JP5616638B2 - 並列符号化と並列復号化とを伴う、シングル・キャリア・ブロック伝送の方法及びシステム - Google Patents

Description

本特許出願は、2007年1月19日に出願された米国の暫定特許出願 第60/885,663号の、特許法＊119（e）の下での優先権の便益を請求し、当該優先権の全てが、あたかも本願明細書で記載されているかのように、すべての目的のために本願明細書で引用されている。

本発明は無線通信の分野に関し、より詳しくは、並列符号化と並列復号化とを伴うシングル・キャリア・ブロック伝送のシステム及び方法に関する。

シングル・キャリア・ブロック伝送（SCBT）は、無線通信用の非常に魅力的な技術である。SCBTの構成においては、長さNを有する（情報を表している）シンボル（例えばQAMシンボル又はPSKシンボル）のブロックがガード・インターバル（GI）によって先行される。当該ガード・インターバルには、周期識別子（CP）又は0パッディング（ZP）の何れかを使用することができる。NxNのサイズのフーリエ・マトリクスが展開（コード）マトリクスとして用いられる場合、SCBTを使用しているシステムは、完全展開を伴うOFDMシステムに等しい。数学的には、展開OFDMシステムからの送信信号sは、次式のように記述されることができる。
（１）s = PF^-1Cx
ここで、xは、情報シンボルを表すNx1のサイズのベクトルであり、CはNxNのサイズのの展開マトリクスであり、F^-1は、（これも、NxNのサイズの）逆フーリエ変換マトリクスである。マトリクスPはガード・インターバル（GI）を作り、このマトリクスのサイズは（N＋N_GI）xNであり、ここで、N_GIはガード・インターバルGIの長さである。

ガード・インターバルに周期識別子（CP）を使用する場合、Pマトリクスは次の通りである：

他方、ガード・インターバルに0パッディングを使用する場合、Pマトリクスは次の通りである：

SCBTは、上記の形の特別な場合であることが示されることができ、ここでは展開マトリクスはフーリエ・マトリクスであり、即ち、C＝Fである。この場合、次式を得る：
（４）s = Px
この式は、シンボル・ベクトルxの単純な伝送が、ガード・インターバルGIによって先行されることを意味する。

上で説明されたような、ガード・インターバルを伴うシングル・キャリア伝送を用いるシステムは、マルチパス干渉を取扱う点でOFDMシステムの長所をもつが、OFDMシステムの幾つかの欠点、即ち、高いピーク・パワー対平均パワーの比（PAPR）及び高解像度のADCの必要性をもつことはない。性能に関しては、高データレートのチャネル・コードが用いられる（又は符号化は用いられない）場合、ガード・インターバルを伴うシングル・キャリア・システムは、OFDMシステムよりも性能が優れている。

一方、新規な通信システム及び新規なネットワークが、ますますより高いデータレートで作動するよう、開発されている。例えば、新規の無線パーソナル・エリア・ネットワーク（WPANs）が、マルチ・ギガビット／秒のデータレートで通信することができる60 GHz帯で開発されている。

従って、これらの広帯域の高データレートのWPANsに対して、SCBTを使用することが望まれる。

しかしながら、マルチパス・チャネル上で堅固な高レートの無線通信システムをもつためには、チャネル・コード（信号の符号化）が用いられなければならない。エンコーダ（例えば畳込エンコーダ）の実現は多くの場合容易であるが、デコーダ（例えばビタビ・アルゴリズム）の実現は概してずっと困難である。無線通信システムの転送レートが非常に高い（例えば、マルチ・ギガビット／秒）とき、既存のデジタル技術は、デコーダの単純な実現のために必要とされる処理速度を提供することができない。例えば、今日の技術では、マルチ・ギガビット・レート（例えば3 乃至5 Gbps）のビタビ・デコーダは、実現することができない。

したがって、より高いデータレートで動作することができるシングル・キャリア・ブロック伝送の方法を提供することが望まれる。より高いデータレートで作動することができるシングル・キャリア・ブロック送信器を含む無線装置を提供することも望まれる。更に、より高いデータレートで作動することができるシングル・キャリア・ブロック伝送を受信する方法を提供することが望まれる。尚更に、より高いデータレートで作動することができるシングル・キャリア・ブロック受信器を含む無線装置を提供することが望まれる。

本発明の一つの態様では、データを送信する方法は、
−一組のデータを複数のデータ・ストリームに分割するステップと、
−複数の符号化されたデータ・ストリームを生成するために、当該データ・ストリームの各々を、対応する誤り訂正コードで別々に符号化するステップと、
−前記複数の符号化されたデータ・ストリームからシングル・キャリア・ブロック伝送（SCBT）信号を生成するステップと、
−当該SCBT信号を送信するステップとを含む。

本発明の別の態様では、無線装置は、
−一組のデータを複数のデータ・ストリームに分割するよう構成されているデマルチプレクサと、
−複数の符号化されたデータ・ストリームを生成するために、当該データ・ストリームの各々を、対応する誤り訂正コードで別々に符号化するよう構成されている誤り訂正符号化ユニットと、
−前記複数の符号化されたデータ・ストリームから複数の情報シンボルを生成するよう構成されている伝送信号プロセッサと、
−当該複数のシンボルからSCBT信号を生成するよう構成されているシングル・キャリア・ブロック伝送（SCBT）変調器とを有する。

本発明の更に別の態様では、データを受信する方法は、
−受信シンボルを生成するために、シングル・キャリア・ブロック伝送（SCBT）信号をデータ処理するステップと、
−前記受信シンボルから、複数の符号化されたデータ・ストリームを生成するステップと、
−複数の復号化されたデータ・ストリームを生成するために、符号化されたデータ・ストリームの各々を別々に復号化するステップと、
−復号化されたデータ・ストリームを結合するステップとを含む。

本発明の尚更に別の態様では、無線装置は、
−シングル・キャリア・ブロック伝送（SCBT）信号を復調し、受信シンボルを生成するよう構成されているSCBT復調器と、
−受信シンボルから複数の符号化されたデータ・ストリームを生成するよう構成されている受信信号プロセッサと、
−複数の復号化されたデータ・ストリームを生成するために、符号化されたデータ・ストリームの対応する一つを復号化するよう各々が構成されている複数の誤り訂正デコーダと、
−前記復号化されたデータ・ストリームを結合するよう構成されているマルチプレクサとを有する。

無線装置の一実施例の機能ブロック線図を示す。 並列符号化と並列復号化とを使用するSCBTシステムの機能ブロック線図を示す。 並列符号化を使用するSCBTシステムの第1の実施例を例示する。 並列復号化を使用するSCBTシステムの第1の実施例を例示する。 並列符号化を使用するSCBTシステムの第２の実施例を例示する。 並列復号化を使用するSCBTシステムの第２の実施例を例示する。 並列符号化を使用するSCBTシステムの第３の実施例を例示する。 並列復号化を使用するSCBTシステムの第３の実施例を例示する。 並列符号化を使用するSCBTシステムの第４の実施例を例示する。 並列復号化を使用するSCBTシステムの第４の実施例を例示する。 並列符号化を使用するSCBTシステムの第５の実施例を例示する。 並列復号化を使用するSCBTシステムの第５の実施例を例示する。 並列符号化を使用するSCBTシステムの第６の実施例を例示する。 並列復号化を使用するSCBTシステムの第６の実施例を例示する。

図1は、無線装置100の機能ブロック線図である。当業者によって理解されるように、図1に示されている一つ又はこれより多くのさまざまな「部品」は、ソフトウェアで制御されたマイクロプロセッサ、配線された論理回路、又はこれらの組み合わせを用いて、物理的に実現される。また、これらの部品は、説明目的のために図1では機能的に分離されている一方で、これらはどのような物理的な実現においても、さまざまに組み合わせられることができる。

無線装置100は、トランシーバ110、プロセッサ120、メモリ130、及び指向性アンテナ・システム140を含む。

トランシーバ110は、受信器112及び送信器114を含み、両者は、無線装置100が無線通信ネットワークの標準プロトコルに従って当該無線通信ネットワーク内の他の無線装置と通信するための機能を供する。例えば、一つの実施例では無線装置100は、WiMedia仕様に従った通信プロトコルを用いて作動するためのUWB無線装置であってもよい。

プロセッサ120は、無線装置100の機能を供するために、メモリ130と連動して一つ又はこれより多くのソフトウェア・アルゴリズムを実行するよう構成されている。有益なことに、プロセッサ120は、無線装置100のさまざまな機能を実施することができる実行可能なソフトウェア・コードを記憶するために、自身にメモリ（例えば不揮発性メモリ）を含む。代替的には、当該実行可能なコードは、メモリ130内の指定されたメモリ位置に記憶されてもよい。

有益なことに、アンテナ・システム140は、無指向性アンテナ機能及び/又は指向性アンテナ機能を含んでいてもよい。

ほぼ500Mbps以上のデータレートをもつ符号化されたデータ・ストリームを復号化するためのビタビ・アルゴリズムは、並列構造を用いて実行されることを概して必要とする。一般に、P個の並列構造が使用された場合、必要なデータ処理速度はP分の1に減じることができる。しかしながら、データ処理速度の要件を減じることの「対価」は、P倍より大きくなる、複雑さの増大である。単一の符号化されたデータ・ストリームを復号化するための、並列化された回路を設計するために、追加の回路及び設計の労力が、通常必要とされる。

有益なことに、ここで説明された通信システムは、誤り訂正処理に「内在的に並列な」アプローチを使用している。特に、シングル・キャリア・ブロック伝送（SCBT）システムの一実施例において、伝送システムでは、入力データ・ストリームは、各々が、入力データ・ストリームのデータレートの何分の１かに等しいデータレートをもつ、P個の並列なデータ・ストリームに分割される。これらのデータ・ストリームは、次に、P個の並列な符号化プロセスで（有益なことに、P個の並列符号化器を使って）、各々別々に符号化される。P個の別々に符号化されたデータ・ストリームは、次に、合成され、単一の符号化データ・ストリームへとインターリーブされ、任意の変調及び伝送方式を用いて、受信器へと送信される。受信器側では、受信されたデータ・ストリームはデインターリーブされ、P個の符号化されたデータ・ストリームに分割され、これらのストリームは、次に、P個の並列デコーダを使用して復号化される。次に、復号化されたデータ・ストリームは、単一のデータ・ストリームへと結合又は多重化される。

概して、別々に符号化されたデータ・ストリームの全てが同じデータレートをもつことは必要とされず、又は、これらのデータ・ストリームが同じコードを使用して符号化若しくは復号化されることは必要とされない。勿論、受信端では、データ・ストリームは、送信側で使用されたのと同じデータレートをもつデータ・ストリームを生成するために、伝送処理に対して相補完し合って処理されねばならず、そして、送信側で使用されるさまざまなコードに従って復号化されねばならない。この一般例では、デコーダの実行のために必要なデータ処理速度は、次式の倍数だけ減じられる：

ここで、Rは入力ストリームのデータレートであり、Rpは、p番目の別々に符号化されたデータ・ストリームのデータレートである。

Rp＝R／Pである並列符号化を伴う「内在的に並列な」SCBT送信システムの一実施例は、入力ストリームが一つのコードを用いて一つのデータ・ストリームとして符号化され、デコーダを実現するために並列化された構造が用いられている従来のシステムと容易に比較されることができる。この例では、この本質的に並列な方法は、複雑さ、復号化の待ち時間、及び必要とされる速度に関して優れている。P個の並列化された符号化データ・ストリームを復号化するためのP個の並列構造の実現は、並列ではない復号化アルゴリズムを並列化することに対して必要とされる複雑さ及び設計労力と比較して、より少ない複雑さ、及びより少ない設計労力しか必要としない。ブロック・データがP個のサブ・ブロックに分けられるとき、各サブ・ブロック長はPの倍数分の１に短くなり、これゆえ、このブロックを復号化するのに必要とする時間はPの倍数分の１に短縮されるので、復号化の待ち時間も改善される。

図2は、並列符号化と並列復号化とを使用するSCBTシステムを例示している機能ブロック線図である。図2のSCBTシステムは、送信システム200及び受信システム255を含む。一つの実施例では、送信システム200は図1の無線装置100の送信器114として供されることができ、受信システム255は無線装置100の受信器112として供されることができる。

送信システム200は、
−（スプリッタ又はデバイダとも呼ばれる）デマルチプレクサ210と、
−誤り訂正符号化ユニット220と、
−送信信号プロセッサ230と、
−SCBT変調器240とを含む。
有益なことに、誤り訂正符号化ユニット220は、複数、P個の誤り訂正エンコーダ222を有する。さまざまな具体的な実施例に関して以下で更に詳細に説明されるように、送信信号プロセッサ230は、一つ又はこれより多くの情報シンボル・マッパ、一つ又はこれより多くのインターリーバ、及び（合成器又は結合器とも呼ばれる）マルチプレクサを含む。

受信システム255は、
−SCBT復調器265と、
−受信信号プロセッサ275と、
−複数の誤り訂正デコーダ285と、
−（合成器又は結合器とも呼ばれる）マルチプレクサ295とを含む。
さまざまな具体的な実施例に関して後で更に詳細に説明されるように、受信信号プロセッサ275は、一つ又はこれより多くのシンボル・デマッパ、一つ又はこれより多くのデインターリーバ、及び（スプリッタ又はデバイダとも呼ばれる）デマルチプレクサを含む。

機能的には、送信システム200で、デマルチプレクサ210は、一組のデータ（例えば、データストリーム）を複数のデータ・ストリームへと分割する。誤り訂正符号化ユニット220は、複数の符号化されたデータ・ストリームを生成するために、データ・ストリームの各々を、対応する誤り訂正コードで別々に符号化する。有益なことに、誤り訂正エンコーダ222の各々は、複数のデータ・ストリームの対応する一つを別々に符号化する。送信信号は、複数の符号化されたデータ・ストリームから複数の情報シンボルを生成する。SCBT変調器240は、複数の情報シンボルからSCBT信号を生成する。

SBCT信号は、次に、受信システム255へと通信チャネル（例えば、無線ネットワークの無線チャネル）を通じて送信される。

受信システム255で、SCBT復調器265はSCBT信号を復調し、当該信号から複数の受信情報シンボルを生成する。受信信号プロセッサ275は、当該受信情報シンボルから複数の符号化されたデータ・ストリームを生成する。誤り訂正デコーダ285は、符号化されたデータ・ストリームの対応する一つの誤り訂正復号化を各々実行し、これによって、複数の復号化されたデータ・ストリームを生成する。マルチプレクサ295は、複数の復号化されたデータ・ストリームを結合する。

送信信号プロセッサ230及び受信信号プロセッサ275は、両者の対応する機能を実行するよう、さまざまな態様で各々構成されることができ、したがって、図1のSCBTシステムの幾つかの実施例が可能である。幾つかのこれらの実施例の中の限定された例が図3乃至図8に例示されており、ここで、簡単に説明されよう。

図3A及び図3Bは、並列符号化と並列復号化とを用いるSCBTシステムの第1の実施例を例示している。図2に関して上で説明されたのと同じ部品が同じ番号で示されており、これらの部品の説明は、ここでは繰り返されないであろう。

図3Aにおいて、送信信号プロセッサ230Aは、複数（P個）の情報シンボル・マッパ310、複数のインターリーバ320、及びマルチプレクサ330を有する。同時に、図3Bでは、受信信号プロセッサ275Aは、デマルチプレクサ340、複数（P個）のデインターリーバ350、及び複数（P個）の情報シンボル・デマッパ360を有する。

動作的には、送信システム230A（図3A）で、誤り訂正エンコーダ222からのP個の並列符号化されたビット・ストリームが、M-PSK座標又はM-QAM座標を用いて、情報シンボル・マッパ310によって、情報シンボル内にマッピングされる。これらのシンボル・ストリームは、次にインターリーバ320によって別々にインターリーブされる。異なるタイプのインターリーバ320（例えばブロック・インタリーバ）が、異なるストリームに対して使われてもよい。インターリーブされた情報シンボル・ストリームは、次に、マルチプレクサ330によって一つのシンボル・ストリームへと多重化され、SCBT変調器240によってSCBTブロックに最後にマッピングされる。

例えば、Q＝N／Pの場合、ここで、NはSCBTのブロック長、Pは元のデータセットが分割されるストリームの数、S_p,k は時間kで分岐pからインターリーブされたシンボルであるとすると、SCBTブロックは次式のように記述されることができる：
（６）S_1,k、S_2,k、…、S_p,k、S_1,k+1、S_2,k+1、…、S_p,k+1、…、S_1,k+Q,…、S_p,k+Q

同様に、受信システム275A（図3B）で、SCBT復調器265は、複数の受信シンボルS_p,k へと、SCBT信号を復調する。デマルチプレクサ340は、シンボルS_p,k をP個のシンボル・ストリームへと多重分離する。デインターリーバ350は、対応するシンボル・ストリームを各々別々にデインターリーブする。対応する符号化されたデータ・ストリームを生成するために、シンボル・デマッパ360は各々、対応するデインターリーブされたシンボル・ストリームを別々にデマッピングする。誤り訂正デコーダ285は、符号化されたデータ・ストリームの対応する一つに、誤り訂正復号化を各々実施し、これにより、図2に関して説明したように、複数の復号化されたデータ・ストリームを生成する。

図4A及び図4Bは、並列符号化と並列復号化とを用いたSCBTシステムの第2の実施例を例示している。本実施例は、前のものと同様であるが、送信信号プロセッサ230Bにおいて、情報シンボルがインターリーブされる前に、当該シンボルが単一のストリームへと多重分離されるという違いを伴っている。同様に、受信信号プロセッサ275Bにおいて、情報シンボルは最初にデインターリーブされ、次に、P個のデータ・ストリームへと多重化され、そして次に、当該P個のデータ・ストリームがデマッピングされる。

図5A及び図5Bは、並列符号化と並列復号化とを用いたSCBTシステムの第3の実施例を例示している。本実施例では、送信信号プロセッサ230Cは、別々に符号化されたビット・ストリームを最初に別々にインターリーブする。次に、マルチプレクサ330は、別々にインターリーブされ別々に符号化されたデータ・ストリームを、単一のビット・ストリームへと合成する。次に、ビット・ストリームがSCBT変調器240によって SCBTブロックへとマッピングされる前に、情報シンボル・マッパは、当該ビット・ストリームをQAMシンボル又はPSKシンボルへとマッピングする。受信信号プロセッサ275Cでは、信号のデータ処理は相補的である：即ち、情報シンボル・デマッパ360は、SCBT復調器265から受信した情報シンボルをビット・ストリームへとデマッピングし、デマルチプレクサ340は、ビット・ストリームを、複数のインターリーブ符号化データ・ストリームへと多重分離し、そして、複数の符号化されたデータ・ストリームを生成するために、複数のデインターリーバ350の各々が、対応するインターリーブされたデータ・ストリームをデインターリーブする。

図6A及び図6Bは、並列符号化と並列復号化とを用いるSCBTシステムの第4の実施例を例示している。本実施例は、前のものと同様であるが、送信信号プロセッサ230Dで、インターリーブされたビットが単一のストリームに多重分離される前に、当該インターリーブされたビットはQAMシンボル又はQPSKシンボル上へと最初にマッピングされるという違いを伴っている。同様に、受信信号プロセッサ275Dで、情報シンボルはP個のストリームに最初に多重化され、次に、これらのストリームは、デマッピングされ、デインターリーブされる。

図7A及び図7Bは、並列符号化と並列復号化とを用いるSCBTシステムの第5の実施例を例示している。本実施例においては、送信信号プロセッサ230Eでは、符号化されたビットは単一のストリームへと最初に多重分離され、次に、インターリーブされ、シンボルにマッピングされる。同様に、受信信号プロセッサ275Eでは、受信された情報シンボルは、最初にデマッピングされる。次に、情報シンボルがP個のサブ・ストリームに多重化される前に、デマッピングされたビットがインターリーブされる。

図8A及び図8Bは、並列符号化と並列復号化とを用いるSCBTシステムの第6の実施例を例示している。本実施例においては、送信信号プロセッサ230Fで、並列符号化されたビットが、単一のストリームに最初に多重分離され、そして、次に、QAMシンボル又はQPSKシンボルへとマッピングされる。これらのシンボルは、次に、インターリーブされ、 SCBTブロック内に置かれる。受信信号プロセッサ275Fでは、受信シンボルがビットにデマッピングされる前に、当該受信シンボルは最初にデインターリーブされ、次に、復号化のためにサブ・ストリームへと多重化される。

好ましい実施例が本願明細書において開示されたのと同時に、本発明の概念及び範囲内に留まる多くの斯様なバリエーションが考えられる。斯様なバリエーションは、本願明細書における仕様、図、及び請求項の検分の後、当業者に明らかになることだろう。本発明は、これ故、添付の請求項の範囲内及び意図内を除いて、限定されることはない。

Claims (4)

1. 一組の入力データを複数のデータ・ストリームに分割するデマルチプレクサと、
   複数の符号化されたデータ・ストリームを生成するために、各々が前記データ・ストリームの各々を対応する誤り訂正コードで別々に符号化する複数の誤り訂正符号化ユニットと、
   前記符号化されたデータ・ストリームの各々をシンボル・ストリームにマッピングする複数のシンボル・マッパと、
   前記複数のシンボル・マッパの一つの出力に各々が機能的に接続されて、各々の前記シンボル・ストリームを別々にインターリーブする複数のインターリーバと、
   前記複数のインターリーバの出力に機能的に接続されて、インターリーブされたシンボル・ストリームを多重化するマルチプレクサと、
   前記多重化されたシンボル・ストリームから一つのシングル・キャリア・ブロック伝送信号を生成するシングル・キャリア・ブロック伝送（SCBT）変調器と
   を有する、送信器であって、
   前記分割された複数のデータ・ストリームの各々が、前記入力データのデータレートの何分の１かに等しいデータレートを持つ、送信器。
2. 請求項１に記載の送信器を有する無線装置。
3. 請求項１に記載の送信器によって送信されたシングル・キャリア・ブロック伝送（SCBT）信号を受信する受信器であって、
   シングル・キャリア・ブロック伝送（SCBT）信号を復調し、当該復調された信号から、受信されたシンボルを生成するシングル・キャリア・ブロック伝送復調器と、
   前記受信されたシンボルから、複数の符号化されたデータ・ストリームを生成する受信信号プロセッサであって、
   デマルチプレクサと、
   前記デマルチプレクサの出力に機能的に接続されている複数のデインターリーバと、
   前記デインターリーバの一つの出力に各々が機能的に接続されている複数のシンボル・デマッパと、
   を有する受信信号プロセッサと、
   複数の復号化されたデータ・ストリームを生成するために、前記符号化されたデータ・ストリームの対応する一つを各々復号化する複数の誤り訂正デコーダと、
   前記復号化されたデータ・ストリームを結合するマルチプレクサと
   を有する、受信器。
4. 請求項３に記載の受信器を有する無線装置。

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