(57)【要約】【課題】誤りが多く発生する伝送路にパケットデータを非同期に送受信する通信において、パケットの同期を信頼度高く確保する方式を提供し、データパケットの欠落を回避または低減させ伝送効率を向上した通信方式を実現する。また、同期パターンの付加を必要としない同期方式と、同時に誤り訂正処理を可能とする伝送効率が高く且つ高信頼度な通信方式を提供する。【解決手段】誤り訂正符号方式がもつパリティ検査機能を用いて、その正誤から受信パケットの位置が正しいかどうか１ビットの精度で検出する機能を実現し、パケット同期の手段とする。その具体化のため、パリティ検査機能を布線論理回路により実現し、１クロックで同期位置判定が可能な構成を特徴とする。実施例として、先に発明した高次元トーラス結び目符号を用いて誤り率が10のマイナス２乗程度の劣悪な通信環境で高い同期確率と小さい見逃し確率を実現した。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誤り訂正ブロック符号のパリティ検査機能を用い、各パリティ検査ビット毎に、誤り訂正符号が処理する符号ブロックが同期した正規の位置関係にあるものか、１ビット以上前後にずれたものかを誤り検出状態から判定する機能とすることを特徴し、また各ビットの判定結果を結合して信頼度を向上したることを特徴とするパケット同期方式。
【請求項２】
多入力排他的論理回路の入力端子にパリティ検査に対応する情報データを布線的に入力して、１クロックでパリティ検査機能を実現することを特徴とするパケット同期方式。
【請求項３】
受信パケットデータをシフトレジスタ回路へ順次入力し、１ビット入力毎に符号ブロックをシフトしながらパリティビットの誤りを検出し、誤りが閾値以下に減少した時点を同期位置としたることを特徴とするパケット同期方式。
【請求項４】
入力データをシフトレジスタに書き込むに際して、シフトレジスタメモリに蓄積する順番をある規則に従って並び替えることを特徴とし、且つ布線によりその規則を結線として与えたることを特徴とし、また受信側においては送信側と逆の並び替えとなるように布線したることを特徴として、並び替えのための送受同期を不要としたることを特徴する送受間のデータの並び替え機能を持つパケット同期方式。
【請求項５】
パケットの同期とパケットデータの誤り訂正とを同時に機能させることを特徴とし、パケット同期用の識別データを伝送データに付加する必要を排除したることを特徴とするパケット同期通信方式。
【請求項６】
符号ブロックと符号ブロックの間に分割のための固定データを挿入することにより、擬似同期確率を改善したることを特徴とするパケット同期方式。
【請求項７】
符号ブロック毎に誤り訂正符号の種類やパラメータを変化して、受信する符号ブロックを識別できる機能を備えたることを特徴とするパケット同期通信方式。
【請求項８】
誤り訂正回路を多段にシリアルに接続し、誤り訂正した後の受信データについて同期判定することにより、同期特性を改善したることを特徴とするパケット同期方式。
【請求項９】
多段シリアル回路構成において、パイプライン回路構成を採用し、動作及びデータが連続的に流れる構造として、同期した時点の訂正データを出力回路にラッチすることを特徴とするパケット同期回路。
【請求項１０】
多段シリアル回路構成において、同期時のデータのみをラッチし、後段のパイプライン処理を行うことにより、回路動作の消費電力を低減したることを特徴とするパケット同期回路。
【請求項１１】
誤り訂正回路として高次元トーラス結び目符号を採用したことを特徴として、誤りの多く発生する劣悪な通信環境において確実な同期を確保することを特徴とするパケット同期方式。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明はデジタル信号の同期及び誤り訂正に利用する。本発明は、デジタル通信や情報処理に利用される。本発明は、様々な要因によって生ずる誤りが混入する通信路やデータ蓄積システムにおける同期の確保及び誤り訂正処理を行う機能を有する半導体チップ・回路・装置・システムに利用することができる。
【従来の技術】
従来、デジタルシリアルデータ通信等の各種応用における同期方式は、送信するデータの前に特別な同期コードを挿入し、これを受信側で検出した後に、同期コードの後に続くデータを取り出すパケット同期方式が主流である。既存の公衆回線においては回線品質が良好であるため、10のマイナス２乗以上の誤りが発生することは稀であり、同期コードを検出する方法で十分な同期の確保が可能であった。しかし今日の携帯電話や移動体通信においては、電波の伝搬経路において複雑に変化する特性によって、誤り率10のマイナス２乗以上にまで回線品質が劣化する場合があり、誤りによって生ずる擬似的な同期コードにより正常なパケット送受信が出来なくなる場合が度々生ずる。また従来誤りの極めて少ない通信路であった光ケーブルにおいても通信速度がGbpsクラスへと発展するにいたって、光ケーブルの歪等の原因により10のマイナス４乗程度の誤りが発生するようになり、無線回線と同様に同期ミスによるパケットロスが大きな問題となっている。この問題を解決するため、同期コード長を長くすることにより同期の信頼性を向上させる方法が一般的にとられているが、パケット全体に対する同期コードのサイズが大きくなるため、伝送効率の低下を招く結果となっている。
【発明が解決しようとする課題】
従来のフレーム同期方式は、誤りが発生する通信路中においてフレーム先頭位置を認識するための同期コードが破損した場合、受信側で同期コードの検出が不可能となり、同期コードの後に続くデータも全て検出不可能となる。パケット消失は、再送によりリカバリーされるために、頻繁に発生した場合、実質上の通信速度を著しく低下させる。また、近年のフレーム同期方式においては、非同期にかつパケット長も可変なものとしてパケット通信を行う場合が普通となっている。誤りの発生する通信路において、このような構成のパケットを確実に同期することは極めて困難な問題である。また、誤りの発生する通信路においては同期の問題にあわせて、エラーの訂正も重要な課題となる。従来、同期と誤り訂正は独立して処理されることが多いが、より効率的な回路構成としては、これらを一体化して機能化することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
従来、同期処理と誤り訂正処理を同時に行う方式が検討された例はあるが、効率的に遅延なく同期と誤り訂正を並列して行う実用的な回路を構築することは極めて困難であった。本発明は、従来誤り訂正のみに利用されていた誤り訂正符号の誤り検出機能を同期の確定に利用する方式であり、同期処理と同時に誤り訂正処理を効率的に行う方式である。以下、その具体的な手段について説明する。
送信側において、データを一定サイズ単位で誤り訂正ブロック符号化し、符号ブロック単位で多相位相変調方式等により送信する。このとき１クロックにつき、複数又は１つのビットを最小単位として送信される。この１クロックあたりの伝送ビット数を１シンボルと定義する。以下では、簡単のため１シンボル＝１ビットの場合について説明するが、多ビットの場合についても容易に本発明を適用可能である。
受信側では、数珠上に連結したメモリセル（シフトレジスタ）内に、１シンボル受信する毎に順次保存する。また同時に保持されているデータを符号ブロックと見たてて１シンボル受信毎に順次誤り検出を行う。理想的には、送信側で定めた符号ブロックの開始位置と誤り検出を行う区間の先頭位置が一致した瞬間には、誤りの無い状態と同様となるため誤り検出レベルが低レベルとなり、それ以外の位置では誤り検出されるビットが異なる配列となるため誤りの多い状態となり、誤り検出レベルが高レベルとなる。このシンボル受信単位毎に変化する誤り検出レベルを閾値でチェックし、閾値以下に誤り検出レベルが低くなった場合に同期位置とみなす。同期位置が検出された場合、その時点のデータ復号結果を受信データとして出力する。
本発明は、誤り検出レベルの変動から同期位置を確定する方式であるため、１シンボル受信毎に誤り検出レベルを得ることが必須条件である。従って内部の誤り訂正符号方式は、１シンボル受信毎に誤り検出及び復号処理を完了しなければならない。本発明においては、内部に組み込む誤り訂正符号として「高次元トーラス結び目符号方式」(特願平１０−１５３２６３号)を用いる。高次元トーラス結び目符号は、先に発明者によって１クロックで復号処理を終了する高速な回路技術（特願平１１−３１２０４０号）が確立されている。なお、内部に組み込む誤り訂正符号方式は「高次元トーラス結び目符号」に限定するものではなく、１クロック内に誤り検出レベル・及び訂正結果を得ることができる誤り訂正符号方式であれば、本同期方式に採用することが可能である。
【発明の実施の形態】
本発明においては、内部に組み込む誤り訂正符号として高次元トーラス結び目符号方式を用いる場合について以下具体的に説明するが、他の訂正符号方式についても適用することが可能である。
以下では、高次元トーラス結び目符号方式を用いた本発明の構成について説明する。
高次元トーラス結び目符号は、図１のようにm-1個のデータビットに対し1ビットのパリティビットを付加する一次元パリティを格子状に多次元に配列した構造となっている。パリティビットは、データビット（m-1個）との２を法とする加算結果が０になるよう定める偶パリティと、１になるように定める奇パリティがあるが、以下では偶パリティを採用した場合について説明する。
図１は、次元数ｎ＝３、サイズ（一辺の長さ）ｍ＝４ビットの符号の例である。各ビットは、３方向のパリティ検査線を持っており、全体で４８本のパリティ検査線がある。従って一般の次元数ｎの場合、各ビットはｎ方向のパリティ検査線を持ち、符号ブロックサイズはmのn乗、ブロック中のデータの個数は(m-1)のn乗であり、符号化率は(1-1/m)のn乗となる。パリティ検査線の総数はn×(mの(n-1)乗)である。
高次元トーラス結び目符号の復号方式については、多種存在するが代表的なパリティ検査線についての多数決判定による復号処理について以下に説明する。全てのビットについて、それを貫くn本のパリティ検査線の内、誤判定パリティ検査線の本数をカウントし、誤り判定の本数が閾値（３次元の場合は２〜３）以上になった場合に訂正を行う。一般に閾値を変えて複数回訂正処理を行い、結果として訂正能力を向上させることが可能である。高次元トーラス結び目符号のハードウエア化については、先に発明者によって１クロックで復号処理を終了する高速な回路技術（特願平１１−３１２０４０号）が確立されている。
以下では、高次元トーラス結び目符号を用いた同期方式の動作をデータ処理の流れにそって説明する。
送信側において、図１のようにデータに従って検査線毎にパリティビットを決定して符号化を達成する。次いで図２に示すように符号語の連結から成るビットストリーム（２−２）を作成し、符号ブロック単位でスクランブル（並び替え）を行う。スクランブル処理を行う理由は、伝送又は蓄積の過程で生ずるバースト誤りを、受信側で逆のスクランブルを行うことによりランダム化し、結果として誤り訂正能力を向上させるためである。スクランブルについては多種の方式が存在し、パリティ検査線に対して斜めに送出する方式もその一つであるが、誤同期確率について評価したシミュレーション結果では、パリティ検査線に対し斜め方向に送出する方式よりもランダムにスクランブルした方式の方が優れている。
送信側から、スクランブルをおこなったビットストリーム（２−３）を符号ブロック単位（２−４）で連続或いは不連続に通信路に送出する。受信側では、逆の並び替えが行われ、この段階で受信データに含まれるバースト誤りはランダムな誤りへと変換される。
受信側においては、以下図４に示すごとく逆の並び替えをおこないつつ、符号ブロック長のシフトレジスタ内に順次受信データを蓄積する。なお、並び替えの送受間の同期については、シフトレジス内のメモリセルが並び替え順に結線されているため必要としない。次いで１シンボルを受信する毎にシフトレジスタに保持されているデータを符号ブロックと見たてて誤り検出を行うことにより、図３に示す１シンボル受信毎に変化する誤り検出レベルが得られる。理想的には検査区間の開始位置と受信符号ブロックの先頭位置が一致した時点で符号ブロック内の誤りが少ない状態となり、誤り検出レベルが低くなる。この特性を利用し、誤り検出レベルが閾値以下となった場合を同期と判定し、その時点の復号結果を受信データとして出力する。以上が本発明における同期の手順である。
以下では、さらに具体的に回路上の信号の流れを追って、高次元トーラス結び目符号を用いた復号・同期回路について説明する。
受信側において、受信データ（４−１）は、符号ブロックサイズ（ビット長）の記憶容量を持つシフトレジスタ回路（４−２）に逐次保持される。このシフトレジスタ回路は、内部のメモリセルの接続順番を送信側のスクランブルの順番と同様にすることにより、１符号ブロックを受信完了と同時にスクランブル処理を完了する構造となっている。
シフトレジスタ回路からの出力信号（４−３）は２分され、一方は多数決論理回路（４−５３）に入力され、他方はパリティ演算回路（４−４）に入力される。パリティ演算回路では、シフトレジスタからの出力（４−３）についてパリティ演算をおこない、結果（４−５）を出力する。パリティ演算回路（４−４）の内部は、１次元単位ですなわち検査線ごとにパリティ演算を行う回路（４−４１）から構成されている。パリティ演算結果は誤り訂正回路（４−６）及び同期検出回路（４−９）に入力される。
まず、誤り訂正回路（４−６）の信号の流れから説明する。パリティ演算回路（４−４）より出力されたパリティ演算結果（４−５）は、誤パリティ検査線カウント回路（４−５１）に入力される。誤パリティ検査線カウント回路は、各ビットを貫くパリティ検査線についての誤り検査線本数をカウントする回路である。この回路は符号ブロック内のビット数と同じ数存在する。誤判定パリティ検査線カウント回路によって、各ビットを貫く誤パリティ検査線数（４−５２）が定まり、多数決論理回路（４−５３）に入力される。多数決論理回路もまた、符号ブロック内のビット数と同じ数存在し、各ビットに対応する多数決論理回路にて、誤りパリティ検査線数が閾値（４−８）設定端子の値より大きくなった場合に、誤りと判定してシフトレジスタ回路からの出力信号（４−３）の極性を反転し訂正結果（４−７）出力する。このような訂正が誤り訂正回路（４−６）でビット毎に行われる。
次に、同期検出回路（４−９）の信号の流れについて説明する。
パリティ演算回路（４−４）より出力されたパリティ演算結果（４−５）を同期検出回路（４−９）中の誤パリティ検査線カウント回路（４−９１）に入力する。誤パリティ検査線カウント回路では、符号ブロック全体の誤判定パリティ検査線の総数をカウントし、結果（４−９２）を出力する。符号ブロック全体の誤判定パリティ検査線の総数（４−９２）は、比較回路（４−９３）にて閾値（４−１１）設定端子の値と大小比較され、誤パリティ検査線の総数が閾値よりも少ない場合、同期検出信号（４−１０）をアクティブな状態にする。以上が、高次元トーラス結び目符号を用いた復号・同期回路の信号の流れである。
高次元トーラス結び目符号においては、訂正復号を繰り返し行うことにより訂正能力を大幅に改善できることが特願平１１−３１２０４０号に示されている。図５は、１回あたりの復号・同期回路（図４）を最小単位として、これをN段連結したパイプライン処理構造を持つ復号回路である。図５の回路では、パイプライン処理構造のため、１ビットのデータが入力される毎に各段から復号結果、および同期検出結果を得ることができる。
１段目の復号・同期回路（５−１）において同期が検出された場合、同期検出信号（５−１１）は、ディレイ回路（５−６）を経由し出力バッファに通知される。一方同期時点の復号データは、２段目（５−２）以降のパイプライン構造の復号回路を経由して最終段（５−３）の復号・同期回路から出力され、出力バッファ回路（５−４）に入力される。ディレイ回路（５−６）は、復号・同期回路から出力された復号（誤り訂正）結果（５−１２）がパイプラインを経由し、出力バッファに到達する時間分、同期検出信号を遅らせるための回路である。出力バッファ回路（５−４）に保持されたデータは、外部回路により次の受信ブロックが保持される時点までに読み出される。
出力バッファ回路へのデータ保持のトリガとして用いる同期検出信号（５−８）は１段目（５−１1）に限定する必要はなく、２段目（５−２1）〜最終段（５−３1）の同期結果をセレクタ（５−７）により選択することが可能である。より後段の同期検出結果を採用することで、誤り訂正を行った結果を反映した同期検出結果を採用することになり、より信頼度の高い同期検出を行うことが出来る。なお回路全体の消費電力を低減するためには、１段目の同期検出結果を用いて１段目と２段目間のラッチ回路（５−５）の制御を行い、２段目以降への同期時以外のデータの流入を防ぐ。データの流入を防止することにより、２段目以降の復号・同期回路が動作しない状態となり、消費電力を低減させることが可能となる。
また、パケットないし符号ブロック毎にこれを識別する機能をもつ通信方式の応用があげられる。ある符号方式によって生成した符号ブロックから成る送信パケットは、本同期方式においては同一の符号方式を受信機側で内蔵している場合のみ同期検出が可能であり、別の符号方式によって生成された符号ブロックに対しては同期検出動作は行われない。従って、複数の異なる符号方式により符号化した符号ブロックを同一通信路上に送信し、受信側にて複数種の符号方式を内蔵した同期を行うことにより、パケットないし符号ブロック毎に識別を行うことが出来る。この方法は、複数種の符号方式を用いる代わりに、内部パラメータを変えた同一の符号方式を複数用いることによっても実現可能である。高次元トーラス結び目符号方式を採用した同期方式においては、次元数、サイズの異なる複数種の符号を用いる方法もあげられるが、さらに内部のスクランブルの順番を変えることによっても同等の機能を得ることが出来る。
また、上記の図に示した符号ブロックのみを送信パケットとする方式の他の応用として、同期用の符号ブロックの後にデータ格納用ブロックを付加する方式がある。この方式の場合は、図５における回路の出力バッファ回路（５−４）の最終メモリセルにデータブロック用のシフトレジスタを連結することにより実現することが出来る。
また本同期方式は、符号ブロック間又は符号ブロックとデータブロック間に固定データを挟むことにより、擬似同期確率を改善することが可能である。この機能も出力バッファ（５−４）の最終メモリセルの後に固定データ用のシフトレジスタを連結することにより容易に実現可能である。
以下では、ソフトウエアシミュレーションの評価結果を用いて、本発明の効果について説明する。評価した内容は、▲１▼擬似同期確率（同期すべきでない時点で同期する確率）、▲２▼同期見逃し確率（同期すべき時点で同期しない確率）である。
図６、７に、閾値による本同期方式（高次元トーラス結び目符号３次元サイズ５：符号ブロックサイズ１２５ビット）の受信データの平均誤り率に対する擬似同期確率・同期見逃し確率の測定結果を示す。閾値を小さくとると同期についてのチェックが厳しくなるため擬似同期確率は低くなるが、同期見逃し確率は高くなる。閾値を大きくとった場合は、上記とは逆に、擬似同期確率は高く、同期見逃し確率は低くなる。図６、７より、閾値９が同期見逃し確率と擬似同期確率とも低く、３次元サイズ５の高次元トーラス結び目符号について妥当な閾値の一例となる。閾値９の擬似同期確率は、3.0×10のマイナス10乗であり、同期見逃し確率は1.0×10のマイナス8乗(入力誤り率：10のマイナス４乗)である。
図８は、高次元トーラス結び目符号を３次元符号として、サイズを３〜５に変化させた場合における閾値３における擬似同期確率を測定した結果である。３（N）次元の高次元トーラス結び目符号方式は、内部に誤りが混入した場合、必ず３（N）ビット以上のパリティ検査線が誤り判定となる。よって閾値３は最小の値であり、パリティ検査線数の異なるサイズ３〜５の同期方式の特性を公平に評価するために閾値３を採用した。図８において、サイズが大きくなるほど擬似同期確率が低くなっている。符号という観点から言えば、パリティ検査線の本数を多くすることにより復号結果の信頼性が増すために、擬似同期確率の発生確率が低くなると考えられる。高次元トーラス結び目符号は次元数、サイズが大きくなるほど内部のパリティ検査線の本数が多くなるため、次元数、サイズを大きく採用することにより、図８のように擬似同期確率を著しく低下させることが出来る。
図9は、高次元トーラス結び目符号（３次元サイズ５：符号ブロックサイズ１２５ビット）と従来同期方式であるHDLC（High Level Data Link Control：同期認識コード８ビット、データサイズ１０９ビット）の擬似同期確率について測定した結果である。入力誤り率10のマイナス2乗を目標とする本発明において誤り率10のマイナス4乗という入力誤りは比較的誤りの少ない領域である。入力誤り率10のマイナス4乗において擬似同期確率は、本同期方式、HDLC方式ともほぼ同じであるが、HDLC方式は、誤りが多くなるにしたがって徐々に性能が悪化する傾向がみられる。一方本同期方式の場合は入力誤りによる擬似同期確率の劣化がみられず、誤り率10のマイナス2乗においては、HDLC方式よりも２桁近く良い結果となっている。図１０は同期見逃し確率について同様の測定結果である。同期見逃し確率は、全領域において本同期方式の方が低く、特に誤り率10のマイナス4乗においては５桁程良い結果となっている。なお、本発明によれば、次元数およびサイズを大きく採用することで、擬似同期確率、同期見逃し確率をさらに改善することが可能である。
これらの結果は、本同期方式の誤りに対する強さを表しており、無線通信等誤りの多く発生する領域における本同期方式の有用性を示すものである。
【発明の効果】
誤りの発生する伝送路において発生する同期の検出ミスは、データ再送を頻発させる原因となり実質上の伝送速度を著しく低下させる。本発明は、誤り訂正と同時に同期検出を高信頼度に行う方式であり、誤りの発生する劣悪な通信路において、誤りを訂正をしつつ同期検出の信頼度を向上させる機能を持っている。本発明は、従来の同期方式・誤り訂正方式と比較して高速動作可能であり、無線通信路だけでなく、近年高速化の著しい光通信や情報処理・データ蓄積装置への技術適用が可能である。また、本同期方式においては同期用の特別な付加情報を必要としないため、システム全体の速度を低減させることなく、データの信頼性を向上させることができる。従って本発明を上記分野等に応用することにより、性能向上とシステムの適用・展開に与える効果は著しく大きいものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】３次元、サイズ４のトーラス結び目符号の構成を示す例
【図2】本同期方式の送信データの内部構造を示す図
【図３】１シンボル受信毎に変化するパリティ誤り検出レベルを示す図
【図４】高次元トーラス結び目符号を内蔵した同期・復号回路の実施例
【図５】高次元トーラス結び目符号を内蔵したパイプライン構造によるN段構成の同期・復号回路の実施例
【図６】本同期方式（高次元トーラス結び目符号３次元サイズ５：符号ブロックサイズ１２５ビット）の閾値による擬似同期確率特性
【図７】本同期方式（高次元トーラス結び目符号３次元サイズ５：符号ブロックサイズ１２５ビット）の閾値による同期見逃し確率特性
【図８】本同期方式（高次元トーラス結び目符号３次元サイズ３〜５）・閾値３の擬似同期確率特性
【図９】本同期方式（高次元トーラス結び目符号３次元サイズ５：符号ブロックサイズ１２５ビット）と従来同期方式HDLC（同期認識コード８ビット、同期認識コード＋データサイズ１２５ビット）の擬似同期確率の比較
【図１０】本同期方式（高次元トーラス結び目符号３次元サイズ５：符号ブロックサイズ１２５ビット）と従来同期方式HDLC（同期認識コード８ビット、同期認識コード＋データサイズ１２５ビット）の同期見逃し確率の比較
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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