CN102007786A - 用于提供不均等消息保护的系统和方法 - Google Patents

Abstract

可以根据编码方法来对输入数据进行编码，所述编码方法允许以预定但不均等的可靠性在通信信道上发送已编码数据或消息。所述编码方法允许发送所述消息的可靠性比发送已编码数据的可靠性更高。在所述消息可用时可以发送所述消息，而在所述消息不可用时可以发送已编码数据。

Description

用于提供不均等消息保护的系统和方法

技术领域

本发明总体涉及无线通信和无线通信相关技术。更具体地，本公开涉及用于提供不均等消息保护的系统和方法。

背景技术

为了满足消费者的需要并改进便携性和便利性，无线通信设备已变得更小且更强大。消费者已变得依赖于如蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、无线接入卡等无线通信设备。消费者已开始期望可靠的服务、扩大的覆盖区和增多的功能。无线通信系统中用户所利用的无线通信设备可以称作移动台、订户站、接入终端、远程站、用户终端、终端、手机、订户单元、用户设备等。

无线通信系统可以给多个小区提供通信，其中每一个小区可以由基站提供服务。基站可以是与移动台通信的固定站。备选地，基站可以称作接入点、Node B或某种其他术语。

移动台可以经由上行链路和下行链路的传输与一个或多个基站通信。上行链路(或反向链路)是指从移动台至基站的通信链路，下行链路(或前向链路)是指从基站至移动台的通信链路。无线通信系统可以同时支持多个移动台的通信。

本公开涉及无线通信和无线通信相关技术的领域中的改进。

发明内容

为了实现这种改进，提供了一种用于不均等消息保护的方法。所述方法包括：根据编码方法来对输入数据进行编码，所述编码方法允许以预定但不均等的可靠性在通信信道上发送已编码数据或消息。所述编码方法允许发送所述消息的可靠性比发送已编码数据的可靠性更高。在可用时发送所述消息，而在不可用时发送已编码数据。

此外，无线设备可以被配置为提供不均等消息保护。所述无线设备包括处理器以及与处理器进行电子通信的存储器。指令存储在所述存储器中，并且可执行以根据编码方法来对输入数据进行编码，所述编码方法允许以预定但不均等的可靠性在通信信道上发送已编码数据或消息。所述编码方法允许发送所述消息的可靠性比发送已编码数据的可靠性更高。所述指令还可执行以在所述消息可用时发送所述消息，而在所述消息不可用时发送已编码数据。

类似地，描述了一种包括可执行指令在内的计算机可读介质。所述可执行指令根据编码方法来对输入数据执行编码，所述编码方法允许以预定但不均等的可靠性在通信信道上发送已编码数据或消息。所述编码方法允许发送所述消息的可靠性比发送已编码数据的可靠性更高。所述可执行指令还在所述消息可用时发送所述消息，而在所述消息不可用时发送已编码数据。

为了对已编码数据进行解码，提供了一种用于不均等消息保护的解码方法。所述方法包括：确定所接收的数据包括警报消息还是已编码数据；以及如果检测到一个或多个警报假设消息，则响应于警报消息，采取适当的系统动作。否则，如果未检测到警报假设消息，则对已编码数据进行解码。

考虑结合附图作出的对本发明的以下详细描述，将更容易理解本发明的以上和其他目的、特征和优点。

附图说明

图1示意了与接收站进行电子通信的发送站；

图2示意了用于提供不均等消息保护的方法；

图3示意了被配置为产生非线性平衡码的不均等消息保护编码器的示例；

图4示意了被配置为对由图3所示的不均等消息保护编码器输出的信号进行解码的不均等消息保护解码器；

图5示意了不均等消息保护编码器的另一示例；

图6示意了被配置为对由图5所示的不均等消息保护编码器输出的信号进行解码的不均等消息保护解码器；以及

图7示意了可用在无线设备中的各种组件。

具体实施方式

公开了一种用于提供不均等消息保护的方法。所述方法可以包括：根据编码方法来对输入数据进行编码，所述编码方法允许以预定但不均等的可靠性在通信信道上发送已编码数据或消息。所述编码方法允许发送所述消息的可靠性比发送已编码数据的可靠性更高。所述方法还可以包括：在所述消息可用时发送所述消息，而在所述消息不可用时发送已编码数据。要发送的消息可以表示系统控制消息。

所述编码方法可以得到具有指定的固定符号分布的码字。要以更高可靠性发送的消息中的至少一个可以包括一个符号的重复。

所述编码方法可以利用平衡码。要以更高可靠性发送的消息中的至少一个可以包括一个符号的重复。所述平衡码可以包括曼彻斯特(Manchester)码或与曼彻斯特码同构的码。所述平衡码可以通过将对非平衡码字进行去除的非线性函数置于线性码之前来实现。所述平衡码可以通过将非线性函数置于线性码之前来近似，所述非线性函数对处于单个符号的重复的汉明距离δ之内的非平衡码字进行去除，其中δ是正数。

公开了一种被配置为提供不均等消息保护的无线设备。所述无线设备包括处理器以及与处理器进行电子通信的存储器。指令存储在所述存储器中。所述指令可执行以根据编码方法来对输入数据进行编码，所述编码方法允许以预定但不均等的可靠性在通信信道上发送已编码数据或消息。所述编码方法可以允许发送所述消息的可靠性比发送已编码数据的可靠性更高。所述指令还可执行以在所述消息可用时发送所述消息，而在所述消息不可用时发送已编码数据。

还公开了一种便于不均等消息保护的计算机可读介质。所述计算机可读介质可以包括指令。所述指令可执行以根据编码方法来对输入数据执行编码，所述编码方法允许以预定但不均等的可靠性在通信信道上发送已编码数据或消息。所述编码方法可以允许发送所述消息的可靠性比发送已编码数据的可靠性更高。所述指令还可执行以在所述消息可用时发送所述消息，而在所述消息不可用时发送已编码数据。

还公开了一种用于不均等消息保护的解码方法。所述方法可以包括：确定所接收的数据包括警报消息还是已编码数据。如果检测到一个或多个警报假设消息，则所述方法还可以包括：响应于警报消息，采取适当的系统动作。如果未检测到警报假设消息，则所述方法可以包括：对已编码数据进行解码。

可以使用平衡码来创建已编码数据。在这种情况下，对已编码数据进行解码可以包括：对用于实现所述平衡码的操作进行反转；以及执行线性解码。作为另一示例，对已编码数据进行解码可以包括：经由查找表来映射线性解码器的输出。

这里描述的方法允许嵌入要以比已编码数据实质上更高的可靠性来发送的指定警报或其他信号。这里描述的方法不涉及同时发送不均等保护的数据，而是涉及允许发送具有较低保护级别的数据或者发送具有高保护级别的消息/信号，但不同时发送较高或较低保护级别的数据。

这种类型的传输在以下情况下可能是重要的：例如为了信号通知从空间分集编码至空分多址接入的转移，或者可能为了指示缺少更高层的同步，在国际移动电信先进蜂窝系统中可能需要“模式改变”。目前解决该问题的方式是进行附加的更高层信号通知；然而，这种方法使用附加的信道资源。

提出并解决目前问题的方式与本公开的另一方面有关。该方面涉及使用通信协议设计的开放系统互连(OSI)模型。OSI模型描述了对通信系统中的各个元素的功能划分；例如，使用在物理层内传输的物理层信息、在媒体接入控制/链路层处的寻址信息(哪个无线电与哪个/哪些无线电通话)等等。

这种功能划分在传统上意味着从/向不同层传输的信息是基于分层信息的传输格式划分来传输的，其中，该划分是在时间或频率上进行的。例如，分组在时间上的一个片断可能与分组地址相对应，而时间上的另一时间正交的片断与用户有效载荷相对应，而又一正交的片断与前一分组的应答相对应。然而，信息论的最新进展表明：存在比基于OSI功能划分的简单时分复用或频分复用更可靠的方式来传输这种信息。尽管OSI功能划分仍可以有助于设计通信系统的功能，但实际传输格式化不需要是根据该模型而时分复用的，而可以是基于延迟差错率、解码过程和复杂度要求来进行编码的。

因此，这里描述的方法允许以更高的可靠性发送高优先级抢占信令，使得其反映了OSI模型中不同功能元素的优先顺序排列。

该编码方法背后的基本思想在于，将空中的符号集合划分为“消息”和码中的“码字”，其中，在码字(或其近似)中存在符号类型的均等分布。通过使用这种码，对于M元对称信道，所有码字最终与由符号的重复构成的“消息”相距最大汉明距离。利用该方法，可以发送“消息”的序列(其可以是抢占的系统控制消息、警报消息或更高层协议消息等)，而不发送已编码用户数据。

图1示意了与接收站104进行电子通信的发送站102。发送站102可以是基站，接收站104可以是移动台。备选地，发送站102可以是移动台，接收站104可以是基站。

发送站102包括不均等消息保护编码器106。接收站104包括不均等消息保护解码器108。

不均等消息保护编码器106可以被配置为根据编码方法来对输入数据110进行编码，该编码方法允许以预定但不均等的可靠性在通信信道116上发送已编码数据112(包括一个或多个码字118)或消息114。不均等消息保护编码器106使用的编码方法允许发送消息114的可靠性比发送已编码数据112的可靠性更高。不均等消息保护解码器108可以被配置为对由不均等消息保护编码器106发送的信号进行解码，并确定该信号包括已编码数据112还是消息114。

图2示意了用于提供不均等消息保护的方法200。根据所示方法200，可以定义消息114的集合(S202)。消息114可以是抢占、警报消息、更高层协议消息等。消息114可以包括相同符号的重复。

可以使用编码方法来对输入数据110进行编码(S204)，该编码方法提供了不均等消息保护，即，允许发送消息114的可靠性比发送已编码数据112更高。例如，所使用的编码方法可以被选择为使得在码字118(或其近似)中存在符号类型的均等分布，从而码字118与消息114相距最大汉明距离。

当消息114可用时，可以发送消息114(S206)。否则，可以发送已编码数据112(S208)。

图3示意了被配置为产生平衡码的不均等消息保护编码器300的示例。可以将输入数据303提供给线性编码器302。线性编码器302可以利用块码、卷积码等。

开关控制器304和反转器306实现反转和开关方案，该反转和开关方案向每个比特有效地附加比特的补码。这种串接是曼彻斯特码的一种形式。因此，每个码字将是平衡码字(尽管以信号能量一半为代价)。这些已编码且已补码编码的比特可以存储在缓冲器308中。当存在2n个已编码比特时，可以将这些已编码比特作为已编码数据310进行发送，除非存在警报消息312。如果存在警报消息312，则可以代之以发送2n个已编码警报比特314。

随着编码器302的长度变大以及警报消息312最优地与组合的码字分离，这类码可以实现任意低的差错率。可以存在两种警报消息312：全0消息和全1消息。

通过将非二进制符号映射至二进制符号，可以将该方案推广至非二进制符号，其中，反转器306被理解为对非二进制符号的二进制等价物取逻辑补码。

图4示意了被配置为对由图3所示的不均等消息保护编码器300输出的信号进行解码的不均等消息保护解码器400。假定在发射机与接收机之间存在同步。接收2n个比特416(这些可以是软判决)并将其存储在缓冲器418中。然后，可以例如经由匹配滤波来对这些(软)比特进行比较，以在框420中检测是否接收到任何“警报”假设消息。如果在框420中检测到一个或多个警报假设消息，则可以采取适当的系统动作422。

如果在框420中未检测到警报假设消息，则可以在框424中对复用和反转比特运算进行反转，并可以在框426中例如经由最大似然解码来执行线性解码，从而得到已解码比特428。

图5示意了不均等消息保护编码器500的另一示例。可以将输入数据503发送至例如k-1个比特的存储缓冲器508中。(这可以扩展至其他字母表)。现在将描述标为“去除一些码字的反转”的框530的操作。

如果线性编码器功能被视为将k个比特映射至n个比特，则其可以被表示为：

$T:S^{2^k}\→S^{2^n}---\left(1\right)$

其中，

表示所有k比特序列的集合，

表示所有n比特序列的集合。

此时，我们可以写出

$T\left[A\right]=\{y\∈S^{2^n}|y=T\left(x\right),$ 对于所有x∈A}(2)，

我们也可以写出

$T^{-1}\left[B\right]=\{x\∈S^{2^k}|T\left(x\right)\∈B\}---\left(3\right).$

我们对集合T^-1[B]特别感兴趣，集合T^-1[B]给出了我们不想在信道上发送的特定编码器输出(因为它们将产生与警报消息信号相同的比特模式，或者它们产生与警报消息接近的码字)。因此，T^-1[B]是k比特序列的集合；该集合将被称作排除集合E。该集合中具有多个元素(每个元素是k比特序列)；我们用|T^-1[B]|或|E|来表示该集合的基数。此外，在考虑所有k比特序列的集合时，我们用E^C来表示所有2^k个比特序列中不是E的成员的集合(由于E^C是E的补集)。其具有基数|E^C|。

标为“去除一些码字的反转”的框530可以被配置为将(k-1)比特序列映射至k比特序列，其中，k比特序列被限制为E^C的元素。只要E^C的基数≥2^(k-1)，总是可以进行该操作。

此时，可以通过改变集合B进而改变所排除的k比特序列的集合E，来描述产生不同的不均等差错保护消息传输的各种示例实施例。提供了以下三种情况作为示例。

情况1：

确保在码字输出中不出现警报消息的重复。

情况2：

确保码输出始终与警报消息至少相距大于δ的汉明距离。然而，不是对于所有汉明距离δ都可能做到这一点；由于二进制序列δ必须实质上小于n/2。δ的值确定了|E|的大小，从而也确定了E^C的大小。则一般地，对于该方法，我们需要δ≤δ₀，其中，δ₀是使E^C≥2^(k-1)的δ的最大值。

情况3：

确保了所有码字输出具有指定的符号分布。当符号分布被视为在消息符号的汉明距离之内的符号分布时，这种情况可以被认为包含了以上情况2。

这些实施例中的每一个为最优编码器提供了不同的实现或近似。

本质上，可以利用查找表来形成标为“去除一些码字的反转”的框530，其中，可以根据k-1个输入比特来输出k个比特的序列，该k-1个输入比特可以是在最低限度上通过对给定输入的线性码输出进行强力数值估计来产生的。

有许多种方式来构建这种表。例如，一旦确定了集合E^C，就可以将E^C的条目从最低至最高进行排序(将每个k比特序列视为如同无符号整数)。然后，可以取前2^(k-1)个条目，k-1个比特输入与E^C的排序的前2^(k-1)个条目之间的映射将定义非线性映射。备选地，可以取最高的2^(k-1)个条目。

以上隐含着对k、n和k/n的限制。尽管这些限制的精确界限超出本公开的范围(如上所述，提供针对该比率的高编码增益的相对“好”的码将具有很少的与单个符号的重复接近的码字，因此，这种相对“好”的码是该设计方法的候选)，但我们可以注意以下内容：

码率k/n不应当非常接近于1。

输入的比特数k-1与1相比应当相对较大。

当输入符号的分布是独立同分布的时，线性码应当具有经验分布近似于伯努利(对于二元字母表)或多项分布(对于M元字母表)的码字。相反，还可以使用以下码：该码的符号分布使比通过经由棣莫弗-拉普拉斯(de Moivre-Lap1ace)定理进行高斯近似而预测的更小的偶阶矩集中，例如，针对s＝1，2，...，分布的矩应当小于

$\frac{\left(2s\right)!}{2^{s}s!}{(n/4)}^{2s}---\left(7\right)$

在这种情况下，如果k-1相对较大，则可以调用中心极限定理或棣莫弗-拉普拉斯定理论证，以对可以排除的码字的数目进行限制，从而设置对上述实施例中的δ的极限。

在框530中的处理之后，将数据传递至线性编码器502。发送来自线性编码器502的已编码数据或者发送警报消息512，作为输出514。

图6示意了被配置为对由图5所示的不均等消息保护编码器500输出的信号进行解码的不均等消息保护解码器600。

接收2n个比特616(这些可以是软判决)并将其存储在缓冲器618中。然后，可以例如经由匹配滤波来对这些(软)比特进行比较，以在框620中检测是否接收到任何“警报”假设消息。如果在框620中检测到一个或多个警报假设消息，则可以采取适当的系统动作622。如果在框620中未检测到警报假设消息，则可以在线性解码器626中执行线性解码。

在框632中，可以经由查找表来映射线性解码器626的硬输出，以恢复k-1个输入比特，该查找表是图5的标为“去除一些码字的反转”的框530的反转。

备选地，可以将标为“将k比特输出映射至k-1个比特”的框632并入线性解码器626中。在这种情况下，线性解码器626将具有的状态转移限于输入k-1个比特和图5的标为“去除一些码字的反转”的框530可允许的状态转移。

图7示意了可用在无线设备702中的各种组件。无线设备702是可被配置为实现这里描述的方法的设备的示例。无线设备702可以是基站或移动台。

无线设备702可以包括对无线设备702的操作进行控制的处理器704。处理器704还可以称作中央处理单元(CPU)。可包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)在内的存储器706向处理器704提供指令和数据。存储器706的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器(NVRAM)。典型地，处理器704基于存储在存储器706内的程序指令来执行逻辑和算术运算。存储器706中的指令可执行以实现这里描述的方法。

无线设备702还可以包括外壳708，外壳708内可以包括发射机710和接收机712，以允许在无线设备702与远程站之间发送和接收数据。发射机710和接收机712可以组合成收发器714。天线716可以附着至外壳708并电耦合至收发器714。无线设备702还可以包括(未示出)多个发射机、多个接收机、多个收发器和/或多个天线。

无线设备702还可以包括信号检测器718，信号检测器718可以用于检测和量化由收发器714接收的信号的电平。信号检测器718可以检测如下信号：总能量、每伪噪声(PN)码片的导频能量、功率谱密度和其他信号。无线设备702还可以包括用于处理信号的数字信号处理器(DSP)720。

无线设备702的各种组件可以由总线系统722耦合在一起，总线系统722除了包括数据总线以外，还可以包括电源总线、控制信号总线和状态信号总线。然而，为了清楚，图7中将各种总线示意为总线系统722。

如这里使用的，术语“确定”涵盖了许多种动作，因此，“确定”可以包括计算、测算、处理、推导、调查、查找(例如在表、数据库或另一数据结构中查找)、断定等等。此外，“确定”可以包括接收(例如接收消息)、访问(例如访问存储器中的数据)等等。此外，“确定”可以包括解决、挑选、选择、建立等等。

术语“基于”不意味着“仅基于”，除非另外明确指定。换言之，术语“基于”既描述了“仅基于”又描述了“至少基于”。

这里描述的各种示意性逻辑块、模块和电路可以利用被设计为执行这里描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列信号(FPGA)或其他可编程逻辑器件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或者其任意组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但备选地，该处理器可以是任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与DSP核相结合、或者任何其他这种配置。

这里描述的方法或算法的步骤可以直接体现为硬件、由处理器执行的软件模块、或两者的组合。软件模块可以驻留于本领域公知的任何形式的存储介质中。可使用的存储介质的一些示例包括RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM等等。软件模块可以包括单个指令或多个指令，并可以分布在多个不同代码段上、不同程序中、以及多个存储介质上。示例存储介质可以耦合至处理器，使得该处理器可以从该存储介质读取信息并向该存储介质写入信息。备选地，该存储介质可以与该处理器集成。

这里公开的方法包括用于实现所描述方法的一个或多个步骤或动作。在不脱离权利要求书的范围的前提下，可以将方法步骤和/或动作互换。换言之，在不脱离权利要求书的范围的前提下，可以修改特定步骤和/或动作的顺序和/或使用，除非所描述的方法的适当操作需要步骤或动作以特定顺序进行。

所描述的功能可以以硬件、软件、固件或其任意组合来实现。如果以软件实现，则可以将功能作为一个或多个指令存储在计算机可读介质上。计算机可读介质可以是可由计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限制，计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储器件、或者可用于承载或存储以指令或数据结构的形式存在的期望程序代码且可由计算机访问的任何其他介质。如这里使用的，磁盘和光盘包括紧致盘(CD)、激光盘、光盘、数字通用盘(DVD)、软盘和Blu-

盘，其中，磁盘通常以磁的方式再现数据，而光盘利用激光以光的方式再现数据。

还可以通过传输介质来传输软件或指令。例如，如果使用同轴电缆、光纤光缆、双绞线、数字订户线路(DSL)、或者如红外、无线电和微波之类的无线技术，从网站、服务器或其他远程源传输软件，则在对传输介质的定义中包括同轴电缆、光纤光缆、双绞线、DSL、或者如红外、无线电和微波之类的无线技术。

应当理解，权利要求书不限于以上所示的确切配置和组件。在不脱离权利要求书的范围的前提下，可以对这里描述的系统、方法和设备的布置、操作和细节进行各种修改、改变和变化。

由此描述了本发明，显而易见，可以以多种方式来改变上述方式。这些改变不应被视为脱离本发明的精神和范围，对于本领域技术人员来说显而易见的所有这些修改应当包括在所附权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于提供不均等消息保护的方法，包括：

根据编码方法来对输入数据进行编码，所述编码方法允许以预定但不均等的可靠性在通信信道上发送已编码数据或消息，其中，所述编码方法允许发送所述消息的可靠性比发送已编码数据的可靠性更高；

在所述消息可用时发送所述消息；以及

在所述消息不可用时发送已编码数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，要发送的消息表示系统控制消息。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述编码方法得到具有指定的固定符号分布的码字，并且，要以更高可靠性发送的消息中的至少一个包括一个符号的重复。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述编码方法利用平衡码，并且，要以更高可靠性发送的消息中的至少一个包括一个符号的重复。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述平衡码包括曼彻斯特码或与曼彻斯特码同构的码。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述平衡码是通过将对非平衡码字进行去除的非线性函数置于线性码之前来实现的。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述平衡码是通过将非线性函数置于线性码之前来近似的，所述非线性函数对处于单个符号的重复的汉明距离δ之内的非平衡码字进行去除，其中δ是正数。

8.一种被配置为提供不均等消息保护的无线设备，包括：

处理器；

与处理器进行电子通信的存储器；

存储在所述存储器中的指令，所述指令可执行以下操作：

根据编码方法来对输入数据进行编码，所述编码方法允许以预定但不均等的可靠性在通信信道上发送已编码数据或消息，其中，所述编码方法允许发送所述消息的可靠性比发送已编码数据的可靠性更高；

在所述消息可用时发送所述消息；以及

在所述消息不可用时发送已编码数据。

9.一种包括可执行指令的计算机可读介质，所述可执行指令用于进行以下操作：

根据编码方法来对输入数据执行编码，所述编码方法允许以预定但不均等的可靠性在通信信道上发送已编码数据或消息，其中，所述编码方法允许发送所述消息的可靠性比发送已编码数据的可靠性更高；

在所述消息可用时发送所述消息；以及

在所述消息不可用时发送已编码数据。

10.一种用于提供不均等消息保护的解码方法，包括：

确定所接收的数据包括警报消息还是已编码数据；

如果检测到一个或多个警报假设消息，则响应于警报消息，采取适当的系统动作；以及

如果未检测到警报假设消息，则对已编码数据进行解码。

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