JP2008501249A - 多入力多出力通信システムにおいて複数のデータストリームを符号化する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】方法は、多入力多出力通信システムにおいて複数のデータストリームを符号化する。
【解決手段】送信機において、入力ビットストリームを複数の層の符号語bとして符号化する。各層を変調する。各層に対し、擬似ブロック対角低密度パリティ検査符号を適用し、擬似ブロック対角パリティ検査符号は行列Hであり、行列Hは、各部分符号に対して1行のブロックを含み、各層に対する1行のブロックは、任意の有効な符号語に対してHb=0であるようなものである。そして、それらの層を、送信信号xとして送信アンテナに転送する。
【解決手段】送信機において、入力ビットストリームを複数の層の符号語bとして符号化する。各層を変調する。各層に対し、擬似ブロック対角低密度パリティ検査符号を適用し、擬似ブロック対角パリティ検査符号は行列Hであり、行列Hは、各部分符号に対して1行のブロックを含み、各層に対する1行のブロックは、任意の有効な符号語に対してHb=0であるようなものである。そして、それらの層を、送信信号xとして送信アンテナに転送する。
Description
本発明は、包括的には多入力多出力通信システムに関し、より詳細には、複数の送信アンテナを介して複数のデータストリームを送信するシステムに関する。
多入力多出力(MIMO)無線通信システム、すなわち送信機及び受信機の両方に複数のアンテナがあるシステムの容量は、アンテナの数に応じて線形に増大する可能性がある。これについては、G. J. Foschini及びM. J. Gans著、「On the limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas」, Wireless Personal Commun., Vol.6. pp.315-335, March 1998及びTelatar著、「Capacity of multi-antenna Gaussian channels」, European Transactions on Telecommunications, Vol.10, pp.585-595, Nov-Dec 1999を参照されたい。
MIMOシステムの性能を確定する重要な要素は、データを符号化するために使用される誤り訂正符号である。単入力単出力(SISO)システムの場合、略容量限界を達成する誤り訂正符号、たとえば低密度パリティ検査(LDPC)符号が知られている。これについては、R.G. Gallager著、「Low-Density Parity-Check Codes」, Cambridge, MA, MIT Press, 1963、D. J. C. MacKay, 「Good error-correcting codes based on very sparse matrices」, IEEE Trans. Inform. Theory, Vol.45, pp.399-431, March 1999及びY. Kou, S.Lin及びM. P. C. Fossorier著、「Low-density parity-check codes based on finite geometries: a rediscovery and new results」, IEEE Trans. Inform. Theory, Vol.47, pp.2711-2736, November 2001を参照されたい。容量限界に近い誤り訂正符号は、それらの固有の並列化可能性により、集積回路での実施に適している。
既知のシャノン限界に非常に近いイレギュラー(irregular)符号もまた知られている。これについては、S. Y. Chung、G. D. Forney Jr.、T. J. Richardson、R. Urbanke著、「On the design of low-density parity-check codes within 0.0045 dB of the Shannon limit」, IEEE Commun. Lett., Vol.5, pp.58-60, February 2001、T. J. Richardson、M. A. Shokrollahi及びR. L. Urbanke著、「Design of capacity-approaching irregular low-density parity-check codes」, IEEE Trans. Inform. Theory, Vol.47, pp.619-637, February 2001、及びM. G. Luby、M. Mitzenmacher、M. A. Shokrollahi及びD. A. Spielman著、「Improved low-density parity-check codes using irregular graphs」, IEEE Trans. Inform. Theory, Vol.47, pp.585-598, February 2001を参照されたい。
MIMOシステムにおける直接反復復号法の問題は、すべての送信信号の重畳である受信信号ベクトルからのビットの事後確率の抽出である。事後確率の導出には、すべてのあり得る信号の組合せを全数探索する必要がある。
64直交振幅変調(QAM)を採用する4×4MIMOシステムの場合、あり得る組合せの総数は644であり、リアルタイムに探索することは不可能である。リスト復号によって複雑性を大幅に低減することができる。それでもなお、より高次の変調を行うシステムに対し許容できる性能を達成するためには大きいリストが必要である。
V−BLASTを使用するシステム等、階層化時空間(layered space-time)構造を使用することができる。これについては、G. J. Foschini著、「Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multi-element antennas」, Bell Labs Technical Journal, pp.41-59, August 1996を参照されたい。そこでは、各アンテナを使用して、独立して符号化されたデータストリーム(層)を送信する。ストリームを、復号されていない層をヌルにするように線形処理することと、先に復号された層からの干渉をキャンセルするための判定帰還と、によって効率的に復号することができる。問題は、誤差伝播の存在である。
復号される最初の層は、通常、ゼロフォーシング(zero-forcing)又は最小平均二乗誤差(MMSE)基準に従ってヌルにすることによる信号出力の喪失のため、信号対雑音比(SNR)が低い。不正確に復号された層の復元された信号を減ずることによる干渉キャンセルは、干渉を増大させるのみであり、後続する層の復号が成功する可能性を低くする。
本発明は、無線信号を符号化し復号するシステム及び方法を提供する。本システムは、連続する層の間の相関による時空間伝送のための階層化構造を使用する。
入力データを別々のストリームに逆多重化し各ストリームを独立して符号化する代りに、本発明では、現層の検出性能を向上させるために後に符号化される層から情報を抽出する。それにより、判定帰還干渉キャンセル検出器における誤差伝播が低減する。
方法は、多入力多出力通信システムにおいて複数のデータストリームを符号化する。送信機において、入力ビットストリームを複数の層の符号語bとして符号化する。各層を変調する。
各層に対し、擬似ブロック対角低密度パリティ検査符号(quasi-block diagonal low-density parity-check code)を適用する。擬似ブロック対角パリティ検査符号は行列Hであり、行列Hは、各部分符号に対して1行のブロックを含み、各層に対する1行のブロックは、任意の有効な符号語に対してHb=0であるようなものである。
そして、それらの層を、送信信号xとして送信アンテナに転送する。
システム構造
送信機
図1は、2値の擬似ブロック対角低密度パリティ検査符号(QBD−LDPC)のパリティ検査行列構造200を使用する多入力多出力(MIMO)システム100を示す。システム100は、送信機101及び受信機102を有する。送信機101は、4つ(Nt)の送信アンテナ110を有し、受信機は、4つ(Nr)の受信アンテナ120を有する。
送信機
図1は、2値の擬似ブロック対角低密度パリティ検査符号(QBD−LDPC)のパリティ検査行列構造200を使用する多入力多出力(MIMO)システム100を示す。システム100は、送信機101及び受信機102を有する。送信機101は、4つ(Nt)の送信アンテナ110を有し、受信機は、4つ(Nr)の受信アンテナ120を有する。
送信機は、符号器130を有する。符号器は、入力ビットストリーム10から複数層11の符号語bを生成する。各層は、対応する変調器140に渡される。各符号化された層に対し1つの変調器140がある。この例では、変調は、64QAMに従う。
各層に対し、行列H200の形式の擬似ブロック対角低密度パリティ検査符号が適用される。行列H200の構造については、図2を参照して後に詳細に説明する。
行列H200が適用された後、各層に対し、各層に対して1つの逆高速フーリエ変換(IFFT)160を通過させることができる。そして、それらの層を送信アンテナ110に転送することにより、送信信号xを形成する。なお、各層に対応する出力信号は、層の異なる部分が異なる送信アンテナを介して送信されるように置換(permutate)される。置換は、すべての層が平均して同様のチャネル状態を有することを保証するものである。提案された構造はOFDMシステムに限定されないということを理解しなければならない。
チャネル
信号xは、チャネル103を通してNr個の受信機アンテナ120に送信される。チャネルにおいて、送信信号には、白色ガウス雑音がもたらされる。
信号xは、チャネル103を通してNr個の受信機アンテナ120に送信される。チャネルにおいて、送信信号には、白色ガウス雑音がもたらされる。
受信機
受信機102において、受信信号yの各層に対してFFT170が適用され、その後、行列H200が適用される。そして、信号が復号されること300により、入力ビットストリームに対応する出力ビットストリーム20が生成される。
受信機102において、受信信号yの各層に対してFFT170が適用され、その後、行列H200が適用される。そして、信号が復号されること300により、入力ビットストリームに対応する出力ビットストリーム20が生成される。
擬似ブロック対角低密度パリティ検査符号(QBD−LDPC)
図2は、本発明による擬似ブロック対角LDPC時空間符号構造200を示す。図2において、行には4つの部分符号1〜4が示されており、列には4つの対応する層1〜4が示されている。
図2は、本発明による擬似ブロック対角LDPC時空間符号構造200を示す。図2において、行には4つの部分符号1〜4が示されており、列には4つの対応する層1〜4が示されている。
行列200全体はHとして示されており、任意の有効な2値符号語bは式
Hb=0
を満足する。
Hb=0
を満足する。
各層の符号語bの長さは同一である。しかしながら、層が異なると符号語の符号レートが異なる。これは、情報ビットの数が異なることを意味する。検出された最初の層は、ヌル処理後、後に検出された層に対しチャネル品質が最低であるため、符号レートは、層の検出の順序に従って増大する。
行列H200の主対角線201に沿ったブロックは、各層に対する対応する検査行列Hiを示す。主対角線201の真下の対角線202に沿ったブロックは、接続行列Ciを示す。接続行列Ciは、層の部分符号間における情報の交換として2つの連続した層i及びi+1を連結する。他のすべてのブロックに対し、接続行列Ciは符号語である。
実際の適用では、行列H200をタナーグラフとして実施することができ、ノード及びメッセージは後述するように渡される。タナーグラフは既知であるが、本発明による2値擬似ブロック対角低密度パリティ検査符号には使用されていなかった。
層は、最初の層1から最後の層4まで順序通りに復号され、検出段階iにおいて、次の層i+1はまた、接続行列Ciに従って先の層iの復号にも寄与する。
次数の高いビット又は変数ノードほど高速に収束する傾向にあることが知られている。これについては、Chung他著、「Analysis of sum-product decoding of low-density parity-check codes using a Gaussian approximation」、IEEE Trans. Inform. Theory, Vol.47, pp.657-670, February 2001を参照されたい。ビットを高速に収束させるほど残りのビットの復号が容易になるため、これは、イレギュラー(irregular)LDPCの設計の動機付けとなった。
これは、本発明者が本発明によって接続行列Ciを使用する動機付けとなる。それら行列を、層iのビットに対し、それらがより保護されるように次数を付加するものである、とみなすことができる。言い換えれば、層iを復号する時、行列Hi、Hi+1及びCiはより小さい部分符号を形成し、そこでは、次数の高い方の行列Hiに関連するビットのみが現段階で復号される。層i+1の復号は、層iからの干渉をキャンセルした後のより高いチャネル品質で、且つ、層i+2が復号に寄与するためより保護されて後に実施される。
符号化
送信機101において、入力ビットストリーム10が符号化される130。各層に対する各符号語の長さはnである。層iのパリティ検査ビットの数はriである。入力情報ビットの(n−ri)×1ベクトルは、uiとして示される。第1の層の符号化は簡単である。
送信機101において、入力ビットストリーム10が符号化される130。各層に対する各符号語の長さはnである。層iのパリティ検査ビットの数はriである。入力情報ビットの(n−ri)×1ベクトルは、uiとして示される。第1の層の符号化は簡単である。
ガウスの消去法を実行することにより、
が得られる。ここで、行列W1は、行列H1に対してガウス消去を実行するr1×r1のフルランク(full rank)行列であり、行列P1は、r1×(n−r1)行列であり、行列I1は、r1×r1の単位行列である。この構造は、符号がシステマティックであるという事実に対応する。そして、層1の符号語は、
によって形成される。
層i(i>1)に対し、ガウスの消去法を実行することにより、
が得られ、層iに対する符号語は、
として形成される。ここで、Wiはri×ri行列である。
非符号語接続行列Ci−1を用いる符号化中、層i−1の情報の一部は、層iの次の符号語に注入される。
復号
図3は、復号器300の詳細を示す。受信機102において、チャネル103を通して受信される信号y301は、チャネルによって歪むすべての送信信号
図3は、復号器300の詳細を示す。受信機102において、チャネル103を通して受信される信号y301は、チャネルによって歪むすべての送信信号
の重畳である。ここで、yはNr×1受信信号ベクトルであり、xはNt×1送信信号ベクトルであり、行列Gは、置換を考慮するNr×Ntの等価チャネル応答行列であり、nは次元あたりの分散N0/2のNr×1符号語平均白色ガウスチャネル雑音ベクトルである。
簡単になるように、ここでは、以下の汎化において副搬送波又は時間インデックスを明示的には指定せず、送信アンテナ及び受信アンテナの数はそれぞれNt及びNrである。一般性を喪失することなく、xiとして示すベクトルxのi番目の要素は、ベクトルgiとして示す行列Gのi番目の列に対応するi番目の層からの信号であるものとする。
ここでは層iを復号しているものとする。なお、層i及びi+1に対する復号器はともにアクティブである。
線形処理
復号は、
復号は、
に従って線形処理を使用する。ここで、Nr×1単位ノルム重みベクトルwjは、復号されていない層からの信号をヌルにし、ヌル処理310、すなわちゼロフォーシング又はMMSE基準によるヌル処理によって確定される。
干渉キャンセル
干渉キャンセル320は、
干渉キャンセル320は、
に従って実行される。ここで、(^)xiは、判定帰還302に対して使用される復号化された層の復元信号303である。なお、(^)xiは、xiの上に^があることを表す。
線形処理及び干渉キャンセルの後、層は、各段階において1次元符号として復号される340。
対数尤度比(LLR)は、
として定義される。ここで、pは符号語bの確率を示す。
そして、復調器330からのソフト情報、すなわち仮の符号語は、
である。ここで、bは、ゼロフォーシングヌル処理に対し受信信号
にマッピングされる符号語である。
そして、復調器330からのソフト出力は、サムプロダクト(sum-product)復号器340に送出される。
タナーグラフ
図4に示すように、擬似ブロック対角低密度パリティ検査符号、すなわち行列H200を、符号語すなわち変数ノードbk402、検査ノードck401及び観測ノード403を含むタナーグラフ400として表すことができる。各符号語ノードにおける更新メッセージ304は、
図4に示すように、擬似ブロック対角低密度パリティ検査符号、すなわち行列H200を、符号語すなわち変数ノードbk402、検査ノードck401及び観測ノード403を含むタナーグラフ400として表すことができる。各符号語ノードにおける更新メッセージ304は、
である。ここで、Ω(bk)は、各符号語bkノードの隣接するノードである1組のノードを示す。各検査ノードにおける更新メッセージは、
であり、それを、たとえば、Hu他著、「Efficient implementations of the sum-product algorithm for decoding LDPC codes」, GLOBECOM 2001, Vol.2, pp.25-29, November 2001に記述されているプロセスにより、任意のノードa及びbの間の
としての順方向・逆方向(forward-backward)プロセスにより効率的に実施することができる。
なお、メッセージを渡すこと304は、同様に層iとi+1との間とともに各層内で実行される。
そして、演繹的情報としてソフト復調器に渡されるメッセージは、
である。
仮の判定303に対するLLRは、
である。
本発明を、好ましい実施形態の例を用いて説明したが、本発明の精神及び範囲内で種々の他の適応及び変更を行ってもよいということを理解しなければならない。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神及び範囲内にあるすべてのかかる変形及び変更を包含することである。
Claims (14)
- 送信機において、入力ビットストリームを複数の層の符号語bとして符号化すること、
各層を変調すること、
擬似ブロック対角パリティ検査符号は行列Hであり、前記行列Hは各部分符号に対して1行のブロックを含み、各層に対する1行のブロックは、任意の有効な符号語に対してHb=0であるようなものであり、各層に擬似ブロック対角低密度パリティ検査符号を適用すること、
及び
前記複数の層を送信信号xとして複数の送信アンテナに転送すること
を含む、多入力多出力通信システムにおいて複数のデータストリームを符号化する方法。 - 各層の符号語bの長さは同一であり、前記符号語の符号レートは層が異なると異なり、各層の各符号語bの前記長さはnであり、前記層iのパリティ検査ビットの数はriである
請求項1記載の方法。 - 前記符号レートは、受信機における前記層の検出の順序に従って増大する
請求項2記載の方法。 - 前記行列Hの主対角線に沿った前記ブロックは、各層に対する対応する検査行列Hiを示し、前記主対角線の下の対角線に沿ったブロックは、接続行列Ciを示し、前記接続行列Ciは、2つの連続する層i及びi+1を前記層の前記部分符号間の情報の交換として連結し、他のすべてのブロックは、ゼロである接続行列Ciを示す
請求項1記載の方法。 - 前記層は、受信機において、最初の層から最後の層へ順序通りに復号され、検出段階iにおいて、次の層i+1は、前記接続検査行列Ciに従って先の層iの復号に寄与する
請求項4記載の方法。 - 前記複数の層を受信信号yとして受信すること、
各層に対し前記擬似ブロック対角低密度パリティ検査符号を適用すること、
及び
前記入力ビットストリームに対応する出力ビットストリームを生成するように各層を復号することをさらに含む
請求項1記載の方法。 - 前記ヌル処理は、ゼロフォーシングによって確定される
請求項7記載の方法。 - 前記ヌル処理は、最小平均二乗誤差(MMSE)基準によって確定される
請求項7記載の方法。 - 前記更新メッセージをサムプロダクト復号器として実施することをさらに含む
請求項12記載の方法。
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