DE102011015811B3 - Device for coding k8L information-bits in e.g. universal mobile telecommunications system-applications, has coder for receiving m-symbol-parity-vector from m-symbol-vector, where elements in main-diagonals are formed as non-zero-elements - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft effiziente Kodierschemata, die für nichtbinäre Generalized-Irregular-Repeat-Accumulate-Codes (GeIRA-Codes) vorgesehen sind. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Kodierer und ein Verfahren zum Übertragen von Datenpaketen mittels Packet-Level-Kodierung.The present invention relates to efficient coding schemes provided for non-binary Generalized Irregular Repeat Accumulate (GeIRA) codes. In particular, the invention relates to an encoder and a method for transmitting data packets by means of packet-level coding.
Die Packet-Level-Kodierung ist eine einfache und effiziente Technik zur Gewährleistung einer zuverlässigen Übertragung in einem Kommunikationssystem. Der Grundgedanke bei der Packet-Level-Kodierung besteht darin, die zu übertragende Information noch weitergehender zu schützen, indem das Kodieren von Paketen von Daten auf höheren Ebenen des Kommunikationsmodells vorgenommen wird. Die Hauptprinzipien der Packet-Level-Kodierung sind in
Erstens wird die zu übertragende Nachricht in k Info-Pakete aufgeteilt und in eine größere Anzahl von n Codewort-Paketen kodiert. Somit werden von dem Packet-Level-Kodierer auf der Senderseite m = n – k Paritätspakete kodiert.First, the message to be transmitted is divided into k info packets and encoded into a larger number of n codeword packets. Thus, m = n-k parity packets are encoded by the packet-level encoder on the transmitter side.
Zweitens werden die n Codewort-Pakete auf der Physical Layer durch Fehlerkorrekturcodes (z. B. Turbo, LDPC ...) oder Fehlerdetektionscodes (z. B. zyklische Redundanzprüfcodes (CRC)) geschützt und anschließend übertragen.Second, the n codeword packets on the physical layer are protected by error correction codes (eg, turbo, LDPC ...) or error detection codes (eg, cyclic redundancy check (CRC) codes) and then transmitted.
Drittens wird an jedem Paket auf der Empfängerseite eine Physical-Layer-Fehlerkorrektur vorgenommen, und Restfehler werden durch den Fehlerdetektionscode detektiert. Falls Fehler detektiert werden, wird das Paket als verloren erachtet und als gelöscht markiert. Somit sehen die Ebenen oberhalb der Physical Layer das Kommunikationsmedium als einen Paketlöschkanal (PEC), auf dem Pakete entweder korrekt empfangen werden oder mit einer Löschwahrscheinlichkeit ε verlorengehen.Third, a physical layer error correction is made on each packet on the receiver side, and residual errors are detected by the error detection code. If errors are detected, the packet is deemed lost and marked as deleted. Thus, the levels above the physical layer see the communication medium as a packet deletion channel (PEC) on which packets are either received correctly or lost with a deletion probability ε.
Schließlich, falls eine hinreichende Menge an Paketen empfangen worden ist, führt der Packet-Level-Kodierer eine Rückgewinnung der Original-Nachricht durch. Zu diesem Zweck nimmt auf der Empfängerseite der Dekodierer nichtgelöschte Pakete auf und führt eine Rückgewinnung der verlorenen Pakete durch, falls genug Pakete korrekt empfangen werden. Um eine Nicht-Null-Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Rückgewinnung, Ps, zu erzielen, müssen mindestens k Pakete gesammelt werden. Ps nimmt mit der Anzahl gesammelter Pakete p in Abhängigkeit von dem bezeichneten Code zu.Finally, if a sufficient amount of packets has been received, the packet level encoder performs a recovery of the original message. For this purpose, at the receiver side, the decoder receives non-erased packets and retrieves the lost packets if enough packets are received correctly. To achieve a non-zero probability of successful recovery, P s , at least k packets must be collected. P s increases with the number of collected packets p depending on the designated code.
Der Kodiervorgang wird gewöhnlich bitweise (zeichenweise) durchgeführt, indem der Kodierer eines binären (nichtbinären) Codes verwendet wird. Das Dekodieren erfolgt dann durch Lösen des Systems von Gleichungen, das durch die Paritätsprüfmatrix H des Codes gegeben ist.The encoding process is usually performed bitwise (character-wise) by using the encoder of a binary (non-binary) code. The decoding is then done by solving the system of equations given by the parity check matrix H of the code.
Software-Implementierungen von Packet-Level-Kodierern und -Dekodierern sind besonders attraktiv, da sie keinen größeren Aufwand für Design und Implementierung erfordern und hinsichtlich der Hardware-Implementierungen mehr Flexibilität bieten. Software-Module können problemlos in eine Hardware-Architektur integriert werden, die nicht speziell zur Unterstützung des Packet-Level-Kodierens ausgelegt ist.Software implementations of packet-level encoders and decoders are particularly attractive because they do not require much design and implementation effort and provide more flexibility in hardware implementations. Software modules can be easily integrated into a hardware architecture that is not specifically designed to support packet-level encoding.
Da Software-Packet-Level-Kodierer und -Dekodierer auch zur Verwendung an Plattformen mit beschränkter Energieversorgung vorgesehen sind (z. B. für On-Board-Einheiten zum Einsatz in einem Raumschiff, Lander, Rover oder Orbiter bei Missionen in erdnahen oder tiefen Weltall), sind effiziente Algorithmen erforderlich.Because software packet-level encoders and decoders are also intended for use on limited-power platforms (eg, on-board units for use in a spaceship, lander, rover, or orbiter in near-Earth or deep-space missions ), efficient algorithms are required.
Ferner hat sich erwiesen, dass die Fähigkeiten zur Lösch-Rückgewinnung verbessert werden, wenn das Code-Design in nichtbinären Feldern ausgeführt wird. Deshalb besteht Bedarf daran, auch für nichtbinäre Codes effiziente Kodierungs-/Dekodierungstechniken zu entwickeln.It has also been found that erase recovery capabilities are improved when the code design is executed in non-binary arrays. Therefore, there is a need to develop efficient coding / decoding techniques even for non-binary codes.
Im Stand der Technik finden sich vier Haupt-Lösungsansätze für ein effizientes Kodieren binärer LDPC-Codes:
- 1. ein Algorithmus, der auf einer ”Neuanordnung” der Paritätsprüfmatrix H durch Reihen- und Spalten-Permutationen basiert, um H in eine geeignete triangulare Matrix zu transformieren. Dann wird ein Parameter g(gap) definiert, der den Abstand von H zu einer exakt triangularen Form repräsentiert. Falls g ein kleiner Bruchteil der Code-Länge n ist, ist die Kodierkomplexität fast linear. Jedoch sind für diesen Algorithmus nur LDPC-Codes geeignet, die durch ein kleines g gekennzeichnet sind, und dies ist nicht oft der Fall [1].
- 2. zyklische oder quasi-zyklische LDPC-Codes, die durch Schaltungen niedriger Komplexität auf der Basis von Feedback-Schieberegistern kodiert werden können. Der Nachteil dieser Codes besteht darin, dass sie nur für präzise Code-Parameter n und k existieren [2].
- 3. Irregular-Repeat-Accumulate-Codes (IRA-Codes), deren Kodierschema eine lineare Komplexität aufweist. Diese unterliegen der Beschränkung, dass sie m-1 variable Knoten (Spalten der Paritätsprüfmatrix H) des Grads (Gewichts) 2 haben müssen. Folglich ist die Verteilung mit variablem Knoten-Grad etwas eingeschränkt [3].
- 4. Generalized-Irregular-Repeat-Accumulate-Codes (GeIRA-Codes) mit der gleichen niedrigen Kodierkomplexität wie bei IRA-Codes, jedoch einer höheren Flexibilität in der Wahl der Grad-Verteilungen und der Code-Parameter n und k [4].
- 1. an algorithm based on a "rearrangement" of the parity check matrix H by row and column permutations to transform H into an appropriate triangular matrix. Then a parameter g (gap) is defined, which represents the distance of H to an exactly triangular form. If g is a small fraction of the code length n, the coding complexity is almost linear. However, only LDPC codes characterized by a small g are suitable for this algorithm and this is not often the case [1].
- 2. Cyclic or quasi-cyclic LDPC codes that can be encoded by low complexity circuits based on feedback shift registers. The disadvantage of these codes is that they only exist for precise code parameters n and k [2].
- 3. Irregular Repeat Accumulate Codes (IRA codes) whose coding scheme has a linear complexity. These are subject to the restriction that they must have m-1 variable nodes (columns of parity check matrix H) of degree (weight) 2. Consequently, the distribution with variable node degree is somewhat limited [3].
- 4. Generalized Irregular Repeat Accumulate (GeIRA) codes with the same low coding complexity as IRA codes but with greater flexibility in choice of degree distributions and code parameters n and k [4].
Somit stehen GeIRA-Codes, die für Galois-Felder höherer Ordnung (nichtbinäre Felder konzipiert sind, im Fokus der Erfindung. Wie generell bekannt, ist ein Galois-Feld ein Set finiter Elemente, an denen Rechenoperationen wie z. B. Additionen, Subtraktionen, Multiplikationen und Divisionen durchgeführt werden können.Thus, GeIRA codes designed for higher order Galois fields (non-binary fields) are in the focus of the invention As is well known, a Galois field is a set of finite elements involving arithmetic operations such as additions, subtractions, Multiplications and divisions can be performed.
Die (n – k) × n-Prüfmatrix des GeIRA-Codes wird als Konkatenation von zwei Matrizes als H = [Hu|HP] geschrieben, wobei die (n – k) × k-Matrix Hu dem systematischen Teil des Codeworts entspricht, während die m × m Hp-Matrix dem Paritäts-Teil des Codeworts entspricht und generell eine multidiagonale Matrix ist. Die Struktur der Submatrix Hp ist folgende: wobei die Leerstellen Nullen entsprechen und wobei die Koeffizienten bj für j = 1, 2, ..., h die binären Elemente in den sekundären (Neben-)Diagonalen sind. Zu beachten ist, dass für das binäre Feld bj-Koeffizienten, die zu der gleichen sekundären Diagonalen gehören, entweder sämtlich 1 oder sämtlich 0 betragen.The (n-k) xn check matrix of the GeIRA code is written as a concatenation of two matrices as H = [H u | H P ], where the (n-k) x k matrix H u is the systematic part of the codeword while the m × m H p matrix corresponds to the parity part of the codeword and is generally a multidiagonal matrix. The structure of the submatrix H p is as follows: where the vacancies correspond to zeros and where the coefficients b j for j = 1, 2, ..., h are the binary elements in the secondary (minor) diagonals. Note that for the binary field, b j coefficients belonging to the same secondary diagonal are either all 1 or all 0.
Die multidiagonale Struktur führt zu effizienten Kodierschemata. Das Kodierer-Schema für binäre GeIRA-Ausgestaltungen ist in
Das binäre Kodierschema lässt sich in Form der folgenden Schritte zusammenfassen:
- 1. Der k-Längen-Informationsvektor u wird mit einer niedrigdichten Matrix
H T / u - 2. Der m-Bit-Vektor v tritt in einen rekursiven Rate-1-Kodierer ein, wobei bj, j = 1, 2, ..., h die in Hp definierten binären Elemente sind. Somit wird der Paritäts-m-Bit-p-Vektor erzeugt. Insbesondere erhält man ausgehend von dem gegebenen ersten kodierten Paritäts-Bit p0 die anderen Paritäts-Bits pi mit der Rekursion
pi = vi + Σ h / j=1 bj pi-j - 3. Das n-Bit-kodierte Codewort c wird erhalten durch Konkatenieren von u und p, was in c = [u|p] resultiert.
- 1. The k-length information vector u is given a low-density matrix
HT / u - 2. The m-bit vector v enters a
recursive rate 1 encoder, where b j , j = 1, 2, ..., h are the binary elements defined in H p . Thus, the parity m-bit p vector is generated. In particular, starting from the given first coded parity bit p 0, the other parity bits p i are obtained with the recursionp i = v i + Σh / j = 1 b j p ij - 3. The n-bit coded codeword c is obtained by concatenating u and p, resulting in c = [u | p].
GeIRA-Codes sind somit attraktiv aufgrund ihrer Linearzeit-Kodier-Komplexität und ihrer hohen Flexibilität bei der Wahl der Grad-Verteilungs-Selektion, die von fundamentaler Wichtigkeit dafür ist, die Leistung zwischen dem Waterfall- und dem Error-Floor-Bereich auszugleichen. Ferner ist die Kodierstruktur leicht konfigurierbar, indem lediglich Koeffizienten bi auf null oder eins gesetzt werden, wodurch die Feedback-Wege in
Nichtbinäre LDPC-Ausgestaltungen ziehen derzeit starke Aufmerksamkeit auf sich, da sie in der Lage sind, die Leistung ihrer binären Gegenstücke zu verbessern.
Beispielsweise, wird bei einer Löschwahrscheinlichkeit von 0,4 durch den Code bei GF(256) eine Größenordnung hinzugewonnen.For example, if the probability of erosion is 0.4, the code at GF (256) will add an order of magnitude.
Der Fokus der Untersuchung liegt jedoch auf den Dekodier-Algorithmen, und die Literatur (siehe [5] und [6]) bietet keine effizienten Kodierschemata für nichtbinäre LDPC-Codes an. Das Kodieren nichtbinärer LDPC-Codes wird gemäß dem folgenden generellen Algorithmus durchgeführt:
- 1. Die Paritätspüf-Matrix H wird in die systematische Form H = [PT|I] gebracht, wobei I die Identitätsmatrix ist.
- 2. Die Generatormatrix des Codes G ist somit G = [I|P].
- 3. Das Generieren des Codeworts c erfolgt durch Multiplizieren von u und G, c = u G.
- 1. The parity check matrix H is put into the systematic form H = [P T | I], where I is the identity matrix.
- 2. The generator matrix of the code G is thus G = [I | P].
- 3. The code word c is generated by multiplying u and G, c = u G.
Die Komplexität dieses Ansatzes ist mit der Code-Länge n quadratisch (O(n2)), falls P eine Matrix mit hoher Dichte ist. Dabei ist anzumerken, dass selbst in dem Fall, dass die Paritätspüf-Matrix H des Codes nicht dicht ist, durch den Vorgang in Schritt 1 eine dichte Matrix P erzeugt wird, die das Ergebnis zahlreicher Reihen-Additionen ist. Um die Kodierungskomplexität bei Galois-Feldern der Größenordnung q > 2 zu reduzieren, müssen effiziente Kodierschemata gefunden werden.The complexity of this approach is quadratic (O (n 2 )) with the code length n if P is a high-density matrix. It should be noted that even in the case that the parity check matrix H of the code is not dense, the process in
In [7] (siehe Kap. IV) ist eine Vorrichtung zum Kodieren von Informations-Bits beschrieben, in dem Datenpakete mittels eines niedrige Dichte aufweisenden Paritätsprüf-Codes in Form eines nichtbinären Generalized-Irregular-Repeat-Accumulate-Codes kodiert werden, der auf einem Galois-Feld (GF)(q)) der Ordnung q bezeichnet ist, wobei q größer als 2 ist, und wobei das Galois-Feld (GF(g)) eine Anzahl q von Elementen enthält. Diese bekannte Vorrichtung weist unter anderen auf:
- – eine Paritätsprüfmatrix, die in einem Speicher gespeichert ist und zwei konkatenierte Matrizes Hu und Hp aufweist,
- – wobei Hu eine spärlich besetzte Matrix ist und Hp eine strukturierte quadratische Matrix ist, die Elemente auf einer Haupt-Diagonalen und auf einer sekundären Diagonalen aufweist,
- – eine Vektormultiplikationsvorrichtung zum Multiplizieren eines Informationsvektors u mit der transportierten spärlich besetzen Matrix Hu T, um einen Vektor v zu erhalten, wobei ein Symbol des Informationsvektors u ein Element des Galois-Felds (GF(q)) ist, und
- – einen rekursiven Rate-1-Kodierer zum Erhalt eines Paritäts-Vektors p aus dem Vektor v,
- – wobei die Elemente des rekursiven Kodierers durch die Elemente der quadratischen Matrix Hp definiert sind, wobei die Elemente in der Haupt-Diagonalen der Matrix Hp Nicht-Null-Elemente des Galois-Felds (GF(q)) sind und die Elemente auf der sekundären Diagonalen der Matrix H ebenfalls Nicht-Null-Elemente des Galois-Felds (GF(q)) sind.
- A parity check matrix which is stored in a memory and has two concatenated matrices H u and H p ,
- Where H u is a sparsely populated matrix and H p is a structured square matrix having elements on a major diagonal and on a secondary diagonal,
- A vector multiplication device for multiplying an information vector u with the transported sparse matrix H u T to obtain a vector v, wherein a symbol of the information vector u is an element of the Galois field (GF (q)), and
- A recursive rate-1 coder for obtaining a parity vector p from the vector v,
- - wherein the elements of the recursive encoder are defined by the elements of the square matrix H p , where the elements in the main diagonal of the matrix H p are non-zero elements of the Galois field (GF (q)) and the elements of the secondary diagonals of the matrix H are also non-zero elements of the Galois field (GF (q)).
Ferner Ist auch in [8] (siehe Kap. I. A) eine Vorrichtung zum Kodieren von Informations-Bits bekannt, indem Datenpakete mittels eines niedrige Dichte aufweisenden Paritätsprüf-Codes in Form eines nichtbinären Generalized-Irregular-Repeat-Accumulate-Codes kodiert werden, der auf einem Galois-Feld (GF(q)) der Ordnung q bezeichnet ist, wobei q größer als 2 ist, und wobei das Galois-Feld (FG((q)) eine Anzahl q von Elementen enthält, wobei die Vorrichtung eine Paritätsprüfmatrix die in einem Speicher gespeichert ist und zwei konkatenierte Matrizes Hu und Hp umfasst.Furthermore, an apparatus for coding information bits is also known in [8] (see Chapter I.A) by encoding data packets by means of a low-density parity check code in the form of a non-binary generalized irregular repeat accumulate code indicated on a Galois field (GF (q)) of order q, where q is greater than 2, and where the Galois field (FG ((q)) contains a number q of elements, the device having a Parity check matrix stored in a memory and comprising two concatenated matrices H u and H p .
Schließlich offenbart auch [9] (siehe Kap. II) eine Vorrichtung zum Kodieren von Informations-Bits, indem Datenpakete mittels eines niedrige Dichte aufweisenden Paritätsprüf-Codes in Form eines nichtbinären Generalized-Irregular-Repeat-Accumulate-Codes kodiert werden, der auf einem Galois-Feld (GF(q)) der Ordnung q bezeichnet ist, wobei q größer als 2 ist, und wobei das Galois-Feld (GF(q)) eine Anzahl q von Elementen enthält. Diese bekannte Vorrichtung weist unter anderem auf:
- – eine Paritätsprüfmatrix, die in einem Speicher gespeichert ist und zwei konkatenierte Matrizes Hu und Hp aufweist,
- – wobei Hu eine spärlich besetzte Matrix ist und Hp eine strukturierte quadratische Matrix ist, die Elemente auf einer Haupt-Diagonalen und auf einer sekundären Diagonalen aufweist,
- – wobei die Elemente in der Haupt-Diagonalen der Matrix Hp Nicht-Null-Elemente des Galois-Feldes (GF(q)) sind und die Elemente auf der sekundären Diagonalen der Matrix Hp ebenfalls Nicht-Null-Elemente des Galois-Feldes (GF(q)) sind.
- A parity check matrix which is stored in a memory and has two concatenated matrices H u and H p ,
- Where H u is a sparsely populated matrix and H p is a structured square matrix having elements on a major diagonal and on a secondary diagonal,
- - where the elements in the main diagonal of the matrix H p are non-zero elements of the Galois field (GF (q)) and the elements on the secondary diagonal of the matrix H p are also non-zero elements of the Galois field (GF (q)).
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Reduzierung der Komplexität für die Packet-Level-Kodierung nichtbinärer Paritätsprüfcodes niedriger Dichte (LDPC). Insbesondere besteht die Aufgabe darin, die Struktur von GeIRA-Codes auch für nichtbinäre Felder zu nutzen, um ein effizientes Kodierungsschema zu erstellen. Soweit bekannt, ist im Stand der Technik kein effizientes Kodierschema für eine bestimmte Klasse nichtbinärer LDPC-Codes, nämlich die nichtbinären GeIRA-Codes, verfügbar.It is an object of the present invention to reduce complexity for the packet-level encoding of non-binary low density parity check (LDPC) codes. In particular, the task is to use the structure of GeIRA codes also for non-binary fields in order to create an efficient coding scheme. As far as is known, the prior art does not provide an efficient coding scheme for a particular class of non-binary LDPC codes, namely non-binary GeIRA codes.
Mit der Erfindung wird ein effizientes Kodierschema (Schema 1 in
Mit der Erfindung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, um (k·8·L) Informations-Bits zu kodieren, indem Datenpakete mit einer Größe von L Bytes mittels eines niedrige Dichte aufweisenden Paritätsprüf-Codes in Form eines nichtbinären Generalized-Irregular-Repeat-Accumulate-Codes kodiert werden, der auf einem Galois-Feld der Ordnung q bezeichnet ist, wobei q größer als 2 ist, und wobei das Galois-Feld eine Anzahl q von Elementen enthält, wobei die Vorrichtung aufweist:
- – eine Paritätsprüfmatrix, die in einem Speicher gespeichert ist und zwei konkatenierte Matrizes Hu und Hp aufweist,
- – wobei Hu eine spärlich besetzte Matrix ist und Hp eine strukturierte quadratische Matrix ist, die Elemente auf einer Haupt-Diagonalen und auf einer Gruppe von mindestens zwei sekundären Diagonalen aufweist,
- – eine Vektormultiplikationsvorrichtung zum Multiplizieren eines k-Symbol-Informationsvektors u mit der transponierten spärlich besetzten Matrix
H T / u - – einen rekursiven Rate-1-Kodierer zum Erhalt eines m-Symbol-Paritäts-Vektors p aus dem m-Symbol-Vektor v,
- – wobei die Elemente des rekursiven Kodierers durch die Elemente der quadratischen Matrix Hp definiert sind, wobei die Elemente in der Haupt-Diagonalen der Matrix Hp Nicht-Null-Elemente des Galois-Felds sind und die Elemente auf jeder der mindestens zwei sekundären Diagonalen der Gruppe sekundärer Diagonalen der Matrix Hp ebenfalls Nicht-Null-Elemente des Galois-Felds sind.
- A parity check matrix which is stored in a memory and has two concatenated matrices H u and H p ,
- Where H u is a sparsely populated matrix and H p is a structured square matrix having elements on a major diagonal and on a group of at least two secondary diagonals,
- A vector multiplication device for multiplying a k-symbol information vector u by the transposed sparse matrix
HT / u - A recursive rate-1 encoder for obtaining an m-symbol parity vector p from the m-symbol vector v,
- - wherein the elements of the recursive encoder are defined by the elements of the square matrix H p , the elements in the main diagonal of the matrix H p being non-zero elements of the Galois field and the elements on each of the at least two secondary diagonals of the group of secondary diagonals of the matrix H p are also non-zero elements of the Galois field.
Gemäß einer Alternative wird mit der Erfindung eine Vorrichtung vorgeschlagen, um (k·8·L) Informations-Bits zu kodieren, indem Datenpakete mit einer Größe von L Bytes mittels eines niedrige Dichte aufweisenden Paritätsprüf-Codes in Form eines nichtbinären Generalized-Irregular-Repeat-Accumulate-Codes kodiert werden, der auf einem Galois-Feld der Ordnung q bezeichnet ist, wobei q größer als 2 ist, und wobei das Galois-Feld (GF(q)) eine Anzahl q von Elementen enthält, wobei die Vorrichtung aufweist:
- – eine Paritätsprüfmatrix, die in einem Speicher gespeichert ist und zwei konkatenierte Matrizes Hu und Hp aufweist,
- – wobei Hu eine spärlich besetzte Matrix ist und Hp eine strukturierte quadratische Matrix ist, die Elemente auf einer Haupt-Diagonalen und auf einer Gruppe von mindestens zwei sekundären Diagonalen aufweist,
- – eine Vektormultiplikationsvorrichtung zum Multiplizieren des k-Symbol-Informationsvektors u mit der transponierten spärlich besetzten Matrix
H T / u - – einen rekursiven Rate-1-Kodierer zum Erhalt eines m-Symbol-Paritäts-Vektors p aus dem m-Symbol-Vektor v,
- – wobei die Elemente des rekursiven Kodierers durch die Elemente der quadratischen Matrix Hp definiert sind, wobei die Elemente in der Haupt-Diagonalen der Matrix Hp sämtlich 1 sind und die Elemente auf jeder der mindestens zwei sekundären Diagonalen der Gruppe sekundärer Diagonalen der Matrix Hp Nicht-Null-Elemente des Galois-Felds sind.
- A parity check matrix which is stored in a memory and has two concatenated matrices H u and H p ,
- Where H u is a sparsely populated matrix and H p is a structured square matrix having elements on a major diagonal and on a group of at least two secondary diagonals,
- A vector multiplication device for multiplying the k-symbol information vector u by the transposed sparse matrix
HT / u - A recursive rate-1 encoder for obtaining an m-symbol parity vector p from the m-symbol vector v,
- In which the elements of the recursive coder are defined by the elements of the square matrix H p , where the elements in the main diagonal of the matrix H p are all 1 and the elements on each of the at least two secondary diagonals of the group of secondary diagonals H p are non-zero elements of the Galois field.
Ferner wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Rückgewinnen verlorener und/oder beschädigter Daten vorgeschlagen, die von einem Sender zu einem Empfänger gesendet werden, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- – Kodieren der Daten mittels eines senderseitigen Kodierers,
- – Senden der kodierten Daten von dem Sender zu dem Empfänger über ein Übertragungssystem, und
- – Dekodieren der empfangenen Daten mittels eines empfängerseitigen Dekodierers, wobei verlorene und/oder beschädigte Daten während des Dekodierens wiederhergestellt werden,
- – wobei das Kodieren mittels eines nichtbinären Generalized-Irregular-Repeat-Accumulate-Codes durchgeführt wird, der auf einem Galois-Feld der Ordnung q bezeichnet ist, wobei
q größer als 2 ist, und wobei das Galois-Feld (GF(q)) eine Anzahl q von Elementen enthält, - – wobei das Dekodieren durch Auflösen des durch die Dekodier-Matrix des Codes definierten Gleichungssystems durchgeführt wird, und
- – wobei das Kodieren der Daten mittels einer Paritätsprüfmatrix H durchgeführt wird, die zwei konkatenierte Matrizes Hu und Hp aufweist, wobei Hu eine spärlich besetzte Matrix ist und Hp eine strukturierte quadratische Matrix ist, die Elemente auf einer Haupt-Diagonalen und eine Gruppe von mindestens zwei sekundären Diagonalen aufweist, wobei die Elemente in der Haupt-Diagonalen der Matrix Hp Nicht-Null-Elemente des Galois-Felds sind und die Elemente auf jeder der mindestens zwei sekundären Diagonalen der Gruppe sekundärer Diagonalen der Matrix Hp Nicht-Null-Elemente des Galois-Felds sind, auf dem der Code basiert.
- Encoding the data by means of a transmitter-side encoder,
- Sending the coded data from the transmitter to the receiver via a transmission system, and
- Decoding the received data by means of a receiver-side decoder, wherein lost and / or damaged data is recovered during decoding,
- Wherein the coding is performed by means of a non-binary Generalized Irregular Repeat Accumulate Code denoted on a Galois field of order q, where q is greater than 2, and where the Galois Field (GF (q)) contains a number q of elements,
- - wherein the decoding is performed by resolving the equation system defined by the decoding matrix of the code, and
- Wherein the coding of the data is performed by means of a parity check matrix H having two concatenated matrices H u and H p , where H u is a sparse matrix and H p is a structured square matrix comprising elements on a major diagonal and a Group of at least two secondary diagonals, the elements in the main diagonal of the matrix H p being non-zero elements of the Galois field, and the elements on each of the at least two secondary diagonals of the group of secondary diagonals of the matrix H p non-zero. Are zero elements of the Galois field on which the code is based.
Gemäß einer Alternative dieses Verfahrens wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Rückgewinnen verlorener und/oder beschädigter Daten vorgeschlagen, die von einem Sender zu einem Empfänger gesendet werden, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- – Kodieren der Daten mittels eines senderseitigen Kodierers,
- – Senden der kodierten Daten von dem Sender zu dem Empfänger über ein Übertragungssystem, und
- – Dekodieren der empfangenen Daten mittels eines empfängerseitigen Dekodierers, wobei verlorene und/oder beschädigte Daten während des Dekodierens wiederhergestellt werden,
- – wobei das Kodieren mittels eines nichtbinären Generalized-Irregular-Repeat-Accumulate-Codes durchgeführt wird, der auf einem Galois-Feld der Ordnung q bezeichnet ist, wobei
q größer als 2 ist, und wobei das Galois-Feld (GF(q)) eine Anzahl q von Elementen enthält, - – wobei das Dekodieren durch Auflösen des durch die Dekodier-Matrix des Codes definierten Gleichungssystems durchgeführt wird, und
- – wobei das Kodieren der Daten mittels einer Paritätsprüfmatrix H durchgeführt wird, die zwei konkatenierte Matrizes Hu und Hp aufweist, wobei Hu eine spärlich besetzte Matrix ist und Hp eine strukturierte quadratische Matrix ist, die Elemente auf einer Haupt-Diagonalen und auf einer Gruppe von mindestens zwei sekundären Diagonalen aufweist, wobei die Elemente in der Haupt-Diagonalen der Matrix Hp sämtlich 1 sind und die Elemente auf jeder von mindestens zwei sekundären Diagonalen der Matrix Hp Nicht-Null-Elemente des Galois-Felds sind, auf dem der Code basiert.
- Encoding the data by means of a transmitter-side encoder,
- Sending the coded data from the transmitter to the receiver via a transmission system, and
- Decoding the received data by means of a receiver-side decoder, wherein lost and / or damaged data is recovered during decoding,
- Wherein the coding is performed by means of a non-binary Generalized Irregular Repeat Accumulate Code denoted on a Galois field of order q, where q is greater than 2, and where the Galois Field (GF (q)) contains a number q of elements,
- - wherein the decoding is performed by resolving the equation system defined by the decoding matrix of the code, and
- Wherein the coding of the data is performed by means of a parity check matrix H having two concatenated matrices H u and H p , where H u is a sparse matrix and H p is a structured square matrix containing elements on a major diagonal and a group of at least two secondary diagonals, wherein the elements in the main diagonal of the matrix H p are all 1 and the elements on each of at least two secondary diagonals of the matrix H p are non-zero elements of the Galois field the code is based.
Die Erfindung kann in einem drahtlosen oder verdrahteten Übertragungssystem in einem Broadcasting- oder Multicasting-Szenario verwendet werden, insbesondere für den Multimedia-Broadcast-Multicast-Service MBMS.The invention can be used in a wireless or wired transmission system in a broadcasting or multicasting scenario, in particular for the multimedia broadcast multicast service MBMS.
Zu beachten ist, dass die Elemente auf der Haupt-Diagonalen und auf den mindestens zwei sekundären Diagonalen der Matrix Hp generell jeweils (bei Betrachtung der einzelnen Diagonalen) unterschiedlich voneinander sind, wobei jedoch möglich ist, dass sich diese Elemente wiederholen. Dies hängt von dem Wert der Parameter n und k des bezeichneten GeIRA-Codes und der Ordnung q des Galois-Felds ab. Diese Elemente unterscheiden sich voneinander (bei Betrachtung der einzelnen Diagonalen) oder können sich wiederholen. Beispielsweise existieren, falls ein Galois-Feld der Ordnung 4 verwendet wird, nur drei Nicht-Null-Elemente {1, 2, 3}, und falls auf der Haupt-Diagonalen sechs Elemente existieren (n – k = m = 6), enthält die Diagonale als ihre Elemente z. B. 1, 3, 2, 1, 3, 2, oder 3, 1, 1, 2, 3, 2, oder z. B. 3, 1, 3, 2, 1, 1, oder jede andere Kombination von Elementen der Gruppe von Nicht-Null-Elementen des Galois-Felds. Somit können die Elemente nicht sämtlich unterschiedlich voneinander sein. Dasselbe kann auch für die Elemente jeder der mindestens zwei sekundären Diagonalen der Fall sein. Solange die mindestens zwei gewählten sekundären Diagonalen der Matrix Hp Elemente in einer Anzahl aufweisen, die geringer ist als die Anzahl der Nicht-Null-Elemente des Galois-Felds, ist es möglich, dass die Elemente der jeweiligen sekundären Diagonalen sich von denen der anderen unterscheiden. Wiederum gilt hier jedoch, dass dies nicht unbedingt erforderlich ist.It should be noted that the elements on the main diagonal and on the at least two secondary diagonals of the matrix H p are each generally different (when viewing the individual diagonals), but it is possible that these elements repeat. This depends on the value of the parameters n and k of the designated GeIRA code and the order q of the Galois field. These elements differ from each other (when viewing the individual diagonals) or can be repeated. For example, if an order 4 Galois field is used, there are only three nonzero elements {1, 2, 3}, and if there are six elements on the main diagonal (n - k = m = 6) the diagonal as its elements z. B. 1, 3, 2, 1, 3, 2, or 3, 1, 1, 2, 3, 2, or z. 3, 1, 3, 2, 1, 1, or any other combination of elements of the group of non-zero elements of the Galois field. Thus, the elements may not all be different from each other. The same can also be the case for the elements of each of the at least two secondary diagonals. As long as the at least two chosen secondary diagonals of the matrix H have p elements in a number less than the number of non-zero elements of the Galois field, it is possible that the elements of the respective secondary diagonals are different from those of the other differ. Again, however, this is not necessarily required.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:In the following, preferred embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings. Show it:
Binäre und nicht-binäre GeIRA-Codes werden mittels der Paritätsprüfmatrix H vollständig spezifiziert. Die Ausgestaltung nicht-binärer Codes lässt sich leicht durchführen, indem die Paritätsprüfmatrix des Codes für das binäre Feld ausgebildet wird und dann die Nicht-Null-Einträge in GF(2) durch beliebige Nicht-Null-Einträge in GF(q) ersetzt werden. Somit weist der multi-diagonale Teil der Paritätsprüfmatrix für einen nichtbinären GeIRA-Code die folgende Struktur auf: wobei die Einträge der Matrix Nicht-Null-Einträge in GF(q) sind, die beliebig gegeben sind. Anzumerken ist, dass Elemente auf der Haupt-Diagonalen generell für verschiedene i, i = j, ..., m – 1 verschieden sind und auch die Elemente auf den sekundären Diagonalen für verschiedene i = j, ..., m – 1 verschieden sind, jedoch auch wiederholt werden können.Binary and non-binary GeIRA codes are completely specified by means of the parity check matrix H. The design of non-binary codes is easily accomplished by constructing the parity check matrix of the code for the binary field and then replacing the non-zero entries in GF (2) with any non-zero entries in GF (q). Thus, the multi-diagonal part of the parity check matrix for a non-binary GeIRA code has the following structure: where the entries of the matrix are non-zero entries in GF (q) given arbitrarily. It should be noted that elements on the main diagonal are generally different for different i, i = j, ..., m - 1 and also the elements on the secondary diagonal for different i = j, ..., m - 1 are different, but can also be repeated.
Das Kodierschema ist in
- 1. Der k-Symbol-Längen-Vektor u wird mit einer Matrix H
T / u - 2. Der m-Symbol-Vektor v tritt in einen rekursiven Rate-1-Kodierer ein, wobei i = 0, ..., m – 1 die in der Haupt-Diagonalen von Hp definierten nichtbinären Elemente sind und ..., h und i = j, ..., m – 1 die nichtbinären Elemente in den sekundären Diagonalen von Hp sind. Es wird der Paritäts-m-Bit-p-Vektor erzeugt. Insbesondere erhält man ausgehend von dem gegebenen ersten kodierten Paritäts-Symbol die anderen Paritäts-Symbole pi durch die Rekursion für i = 1, 2, ..., m – 1,
wobei 1 ≤ h ≤ m – 1. Wiederum werden algebraische Funktionen in einem Galois-Feld der Ordnung q ausgeführt. - 3. Das n-symbol-kodierte Codewort c wird erhalten durch Konkatenieren von u und p, was zu c = [u|p] führt.
- 1. The k-symbol length vector u is given a matrix H
T / u - 2. The m symbol vector v enters a
recursive rate 1 encoder, where i = 0, ..., m-1 are the non-binary elements defined in the main diagonal of H p , and ..., h and i = j, ..., m - 1 are the non-binary elements in the secondary diagonal of H p . The parity m-bit p vector is generated. In particular, one obtains from the given first coded parity symbol the other parity symbols p i by the recursion for i = 1, 2, ..., m - 1, where 1 ≤ h ≤ m - 1. Again, algebraic functions are performed in a Galois field of order q. - 3. The n-symbol coded codeword c is obtained by concatenating u and p, resulting in c = [u | p].
Das Schema gemäß
Dabei sind Elemente auf der Haupt-Diagonalen auf 1 normalisiert, und die α-Koeffizienten sind nichtbinäre Elemente in GF(q), die erhalten werden als j = 1, ..., h und i = j, ..., m – 1, wobei 1 ≤ h ≤ m – 1. Die Leistungsfähigkeit des Codes wird nach diesen elementaren Zeilen-Operationen nicht verändert, doch das Kodierschema ist vereinfacht. Dieses Kodierschema ist in
Das neue Schema lässt sich durch die folgenden Schritte zusammenfassen:
- 1. Der k-Symbol-Längen-Vektor u wird mit einer Matrix
H T / u - 2. Der m-Symbol-Vektor v tritt in einen rekursiven Rate-1-Kodierer ein, wobei j = 1, ..., h und i = j, ..., m – 1 die nichtbinären Elemente in den sekundären Diagonalen von Hp sind. Es wird der Paritäts-m-Symbol-p-Vektor erzeugt. Insbesondere erhält man ausgehend von dem gegebenen ersten kodierten Paritäts-Symbol p0 = v0 die anderen Paritäts-Symbole pi mit der Rekursionfür i = 1, 2, ..., m – 1
wobei 1 ≤ h ≤ m – 1. Wiederum werden algebraische Funktionen in einem Galois-Feld der Ordnung q ausgeführt. - 3. Das n-symbol-kodierte Codewort c wird erhalten durch Konkatenieren von u und p, was zu c = [u|p] führt.
- 1. The k-symbol length vector u is given a matrix
HT / u - 2. The m symbol vector v enters a
recursive rate 1 encoder, where j = 1, ..., h and i = j, ..., m - 1 are the non-binary elements in the secondary diagonal of H p . The parity m symbol p vector is generated. In particular, starting from the given first coded parity symbol p 0 = v 0, the other parity symbols p i are obtained with the recursion for i = 1, 2, ..., m - 1 where 1 ≤ h ≤ m - 1. Again, algebraic functions are performed in a Galois field of order q. - 3. The n-symbol coded codeword c is obtained by concatenating u and p, resulting in c = [u | p].
Dieses Schema erfordert weniger Operationen als das vorherige. Insbesondere werden m Multiplikationen an GF(q) zum Kodieren eines Codeworts eingespart.This scheme requires fewer operations than the previous one. In particular, m multiplications on GF (q) are saved for coding a codeword.
Vorstehend wurden zwei gemäß der Erfindung ausgestaltete neuartige Kodierschemata für nichtbinäre GeIRA-Codes beschrieben. Die beschriebenen Schemata ermöglichen die Nutzung der Flexibilität von GeIRA-Codes auch für nichtbinäre Felder. Insbesondere ermöglicht das Schema 2 gegenüber Schema 1 das Einsparen von m Multiplikationen an GF(q) für jedes kodierte Codewort. Die Ersparnis ist sogar noch größer in Anbetracht dessen, dass es sich bei der Target-Anwendung um die Packet-Level-Kodierung handelt. Tatsächlich verläuft der Kodiervorgang auf der Paketebene in der in
Eine detaillierte Beschreibung der Kodierschemata ist bereits erfolgt. Die beiden Schemata wurden durch Software-Implementierung im Rahmen von LDPC-Codes für den Paket-Lösch-Kanal getestet.A detailed description of the coding schemes has already been made. The two schemes have been tested by software implementation as part of LDPC codes for the packet clear channel.
Der beschriebene GeIRA-Code wurde konzipiert und simuliert. Codewörter wurden gemäß den beiden beschriebenen Schemata kodiert. Die Komplexität beim Kodieren eines Codeworts hängt von der Paketgröße L ab, da ein Codewort ein Block von L × n Bytes ist und der Kodierer pro Codewort mal laufen muss. Zu beachten ist, dassdie Anzahl von Symbolen von GF(q) ist, die in einem Paket von Bytes der Größe L enthalten ist, da log2q die Menge an Bits ist, die zum Ausdrücken von Symbolen von GF(q) erforderlich ist.The described GeIRA code was designed and simulated. Codewords were coded according to the two schemes described. The complexity of coding a codeword depends on the packet size L, since one codeword is a block of Lxn bytes and the coder is per codeword have to walk. It should be noted that is the number of symbols of GF (q) contained in a packet of L size bytes, since log 2 q is the amount of bits required to express symbols of GF (q).
Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der Komplexität der beiden vorgeschlagenen Kodierschemata mit der Komplexität des generellen nichtbinären Kodierschemas (Multiplikation für die Generator-Matrix G). Die Komplexität wird angegeben anhand der erforderlichen elementaren Operationen (Additionen und Multiplikationen) zum Kodieren des bezeichneten (256, 128) GeTRA Codes für GF(256). Die in Tabelle 1 aufgeführten Resultate werden dividiert durch(Packet-Level-Kodierung). Tabelle 1. Kodier-Komplexität für den (256, 128) GeIRA-Code für F(256).
Das Schema 1 spart ungefähr 94% Additionen und 92% Multiplikationen gegenüber einem Standard-Kodierschema.
Das Schema 2 spart ungefähr 94% Additionen und 93% Multiplikationen gegenüber einem Standard-Kodierschema.
Anzumerken ist auch hier, dass relativ zu dem Schema 1 das Schema 2 Multiplikationen gegenüber GF(q) einspart.It should also be noted here that, relative to
Die beiden Kodierschemata gemäß der vorliegenden Erfindung sind für sämtliche Typen kommerzieller drahtloser und verdrahteter Übertragungssysteme verwendbar. Wie gezeigt, ermöglichen die vorgeschlagenen Algorithmen ein Reduzieren der Komplexität eines Packet-Level-Kodierers, so dass sie auch in Plattformen mit niedriger Rechnungsleistung angewandt werden können.The two coding schemes according to the present invention are applicable to all types of commercial wireless and wired transmission systems. As shown, the proposed algorithms allow reducing the complexity of a packet-level coder so that they can also be applied to low-billboard platforms.
Liste der verwendeten AbkürzungenList of abbreviations used
-
- PECPEC
- PaketlöschkanalPacket erasure channel
- LDPCLDPC
- Paritätsprüfung (Code) niedriger DichteParity check (code) of low density
- GFGF
- Galois-FeldGalois field
- MLML
- höchste Wahrscheinlichkeithighest probability
- CRCCRC
- zyklische RedundanzprüfungCyclic redundancy check
- IRAIRA
- Irregular-Repeat-Accumulate (Code)Irregular Repeat Accumulate (Code)
- GeIRAGeira
- Generalized-Irregular-Repeat-Accumulate (code)Generalized-Irregular-Repeat-Accumulate (code)
Literaturliterature
- [1] T. Richardson und R. Urbanke, ”Efficient encoding of low-density paritycheck codes”, IEEE Trans. Inform. Theory, Bd. 47, S. 638–656, Febr. 2001.[1] T. Richardson and R. Urbanke, "Efficient encoding of low density parity check codes", IEEE Trans. Inform. Theory, Vol. 47, pp. 638-656, Feb. 2001.
- [2] Y. Kou, S. Lin, und M. P. C. Fossorier, ”Low-density parity-check codes based on finite geometries: a rediscovery and new results”, IEEE Trans. Inform. Theory, Bd. 47, Nov. 2001.[2] Y. Kou, S. Lin, and M.P. Fossorier, "Low density parity-check codes based on finite geometries: a rediscovery and new results", IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 47, Nov. 2001.
- [3] H. Jin, A. Khandekar, und R. McEliece, ”Irregular repeat-accumulate codes,” in Proc. 2nd Intern. Symp. On Turbo Codes and Related Topics, Sept. 2000, S. 1–8.[3] H. Jin, A. Khandekar, and R. McEliece, "Irregular repeat-accumulate codes," in Proc. 2 nd Intern. Symp. On Turbo Codes and Related Topics, Sept. 2000, pp. 1-8.
- [4] G. Liva, E. Paolini, M. Chiani, ”Simple Reconfigurable Low-Density Parity-Check Codes”, IEEE Communications Letters, Bd. 9, Nr. 3, S. 258–260, März 2005.[4] G. Liva, E. Paolini, M. Chiani, "Simple Reconfigurable Low-Density Parity-Check Codes", IEEE Communications Letters, Vol. 9, No. 3, pp. 258-260, March 2005.
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CHIU, M.-C.: Bandwidth-Efficient Modulation Codes Based on Nonbinary Irregular Repeat-Accumulate Codes. In: IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 56, 2010, No. 1, S. 152-167. - ISSN 0018-9448 * |
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