CN1413385A

CN1413385A - 级联式信道编码的方法和设备

Info

Publication number: CN1413385A
Application number: CN00817674.4A
Authority: CN
Inventors: 阿洛克·K·古普塔
Original assignee: Ensemble Communications Inc
Current assignee: Zarbana Digital Fund LLC
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2003-04-23
Anticipated expiration: 2020-12-21
Also published as: US7293223B2; JP2003518866A; WO2001048927A9; EP1243075A1; US20070033509A1; WO2001048927A1; US20050102605A1; CN1235342C; US7296214B2; AU3076301A; BR0016728A; CA2393857A1

Abstract

一种使用一个外部Reel－Solomon误差和擦除连接码和一个短最大似然可解码内部码例如一个Viterbi码的级联编码方案。该内部码的速率m/m+1与外部Reel－Solomon码的符号侧m匹配。此级联信道编码技术很好地适用于小的或可变尺寸分组数据传输系统。该技术也能适用于一个连续模式数据传输系统。本发明能够有利地完成级联信道编码而不需要符号交织器。此外，本发明在实施中是简单的，因此比现有技术方案使用小得多的空间和功率。本发明不但不需要外部码与内部码之间的符号交织器，而且还显著地减少内部码Viterbi解码器的实施复杂性。本发明的一个实施例包括一个具有利用格构尾位从短约束长度卷积代码中导得的短长度块码的内部码和一个包括4个4状态Viterbi解码器并且具有相应的短最大长度的解码器。该内部码优选地包括从4状态(即约束长度3)、不系统的、压缩和不压缩卷积码中导得的短块码。

Description

级联式信道编码的方法和设备

发明背景

1.发明领域

本发明一般涉及编码方法和设备，更具体地涉及一种用于数据通信系统中具有可变码率和编码增益的级联式信道编码。

2.相关技术描述

如共同转让的美国专利号6,016,311中所述的，一种无线通信系统便于在多个用户无线电站或用户单元(固定或移动的)与固定网络基础结构之间进行双向通信。示例性通信系统包括移动蜂窝式电话系统、个人通信系统(PCS)和无绳电话。这些无线通信系统的关键目的是根据要求在多个用户单元和他们的相应的基站之间提供通信信道以便将一个用户单元的用户连至固定网络基础结构(通常是一个有线系统)。在具有多个接入方案的无线系统中，一个时“帧”用作基本信息传输单元。每一帧被划分为多个时隙。某些时隙被用于控制目的和某些被用于信息传输。用户单元通常使用一个“双工”方案与所选基站通信，因而允许在两个连接方向内交换信息。

自基站至用户单元的传输通常称为“下行”传输。

自用户单元至基站的传输通常称为“上行”传输。

取决于给定系统的设计准则，现有技术无线通信系统通常使用时分双工(TDD)或频分双工(FDD)方法以便于在基站与用户单元之间交换信息。TDD和FDD这两种双工方法都是技术中众所周知的。

近来，宽带或“广带”无线通信网络已被建议用于发送加强宽带服务例如声音、数据和视频服务。宽带无线通信系统便于在多个基站与多个固定用户站或顾客房舍设备(CPE)之间进行双向通信。一个示例性宽带无线通信系统被描述于共同未决美国专利申请号08/974,376中并且显示于图1的框图中。如图1中所示，一个示例性宽带无线通信系统100包括多个单元102。每个单元102包含一个相关联单元站104，它主要包括一个基站106和一个有源天线阵列108。每个单元提供单元的基站106与位于单元102的整个覆盖区域内的固定顾客站112处的多个顾客房舍设备(CPE)110之间的无线连接。系统100的用户可能包括居住的和商业的顾客两者。因此，该系统的用户具有不同和变动的用途和带宽需求。每个单元可以为上百或更多居住和商业CPE提供服务。

图1中的宽带无线通信系统100向多个CPE110提供真正“点播带宽”。CPE从它们相应的基站106处根据由CPE所服务的顾客所请求的服务类型和质量来请求分配带宽。不同宽带服务具有不同带宽和等待时间要求。提供给顾客的服务类型和质量是变动的和可选的。基站媒质接入控制(“MAC”)在上行和下行的物理信道上分配可用带宽。在上行和下行子帧内，基站MAC根据由它们的服务质量(“QoS”)所提出的优先级和规则来分配不同服务之间的可用带宽。MAC在一层MAC“层”(更高层例如TCP/IP上的信息)与一层“物理层”(物理信道上的信息)之间传送数据。

由于基站106与CPE112之间传输链路中出现的多个已知通信现象，已经知道传输链路或信道可能具有噪音，因而在传输期间产生误差。这些误差通常以数据传输期间产生的位错率(BER)测量。取决于这些误差的严重性，基站106与CPE112之间的通信可能被损害。众所周知，通过合适地将数据编码，由信道噪音引入的误差能够被减少至任何所需电平而不牺牲信息传输率或存储率。由于1948年香农首次在他的里程碑文章“通信的算术理轮”(C.E.Shannon，publishedin the Bell System Technical Journal，pps.379-423(Part I)，623-656(Part II)，in July1948)中阐述了这个概念，已经作出很多努力进行有效的编码方法以便在有噪音的通信环境中控制误差。因此，误差校正编码方案的使用已经成为现代通信系统设计的一个组成部分。

例如，为补偿有噪音通信信道(或可能在来源和目的地两者中产生的噪音)所产生的不良影响，可以使用传统编码和调制的组合设计将图1的系统100的基站106与CPE112之间交换的数据进行编码。例如，技术中众所周知的卷积或格构编码调制(TCM)-Reed-Solomon(RS)类型编码器能够被用于将图6的系统100中交换的数据进行编码。卷积或TCM-RS级联式编码方案是通信中众所周知的，其例子见名为“卷积编码、原理及应用”的文章(L.H.Charles Lee，published by Artech House，Inc.in1997)，其全部内容在此引为卷积/TCM-RS编码方案和技术的原理的参考。众所周知，过去将信道编码设计和调制设计当作个别的实体看待。汉明距离被考虑为系统设计的一个合适的量度。TCM设计使用一个特定信号映射技术来提供信道代码器输出代码向量与调制器之间的最优匹配。

众所周知，采用卷积的编码方案或是将TCM用于内部码和将RS用于外部码的编码方案(即将卷积/TCM内部码与RS外部码级联)所产生的编码增益，就达到的最小汉明距离和编码率而言是相对地高的。不利的是，这些传统方案所达到的高编码增益需要在复杂性、费用、尺寸、速度、数据传输延迟和功率方面付出代价。

如专业人员熟知的，与现有技术中级联编码方案相关联的主要缺点之一是这些技术需要使用符号“交织器”。卷积/TCM-RS级联技术必须采用一个外部和内部码之间的符号交织器，因为当内部码解码器造成解码误差时，它通常产生一长串误差，影响外部解码器的多个连续符号。因此没有去交织器时，该外部解码器的性能严重地下降及由级联所产生的有效编码增益被丢失。此外，交织器/去交织器的存在使误差串分布在多个外部码字上，从而有效地利用外部码能力。在只传输短或可变长度的分组的通信系统中，因为符号交织器不实际而无法利用。此外，现有技术级联信道编码方案所要求的符号交织器增加数据传输中的延迟。

这些增加的传输延迟可能在某些场合中无法接受。例如当图1的系统100用于在基站和CPE之间传送T1型连续数据服务时。这些类型的数据服务通常具有很好地控制的传输等待时间要求，这可能无法容忍由现有技术级联信道编码方案所用符号交织器所引入的传输延迟。

与现有技术中级联编码方案相关联的第二个缺点是这些技术要求附加开销以便在分组末尾处实行格构终结。此附加开销减弱通过级联所取得的有效编码增益。第三个与现有技术中级联编码方案相关联的缺点是使用有约束长度7代码的Viterbi解码器。如专业人员熟知的，约束长度7 Viterbi解码器造成显著的解码延迟，它在分组数据传输中是不希望的。此外，这些解码器相对地复杂，因此必须使用具有增加的费用和功率特性的设备来加以实施。

现有技术级联信道编码方案在实施中相对地复杂，因而与不太复杂的实施例比较，在功率、尺寸和可靠性方面都有缺点。其结果是，分组数据传输系统所用现有技术信道编码实施例通常使用“单级”编码技术例如卷积、TCM或块编码技术。块码的例子是Bose-Chaudhuri-Hocquenghem(BCH)码、Reed-Muller(RM)码、循环码、阵列码、单误差校正(SEC)汉明码和Reed-Solomon(RS)码。因此，不利的是，分组传输系统无法利用传统级联编码技术所提供的优点，此优点是内部码的软决策解码，其结果是较大编码增益和较好编码效率。

因此需要一种级联信道编码方法和设备，它能够容易地被实施，提供可接受的编码性能，很好地适用于可变尺寸分组数据传输系统，及克服现有技术级联信道编码方法和设备的缺点。具体地，需要一种级联信道编码方法和设备，它没有由格构终结所引起的附加开销和并且减少实施复杂性和解码延迟。此外，需要一种级联信道编码方法和设备，用于分组数据传输，并且允许变动编码增益。

发明概要

本发明是一种用于将数据传输系统中的数据有效地进行编码的新颖方法和设备。本发明的级联信道编码技术很好地适合于小的或可变尺寸分组数据传输系统。该技术也能适用于一个连续模式数据传输系统。该方法和设备能够减少通常与现有技术信道编码方法和设备相关联的复杂性、费用、尺寸和功率消耗，而仍然达到可接受的编码性能。在一个实施例中，本发明能够完成级联信道编码而不需要符号交织器。在一个实施例中，本发明在实施中是简单的，因此比现有技术方案使用小得多的空间和功率。本发明不但不需要外部码与内部码之间的符号交织器，而且还显著地减少内部码Viterbi解码器的实施复杂性。

本发明的一个实施例不需要符号交织器(或解码器端的去交织器)，因为当内部码造成解码误差时，它只产生单个或有限数量的外部码符号误差。本方法和设备的一个实施例或者使用软决策解码技术来校正收到的有噪音符号，或者它在输出端产生误差符号。因此，内部码能够被考虑为完全匹配，或者换言之完全专用于有助于发挥外部码性能的任务。

使用最优解码方法所解码的代码的渐近编码增益被给定为10log₁₀(r d_min)，其中r是代码率和d_min是代码的最小汉明距离。传统级联编码中采用的卷积/TCM码通常使用一个具有较大d_min但通常低码率的内部码。d_min愈高，则通常该代码愈复杂。根据本发明的编码技术，选用具有相对地中等d_min值的内部码。而码率被改进并且优于传统现有技术级联编码方案所用代码。另一个影响性能的重要参数是N_dmin。这是距离正确路径d_min处的路径数量。希望N_dmin值较低以便获得较好性能。但通常d_min愈高则实施的代码愈复杂，并且它还具有较低速率和较高N_dmin。

与现有技术方案比较，本发明编码技术所用内部码具有以下三个优点：(1)内部码与外部码的要求和特性匹配(这有助于外部解码器以最优方式将代码解码)；(2)内部码产生一个具有相当高的编码率的编码技术，因而使用中等d_min值提供良好编码增益；及(3)内部码产生低N_dmin值。

本发明的一个实施例包括一个具有从短约束长度卷积代码中导得的短长度块码的内部码。本发明利用格构尾位和一个包括4个4状态Viterbi解码器并且具有相应的短最大长度的解码器。该内部码能够包括从4状态(即约束长度为3)、不系统的、压缩或不压缩卷积码中导得的短块码。该内部码也能利用格构尾位技术。本级联编码技术的优选实施例的一个明显的优点是分组数据传输系统能够被设计为具有可变编码增益和编码率。

在本发明的这个实施例中，外部码是一个在GF(2^m)上的(N，K)Reed-Solomon代码。该内部码优选地是一个(m+1，m)奇偶校验码。内部码的最小汉明距离d_min是2。总码率由以下等式(等式1)给出：等式1

r = \frac{Km}{N (m + 1)} = \frac{Km}{(K + R) (m + 1)};

其中R是RS代码的冗余度，N是RS代码的长度(以符号数测量)，K是消息长度(以符号数表示)和m是以位数表示的符号长度。

该单个奇偶校验位能够通过平行地将m个输入位进行异或计算而得。或者，该单个奇偶校验位能够通过顺序方式由单个移位寄存器和单个异或门计算而得。

附图的简要描述

图1是一个适用于本发明的宽带无线通信系统的简化框图；

图2是一个根据本发明的编码器的简化框图；

图3是一个根据本发明的级联信道编码方法和设备中的解码器的简化框图；

图4显示一个根据本发明的级联信道编码技术的奇偶校验码的格构图；

图5阐述一个用于显示一个使用QPSK调制和本发明的级联信道编码技术的数据传输系统的性能的图；

图6阐述一个用于显示本发明的第一阐述性实施例的BER性能特性的图；

图7阐述一个用于显示本发明的第二阐述性实施例的BER性能特性的图；

图8阐述一个用于显示本发明的第三阐述性实施例的BER性能特性的图；

不同图中类似参考数字和标记标示着类似元件。

本发明的详细描述

在此整个说明中，所示优选实施例和例子应该被考虑为例子而不是对本发明的限制。

本级联编码技术的一个显著优点是它不但不需要外部码与内部码之间的符号交织器，而且还明显地减少内部码Viterbi解码器的实施复杂性。也即，用于实施内部码的Viterbi解码器比现有技术方案所要求的简单得多。Viterbi编码器/解码器是众所周知的并且被详细地描述于Shu Lin和Daniel Costello，Jr.所著“误差控制编码，原理和应用”的专著中(1983年由Prentice Hall出版)，该专著此处全部引为误差控制编码原理上的参考。

本发明的级联技术不要求使用交织器/去交织器，因为当内部码造成一个解码误差时它只产生单个或少数外部代码符号误差。根据本发明，该解码器或者依赖于软决策解码方法而“清除”一个收到的有噪音符号，或者它生成有误差符号。因此，该新系统中的内部码能够被考虑为完全匹配，或者换言之完全专用为有助于发挥外部码性能的任务。

众所周知，使用最优解码方法所解码的代码的渐近编码增益被给定为10log₁₀(r d_min)，其中r是码率和d_min是代码的最小汉明距离。现有技术级联编码器中采用的现有技术卷积/TCM码通常使用一个具有较大d_min值的内部码。然而，与这些编码器相关联的码率通常是低的。d_min值愈高，则该代码愈复杂。在此处提出的级联编码方案中，选用一个具有相对地中等d_min值的内部码。然而，该码率优于传统级联编码方案所用代码。此外，众所周知，另一个影响性能的重要参数是N_dmin。这是距离正确路径d_min处的路径数量。希望N_dmin值较低以便获得较好性能。通常d_min值愈高则实施的代码愈复杂。此外，它还具有较低速率和较高N_dmin值。

本发明级联编码技术所用内部码的能力能够总结如下：(1)内部码与外部码的要求和特性匹配，因而有助于外部解码器以最优方式工作；(2)内部码具有获得高编码率的能力，因而甚至使用中等d_min值也能提供可接受的编码增益；及(3)内部码产生相对低的N_dmin值。注意到，对于m＝8，奇偶校验内部码的渐近编码增益是10log₁₀(2*8/9)＝2.49db。

图2是一个根据本发明的编码器的简化框图。如图2中所示，本发明编码器优选地包括一个级联信道编码器200，它具有一个在操作上连至内部码编码器204的外部码编码器202。该外部码编码器优选地使用一个在GF(2^m)上的(N，K)Reed-Solomon代码。这些类型的RS代码是技术中众所周知的，它们能够使用如上所述在此处全部引为参考的Lin和Costello的专著中所提供的原理来加以实施。根据本发明，内部编码器204优选地使用一个(m+1，m)奇偶校验码。优选地，内部码的最小汉明距离d_min是2。总码率r由以下等式1给出：等式1

r = \frac{Km}{N (m + 1)} = \frac{Km}{(K + R) (m + 1)}

如上所述，其中R是RS代码的冗余度；N是RS代码的长度(以符号数测量)，K是消息长度(以符号数表示)和m是以位数表示的符号长度。该单个奇偶校验位能够通过平行地将m个输入位电路进行异或计算而得。或者，该单个奇偶校验位能够以熟知方式通过顺序方式由单个移位寄存器和单个异或门计算而得。

图3显示一个根据本发明的级联信道编码方法和设备的解码器的框图。如图3中所示，本发明解码器300优选地包括一个在操作上连至一个唯误差或误差和擦除RS代码解码器304的最大似然“软决策”奇偶校验码解码器302。奇偶校验码解码器302以已知方式从通信信道和调制器处接收“软信道位”。在所示实施例中，软信道位包括“m+1”位，而RS解码器的输入包括“m”位。解码器优选地使用一个技术中熟知的相对地不复杂的软决策Viterbi解码器加以实施。这类解码器被详细地描述于在此处引为参考的Lin和Costello的专著中第315-384页。

图4显示一个根据本级联信道编码技术的(m+1，m)奇偶校验码的格构图400。如图4中所示，内部码具有2状态格构图，而在格构内存在(m+1)个阶格。因此它能够使用很简单和直观的软决策Viterbi解码器进行解码。该格构在(m+1)阶格处终结于零状态。注意到，由于格构内只有2个状态及格构长度是一个小的数(通常m的典型值是“8”)，能够利用一个寄存器交换方法来存储通过格构的解码路径。因此，有利的是，通过此简单2状态Vitebi解码器时没有解码延迟。作为比较，不利的是，采用卷积/TCM代码的现有技术级联编码方案所用Viterbi解码器的缺点是复杂得多并且具有显著的解码延迟。

在一个替换实施例中，内部码能够通过以下步骤进行解码：(1)完成收到的其长度为“m”并且具有2^m个可能的代码字的向量的相关计算，及(2)选择具有最大相关量度的代码字作为解码输出。这是用于完成最优解码的相对地“强力”(强制性)方案。该格构是完成相同任务的有效得多的方法。或者，如果输入位率相对地高，则可能希望平行地处理多个输入样本。图4中的格构图能够容易地被修改以便实施此修改方案。其结果是一个格构具有增加的分支数但长度较短。

例如，如果内部码是(9，8)码，则有可能将格构内的三个阶格合并为单个阶格并且同时处理三个输入位。只有个别例子可能或者实施内部码解码器。主要地存在所有等效的实施例。如专业人员所知道的，许多替换实施例能够在不背离本发明范围的情况下被使用。

内部码与所有类型的信号群集都工作。对于较高级群集例如16QAM，如下地为单个收到的I，Q对计算多个分支量度。

例如，使(b3，b2，b1，b0)表示一个16QAM信号群集的4位二进制标记。使y表示收到的信号点和S表示b3＝0时的16QAM信号点的集。前提0的情况下位b3的分支量度然后被给出如下：

\min_{x &Subset; s} | y - x |^{2}

类似地计算其他前提和其他位的量度。有可能使用分支量度的距离而不是平方距离。内部码编码器与调制符号映射器之间的位置换器能够用于使更高级调制的格构的连续阶格中的分支量度互不相关。此方案能够略为改进级联代码性能。使用本发明信道编码技术的性能特性

现在提供本发明编码方法和设备的性能特性。描述一个唯误差RS解码技术的性能特性。

以下的上限(等式2)给出使用BPSK或QPSK调制及使用最大似然软决策Viterbi解码的内部码的误差事件概率：等式2

P_{e} < Σ_{d = d_{\min}}^{\infty} α_{d} Q (\sqrt{2 rd E_{b} / N_{0}});

其中a_d是离开正确路径的汉明距离为d处从正确路径散开后又在以后某些阶格处重新集合的不正确路径的数量。在编码/解码技术方面的专业人员能够从图4的格构图中知道，对于(m+1，m)奇偶校验码为

a_{d \min} = (\underset{1}{m}) + (\underset{2}{m}) where (\underset{k}{m}) = \frac{m!}{k! (m - k)!} .

对于较高SNR，只有第一项是显著的。通过忽略较高次的各项，能够将(等式2的)上限转换为一个近似表达式。因此RS解码器的输入处的符号误差概率能够由以下表达式(等式3)给出：等式3

P_{s} \approx [(\underset{1}{m}) + (\underset{2}{m})] Q (\sqrt{4 r E_{b} / N_{0}})

具有冗余度R的RS代码的块误差概率由以下等式(等式4)给出：等式4

P_{block} = Σ_{i = R / 2 + 1}^{N} (\underset{i}{N}) {(P_{s})}^{i} {(1 - P_{s})}^{N - i}

再次，对于较高SNR，只有以上所给出的求和中的第一项是显著的。RS解码器的输出端处的位误差概率由以下等式(等式5)近似地给出：等式5

P_{b} \approx 2 \frac{\frac{R}{2} + 1}{Nm} (\underset{\frac{R}{2} + 1}{N}) {(P_{s})}^{\frac{R}{2} + 1} {(1 - P_{s})}^{N - (\frac{R}{2} + 1)}

现在描述一个例子。设K＝54个字节，因此m＝8。图5阐述一个用于显示本发明的使用QPSK调制和级联信道编码技术的数据传输系统的性能的图。此级联系统的位错率显示于图5中，其中R＝6，8，10和12。在10^-9的输出BER时，这些4个代码的编码增益和总码率显示于以下表1中。

在一个替换实施例中，图3的Viterbi解码器能够被修改以便输出每个生成的符号的可靠性信息。然后误差和擦除校正RS解码器能够使用本发明进一步改进系统性能。

表1

使用本发明级联编码方案

的示例性系统的码率和增益

R	码率	编码增益(dB)
R	码率	编码增益(dB)	6	0.80	5.30
8	0.774	5.65	6	0.80	5.30
8	0.774	5.65	10	0.75	5.90

12

0.7272

6.10

具有可变编码增益和编码率的级联编码技术

本级联编码技术的优选实施例的一个显著优点是分组数据传输系统能够被设计为具有可变编码增益和速率。因此，这类系统的设计者能够选择系统设计为以较低编码效率为代价而具有较高编码增益，及反之亦然。本发明的另一个优点是不需要外部码与内部码之间的符号交织器。

本发明的优选实施例提供与标准RS/卷积级联代码相同的编码率灵活性，同时提供类似的或更好编码增益。现在讨论利用本发明优选实施例而不是标准RS/卷积级联代码的数个优点。首先，本发明利用格构尾位，它不要求格构终结的附加开销。不利的是，具有约束长度7代码的标准码要求在每个分组末尾处有一个6位附加开销以供格构终结之用。其次，本发明内部码的实施复杂性比约束长度7标准代码显著地减少。本内部码解码器只是比奇偶校验解码器稍微复杂些。第三，本发明内部码的解码延迟比使用约束长度7标准代码时观察到的延迟要小得多，因此提供一个很合适的机制以供分组数据传输之用。第四，如上所述，本发明不要求使用交织器；然而本发明能够利用一个相对小尺寸的交织器并且提供附加编码增益。例如，一个深度4交织器提供一个附加0.5至1.0dB的编码增益。第五，本发明能够用于上行和下行通信信道两者而无需交织器，因而为上行和下行信道两者提供相等编码增益。现在描述本发明的一个优选实施例。

本发明优选实施例包括一个具有利用格构尾位从短约束长度卷积码导得的短长度块码的内部码以及一个包括2^k-1个2^k-1状态及具有短相应最大长度的Viterbi解码器的解码器，其中“k”是代码的约束长度。该内部码优选地包括从4状态(即约束长度3)、不系统的、压缩和不压缩卷积码中导得的短块码。压缩卷积码是技术中众所周知的，一个这类用于提供压缩卷积码的技术被详细地描述于美国专利号5,511,082中，它于1996年4月23日被颁发给How等人，名为“压缩的卷积编码器”，在此处它被全部引为通信编码原理的参考。内部码的发生器多项式优选地是7和5。内部码优选地利用格构尾位技术(例如利用一块中的最后K-1位来将编码器存储器初始化，其中K是约束长度)格构尾位技术是技术上众所周知的。一个这类技术被详细地描述于Jack Keil Wolf和Andrew J.Viterbi的名为“关于从卷积码中形成的线性块码的加权分布”(Published by IEEE in the IEEETransactions on Communications Vol.44，No.9，September 1996)，全文在此处引为编码技术原理的参考。

本发明优选地利用格构尾位(而不是利用格构终结)，因为对短长度块码使用格构终结的结果是过多的速率损失。由于以下涉及格构尾位的理由，本发明优选地利用一个相对短的约束长度(例如3或4)。如编码技术中专业人员熟知的，格构尾位技术生成特定最小尺寸的块码长度，以便获得一个类似于使用格构终结所获得的加权分布的加权分布。约束长度愈大则所需块码长度愈长。这促使外部码性能降低，因为内部码生成相关的多个符号误差。内部码生成相关的符号误差，因为内部码消息长度通常不与外部码符号尺寸匹配。较高约束长度码的这种不匹配效应更为显著。为最大似然解码而实施的格构尾位技术要求2^k-1个格构。这隐含着格构尾位对长约束长度是不实际的。因此，本发明优选地使用短约束长度3或4。现在详细地描述本发明的三个示例性实施例。第一示例性实施例-内部码K＝3，速率1/2卷积码

第一示例性实施例包括一个具有从不压缩速率1/2约束长度3卷积码导得的短长度块码的内部码。对于每个内部码消息块，格构尾位要求使用该块的最后两位将编码器存储器初始化。在第一示例性实施例中，内部码的消息长度优选地等于或大于8位。对于基于GF(2ⁿ)的外部RS码，内部码消息长度的位数最好是n的倍数。因此，对于基于GF(2⁸)的外部RS码，内部码消息长度(以位数表示)最好是8的倍数。类似地，对于基于GF(2⁹)或GF(2¹⁰)的外部RS码，内部码消息长度(以位数表示)最好分别是9或10的倍数。这些配置只是示例性的，编码技术中的专业人员知道，其他配置能够在不背离本发明的范围和实质的情况下用于本发明中。例如，内部码能够从较高约束长度中导得，然而解码复杂性将会很大地增加以及用于内部码的最小消息长度也增加。第二示例性实施例-内部码K＝3，速率2/3卷积码

第二示例性实施例包括一个具有从压缩的速率2/3约束长度3卷积码导得的短长度块码的内部码。对于每个内部码消息块，格构尾位要求使用该块的最后两位将编码器存储器初始化。压缩模式优选地是分别对应于发生器多项式7和5的11和10。此压缩模式只是示例性的，因为专业人员知道其他压缩模式能够在不背离本发明实质的情况下用于本发明。第二示例性实施例的内部码的长度优选地等于或大于8位和压缩周期(即2)的倍数。如同参考第一示例性实施例所描述的，对于基于GF(2⁸)的外部RS码，内部码消息长度(以位数表示)最好是8的倍数。因此，有利的是，相同内部码解码器能够同时用于第一和第二示例性实施例两者。第三示例性实施例-内部码K＝3，速率4/5卷积码

第三示例性实施例包括一个具有从压缩的速率4/5约束长度3卷积码导得的短长度块码的内部码。对于每个内部码消息块，格构尾位要求使用该块的最后两位将编码器存储器初始化。压缩模式优选地是分别对应于发生器多项式7和5的1001和1110。此压缩模式只是示例性的，因为专业人员知道其他压缩模式能够在不背离本发明实质的情况下用于本发明。第三示例性实施例的内部码的长度优选地等于或大于16位和压缩周期(即4)的倍数。如同参考第一和第二示例性实施例所描述的，对于基于GF(2⁸)的外部RS码，内部码消息长度的位数最好是8的倍数。因此，有利的是，相同内部码解码器能够同时用于本发明的所有三个示例性实施例。本发明信道编码技术的示例性实施例的性能特性

现在提供本发明编码方法和设备的示例性实施例的性能特性。本发明级联编码方法和设备的以上所述示例性实施例的BER性能特性是使用一个半分析方法进行计算的。下面对一个32位内部码消息长度和一个基于GF(2⁸)的RS外部码描述该半分析方法。专业人员知道不同内部码消息长度和RS符号尺寸能够用于本半分析方法以便提供本发明的性能特性。

位错概率(P_b)是在内部码解码器输出端出现位错的概率。类似地，字节错概率(P_byte)是在内部码解码器输出端出现字节错的概率。P_w、P_x、P_y和P_z表示在32位解码字中在内部码解码器输出端分别出现1、2、3和4个字节错的概率。在一个t字节校正RS解码器输出端的BER((P_e)_RS)能够由以下表达式(等式6)给出，其中N＝(M+2t)/4及M是消息尺寸的字节数：等式6

{(P_{e})}_{RS} = \frac{P_{b}}{P_{byte}} \underset{{w + x + y + z}_{0 \leq w, x, y, z \leq N}^{w + 2 x + 3 y + 4 z > t} \leq N}{Σ} \frac{w + 2 x + 3 y + 4 z}{4 N} (\underset{w}{N}) (\underset{x}{N - w}) (\underset{y}{N - w - x}) (\underset{z}{N - w - x - y})

{P_{w}}^{w} {P_{x}}^{x} {P_{y}}^{y} {P_{z}}^{z} {(1 - P_{w} - P_{x} - P_{y} - P_{z})}^{N - w - x - y - z}

编码技术中的专业人员应该知道，能够从不同Eb/No的仿真中获得各概率P_b、P_byte、P_w、P_x、P_y和P_z。优选地每种类型的至少500个误差事件被进行仿真以便保证通过仿真获得概率的正确性。最好使用计算机或类似设备来估计等式6，因为等式内各项的数量很大。现在参考图6-8描述以上所述示例性实施例的BER性能特性。

图6阐述一个用于显示一个本发明的第一阐述性实施例的BER性能特性的图，其中一个级联码具有一个基于(8，4)扩展汉明码的内部码和一个级联码具有一个基于(24，12)扩展戈莱码的内部码。图6中所示本发明第一示例性实施例的BER性能是在56个字节的消息块长度、16个字节的RS码冗余度和8位的内部码消息长度的情况下获得的。此示例性实施例的总码率是0.38。

为比较目的，图6阐述两个级联码，其中一个级联码具有一个基于(8，4)扩展汉明码的内部码和一个级联码具有一个基于(24，12)扩展戈莱码的内部码。如果这些代码使用基于格构的最大似然解码算法进行解码，则它们通常具有比本发明较高复杂性的格构(或者更多状态以及/或者时间变动不规则格构)。因此，汉明码和戈莱码的使用会导致更为复杂的内部码解码器。该汉明码利用一个基于GF(2⁸)的RS码及该戈莱码利用一个基于GF(2¹²)的RS码。

如图6中所示，新级联代码胜过基于汉明码的级联码达0.75dB。强有力的基于戈莱码的级联码只在输出的BER为10^-9时才接近第一示例性实施例的性能。众所周知，一个(8，4)汉明码的实施复杂性可以与第一示例性实施例的内部码相比较或者稍高于后者，而不利的是，最大似然戈莱码解码器的实施复杂性高过一个数量级。专业人员知道，一个没有交织器的RS/约束长度7速率1/2级联码具有与第一示例性实施例相同的性能，但其代价是高得多的解码复杂性和解码延迟。

图7阐述一个用于显示一个本发明的第二阐述性实施例的BER性能特性的图，其中该实施例具有16位的内部码消息长度、32位的内部码消息长度和一个具有一个基于(12，8)缩短汉明码的内部码的级联码。图7中所示本发明第二示例性实施例的BER性能是在56个字节的消息块长度、16个字节的RS码冗余度和16和32位的内部码消息长度的情况下获得的。此示例性实施例的总码率是0.51。

如图7中所示，第二示例性实施例在BER输出方面胜过更为复杂的基于汉明码级联编码系统的量多至10^-9，众所周知，这是高数据率/高性能系统的典型操作区域。专业人员知道，不利的是，一个(12，8)汉明码解码器必须与一个(8，4)汉明码解码器不同。因此，为同时实施两个汉明码率，要求为每个速率实施个别的解码器。有利的是，本发明为所有速率利用一个解码器。

图8阐述一个用于显示一个具有32位的内部码消息长度的本发明的第三阐述性实施例的BER性能特性的图。图8中所示本发明第三示例性实施例的BER性能是在212个字节的消息块长度、32个字节的RS码冗余度和32位的内部码消息长度的情况下获得的。此示例性实施例的总码率是0.71。总结：

已经描述了新颖的本发明级联编码方案，其中外部码包括一个在GF(2^m)上的RS码和内部码包括一个(m+1，m)单个奇偶校验码。该内部码优选地使用最大似然软决策解码技术例如使用一个Viterbi解码方法来进行解码。在一个实施例中，有关被解码的符号的可靠性的信息被提供给外部解码器。外部解码器优选地或者包括一个唯误差或者包括一个误差和擦除校正RS解码器。本发明优选实施例包括一个具有利用格构尾位从短约束长度卷积码导得的短长度块码的内部码以及一个包括4个4状态及具有短相应最大长度的Viterbi解码器的解码器。该内部码优选地包括从4状态(即约束长度3)、不系统的、压缩或不压缩卷积码中导得的短块码。该内部码也优选地利用格构尾位技术。

本级联编码技术的优选实施例的一个显著优点是分组数据传输系统能够被设计为具有可变编码增益和编码率。本发明的另一个优点是不需要外部码与内部码之间的符号交织器。本发明的优选实施例提供与标准RS/卷积级联代码相同的编码率灵活性，同时提供类似的或更好编码增益。

已经描述了三个示例性级联编码方案。这些方案很好地适合于分组数据传输并且也具有比现有技术方案简单得多的实施复杂性。本发明编码方案实施时显著地简单(只要求少数状态短长度Viterbi解码器)以及提供具有可变码率的可变编码增益。示例性解码器包含4个最大长度为32的4状态Viterbi解码器。示例性解码器的实施非常简单，因为它不需要往回跟踪存储器、往回跟踪机制、路径量度规范化等，而这些都是具有较大约束长度和较大块长度的典型Viterbi解码器的实施所要求的。所有三个示例性方案分享相同的用于将内部码解码的解码器。三个示例性方案提供与现有技术所提供的性能相同或更好的性能，但却显著地减少实施复杂性。

当为连续数据传输系统使用短深度(例如2或4)交织器时，能够进一步实现性能改进。因此，本发明能够有效地用于实施费用、解码延迟或芯片功率消耗是主要问题的场合。编码技术中的专业人员知道，能够在不背离本发明范围和实质的情况下使用从具有不同压缩模式的不同约束长度卷积码中导得的不同长度块码、不同RS符号尺寸和不同数量的冗余度来实现本发明编码方法和设备。因此，这些参数能够加以改变以便获得大量可望成功的级联编码系统，以供不同场合应用。

已经描述了多个本发明实施例。然而应该理解，可在不背离本发明实质和范围的情况下作出不同修改。例如，以上所述编码器(和解码器)的实际实施例可以实施于一个集成电路设备、软件、固件、组合式逻辑电路、只读存储器、平行时钟电路或串联电路中。此外，本发明的方法和设备能够实际上应用于任何类型的通信系统。它的使用不限于无线通信系统。或者，本发明能够应用于有线通信系统。最后，编码技术能够使用于数据通信系统内的任何方便位置上。编码器和解码器能够位于图1的系统中基站106和CPE112处。因此应该理解，本发明不应受具体所阐述实施例的限制，而只受所附权利要求书的范围的限制。

Claims

1.一种用于在数据通信系统中将数据进行编码和解码的方法，其中该通信系统包括多个与相关联和相应的基站进行通信的顾客房舍设备(CPE)，及其中每个基站包括一个具有多个媒质接入控制(MAC)数据消息的相关联和相应的媒质接入控制(MAC)，及其中该MAC通过一个MAC数据分组传输一个MAC数据消息，该MAC数据分组被映射至一个分层数据传输体系结构中的至少一个TC/PHY分组，该方法包括：

(a)获取一个包含数据的TC/PHY分组；

(b)使用级联信道编码方案将TC/PHY分组中的数据编码，其中使用一个GF(2^m)上的(N，K)Reed-Solomon码生成一个外部码，及使用一个(m+1，m)奇偶校验码生成一个内部码；

(c)使用一个最大似然软决策解码器将步骤(b)中编码的数据进行解码以便将步骤(b)中生成的内部码进行解码；及

(d)通过从步骤(c)中接收数据而产生解码位及生成误差或将步骤(b)中生成的Reed-Solomon码的解码擦除。

2.一种用于在数据通信系统中将数据进行级联信道编码的方法，包括：

(a)获取多个数据单元以供数据传输系统中编码和传输之用；

(b)使用一个GF(2^m)上的(N，K)Reed-Solomon(RS)代码为多个数据单元生成一个外部码，及

(c)使用一个(m+1，m)奇偶校验码为多个数据单元生成一个内部码。

3.如权利要求2中定义的级联信道编码方法，其中在步骤(c)期间生成的内部码具有一个等于2的最小汉明距离d_min。

4.如权利要求2中定义的级联信道编码方法，其中该编码方法的总码率由下式给出：

r = \frac{Km}{N (m + 1)} = \frac{Km}{(K + R) (m + 1)}

其中R包括一个RS代码的冗余度量度，N包括一个以符号数测量的RS代码长度，K包括一个以符号数测量的消息长度，和m包括一个以位数测量的符号长度。

5.如权利要求2中定义的级联信道编码方法，其中该内部码与外部码的所选性能特性匹配。

6.如权利要求3中定义的级联信道编码方法，其中该内部码产生相对低的N_dmin值及其中N_dmin包括一个离正确路径的距离为d_min处的路径数量。

7.如权利要求2中定义的级联信道编码方法，还包括：

(d)使用步骤(b)中生成的外部码和步骤(c)中生成的内部码将多个编码的数据单元进行解码。

8.如权利要求7中定义的级联信道编码方法，其中解码步骤(d)包括：

(1)使用一个奇偶校验码解码器将步骤(c)中生成的内部码进行解码，其中奇偶校验解码器生成与步骤(a)中获取的多个数据单元相关联和对应的多个m个解码数据位；及

(2)使用一个RS码解码器将子步骤(1)中的多个m个解码数据位进行解码。

9.如权利要求8中定义的级联信道编码方法，其中奇偶校验码解码器包括一个最大似然软决策奇偶校验码解码器。

10.如权利要求8中定义的级联信道编码方法，其中RS码解码器包括一个唯误差Reed-Solomon码解码器。

11.如权利要求8中定义的级联信道编码方法，其中RS码解码器包括一个误差和擦除Reed-Solomon码解码器。

12.如权利要求7中定义的级联信道编码方法，其中解码步骤(d)由一个软决策Viterbi解码器完成。

13.如权利要求7中定义的级联信道编码方法，其中解码步骤(d)由一个2状态Viterbi解码器完成。

14.如权利要求7中定义的级联信道编码方法，其中解码步骤(d)由多个平行软决策Viterbi解码器完成。

15.如权利要求2中定义的级联信道编码方法，其中使用一个16QAM信号群集将数据进行调制。

16.如权利要求7中定义的级联信道编码方法，其中解码步骤(d)包括：

(1)将长度为m的收到的向量与多个代码字进行相关运算；及

(2)从多个代码字中选择而生成一个代码字。

17.如权利要求16中定义的级联信道编码方法，其中多个代码字包括2^m个代码字。

18.如权利要求17中定义的级联信道编码方法，其中权利要求16中生成一个代码字的子步骤(2)包括生成一个具有最大相关量度的代码字。

19.如权利要求2中定义的级联信道编码方法，其中编码步骤(c)进一步包括生成一个置换位内部码。

20.一种用于在数据通信系统中将数据编码的级联信道编码器，包括：

(a)用于获取多个数据单元以供数据传输系统中编码和传输之用的装置；

(b)连至数据单元获取装置的使用一个GF(2^m)上的(N，K)Reed-Solomon代码为多个数据单元生成一个外部码的装置，及

(c)连至外部码生成装置的使用一个(m+1，m)奇偶校验码为多个数据单元生成一个内部码的装置。

21.一种级联信道编码设备，包括：

(a)一个外部码编码器，其中该外部码编码器使用一个GF(2^m)上的(N，K)Reed-Solomon(RS)码为多个数据单元生成一个外部码，及

(b)一个在操作上连至外部码编码器的内部码编码器，其中该内部码编码器使用一个(m+1，m)奇偶校验码为多个数据单元生成一个内部码。

22.权利要求21的级联信道编码设备，进一步包括：

(c)一个软决策奇偶校验码解码器，及

(d)一个在操作上连至奇偶校验码解码器的RS码解码器。

23.权利要求22的级联信道编码设备，其中该奇偶校验码解码器生成与内部码和外部码编码器所编码的多个数据单元相关联和对应的多个m个解码数据位，及其中该RS码解码器将多个m个解码数据位进行解码。

24.一种适用于数据通信系统中的数据编码器/解码器(CODEC)，其中该数据通信系统包括与相关联和相应的基站进行通信的多个顾客房舍设备(CPE)，及其中每个基站包括一个具有多个媒质接入控制(MAC)数据消息的相关联和相应的媒质接入控制(MAC)，及其中该MAC通过一个MAC数据分组传输一个MAC数据消息，该MAC数据分组被映射至一个分层数据传输体系结构中的至少一个TC/PHY分组，该CODEC包括：

(a)一个能够使用一个GF(2^m)上的(N，K)Reed-Solomon(RS)码将所选TC/PHY数据分组的多个数据单元进行编码的外部码编码器；

(b)一个在操作上连至外部码编码器输出端的内部码编码器，其中该内部码编码器使用一个(m+1，m)奇偶校验码，及其中该内部码编码器生成与多个数据单元相关联和对应的多个代码字；及

(c)一个在操作上连至内部码编码器的解码器，其中该解码器将由内部码编码器生成的代码字进行解码。

25.如权利要求24中定义的CODEC，其中该解码器包括：

(1)一个奇偶校验码解码器，及

(2)一个在操作上连至奇偶校验码解码器输出端的RS码解码器。

26.一种用于在数据通信系统中将数据进行编码和解码的设备，其中该数据通信系统包括与相关联和相应的基站进行通信的多个顾客房舍设备(CPE)，及其中每个基站包括一个具有多个媒质接入控制(MAC)数据消息的相关联和相应的媒质接入控制(MAC)，及其中该MAC通过一个MAC数据分组传输一个MAC数据消息，该MAC数据分组被映射至一个分层数据传输体系结构中的至少一个TC/PHY分组，该设备包括：

(a)一个使用一个GF(2^m)上的(N，K)Reed-Solomon(RS)码为所选TC/PHY数据分组的多个数据单元生成一个外部码的装置；

(b)一个连至外部码生成装置的装置，使用一个(m+1，m)奇偶校验码用于生成一个内部码；及

(c)一个连至内部码生成装置的装置，用于将步骤(b)内生成的内部码进行解码。

27.如权利要求26中定义的设备，其中该解码装置包括：

(1)一个最大似然软决策奇偶校验码解码装置，用于把由内部码生成装置所生成的内部码进行解码，及用于生成与所选TC/PHY数据分组的多个数据单元相关联的多个解码位；及

(2)一个在操作上连至奇偶校验码解码装置的Reed-Solomon码解码装置，用于把由奇偶校验码解码装置所生成的多个解码位进行解码。