JP2008501278A - 拡張コンボルーションコード - Google Patents

Abstract

無線送信において使用されるパケット／フレーム又はスーパーフレームに関して拡張コンボルーションコーディングを行うことにより前進型誤り信号訂正を増加させるためのシステム及び方法。拡張コンボルーションエンコーダ／デコーダを有する無線システムは、無線ネットワークと、拡張コンボルーションエンコーディング／デコーディングモジュールを有するサーバと、その少なくとも一つが拡張コンボルーションエンコーディング／デコーディングに適合させられている一つ以上のクライアントと、前記サーバ及び前記一つ以上のクライアントが前記無線ネットワークを介して通信するための無線送信ユニットと、を含む。拡張コンボルーションコーディングを提供するための方法は、（ａ）所定の範囲内の最大−最小自由距離を有するデータベースからコードのセットを検索するステップと、（ｂ）最大−最小自由距離において最も少ない数の経路を有するコードのサブセットをステップ（ａ）のセットから選択するステップと、（ｃ）最良の候補を与えるために、増加させられた自由距離において最も少ない数の経路を有するコードのサブセットから所定の比率を有する一つのコードを選択することにより拡張コンボルーションコードを見出すステップと、を含む。拡張コードの性能は、エンコーディング前に拡張コンボルーションコード率を使用して検証できる。

Description

本発明は、有線、無線、衛星、放送等を含むがそれらには限定されない一般的な通信において使用するための誤り制御コーディング、光学や磁気等の記憶の分野、多くの他の分野に関する。一つの特定の態様において、本発明は、無線ネットワークにおいて使用するために構成された装置及びプロセスに関する。特に、本発明は、送信システムのカバレージ（通信可能範囲：coverage）を拡大すべくデータが保護されるように変調してコード化する技術に関する。

ほとんど総てのタイプのデータ送信において、コーディングは、通常、効率を向上させるとともに誤り検査／誤り制御を行うために使用される。

コンボルーション（convolution：畳込み、重畳）コーディングは、誤り制御タイプのコーディングの特定のケースである。コンボルーションコーディングを迅速に再検討すると分かるように、情報の固定長ブロックを使用するメモリレス装置であるブロックコーダとは異なり、コンボルーションコーダはメモリを有している。即ち、コンボルーションコーディングにより行われる誤りコーディングは、現在与えられる入力記号の組に依存するだけでなく、既に使用されて記憶された入力記号の一部を考慮に入れている。使用された過去の情報ビットの数は、拘束長と称される。過去の情報のビットが多ければ多いほど（即ち、拘束長を表す数の値が高ければ高いほど）、エンコーディングの効率は良くなる。しかしながら、拘束長のビット数が増加するにつれて、演算のために必要とされるデコーダが複雑になることも事実である。コンボルーションコーディングは、所定数のメッセージ記号を可能にするとともに、所定数のコード記号の出力を可能にする。

コンボルーションエンコーダは、通常、モジュロ２（modulo-2）加算器と一つ以上の遅延素子とを備えている。図１Ａは、そのような一つの例である。三つのメモリレジスタ１０２，１０４，１０６がある。第１の入力ビットＵｉ１０８と三つの出力ビット（モジュロ加算器１１０，１１２，１１４からのｖ１，ｖ２，ｖ３）とが存在する。出力ビットの数ｎ＝３、入力ビットの数ｋ＝１（Ｕｉ１０８）、メモリレジスタの数ｍ＝３（１０２，１０４，１０６）であるので、（ｎ，ｋ，ｍ）パラメータは（３，１，３）である。従って、ｋ／ｎ比率（入力／出力）は１／３コード比率である。このことは、それぞれ一つの入力ビットが三つの出力ビットへとコード化されることを意味している。最後に、拘束長（Ｌ）は２（Ｕ_０及びＵ_−１として）であり、これもまたシェーディングにより特定されて過去の情報ビットを保持する。従って、拘束長は、２^Ｌであり、このケースでは４（２^２）に等しい。入力が１ビット（ｋ＝１）である場合、１／３，１／４，１／５，１／９等のコード比率は、時としてマザーコードと呼ぶことができる。そのような単一ビットコードを組み合わせて、パンクチャードコード（punctured code）を生成することができる。パンクチャードコードは、１／ｎ以外のコード比率を有するコードである。

図１Ｂは、Ｓｈｕ Ｌｉｎによる誤り制御コーディングの一つの例を示している。図示のエンコーダ１０１は、ｋビット入力情報シーケンスＵ１０３を取得して、コードワードｖ１０５であるｎビットシーケンスを生成する。エンコードされたそれぞれのシーケンスｖは、現在入力された対応する情報ｕに依存しているだけでなく、ｍ−１個の先行するメッセージブロックにも依存している（コンボルーションエンコーダは、メモリを有し又はメモリにアクセスする）。そのため、エンコーダはｍの拘束長を有している。また、ｋ−入力、ｎ−出力エンコーダは、比率ｋ／ｎエンコーダ又はｋ×ｎマトリクスとも称される。

例えば、１３３_８及び１７１_８のジェネレータを備え且つ７の拘束長を有する１／２比率エンコーダ（図１Ｂに示されている）は、図１に示される１３３_８（２進数で、１ ０１１ ０１１）及び１７１_８（２進数で、１ １１０ ００１）のような後続のビット値により表される。１３３_８及び１７１_８を表す２進数は、図１に示されており、レジスタメモリボックス１０７の上下にそれぞれ配置されている。二つの２進数値はそれぞれ、エンコーダの第１の出力及び第２の出力とみなすことができる。

コーディングは、極めて一般的となった無線送信のＩＥＥＥ８０２．１１規格を含むがそれには限定されない多くのプロトコルにより使用される。
フィリップスＮ．Ａ．ディスクロージャ（Ｐｈｉｌｉｐｓ，Ｎ．Ａ．Disclosure）７７９７６３／４

しかしながら、特に有線送信、衛星、放送、光送信、他のタイプの送信と共に使用するためにコンボルーションコーディングを改善する必要性が依然として存在する。また、例えば、複数のパケットを備えるが、既存のレガシー（legacy）装置の継続使用を可能にするために下位互換性がある新しい「スーパーフレーム」がフィリップスＮ．Ａ．ディスクロージャ（Ｐｈｉｌｉｐｓ，Ｎ．Ａ．Disclosure）７７９７６３／４（非特許文献１）に開示されている。多くの標準的なコードが異なる比率において既に公表されているため、これらの新しいスーパーフレーム及び新しいシステムは、下位互換性の必要性に起因して完全な新しいコードを採用することができない。

ここに請求された本発明は、拡張コンボルーションコードを与えるための方法、システム、装置であって、新たなコードが、パンクチャリング（puncturing）後に一つ以上の更に高い比率を有し、その既存のコードから拡張されることから下位互換性がある、方法、システム、装置を提供する。新たなコードは、高い比率で動作するジェネレータが与えられる最小ビット誤り率を生み出す。また、本発明の一つの態様において、無線環境のために調整される物理層中のサービスの配列は、カバレージを拡大するように設けられる。例えば、複数の同時サービスは、拡張コンボルーションコードをそれらの無線システムカバレージを拡張するために十分に利用できる、ビデオコンテンツ及び遠隔制御情報を同時に送信する等のシナリオにおいて可能になる。

当業者であれば理解されるように、以下の説明は、限定目的ではなく、例示目的で与えられている。本発明の思想及び添付の請求項の範囲内に入る多くの変形が存在することを熟練者は理解している。既知の機能及び動作の不必要な内容は、本発明の細部を曖昧にしないように、この説明から省かれる場合がある。

本発明においては、以下のフローチャートにおいて説明するステップと少なくとも類似するステップに従ってコンボルーションコードが拡張され、これは今までに知られていない。例えば、１／２比率は二つのジェネレータを有しており、１／４比率は四つのジェネレータを有している。本発明によれば、例えば、コードを二つのジェネレータから四つのジェネレータへ（更に多くのジェネレータへ、例えば二つのジェネレータから５０個のジェネレータへ）拡張することができる。ここで強調しておくと、本発明は、二つのジェネレータから四つのジェネレータへの拡張に限定されず、任意の数から更に多くの任意の数への拡張を対象としている。

更なる説明的な目的のため、図２は、本発明が機能し得る一つの方法を示すフローチャートを与えており、また、更に厳密に方法に従うため、表１は、本発明に従ってコードを拡張するためのシミュレーションからのデータを与えている。このように、方法は、１／４コンボルーションコード比率（ＣＣＲ）（１３３，１７１、ｘｘｘ，ｘｘｘ）を有する新たなコンボルーションコードＣＣを見出すために拡張される拘束長ｍ＝７を伴う１／２ＣＣＲ（１３３，１７１）から始まる。コンボルーションコード比率とは、固定長コードに亘って行われるデータ圧縮のことである。また、表１は、見出された総てのコードのリストを含んでおり、インデックス８５における既知のシステムの最適コード（１３３，１３５，１４７，１６４）と比較して最も良く拡張されたコンボルーションコード（１３３，１７１，１３５，１７５）のＳＮＲ＝０ｄＢでのＢＥＲ性能を含んでいる。

ＢＥＲ＠ＳＮＲ誤り件数は、例えばＢＥＲ６．４０ｅ−５＠１０４のケースでは、シミュレーションが収集された１０４個の誤りを有し且つ６．４ｅ−５のビット誤り率を示していることを意味している。

ステップ２１０では、最大−最小自由距離を有する一組のコード（セットＡ）を見出す。換言すると、例えば、アルゴリズムは、（１３３，１７１）のジェネレータを有する総てのコードの自由距離を検索し、また、可能な組み合わせの総てを経由することにより、破局的ではない。各コードにおける総ての自由距離について、各コードごとに最小自由距離ｄ_{ｍｉｎ，ｆｒｅｅ}が見出される。

上掲の表１は、最大ｄ_{ｍｉｎ，ｆｒｅｅ}＝２０を有する１１９個のコードを示している。自由距離は、コードの誤り訂正能力を表している。最大最小自由距離は、任意の同じビット数を有する二つのコードワードシーケンス間の最小距離である。従って、この特定のケースでは、自由距離が２０である１１９個のコードが見出される。

ステップ２２０では、自由距離２０において最も少ない数の経路を有する一組のコード（Ａのサブセット）が（セットＡ）から見出される。この特定のケースでは、インデックス番号１−６において示されるように、全体で１６個の経路を有する６個のコードが見出された。また、「２０」という距離に関する縦列を辿っていくと、各インデックス＃は、２０という自由距離量において、１６という量の自由経路をそれぞれ有している。量１６は、７乃至１１のトレース長を見ることにより更に解析され、これらが総て同じ特性０，１，３，５，７を有していることが分かる。尚、トレース長は入力の数に相当する。即ち、七つの入力ビットに関しては、ｄ ｆｒｅｅ＝２０を有する出力シーケンスは存在せず、８個の入力ビットに関してｄ ｆｒｅｅ＝２０を有するシーケンスが一つ存在し、９個の入力ビットに関してｄ ｆｒｅｅ＝２０を有するシーケンスが三つ存在する。

ステップ２３０では、自由距離２１，２２，２３において最小の数の経路を有するコードが選択される。６個の総てのコードは同じ数１６を有しているため、次の自由距離−２１の比較を行う。コード１，２だけが２２を有し、一方、コード３−６は２４を有している。等価なコード１，２が選択される。この特定の例では、（１３３，１７１，１３５，１７５）の選択が、１／４比率における（１３３，１７１）の拡張されたコンボルーションコードにとって最良の候補であると考えられる。

ステップ２４０（任意であるため、図２には示されていない）では、コードの性能が１／３の比率で検証される。１／３の比率に関して同じステップを行い、このケースでは、表２のワークシートの肉太活字（ボールドフェース）に示されるように、（１３３，１７１，１３５）がたまたま最も良く知られた１５という自由距離を伴う最良のコードとなる。

このように、ステップ２１０−２４０から、特定の例においては、１／２のマザーコード比率、ｍ−７、（１３３，１７１）に関して最良の１／４拡張コンボルーションコードが（１３３，１７１，１３５，１７５）であり、且つ、１／４コードからパンクチャされる最良の１／３コードが（１３３，１７１，１３５）であると判断することができる。

図３は、１／２誤り率３０１、標準１／４比率３０５、本発明に係る最適拡張１／４比率３０７でＣＣを比較するグラフ図を示している。グラフに示されるように、０ｄＢにおいて、最適拡張１／４比率３０７の誤り率は、既に示された標準１／４比率及び１／２比率よりもかなり小さい。使用される比率はＥｂ／Ｎｏであり、特に０ｄＢにおいてグラフ上における三つの項目を比較すれば分かるように、ＢＥＲは、０ｄＢにおいては、図示の標準１／４比率及び１／２比率よりも最適拡張１／４比率の方がかなり小さい数となっている。

図４は、本発明に係る拡張コンボルーションコーディングシステム及び装置の説明図を示している。この特定のケースでは、無線ネットワークプロトコル４０１の下で起動する無線ネットワークが存在する。ネットワークは、８０２．１１、ブルートゥース、ＡＴＭ等の下で起動することができ、又は、この図には示さないが、ネットワークは８０２．３等の下で接続されることもできる。ネットワークにおいて、サーバは、通常はパケット又はフレームを使用して、クライアント４１０，４１５，４２０との間で４０５を送信する。これらのパケット又はフレームは、従来の標準的なパケットであってもよく、又は、明細書で既に言及したフィリップスＮ．Ａ．ディスクロージャ（Ｐｈｉｌｉｐｓ，Ｎ．Ａ．Disclosure）７７９７６３／４（非特許文献１）に開示されるように約１６個のパケットを有する新たなスーパーフレームであってもよい。サーバ及びいずれかのクライアントの両方は、相互に通信し、又は、それらのユニット内に対応するエンコーダ／デコーダモジュール４０５，４０６，４０７，４１９を有している。ユニットは、フレーム／パケット又はスーパーフレームの送信前に、変調及びコーディングを許容し、好ましくはコンボルーションコーディング及びデコーディングを使用して誤り訂正を転送する。

参照符号４０５ａのモジュールは、そのようなコンボルーションエンコーダ／デコーダモジュールのボックス表示である。一方、参照符号４０５ｂは、拡張コンボルーションエンコーダ／デコーダモジュールの表示である。拡張コンボルーションエンコーダ／デコーダは、更なるメモリレジスタ、モジュロ加算器等を有しているものとするとよい。いずれにしても、コンボルーションコードを拡張できる一つの方法の例で説明したように、例えば、マザーコード比率１／２（１３３，１７１）及び７の拘束長を、（１３３，１７１，１３５，１７５）を伴う新たな比率１／４ＣＣへと拡張できると考えられる。即ち、拡張コーディングは、入力ごとに２ビットではなく、入力ごとに４ビットを与えることができ、又は、１／４からパンクチャされた１／３比率のコードは（１３３，１７１，１３５）であり、従って、所定のＳＮＲ値（一般的には０ｄＢ）におけるビット誤り率性能が大幅に向上する。

当業者であれば、本発明の思想又は添付の請求項の範囲から逸脱しない様々な変更を前述した発明に対して行うことができる。例えば、拡張コンボルーションコーディングは、決して１／２比率及び１／４比率に限定されるものではなく、マザーコード比率ではない比率を含む、１／２比率や１／４比率等の値から大きく外れ且つパンクチャされない一つの入力以外の何かを有する多くの他の比率（例えば、１／８５、７／６８等であってもよい）において使用することができる。

コンボルーションエンコーダの説明図を示している。 コンボルーションエンコーダの説明図を示している。 本発明に係る方法のフローチャートの概略を示している。 異なるコンボルーションエンコーダにおけるビット誤り率（ＢＥＲ）を比較したグラフ図である。 本発明に係るシステムの一つの想定し得る構成についての詳細を示す説明図である。

Claims (24)

1. 一つ以上のメモリレジスタと、少なくとも一つの加算器と、遅延素子とを備えるコンボルーションエンコーダモジュールと、
   コンボルーションコードを受け取るとともに、入力ごとのコード化ビットの数を増加させることにより前記コードを拡張して誤り訂正を増加させるように適合させられている拡張コンボルーションエンコーダモジュールと、
   を備えていることを特徴とする拡張コンボルーションエンコーダ装置。
2. 少なくとも一つの前記加算器は、モジュロ２加算器を備え、
   前記拡張コンボルーションエンコーダモジュールは、前記コンボルーションエンコーダモジュールから受け取ったコンボルーションコードに基づいて拡張コンボルーションコードの選択を行うためのコードを含むことを特徴とする請求項１に記載の拡張コンボルーションエンコーダ。
3. 送信のためにコンボルーションコードを一つ以上のフレームにエンコードするためのエンコーダと、
   コンボルーションエンコードデータをアンテナを介して無線送信するための送信／受信ユニットと、
   を更に備えていることを特徴とする請求項２に記載の拡張コンボルーションエンコーダ。
4. 拡張コンボルーションエンコーダ／デコーダを有する無線システムであって、
   無線ネットワークと、
   拡張コンボルーションエンコーディング／デコーディングモジュールを有するサーバと、
   その少なくとも一つが拡張コンボルーションエンコーディング／デコーディングに適合させられている一つ以上のクライアントと、
   前記サーバ及び前記一つ以上のクライアントが前記無線ネットワークを介して通信するための無線送信手段と、
   を備えていることを特徴とする無線システム。
5. 前記無線ネットワークは、ＩＥＥＥ８０２．１１無線ネットワークを含むことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 前記無線ネットワークは、ブルートゥースネットワークを含むことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
7. 前記無線ネットワークは、衛星ネットワークを含むことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
8. 前記無線ネットワークは、放送ネットワークを含むことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
9. 前記サーバ及び少なくとも一つの前記クライアントは、拡張コンボルーションエンコーディング／デコーディングを使用して一つ以上のパケット／フレームを送信することを特徴とする請求項４に記載のシステム。
10. 前記サーバ及び少なくとも一つの前記クライアントは、少なくとも１６個のパケットを含むスーパーフレームを送信することを特徴とする請求項４に記載のシステム。
11. 前記サーバ及び少なくとも一つの前記クライアントは、少なくとも１６個のパケットを備えるスーパーフレームを送信することを特徴とする請求項５に記載のシステム。
12. （ａ）所定の範囲内の最大−最小自由距離を有するデータベースからコードのセットを検索するためのコード、
    （ｂ）最大−最小自由距離において最も少ない数の経路を有するコードのサブセットをステップ（ａ）のセットから選択するためのコード、及び、
    （ｃ）最良の候補を与えるために、増加させられた自由距離において最も少ない数の経路を有するコードのサブセットから所定の比率を有する一つのコードを選択することにより拡張コンボルーションコードを見出すためのコード、
    の各ステップに従ってコンピュータ読み出し可能媒体上で拡張コンボルーションエンコーディングを提供することを特徴とするコンピュータプログラム。
13. （ｄ）前記所定の比率よりも高い拡張エンコーディング率においてステップ（ｃ）で見出した拡張コードの性能を検証するためのコードを更に含むことを特徴とする請求項１２に記載のコンピュータプログラム。
14. （ｅ）ステップ（ｄ）において検証された性能が所定の閾値に達していない場合にステップ（ａ）乃至（ｃ）を繰り返すためのコードと、
    （ｆ）エンコーダに拡張コンボルーションコードを与えるとともに、検証された性能が前記閾値を満たす場合に一つ以上のフレーム／パケットをエンコードするためのコードと、
    を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載のコンピュータプログラム。
15. コンボルーションコードを拡張するための方法であって、
    （ａ）所定の範囲内の最大−最小自由距離を有するデータベースからコードのセットを検索するステップと、
    （ｂ）最大−最小自由距離において最も少ない数の経路を有するコードのサブセットをステップ（ａ）のセットから選択するステップと、
    （ｃ）最良の候補を与えるために、増加させられた自由距離において最も少ない数の経路を有するコードのサブセットから所定の比率を有する一つのコードを選択することにより拡張コンボルーションコードを見出すステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
16. （ｄ）前記所定の比率よりも高い拡張エンコーディング率においてステップ（ｃ）で見出した拡張コードの性能を検証するステップを更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. （ｅ）ステップ（ｄ）において検証された性能が所定の閾値に達していない場合にステップ（ａ）乃至（ｃ）を繰り返すステップと、
    （ｆ）エンコーダに拡張コードを与えるとともに、検証された性能が前記閾値を満たす場合に一つ以上のフレーム／パケットをエンコードするステップと、
    を更に含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. （ｄ）ステップ（ｃ）で見出した拡張コードを使用してデータの一つ以上のフレームをコード化するステップを更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
19. コードの前記サブセットは、マザーコードを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
20. ステップ（ｆ）でエンコードされたフレーム／パケットは、その中に少なくとも１６個のパケットを有するスーパーフレームを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
21. 前記閾値は、信号対雑音比に対するビット誤り率の比率を含み、信号対雑音比がＥｂ／Ｎｏとして表されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
22. 一つ以上の前記フレーム／パケットは、ＩＥＥＥ８０２．１１プロトコルに従ってエンコードされることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
23. 一つ以上の前記フレーム／パケットは、ＩＥＥＥ８０２．１１プロトコルに従ってエンコードされることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
24. （ｇ）エンコードされた一つ以上の前記フレーム／パケットを無線ネットワークを介して無線装置へ送信するステップと、
    （ｈ）前記無線装置が、前記エンコードされた一つ以上の前記フレーム／パケットをそれらの原プロトコルのフレーム／パケットにデコードするステップと、
    を更に含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。

Images