DE102015006173B4 - Method for transmitting data - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Übertragen von Daten von einem Sender zu einem Empfänger,wobei die Daten vor ihrer Übertragung über einen verlustbehafteten Übertragungskanal durch einen mit dem Sender verbundenen Encoder kodiert werden,wobei die Daten nach ihrer Übertragung über den Übertragungskanal durch einen mit der Empfangsvorrichtung verbundenen Decoder dekodiert werden,wobei Daten unter Verwendung eines Forward Error Correction Codes kodiert und dekodiert werden,wobeiein Feedback-Kanal von der Empfangsvorrichtung zur Sendevorrichtung verwendet wird,und die durch den Encoder erzeugte Menge und/oder Art an redundanten Daten in Abhängigkeit vom Feedback der Empfangsvorrichtung auf dem Feedback-Kanal angepasst wird,dadurch gekennzeichnet, dass eine erneute Übertragung derjenigen Codeword-Symbole über den Feedback-Kanal angefordert wird, die die höchste Entropie aufweisen, wobei ein Codeword-Symbol eine hohe Entropie aufweist, wenn eine hohe Unsicherheit darüber besteht, ob das Codeword-Symbol einen bestimmten Wert aufweist.A method for transmitting data from a transmitter to a receiver, the data being encoded before transmission over a lossy transmission channel by an encoder connected to the transmitter, the data being decoded after its transmission over the transmission channel by a decoder connected to the receiving device where data is encoded and decoded using a Forward Error Correction Code, using a feedback channel from the receiving device to the transmitting device, and the amount and / or type of redundant data generated by the encoder in response to the feedback from the receiving device on the feedback Channel is requested, characterized in that a retransmission of those codeword symbols is requested via the feedback channel having the highest entropy, wherein a codeword symbol has a high entropy when there is a high uncertainty whether the codeword -S ymbol has a certain value.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten.The invention relates to a method for transmitting data.
Aus dem Stand der Technik sind Forward Error Correction Verfahren bekannt, mithilfe derer Daten von einer Sendevorrichtung über einen verlustbehafteten Übertragungskanal an eine Empfangsvorrichtung gesendet werden.Forward error correction methods are known in the art for sending data from a transmitting device to a receiving device via a lossy transmission channel.
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik die Verwendung eines Feedback-Kanals von der Sendevorrichtung zur Empfangsvorrichtung bekannt: Bspw. ist grundsätzlich bekannt, dass aufgrund des Feedbacks Codes mit einer kurzen Länge die Leistungsfähigkeit von längeren Codes erreichen können. Jedoch besteht in der Praxis Bedarf an Fehlerkorrektur-Codes, die in der Lage sind, dieses Ergebnis zu erzielen. Bspw. erzielen Turbocodes oder LDPC-Codes ihre höchste Leistungsfähigkeit erst bei einer Blockgröße von mehreren 1000 Bits.Furthermore, the use of a feedback channel from the transmitting device to the receiving device is known from the prior art: for example. It is generally known that due to the feedback codes with a short length can reach the performance of longer codes. However, in practice there is a need for error correction codes capable of achieving this result. For example. Turbo codes or LDPC codes achieve their highest performance only with a block size of several 1000 bits.
Informationen vom Stand der Technik können den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden:
- [1] C. Berrou, A. Glavieux, and P. Thitimajshima, „Near Shannon limit errorcorrecting coding and decoding: Turbo-codes,“ in Proc. IEEE International Conference on Communications, Geneva, Switzerland, May 1993.
- [2]
C. Douillard and C. Berrou, „Turbo codes with rate-m/(m+1) constituent convolutional codes,“ IEEE Transactions on Communications, vol. 53, no. 10, pp. 1630-1638, 2005
- [1] C. Berrou, A. Glavieux, and P. Thitimajshima, "Near Shannon limit error correcting coding and decoding: turbo codes," in Proc. IEEE International Conference on Communications, Geneva, Switzerland, May 1993.
- [2]
C. Douillard and C. Berrou, "Turbo codes with rate-m / (m + 1) constituent convolutional codes," IEEE Transactions on Communications, vol. 53, no. 10, pp. 1630-1638, 2005
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Übertragen von Daten über einen verlustbehafteten Übertragungskanal unter Verwendung eines Forward Error Correction Codes bereitzustellen, das eine verbesserte Performance aufweist.The object of the invention is to provide a method for transmitting data over a lossy transmission channel using a forward error correction code having an improved performance.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruch 1.The object is achieved according to the invention by the features of
Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Übertragen von Daten über einen verlustbehafteten Übertragungskanal. Die Daten werden hierbei von einer Sendevorrichtung gesendet und von einer Empfangsvorrichtung empfangen. Vor dem Übertragen werden die Daten durch einen Encoder kodiert. Nach dem Übertragen werden die Daten durch einen Decoder dekodiert. Die Daten werden unter Verwendung eines Forward Error Correction Codes kodiert und dekodiert.The method according to the invention serves to transmit data via a lossy transmission channel. The data is in this case sent by a transmitting device and received by a receiving device. Before transfer, the data is encoded by an encoder. After transmission, the data is decoded by a decoder. The data is encoded and decoded using a Forward Error Correction Code.
Erfindungsgemäß wird ein Feedback-Kanal von der Empfangsvorrichtung zur Sendevorrichtung verwendet. Durch diesen kann insbesondere signalisiert werden, welche Daten von der Empfangsvorrichtung nicht korrekt empfangen wurden und somit erneut übertragen werden müssen. Erfindungsgemäß wird die Menge und/oder Art der redundanten Daten in Abhängigkeit vom FeedbackSignal, das über den Feedback-Kanal übertragen wird, angepasst.According to the invention, a feedback channel from the receiving device to the transmitting device is used. This can be used in particular to signal which data was not received correctly by the receiving device and thus has to be retransmitted. According to the invention, the amount and / or type of redundant data is adjusted in response to the feedback signal transmitted via the feedback channel.
Es ist bevorzugt, dass die Anpassung der Menge und/oder Art der erneut zu übertragenden Daten in Abhängigkeit des Signal-Rausch-Spannungsverhältnisses des Übertragungskanals angepasst wird.It is preferred that the adaptation of the amount and / or type of data to be retransmitted is adjusted as a function of the signal-to-noise voltage ratio of the transmission channel.
Erfindungsgemäß wird über den Feedback-Kanal eine erneute Übertragung derjenigen Daten angefordert, die die höchste Entropie aufweisen. Ein Codeword hat eine hohe Entropie, wenn eine hohe Unsicherheit darüber existiert, dass das Codeword-Symbol einen bestimmten Wert aufweist.According to the invention, a retransmission of those data having the highest entropy is requested via the feedback channel. A codeword has a high entropy if there is a high degree of uncertainty about the codeword symbol having a certain value.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, eine Leistungsfähigkeit bzgl. der Fehlerkorrektur von wesentlich längeren und komplexeren Fehlerkorrekturcodes zu erreichen. Bspw. ist es möglich, eine Blocklänge von 40Bit zu verwenden, wobei hierbei die gleiche Fähigkeit zur Fehlerkorrektur erreicht werden kann, wie beim CCSDS Deep-Space LDPC-Code des CCSDS Standards mit einer Blockgröße von 2048 Bit.The method according to the invention makes it possible to achieve a performance with regard to the error correction of significantly longer and more complex error correction codes. For example. For example, it is possible to use a 40-bit block length with the same error-correction capability as the CCSDS deep-space LDPC code of the CCSDS standard with a block size of 2048 bits.
Es ist bevorzugt, dass das Kodieren und Dekodieren durch einen nicht-binären LDPC-Code, insbesondere einem LDPC-Code aus einem Galois-Feld der Ordnung > 64 erfolgt.It is preferred that encoding and decoding be done by a non-binary LDPC code, in particular an LDPC code, from a> 64 Galois field.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.In the following, preferred embodiments of the invention will be explained with reference to figures.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kommunikationsschemas, -
2 eine beispielhafte Darstellung eines Constellation Designs, -
3 eine Darstellung der Leistungsfähigkeit gegenüber dem Stand der Technik -
4 eine Darstellung der Codeword-Error-Rate in Abhängigkeit vom Signal-Rausch-Spannungsverhältnis.
-
1 a schematic representation of the communication scheme according to the invention, -
2 an exemplary representation of a Constellation Design, -
3 a representation of the performance over the prior art -
4 a representation of the code word error rate as a function of the signal-to-noise voltage ratio.
Jedes Codeword-Symbol in c wird einem Constellation-Symbol zugeordnet. Die Constellation wird als X bezeichnet und weist eine Kardinalität von |X| - q auf. Die Zuordnungsfunktions
Die modulierte Sequenz x ist N Konstellations-Symbole lang und wird über einen AWGN-Kanal mit einem Signal-Rausch-Spannungsverhältnis Es/N0 = 1/2σ2 übertragen. Es wurde angenommen, dass die durchschnittliche Übertragungsleistung
Die Kanalausgabe wird durch y bezeichnet und weist N komplexe Werte auf. Für den generischen i-ten Wert berechnet der Softdemodulator die Wahrscheinlichkeits-Dichte-Funktion (Probability Mass Function)
Hier bezeichnet Ci die Zufallsvariable, die dem i-ten Codeword-Symbol zugeordnet ist.Here, C i denotes the random variable associated with the ith codeword symbol.
Der Vektor W = (W1W2 ... WN) der N Wahrscheinlichkeits-Dichte-Funktionen ist der Eingang des Kanal-Decoders. Es wird angenommen, dass C ein (N,K) zyklischer Code über
Wenn nach dem Kanalkodieren ein Fehler entdeckt wird (d.h. wenn der Ausgang des Kanal-Decoders nicht die Bedingungen der Paritätsgleichungen des Codes erfüllt), wird eine Anforderung für eine erneute Datenabfrage über den Feedback-Kanal zur Sendevorrichtung geschickt. Es wird von einem idealen Feedback-Kanal ausgegangen. Die Anforderung zur erneuten Datenübertragung enthält den Index des erneut zu übertragenden Codeword-Symbols. Wenn im Gegenteil das dekodierte Wort die Paritätsgleichungen erfüllt, wird das geschätzte Wort û dem Empfänger zugeführt. Im Falle einer erneuten Datenübertragung verhält sich der Encoder wie folgt:If an error is detected after channel coding (i.e., if the output of the channel decoder does not satisfy the conditions of the code's parity equations), then a request for re-polling is sent via the feedback channel to the transmitting device. It is assumed that an ideal feedback channel. The retransmission request contains the index of the codeword symbol to be retransmitted. On the contrary, if the decoded word satisfies the parity equations, the estimated word û is fed to the receiver. In the case of a renewed data transfer, the encoder behaves as follows:
Ausgehend vom benötigten Symbol-Index t berechnet der Encoder eine skalierte Version des Codeword-Symbols ct durch Multiplikation von ct mit einem zufällig gewählten Symbol γ in
Auf der Empfängerseite wird bei gegebenem Kanalausgang ỹt eine Wahrscheinlichkeits-Dichte-Funktion berechnet
Davon ausgehend, dass der Skalierungs-Koeffizient γ bekannt ist, wird eine permutierte Version der Dichte-Funktion W̃t berechnet:
Eine aktualisierte Version der t-ten Wahrscheinlichkeits-Dichte-Funktion wird daher berechnet durch (elementweises) Multiplizieren der vorherigen Dichte-Funktion
Im Folgenden wird eine Strategie beschrieben, die verwendet werden kann, um die erneut zu übertragenden Daten durch den Empfänger zu bestimmen.The following describes a strategy that can be used to determine the data to be retransmitted by the receiver.
Hierbei werden diejenigen Codeword-Symbole mit der höchsten Entropie erneut übertragen. Ein Codeword-Symbol hat eine hohe Entropie, wenn eine hohe Unsicherheit darüber besteht, dass das Codeword-Symbol einen bestimmten Wert aufweist.In this case, those codeword symbols with the highest entropy are retransmitted. A codeword symbol has a high entropy if there is a high degree of uncertainty that the codeword symbol has a certain value.
Die Unsicherheit in Bezug auf das i-te Codeword-Symbol wird bezeichnet mit H(Ci|yi). Hierbei wird davon ausgegangen, dass das Set des zugehörigen Kanalausgangs yi ist und das Set der erneuten Übertragungen
Der Empfänger fordert eine erneute Datenübertragung des Symbols ct an, mit
Der Algorithmus verfolgt somit das Ziel, den Wert des am wenigsten verlässlichen Codeword-Symbols zu bestimmen.The algorithm thus aims to determine the value of the least reliable codeword symbol.
Im Folgenden wird das Konstellations-Design näher beschrieben. Als Referenz werden q-äre QAM-Modulationen berücksichtigt. Um Verluste zu vermeiden, werden APSK-ähnliche Konstellationen verwendet, in denen die Konstellations-Punkte optimiert sind im Hinblick auf die hinsichtlich des Eingangs beschränkte Kanal symmetrische Informationsrate. Ein Beispiel einer 4096-Punkt Konstellation, das durch Differenzialentwicklung gewonnen wurde, ist in
Die verwendeten Kanal-Codes sind:
- - ein A N = 6, K = 2 zyklischer Code, bezeichnet als Tetra Code
- - ein A N = 15, K = 5 zyklischer Code, bezeichnet als Petersen Code
- - ein A N = 48, k = 16 zyklischer Code;
- an AN = 6, K = 2 cyclic code, called Tetra Code
- an AN = 15, K = 5 cyclic code, referred to as Petersen code
- an AN = 48, k = 16 cyclic code;
Für diesen Code ist die Code-Dimension in Bit angegeben
In allen Fällen besteht jeder Dekodierversuch aus einem Maximum von 50 Iterationen. Die oben beschriebene Strategie bzgl. der maximalen Entropie wird zur Bestimmung der erneut zu übermittelnden Daten verwendet. Um die Coderate auf höhere Raten auszuweiten, wurden die drei oben beschriebenen Codes punktiert, um eine Rate von 2/3 zu erreichen, was es erlaubt, den Bereich der Spektral-Effizienz hin zu höheren Rausch-Spannungsverhältnissen auszuweiten.In all cases, each decode attempt consists of a maximum of 50 iterations. The maximum entropy strategy described above is used to determine the data to be retransmitted. To extend the code rate to higher rates, the three codes described above were punctured to achieve a rate of 2/3, allowing the range of spectral efficiency to be increased towards higher noise-to-voltage ratios.
Trotz der sehr kleinen Code-Dimensionen (von 192 bis hinunter zu 16 Bit) funktionieren alle Schemata nahe der Shannon-Grenze (schwarze durchgezogene Linie, R=log2(1+Es/N0). Bei mittleren bis niedrigen Rausch-Spannungsverhältnissen, während für große Rausch-Spannungsverhältnisse die Codes mit den Code-Dimensionen k=128 und k=192 Bit innerhalb von 2dB von der Shannon-Grenze funktionieren.Despite the very small code dimensions (from 192 down to 16 bits), all schemes work close to the Shannon limit (black solid line, R = log 2 (1 + E s / N 0 ).) For medium to low noise voltage ratios while for large noise voltage ratios, codes with the code dimensions k = 128 and k = 192 bits will work within 2dB of the Shannon limit.
In
Das Punktieren führt zu einer hohen CER. Dies wird durch die Tatsache gerechtfertigt, dass wenn er bei sehr hohen Coderaten betrieben wird, der Decoder dazu tendiert, viele undetektierte Fehler zu produzieren, da der Mother-Code sehr schwach ist.The puncturing leads to a high CER. This is justified by the fact that when operated at very high code rates, the decoder tends to produce many undetected errors, since the mother code is very weak.
Je mehr Iterationen verwendet werden, desto mehr wird die finale Coderate (Spektral-Effizienz) verbessert. Jedoch wird der Decoder öfter versagen aufgrund der Konvergenz zu fehlerhaften Codewörtern. Wenn die Anzahl der Iterationen reduziert wird, wird der Decoder weniger selten bei hohen Coderaten konvergieren, was zu weniger undetektierten Fehlern führen wird.The more iterations are used, the more the final code rate (spectral efficiency) is improved. However, the decoder will often fail due to the convergence to erroneous codewords. As the number of iterations is reduced, the decoder will less likely converge at high code rates, resulting in fewer undetected errors.
Es ist bemerkenswert, dass aufgrund des Feedbacks im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Eb/N0 ∼ 2 dB eine CER von annähernd 10-4 erreicht werden kann. Die entspricht der Leistungsfähigkeit, die durch den (2048,1024) CCSDS LDPC-Code mit 50 Iterationen erreicht wird. Es ist zu berücksichtigen, dass der Peterson-Code sehr viel kürzer ist (K=40 Bits).It is noteworthy that due to the feedback in the context of the method according to the invention at E b / N 0 ~ 2 dB, a CER of approximately 10 -4 can be achieved. This corresponds to the performance achieved by the (2048,1024) CCDS LDPC code with 50 iterations. It should be noted that the Peterson code is much shorter (K = 40 bits).
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US20140133848A1 (en) | 2012-11-15 | 2014-05-15 | Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. | Adaptively Coding and Modulating Signals Transmitted Via Nonlinear Channels |
Non-Patent Citations (1)
Title |
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C. Douillard and C. Berrou, „Turbo codes with rate-m/(m+1) constituent convolutional codes," IEEE Transactions on Communications, vol. 53, no. 10, pp. 1630-1638, 2005 |
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