JP4047279B2 - ターボデコーダシステムの信頼度値の非線形スケーリング - Google Patents

Description

本発明は、信頼度値を扱うための信頼度値ハンドラを通して相互に結合された、少なくとも２つのコンポーネントデコーダを備える、ターボコード等の連結コードのためのデコーダシステムに関する。

本発明は、また、このようなデコーダシステムを備えるレシーバと、反復的にデコードされるターボコード等の連結コードをデコードするための方法に関し、これにより、信頼度値がデコードされ量子化された後、非量子化される。本発明は、さらに、関連する信号に関する。

このようなデコーダシステムは、Globecom 2000 (November)にて公表された、G. MontorsiおよびS. Benedettoらによる、“Design of Fixed-Point Iterative Decoders for Concatenated Codes with Interleavers”と題された論文により、知られている。既知のデコーダシステムは、並列または直列連結コード等の連結コード、例えばターボコードのための、デコーダ構成を含む。デコーダ構成は、いわゆるＳＩＳＯ(Soft-Input Soft-Output)コンポーネントデコーダを含み、これはインターリーバまたはデインターリーバとして機能するアドレス指定装置を通して、相互に連結されている。各コンポーネントデコーダは、ＳＩＳＯデコーダが用いられている場合、外部からの情報を、ＬＬＲ(Log Likelihood Ratio)情報と呼ばれる信頼度情報の形式で出力する。コンポーネントデコーダにより出力される信頼度情報は、最初はアナログ形式であり、アドレス指定装置に供給される前に、量子化器において量子化することができる。信頼度情報は、２進値によって表現される。２進信頼度値のビットは、最初のアナログ信頼度情報の全範囲に、多数のビットによってマップされるが、このビット数は可能な限り少ない方が好ましい。しかしながら、信頼度値の大きさは、反復が進むほど増加する。そこで、増加する信頼度情報に動的に対処するために、信頼度情報を表現する精度を、関連する信頼度値ビットによって、漸進的に低下させることが提起されている。このような形の精度修正を適用することにより、反復回数の増加により必要とされる、より大きな動的信頼度情報範囲に対応することが可能となる。

アドレス指定装置にて処理された後、２進信頼度値は、非量子化器にて非量子化され、そこで最初の信頼度値が復元され、２進信頼度情報の精度修正値が加えられる。

この既知のデコーダシステムは、実際には、期待される良好で信頼性の高い性能を、常に示すわけではないことが発見されている。

従って、本発明の目的は、デコーダ性能が向上したデコーダシステムを提供することである。

本発明に係るデコーダシステムは、信頼度値ハンドラが、非線形スケールされた信頼度値を提供するための、スケーリング装置を備えることを特徴とする。

このため、本発明に係る方法は、信頼度値が、非線形スケーリングの対象となることを特徴とする。

実際に製造されたコンポーネントデコーダは、正確で信頼できる信頼度情報を、常に提供するわけではないことが、本発明者によって発見されている。このような状況下において、コンポーネントデコーダ間で実際に交換される信頼度情報は、楽観的過ぎるということが見出された。このため、本発明に係るデコーダシステムにおいては、信頼度値を非線形スケールすることが提起されている。実現可能な非線形スケーリングの効果として、このようなスケールされた信頼度値は、より低く、しかし、より正確で的確な値を表す。これは、信頼度情報の実際に実現された信頼度を、より良く反映するものである。

一般にコンポーネントデコーダによって信頼度値として提供される信頼度情報に、非線形スケーリングを行うことによって、本発明に係るシステムの反復デコーダの性能が向上し、このようなスケーリングを行わない場合と同一の反復回数において、より低いワード誤り率 (WER: word error rate)、および、より低いビット誤り率(BER: bit error rate)が得られるということが、実験により確認されている。逆に、同一のＷＥＲおよびＢＥＲは、それぞれ、より少ない反復で達成され、本発明に係るデコーダシステムにおいて、貴重な信号の取扱い時間および処理を節約することができる。

本発明に係るデコーダシステムの実施形態は、スケーリング装置は、１つ以上のスケーリング制御入力を有し、以下のスケーリング制御信号のうち、１つ以上に依存してスケーリングを行えるように備えられていることを特徴とする。
（ａ）コンポーネントデコーダの入力間の相関の量に依存する、スケーリング制御信号。
（ｂ）コンポーネントデコーダによって行われる反復の回数、または、反復の番号に依存する、スケーリング制御信号。
（ｃ）実際のビット誤り率に依存する、スケーリング制御信号。
（ｄ）コンポーネントデコーダとして適用されるデコーダの種類に依存する、スケーリ
（ｅ）デコーダシステムにおける信号対雑音比に依存する、スケーリング制御信号。
（ｆ）デコーダシステムにおいて予測されるフェージングに依存する、スケーリング制御信号。

有益なことに、非線形スケーリングの特定の依存性に関して、さまざまなスケーリング制御信号に含まれる項目から、選択を行うことができる。これは、1つ以上の上述の項目または同様の項目が、本発明に係るデコーダシステムに必要な性能を損なう傾向がある場合でも、該当する非線形スケーリングを行うことができることを意味する。１つ以上の上述の項目の依存性に非線形スケーリングを適用することによって、安定した、高いデコーディング性能を維持することができる。当然ながら、関連する依存性を有する、１つのスケーリング制御信号またはその組み合わせを選択することも可能である。これにより、１つのスケーリング依存性から他のスケーリング依存性へ、切り替えを行うことができ、さもなければ、非線形スケーリングに影響を与えている、これらの項目または同様の項目の１つを、他の１つへ加えることが可能である。これにより、動的かつ適用性のある信頼度値の非線形スケーリングさえも達成可能となる。ここで、非線形スケーリングに影響を与える特定の方法は、特定の場合において重要な項目に、依存してもよい。

本発明に係るデコーダシステムのさらなる実施形態は、信頼度値ハンドラが、量子化された信頼度値を提供するための量子化器を備え、スケーリング装置による信頼度値のスケーリングは、量子化された信頼度値の中間値の非線形スケーリングに基づいて行われることを特徴とする。

中間値の非線形スケーリングの効果として、このような非線形スケールされた中間値は、非量子化に際して、最初の信頼度値とは異なる、関連する信頼度値を表現するが、これは、得られた純粋な信頼度をより良く反映するものである。

さらなる実施形態を、柔軟かつ詳細に述べると、本発明に係るデコーダシステムは、スケーリング装置により行われる中間値の非線形スケーリングにおいて、すべての個別の信頼度値に対して、異なるスケーリング因子が適用されるものであることを特徴とする。

本発明に係るデコーダシステムの他のさらなる実施形態は、信頼度値ハンドラは、インターリーバおよびデインターリーバが、コンポーネントデコーダの間に散在する形をとるアドレス指定装置を備えることを特徴とする。

インターリーバとデインターリーバを有するこれらのアドレス指定装置は、アドレス指定メモリを備えることが知られている。有益なことに、本発明に係るデコーダシステムにおいて適用されるアドレス指定装置のメモリの量は、減少させることができる。これはさらに、量子化を非線形スケーリングと組み合わせることにより、信頼度値の量子化を最適化することができる場合において、著しく減少させることができる。これは、信頼度情報をコーディングするために必要なビット数が、このようなスケーリングを行わない場合よりも少ないためであり、またこのことは、適切なデコーダ性能に、不利な影響を及ぼさない。

本発明に係るデコーダシステムのもう１つの実施形態は、デコーダシステムが、ログＡＰＰデコーダ（log APP decoder）、マックスログＡＰＰ（MAP）デコーダ（max log APP (MAP) decoder）、ソフトアウトプットＶｉｔｅｒｂｙ（SOV）デコーダ（soft output Viterby (SOV) decoder）、または類似の連結コードデコーダ、の種類のコンポーネントデコーダのうち、１つ以上を備えることを特徴とする。

この実施形態は、次善のデコーダとして適用可能なデコーダの種類を、いくつか例示しているが、それらの信頼度情報についても、信頼度決定間隔の非線形スケーリングが適用されていなければ、楽観的過ぎるものとなる。この非線形スケーリングにより、これらの種類のデコーダの性能は向上する。これは、これらの出力信頼度情報が、コンポーネントデコーダによってデコードされた情報の純粋な信頼度をより良く反映するためである。

これより、添付の図面を参照して、本発明に係るデコーダシステムおよび関連機能を、その付加的な利点とともにさらに明らかにする。また、同様の構成要素は、同一の参照符号によって参照される。

ターボコードは、１９９３年5月のIEEE Proceedings of ICC ‘93におけるC. Berrou、A. GlavieuxおよびP. Thitimajshimaらによる、‘Near Shannon Limit Error-Correcting Coding and Decoding; Turbo Codes’と題された最初の論文の１０６４〜１０７０頁において示された、チャネルコーディング理論の当業者に周知の、並列連結コードの一形式である。ターボコーディングは、チャネルコーディングの一形式であり、その優れたビット誤り率（Bit Error Rate: BER）により知られている。このようなコーディングは、例えば、すべての種類の通信装置において適用することができ、ロー信号によるノイズ環境への信頼性のある通信が極めて重要となる、将来のＵＭＴＳ装置、宇宙空間受信機、またはハードディスクや遠隔測定装置等の装置、あるいはローカルエリアネットワーク等のデジタルネットワークに適用できる。

例として、図１は、従来技術に係るエンコーダシステム１の実施形態を示している。その機能を、以下に要約する。エンコーダ２−１、２−２は、情報ワードの入力ビットを、ビットＩ、Ｐ１、Ｐ２からなるコードワードにマップする。このコードワードは、伝送チャンネル（図示せず）を介して送信される。この場合、情報ワードの各入力ビットに対して、３つの出力ビットＩ、Ｐ１、Ｐ２が再生され、結果として１／３の比率のコードとなる。すべての可能なメッセージにおいて、最大の相互ユークリッド距離を有するこのメッセージ断片のみを、エンコーディングに使用することで、誤ったコードワードが、図２に示すように、デコーダシステム３側で受信される可能性を最小限にする。図示の場合では、エンコーダシステム１は、２つの再帰的なシステマティックエンコーダ２−１、２−２を備え、これらはそれぞれ遅延線および加算器（円形の加算）を備え、後者は図２に示すように結合される。２つのエンコーダ２−１、２−２は、インターリーバΠの形をとるアドレス指定装置で分離され、入力情報ビットストリームを、例えば１５０ビットの特定の長さの情報ブロックに分割し、これらのブロックをシャッフルする。ＵＭＴＳ適用では、インターリーバサイズは、３２０〜５１２０サンプルの範囲を取り得る。各入力ビットに対し、システマティックビットＩ、エンコーダ２−１の信頼度ビットＰ１、およびエンコーダ２−２の信頼度ビットＰ２の、３つの出力ビットが（可能性として、適切なマッピング後に）再生される。Ｎ入力ビットを処理した後、エンコーダ２−１、２−２は、それらのいわゆるトレリスを終了する。トレリスは、時間の関数として周知の遅延線状態図である。これは、結果として、各トレリスに３つのシステマティックビットおよび３つの信頼度ビットの、６つの追加ビットとなる。次に、エンコードされた出力ビットＩ、Ｐ１、Ｐ２は、伝送チャネルを介して、デコーダシステム３のデコーダシステム入力４−１、４−２、４−３に送信される。

図２に例示されたデコーダシステム３は、第１ソフトインプット／ソフトアウトプット（Soft Input/Soft Output: SISO）コンポーネントブロックデコーダ５−１および第２ＳＩＳＯブロックデコーダ５−２を有する連結デコーダシステムの構造を有し、フィードバック配列において相互に結合される。量子化器および非量子化器は、図２では省略されている。ブロックデコーダ５−１および５−２は、伝送チャネルから受信した入力をデコーディングするために実行される。この受信した入力は、エンコードされた信号Ｉ、Ｐ１およびＰ２を表わしている。第１反復の間に、ブロックデコーダ５−１の信頼度出力に、加算器６−１においてアプリオリ情報をマイナス加算した後、インターリーバΠで処理し、これをブロックデコーダ５−２におけるアプリオリ情報として、信頼度Ｐ２を表わす受信信号と共に使用する。次の反復の間に、ブロックデコーダ５−２の信頼度出力に、加算器６−２においてインターリーバΠのマイナス信頼度出力を加算した後、デインターリーバΠ^−１の形をとるアドレス指定装置にてデインターリーブし、その出力を、２つの加算器６−３および６−１において、フィードバックされたアプリオリ信頼度情報として、信頼度Ｐ１を表わす受信信号と共に、ブロックデコーダ５−１によるさらなるデコーディングに使用する。このデコーディングスケジュールは、実施されるいくつかの反復停止基準を満たすまで、継続可能であり、出力信号Ａがブロックデコーダ５−２の出力１７に与えられた後、必要であればデインターリーブおよびデマップし、該当するターボデコーダシステム３の、ターボデコードされた出力信号を提供する。

当然ながら、適切に構成された２つ以上のコンポーネントデコーダ５、例えば、５−１および５−２、ならびに、信頼度値ハンドラ、例えば、加算器６およびアドレス指定装置７として機能するインターリーバΠ、Π^−１、を備えた、所望のデコーディングスキーマを実施するためのさまざまな変更が可能である。信頼度情報は、システム３において、信頼度値ハンドラを介して処理され、循環する。この信頼度値ハンドラを、本明細書では８として参照し、これは、デコーダ５−１および５−２間に存在する、信頼度を取扱うすべての構成要素を示すものとする。記載を容易にするために、情報信号Ｉについても、信頼度情報に含まれるものとする。信頼度情報は、信頼度情報を提供し、上述のコンポーネントデコーダの場合では、常にそうであるとは限らないが、周知の対数尤度比（Log Likelihood Ratios: LLR）を表わすものとする。

ここで、図３を参照する。この図には、アドレス指定装置７と、この装置を挟む量子化器９および非量子化器１０とを含む、信頼度値ハンドラ８の一部が示される。アドレス指定装置７は、図示の場合ではインターリーバであるが、デインターリーバを含んでもよい。信頼度情報ｘは、サンプル形式の可能性があり、量子化器９に供給されて量子化され、その信頼度出力値ｉ_ｎは、例えば、８つの信頼度値または量子化間隔を含み、３つの信頼度ビットによりコード化され得る。これらの信頼度ビット表現は、次にアドレス指定インターリーバ７においてインターリーブされ、非量子化器１０において非量子化される。

図４は、デコーダシステム３の動作を説明するための、２進コード化された信頼度ビットに対する信頼度値のグラフを示す。グラフ縦軸の任意の位置における信頼度値より開始して、対応する２進信頼度ビット値を、量子化器９により、実線との交点から容易に決定することができる。これは、信頼度値と２進ビット値または該当するビット表現との間の１対１の関係を示す。これは一般に、逆の場合にも当てはまり、本明細書の前文にて参照したGlobecom 2000（November）での論文にて提起された、増加する動的範囲に対応させるために、間隔幅を調整する場合でさえも含む。実際には、線形スケーリングが有する交点は、すべて実線上に位置する。

ここに提起する非線形スケーリングの効果は、図４の点線によって見ることができる。横軸にて２進ビット間隔の中央より開始する非量子化において、点線との交点およびその縦軸への投影は、示された非線形スケーリングが適用された場合に、この２進値が非量子化された信頼度値を示す。例えば、２進値１１１から開始すると、注目すべきことに、その中間値は（点線の接線に応じて）、通常の場合のように、７の間隔でなく、６の決定間隔となる。同じビット縮小またはビット圧縮は、２進値１１０の場合にも当てはまり、６の間隔の代わりに５の間隔となる。これは、この場合にはスケールダウンが起こることを意味し、信頼度値の数を減少させるが、通常の非量子化値は楽観的過ぎることから、この信頼度値は正当化される。非線形スケールされた値は、いくつかの因子、例えば０．７により減少させられ、より信頼性の高い信頼度情報またはＬＬＲ値を表わす。実際の非線形スケーリング動作は、信頼度値ハンドラ８の構成要素のいずれか、例えば、図２および図３に示す、分離したスケーリング装置１２、非量子化器１０、または信頼度値ハンドラ８の他の部分で実行することができる。

非線形スケーリングは、以下のスケーリング制御信号のうち、１つ以上に依存して制御することができる。
（ａ）コンポーネントデコーダ５−１、５−２の反復または反復でない入力間の相関の量に依存する、スケーリング制御信号。
（ｂ）例えば、コンポーネントデコーダ５−１、５−２によって行われる反復の回数、または、反復の番号に依存する、スケーリング制御信号。
（ｃ）デコーダシステム３内の適切な位置で測定された、実際のビット誤り率に依存する、スケーリング制御信号。
（ｄ）コンポーネントデコーダとして適用されるデコーダ５−１および５−２の種類に依存する、スケーリング制御信号。
（ｅ）デコーダシステム３における信号対雑音比に依存する、スケーリング制御信号。
（ｆ）デコーダシステム３において予測されるフェージングに依存する、スケーリング制御信号。

その上、スケーリング装置１２、または、非量子化器と結合されている場合は非量子化器１０それ自体に、１つまたはそれ以上の上述のスケーリング制御信号のためのスケーリング制御入力１３が与えられる。一般的な次善のコンポーネントデコーダの適用可能な種類の例は、ログＡＰＰデコーダ（log APP decoder）、マックスログＡＰＰ（MAP）デコーダ（max log APP (MAP) decoder）、ソフトアウトプットＶｉｔｅｒｂｙ（SOVまたはSOVアルゴリズム）デコーダ（soft output Viterby (SOV or SOV algorithm) decoder）、または類似の連結コードデコーダである。

必要であれば、非線形スケーリングを、量子化された各信頼度値が、上述のように固定のスケーリング因子を有するように行うことができる。しかしならが、１つ以上の上述の項目への依存において、各２進信頼度間隔は、その個別のスケーリング因子を持つことができる。その例を次に示す。コンポーネントデコーダ５−１、５−２は、１．４の信頼度値間隔を使用すると仮定する。次に、図３の縦軸に沿って示される信頼度値決定の境界は、−４．２、−２．８、−１．４、０．０、１．４、２．８、および４．２であり、これらに対応する中間値は、それぞれ−４．９、−３．５、−２．１、−０．７、０．７、２．１、３．５、および４．９である。可能性のある動的に指定されたさまざまなスケーリング因子を、０．８２、０．６６、０．６２、０．５７、０．５７、０．６２、０．６６、および０．８２と仮定すると、非線形スケールされた中間値は、それぞれ−４．０、−２．３、−１．３、−０．４、０．４、１．３、２．３、および４．０となり、これらはスケーリング装置１２または非量子化器１０により提供される非線形修正された中間値である。後者の、非線形修正された中間値の、明確に非線形な集合を、図５に実線で示す。これは、上述の従来技術の、スケーリングなし、または引き伸ばしただけの場合と比較することができる。

これまで、本質的に好適な実施形態および最良の実現可能な形態を参照して説明してきたが、付属する特許請求の範囲内でのさまざまな変更、機能およびその組み合わせは、当業者によって達成可能な範囲であることから、これらの実施形態は決して、該当する装置を限定する例として解釈されるものではないと理解されるべきである。例えば、各反復回数に対し、異なるスケーリングを行うことができる。

図１は、従来技術に係るターボエンコーダの模式的な実施形態の例を示している。 図２は、本発明に係るデコーダシステムの実施形態を示している。 図３は、図２のデコーダシステムにおいて適用が可能な信頼度値ハンドラの一部を示している。 図４は、本発明に係るデコーダシステムおよび方法を説明するための、２進コード化された信頼度ビットに対する信頼度値のグラフを示している。 図５は、非線形修正中間値の非線形の集合を示す実線グラフ、および、従来技術の方法を表す比較点線グラフを示している。

Claims (6)

1. ターボコード等の連結コードのためのデコーダシステムであって、
   信頼度値を扱うための信頼度値ハンドラを介して互いに結合された、少なくとも２つのコンポーネントデコーダを備え、
   前記信頼度値ハンドラは、
   非線形スケールされた信頼度値を提供するためのスケーリング装置と、
   量子化された信頼度値を提供するための量子化器とを備え、
   前記スケーリング装置による前記信頼度値の前記スケーリングは、量子化された信頼度値の中間値の非線形スケーリングに基づいて行われる、ことを特徴とするデコーダシステム。
2. 前記スケーリング装置は、１つ以上のスケーリング制御入力を有し、
   （ａ）コンポーネントデコーダの入力間の相関の量に依存する、スケーリング制御信号と、
   （ｂ）コンポーネントデコーダによって行われる反復の回数、または、反復の番号に依存する、スケーリング制御信号と、
   （ｃ）実際のビット誤り率に依存する、スケーリング制御信号と、
   （ｄ）コンポーネントデコーダとして適用されるデコーダの種類に依存する、スケーリング制御信号と、
   （ｅ）デコーダシステムにおける信号対雑音比に依存する、スケーリング制御信号と、
   （ｆ）デコーダシステムにおける予測されるフェージングに依存する、スケーリング制御信号、
   のスケーリング制御信号のうち、１つ以上に依存してスケーリングを行えるように備えられている、ことを特徴とする請求項１に記載のデコーダシステム。
3. 前記スケーリング装置により行われる前記中間値の前記非線形スケーリングにおいて、すべての量子化された信頼度値に対して、異なるスケーリング因子が適用されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のデコーダシステム。
4. 前記信頼度値ハンドラは、インターリーバおよびデインターリーバが、前記コンポーネントデコーダの間に散在する形をとるアドレス指定装置を備えることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のデコーダシステム。
5. 前記デコーダシステムは、ログＡＰＰデコーダ（log APP decoder）、マックスログＡＰＰ（MAP）デコーダ（max log APP (MAP) decoder）、マックス^＊ログＡＰＰデコーダ（max^* log APP decoder）、ソフトアウトプットＶｉｔｅｒｂｙ（SOV）デコーダ（soft output Viterby (SOV) decoder）または類似の連結コードデコーダ、の種類のコンポーネントデコーダのうち、１つ以上を備えることを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のデコーダシステム。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のデコーダシステムを備えるレシーバであって、
   前記デコーダシステムは、
   信頼度値を扱うための信頼度値ハンドラを介して互いに結合された、少なくとも２つのコンポーネントデコーダを備え、
   前記信頼度値ハンドラは、
   非線形スケールされた信頼度値を提供するためのスケーリング装置と、
   量子化された信頼度値を提供するための量子化器とを備え、
   前記スケーリング装置による前記信頼度値の前記スケーリングは、量子化された信頼度値の中間値の非線形スケーリングに基づいて行われる、
   ことを特徴とするレシーバ。

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