CN101610139A - 一种水声modem混合自动重传方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水声MODEM混合自动重传方法，步骤如下：(1)收端解码获得发端的码字序列，先RS码纠错，再CRC码检错；(2)如果收端没有发现任何错误，则反馈ACK信号，如果发现了错误，收端将错误的帧编号进行组帧编码发射，将这些检错结果反馈给发端，要求发端重发对应帧编号的信息；(3)发端根据收到的错误包号，提取错误帧编号的信息进行递增冗余编码，重新发射给收端；(4)收端调整RS码参数，提取第一次收到的信息码与接收到冗余编码的校验码，再次进行RS码纠错，然后CRC码检错，直到认为正确为止。本发明的优点在于：该方法为纠、检错编码联合，并实现自动反馈重传，同时结合递增冗余编码技术，减少误码率，提高水声通信的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及声学和电子学领域，主要是一种水声MODEM混合自动重传方法，用于水声MODEM实现信息传输的差错控制以提高通信可靠性，或水声通信中纠、检错编码。
背景技术
如何提高水声通信的高数据率和可靠性，一直是世界性的重要研究课题。水声通信的研究相比无线通信起步较晚，一般的研究主要围绕如何提高数据率和带宽的利用率上，主要为研究先进的调制解调技术、信道均衡技术以克服多径和多普勒频移等，但除此之外，水声通信的研究还应该在研究差错控制技术方面下工夫，来增加通信的可靠性，从而提高整体的通信性能。国外的水声MODEM产品一般采用了纠错编码来进行差错控制，如L-3Communications ELAC Nautik GmbH公司的Digital Underwater Modem UM 30水声MODEM和Sonardyne公司的uCOMM Omni MF水声MODEM。
由香农信道编码理论知，形成好的纠错编码需具备三个前提条件，一为码的长度要长，二为码必须随机，三要采用最大似然概率译码。据报道，低密度奇偶校验码LDPC，在码长为107时，距离香农限0.0045dB，可见好的纠错码是长码，而水声通信的数据率一般较低，码长度过长，会引起很大的编码延时，降低通信的实时性，因此水声通信仅仅采用纠错编码，并不能较好降低通信的误码率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点和不足，提供一种水声MODEM混合自动重传方法，该方法为纠、检错编码联合，并实现自动反馈重传，同时结合递增冗余编码技术，减少误码率，提高水声通信的可靠性，进一步降低仅采用纠错码的误码率。
为解决上述技术问题，本发明是提出以下技术方案实现的：这种水声MODEM混合自动重传方法，步骤如下：
(1)、收端解码获得发端的码字序列，先RS码纠错，再CRC码检错，检查出那些超出RS码纠错能力的错误码字；
(2)、如果收端没有发现任何错误，则反馈ACK信号，如果发现了错误，收端首先发射一个NACK信号，然后收端再将错误的帧编号进行组帧编码发射，将这些检错结果反馈给发端，要求发端重发对应帧编号的信息；
(3)、发端根据收到的错误包号，提取错误帧编号的信息，将该信息进行递增冗余编码，重新发射给收端；
(4)、收端调整RS码参数，提取第一次收到的信息码与接收到冗余编码的校验码，再次进行RS码纠错，然后CRC码检错，直到认为正确为止，如果不正确，重复1～3步骤，如果重传超过了收发双方规定次数，也会终止双方通信。
作为优选：在发端，首先将待发送的信息码进行CRC检错编码，加入CRC码的校验位，再按照帧格式对含CRC码的校验位信息码的进行编号，在MODEM的RAM备份一份该信息码和编号；然后进行RS纠错编码，加入RS码的校验位，完成第1次通信发射的编码过程，信息发射后，发端MODEM要一直处于帧听状态，来获得接收端的反馈信息，如果获得ACK反馈，则结束本次通信，否则要将接收端的错误信息解调出来，获得错误的帧编号后，按照此编号从RAM中找到需要重发信息码，对该信息码重新进行RS编码，将递增的冗余编码进行第2次通信发射，发射后又进入帧听状态，如果还是没有收到接收端的ACK反馈，则重复第2次通信编码发射过程，直到收到接收端的ACK反馈为止，如果重传的次数超过了规定的最大重传次数，发端MODEM也将终止本次通信过程；
在收端，首先将解调出的原始信息码进行RS译码，获得的信息码再进行CRC译码，如果CRC译码结果为检查出没有错误，则将发送一个ACK信号，该信号为一个帧头信号结合一个固定频率f1单频信号，并结束该通信过程；发端只要检测到频率f1就知道收端接收的信息正确，如果检查出错误，收端首先发射一个NACK信号，该信号为一个帧头信号结合一个固定频率f2单频信号，再将该错误位于哪个帧编号的信息编码发射给发端；之后进入通信帧听状态，第2次的通信接收将按照收发双方约定好的冗余度修改RS码的译码参数进行RS译码，之后又进行CRC译码，根据检查结果决定反馈信号，如果还是检查出错误，将重复第2次通信接收过程，接受次数超过了重传次数将结束整个通信过程。
作为优选，所述RS编码步骤如下：
(1)、首先可编制GF域运算汇编函数库，在该函数库中定义了一种称之为码失的变量；
(2)、获得GF域的码矢与多项式的映射表；
(3)、由根值计算生成多项式；
(4)、码矢多项式与生成多项式相乘。
作为优选，所述RS译码过程步骤如下：
(1)、获得GF域的码矢与多项式的映射表；
(2)、计算伴随多项式；
(3)、BM迭代计算，获得错误值多项式；
(4)、钱搜索获得错误位置(求解方程组，获得根值)；
(5)、错误值计算，进行纠错。
作为优选，所述循环冗余校验码CRC检错过程步骤如下：CRC校验采用多项式编码方法，发送方和接收方用同一个生成多项式g(x)，发送方以g(x)去除信息多项式t(x)，得到的余数作为CRC校验码；校验时，以计算的校验结果是否为0，判断数据帧是否出错。
本发明的原理：提出了混合自动重传HARQ的差错控制方案，该方案为纠、检错编码联合，并实现自动反馈重传，同时结合递增冗余编码技术，减少误码率，该方案已经在研制的水声MODEM中获得应用，取得良好效果。HARQ技术结合了前向纠错方式FEC和重传反馈方式ARQ。HARQ技术的基本思想是收端正确接收到数据帧后，给发端发确认信号ACK；如果收端收到错误信息，给发端发否定确认信号NACK，要求发端重发数据包。在传输过程中误码率高时，采用FEC容易出现“乱纠”现象，采用ARQ方式的检错功能，检查出码字序列的错误，将检查结果反馈给发端，发端根据反馈结果，把收端认为有错的消息再次传送，直到收端认为正确接收为止。HARQ技术由于具备了错误自动重传功能，因此比仅采用前向纠错方式FEC的误码率要低。本发明的前向纠错方式FEC采用RS码，它是基于迦罗华域GF的特殊的多进制的BCH码，具有较强的纠突发错误能力，ARQ方式的检错码采用了循环冗余校验码CRC，它是由线性分组码分支出来，编码简单且误判概率很低，在通信、计算机等领域运用十分广泛，UART通信芯片、以太网芯片、MPEG解码芯片等，都采用了CRC码。
本发明制定了采用了多参数编译的RS码作为前向纠错编码，CRC码作为检错码，并对反馈后的错误信息递增冗余编码技术，使得能够比较智能地改变对错误信息再次纠正的纠错能力，实现时，本发明充分分析了RS码、CRC码的编译码运算特点，开发了专门针对在编码领域运算的函数库，只需要调用这些函数库，就可以很方便的完成整个编译码过程。
本发明的优点在于：
(1)在水声通信中，由于受码长限制，很难找到纠错能力强的纠错码，本发明的混合自动重传结合了纠、检错编码技术，实现前向纠错和反向纠错，很大程度降低误码率，通信实验误码率结果。
(2)RS码、CRC码模块由于采用C与汇编混合编程，代码执行效率与占用硬件资源少，据测试，RS码最大可支持2.5Mbps比特流的实时编译码，存储器占用率3.9％，CRC码最大可支持32Mbps比特流的实时编译码，存储器占用率1.14％，本发明开发的RS码、CRC码模块可集成在其他通信系统中。
附图说明
图1利用本发明的GF域函数库实现的RS编码过程；
图2利用本发明的GF域函数库实现的RS译码过程；
图3为SW-HARQ原理示意图；
图4为SR-HARQ原理示意图；
图5收发端进行HARQ的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步说明：
(1)RS(Reed-Solomon)纠错码实时模块与实现
RS码最主要特点之一是码元取自GF(q)上，GF(q)域运算实质表现为逻辑运算，因此采用定点DSP较浮点DSP更具优势，首先可编制GF域运算汇编函数库，在该函数库中定义了一种称之为码失的变量，以下函数库基于该变量进行运算的，如下：
①GF域的向量与向量的乘法
②GF域的向量与矩阵的乘法
③GF域的向量求幂
④GF域的向量点积
⑤GF域的向量加法
⑥GF域的向量与、或、非等运算
⑦GF域的向量卷积
⑧GF域的模值运算
为了使得本发明的RS码模块可以集成在其他通信系统中，并且多参数编译码，实现时并不是采用了存储数据表的方式，而是利用了这些函数库来通过计算获得这些数据表，本发明的RS码的编码流程图如图1，RS码的译码流程图如图2。
(2)循环冗余校验码CRC检错模块
CRC校验采用多项式编码方法，发送方和接收方用同一个生成多项式g(x)，发送方以g(x)去除信息多项式t(x)，得到的余数作为CRC校验码。校验时，以计算的校验结果是否为0，判断数据帧是否出错。利用GF域运算汇编函数库中的除法运算函数很方便实现多项式相除，并且实现多种参数的CRC码，分别为CRC-4、CRC-12、CRC-16、CRC-32等，由信息帧的长短，可选择不同参数的CRC码。
(3)混合自动重传HARQ的差错控制方案
水声MODEM采取了两种HARQ，停止等待模式SW-HARQ和选择模式SR-HARQ，如图3、4，传输协议包、参数包、命令包等，采用SW-HARQ，传输数据包，采用SR-HARQ。前向纠错方式FEC采用了RS码，检错码采用了CRC码，形成纠、检错编码联合，并自动重传反馈的差错控制系统。
在发端，首先将待发送的信息码进行CRC检错编码，加入CRC码的校验位，再按照帧格式对含CRC码的校验位信息码的进行编号，在MODEM的RAM备份一份该信息码和编号，然后进行RS纠错编码，加入RS码的校验位，完成第1次通信发射的编码过程，信息发射后，发端MODEM要一直处于帧听状态，来获得接收端的反馈信息，如果获得ACK反馈，则结束本次通信，否则要将接收端的错误信息解调出来，获得错误的帧编号后，按照此编号从RAM中找到需要重发信息码，对该信息码重新进行RS编码，此次编码可按照冗余度10％递增，增加RS码的纠错能力，将递增的冗余编码进行第2次通信发射，发射后又进入帧听状态，如果还是没有收到接收端的ACK反馈，则重复第2次通信编码发射过程，直到收到接收端的ACK反馈为止，如果重传的次数超过了规定的最大重传次数，发端MODEM也将终止本次通信过程。
在收端，首先将解调出的原始信息码进行RS译码，获得的信息码再进行CRC译码，如果CRC译码结果为检查出没有错误，则将发送一个ACK信号，该信号为一个帧头信号结合一个固定频率f1单频信号，并结束该通信过程，发端只要检测到频率f1就知道收端接收的信息正确，如果检查出错误，收端首先发射一个NACK信号，该信号为一个帧头信号结合一个固定频率f2单频信号，再将该错误位于哪个帧编号的信息编码发射给发端，之后进入通信帧听状态，第2次的通信接收将按照收发双方约定好的冗余度修改RS码的译码参数进行RS译码，之后又进行CRC译码，根据检查结果决定反馈信号，如果还是检查出错误，将重复第2次通信接收过程，接受次数超过了重传次数将结束整个通信过程。
如图5为收发端进行HARQ的流程，其整个过程为：
a.收端解码获得发端的码字序列，先RS码纠错，再CRC码检错，检查出那些超出RS码纠错能力的错误码字。
b.如果收端没有发现任何错误，则反馈ACK信号，如果发现了错误，收端首先发射一个NACK信号，然后收端再将错误的帧编号进行组帧编码发射，将这些检错结果反馈给发端，要求发端重发对应帧编号的信息。
c.发端根据收到的错误包号，提取错误帧编号的信息，将该信息进行递增冗余编码，为节省通信时间，只将这些冗余编码的校验码组帧编码重新发射给收端。
d.收端调整RS码参数，提取第一次收到的信息码与接收到冗余编码的校验码，再次进行RS码纠错，然后CRC码检错，直到认为正确为止，如果不正确，重复a～c步骤，如果重传超过了收发双方规定次数，也会终止双方通信。
以上对本发明的描述不具有限制性，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明权利要求的保护的情况，作出本发明的其它结构变形和实施方式，均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1、一种水声MODEM混合自动重传方法，其特征在于：步骤如下：
(1)、收端解码获得发端的码字序列，先RS码纠错，再CRC码检错，检查出那些超出RS码纠错能力的错误码字；
(2)、如果收端没有发现任何错误，则反馈ACK信号，如果发现了错误，收端首先发射一个NACK信号，然后收端再将错误的帧编号进行组帧编码发射，将这些检错结果反馈给发端，要求发端重发对应帧编号的信息；
(3)、发端根据收到的错误包号，提取错误帧编号的信息，将该信息进行递增冗余编码，重新发射给收端；
(4)、收端调整RS码参数，提取第一次收到的信息码与接收到冗余编码的校验码，再次进行RS码纠错，然后CRC码检错，直到认为正确为止，如果不正确，重复1～3步骤，如果重传超过了收发双方规定次数，也会终止双方通信。
2、根据权利要求1所述的水声MODEM混合自动重传方法，其特征在于：在发端，首先将待发送的信息码进行CRC检错编码，加入CRC码的校验位，再按照帧格式对含CRC码的校验位信息码的进行编号，在MODEM的RAM备份一份该信息码和编号；然后进行RS纠错编码，加入RS码的校验位，完成第1次通信发射的编码过程，信息发射后，发端MODEM要一直处于帧听状态，来获得接收端的反馈信息，如果获得ACK反馈，则结束本次通信，否则要将接收端的错误信息解调出来，获得错误的帧编号后，按照此编号从RAM中找到需要重发信息码，对该信息码重新进行RS编码，将递增的冗余编码进行第2次通信发射，发射后又进入帧听状态，如果还是没有收到接收端的ACK反馈，则重复第2次通信编码发射过程，直到收到接收端的ACK反馈为止，如果重传的次数超过了规定的最大重传次数，发端MODEM也将终止本次通信过程；
在收端，首先将解调出的原始信息码进行RS译码，获得的信息码再进行CRC译码，如果CRC译码结果为检查出没有错误，则将发送一个ACK信号，该信号为一个帧头信号结合一个固定频率f1单频信号，并结束该通信过程；发端只要检测到频率f1就知道收端接收的信息正确，如果检查出错误，收端首先发射一个NACK信号，该信号为一个帧头信号结合一个固定频率f2单频信号，再将该错误位于哪个帧编号的信息编码发射给发端；之后进入通信帧听状态，第2次的通信接收将按照收发双方约定好的冗余度修改RS码的译码参数进行RS译码，之后又进行CRC译码，根据检查结果决定反馈信号，如果还是检查出错误，将重复第2次通信接收过程，接受次数超过了重传次数将结束整个通信过程。
3、根据权利要求1所述的水声MODEM混合自动重传方法，其特征在于：所述循环冗余校验码CRC检错过程步骤如下：CRC校验采用多项式编码方法，发送方和接收方用同一个生成多项式g(x)，发送方以g(x)去除信息多项式t(x)，得到的余数作为CRC校验码；校验时，以计算的校验结果是否为0，判断数据帧是否出错。
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