CN101764677A - 一种基于前向纠错的帧级别编码与译码方法 - Google Patents

Abstract

该发明属于通信技术领域中的基于前向纠错的帧级别信道编码与译码的方法。包括发射端的组帧、成帧处理、帧编码处理和发送、加入帧识别号、信号处理及发送；以及接收端的信号接收及常规信号处理、帧的检测、译码处理及将系统帧送入信宿。该发明在接收端能够将错误帧通过简单的译码方法恢复，从而有效地提高了系统传输容量；采用前向纠错机制，不需要任何反馈，特别适合用于无反馈链路的系统中；此外由于编码允许很多错误帧参与、且不要求错误帧是连续的，相对于传统的帧合并技术来说、纠错能力有了很大地提升。因而，本发明具有编码和译码的复杂度低，纠错能力强，系统的传输容量大、传输效率及可靠性高，可在没有反馈链路的系统中应用等特点。

Description

一种基于前向纠错的帧级别编码与译码方法

技术领域

本发明属于通信领域中的数据(信息)传输技术，特别是一种为降低信道传输差错率的前向纠错的帧级别编码与译码方法。

背景技术

随着通信技术的发展，传输容量与距离的要求也在不断增长。在数据通信中，信号经常会由于受到噪声、衰落或其他原因的影响产生错误，为了确保通信质量和效率，必须对这些错误进行控制和纠正，常见的差错控制技术主要包括前向纠错(FEC)与反馈重传(ARQ)等技术。前向纠错是一种非常有效的方法，常见的前向纠错码、即信道编码，有里德-所罗门(Reed-Solomon)码、卷积码、turbo码以及低密度奇偶校验码(LDPC)等。前向纠错码、特别是近期快速发展的turbo码与LDPC码，其特点是单向传输、不需反馈，能根据码的规律性自动纠正错误，纠错迅速，纠错能力非常强；但前向纠错码的编、译码结构复杂，效率低，一般仅用在通信物理层作为帧内的比特级纠错。

由于仅采用物理层的前向纠错码难以保证经过译码的帧一定是正确的，因而一般在通信系统的上层还要采用帧级别的纠错技术以进一步提高传输的可靠性，而其中最常见的也是最简单的帧级别纠错技术就是ARQ技术。该技术的特点是结构简单、需要反馈信道，但在传输中不需要在帧中增加很长的冗余信息，而只要增加很短的检错序列，接收端根据这个序列判断该帧是否正确，如果正确、则接收，否则丢弃该帧，并通过反馈链路要求发射端重传该帧。而近期开发出的另外一类基于帧级别的被称为“无速率”码及网络编码的通信技术；其中，常见的无速率码有LT码、Raptor码以及二进制确定无速率码等，此类无速率码的特点就是“无速率”性，当使用无速率码作为差错控制时，发射端不断地发送帧级别的经过编码后的帧，接收端则对收到的帧进行译码，当接收端收到足够多的帧后，就能完全恢复出原信息帧，然后再反馈一个终止信号给发射端，发射端就停止继续发送；整个传输过程，除了终止信号，接收端不需要再向发射端反馈其他的信息，比如信息包的丢包情况，而不像ARQ技术那样要经常性反馈信息给发射端。而网络编码既可以用于多播信道以提高整个系统的传输容量，也可以用于一般信道传输，特别是在多播广播信道下将网络编码作为一种纠错技术来提高传输的可靠性时，则要求系统有反馈信道，该纠错技术在有反馈信道的情况下，当接收端因接收信息出现错误而要求重传时，发射端不再直接重传出错的信息帧，而是先对一些信息帧进行帧级别的编码后再进行重传；而在接收端，每个接收机会根据自己丢帧情况，从重传的编码帧中通过简单的异或运算处理找到自己需要的正确帧。

上述不论是ARQ技术、无速率码还是网络编码技术，在译码时都是针对经过CRC检测正确的帧进行译码，而将错误帧直接丢弃掉。而实际上，被丢弃的帧中大部分帧错误的比特数非常少，如果能在接收端通过有针对性的技术处理、即将错误的具体位置找出并纠正，使其成为正确帧，从而就可有效地提高信道的传输能力，包括传输的可靠性以及传输的效率。在ARQ技术基础上发展起来的帧合并技术，就是利用该原理在接收端把错误帧通过检测恢复出原信息帧，因而该技术也要求系统提供反馈链路；但与ARQ不同的是，该技术并不把第一次传输错误的帧丢弃掉，而是保存起来，如果第二次重传相同的帧再次出现错误，则通过两个错误帧中比特值不同位置的对比，来确定其可能的错误位置，一旦找到了出错的位置，就可以通过穷搜索的办法来恢复出原信息帧。但采用帧合并技术的前提条件：一是错误的比特数不能太多，不然穷搜索的复杂度太高，否则可能因超出帧检测序列的可检错范围而造成检错失败；二是两个帧的错误比特不能位于同一个位置，否则将发生漏检、而不能找出其错误位，因而也就无法恢复出原信息帧；其三，该技术只有在帧传输中发生连续性错误时才有效。因而，该技术又存在对降低信道传输差错率、提高传输可靠性和提升容量的效能较差，应用范围窄等缺陷。以上ARQ、无速率码、网络编码以及包合并技术等几种采用反馈技术的帧级别的纠错方法，都存在不能在任何无反馈链路的系统中应用等缺陷。

发明内容

本发明的目的是在背景技术基础上，改进设计一种基于前向纠错的帧级别编码与译码方法，该帧级别前向编译码技术可广泛用于没有反馈链路的系统中，以强化信道编、译码的功能，提高信道传输中对错误帧进行控制及纠正的能力、降低信道传输差错率，有效提升系统传输的可靠性和容量，确保通信质量和效率等目的。

本发明的解决方案是从帧级别编码的角度出发，在无速率码及帧合并技术的基础上，将编码过程分为两个阶段，第一阶段为系统编码，此阶段，编码器仅是将由前一模块送进来的帧再送出去，不做任何处理，第二阶段为冗余编码阶段，第一个冗余帧的产生方法是将由前一模块送来的所有帧进行比特对比特的异或处理，此后的所有冗余帧都是从前一模块送来的所有帧中随机地取出一半进行异或处理得到，这个过程一直重复至发送的冗余帧数达到设定的数量止；而译码过程则是：将收到的系统帧存入帧存储器，每收到一个冗余帧则根据冗余帧参与编码的帧号，将对应的系统帧从帧存储器中取出，并将系统帧及其对应收到的冗余帧进行异或处理，获得一个错误位置指示序列；如果上述参与异或处理的所有帧中、没有偶数个帧在相同的比特位出错、且出错的比特数目有限，则采用穷搜索类方法进行恢复，而当无法满足该条件时、则接收下一个冗余帧，进行新一轮的译码，这个过程一直重复至接收到的冗余帧数达到设定的数量、并完成译码止；从而实现其目的。因此，本发明方法包括发射端和接收端两级处理，其中：

A.发射端处理步骤为：

a.组帧：将信号源发出的原始数据送入组帧处理模块、进行组帧，组帧处理后转加校验序列模块；

b.成帧处理：将经a步骤组帧处理后的信号送入加校验序列模块作成帧处理，为每一个帧插入帧校验序列，以用于接收端对该帧的验收；

c.帧编码处理和发送：经b步骤成帧处理的信号送入帧编码模块后、存入帧存储器，再按照先进先出的顺序连续地将各个系统帧送入d步骤；然后再从帧存储器内取出所有的系统帧及其校验序列进行异或处理、产生第一个冗余帧，之后的所有冗余帧都是从帧存储器内所有的系统帧中随机地取出一半进行异或处理产生，产生的冗余帧亦送往d步骤；产生冗余帧过程不断进行、直至发送的冗余帧达到设定的数量；

d.加入帧识别号：将经帧编码模块处理后的信息送入加帧号处理模块，在各系统帧及冗余帧中分别加入该帧的识别号，然后送至常规信号处理模块；

e.信号处理及发送：将经d步骤加帧识别号处理后的信息送入信号处理模块，对信号进行常规交织、调制处理，然后送入信道发送；

B.接收端处理步骤为：

a.信号接收及常规处理：将收到的发射端信号送入信号处理模块，进行常规解调、解交织处理后、送入下一步骤；

b.帧的检测处理：将经a步骤解调、解交织处理后的信号送入帧检测模块，首先从收到的各个系统帧中去掉其帧号、并按照原帧号将该帧保存在相应的帧存储器中，然后根据帧校验序列检测该系统帧的对错，并将其结果保存在帧质量缓存器的相应位置中；而将收到的冗余帧去掉其帧号后直接送入译码器、进行译码处理；

c.译码处理：经帧检测器处理后的冗余帧送入译码器，并按照以下步骤对系统帧进行恢复，即首先获取错误冗余帧补集，接着获取错误位置指示序列，然后恢复错误的系统帧，如果仍然有系统帧没有恢复，则等待获取新的冗余帧后，继续进行新一轮译码，直至接收到的冗余帧数达到设定的数量、并完成译码止；

d.将帧存储器中的系统帧送入接收系统信宿。

上述帧校验序列为循环冗余校验(CRC)序列及其检测方法。

在接收端处理的步骤c中：所述错误冗余帧补集，其方法是通过对上一时刻错误冗余帧、上一时刻错误冗余帧补集以及当前时刻错误冗余帧进行异或处理；初始化时，令错误冗余帧、错误冗余帧补集为长度与系统帧及其校验序列长度相同的全零序列。

所述的错误冗余帧是通过将当前接收到的冗余帧与参与该冗余帧编码的系统帧中所有正确的系统帧进行异或处理得到。

而所述的错误位置指示序列分成两种，一种是将当前错误冗余帧及其对应的参与该错误冗余帧编码的所有错误系统帧进行异或处理得到的(称之为)参与帧错误位置指示序列；另一种是将升级后的错误冗余帧补集(即当前错误冗余帧补集)及未参与当前错误冗余帧编码的所有错误的系统帧进行异或处理得到的(称之为)未参与帧错误位置指示序列。

所述的恢复系统帧过程分两个部分，一是恢复参与当前错误冗余帧编码的错误系统帧，其过程为：在参与当前冗余帧编码的所有错误系统帧中、对参与帧错误位置指示序列中指示为错误的位置(也就是该序列中值为1的位置)进行比特翻转，每次比特翻转后都根据帧校验序列进行帧检测，如果检测结果正确，则该比特翻转后的帧就为相应的正确系统帧，并且通过对恢复后正确系统帧与当前错误冗余帧进行异或处理，将该正确系统帧从参与当前错误冗余帧编码的帧中剔除掉；二是恢复未参与当前错误冗余帧编码的错误系统帧，其过程与前一过程相同，只是要恢复的系统帧为未参与当前错误冗余帧编码的错误系统帧，而错误位置指示序列为未参与帧错误位置指示序列，并将当前错误冗余帧改为当前错误冗余帧补集。而其中所述比特翻转的数目按照从小到大递增的方式进行，最小为1个，最大数目则由译码器复杂度决定。

本发明相对于传统的帧级别的编译码方法具有如下优势：由于接收端的主要操作只对那些错误的帧进行，能够将错误帧通过简单的译码方法恢复，因而相对于传统的ARQ、无速率码、网络编码等技术，可以非常有效地提高系统传输容量；而采用前向纠错机制，由于不需要任何反馈，特别适合于没有反馈链路的系统中；此外由于编码允许很多错误帧参与、且不要求错误帧是连续的，相对于传统的帧合并技术来说、纠错能力有了很大地提升。因而，本发明具有编码和译码的复杂度低，纠错能力强，系统的传输容量大、传输效率及可靠性高，可在没有反馈链路的系统中应用等特点。

具体实施方式：

A.发射端：

a.组帧：由信源发出的长度为1000比特的原始数据送入组帧处理模块，进行组帧，组成10个每个长度为100的帧；

b.成帧处理：组帧后的信号被送至成帧模块，在每一个帧后面插入长度为16比特的CRC校验序列；

c.帧编码处理和发送：经过成帧处理的信号被送入帧编码模块，帧编码过程分两个步骤，第一步骤是连续地将前一模块送来的10个帧送至下一模块；第二步骤是发送冗余帧，第一个冗余帧R₁是将这10个帧进行以及校验序列进行异或处理得到的，而之后的冗余帧R_i是从这10个帧中随机取出5个帧，并将该5个帧进行异或处理得到的，所有的冗余帧都被送至下一模块，产生冗余帧的过程一直重复直到发送的冗余帧数达到10个，这样组成一个码率为1/2的前向纠错码；

d.加入帧识别号：经帧编码模块处理后的信息被送入加帧号处理模块，即在每一个帧中，包括系统帧与冗余帧，增加一个识别该帧的帧号，帧号采用5个比特表示，用0到19对应的5比特分别表示该20个帧，之后被送至下一模块；

e.信号处理及发送：经加帧识别号模块处理后的信息被送入常规信号处理模块，对信号进行交织、调制处理后、送至信道发送；

B.接收端：

a.信号接收及常规处理：从信道送来的信号被送至信号处理模块，进行信号的常规解调、解交织等处理；

b.帧的检测处理：经解调、解交织处理后的信号被输送至帧检测器(模块)，该检测器先将收到的10个系统帧，去掉帧号，并按照原帧号将该帧保存在相应的帧存储器中，然后根据CRC检测该系统帧对错，并将结果保存在一个帧质量缓存器的相应位置中；本实施方式的帧存储器是一个可以保存10个每个长度为116比特的存储空间，而帧质量缓存器是一个有10个比特存储空间的存储器；该检测器将收到的冗余帧去掉帧号后直接送给下一模块；

c.译码处理：经帧检测器处理后的冗余帧被输送至译码器，记当前时刻收到的冗余帧为R′_i，该冗余帧对应的在发射端参与编码的系统帧集合为C_i，可将C_i中的系统帧分成正确系统帧集合C_c，i以及错误系统帧集合C_e，i，则只包含错误系统帧的冗余帧为R″_i＝R′_i+sum(C_c，i)，这里sum(C_c，i)运算意思是对C_c，i中的所有元素进行异或处理，这里+为异或处理，下同，记错误帧中未参与编码的帧集合为C_i，其中C_c，i为C_i中正确系统帧，C_e，i为C_i中错误系统帧，则第i时刻的错误帧冗余帧补集R″_i＝R″_i+R″_i-1+R″_i-1，，其中，R″_i-1和R″_i-1分别为前一时刻的错误冗余帧和错误冗余帧补集，初始化令R″₀和R″₀皆为长为116的全零序列，接着按如下两个步骤对C_e，i中的系统帧进行恢复：

(1).从上一模块的帧存储器中找出C_e，i包含的所有系统帧，计算错误位置指示序列E＝R″_i+sum(C_e，i)，，并设E中“1”的个数为d；

(2).从E中的d个“1”位置取出v个“1”，放在原位置，其他位置为“0”组成一个序列E′，初始化v取1，则共有C_d ^v取法，这里C_d ^v是指d中取v的组合数，对每一个取法得到的E′，又与C_e，i中的所有系统帧的每一个分别进行异或得到一系列试探系统帧S_t，对每一个试探系统帧S_t根据帧校验序列进行帧检测，如果检测结果正确，则该试探系统帧就为相应统帧的正确值，接着对如下信息进行更新：将帧缓冲器中相应系统帧的更新为S_t；将帧质量缓存器对应位更新为正确；将R″_i更新为R″_i+S_t，如果检测结果不正确，则继续下个试探系统帧的计算，计算过程中一旦C_e，i的所有系统帧都被恢复，则转向步骤(3)，否则译码程序一直进行下去；当所有的E′及所有C_e，i中的系统帧都试探一遍后，C_e，i还有系统帧没有被恢复，则如果v＜p、将v自加1，这里设p为3，并重复该过程，如果v达到p值(即达到3)，则转向步骤(3)；

对C_e，i中的系统帧的恢复过程与C_e，i中的系统帧恢复过程一致，只要将(1)和(2)中的C_e，i换成C_e，i，将R″_i换成R″_i，进行(1)和(2)运算即可；

(3).如果帧质量缓存器中没有错误系统帧，则转步骤d，否则继续接收下一个冗余帧，进行新一轮的译码，这个过程一直重复直到接收到的冗余帧数达到10个、并完成译码止；

d.将帧存储器中已经全部恢复或部分恢复的系统帧送至信宿。

Claims (7)

1.一种基于前向纠错的帧级别编码与译码方法，包括发射端和接收端两级处理，其中：

A.发射端处理步骤为：

a.组帧：将信号源发出的原始数据送入组帧处理模块、进行组帧，组帧处理后转加校验序列模块；

b.成帧处理：将经a步骤组帧处理后的信号送入加校验序列模块作成帧处理，为每一个帧插入帧校验序列，以用于接收端对该帧的验收；

c.帧编码处理和发送：经b步骤成帧处理的信号送入帧编码模块后、存入帧存储器，再按照先进先出的顺序连续地将各个系统帧送入d步骤；然后再从帧存储器内取出所有的系统帧及其校验序列进行异或处理、产生第一个冗余帧，之后的所有冗余帧都是从帧存储器内所有的系统帧中随机地取出一半进行异或处理产生，产生的冗余帧亦送往d步骤；产生冗余帧过程不断进行、直至发送的冗余帧达到设定的数量；

d.加入帧识别号：将经帧编码模块处理后的信息送入加帧号处理模块，在各系统帧及冗余帧中分别加入该帧的识别号，然后送至常规信号处理模块；

e.信号处理及发送：将经d步骤加帧识别号处理后的信息送入信号处理模块，对信号进行常规交织、调制处理，然后送入信道发送；

B.接收端处理步骤为：

a.信号接收及常规处理：将收到的发射端信号送入信号处理模块，进行常规解调、解交织处理后、送入下一步骤；

b.帧的检测处理：将经a步骤解调、解交织处理后的信号送入帧检测模块，首先从收到的各个系统帧中去掉其帧号、并按照原帧号将该帧保存在相应的帧存储器中，然后根据帧校验序列检测该系统帧的对错，并将其结果保存在帧质量缓存器的相应位置中；而将收到的冗余帧去掉其帧号后直接送入译码器、进行译码处理；

c.译码处理：经帧检测器处理后的冗余帧送入译码器，并按照以下步骤对系统帧进行恢复，即首先获取错误冗余帧补集，接着获取错误位置指示序列，然后恢复错误的系统帧，如果仍然有系统帧没有恢复，则等待获取新的冗余帧后，继续进行新一轮译码，直至接收到的冗余帧数达到设定的数量、并完成译码止；

d.将帧存储器中的系统帧送入接收系统信宿。

2.按权利要求1所述基于前向纠错的帧级别编码与译码方法，其特征在于所述帧校验序列为循环冗余校验序列及其检测方法。

3.按权利要求1所述基于前向纠错的帧级别编码与译码方法，其特征在于所述所述错误冗余帧补集，其方法是通过对上一时刻错误冗余帧、上一时刻错误冗余帧补集以及当前时刻错误冗余帧进行异或处理；初始化时，令错误冗余帧、错误冗余帧补集为长度与系统帧及其校验序列长度相同的全零序列。

4.按权利要求1所述基于前向纠错的帧级别编码与译码方法，其特征在于所述的错误冗余帧是通过将当前接收到的冗余帧与参与该冗余帧编码的系统帧中所有正确的系统帧进行异或处理得到。

5.按权利要求1所述基于前向纠错的帧级别编码与译码方法，其特征在于所述的错误位置指示序列分成两种，一种是将当前错误冗余帧及其对应的参与该错误冗余帧编码的所有错误系统帧进行异或处理得到的参与帧错误位置指示序列；另一种是将升级后的错误冗余帧补集及未参与当前错误冗余帧编码的所有错误的系统帧进行异或处理得到的未参与帧错误位置指示序列。

6.按权利要求1所述基于前向纠错的帧级别编码与译码方法，其特征在于所述进恢复系统帧过程分两个部分，一是恢复参与当前错误冗余帧编码的错误系统帧，其过程为：在参与当前冗余帧编码的所有错误的系统帧中，对参与错误位置指示序列中指示为错误的位置进行比特翻转，每次比特翻转后都根据帧校验序列进行帧检测，如果检测结果正确，则该比特翻转后的帧就为相应的正确系统帧，并且通过对恢复后正确系统帧与当前错误冗余帧进行异或处理，将该正确系统帧从参与当前错误冗余帧编码的帧中剔除掉；二是恢复未参与当前错误冗余帧编码的错误系统帧，其过程与前一过程相同，只是要恢复的系统帧为未参与当前错误冗余帧编码的错误系统帧，而错误位置指示序列为未参与帧错误位置指示序列，并将当前错误冗余帧改为当前错误冗余帧补集。

7.按权利要求6所述基于前向纠错的帧级别编码与译码方法，其特征在于所述比特翻转的数目按照从小到大递增的方式进行，最小为1个。