CN1494784A - 通信方法和设备 - Google Patents

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Abstract

在一种帧同步方法中，一个接收机搜索一个N符号长的独特字模式的出现。对于检测到的每个可能的帧同步，该接收机进行解调和FEC处理。在FEC解码器的每次迭代之后，比较所检测到的独特字模式和期望的独特字，并且如果独特字错误的数量已经减少，则检测到帧同步。

Description

通信方法和设备
本发明涉及一种在一条易受干扰影响的信道上进行数据通信所用的方法、设备、程序和/或信号。本发明尤其但并不仅限于涉及一种使用前向纠错(FEC)的帧同步技术。
已经研发出的FEC技术允许很低的信号能量噪声比(Es/N0)。一个例子即“Turbo”编码，如在1993年5月在日内瓦发表的IEEEICC会议论文集中C.Berrou、A.Glavieus和P.Thitimajshima的“接近香农极限纠错编码和解码：Turbo码(Near Shannon Limit error-correcting coding and decoding：Turbo codes)”中所描述的。然而，这些FEC技术要求接收机在开始FEC解码处理之前精确地规定数据传输的开始和结束边界。传输边界的检测称为帧同步。
帧同步是解调处理中的初始操作之一；解调处理通常继之以FEC处理，所以在帧同步和FEC处理之间存在一个时间间隔。在这个时间间隔内，需要以FEC处理所要求的最小Es/N0成功地建立帧同步。一些公知的帧同步技术，例如在1972年4月的IEEE通信学报第20卷第2期上J.L.Massey的“最佳帧同步(Optimum FrameSynchronization)”和1980年8月出版的IEEE通信学报第28卷第8期上R.Scholtz的“帧同步技术(Frame SynchronizationTechniques)”中所描述的，利用非常长的独特字(UW)以很低的Es/N0实现帧同步，所述独特字是要被添加到每个分组传输中的特别设计的数据模式。这些独特字占用了本来可用于传输用户或信令数据的带宽。
在多用户环境内使用很长的独特字非常耗费带宽，在所述多用户环境内信道状态随时间和每个用户改变，因而每个突发传输都要求在接收机上独立地捕获。一种这样的环境是TDMA方案，其中非常希望使用很小的突发长度来最小化等待时间和有效地管理资源；然而，这导致突发中非常高的帧同步开销与数据比。
希望找到一种帧同步技术，在不降低帧同步质量的情况下提高数据传输效率。
H.Howlader、Y.Wu和B.Woerner在2000年9月法国布雷斯特举行的第二次Turbo编码国际研讨会上的论文“用于Turbo编码系统的解码器辅助帧同步(Decoder-assisted Frame Synchronisation forTurbo Coded Systems)”公开了一种解码器辅助帧同步技术，其中在编码之前将一个同步字嵌入在一个数据分组中。该同步字之前是多个刷新比特，必需由它们将Turbo解码格带入一个已知状态。如果已经检测到正确的同步，则随后该同步字通过一序列的已知状态来引导解码网格。
根据本发明的一个方面，提供一种编码用于在一条信道上传输的数据的方法，其中将一帧或一个突发的数据内容与一个独特字相组合，该独特字在所有数据之前被输入给一个系统卷积编码器。在编码每个突发或每帧的内容之前重新设置卷积编码器的状态。以这种方式，在不使用刷新比特的情况下，独特字被独立于数据地卷积编码。这避免了与发送刷新比特相关的开销。本发明的这一方面还扩展到一个对应的解码方法和一个用该方法编码的信号。
根据本发明另一方面，提供一种检测一个接收到的突发或帧的同步定时的方法，其中使用迭代技术解码一个接收到的包括被前向纠错的独特字的信号，在每次迭代之后在该独特字内检测到的错误数量用于确定所假定的同步定时是否正确。
现在将参考附图描述本发明的具体实施例，在附图中：
图1图示在现有的帧同步技术中，随着等于独特字比特以检测帧同步所需要的比特的阈值数量变化的、由于帧同步错误导致的分组损失的概率曲线；
图2图示在本发明一个实施例的技术中，随着等于独特字比特以检测帧同步所需要的比特的阈值数量变化的、由于帧同步错误导致的分组损失的概率曲线；
图3图示在本发明一个实施例中的一个被传输的帧的组成；
图4图示在本发明一个实施例中由一个接收机执行的解调和解码级；
图5是表示在本发明的一个具体实施例中一个1/3速率编码器的输出的表格；
图6是表示在本发明的一个具体实施例中一个1/2速率编码器的输出的表格；以及
图7是在一帧开始和结尾处的样本独特字和奇偶校验比特模式的表格。
为了解释本发明的实施例的各种优点，首先将描述一种现有的帧同步技术。
在现有的帧同步技术中，通过在接收机上比较接收到的比特序列和一个已知的独特字模式来检测一个所发送的数据帧的开始。如果接收机在一个N比特的窗口内检测到至少n个比特在数值上等于该独特字模式，则假定检测到一个N符号的独特字。为n选择一个合适值的标准是对于任意一个随机符号序列来说，出现独特字但是未检测到的概率和检测到独特字但是实际上并未出现的概率。这两个概率事件在表1中总结如下：
表1：帧同步事件
下述情况导致漏检测概率(Pm)增加：
a)阈值n增加；
b)符号出错率增加(Es/N0降低)；和
c)独特字长度增加。
如果错过一个独特字，接收机将丢失整个分组。
下述情况导致误检测的概率(Pf)增加：
a)阈值n降低；
b)独特字的长度变短；和
c)独特字模式的可能数目增加。
如果每次帧同步模块假定已经检测到独特字时，接收机都具有解调和FEC解码数据的资源，则一个误报警并不必然导致一个数据分组损失。然而，这导致接收机内不能被接收的复杂性，所以误报警实际上可能导致当前分组的丢失以及可能的后续分组的丢失。原因在于一个误报警将必然导致一个FEC错误，但是接收机不能检测出该错误是因为错误的分组边界还是恶劣的信道状态导致，并可能在为该分组预先分配的时隙内再次试图解码。因而，如果接收机资源有限，每次误报警最多可能损失X个分组。
在许多情况下，独特字不仅指示帧边界还表示其它信息，例如分组类型；在这些情况下，有一组Y个可能的独特字。接收机比较接收到的独特字与该组中所有可能的独特字，并根据最佳匹配来确定帧同步和分组类型。概率Pm并不随着数量Y改变，但是Pf将线性增加。
由于帧同步错误导致分组损失的概率Ps由下式给出：
Ps(N，n，Es/N0)＝Pm(N，n，Es/N0)+X*Y*Pf(N，n)      (1)
图1图示在Es/N0的一个范围上，N＝64，X＝Y＝1，作为n的函数的Ps的一个例子。在Es/N0的低端，由于添加项Pf，Ps的全局最小值是0.01。
由于误同步和/或FEC解码器错误导致的分组错误的概率Pp由下式给出：
Pp(N，n，Es/N0)＝Ps(N，n，Es/N0)+Pfec(Es/N0)       (2)
其中Pfec是FEC解码器的分组错误概率。
因此，为了最小化对于一个给定Es/N0值的Pp，必需最小化Pm、Pf和Pfec。普通的方法是将Pfec设置在所希望的等级上，然后以至少低于Pfec一个量级的标准选择Pm和Pf以确保不会因为误同步导致整体性能恶化。不幸地是，因为上面所描述的原因，Pm和Pf具有对立相关性，并且仅通过使用长的独特字就可能被共同最小化，参见1984年Computer Science Press出版的W.W.Wu的“数字卫星通信单元”。这是在实践中使用长独特字的主要原因。
本发明的多个实施例通过提供接收机可以检测到误检测的机制来消除Pp对Pf的依赖性。通过在全部完成FEC处理之前允许误报警的很好检测，还能够降低整个接收机的复杂性。因此，现在Ps由下式给出：
Ps(N，n，Es/N0)＝Pm(N，n，Es/N0)                (3)
图2图示使用一个实施例，N＝64，作为n的函数的Ps。Ps对Pf的依赖型已经被消除到最低水平；对于Ps的任意值，即使对于Es/N0的最低值，都可以选择一个适当的n值。
对于这些实施例，Pp由下式给出：
Pp(N，n，Es/N0)＝Pm(N，n，Es/N0)+Pfec(Es/N0)    (4)
通过为N和n选择适当的数值，即使对于较小的N值因而具有较短的独特字的情况，也可以实现要求Pm＜＜Pfec。
在这些实施例中，为了前向纠错而将独特字视为数据的一部分。因此，独特字检测受益于FEC处理，避免了独特字比特错误，这使帧同步判决更准确。此外，这些实施例允许使用解码器辅助技术，例如在1993年12月发表的IEEEGLOBECOM会议论文集中P.Robertson的“在使用卷积码时改进帧同步(Improving framesynchronization when using convolutional codes)”、上文中提到的Howlader、Wu和Woerner的论文和2000年6月在新奥尔良的IEEE ICC会议论文集中M.Howlader和B.Woerner的“用于分组传输的卷积编码序列的帧同步(Frame synchronization ofconvolutionally encoded sequences for packet transmission)”等文章中所描述的。这些技术可以进一步降低Pm的数值。
该技术大体上包括下列步骤：
a)接收机搜索一个N符号长的独特字模式的出现，并根据从所需要的Pm导出的某个阈值n执行判决。
b)一旦接收机假设检测到独特字，则开始解调和FEC处理。也可以选择使用诸如上文中提到的解码器辅助技术来提高独特字获取的可靠性。
c)在FEC解码器的每次迭代之后，比较检测到的独特字模式和预期的独特字模式，并根据两种可能的情况来测试帧同步的假设：
a.情况1-如果帧同步假设是正确的，则FEC应当改善所有数据包括独特字的可靠性。如果独特字失配数据减少，这明确地指示已经正确地发现独特字。在这种情况下，接收机完成FEC处理并输出数据。
b.情况2-如果帧同步假设是错误的，则独特字失配数据的数量应当或者增加或者在FEC处理试图校正错误数据判决时并不改变。这表明帧同步失败是由一个误检测导致的。在这种情况下，接收机放弃FEC处理并返回帧同步搜索模式。
帧同步假设可以通过下述两种方式之一来测试：
i)每次在步骤a)和b)出现一个可能的帧同步时，顺序地执行；或
ii)从一个有限的间隔上根据其强度排序的一个可能的帧同步假设列表中选择，用上文中提到的Massey、Scholtz或Howlader、Wu和Woerner的论文中描述的度量列表替换其中的步骤a)和b)。
顺序的测试方法需要较大的计算负载，但提供延迟最小的结果。分级列表的方法降低了计算负载，但是由于列表的创建导致了延迟。
现在将参考图3描述一个具体的实施例。在这个例子中，FEC技术是编码速率可变的Turbo编码，调制方案是用于独特字部分的BPSK和用于数据部分的QPSK。然而，也可以使用其它FEC和调制方法的组合。一般来说，可以使用任意一种调制方案来传送独特字和数据，例如m-元PSK或者m-元QAM。
可以根据自相关性和互相关性低、转换数量大或者直流特性最低等标准从诸如Gold码、Kasami码或其它伪噪声(PN)序列的独特字系列中选择独特字。可以仅使用一个独特字，或者可以选择一组独特字中的一个独特字以在该独特字中传送信息，例如分组类型。
在数据d输入一个FEC编码器之前，将选择出的独特字添加给数据d并输入，所述FEC编码器包括并行的第一递归卷积编码器C1和第二递归卷积编码器C2，在输入进入后者之前还连接一个比特交织器BI。第一编码器C1输出第一奇偶校验比特p，而第二编码器C2编码第二奇偶校验比特q，它们被传送给一个收缩映射器PM。该收缩映射器根据一种由可变编码速率决定的收缩方案输出收缩后的第一和第二奇偶校验比特p’和q’。
比特交织器BI最好具有足以存储所选择的独特字和数据比特d的容量，除非如在WO 99/34521中所描述的使用了一个制约长度。在编码每帧之后，FEC编码器被重置到初始状态，因此每帧的编码都是独立的。
数据比特d和第一和第二收缩后的奇偶校验比特p’和q’输入给一个QPSK调制器M，它输出具有I和Q分量的信道符号。在帧F的中部传输这些QPSK符号。
独特字数据比特由一个BPSK调制器BM执行BPSK调制，并将这些BPSK符号作为该帧的前32个符号予以传输。从独特字数据比特生成的第一奇偶校验比特UWp也被BPSK调制，并在独特字数据符号UW之后传输前8个BPSK符号。在该帧F的结尾传输独特字第一奇偶校验比特UWp的其余24个BPSK符号。
独特字数据比特UW和数据比特d由比特交织器BI交织并输入给第二编码器C2以生成第二奇偶校验比特q，该第二奇偶校验比特被合并到该帧中部的数据符号D内。然而，也可以以其它顺序在帧F中组装这些符号，只要接收机知道该顺序。
因为使用了一种系统的FEC技术，在所传送的信号中保留了独特字的有利的同步特性。此外，将独特字合并到第一和第二奇偶校验比特p和q中允许接收机纠正独特字比特，这取决于是否已经建立了正确的帧同步。
在图5中图示了一个具体的例子，它图示了以输入到收缩映射器PM的顺序的1/3速率Turbo编码器的输出比特。如图5中所突出显示的数据比特d和第一奇偶校验比特p的前32个比特被BPSK调制，并如图3所示插入在帧F的开始和结尾。然而，调制后的符号也可能占用帧内的其它位置，除非例如在WO 99/34521中描述的，需要一个特定顺序从而降低编码和调制级的延迟。
在图6中图示了另一个具体的例子，它图示了以输出到收缩映射器PM的顺序的1/2速率Turbo编码器的输出，其中阴影比特被收缩。根据该收缩映射，除了范围p1-p31之外的奇数编号的第一奇偶校验比特p被收缩，所述范围p1-p31被传输以便给出1/3编码，从而能够更好地保护独特字。这实现了与编码速率无关的独特字结构。
图7以十六进制的形式图示在一帧开始和结尾的可能的独特字比特UW和第一奇偶校验比特UWp的样本序列。
图4是根据本发明由一个接收机执行的处理步骤的示意图。接收到的信号由一个独特字解调器UD解调，所述独特字解调器UD可以是相干的或者是非相干的，并为独特字信号的BPSK解调进行优化。由独特字相关器UC处理已解调的独特字符号，并及时生成一个可能的帧同步位置的列表或者假设以及它们的相对强度的测量值。独特字相关器可以使用其它规则，例如Massey的规则。
当独特字是可变的从而能够传送信令信息时，独特字相关器相关已解调的符号和每个可能的独特字，并为每个可能的独特字生成一个强度。
可能的假设H1至HN由排序器根据它们的强度排序。以它们的假设强度顺序处理这些假设H，并且对于每个处理后的假设，接收机使用一个解调器D解调所接收的帧，并使用一个迭代FEC解码器FD解码已解调数据，所述FD对应于用于编码信号的FEC编码器。对于Turbo解码，FEC解码器FD可以使用MAP或SOVA算法。在FEC解码算法的每次迭代之后，通过一个验证处理V比较独特字错误的数量与迭代之前检测到的独特字错误的数量。如果假设是正确的，如用箭头C表示的，错误数量应当在一次或多次迭代之后减少。如果是这样，则在输出级O上输出已解码的数据，并完成当前帧的解码步骤。
如果在一次或多次解码迭代之后独特字错误的数量增加或者保持不变，则如用箭头I所表示的，判断该假设不正确，然后选择处理下一个最高强度的假设H。以强度为顺序处理这些假设直到发现一个正确的假设，或者已经处理完所有的假设也没有发现一个正确的。在后一种情况下，该帧无法被解码，并在一个故障级FS之后被丢弃。
图4图示了多个解调、解码和验证步骤，但是这并不必然暗示存在多个解调器、解码器和验证器。
虽然在上文中已经描述了使用Turbo编码，也可以使用其它的系统和/或卷积编码来实现本发明的某些或全部的效果。
尽管以分别处理的方式来描述编码级和解码级，但这两级中的任何一级都可以由单个处理器例如DSP来执行。可以提供一个在处理器上执行的计算机程序以执行编码或解码处理。该计算机程序可以存储在一个适当的物理载体上，例如一张盘，或者在一个适当的信号载体上传输。

Claims (26)

1.一种检测一个信号的同步定时的方法，该信号包括一个系统前向纠错同步模式，该方法包括步骤：
a)检测所述系统同步模式的一个可能的同步定时；
b)利用一个迭代解码算法使用该可能的同步定时来解码该信号，其中比较在解码算法的非零次数迭代之前的已解码同步模式的错误个数与在所述非零次数迭代之后的已解码同步模式的错误个数，所述非零次数小于将信号解码到一个期望质量所需要的迭代次数；和
c)如果在所述非零次数迭代之后的错误个数小于在所述非零次数迭代之前的错误个数，则将所述可能的同步定时检测为该信号的同步定时。
2.根据权利要求1的方法，其中在输入数据或者取决于该数据的奇偶校验数据之前，将同步模式和取决于同步模式而与数据无关的奇偶校验数据输入给处于解码算法初始状态下的解码算法。
3.一种检测一个信号的同步定时的方法，该信号包括一个系统卷积编码同步模式和数据，该方法包括步骤：
a)检测所述系统同步模式的一个可能的同步定时；
b)利用一个迭代解码算法使用该可能的同步定时来解码该信号，其中在输入数据或者取决于该数据的奇偶校验数据之前，在解码算法初始状态下输入同步模式和取决于同步模式而与数据无关的奇偶校验数据，其中比较在解码算法的非零次数迭代之前的已解码同步模式的错误量度与在所述非零次数迭代之后的已解码同步模式的错误量度，所述非零次数小于将信号解码到一个期望质量所需要的迭代次数；和
c)如果所述非零次数迭代之后的错误量度小于所述非零次数迭代之前的错误量度，则将所述可能的同步定时检测为该信号的同步定时。
4.根据权利要求3的方法，其中所述错误量度是已解码同步模式中的错误个数。
5.根据前面任一权利要求的方法，还包括如果检测到所述信号的同步定时，则使用该解码算法的至少又一次迭代来解码该信号。
6.根据前面任一权利要求的方法，其中步骤a)包括检测所述信号的多个可能的同步定时和每个所述可能的同步定时的似然性，并以似然性为顺序为所述可能的同步定时执行步骤b)和c)，直到检测到同步定时。
7.根据权利要求1至5中任一权利要求的方法，其中，如果未检测到同步，则当检测到另一个可能的同步定时时重复该方法。
8.根据前面任一权利要求的方法，其中存在多种可能的同步模式，并为每种可能的同步模式执行步骤a)、b)和c)。
9.一种生成一个前向纠错数据帧的方法，包括：
a)接收数据；
b)卷积编码所述数据和一个同步模式，其中在输入所述数据之前输入所述同步模式，从而作为输出生成取决于同步模式而与所述数据无关的第一编码输出和取决于所述数据的第二编码输出；和
c)根据编码步骤的所述输出和所述未编码形式的同步模式生成所述前向纠错数据帧。
10.根据权利要求9的方法，其中在编码数据和同步模式之前从一个预定的初始状态开始编码步骤。
11.根据权利要求9或10的方法，包括收缩第二编码输出的一部分，以使该部分不包括在所述生成帧中，而在所述生成帧中包括所述第一编码输出的全部。
12.根据前面任一权利要求的方法，其中从下组十六进制数的比特模式中选择所述同步模式：E4564ADA、BED8B3EA、F2F5F496、C9113642、F9A42BB1、D4E35729、4CB9D9D1、6AAF7A6E、AE7E4BB5、514BB8BA、B5896CCD、A87B0DA6、5A1A679D、61FEA549、A32AD281、775D1B05和DFB2880E。
13.一种检测一个信号的同步定时的设备，该信号包括一个系统前向纠错同步模式，该设备包括：
a)一个初步同步检测器，用于检测所述系统同步模式的一个可能的同步定时；
b)一个解码器，用于利用一个迭代解码算法使用该可能的同步定时来解码该信号，其中比较在解码算法的非零次数迭代之前的已解码同步模式的错误个数与在所述非零次数迭代之后的已解码同步模式的错误个数，所述非零次数小于将信号解码到一个期望质量所需要的迭代次数；和
c)一个确定同步检测器，用于如果在所述非零次数迭代之后的错误个数小于在所述非零次数迭代之前的错误个数，则将所述可能的同步定时检测为该信号的同步定时。
14.根据权利要求13的设备，其中所述解码器被安排在该解码器的初始状态下接收同步模式和取决于同步模式而与数据无关的奇偶校验数据。
15.一种检测一个突发信号的同步定时的设备，该突发信号包括一个系统卷积编码同步模式和数据，该设备包括：
a)一个初步同步检测器，用于检测所述系统同步模式的一个可能的同步定时；
b)一个解码器，用于利用一个迭代解码算法使用该可能的同步定时来解码该信号，其中在输入数据或者取决于数据的奇偶校验数据之前，在解码算法的初始状态下输入同步模式和取决于同步模式而与数据无关的奇偶校验数据，其中比较在解码算法的非零次数迭代之前的已解码同步模式的错误量度与在所述非零次数迭代之后的已解码同步模式的错误量度，所述非零次数小于将信号解码到一个期望质量所需要的迭代次数；和
c)一个确定同步检测器，用于如果所述非零次数迭代之后的错误量度小于所述非零次数迭代之前的错误量度，则将所述可能的同步定时检测为该信号的同步定时。
16.根据权利要求15的设备，其中所述错误量度是已解码同步模式中的错误个数。
17.根据权利要求13至16中任一权利要求的设备，其中所述解码器被安排如果检测到所述信号的同步定时，则使用该解码算法的至少又一次迭代来解码该信号。
18.根据权利要求13至17中任一权利要求的设备，其中初步检测器被安排检测所述信号的多个可能的同步定时和每个所述可能的同步定时的似然性，以及该解码器和确定检测器被安排以似然性为顺序来处理所述可能的同步定时，直到检测到同步定时。
19.根据权利要求13至17中任一权利要求的设备，其中解码器和确定检测器被安排处理由初步检测器检测到的所述可能的同步定时，和预先检测器被安排如果未检测到同步定时则检测另一个可能的同步定时。
20.根据权利要求13至19中任一权利要求的设备，其中存在多种可能的同步模式，并且初步检测器、解码器和确定检测器被安排处理每种可能的同步模式。
21.一种生成一个前向纠错数据帧的设备，包括：
a)一个卷积编码器，被安排编码数据和一个同步模式，其中在输入所述数据之前将所述同步模式输入该卷积编码器，从而作为输出生成取决于同步模式而与数据无关的第一编码输出和取决于所述数据的第二编码输出；和
b)一个帧生成器，被安排根据编码步骤的所述输出和所述未编码形式的同步模式生成所述前向纠错数据帧。
22.根据权利要求21的设备，其中编码器被安排从一个已知状态开始编码该数据和同步模式。
23.根据权利要求21或22的设备，其中所述帧生成器被安排收缩第二编码输出的选定部分，以使该部分不包括在所述生成帧中，而在所述生成帧中包括所述第一编码输出的全部。
24.根据权利要求13至23中任一权利要求的设备，其中从下组十六进制数的比特模式中选择所述同步模式：E4564ADA、BED8B3EA、F2F5F496、C9113642、F9A42BB1、D4E35729、4CB9D9D1、6AAF7A6E、AE7E4BB5、514BB8BA、B5896CCD、A87B0DA6、5A1A679D、61FEA549、A32AD281、775D1B05和DFB2880E。
25.一种计算机程序，安排在由适当设置的设备执行时执行根据权利要求1-12中任一权利要求的方法。
26.一种载有根据权利要求25的计算机程序的载体。
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