(410)에서 차수 분포
Figure pat00015
= 2/10 x2 + 8/10 x10를 선택했다면, 부호화 비트 차수 선택기(420)에서는 차수 2와 차수 10 중 하나를 선택한다. 만약, 상기 부호화 비트 차수 선택기(420)가 차수 10을 선택한 경우, 부호화 비트 차수 업데이트기(430)는 차수 분포
Figure pat00016
의 계수인 2/10와 8/10을 갱신한다. 따라서, 10개의 출력 비트를 생성할 경우 10개 중 1개가 선택되었고 9개가 남았으므로 부호화 비트의 차수 분포
Figure pat00017
의 계수는 각각 2/9와 7/9로 갱신된다.
이상 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따라 부호화 비트의 차수를 제어하는 부호화 비트 차수 선택부(330)의 구성 요소들에 대해 도 4를 기반으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 즉, 본 발명의 구현 방식에 따라 구성 요소들의 입력 신호 및 출력 신호들은 다양한 형태를 가질 수 있으며, 일부 구성 요소들이 생략될 수 있다. 뿐만 아니라 일부의 구성 요소들이 서로 통합되거나 부가적인 제어 신호를 포함할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 부호화 비트의 개수를 고려하여 LT 부호의 정보 비트들을 선택하는 연관 비트 선택부의 구성을 도시하고 있다.
도 5를 참조하면, 상기 연관 비트 선택부(340)는 부호화 비트 개수 카운터(500), LT 부호어 정보 비트 결정기(510) 및 연관 비트 선택기(520)를 포함한다.
부호화 비트 개수 카운터(500)는 현재까지 출력된 부호화 비트들의 개수를 계산하여 LT 부호어 정보 비트 결정기(510)로 출력한다. 여기서, 상기 부호화 비트 개수 카운터(500)는 상기 부호화 비트 차수 선택부(330)의 내부에서 구현되는 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 상기 장치의 외부에서 구현될 수 있으며, 전술한 부호화 비트 차수 선택부(330)에 포함된 부호화 비트 개수 카운터(400)에 의해 구현될 수 있다.
LT 부호어 정보 비트 결정기(510)는 상기 부호화 비트 개수 카운터(500)로부터 입력된 부호화 비트의 개수를 기초로 랩터 부호의 정보 비트들(s)과 사전 부호의 패리티 비트들(p1)중 일부분을 선택하여 연관 비트 선택기(520)로 출력한다.
채널 상태가 좋지 않아 복호화기에서 LT 부호의 패리티 비트들(p2)을 많이 사용하는 경우에는 사전 부호어의 부호율을 높게 하여야 복호 성능이 향상되고, 채널 상태가 좋아서 LT 부호의 패리티 비트들(p2)를 적게 사용하는 경우에는 사전 부호어의 부호율을 낮게 하여야 복호 성능이 향상된다. 따라서, LT 부호어 정보 비트 결정기(510)는 LT 부호의 패리티 비트들의 개수에 따라 LT 부호화기의 입력 비트들을 제한할 수 있다.
예를 들면, 도 1에 도시된 랩터 부호의 정보 비트들은 s= (s1, s2, s2, …, s100)이고, 사전 부호의 패리티 비트들은 p1 = (p1,1 , p1,2 , …, p1,50) 이라고 가정한다. 이때, 상기 정보 비트들(s)과 상기 사전 부호의 패리티 비트들(p1)은 LT 부호의 입력 비트들이 된다.
상기 예에서, 상기 LT 부호어 정보 비트 결정기(510)는 상기 부호화 비트 개수 카운터(500)로부터 입력된 부호화 비트의 개수를 기반으로 하여 정보 비트들 s= (s1, s2, s2, …, s100)과 사전 부호의 패리티 비트들 중 일부 패리티 비트들 p1 = (p1,1 , p1,2 , …, p10)을 선택할 수 있다.
연관 비트 선택기(520)는 상기 LT 부호어 정보 비트 결정기(510)에서 선택된 비트들 중에서 상기 부호화 비트 차수 선택부(330)에서 선택된 차수만큼 연관 비트들을 선택하고, 선택된 연관 비트들을 부호화 비트 생성부(350)로 제공한다.
이상 전술한 바와 같이, 부호화 비트의 개수를 고려하여 LT 부호의 정보 비트들을 선택하는 연관 비트 선택부(340)의 구성 요소들에 대해 도 5를 기반으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 즉, 본 발명의 구현 방식에 따라 구성 요소들의 입력 신호 및 출력 신호들은 다양한 형태를 가질 수 있으며, 일부 구성 요소들이 생략될 수 있다. 뿐만 아니라 일부의 구성 요소들이 서로 통합되거나 부가적인 제어 신호를 포함할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 송신장치에 구비된 부호화기에 의해 수행되는 LT 부호화 절차의 일 예를 보이고 있다.
도 6을 참조하면, 송신장치의 부호화기는 610 단계에서 입력 비트들(LT 부호의 정보 비트들) X(1), X(2), ···, X(k)을 수신한다. 여기서, 상기 입력 비트들은 도 1에 도시된 정보 비트들(s)과 사전 부호의 패리티 비트들(p1)을 의미한다.
상기 부호화기는 620 단계에서 상기 입력 비트를 기초로 LT 부호화 과정을 수행하기 전에 부호화 비트의 색인을 초기화한다.
상기 부호화 비트의 초기화 작업이 완료되면, 상기 부호화기는 630 단계에서 부호화 비트의 개수(N)와 사전 부호의 부호율(R)을 기반으로 하여 전술한 최적의 차수 분포를 선택하고, 선택된 차수 분포를 기초로 부호화 비트의 차수(W)를 선택한다. 여기서, 상기 부호화 비트의 차수(W)는 k개의 입력 비트들 중 부호화 비트를 생성하기 위해 요구되는 입력 비트의 개수를 의미한다.
상기 부호화기는 640 단계에서 상기 입력 비트 X(1), X(2), ···, X(k) 중에서 부호화 비트의 차수 W만큼의 연관 비트를 선택한다.
상기 640 단계가 완료되면, 상기 부호화기는 650 단계에서 부호화 비트의 차수(W)와 선택된 연관 비트를 기반으로 부호화 비트를 생성한다. 즉, 상기 부호화기는 k개의 입력 비트들 중 상기 부호화 비트의 차수(W) 개의 연관 비트들에 대해 부호화 함수를 적용하여 부호화 비트를 생성한다.
상기 부호화기는 670 단계에서 추가로 생성할 부호화 비트가 존재하는지 여부를 판단한다. 만약 추가적인 부호화 비트의 생성이 필요하다고 판단되면, 상기 부호화기는 상기 630 단계 내지 상기 650 단계를 반복하여 수행한다.
한편, 추가적인 부호화 비트의 생성이 필요하지 않다면, 상기 부호화기는 입력 비트에 의해 부호화 비트를 생성하는 부호화 작업을 종료한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허 청구의 범위뿐만 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상기 통신 채널은 송신장치와 수신장치가 공간적으로 떨어져 있는 유선 및 무선 채널뿐만 아니라 저장 매체에 정보를 저장한 이후에 필요한 시간에 원하는 정보를 추출하여 사용하는 시간적인 채널 및 상기 공간적인 채널과 상기 시간적인 채널의 혼합된 형태를 포함한다.
또한 상기 통신 채널을 통해 전달되는 정보는 통상적인 텍스트 및 음성 정보 이외에도 비디오나 오디오 파일 등의 멀티미디어 정보와 특정 응용을 위한 시그널링 정보와 데이터 파일 등을 포함하는 포괄적인 개념이다.

Claims (14)

  1. 통신 시스템에서의 부호화 방법에 있어서,
    사전 부호의 부호율과 부호화 비트의 개수를 기반으로 부호화 비트의 차수를 결정하는 과정과;
    상기 결정된 부호화 비트의 차수를 이용하여 적어도 하나의 입력 비트에 상응하는 연관 비트를 선택하는 과정; 및
    상기 선택된 연관 비트에 부호화 함수를 적용하여 부호화 비트를 생성하는 과정을 포함하는 부호화 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 부호화 비트의 차수를 결정하는 과정은,
    상기 사전 부호의 부호율과 상기 부호화 비트의 개수를 이용하여 부호화 비트의 차수 분포를 선택하는 과정과;
    상기 선택된 부호화 비트의 차수 분포를 이용하여 상기 부호화 비트의 차수를 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 부호화 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 부호화 비트의 차수 분포는 미리 설정되어 테이블에 저장되는 것을 특징으로 하는 부호화 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 부호화 비트의 차수 분포는 차분 진화(differential evolution) 방법과 부호화 비트의 개수를 고려하여 구해지는 것을 특징으로 하는 부호화 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 연관 비트를 선택하는 과정은,
    상기 부호화 비트의 개수를 이용하여 상기 적어도 하나의 입력 비트를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 부호화 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 입력 비트는 루비 변환 부호의 정보 비트이고, 상기 루비 변환 부호의 정보 비트는 랩터 부호의 정보 비트와 사전 부호의 패리티 비트로 구성되는 것을 특징으로 하는 부호화 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 생성된 부호화 비트와 함께 정보어를 전송하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부호화 방법.
  8. 통신 시스템에서 파운틴 부호를 사용하여 입력 비트를 부호화하는 장치에 있어서,
    사전 부호의 부호율과 부호화 비트의 개수를 기반으로 부호화 비트의 차수를 결정하는 부호화 비트 차수 선택부와;
    상기 결정된 부호화 비트의 차수를 이용하여 적어도 하나의 입력 비트에 상응하는 연관 비트를 선택하는 연관 비트 선택부; 및
    상기 선택된 연관 비트에 부호화 함수를 적용하여 부호화 비트를 생성하는 부호화 비트 생성부를 포함하는 부호화 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 부호화 비트 차수 선택부는,
    상기 사전 부호의 부호율과 상기 부호화 비트의 개수를 이용하여 부호화 비트의 차수 분포를 선택하고, 상기 선택된 부호화 비트의 차수 분포를 이용하여 상기 부호화 비트의 차수를 결정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 부호화 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 부호화 비트의 차수 분포는 미리 설정되어 테이블에 저장되는 것을 특징으로 하는 부호화 장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 부호화 비트의 차수 분포는 차분 진화(differential evolution) 방법과 부호화 비트의 개수를 고려하여 구해지는 것을 특징으로 하는 부호화 장치.
  12. 제 8항에 있어서, 상기 연관 비트 선택부는,
    상기 부호화 비트의 개수를 이용하여 상기 적어도 하나의 입력 비트를 결정하고, 상기 결정된 적어도 하나의 입력 비트에 상응하는 연관 비트를 선택하는 것을 특징으로 하는 부호화 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 입력 비트는 루비 변환 부호의 정보 비트이고, 상기 루비 변환 부호의 정보 비트는 랩터 부호의 정보 비트와 사전 부호의 패리티 비트로 구성되는 것을 특징으로 하는 부호화 장치.
  14. 제 8항에 있어서, 상기 부호화 장치는,
    상기 부호화 비트 생성부로부터 출력된 부호화 비트와 함께 정보어를 전송하는 것을 특징으로 하는 부호화 장치.
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