(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビットのブロックを受信するデータソースと、
分布マッチャのセットを記憶するメモリであって、各分布マッチャは、確率質量関数（ＰＭＦ）に関連付けられて、尤度が等しい入力ビットが、前記分布マッチャの前記ＰＭＦに従って分布する値を有する固定数の出力ビットにマッチングされ、前記各分布マッチャは、全ての前記分布マッチャの同時確率の総和が目標ＰＭＦに等しくなるように、或る選択確率に関連付けられ、前記分布マッチャの同時確率は、前記分布マッチャのＰＭＦと、前記分布マッチャの前記選択確率との積である、メモリと、
前記選択確率を用いて前記分布マッチャのセットから前記分布マッチャを選択し、前記選択された分布マッチャを用いて、前記ビットのブロックを、非一様分布を有する整形されたビットのブロックにマッピングする整形マッパと、
前記整形されたビットのブロックのシーケンスにおけるビットが前記目標ＰＭＦに従って分布するように、前記整形されたビットのブロックを、通信チャネルを介して送信する送信機フロントエンドと、
を備え、
前記メモリから、前記分布マッチャを規定する葉を有するバイナリツリーを選択し、
前記バイナリツリーから、前記バイナリツリーを通じた前記分布マッチャの前記葉までの経路の長さに等しい前記ビットのブロックのプレフィックスビットを用いて前記分布マッチャを選択する、
プロセッサを更に備える、通信システム。
【請求項２】
前記目標ＰＭＦは、マクスウェル−ボルツマン分布である、請求項１に記載の通信システム。
【請求項３】
前記整形マッパは、前記ビットのブロック内の少なくともいくつかのビットの値に従って、前記分布マッチャを選択し、前記ビットのブロック内の前記値の生起確率は、前記分布マッチャの前記選択確率に等しい、請求項１に記載の通信システム。
【請求項４】
ビットのブロックを受信するデータソースと、
分布マッチャのセットを記憶するメモリであって、各分布マッチャは、確率質量関数（ＰＭＦ）に関連付けられて、尤度が等しい入力ビットが、前記分布マッチャの前記ＰＭＦに従って分布する値を有する固定数の出力ビットにマッチングされ、前記各分布マッチャは、全ての前記分布マッチャの同時確率の総和が目標ＰＭＦに等しくなるように、或る選択確率に関連付けられ、前記分布マッチャの同時確率は、前記分布マッチャのＰＭＦと、前記分布マッチャの前記選択確率との積である、メモリと、
前記選択確率を用いて前記分布マッチャのセットから前記分布マッチャを選択し、前記選択された分布マッチャを用いて、前記ビットのブロックを、非一様分布を有する整形されたビットのブロックにマッピングする整形マッパと、
前記整形されたビットのブロックのシーケンスにおけるビットが前記目標ＰＭＦに従って分布するように、前記整形されたビットのブロックを、通信チャネルを介して送信する送信機フロントエンドと、
を備え、
前記メモリは、第１のＰＭＦ及び第１の選択確率に関連付けられた第１の分布マッチャと、第２のＰＭＦ及び第２の選択確率に関連付けられた第２の分布マッチャとを記憶し、前記第１のＰＭＦは、前記第２のＰＭＦとは異なり、前記第１の選択確率は、前記第２の選択確率に等しく、前記第１の分布マッチャの前記同時確率及び前記第２の分布マッチャの前記同時確率の総和は、前記目標ＰＭＦに等しい、通信システム。
【請求項５】
ビットのブロックを受信するデータソースと、
分布マッチャのセットを記憶するメモリであって、各分布マッチャは、確率質量関数（ＰＭＦ）に関連付けられて、尤度が等しい入力ビットが、前記分布マッチャの前記ＰＭＦに従って分布する値を有する固定数の出力ビットにマッチングされ、前記各分布マッチャは、全ての前記分布マッチャの同時確率の総和が目標ＰＭＦに等しくなるように、或る選択確率に関連付けられ、前記分布マッチャの同時確率は、前記分布マッチャのＰＭＦと、前記分布マッチャの前記選択確率との積である、メモリと、
前記選択確率を用いて前記分布マッチャのセットから前記分布マッチャを選択し、前記選択された分布マッチャを用いて、前記ビットのブロックを、非一様分布を有する整形されたビットのブロックにマッピングする整形マッパと、
前記整形されたビットのブロックのシーケンスにおけるビットが前記目標ＰＭＦに従って分布するように、前記整形されたビットのブロックを、通信チャネルを介して送信する送信機フロントエンドと、
を備え、
前記メモリは、第１のＰＭＦ及び第１の選択確率に関連付けられた第１の分布マッチャと、第２のＰＭＦ及び第２の選択確率に関連付けられた第２の分布マッチャと、第３のＰＭＦ及び第３の選択確率に関連付けられた第３の分布マッチャとを記憶し、前記第１のＰＭＦは、前記第２のＰＭＦとは異なり、前記第３のＰＭＦは、前記目標ＰＭＦに等しく、前記第１の選択確率は、前記第２の選択確率に等しく、前記第１の分布マッチャの前記同時確率、前記第２の分布マッチャの前記同時確率、及び前記第３の分布マッチャの前記同時確率の総和は、前記目標ＰＭＦに等しい、通信システム。
【請求項６】
前記ビットの非一様分布を有する整形されたビットのブロックから、一様に分布するパリティビットを生成し、前記パリティビットを、前記整形されたビットのブロックの前記ビットと組み合わせるＦＥＣエンコーダを更に備える、請求項１に記載の通信システム。
【請求項７】
前記パリティビットのうちの少なくともいくつかは、符号ビットである、請求項６に記載の通信システム。
【請求項８】
前記整形されたビットのブロックの前記シーケンスを、前記一様に分布するパリティビットによって求められた符号ビットのうちの少なくともいくつかを用いて、ＱＡＭシンボルの振幅ビット上に変調する変調器と
前記通信チャネルを介したアナログ送信のために前記整形されたビットのブロックの被変調シーケンスを処理するためのデジタル信号プロセッサと、
を更に備える、請求項６に記載の通信システム。
【請求項９】
前記分布マッチャによって生成される前記整形されたビットのブロックのシンボルは、シンボルの有限セットから選択され、前記整形されたビットのブロック内の異なるシンボルの生起の頻度は、前記分布マッチャの前記ＰＭＦによって規定される、請求項１に記載の通信システム。
【請求項１０】
ビットのブロックを受信するデータソースと、
分布マッチャのセットを記憶するメモリであって、各分布マッチャは、確率質量関数（ＰＭＦ）に関連付けられて、尤度が等しい入力ビットが、前記分布マッチャの前記ＰＭＦに従って分布する値を有する固定数の出力ビットにマッチングされ、前記各分布マッチャは、全ての前記分布マッチャの同時確率の総和が目標ＰＭＦに等しくなるように、或る選択確率に関連付けられ、前記分布マッチャの同時確率は、前記分布マッチャのＰＭＦと、前記分布マッチャの前記選択確率との積である、メモリと、
前記選択確率を用いて前記分布マッチャのセットから前記分布マッチャを選択し、前記選択された分布マッチャを用いて、前記ビットのブロックを、非一様分布を有する整形されたビットのブロックにマッピングする整形マッパと、
前記整形されたビットのブロックのシーケンスにおけるビットが前記目標ＰＭＦに従って分布するように、前記整形されたビットのブロックを、通信チャネルを介して送信する送信機フロントエンドと、
を備え、
前記分布マッチャによって生成される前記整形されたビットのブロックのシンボルは、シンボルの有限セットから選択され、前記整形されたビットのブロック内の異なるシンボルの生起の頻度は、前記分布マッチャの前記ＰＭＦによって規定され、
前記選択された分布マッチャは、前記ビットのブロック内の前記ビットの異なる値について、前記分布マッチャの前記ＰＭＦを規定する頻度で前記シーケンス内に生起するシンボルのシーケンスを並べ替える、通信システム。
【請求項１１】
ビットのブロックを受信するデータソースと、
分布マッチャのセットを記憶するメモリであって、各分布マッチャは、確率質量関数（ＰＭＦ）に関連付けられて、尤度が等しい入力ビットが、前記分布マッチャの前記ＰＭＦに従って分布する値を有する固定数の出力ビットにマッチングされ、前記各分布マッチャは、全ての前記分布マッチャの同時確率の総和が目標ＰＭＦに等しくなるように、或る選択確率に関連付けられ、前記分布マッチャの同時確率は、前記分布マッチャのＰＭＦと、前記分布マッチャの前記選択確率との積である、メモリと、
前記選択確率を用いて前記分布マッチャのセットから前記分布マッチャを選択し、前記選択された分布マッチャを用いて、前記ビットのブロックを、非一様分布を有する整形されたビットのブロックにマッピングする整形マッパと、
前記整形されたビットのブロックのシーケンスにおけるビットが前記目標ＰＭＦに従って分布するように、前記整形されたビットのブロックを、通信チャネルを介して送信する送信機フロントエンドと、
を備え、
前記分布マッチャによって生成される前記整形されたビットのブロックのシンボルは、シンボルの有限セットから選択され、前記整形されたビットのブロック内の異なるシンボルの生起の頻度は、前記分布マッチャの前記ＰＭＦによって規定され、
前記目標ＰＭＦによって規定される生起の頻度及び前記整形されたビットのブロック内のシンボルの数の倍数に等しいシンボルの総数を有するシンボルのマルチセットを生成し、
前記整形されたビットのブロック内の前記シンボルの数に等しい各サブセット内のシンボルの総数を有するシンボルの複数のサブセットを生成するように前記シンボルのマルチセットをパーティション化し、ここで、前記パーティション化によって生成されるサブセットの数は、前記シンボルのマルチセットについての前記シンボルの数の前記倍数に等しく、
前記サブセット内の各シンボルの生起の数によって求められる多項係数以下である最大の２のべき乗によって求められる、生成されるサブセットごとのシンボルの最大数の順列を選択し、
前記ビットのブロックのサイズを、最小数の順列を有する前記サブセット内の最大の２のべき乗として求める、
プロセッサを更に備える、通信システム。
【請求項１２】
ビットのブロックを受信するデータソースと、
分布マッチャのセットを記憶するメモリであって、各分布マッチャは、確率質量関数（ＰＭＦ）に関連付けられて、尤度が等しい入力ビットが、前記分布マッチャの前記ＰＭＦに従って分布する値を有する固定数の出力ビットにマッチングされ、前記各分布マッチャは、全ての前記分布マッチャの同時確率の総和が目標ＰＭＦに等しくなるように、或る選択確率に関連付けられ、前記分布マッチャの同時確率は、前記分布マッチャのＰＭＦと、前記分布マッチャの前記選択確率との積である、メモリと、
前記選択確率を用いて前記分布マッチャのセットから前記分布マッチャを選択し、前記選択された分布マッチャを用いて、前記ビットのブロックを、非一様分布を有する整形されたビットのブロックにマッピングする整形マッパと、
前記整形されたビットのブロックのシーケンスにおけるビットが前記目標ＰＭＦに従って分布するように、前記整形されたビットのブロックを、通信チャネルを介して送信する送信機フロントエンドと、
を備え、
前記分布マッチャによって生成される前記整形されたビットのブロックのシンボルは、シンボルの有限セットから選択され、前記整形されたビットのブロック内の異なるシンボルの生起の頻度は、前記分布マッチャの前記ＰＭＦによって規定され、
前記目標ＰＭＦによって規定される生起の頻度及び前記整形されたビットの前記ブロック内のシンボルの数の倍数に等しいシンボルの総数を有するシンボルのマルチセットを生成し、
前記シンボルのマルチセットの複数のパーティション化を実行して、パーティションごとに、前記整形されたビットの前記ブロック内の前記シンボルの数に等しい各サブセット内のシンボルの総数を有する、シンボルの複数のサブセットを生成し、ここで、前記パーティション化によって生成される前記サブセットの数は、前記シンボルのマルチセットについての前記シンボルの数の前記倍数に等しく、
各パーティションにおいて、前記サブセット内の各シンボルの生起の数によって求められる多項係数以下である最大の２のべき乗によって求められる、生成されるサブセットごとのシンボルの最大数の順列を選択し、
各パーティションにおいて、最小数の順列を有する前記サブセットにおいて最大の２のべき乗を求め、
全てのパーティションの全てのサブセットにわたる前記最大の２のべき乗を総和し、
前記最大のべき乗の前記総和に従って最大の２のべき乗として前記ビットのブロックのサイズを求め、
全ての選択されたサブセットにわたるシーケンスの総数が、必要とされるシーケンスの総数に等しくなるまで、それらの最大の２のべき乗に従って前記パーティションをランク付けすることによって形成されたリストからサブセットを選択する、
プロセッサを更に備える、通信システム。
【請求項１３】
通信チャネルを介して送信された前記整形されたビットのブロックを受信する受信機フロントエンドと、
分布デマッチャのセットを記憶する受信機メモリであって、各分布デマッチャは、前記分布マッチャに関連付けられる、受信機メモリと、
前記整形されたビットの送信ブロック内のシンボルの生起の頻度に基づいて前記分布デマッチャを選択し、前記整形されたビットの送信ブロックを前記ビットのブロックにマッピングする、整形デマッパと、
を更に備える、請求項１に記載の通信システム。
【請求項１４】
ビットのシンボルを通信する方法であって、前記方法は、前記方法を実施する記憶された命令に結合されたプロセッサを使用し、前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記方法の少なくともいくつかのステップを実行し、前記ステップは、
ビットのブロックを受信するステップと、
分布マッチャのセットを記憶するメモリから分布マッチャを選択するステップであって、各分布マッチャは、確率質量関数（ＰＭＦ）に関連付けられて、尤度が等しい入力ビットが、前記分布マッチャの前記ＰＭＦに従って分布する値を有する固定数の出力ビットにマッチされ、各分布マッチャは、全ての分布マッチャの同時確率の総和が目標ＰＭＦに等しくなるように、或る選択確率に関連付けられ、分布マッチャの同時確率は、前記分布マッチャのＰＭＦと、前記分布マッチャの前記選択確率との積である、ステップと、
前記選択された分布マッチャを用いて、前記ビットのブロックを、非一様分布を有する整形されたビットのブロックにマッピングするステップと、
前記整形されたビットのブロックのシーケンスにおけるビットが前記目標ＰＭＦに従って分布するように、前記整形されたビットのブロックを、通信チャネルを介して送信するステップと、
前記メモリから、前記分布マッチャを規定する葉を有するバイナリツリーを選択し、
前記バイナリツリーから、前記バイナリツリーを通じた前記分布マッチャの前記葉までの経路の長さに等しい前記ビットのブロックのプレフィックスビットを用いて前記分布マッチャを選択するステップと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、デジタル通信システムに関し、より詳細には、雑音を有するチャネルを介して送信されるデータを符号化及び復号することに関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタル通信の誕生以来、加法性白色ガウス雑音チャネルの場合の最適な信号分布は一様ではないことが知られている。デジタル通信システムのために非一様分布を生成するには、主に２つの手法が存在する。２つの手法とは、性能を最大化するために等確率の（equiprobable：確率が等しい）コンスタレーション点が非一様に配置される幾何学的整形（geometric shaping）と、性能を最大化するためにコンスタレーション点の確率が最適化される確率的整形（probabilistic shaping）との２つである。カーディナリティが等しい場合、確率的整形の性能が幾何学的整形の性能より優れていることが一般に受け入れられているものの、情報が一様に分布するビットのシーケンス（送信することを望むもの等）を、等確率でないシンボルのシーケンス上にマッピングする方法は、極端に困難であることが実証されている。最も一般的に用いられる方法は、一定構成分布マッチング（ＣＣＤＭ：constant composition distribution matching）の方法であり、これは、等確率のビットを、所望のシンボル確率質量関数（ＰＭＦ）を有する「典型的なシーケンス」の順列であるシーケンス上にマッピングするものである。この方法は、良好な性能を達成する（漸近的に長いシンボルシーケンスについて任意に低いレート損失を達成する）ことができるものの、２つの致命的な欠点を有する。２つの欠点とはすなわち、低レート損失を達成する能力には非常に長いシーケンスが要求され、これにより、高い複雑度及びレイテンシーがもたらされることと、唯一知られている効率的なマッピングアルゴリズム及びデマッピングアルゴリズムがシンボル単位で逐次的なものであり（すなわち、或るシンボルシーケンスにおいて、各シンボルを順に復号する必要があり）、これにより、先のものと同様に、非常に高い複雑度及びレイテンシーがもたらされることとの２つである。
【発明の概要】
【０００３】
いくつかの実施形態の目的は、ビットの値の等確率の、すなわち一様な分布を有するシンボルの入力シーケンスを、所望の非一様分布を有するビットの値を有するシンボルの出力シーケンスに変換することである。いくつかの実施形態は、シンボルのセットを複数の一意のサブセットにパーティション化することができ、一意のサブセットのうちの各々は、複数の可能な一意の順列を有するという理解に基づいている。この理解によれば、個々には所望の分布を有しないが、所望の分布に等しい平均分布を有する複数のより小さいセットを用いることによって、シンボルセットの総分布を所望の分布にすることができる。いくつかの実施形態では、分布は、デジタル信号処理の離散的な性質を反映する確率質量関数（ＰＭＦ）によって規定される。このため、本明細書においては、所望の分布を目標ＰＭＦと称する。
【０００４】
特に、いくつかの実施形態は、シンボルの入力シーケンスをブロック単位で変換することができるという理解に基づいている。例えば、いくつかの実施形態は、ビットの値の一様分布を有するビットのブロックを、ビットの値の非一様分布を有する整形されたビットのブロックに変換する。一方、いくつかの実施形態は、異なるＰＭＦを有する整形されたビットの異なるブロックが目標ＰＭＦを有するビットのシーケンスを形成する限り、整形されたビットのブロックの非一様分布のＰＭＦが目標ＰＭＦとは異なり得るという理解に基づいている。このような理解により、目標ＰＭＦにのみ従って変換されるビットのブロックの長さに対して、変換すべきビットのブロックの長さを削減することが可能になる。これにより、レート損失の低下が可能になり、これは、チャネルを介してデータを送信することができる最大レートの上昇に対応する。
【０００５】
いくつかの実施形態は、ビットの送信シーケンスの目標ＰＭＦの形成が、整形されたビットの各個別ブロックのＰＭＦ、及びビットの送信シーケンス内での異なるＰＭＦを有する整形されたビットのブロックの生起の頻度に依存するという理解に基づいている。例えば、目標ＰＭＦが０．６ＰＭＦ１＋０．３ＰＭＦ２＋０．１ＰＭＦ３に等しい場合、ビットの送信シーケンスは、ＰＭＦ２に従ったビットの分布を有するように変換された整形ビットのブロックの２倍の数である、ＰＭＦ１に従ったビットの分布を有するように変換された整形ビットのブロックを有するはずであり、かつ、ＰＭＦ３に従ったビットの分布を有するように変換された整形ビットのブロックの３倍の数である、ＰＭＦ２に従ったビットの分布を有するように変換された整形ビットのブロックを有するはずである。この理解により、種々の実施形態が、異なるＰＭＦを有する分布マッチングを、異なる分布マッチングの選択確率と組み合わせ、目標ＰＭＦを有する送信の設計融通性を達成することが可能になる。
【０００６】
いくつかの実施形態は、バイナリシンボルの送信の場合、シンボルは、典型的には、有限アルファベットから選択されるという認識に基づいている。いくつかの実施形態は、整形されたビットのブロック内の各シンボルの生起の頻度によって、整形されたビットのブロックのＰＭＦを規定することができるという認識に基づいている。一方、整形されたビットのブロック内のシンボルの順序は、ＰＭＦには無関係であり、したがって、特定のＰＭＦを有する整形ビットのブロックの順列は、同じ特定のＰＭＦを有するビットの異なる入力ブロックを符号化することができる。このような理解により、ビットのブロックの、特定のＰＭＦを有する整形されたビットのブロックへのマッピングが簡略化される。
【０００７】
いくつかの実施形態は、バイナリ情報を送信する場合、整形されたビットのブロックの総数は、望ましくは２のべき乗であるべきであり、全体で２のべき乗の数のシーケンスを達成するいくつかの特定のサブセット及びその順列の選択は、マッピングアルゴリズム及びデマッピングアルゴリズムを構築する際に有利であり得るという理解に基づいている。
【０００８】
いくつかの実施形態は、サブセットの各集合体における順列の総数を、或るパーティション内の全てのサブセットによって達成可能な最も近い２のべき乗に切り捨てることができ、それゆえ、サブセットの各々への整数個のビットの割り当てが可能になるという理解に基づいている。この構造により、可変長ヘッダ（分布マッチャにおいて用いられるＰＭＦを有するサブセットを割り当てるのに用いられる）を含む固定ワード長、及び、分布マッチャによって割り当てられる所望の順列を求めるための可変数のビットが可能になる。
【０００９】
いくつかの実施形態は、所望のマルチセットを、各々が或る特定の数の順列を有するサブセットに分割することによって、マッピングアルゴリズム及びデマッピングアルゴリズムを、（ｉ）プレフィックスビットに従ってシンボルシーケンス内の各可能なシンボルの数を求めること、（ｉｉ）ビットの入力ブロック内の残りのビットに従ってシンボルシーケンスの順列を求めること、として記述することができるという更なる理解に基づいている。
【００１０】
したがって、１つの実施形態は、ビットのブロックを受信するデータソースと、分布マッチャのセットを記憶するメモリであって、各分布マッチャは、確率質量関数（ＰＭＦ）に関連付けられて、尤度が等しい入力ビットが、分布マッチャのＰＭＦに従って分布する値を有する固定数の出力ビットにマッチングされ、各分布マッチャは、全ての分布マッチャの同時確率の総和が目標ＰＭＦに等しくなるように、或る選択確率に関連付けられ、分布マッチャの同時確率は、分布マッチャのＰＭＦと、分布マッチャの選択確率との積である、メモリと、選択確率を用いて分布マッチャのセットから分布マッチャを選択し、この選択された分布マッチャを用いて、ビットのブロックを、非一様分布を有する整形されたビットのブロックにマッピングする整形マッパと、整形されたビットのブロックのシーケンスにおけるビットが目標ＰＭＦに従って分布するように、整形されたビットのブロックを、通信チャネルを介して送信する送信機フロントエンドとを備える、通信システムを開示する。
【００１１】
別の実施形態は、ビットのシンボルを通信する方法を開示する。本方法は、本方法を実施する記憶された命令に結合されたプロセッサを使用する。この命令は、プロセッサによって実行されると、本方法の少なくともいくつかのステップを実行する。本方法は、ビットのブロックを受信することと、分布マッチャのセットを記憶するメモリから分布マッチャを選択することであって、各分布マッチャは、確率質量関数（ＰＭＦ）に関連付けられて、尤度が等しい入力ビットが、分布マッチャのＰＭＦに従って分布する値を有する固定数の出力ビットにマッチされ、各分布マッチャは、全ての分布マッチャの同時確率の総和が目標ＰＭＦに等しくなるように、或る選択確率に関連付けられ、分布マッチャの同時確率は、分布マッチャのＰＭＦと、分布マッチャの選択確率との積であるように選択することと、選択された分布マッチャを用いて、ビットのブロックを、非一様分布を有する整形されたビットのブロックにマッピングすることと、整形されたビットのブロックのシーケンスにおけるビットが目標ＰＭＦに従って分布するように、整形されたビットのブロックを、通信チャネルを介して送信することとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】本発明のいくつかの実施形態による、確率的振幅整形を利用するデジタル通信システムのブロック図である。
【図１Ｂ】本発明のいくつかの実施形態による確率的整形マッパのブロック図である。
【図１Ｃ】本発明のいくつかの実施形態による、エンコーダ及びシンボル変調器のブロック図である。
【図２Ａ】一定構成分布マッチャと、本発明のいくつかの実施形態によるパーティションベース分布マッチャとの比較を含む、例示的な構造の信号ヒストグラムである。
【図２Ｂ】本発明のいくつかの実施形態による、目標分布マルチセットのバイナリパーティション化を示す概略図である。
【図２Ｃ】異なるＰＭＦ及び順列を有する例示的なシンボルシーケンスのセットの図である。
【図３】本発明のいくつかの実施形態による、サブセットごとに整数個のビットが用いられることを確実にするためにバイナリサブセットのために用いられる丸め込み手順のブロック図である。
【図４Ａ】本発明の１つの実施形態による、可変長ヘッダを可能にするツリーベースサブセットビットラベル付け手順のブロック図である。
【図４Ｂ】本発明のいくつかの実施形態による、分布マッチャにおいて用いられるサブセットのＰＭＦを求めるのに用いられる手順のブロック図である。
【図５】本発明のいくつかの実施形態による、送信機における分布マッチング、符号化及び変調プロセスのブロック図である。
【図６】本発明のいくつかの実施形態による、受信機における復調、復号及びデマッチングプロセスのブロック図である。
【図７】本発明のいくつかの実施形態による、整形マッパ及び分布マッチャのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１Ａは、いくつかの実施形態による確率的整形デジタル通信システムのブロック図を示している。ソース００１からのデータが、送信機（Ｔｘ）０１０に送信される。例えば、このデータは、まず、確率的整形マッパ０１１に送信され、その後、このデータは、前方誤り訂正（ＦＥＣ）エンコーダブロック０１２に送信され、一部のビットが整形されるとともに他のビット（特に、ＦＥＣエンコーダからのパリティビット）が一様に分布するビットのセットが生成される。符号化後、ビットは、直交振幅変調（ＱＡＭ）シンボルにマッピングされ（０１３）、その後、この信号は、デジタル信号処理（ＤＳＰ）を受ける（０１４）。いくつかの実施形態では、ＤＳＰは、マッピング、フィルタリング及び予等化等の他の機能も実行する。この信号は、その後、送信機フロントエンド０１５に送信され、この送信機フロントエンドにおいて、増幅、フィルタリング、変調及びアップコンバージョン等のアナログ動作が行われ、この信号は、その後、チャネル０２０を介して受信機（Ｒｘ）０３０に送信される。
【００１４】
受信機において、信号は、まず、受信信号のダウンコンバージョン、増幅、フィルタリング及び量子化等のアナログ動作を実行する受信機フロントエンド０３１を通過して、デジタル信号が生成される。このデジタル信号は、フロントエンド訂正（front-end correction）、色分散補償（chromatic dispersion compensation）、等化及び搬送波位相推定等の機能のためのデジタルプロセッサ０３２によって処理される。雑音を有するＱＡＭシンボルは、その後、例えば、ビット対数尤度比（ＬＬＲ）へのデマッピングを受ける（０３３）。ＦＥＣコードは、その後、復号される（０３４）。その後、復号されたビットは、確率的整形デマッパ０３５に送信される。デマッピングされ、一様に分布したビットは、その後、それらのビットの宛先、例えばデータシンク０４０に送信される。
【００１５】
図１Ｂは、いくつかの実施形態による通信システムのブロック図を示している。データソース１１０が、ビットのブロックを受信し、ビットのうちの少なくともいくつかが、分布マッチャ選択器１２０に送信される。メモリ（１３０）は、分布マッチャのセットを記憶する。各分布マッチャは、確率質量関数（ＰＭＦ）に関連付けられて、尤度が等しい入力ビットが、分布マッチャのＰＭＦに従って分布する値を有する固定数の出力ビットにマッチングされる。整形マッパ１２５は、選択確率を用いて分布マッチャのセットから分布マッチャ１４０を選択し、この選択された分布マッチャを用いて、ビットのブロックを、非一様分布を有する整形されたビットのブロックにマッピングするために用いられる。送信機フロントエンド１５０は、その後、整形されたビットのブロックのシーケンスにおけるビットが目標ＰＭＦに従って分布するように、整形されたビットのブロックを、通信チャネルを介して送信するために用いられる。
【００１６】
このようにして、いくつかの実施形態では、ビットの値の等確率の、すなわち一様な分布を有するシンボルの入力シーケンスを、所望の非一様分布を有するビットの値を有するシンボルの出力シーケンスに変換する。いくつかの実施形態は、シンボルのセットを複数の一意のサブセットにパーティション化し、一意のサブセットのうちの各々は、複数の可能な一意の順列を有する。このようにして、個々には所望の分布を有しないが、所望の分布に等しい平均分布を有する複数のより小さいセットを用いることによって、シンボルセットの総分布が所望の分布となる。いくつかの実施形態では、分布は、デジタル信号処理の離散的な性質を反映する確率質量関数（ＰＭＦ）によって規定される。このため、本明細書においては、所望の分布を目標ＰＭＦと称する。いくつかの実施形態によれば、目標ＰＭＦは、マクスウェル−ボルツマン分布（Maxwell-Boltzmann distribution）である。
【００１７】
特に、いくつかの実施形態は、シンボルの入力シーケンスをブロック単位で変換することができるという理解に基づいている。例えば、いくつかの実施形態は、ビットの値の一様分布を有するビットのブロックを、ビットの値の非一様分布を有する整形されたビットのブロックに変換する。一方、いくつかの実施形態は、異なるＰＭＦを有する整形されたビットの異なるブロックが目標ＰＭＦを有するビットのシーケンスを形成する限り、整形されたビットのブロックの非一様分布のＰＭＦが目標ＰＭＦとは異なり得るという理解に基づいている。このような理解により、目標ＰＭＦのみに従って変換されるビットのブロックの長さに対して、変換すべきビットのブロックの長さを削減することが可能になる。目標ＰＭＦを有する全てのシーケンスがこのようなスキーム内に含まれるので、追加のシーケンスを導入することができる。そのため、パーティションベースの設計は、一定構成システム以上の複数のシーケンスを表す。したがって、一定構成システム以下のレート損失を有することが可能になる。これによって、チャネルを介して送信するためのより高い達成可能データレートに対応することができることが観察される。
【００１８】
いくつかの実施形態は、ビットの送信シーケンスの目標ＰＭＦの形成が、各個別分布マッチャのＰＭＦ、及びビットのブロックを変換するのに分布マッチャを用いる頻度に依存するという理解に基づいている。例えば、目標ＰＭＦが０．６ＰＭＦ１＋０．３ＰＭＦ２＋０．１ＰＭＦ３に等しい場合、ビットの送信シーケンスは、ＰＭＦ２に従ったビットの分布を有するように変換された整形ビットのブロックの２倍の数である、ＰＭＦ１に従ったビットの分布を有するように変換された整形ビットのブロックを有するはずであり、かつ、ＰＭＦ３に従ったビットの分布を有するように変換された整形ビットのブロックの３倍の数である、ＰＭＦ２に従ったビットの分布を有するように変換された整形ビットのブロックを有するはずである。このため、ＰＭＦ１のための分布マッチャは、ＰＭＦ２のための分布マッチャの２倍、かつ、ＰＭＦ３のための分布マッチャの６倍、用いられるはずである。この理解により、種々の実施形態が、異なるＰＭＦを有する分布マッチングを、異なる分布マッチングの選択確率と組み合わせ、目標ＰＭＦを有する送信の設計融通性を達成することが可能になる。
【００１９】
このために、いくつかの実施形態では、全ての分布マッチャの同時確率の総和が目標ＰＭＦに等しくなるように、各分布マッチャ１４０は、或る選択確率に関連付けられる。種々の実施形態において、分布マッチャの同時確率は、分布マッチャのＰＭＦと、分布マッチャの選択確率との積である。例えば、上述の例では、第１の分布マッチャの同時確率は、０．６ＰＭＦ１であり、第２の分布マッチャの同時確率は、０．３ＰＭＦ２であり、第３の分布マッチャの同時確率は、０．１ＰＭＦ３である。
【００２０】
１つの実施形態によれば、整形マッパ１２５は、ビットのブロック内の少なくともいくつかのビットの値に従って、分布マッチャ１４０を選択する。この実施形態では、ビットのブロック内の値の生起確率は、分布マッチャの選択確率に等しい。この実施形態は、一様に分布する入力ビットの異なる長さを用いて所望の選択確率を達成することができるという認識に基づいている。
【００２１】
例えば、単一のビットの値を解析することによって選択確率５０％を達成することができる。例えば、入力ビットの値が「０」である場合、５０％の選択確率を有する分布マッチャを選択することができる。他方、２つのビットの値を解析することによって２５％の選択確率を達成することができる。例えば、入力ビットの値が「１０」である場合、２５％の選択確率を有する分布マッチャを選択することができる。入力ビットの異なる長さの異なるシーケンスを解析することによって、異なる分布マッチャを選択することができる。
【００２２】
種々の実施形態において、メモリ１３０は、同じＰＭＦ及び／又は異なるＰＭＦ、及び、同じ選択確率及び／又は異なる選択確率を有する分布マッチャを記憶することができる。例えば、１つの実施形態では、メモリ１３０は、第１のＰＭＦ及び第１の選択確率に関連付けられた第１の分布マッチャと、第１のＰＭＦとは異なる第２のＰＭＦ及び第２の選択確率に関連付けられた第２の分布マッチャとを記憶し、ここで、第１の選択確率は、第２の選択確率に等しく、第１の分布マッチャの同時確率及び第２の分布マッチャの同時確率の総和は、目標ＰＭＦに等しい。別の実施形態では、メモリ１３０は、第１のＰＭＦ及び第１の選択確率に関連付けられた第１の分布マッチャと、第１のＰＭＦとは異なる第２のＰＭＦ及び第２の選択確率に関連付けられた第２の分布マッチャと、第２のＰＭＦとは異なる第３のＰＭＦ及び第３の選択確率に関連付けられた第３の分布マッチャとを記憶し、ここで、第３のＰＭＦは、目標ＰＭＦに等しく、第１の選択確率は、第２の選択確率に等しく、第１の分布マッチャの同時確率、第２の分布マッチャの同時確率、及び第３の分布マッチャの同時確率の総和は、目標ＰＭＦに等しい。
【００２３】
図１Ｃは、いくつかの実施形態によるエンコーダ及び変調器のブロック図を示している。ＦＥＣエンコーダ１６２は、非一様分布を有する整形されたビットのブロック１６０から、一様に分布するパリティビット１６５を生成するために用いられ、変調器１９０におけるこのパリティビットを、整形されたビットのブロック１６０のビットと組み合わせるために用いられる。いくつかの実施形態によれば、パリティビット１６５のうちの少なくともいくつかは、符号ビット１８０である。符号ビット１８０のうちのいくつかは、任意選択で、一様に分布する情報ビット１７０から構成することができる。
【００２４】
例えば、いくつかの実施形態によれば、変調器１９０は、整形されたビットのブロック１６０のシーケンスを、一様に分布するパリティビット１６５によって求められた符号ビットのうちの少なくともいくつかを用いて、ＱＡＭシンボルの振幅ビット１６８上に変調する。その後、通信チャネルを介したアナログ送信のために整形されたビットのブロックの被変調シーケンスを処理するのにデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１９５が用いられる。
【００２５】
図２Ａは、いくつかの実施形態によって用いられる非一定構成分布の概念を説明する概略図を示している。一定構成分布マッチャ（ＣＣＤＭ）では、送信のために用意された、整形されたビットの全てのブロックが、同じ数の各可能なシンボルの生起を有する。対照的に、いくつかの実施形態によって用いられる非一定構成分布では、整形されたビットの異なるブロックは、シンボルの生起の異なる分布を有する。
【００２６】
例えば、図２Ａの例示的な概略図において、シンボルは、４つのシンボル｛Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４｝を含む有限アルファベットから選択される。整形されたビットの各ブロックは、１０個のシンボルを含むが、異なるブロック内のシンボルの分布は様々である。例えば、分布２０１では、４つの可能なシンボル｛Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４｝の生起の分布は、｛４，３，２，１｝である。したがって、この構成を有する別個のシーケンスの総数は、多項係数１０！／（４！３！２！１！）＝１２６００によって与えられる。これにより、ｌｏｇ２（１２６００）／１０＝１．３６ビット／シンボルによって与えられる分布マッチャのエントロピーが求められる。ＰＭＦのエントロピーＸは、ｓｕｍ（−Ｘ＊ｌｏｇ２（Ｘ））によって与えられ、これは、この例では１．８５ビット／シンボルである。したがって、レート損失は、この例では、１．８５−１．３６＝０．４９ビットである。
【００２７】
本発明の実施形態のうちのいくつかは、非一定構成分布マッチャを、平均すると所望の分布を有するいくつかの分布の総和として表すことができるという理解に基づいている。例えば、分布２０２及び２０３は、４つの可能なシンボル｛Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４｝の生起の数をそれぞれ｛４，２，３，１｝及び｛４，４，１，１｝として有する。実施形態のうちのいくつかは、２０２において表されている分布の１つの生起と、２０３において表されている１つの生起とを組み合わせることによって、平均挙動は、２０１において表されている生起であるという理解に基づいている。
【００２８】
さらに、２０２において示される分布を有する別個のシーケンスの数は、多項係数１０！／（４！２！３！１！）＝１２６００によって与えられ、相補分布２０３は、多項係数１０！／（４！４！１！１！）＝６３００によって与えられる。ペアワイズパーティションベース分布マッチャは、２０１において表される全体分布を維持しつつ、それぞれ２０２及び２０３の分布によって表される構成ごとに６３００個のシーケンスのみである。２０１、２０２、及び２０３における分布を考慮することによって、いくつかの実施形態は、２０１からは１２６００個のシーケンス、２０２からは６３００個のシーケンス、及び２０３からは６３００個のシーケンス、総計して２５２００個のシーケンスを用いる。これにより、分布マッチャのエントロピーが０．１ビット／シンボルだけ上昇し、レート損失が０．４９ビットから０．３９ビットに低下する。
【００２９】
図２Ｂは、大きいマルチセット２１１を、各々が等しい数の要素を有する２つのより小さいサブセット２１３及び２１４にパーティション化する（２１２）方法の概略図を示している。ここでは、簡潔にするためにペアワイズパーティション化が示されているものの、より大きいマルチセットを任意の多数のより小さいサブセットにパーティション化することができ、これらのサブセットは、一意である必要はない。とりわけ、より小さいサブセット２１３及び２１４についての別個のシーケンスの可能な数は、概して等しくない。それゆえ、いくつかの実施形態は、分布マッチャの全体構成を所望の分布の全体構成にすることを可能にする、各サブセットから選び出される複数のシーケンスを選択する。
【００３０】
図２Ｃは、いくつかの実施形態による、異なる構成及び順列を有するシーケンスの概略図を示している。いくつかの実施形態は、バイナリシンボルの送信の場合、シンボルは、典型的には、有限アルファベットから選択されるという認識に基づいている。いくつかの実施形態は、整形されたビットのブロック内の各シンボルの生起の頻度によって、整形されたビットのブロックのＰＭＦを規定することができるという認識に基づいている。一方、整形されたビットのブロック内のシンボルの順序は、ＰＭＦに無関係であり、したがって、特定のＰＭＦを有する整形ビットのブロックの順列は、同じ特定のＰＭＦを有するビットの異なる入力ブロックを符号化することができる。このような理解により、ビットのブロックの、特定のＰＭＦを有する整形されたビットのブロックへのマッピングが簡略化される。
【００３１】
例えば、２０１のヒストグラムにおいて表されていた構成を有するシンボルのセット２２１が、順序２２２において示されている。同様に２０１によって与えられた構成を有するサブセットから選び出された同じシンボルのセット２２７の異なる順序２２８が見て取れる。とりわけ、シーケンス順序２２２及び２２８は、別個でありかつ一意である。２０２におけるヒストグラムによって表されていた構成を有するシンボルの第２のセット２２３では、同様に順序２２４を与えられている。２０３におけるヒストグラムによって表されていた構成を有するシンボルの第３のセット２２５では、同様に順序２２６を与えられている。とりわけ、シーケンス順序２２４及び２２６は、ヒストグラム２０１によって与えられる平均構成を有する。
【００３２】
図３は、分布マッチャのために固定長ブロックを生成するのにいくつかの実施形態によって用いられる方法の概略図を示している。マルチセット３０５は、目標ＰＭＦによって規定される生起の頻度及び整形されたビットのブロック内のシンボルの数の倍数に等しいシンボルの総数を有するシンボルを含む。例えば、倍数が２である場合、マルチセット３０５は、ヒストグラム２０１において示されるシンボルの２倍を含むことができる。
【００３３】
次に、マルチセット３０５は、整形されたビットのブロック内のシンボルの数に等しい各サブセット内のシンボルの総数を有するシンボルの複数のサブセット３１０を生成するようにパーティション化され、ここで、パーティション化によって生成されるサブセットの数は、シンボルのマルチセット３０５についてのシンボルの数の倍数に等しい。例えば、倍数が２である場合、ヒストグラム２０１において示されるシンボルの２倍をマルチセット２０２及び２０３にパーティション化することができる。倍数が３である場合、ヒストグラム２０１において示されるシンボルの３倍を、３つのマルチセットにパーティション化することができ、以降についても同様である。
【００３４】
その後、サブセットごとの順列の数が計算される（３２０）。そして、生成されるサブセットごとのシンボルの順列の最大数は、３２０において計算され、サブセット内の各シンボルの生起の数によって求められる多項係数以下である最大の２のべき乗３３０によって求められる。ビットのブロックのサイズは、最小数の順列を有するサブセット内の最大の２のべき乗３３０である。
【００３５】
他のいくつかの実施形態によれば、目標ＰＭＦによって規定される生起の頻度及び整形されたビットのブロック内のシンボルの数の倍数に等しいシンボルの総数を有するシンボルのマルチセット３０５が生成される。シンボルのマルチセットの複数のパーティション化が実行されて、パーティションごとに、整形されたビットのブロック内のシンボルの数に等しい各サブセット内のシンボルの総数を有する、シンボルの複数のサブセット３１０が生成され、ここで、パーティション化によって生成されるサブセットの数は、シンボルのマルチセットについてのシンボルの数の倍数に等しい。各パーティションにおいて、生成されるサブセット３３０ごとのシンボルの順列の最大数は、サブセット３２０内の各シンボルの生起の数によって求められる多項係数以下である最大の２のべき乗によって求められる。各パーティションにおいて、最大の２のべき乗３３０は、最小数の順列を有するサブセットにおいて生成され、その後、全てのパーティションの全てのサブセットにわたる最大の２のべき乗の総和が形成され（３５０）、最大のべき乗の総和に従って最大の２のべき乗としてビットのブロックのサイズが求められる（３６０）。その後、全ての選択されたサブセットにわたるシーケンスの総数が、必要とされるシーケンスの総数３６０に等しくなるまで、それらの最大の２のべき乗に従ってパーティションをランク付けすることによって形成されたリストからサブセットが選択される（３７０）。
【００３６】
これらの実施形態のうちのいくつかは、コンポーネントのパーティションを、２のべき乗の数のシーケンスに丸め込むことによって、ビットの全体数を各パーティションによって表すことができるという理解に基づいている。これにより、パーティション内でいずれのシーケンスが用いられるのかを判断する既存の一定構成分布マッチングアルゴリズムの使用が可能になる。本発明のいくつかの実施形態は、シーケンスの総数を２のべき乗に丸め込むことによって、総分布マッチャによって整数個のビットを表すことができ、したがって、いずれのパーティションが用いられるのかを判断する可変長ヘッダを有する固定ブロック長が可能になるという更なる理解に基づいている。
【００３７】
図４Ａは、いくつかの実施形態による、ツリー構造可変長ヘッダを生成して、異なるパーティションのためのビットラベルを提供する方法を示している。これらの異なるパーティションは、マッチャにおいて用いられる回数に従ってランク付けされ（４１０）、その後、ペアＰｋ及びＰｋ’が１及び０とラベル付けされて、ツリー内の最も外側の枝（outermost branch）が形成される（４２０）。その後、最も少ない使用総数を有するパーティションの２つのセットが併合されて、１つの枝が形成され（４３０）、一方の要素が１とラベル付けされかつ他方の要素が０とラベル付けされる（４４０）。２つ以上の枝が残っている場合、併合及びラベル付けのプロセスが繰り返される（４５０）。単一の枝のみが残った場合、プレフィックスツリーが完成する（４６０）。
【００３８】
図４Ｂは、本発明の１つの実施形態による、可変長プレフィックスに従って分布マッチャを選択するためのツリー構造を示している。メモリから、分布マッチャを規定する葉４７２、４８２、４８４を有するバイナリツリーが選択される。分布マッチャは、バイナリツリーを通じた分布マッチャの葉までの経路の長さに等しいビットのブロックのプレフィックスビット４７０を用いてバイナリツリーから選択される。経路は、プレフィックスビット４７０の値に従ってノード４７１、４８０、４８１、４８３における二者択一によって求められる。
【００３９】
これらの実施形態のうちのいくつかは、可変長プレフィックスの場合、本明細書において記載される技法等の標準的なソースコーディング技法を用いて、プレフィックスのための最適なラベル付けを決定することができるという理解に基づいている。
【００４０】
図５は、本発明のいくつかの実施形態による、前方誤り訂正及び確率的振幅整形を含む固定長シンボルシーケンス上に、固定長ビットシーケンスを符号化するシステムを表している。少なくとも部分的に、符号化すべきシーケンスの構成を決定する可変長プレフィックスルックアップテーブル５２０への入力として、固定長ビットシーケンス５１０が用いられる。シーケンスの構成及び残りのビットのうちの少なくともいくつかは、その後、整形されたビットのシーケンスを出力する一定構成分布マッチャ５３０に送信される。これらのビットは、その後、前方誤り訂正エンコーダ５４０への入力として用いられる。ＦＥＣエンコーダ５４０の出力は、その後、シンボル変調器５５０に送信され、このシンボル変調器において、整形された情報ビットが用いられてＱＡＭシンボルの振幅レベルが求められ、一方、一様に分布するパリティビット及び任意選択で一様に分布する情報ビット５１０のうちのいくつかが用いられてＱＡＭシンボルの符号ビットが求められる。シンボルシーケンスは、その後、チャネルを介した送信の前の更なる処理のために前方に送られる（５６０）。
【００４１】
図６は、本発明のいくつかの実施形態による、確率的振幅整形及び前方誤り訂正を有するシンボルの固定長シーケンスを、固定長ビットシーケンス上に復号及び復調するシステムを示している。
【００４２】
シンボルシーケンス６１０が、通信チャネルを介して送信された、整形されたビットのブロックを受信する受信機フロントエンドから送信される。受信機メモリ６４２は、分布デマッチャのセットを記憶する。各分布デマッチャ６５０は、分布マッチャに関連付けられる。整形デマッパ６４５が用いられて、整形されたビットの送信ブロック内のシンボルの生起の頻度６４０に基づいて分布デマッチャ６５０が選択され、整形されたビットの送信ブロックがビットのブロックにマッピングされる。分布デマッチング６５０は、その後、ビットの固定長ブロック６６０を生成する。
【００４３】
図７は、本発明のいくつかの実施形態による整形マッパ及び分布マッチャを示している。分布マッチャ７４０によって生成される整形されたビットのブロック７５０のシンボルは、シンボルの有限セットから選択され、整形されたビットのブロック内の異なるシンボルの生起の頻度は、分布マッチャのＰＭＦによって規定される（７３０）。
【００４４】
別の実施形態によれば、選択された分布マッチャは、ビットのブロック７１０内のビットの異なる値７１５について、分布マッチャのＰＭＦを規定する頻度７３０によって、シーケンス内で生起するシンボルのシーケンスを並べ替える。
【００４５】
本発明の上記で説明した実施形態は、多数の方法のうちの任意のもので実施することができる。例えば、実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア又はそれらの組み合わせを用いて実施することができる。ソフトウェアで実施される場合、ソフトウェアコードは、単一のコンピューターに設けられるのか又は複数のコンピューター間に分散されるのかにかかわらず、任意の適したプロセッサ又はプロセッサの集合体において実行することができる。そのようなプロセッサは、１つ以上のプロセッサを集積回路部品に有する集積回路として実装することができる。ただし、プロセッサは、任意の適したフォーマットの回路類を用いて実装することができる。
【００４６】
また、本発明の実施形態は、例が提供された方法として実施することができる。この方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法で順序付けすることができる。したがって、動作が示したものと異なる順序で実行される実施形態を構築することができ、これには、例示の実施形態では一連の動作として示されたにもかかわらず、いくつかの動作を同時に実行することを含めることもできる。
【００４７】
請求項の要素を修飾する、特許請求の範囲における「第１」、「第２」等の序数の使用は、それ自体で、１つの請求項の要素の別の請求項の要素に対する優先順位も、優位性も、順序も暗示するものでもなければ、方法の動作が実行される時間的な順序も暗示するものでもなく、請求項の要素を区別するために、単に、或る特定の名称を有する１つの請求項の要素を、同じ（序数の用語の使用を除く）名称を有する別の要素と区別するラベルとして用いられているにすぎない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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