CN1717890A - 采用基于伽罗瓦域的码元重组的数据重发方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于将数据从ARQ通信系统的发送器传送到接收器的方法，包括以下步骤：使用前向纠错(FEC)码，对从信号源接收的数据进行编码，以生成伽罗瓦域(GF)码元；此外，其还包括以下步骤：使用四相移键控(QPSK)作为调制方案，映射GF码元；将QPSK调制码元传送到接收器。本发明还涉及对应的发送器、接收器和通信系统。

Description

采用基于伽罗瓦域的码元重组的数据重发方法
技术领域
本发明涉及如在独立权利要求1中阐述的、采用具有传送码元重组的伽罗瓦域(GF)码元的数据传送的方法。本发明还涉及如在其它独立权利要求中限定的对应的发送器、接收器和ARQ通信系统。
本发明通常涉及通信系统中的面向分组的数据传送。其包括ARQ功能、FEC编码、数字QPSK调制、GF(4)运算、以及通过信号空间中的欧几里得距离而进行误差解码的原理。
背景技术
用于非实时服务的误差检测的一般技术基于自动重复请求(ARQ)方案以及前向纠错(FEC)，即所谓的混合ARQ(HARQ)。如果通过循环冗余检验(CRC)而检测出误差，则接收器请求发送器发送附加位。
在S.Kallel，“Analysis a type II hybrid ARQ scheme with codecombining(具有码组合的II型混合ARQ方案的分析)”，IEEE Transactions onCommunications，Vol.38，No.8，August 1990；S.Kallel,R.Link,S.Bakhtiyari,“Throughput performance of Memory ARQ schemes(存储器ARQ方案的吞吐性能)”，IEEE Transactions on Vehicular Technology，Vol.48，No.3，May 1999；以及B.A.Harvey and S Wicker“Packet Combining Systems based on the ViterbiDecoder(基于维特比解码器的分组组合系统)"，IEEE Transactions onCommunications，Vol.42，No.2/3/4，April 1994中已示出了：在ARQ与FEC相结合时，并且此外如果在接收器组合ARQ重发(retransmission)，则可改进通信系统的性能。另外，构象(constellation)重组的概念已证明了：如果附加ARQ重发是必要的，则通过重组调制码元映射来增强系统的性能，例如在WO02/067491 A1中所公开的那样。
将在传送之前通过FEC而对分组进行编码。取决于被重新传送的位而定义三种不同类型的ARQ。
·类型I：丢弃错误接收的分组，并重新传送同一分组的新副本，并独立地对其进行解码。没有对较早和较晚接收的该分组的版本进行组合。
·类型II：不丢弃错误接收的分组，而将其与由发送器提供的一些增加冗余位进行组合，用于后续的解码。有时，重新传送的分组具有较高的编码速率，并且在接收器处被与存储的值组合。其意味着在每个重发中仅加入很少的冗余码。
·类型III：与类型II相同，具有约束，即每个重新传送的分组目前是可自解码的。这暗示了：所传送的分组在不与先前的分组相组合的情况下是可解码的。这在一些分组以几乎无信息可重用的这种方式而被破坏的情况下是有用的。
由于混合ARQ方案II和III提供了重用来自先前接收的错误分组的信息的能力，所以，它们显然更为智能，并且显示出相对于类型I的性能增益。基本上，存在重用先前传送的分组的冗余的三种方案：
·软组合
·码组合
·软和码组合的组合
在采用软组合时，重发分组携带相同的码元。在此情况中，通过逐码元或通过基于逐位而组合多个接收的分组(D.Chase，“Code combining：Amaximum-likelihood decoding approach for combining an arbitrary number ofnoisy packets(码组合：用于组合任意数目的有噪分组的最大似然解码方法)”，IEEE Trans.Commun.，Vol.COM-33，pp.385-393，May 1985；以及B.A.Harveyand S.Wicker，“Packet Combining Systems based on the Viterbi Decoder(基于维特比解码器的分组组合系统)”，IEEE Transactions on Communications，Vol.42，No.2/3/4，April 1994)。通过将来自所有接收的分组的这些软判决(soft decision)值进行组合，传送位的可靠性将随着接收分组的数目和功率(power)呈线性地增加。从解码器的观点看来，将在所有传送上采用相同的FEC方案(具有恒定的码速率)。因此，由于解码器仅看到组合的软判决值，所以解码器不需要知道已执行了多少重发。在此方案中，所有传送的分组将必须携带相同数目的码元。
码组合将所接收的分组串接，以生成新的码字(码速率随着传送数目的增加而减小)。因此，解码器必须在每个重发瞬间知道要应用的FEC方案。由于重新传送的分组的长度可适应于信道状况而改变，所以，码组合提供了相对于软组合而更高的灵活性。然而，相对于软组合，这需要传送更多的信令数据。
在重新传送的分组携带与先前传送的码元相同的一些码元、以及不同于这些码元的一些码元时，如上所述使用软组合来组合相同的代码码元(code-symbol)，而将使用码组合来组合其余的代码码元。这里，信令需求将类似于码组合。
在G.Benelli，“New mapping rules for combination of M-ary modulation anderror-detecting codes in ARQ systems(用于在ARQ系统中组合M-ary调制和误差检测代码的新映射规则)”，IEE Proceedings，Vol.137，Pt.1，No.4，August1990中，已示出：增加信号构象点之间的欧氏(欧几里得)距离不仅仅会使性能提高。这在通过使用多个分组传送、或通过在具有不同构象的同一分组内重复相同数据而重复相同数据时特别有效。
发明内容
本发明的根本目的在于，提供具有改进的总体性能和对于传送误差的鲁棒性的、在ARQ通信系统中的数据传送方法、及其发送器和接收器。
通过如独立权利要求中定义的方法、发送器、接收器以及通信系统而实现此目的。可将本发明看作对伽罗瓦域码元编码、数字QPSK调制、以及在ARQ过程的一些传送上的有效的传送码元重组的有效组合。结果，优化了用于ARQ传送的FEC编码和QPSK调制之间的相互作用，并且，该相互作用还包括对于附加的ARQ重发的调制码元构象重组的有益效果。由于修改重新传送的QPSK调制码元，所以，优选通过使用不同的QPSK调制方案来得到信号空间中的码元之间的累积距离的最大均匀分布。根据替换优选实施例，通过GF算术运算，例如根据ARQ传送方案而使用与变化的乘数相乘，而得到在QPSK调制前的GF码元的修改。
根据另一个有利的实施例，GF码元是从编码操作直接得到、或在QPSK调制之前对编码器码元进行转换之后得到的GF 4码元。
发送器的优选实施例包括具有不同调制方案的多个映射器，以根据发送图案而生成修改的QPSK调制码元。
根据替换优选实施例，发送器包括乘法单元，用于使用根据传送图案而变化的乘数来对GF码元进行相乘。
根据接收器的优选实施例，其包括：去映射单元，其具有采用根据传送图案选择的不同调制方案的多个去映射器。
根据另一个优选实施例，接收器采用FEC解码器，其基于信号空间中的欧氏距离的原理而执行解码。
附图说明
下面将通过参照附图来更详细地描述本发明，所述附图中：
图1是描述根据本发明的通信系统的方框图；
图2示出了用于QPSK映射器的实现的优选实施例；
图3示出了根据本发明的通信系统的另一个优选实施例；
图4是图解发送器的替换优选实施例的方框图；
图5示出了用于图解加法和乘法运算的GF(4)算法的示例；以及
图6示出了用于图解信号平面中的不同调制方案的示例。
具体实施方式
图1图解了根据本发明的通信系统的方框图。该系统包括发送器100，其与接收器200通信，用于在有线或无线传送信道300上传送数据。传送信道经受导致性能恶化和传送错误的噪声。接收器利用反馈信道400而与发送器通信，例如，请求数据和发送用于传送过程的控制信号。
在发送器100中，信号源110以特定数据速率输出信息位，随后在FEC编码器120中对信息位进行编码。该编码器基于伽罗瓦域算法而生成码元。伽罗瓦域是有限元的数学域。通常将四个元素的域表示为GF(4)。
在GF(4)域中，加法和乘法是充分地限定对四个元素进行的运算。为了方便起见，之前可将元素表示为“0”、“1”、“2”、“3”。图5给出了用于示例加法和乘法运算的表。
在传送信道300上传送调制码元之前，将GF(4)码元输入到QPSK映射单元130中。
QPSK是在复信号平面中采用4个不同的信号构象点(也被称为调制码元)的数字调制方案，例如在图6中所给出的那样。传统上，对于二进制传送系统来说，这些调制码元每一个用于携带两位。表1中给出了通常使用的将位映射到调制码元的示例映射。
  位序列    调制码元
    00       0
    01       3
    10       1
    11       2
         表1
欧氏距离解码可显示出改进的信号传送性能。在使用信号构象点的距离的偏差而发起一些传送时，可以改进这种状态。为此，例如，存在用于将码元映射到构象点的不同调制方案。这一系列调制方案形成了具有作为参数的数据分组的传送编号的传送图案。图6A、B和C中图解了三个不同的调制方案。在这些方案中，在第一、第二和第三传送中，分别将相同的输入码元(“0”、“1”、“2”、“3”)映射到不同的信号构象点。
在接收器200处，首先将在传送信道上接收的数据输入到去映射单元210，其采用与在发送器处对GF(4)码元进行调制所使用的方案类似的解调方案。为此，接收器知道用于第一和所有其它重发的QPSK解调方案。例如，在初始化阶段，遵循发送器和接收器之间的协商例程，传送图案被预先存储在存储器表中、或被信令通知。这样，接收器接收或注意到第一传送和所有其它传送的传送编号，并选择适当的解调方案。根据优选实施例，去映射器提供欧氏距离作为输出，而既不是简单汉明距离、也不是硬判决。
随后，FEC解码器220对由去映射单元210解调的码元进行解码。根据优选实施例，解码器考虑欧氏距离，而既不是简单的汉明距离、也不是硬判决。
FEC码的性能很大程度上取决于码字之间的最小汉明距离dmin。对于卷积码，通常由自由距离dfree来表示该距离。
对于这些最小距离，已发现了优化性能的很多码生成器。然而，这些码生成器经常忽略在码字元素之间具有不同距离的可能性。对于GF(4)元素a和b来说，将汉明距离定义为：
如果如在图6A至6C那样使用调制方案，则将定义扩展为信号空间更有意义，以便得到平方的欧氏距离
 deuclid   0    1    2    3
    0123   0    2    4    22    0    2    44    2    0    22    4    2    0
                                      (2)
对于利用调制构象的码的构造，应当考虑这些距离。这使得在接收器中，欧氏距离解码器是优选的。
对于本领域的技术人员来说，用于找到对于给定的距离配置的良好码的规则和算法是显而易见的，而不需要在这里进一步提及，并且，本发明包括这种所找到的码的使用，对于在系统中采用的给定调制码元构象，所述码在平方欧氏距离方面是最佳的。
如上面所提到的，本发明的优选实施例采用基于欧氏距离的FEC解码器。尽管这是优选的，但仍有可能采用更简单的解码器结构，如汉明距离解码器，尽管性能有所降低。
此外，如在图1中绘出的解码器220应当包括用于如上所述而对从一些传送得到的信息进行组合的部件。当然，这还可以在接收器内的分离实体中实现。
与图6A至6C中的任一个相结合，在表2中给出了将GF(4)代码码元映射到QPSK调制码元的示例。
对于分组的重发，当在接收器中执行对接收数据的软组合时，在调制码元之间改变欧氏距离会改善误差解码性能。因此，将GF(4)码元映射到QPSK调制码元的映射规则可根据接收编号而变化。当请求重发时，必须通知信号源来重新传送各个分组的数据。类似地，通知QPSK映射器和去映射器要对重发应用的修改的映射。选择映射的变化，使得码元之间具有累积欧氏距离的最大均匀分布。
GF(4)代码码元 QPSK调制码元第一Tx QPSK调制码元第二Tx QPSK调制码元第三Tx
     0      0      0      0
     3      3      2      1
    1     1     1     3
    2     2     3     2
            表2
上面已描述了：通过改变QPSK信号之间的欧氏距离，根据传送图案而控制QPSK码元的映射。
如图2所示，通过采用如表3所示的、根据传送编号而选择的多个(在此示例中是三个)不同的QPSK映射单元，而得到在第一替换中的传送码元重组。每个QPSK映射实体130-1至130-3具有其自己的不同映射规则，例如在图6A至6C中的那样。通过传送图案来选择将这些实体中的哪个用于实际传送。
     传送编号      QPSK映射
    1、4、7……         1
    2、5、8……         2
    3、6、9……         3
                表3
作为第二替换，映射规则不改变，并且，仅需要一个QPSK映射实体。相反，在映射之前，如图3所示，由乘法单元121施加对于GF(4)的乘法。例如，乘数对于第一传送来说可为“1”，对于第二传送来说可为“2”，而对于第三传送来说可为“3”。实际上，这也以类似于改变码元的映射的方式，而改变基于重发的欧氏距离。除了乘法单元121，所有其它元件保持不变，如通过图1的相同附图标记所表示的。
通常，当前通信系统中的FEC编码器的输入和输出数据具有二进制性质，即GF(2)的元素。在FEC输入和输出是GF(2)的元素的情况中，需要在例如图2所示施加不同的QPSK映射之前、或在如在图3中所看到的GF(4)乘法单元之前将两个GF(2)码元转换为一个GF(4)码元的转换器。在图4A和4B中图解了结果，其中发送器100包括转换单元122。表4给出了GF(2)到GF(4)码元的可能转换方案。
     两个GF(2)码元         GF(4)码元
         00            0
         01            1
         10            2
         11            3
                         表4
可替换地，FEC码可以是GF(2)到GF(4)码。其示例在WE.Ryan，S.G.Wilson，“Two Classes of Convolutional codes over GF(q)for q-ary OrthogonalSignaling(用于q-ary正交信令的GF(q)的两类卷积码)”，IEEE transactions onCommunications，Vol. 39，No.1，January 1991以及J.Chang，D.Hwang，M.Lin，“Some Extended Results on the search for Good Convolutional Codes(对于良好卷积码的研究的一些扩展结果)”，IEEE Transactions on Information Theory，Vo.43，No.5，September 1997中给出。

Claims (17)

1、一种用于将数据从ARQ通信系统的发送器传送到接收器的方法，包括以下步骤：
使用前向纠错(FEC)码，对从信号源接收的数据进行编码，以生成伽罗瓦域(GF)码元；
使用四相移键控(QPSK)作为调制方案，映射GF码元；
将QPSK调制码元传送到接收器；以及
将修改的QPSK调制码元重新传送到接收器。
2、如权利要求1所述的方法，其中，通过在QPSK调制之前修改GF码元，得到修改的QPSK调制码元。
3、如权利要求2所述的方法，其中，通过算术运算而得到修改。
4、如权利要求3所述的方法，其中，算术运算是GF码元与变化乘数的相乘。
5、如权利要求4所述的方法，其中，乘数与传送编号有关。
6、如权利要求1所述的方法，其中，通过使用不同的QPSK调制方案映射GF码元而得到修改的QPSK调制码元。
7、如权利要求1至6中的一个所述的方法，其中，选择QPSK调制码元的修改，使得得到码元之间的累积欧氏距离的最大均匀分布。
8、如权利要求1至7中的一个所述的方法，其中，GF码元是从编码操作直接得到、或在QPSK调制之前对GF(2)编码器码元的转换之后得到的GF(4)码元。
9、一种在ARQ通信系统中使用的发送器，包括：
前向纠错(FEC)编码器(120)，用于从信号源(110)接收数据，并生成伽罗瓦域(GF)码元；
映射单元(130)，用于使用QPSK作为调制方案映射GF码元；以及
传送单元(100)，用于将QPSK调制码元和修改的QPSK调制码元传送到接收器。
10、如权利要求9所述的发送器，其中，映射单元(130)包括具有不同调制方案的多个映射器(130-1至130-3)，以根据传送图案来生成修改的QPSK调制码元。
11、如权利要求9或10所述的发送器，还包括乘法单元(121)，用于使用与传送编号相关的乘数对GF码元进行相乘。
12、如权利要求9至11中的一个所述的发送器，还包括转换器，用于将编码后的GF(2)码元转换为GF(4)码元。
13、一种在ARQ通信系统中使用的接收器，包括：
去映射单元(210)，用于对所接收的利用QPSK作为调制方案而调制的GF码元进行去映射，所述去映射单元适于对已根据传送图案而修改的GF码元进行解调；以及
FEC解码器(220)，用于对所述去映射单元的输出进行解码和组合。
14、如权利要求13所述的接收器，其中，去映射单元(210)包括具有根据传送图案而选择的不同解调方案的多个去映射器。
15、如权利要求13或14所述的接收器，还包括乘法单元，用于使用与传送编号相关的乘数而对GF码元进行相乘。
16、如权利要求13至15所述的接收器，其中，FEC解码器(220)基于复信号空间中的欧氏距离的原理而执行误差解码。
17、一种通信系统，包括根据权利要求9至12的发送器和根据权利要求14至16的接收器。
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