第3章 - tohoku university official english website...fa/tohoku u 応用電気通信工学 9...
TRANSCRIPT
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 1
第3章誤り訂正符号化理論
電気・通信工学専攻
安達文幸
参考書
・山本,加藤:TDMA通信,5章,電子情報通信学会,1989年・岩垂:符号理論入門,昭晃堂,1992年・今井,情報理論,昭晃堂,1984年
「応用電気通信工学」
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 2
目次
3.1 誤り訂正符号化の役割3.2 ブロック符号化
3.2.1 符号生成と復号3.2.2 ハミング符号3.2.3 BCH符号
3.3 ビタビ(Viterbi)アルゴリズムを用いて復号する畳み込み符号
3.3.1 畳み込み符号器3.3.2 最尤復号とビタビ゙復号3.3.3 ハミング距離に基づく最尤復号法3.3.4 ユークリッド距離に基づく最尤復号法
3.4 復号後のビット誤り率3.4.1 ブロック符号3.4.2 最尤復号
3.5 インターリーブ
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 3
3.1 誤り訂正符号化の役割
安達:通信符号理論 4
符号の分類
構造的分類
ブロック符号:誤り検出,訂正のために付け加えられる検査ビット(check bit)が,同じブロック内の情報ビットのみから決定される.
畳み込み符号:各検査ビットが,先行するいくつかの情報ビットの畳み込みで生成される.
連接符号:2つの符号を組み合わせた符号化
誤り検出符号誤りがあるかどうかを検出する符号
誤り訂正符号
訂正すべき誤りの種類による分類
ランダム性の誤りを訂正するランダム誤り訂正符号
バースト性の誤りを訂正するバースト誤り訂正符号
安達:通信符号理論 5
ブロック符号
BCH符号
リード・ソロモン符号
ハミング符号
畳み込み符号
連接符号 畳み込み符号+リード・ソロモン符号
岩垂符号
自己直交符号
最尤復号法(Viterbi algorithm)を用いる符号
逐次復号法を用いる符号
Wyner-Ash符号
代数的復号法
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 6
通信路符号化の目的
通信路で生ずる符号誤りを訂正して,通信の信頼性を高める.
通信路符号化技術の分類
誤り検出符号化
誤り訂正符号化
自動再送(Automatic Repeat Request: ARQ)
変調器 通信路 復調器情報源符号化器
通信路復号器
通信路符号化器
情報源復号器
信号伝送系のモデル
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 7
誤り訂正符号化
kビットの伝送情報系列をnビットの符号化系列に変換するブロック符号化を考える.R=k/nを符号化率 (codingrate)と言う.
情報伝送速度が一定と言う条件のもとでは,帯域幅はR-1
(>1)に拡大する.帯域を拡大することにより所要Eb/N0をシャノン限界(- 1. 6 dB)に近づける技術が誤り訂正符号化である.
Eb/N0を無符号化時と同じに保つ(つまり送信電力を同じ
にする)とすると,符号化ビット当たりの信号エネルギー対雑音電力スペクトル密度比Ec/N0はEb/N0のR (<1)倍になる.
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 8
.であるから,となる.
であるから
はスペクトル密度比力号エネルギー対雑音電号化ビット当たりの信●符号化したときの符
で表す.スペクトル密度比をエネルギー対雑音電力1ビット当たりの信号●符号化しないときの
00
00
0
0
//1)/(/
/
/
NENERNERNE
ERTRPTPENE
NE
bc
bc
bbcc
c
b
Eb=P Tb
Ec
情報ビット
符号化系列
bc ERE
符号化
Tb
Tc
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 9
誤り率特性の比較
Ec/N0はEb/N0より小さくなるから,誤り訂正復号前の平均
ビット誤り率は,誤り訂正符号化を用いないときに比べて大きくなる.
しかし,誤り訂正復号後の平均ビット誤り率を誤り訂正符号化を用いないときに比べて小さくできる.
この結果,平均ビット誤り率対Eb/N0特性を符号化しないときより改善できる.
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 10山本,加藤:TDMA通信,5章,電子情報通信学会,1989年
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 11
3.2 ブロック符号
3.2.1 符号生成と復号
3.2.2 ハミング符号
3.2.3 BCH符号
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 12
符号生成と復号
誤り訂正符号化を用いた時の伝送系
変調器 通信路 復調器情報源符号器
通信路復号器
通信路符号器
情報源復号器
Rkn
xxxrrrrr
xxccccccccxxx
coded
k
nknkn
kknnknkn
k
/
)ˆˆˆ(ˆ)(
)()()(
110
1110
101101110
110
次式のようになる.の伝送速度はとすると,符号化系列情報伝送速度を
XRCX
C R X̂X
組織符号(systematic code)符号化されたビット系列にkビットの情報がそのまま現れる.
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 13
は生成行列である.ここで,
と上式を行列で表示する
加算により得られる.は次のようなを生成する.ここで,
から符号語情報系列
G
XGXC
CX
100
010001
1,...,1,0 ,
2mod)()(
1,10,1
1,10,1
1,00,0
1
0,
1,110110
knkk
kn
kn
k
ijiij
j
nknknk
gg
gggg
knjgxc
ccccccxxx
安達:通信符号理論 14
復号生成行列(generator matrix)はG,検査行列(parity checkmatrix)はHである.
ttttt
knkknkn
k
k
tt
ggg
gggggg
HEHCE)H(CHRS
RCE
H
HRS
SH
10000010001
1,11,11,0
1,11,11,0
0,10,10,0
とすると●誤りベクトルを
を計算する.を用いてシンドローム●検査行列
kビットの情報から検査ビットの生成受信した検査ビット
安達:通信符号理論 15
ない.の系列を含んではなら行列の各列は全て●
合である.加算が互いに異なる場つの列ベクトルの
の任意のるのはビット誤りが特定でき.また,全て異なるときである
の各列ベクトルがる(訂正できる)のはビット誤りが特定でき●
従って,
これより
すなわちただし,
になる.加算であるからとのビット符号器で生成した検査
と,検査ビット番目のた復号器で新たに生成し要素はの第●
02mod2
21
1,..,1,0for ,0)(
.1,..,1,0
02mod
,
1
0,
H
HH
HEHE0HEHCS
HC
HC
tttt
jj
k
ijiijj
t
j
jt
knjccgxc
knj
c
cjj
t復号器で生成した検査ビット
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 16
符号の訂正能力
nビットの符号語の全ての組について,それぞれnビットに
わたりmod2加算を行って得られる1の総数の最小値を符号間距離dminとすると,
個の誤りまで訂正できる.
2/)1( min dt
mind
2/)1( min dt
符号語A
符号語B
ハミング符号
単一誤りを訂正するブロック符号
n-kビットの検査ビット系列で表せる個数は,全零を除いて2(n-k)-1個である.これがnビット符号語に単一誤りが発生する場合の総数nに等しくなければならない.従って,n=2(n-k)-1である.
ハミング(7,4)符号語の生成
符号語長は7ビットであるので全部で128種類の系列がある.このうち符号語となり得るのは,情報が4ビット長であるから,16個である.
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 17
1の個数が
偶数となる符号語
1の個数が
奇数となる符号語
符号空間
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 18
符号生成
1000101010011100101100001011
G
XGC
情報(4ビット)検査ビット(3ビット)の生成
情報(4ビット
)から検査ビットの生成
受信した検査ビット(3ビット)
111010001110101101001
2
1
0
H
HRS tt
SSS
岩垂:符号理論入門,昭晃堂,1992年
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 19
ハミング(7,4)符号
ハミング(7,4)符号語c0 c1 c2 c3 c4 c5 c6 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 FA/Tohoku U 応用電気通信工学 20
単一誤りに対するシンドローム全ての単一誤りに対してシンドロームパターンは互いに
異なるから,単一誤りの位置が判別できて訂正可能となる.
010
0000010
111010001110101101001
ttt HEHRS
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 21
単一誤りに対するシンドロームパターン
e0 e1 e2 e3 e4 e5 e6 S0 S1 S2 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
誤りパターン シンドロームパターン
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 22
BCH符号
ブロック長n,検査ビット長(n-k),訂正可能なビット数tの表
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 23
3.3 ビタビ(Viterbi)アルゴリズムを用いて復号する畳み込み符号
3.3.1 畳み込み符号器3.3.2 最尤復号とビタビ復号3.3.3 ハミング距離に基づく最尤復号法3.3.4 ユークリッド距離に基づく最尤復号法3.3.5 誤り率の上界
岩垂,符号理論入門,5章,昭晃堂,1992
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 24
畳み込み符号器
ビタビアルゴリズムは畳み込み符号を最尤復号するアルゴリズムであり,最近広く用いられている.極めて強力な誤り訂正能力を有する.
符号化率R=1/2の簡単な畳み込み符号器
拘束長3ビット
生成多項式(g0,g1)=(7,5)8
入力xn
出力
c2n
c2n+1
(c2nc2n+1)並直変換
安達:通信符号理論 25
情報1ビットxnが入力されると2ビット(c2nc2n+1)が出力される
1ビット入力で2ビットが出力されるので,符号化率は1/2
入力 出力
c2n
c2n+1
(c2nc2n+1)並直変換xn xn-1 xn-2
(xn-2xn-1xn)000001010100101011110111
出力(c2n c2n+1)
0011101100010110
入力xn
安達:通信符号理論 26
状態遷移入力ビットとシフトレジスタの内部状態(2ビット)を用いて,符号器出力を表現できる
xn-1 xn-2
xn xn-1
)( 211 nnn xxS
)( 1 nnn xxS
第0桁 第1桁レジスタの状態
212 nnnn xxxc出力
xn
xnが入力されると
xn-1 xn-2
212 nnn xxc
安達:通信符号理論 27
樹枝状表現レジスタ内部状態Sn=(xnxn-1)の表示
A=(00), B=(10), C=(01), D=(11)とする
初期状態S-1=A状態遷移
AA,BBC,DCA,BDC,D
(x0=0)
(x0=1)
0011
00A
1001
11B
1100
10C
0110
01D
0011
11A
1001
00B
1100
01C
0110
10D
00A
11B
10C
01D
00A
11B
(0)
(1)
(0)
(1)
A
安達:通信符号理論 28
格子状(トレリス)表現畳み込み符号は,符号器に用いたシフトレジスタの内部状態の遷移を用いて表現できる.これを格子状表現(トレリス)と言う.
10xn=0
1
入力ビット
A A A A A A A
B B B B B B B
C
D
C
D
C
D
C
D
C
D
C
D
Ac0c1=00
c0c1=11
10
0101
11
00
初期状態t=-1 t=0 t=1 t=2 t=3 t=4 t=5 t=6
A=(00), B=(10)C=(01), D=(11)
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 29
最尤復号とビタビ復号
送信データを畳み込み符号化して得られた送信系列C=(c0c1c2c3c4,…..,cN-1)を送信する.伝送路途中の雑音の
ため誤りが発生し,受信系列は伝送した符号系列とは異なる.受信系列R=(r0r1r2r3r4,…..,rN-1)からCを推定するのが復号である.
受信系列Rと符号系列Cの近さの目安としてハミング距
離を用いるときハミング距離に基づく最尤復号法,ユークリッド距離(Euclidian distance)を用いるときユークリッド距離に基づく最尤復号法(maximum likelihood decoding)になる.
送信系列を受信し終えたときに,あり得る全ての系列についてハミングまたはユークリッド距離を計算し,距離最小の系列を送信系列であると判定する.しかし,系列長がNビットであるとき,系列の個数は2Nであるので,演算量が大きい.
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 30
符号系列のトレリス表現を用いて,受信途中で距離の小さい候補系列を選択し残して行くことにより,効率的に復号するのがビタビアルゴリズムである.
時点t=nにおける各状態S(n)に合流する2つのパスのハミ
ング(またはユークリッド)距離を比較し,ハミング(またはユークリッド)距離の小さいパスを残す.各状態で以下の計算を行う.
ブランチメトリック(状態S(n)に至るブランチのハミング(またはユークリッド)距離)の計算
パスメトリック(状態S(n)に至るパスのハミング(またはユークリッド)距離)の計算=時点n-1における状態のパスメトリック+ブランチメトリック
状態S(n)に到達するパスメトリックの比較
パスメトリックの小さい方のブランチを残す
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 31
受信最後に全状態のパスメトリックを比較し,最小値の状態を選ぶ.
その状態に至る生き残りパスを,最初の状態S(-1)=00まで遡る.
生き残りパス上の各ブランチの符号化系列が最尤符号化系列である.
最尤符号化系列を出力する情報系列を復号系列として出力する.
安達:通信符号理論 32
ハミング距離に基づくビタビ復号符号系列のトレリス表現を用いて,受信途中で距離の小さい候補系列を選択し残して行くことにより,効率的に復号するのがビタビアルゴリズムである.
状態遷移と出力符号
ビタビ復号は次のような動作
から成り立っている
ブランチメトリックの計算
パスメトリックの計算
パスメトリックの比較
生き残りパスの選択
A A
B B
C
D
C
D01
1100
10
00
11
1001
xn=0入力ビット
1A=(00), B=(10)C=(01), D=(11)
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 33
りパスとして残すのブランチのみ生き残 最小パスメトリック
●パス選択
●パスメトリック比較
算●パスメトリックの計のハミング距離とは符号系列 ただし,
●ブランチメトリック
))1()((min
))((
))()1(())1(())1()((
,)()),()1(;())()1((
)}1({
212212
nSnSLnSL
nSnSBrnSLnSnSL
drrnSnSccdnSnSBr
nS
H
nnnnH
baba
A
B
C
t=n-1 t=n
)(AL
)(CL
)()()( BABrALABL
)()()( ACBrCLCBL
))1((min
arg)(},)1({
nSBLBLBAnS
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 34
情報系列: 1 1 0 0 0 1 0符号化系列: 11010111001110受信系列: 10010101001110
A A A A A A A
B B B B B B B
C
D
C
D
C
D
C
D
C
D
C
D
A00
11
10
0101
11
00
t=-1 t=0 t=1 t=2 t=3 t=4 t=5 t=6
状態:A
状態:B
状態:C
状態:D
1
1
2
2
3
1
34
34
41
2310
42
42
52
34
24
42
3434
43
25
34
34
44
44
25
43
最 小 パスメ ト リックを与え る 状態
xn=01
入力ビット
ユークリッド距離に基づく最尤復号法
受信信号
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 35
),2exp(
1PSK2
2
2
PSK2
2
2
.は送受信機間の位相差 に振幅変動がなければル利得もし,伝送路のチャネ
であるからあり,
は送信シンボルで)である.は複素ガウス雑音(分散
のは電力チャネル利得であり,や位相変動を表す複素
の振幅変動は伝送路(チャネル)は受信電力,ここで,
表現は号の等価低域変調を考える.受信信簡単のために,
jhh
c
cw
hPwchPr
n
n
n
n
n
n
nnnn
ncP2チャネル
hn
nnchP2nnn wchP 2
nw
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 36
条件付結合確率密度関数
最尤系列推定
ある.は複素チャネル利得でここで,
次式のようになる.,つまり独立)であれば関数は,雑音が白色(の条件付結合確率密度
の受信系列が送信送信されたとき符号系列
n
N
nnnnN
N
nnn
nn
h
chPr
crpp
rc
1
0
2
22
1
0
22
1exp)2(
1
)|()|(
)()(
CR
RC
の探索と等価である.を最小とする
の探索はを最大とする探索する.ところで
をを最大とする符号系列号では最尤系列推定による復
C
CCRCCR
ˆ
ˆ2
ˆ)ˆ|(
ˆ)ˆ|(
1
0
2
N
nnnn chPr
pp
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 37
のように表すと
トリック)をにおける距離関数(メ 時点
の探索と等価である.を最大とする符号系列
であるから,結局であり,
と上式をさらに展開する
n
tttt
n
N
nnnn
n
N
nnnn
N
nnn
N
nn
chrnL
nc
chrL
c
chrPhcPr
0
*
1
0
*
1
0
*1
0
21
0
2
ˆRe)(
}ˆ{
ˆRe
1ˆ
ˆRe22ˆ2
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 38
ばれている.軟判定ビタビ復号と呼り,これはるのがビタビ復号であ逐次計算により実行す
を用いて,りに上式のメトリック ハミング距離の代わ
.となる.ここで,
nnn chrnBrnBrnLnL
ˆRe)()()1()(
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 39
りパスとして残す.のブランチのみ生き残 最小パスメトリック●パス選択
●パスメトリック比較
算●パスメトリックの計.
●ブランチメトリック
))1()((min
))((
))()1(())1(())1()((
ˆRe))()1((
)}1({
nSnSLnSL
nSnSBrnSLnSnSL
chrnSnSBr
nS
kkk
A
B
C
t=n-1 t=n
)(AL
)(CL
)()()( BABrALABL
)()()( ACBrCLCBL
))1((min
arg)(},)1({
nSBLBLBAnS
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 40
3.4 復号後のビット誤り率
3.4.1ブロック符号3.4.2畳み込み符号
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 41
ブロック符号の代数的復号
最小ハミング距離dminとする.各符号語を中心として半径t1の球をつくると,
であれば球は重複しない.すなわちt1以下の誤りを訂正できる. t1の最大値はこの符号の誤り訂正能力といわれ
である.
12 1min td
今井,情報理論,昭晃堂,1984年
dmin=2t+1
2/)1( min dt
t1
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 42
S.G. Glisic, “Efficiency of block error-correcting codes,” Electronics Letters, vol.23, pp. 557-558, May 1987.
)1(1
)1(1
1
)1(1
1212
)1(1
)1(
1212
1
tnteb
b
tntn
ti
inie
e
ppt
nn
tPn
tp
p
ppt
npp
in
P
Pp
tnt
t
は次式のようになる.ビット誤り率となるので,復号後の
はとすると,復号誤りり率を チャネルのビット誤
誤りになる.
個のビットビット中にて,の符号語である.従っが
ハミング距離る.その符号語は最小他の符号語に復号され
生じると個以上のビット誤りが語にに近似解を示す.符号
大変難しい.以下を厳密に求めることは復号後のビット誤り率
(7,4)ハミング符号
符号生成
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 43
1000101010011100101100001011
G
XGC
情報(4ビット)検査ビット(3ビット)の生成
情報(4ビット)から検査ビットの生成
111010001110101101001
2
1
0
H
HRS T
SSS
受信した検査ビット(3ビット)
復号
岩垂:符号理論入門,昭晃堂,1992年
シンドローム
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 44
e0 e1 e2 e3 e4 e5 e6 S0 S1 S2 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
誤りベクトル シンドローム
6
5
4
3
2
1
0
111010001110101101001
eeeeeee
tt
HEHRS
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 45
誤訂正
2ビット誤りが生じた時の復号後誤りベクトル
e0 e1 e2 e3 e4 e5 e6 s0 s1 s2
1 1 0 0 0 0 0 1 1 0
1 0 1 0 0 0 0 1 0 1
1 0 0 1 0 0 0 0 1 0
1 0 0 0 1 0 0 1 1 1
1 0 0 0 0 1 0 0 1 1
1 0 0 0 0 0 1 0 0 1
0 1 1 0 0 0 0 0 1 1
0 1 0 1 0 0 0 1 0 0
0 1 0 0 1 0 0 0 0 1
0 1 0 0 0 1 0 1 0 1
0 1 0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 0 1 1 1
0 0 1 0 1 0 0 0 1 0
0 0 1 0 0 1 0 1 1 0
0 0 1 0 0 0 1 1 0 0
0 0 0 1 1 0 0 1 0 1
0 0 0 1 0 1 0 0 0 1
0 0 0 1 0 0 1 0 1 1
0 0 0 0 1 1 0 1 0 0
0 0 0 0 1 0 1 1 1 0
0 0 0 0 0 1 1 0 1 0
e0 e1 e2 e3 e4 e5 e6
1 1 0 1 0 0 0
1 0 1 0 0 0 1
1 1 0 1 0 0 0
1 0 0 0 1 1 0
1 0 0 1 0 1 0
1 1 0 0 0 0 1
0 1 1 1 0 0 0
1 1 0 1 0 0 0
0 1 1 0 1 0 0
0 1 0 0 0 1 1
0 1 0 0 0 1 1
0 0 1 1 0 1 0
0 1 1 0 1 0 0
0 0 1 1 0 1 0
1 0 1 0 0 0 1
0 0 0 1 1 0 1
0 0 1 1 0 1 0
0 0 0 1 1 0 1
1 0 0 0 1 1 0
0 0 0 1 1 0 1
0 1 0 0 0 1 1
(7,4)ハミング符号語に復号
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 46
3ビット誤りが生じた時の復号後誤りベクトル
e0 e1 e2 e3 e4 e5 e6 s0 s1 s2
1 1 1 0 0 0 0 1 1 1
1 1 0 1 0 0 0 0 0 0
1 1 0 0 1 0 0 1 0 1
1 1 0 0 0 1 0 0 0 1
1 1 0 0 0 0 1 0 1 1
1 0 1 1 0 0 0 0 1 1
1 0 1 0 1 0 0 1 1 0
1 0 1 0 0 1 0 0 1 0
1 0 1 0 0 0 1 0 0 0
1 0 0 1 1 0 0 0 0 1
1 0 0 1 0 1 0 1 0 1
1 0 0 1 0 0 1 1 1 1
1 0 0 0 1 1 0 0 0 0
1 0 0 0 1 0 1 0 1 0
1 0 0 0 0 1 1 1 1 0
(7,4)ハミング符号語に復号
e0 e1 e2 e3 e4 e5 e6
1 1 1 0 0 1 0
1 1 0 1 0 0 0
1 1 0 0 1 0 1
1 1 1 0 0 1 0
1 1 0 0 1 0 1
1 0 1 1 1 0 0
1 0 1 1 1 0 0
1 1 1 0 0 1 0
1 0 1 0 0 0 1
1 0 1 1 1 0 0
1 0 0 1 0 1 1
1 0 0 1 0 1 1
1 0 0 0 1 1 0
1 1 0 0 1 0 1
1 0 0 1 0 1 1
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 47
(7,4)ハミング符号のビット誤り率
dmin=3であるので,t=1となり
2PSKを用いるときの復号後ビット誤り率
2
24352
973
21)1(37
)1(27
pPp
pppppP
eb
e
.スペクトル密度である
ギー対雑音電力ビットあたりのエネルは情報ここで
であるので
1/
)/)(7/4(49
)/)(7/4(21)/)(/(
21
0
2
0
00
NE
NEerfcp
NEerfcnkNEerfcp
b
bb
bb
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 48
符号化利得G
を符号化利得と言う.
たときの値の比いときの値と符号化し比較する.符号化しなを要な)を確保するために必所要誤り率(例えば
る.り率は次式のようにな符号化しないときの誤
codedb
uncodedb
b
bb
NENEG
NE
NEerfcp
)/()/(
/10
/21
0
0
03
0
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 49
10-14
10-12
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
4 6 8 10 12 14
Haming (7,4)
No codedCoded
Eb/N0 (dB)
安達:通信符号理論 50
畳み込み符号のビット誤り率
下図のような符号器を用いるときの硬判定(ハミング距離)ビタビ復号と軟判定(ユークリッド距離)ビタビ復号の復号後ビット誤り率の解析は難しい.近似解析について述べる.
計算機シミュレーションによるビット誤り率特性と比較する.
入力xn
出力
c2n
c2n+1
(c2nc2n+1)並直変換
安達:通信符号理論 51
復号後ビット誤り率の近似式
線形符号では誤りの生じた系列は同じ符号に含まれるので,全ての要素が0の符号語C0が送信されたものと考えて復号誤りを考察してよい.
符号語C0に最も近い符号語は,時点nで状態Aから離れ,状態B,状態Cを経て,時点n+3でAに合流する符号語である.
その符号語は,00…0011101100…00である.
ハミング距離は5である.
状態:A=(00)
状態:B=(01)
状態:C=(10)
A A A A A A
C
C
00
11
10
n-1 n n+1 n+2 n+3 n+4
11
安達:通信符号理論 52
ハミング距離は5であるので,送信された6ビット系列(000000)に3個以上の誤りが生じたとき,復号誤りが発生する.
このときのパスメトリック最小の状態遷移はABCAであり,そのときの符号系列は(111011)である.
状態遷移ABCA(または符号系列(111011))を与える情報ビット系列は(010)であるから,1ビット誤りを引き起こす.
安達:通信符号理論 53
復号後ビット誤り率の近似解
)"111011""000000Pr("1
)4(
1ACBA)3(
"111011"ACBAA)2(
)"111011""000000Pr(""111011""000000)"1(
b
bP
P
きる.は次式のように近似でト誤り率以上より,復号後ビッさい.てしまう確率は充分小それ以外のパスに誤っ
生ずる.ビット誤りが出力にが選択されると,復号パス
がある.しまう可能性であると誤判定)して選択(送信符号系列が
をから離れパス状態どの時点においても,で表わす.
に誤る確率を確率
安達:通信符号理論 54
誤りパスの例
All “0” transmission
0 1 2 3 5 6 7 8 9
1bit error (001000000)2bit error (001010000)
C=(10)
Time
A=(00)
B=(01)
D=(11)
安達:通信符号理論 55
ハミング距離を用いる硬判定ビタビ復号
のとき
きる.は次式のように近似でト誤り率以上より,復号後ビッ
のとき
であるから
とするとビット判定誤り率を
生する確率ビット以上の誤りが発ビット中に●受信系列の
1,20
1,20
)1(6
)"111011""000000("obPr
)1(6
36
3
3
66
3
66
3
ppP
Ppp
ppk
ppk
p
b
b
kk
k
kk
k
安達:通信符号理論 56
符号化あり
なし 符号化
●まとめ
ときの判定誤り率は 一方,符号化なしの
したがって,
になる.倍に減少するから,エネルギーが
ビットあたりの信号の符号化ではところで,符号化率
列の判定誤り率を用いるときの符号系●
3
0
0
0
3
0
0
21
2120
21
21
21
2120
1
21
2PSK
NE
erfcP
NE
erfcP
NE
erfcP
NE
erfcP
ERERR
NE
erfcp
bb
bb
bb
bb
bc
c
#n-1
#2n-2 # 2n-1 #2n #2n+1
#n情報ビット系列
符号化系列
Eb
Ec
安達:通信符号理論 57
)dB76.1(23
/
2/13
23exp203exp20
exp
,
exp21
0
00
0
00
デシベル表示では
る.の比)は次のようにな要な誤り率を得るために必同じビット(符号化なしとありで畳み込みの符号化利得
のビット,符号化率拘束長 これまで考えてきた
となる.
符号化あり
符号化なし
ように近似できる.ビット誤り率は次式のを用いると
(符号化利得)
G
NE
R
NE
NER
NE
P
NE
NEerfc
b
bb
b
b
bb
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 58
ユークリッド距離を用いる軟判定ビタビ復号
0ˆ
ˆ
ˆˆ
/2021
2
Reˆˆ
ˆ1~0:1ˆˆPSK2
0
1
0
*
CC
CC
CCCC
C
CC
LL
LL
L
TNwhP
wchPrN
hrcL
LNnc
cnn
nnnn
N
nnnn
n
形できる.上式は次式のように変
.してしまうことになるたものと誤判定以外の系列が送信されが存在すれば送信系列たす系列であるとき,次式を満がを探索する.送信系列
を最大とする系列基づく最尤復号法では ユークリッド距離にである.
の複素ガウス雑音で分散は平均はチャネル利得,
は受信電力,項が雑音成分.項が信号成分で,第ここで,第
し,は符号長である.ただ
最尤復号法を参照).クリッド距離に基づく与えられている(ユー
は次式でのパスメトリック 符号系列
伝送を考える. 以下では簡単のため
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 59
0
0min
2
min
0min
0min
min
0
*min
1
0
*1
0
2
1
0
*1
0
*1
0
)/(4222exp
)/(4210Prob
0)/(40
22/0
Re20ˆ1
2ˆ0ˆˆ
Reˆˆ2
ReˆReˆ
dTNd
dPTNd
TNdWdPX
TNhwccc
hd
cccccc
WX
hwccccchP
hrcchrc
c
c
c
nnnnn
n
nn
nnnn
N
nnnnn
N
nnnnn
N
nnnnn
N
nnnn
N
n
となる確率は以上より,
で分散平均
とに注意すればのガウス変数であるこで分散は平均
であること,または,であるとする.ここで
め,殆どである.簡単のたとする)へ誤る場合が距離をグ近い系列(最小ハミンに最もハミング距離が 送信符号系列
である.,そうでなければが一致していればとところで,
.は次式のように表せる
C
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 60
である.ただし,号エネルギーを表す.符号ビット当たりの信はここで,
bc
cc
c
NPT
d
dPcc
cc
EREPTE
NEderfcdyt
dyTNd
yTNd
dTNd
dPTNd
c
1
21exp1
)/(42exp
)/(421
)/(4222exp
)/(4210Prob
0min
2
220min
2
0min
0
0min
2
min
0min
0min
min
#0
#0 #1 #n-1
#1 #k-1情報ビット系列
符号化系列
Eb
Ec 時間
Tb
Tc
安達:通信符号理論 61
0
0
0
0min
min
21
25
21
125
21
21)"111011""000000("Prob
2/15)111011(ˆ)000000(
NEerfcP
NEerfcP
P
NEerfc
NEdRerfc
Rd
bb
bb
b
b
b
きは一方,符号化なしのと
きる.は次式のように近似で復号後ビット誤り率
生するからビットの情報誤りが発とこの系列が選択される
であるからである.であるから,
い符号系列はとする.それに最も近送信符号系列を
CC
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 62
符号化利得G
利得が得られる化ビ復号より大きな符号)になる.硬判定ビタ表示では
(デシベル得られる符号化利得はビタビ復号したときに
定の畳み込み符号を軟判ビット,生成多項式 拘束長
を符号化利得と言う.
たときの値の比いときの値と符号化し比較する.符号化しなを要な)を確保するために必所要誤り率(例えば
dB98.35.2
)5,7(3
)/()/(
/10
8
0
0
03
G
NENEG
NE
codedb
uncodedb
b
入力xn
出力
c2n
c2n+1
(c2nc2n+1)並直変換
安達:通信符号理論 63
硬判定ビタビ復号
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
0 5 10 15
Uncoded(Theory)Hard Decision Viterbi(Theory)Uncoded(Simulation)Hard Decision Viterbi(Simulation)
Ave
rage
BER
Average received Eb/N0 [dB]
安達:通信符号理論 64
軟判定ビタビ復号
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
0 5 10 15
Uncoded(Theory)Soft Decision Viterbi(Theory)Uncoded(Simulation)Soft Decision Viterbi(Simulation)
Ave
rage
BER
Average received Eb/N0 [dB]
安達:通信符号理論 65
軟判定と硬判定ビタビ復号の比較
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
0 5 10 15
Uncoded(Theory)Hard Decision Viterbi(Hard)Soft Decision ViterbiUncodedHard Decision Viterbi(Simulation)Soft Decision Viterbi(Simulation)
Ave
rage
BER
Average received Eb/N0 [dB]
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 66
3.5 インターリーブ
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 67
符号化系列のインターリーブ
これまで述べてきた誤り訂正符号化は,ランダムに発生する誤りを訂正するランダム誤り訂正符号化である.
ところが,通信路では通信路状態が連続して悪化する場合がある.これは通信路に記憶があるからである.この場合,ランダム誤り訂正符号化を用いて訂正できない誤りが発生する場合がある.
そこで,符号化系列の時間的順番を入れ換えて通信路に送出し,受信側でもとの順番に戻すことにより,記憶の無い通信路に近い状態に変換する.これをインターリーブ(交錯)という.
連続して発生した雑音を時間的に離すことができるから,1符号語の
なかに複数のビットが誤ることがなくなって,ランダム誤り訂正符号で誤り訂正できるようになる.
誤り訂正符号化器
インターリーバ
誤り訂正復号器
デ・インターリーバ
無線通信路
安達:通信符号理論 68
ブロックインタリーバ
デ・インターリーバーは,連続して発生したビット誤りを時間的に離すことができる.これにより,1符号語の中に多数のビット誤りが含まれることがなくなって,誤り訂正符号の復号器で訂正できるようになる.
n x mビット
ブロックインタリーバー
書き込み
読み出し
送信側
n x mビット
デ・ブロックインタリーバー
読み出し
書き込み
受信側
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324
1 917 2533414957 2 10182634425058 3 11192735435159
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324
8×8インタリーバ入力
通信路
デ・インタリーバ出力
×× ×
×××雑音による誤り
安達:通信符号理論 69
畳み込みインタリーバ
連続して発生した雑音を時間的に離すことができるから,1符号語のなかに複数のビットが影響を受けることがなくなって,誤り訂正符号の復号器で訂正できるようになる.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324
1 4 7 2 10 5 13 8 3 1611 6 1914 9 221712
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324
インタリーバ入力
通信路
デ・インタリーバ出力
×× ×
通信路
インタリーバ デ・インタリーバ
×××雑音による誤り
誤り訂正符号化器
誤り訂正復号器
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 70
まとめ
誤り訂正符号化(Forward Error Correction: FEC)により帯域拡大が
発生するから雑音電力が増加するため,ビット誤り率が増加してしまう.しかし,その誤りを訂正することができるので,結局,符号化前よりも復号後のビット誤り率特性が向上する.
FECは,いまやほとんど全ての通信システムに利用されている.
本章では,自動再送(Automatic Repeat Request: ARQ)については触れなかった.ARQでは送信データ系列をパケット化し,そのパケットが正しく受信されるまで再送を繰り返す.
ARQとFECを組み合わせたのがハイブリッド自動再送(Hybrid ARQ:HARQ)である.
携帯電話など最近の無線システムではパケットサービスが主流になりつつある.HARQはこのようなシステムに利用できる.
FA/Tohoku U 応用電気通信工学 71
演習問題3.1
1,..,1,0for ,0)(1
0,
knjccgxc jj
k
ijiijj
T
示せ.次式が成り立つことを
HC