DE10121755A1

DE10121755A1 - Verfahren zur Umsetzung von Eingangsbits auf Modulationssymbole

Info

Publication number: DE10121755A1
Application number: DE10121755A
Authority: DE
Inventors: Matthias Marke; Wen Xu
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-05-04
Filing date: 2001-05-04
Publication date: 2002-11-07
Also published as: WO2002091654A2; US20040177311A1; EP1384345A2; WO2002091654A3; CN1518810A

Abstract

Verfahren zur Umsetzung von Eingangsbits auf Modulationssymbole, bei dem die Modulationssymbole Bitstellen aufweisen, welche sich zumindest teilweise hinsichtlich ihrer Kanalfehleranfälligkeit voneinander unterscheiden, bei dem mittels Generatorpolynomen aus den Eingangsbits faltungscodierte Eingangsbits generiert werden, denen jeweils ein Priorisierungswert zugeordnet wird, und bei dem die Abbildung der faltungscodierten Eingangsbits auf Bitstellen der Modulationssymbole unter Berücksichtigung der Kanalfehleranfälligkeit der Bitstellen der Modulationssymbole und des Priorisierungswertes des faltungscodierten Eingangsbits erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung von Ein gangsbits auf Modulationssymbole, insbesondere unter Einbe ziehung einer Faltungscodierung.

Quellensignale wie Sprache, Ton, Bild und Video beinhalten fast immer statistische Redundanz. Durch die Quellencodierung kann diese Redundanz entfernt werden, so daß eine effiziente Übertragung bzw. Speicherung des Quellensignals ermöglicht wird. Auf der anderen Seite ist es bei der Signalübertragung notwendig, gezielt Redundanz durch Kanalcodierung wieder hin zuzufügen, um Kanalstörungen zu beseitigen. Es ist bekannt, als Kanalcodierung eine Faltungscodierung durchzuführen.

Häufig ist eine flexible Multiratenencodierung und adaptive Decodierung erforderlich, da die zu übertragenden Daten in der Regel unterschiedliche Grade von Fehlerschutz benötigen und/oder der Übertragungskanal zeitvariant und/oder nicht (ganz) bekannt ist. Unter einer flexiblen Multiratenencodie rung versteht man dabei auch eine Quellen- und/oder Kanalco dierung, die es ermöglicht, Quellensignalen je nach Anforde rung mehr oder weniger redundante Information zu entziehen oder zum Fehlerschutz hinzuzufügen.

Aufgrund der Komplexität der Faltungscodierung wird üblicher weise ein einziger oder einige wenige Faltungcodes (Mutterco des) in einem Übertragungssystem verwendet. Ein Faltungscode wird in der Regel durch sogenannte Generatorpolynome be schrieben, mittels derer Eingangsbits des Faltungscoders in faltunoscodierte bzw. kanalcodierte Codebits umgesetzt wer den. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung versteht man unter Generatorpolynom auch einen Quotienten von Generatorpolyno men. Die Faltungscodierung an sich ist der Fachwelt hinrei chend bekannt, weshalb an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen werden soll. Ein Multirate Codierungsschema wird in der Regel durch Punktierung (Entfernung) von Codebits (punctured convolutional/PC code) und/oder durch Wiederholung von Codebits (repetition convolutional/RC code) nach der Fal tungscodierung realisiert. Alternativ dazu ist der Einsatz sogenannter Insertion Convolutional (IC) Codes bekannt, wel che zur Erhöhung des Fehlerschutzes durch Einfügen von auf der Sende- und Empfangsseite bekannten Dummy-Bits in die In formationsbits vor der Faltungscodierung realisiert werden.

Bei digitaler Kommunikation werden üblicherweise (kanalco dierte) Bits (Codebits) moduliert übertragen. Mittels Modula tionstechniken werden die Codebits zu Symbolen zusammenge fasst bzw. darauf abgebildet. Dabei ergibt sich insbesondere bei höherwertigen Modulationsverfahren die Situation, daß die Bitstellen, die einem Modulationssymbol zugeordnet sind, auf grund ihrer relativen Phasen und/oder Amplitudenlage zueinan der unterschiedliche Kanalfehleranfälligkeiten aufweisen. Ei ne höhere Kanalfehleranfälligkeit bedeutet dabei eine gerin gere Zuverlässigkeit für den richtigen Empfang einer Bitstel le, falls die Übertragung des Modulationssymbols über einen gestörten Kanal erfolgt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Umsetzung von Eingangsbits auf Modulationssymbole an zugeben, das eine gegenüber dem Stand der Technik zuverlässi gere Übertragung der Eingangsbits ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen An spruchs gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängi gen Ansprüchen.

Die Erfindung basiert auf dem grundlegenden Gedanken, fal tungscodierten Eingangsbits, d. h. Codebits, die auf der Fal tungscodierung von Eingangsbits basieren, einen Priorisie rungswert zuzuordnen, und die Abbildung der faltungscodierten Eingangsbits auf Bitstellen der Modulationssymbole unter Be rücksichtigung der Kanalfehleranfälligkeit der Bitstellen der Modulationssymbole und des Priorisierungswertes des faltungs codierten Eingangsbits durchzuführen. Der Priorisierungswert beschreibt dabei die Relevanz eines faltungscodierten Ein gangsbits (Codebits) für eine fehlkorrigierende empfangssei tige Faltungsdecodierung. Insbesondere erfolgt die Abbildung der faltungscodierten Eingangsbits auf Bitstellen der Modula tionssymbole derart, daß bevorzugt faltungscodierte Eingangs bits, welche einen relativ hohen Priorisierungswert aufweisen auf Bitstellen der Modulationssymbole abgebildet werden, die einen relativ kleine Fehleranfälligkeit aufweisen. "Relativ groß/klein" bedeutet dabei auch größer/kleiner als der ent sprechende Durchschnittswert.

Weiterbildungen der Erfindung sehen spezielle Regeln zur Zu ordnung von Priorisierungswerten zu faltungscodierten Ein gangsbits vor, welche das Ergebnis von aufwendigen Simulatio nen mit eigens für diesen Zweck erstellten Simulationswerk zeugen beschreiben. Die Anwendung dieser Regeln führt demnach zu einer zuverlässigeren Übertragung der Eingangsbits.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausfüh rungsbeispiele näher beschrieben.

Bei Verwendung eines Insertioncodes werden Dummy-Bits mit sender- und empfängerseitig bekanntem Wert an festen Positio nen in den Datenstrom von beispielsweise sprachcodierten Da ten eingefügt. Im folgenden werden für den Fall, daß die Ein gangsbits Dummy-Bits enthalten, Regeln für eine Zuordnung von Priorisierungswerten zu faltungscodierten Eingangsbits ange geben, die sich bei den oben erläuterten Simulationen als be sonders vorteilhaft herausstellten. Außerdem werden Regeln für eine Abbildung der faltungscodierten Eingangsbits (Code bits) auf Bitstellen der Modulationssymbole unter Berücksich tigung der Kanalfehleranfälligkeit der Bitstellen der Modula tionssymbole und der Priorisierungswerte der faltungscodier ten Eingangsbits angegeben, die sich ebenfalls bei den oben erläuterten Simulationen als besonders vorteilhaft heraus stellten. Die Priorisierungswerte werden demnach folgenderma ßen zugewiesen (1 = höchste Priorität, 6 = niedrigste Priori tät):

1. Alle faltungscodierten Informationsbits, d. h. alle Bits, die auf einer Faltungscodierung von Informationsbits ba sieren. (Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung können spezielle faltungscodierte Informationsbits ausge nommen werden, um niedrigeren Schutz für bestimmte Infor mationsbits zu erzielen (vgl. Beispiel unten). Diesen aus genommenen Bits wird dann die Priorität 6 zugeordnet.)
2. Systematische Bits (Bits, die durch die Faltungscodierung auf sich selbst abgebildet werden (z. B. wenn das Genera torpolynom G4/G4 = 1 lautet, liefert die Berechnung des Codebits den Wert des zugrundeliegenden Informationsbits; diese systematischen Bits sind sehr fehlerempfindlich.) der faltungscodierten Terminierungsbits (Bits die zur Ter minierung des Faltungscodes mit übertragen werden).
3. faltungscodiertes Dummy-Bit, dessen Relevanz für eine fehlkorrigierende empfangsseitige Faltungsdecodierung am größten ist (ergibt sich aus der Erkenntnis, daß die Rele vanz eines faltungscodierten Eingangsbits für eine fehl korrigierende empfangsseitige Faltungsdecodierung von dem entsprechenden verwendeten Generatorpolynom abhängt)
4. Restliche faltungscodierte Dummy-Bits
5. Restliche faltungscodierte Terminierungsbits
6. Aus Priorisierungswert 1 speziell ausgenommene Bits (gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung).

Die Verteilung der faltungscodierten Eingangsbits (Codebits) auf die Modulationssymbole erfolgt gemäß den folgenden Schritten:

1. Starte mit den Bits (Codebits) des höchsten Priorisie rungswertes
2. Plaziere so viele Bits wie möglich dieses Priorisierungs wertes auf Bitstellen niedrigster Kanalfehleranfälligkeit.
3. Sind mehr Bits des gerade zu plazierenden Priorisierungs wertes vorhanden als freie Bitstellen niedrigster Kanal fehleranfälligkeit existieren, dann gelten folgende Re geln:
- - Plaziere von den Bits, denen der gleiche Priorisierungs wert zugeordnet ist, bevorzugt die Bits deren Relevanz für eine fehlkorrigierende empfangsseitige Faltungsdecodierung am größten ist (ergibt sich aus der Erkenntnis, daß die Relevanz eines faltungscodierten Eingangsbits für eine fehlkorrigierende empfangsseitige Faltungsdecodierung von dem entsprechenden verwendeten Generatorpolynom abhängt).
- - Muss eine Untermenge gleich sensitiver Bits plaziert wer den, so werden die plazierten Bits gleichmäßig auf einen Rahmen von Informationsbits verteilt. Beispielsweise exis tieren für die 6 Bits a, b, c, d, e, die den gleichen Priorisierungswert aufweisen, nur noch 3 freie Bitstellen mit niedrigerer Kanalfehleranfälligkeit. Demnach werden zu nächst die Bits a, c, e auf die 3 Bitstellen mit der niedri geren Kanalfehleranfälligkeit verteilt
- - Fahre anschließend mit 5. fort.
4. Sind alle Bits des gerade plazierten Priorisierungswertes auf Bitstellen der niedrigsten Kanalfehleranfälligkeit plaziert und hier noch Bitstellen frei, plaziere die Bits des nächst niedrigeren Proritätswertes nach den Regeln 2 bis 5.
5. Sind alle Bitstellen niedrigster Kanalfehleranfälligkeit belegt, so werden die Bitstellen der nächst niedrigeren Kanalfehleranfälligkeit zu Positionen niedrigster Kanal fehleranfälligkeit im Sinne der Regeln 2 bis 4. Plaziere nun die noch nicht plazierten Bits nach den Regeln 2 bis 5.

Im folgenden wird als Ausführungsbeispiel ein EDGE 8PSK-Kanal betrachtet bei dem die zu übertragenden Bits modulationsbe dingt zu Symbolen aus 3 Bits zusammengefasst werden. Von den 3 Bits des 8PSK-Symbols besitzt ein Bit (= Weak Bit) eine deutlich höhere Kanalfehleranfälligkeit als die anderen bei den Bits (= Strong Bits). Über diesen Kanal soll Sprache, die mit dem Adaptive Multi-Rate Sprachcodec bei Verwendung der niedrigsten Datenrate von 4.75 kbit/s quellencodiert wurde, übermittelt werden.

Bei Verwendung eines Insertioncodes wird eine Coderate ¼ für den Faltungscoder gewählt. Es werden hier die Genera torpolynome

G4/G4 = 1

G5/G4 = 1 + D + D⁴ + D⁶/ 1 + D² + D³ + D⁵ + D⁶

G6/G4 = 1 + D + D² + D³ + D⁴ + D⁶/ 1 + D² + D³ + D⁵ + D⁶

G7/G4 = 1 + D + D² + D³ + D⁶/ 1+D² + D³ + D⁵ + D⁶

verwendet. Für die Sprachinformation stehen 224 8PSK- Modulationssymbole zur Verfügung, also 448 Strong Bits und 224 Weak Bits. Die 101 Informationsbits (95 Sprachbits plus 6 CRC Bits) ergeben bei der Kanalcodierung mit Rate 404 Codebits. Dazu kommen die eingefügten Dummy-Bits. Hier sollen 82 Dummy-Bits eingefügt werden. Die Faltungscodie rung führt zu 328 Bits von denen die 82 systematischen Bits punktiert werden können. Es bleiben 246 zu übertra gende Bits. Zur Terminierung des Codes mit Memory 6 sind 6 Terminierungsbits nötig, die codiert 24 Bits ergeben.

Hiervon werden 2 Bits punktiert. Es bleiben 22 Bits.

Es ergeben sich folglich für die 6 Priorisierungswerte:

1. 395 Bits (Alle codierten Informationsbits mit Ausnahme der Bits 1, 2, 3, 5, 6, 7, 9, 10, 11, denen als Ausgleich zum bes seren Schutz, den Bits nahe des Ausgangszustandes im Trel lis erfahren, eine niedrigere Priorität zugeordnet wird, siehe 6. Priorität)
2. 6 Bits
3. 82 Bits (Codierte Bits mit G7/G4)
4. 164 Bits (Codierte Bits mit G5/G4 und G6/G4)
5. 16 Bits
6. 9 Bits (Informationsbits 1, 2, 3, 5, 6, 7, 9, 10, 11)

Die Plazierung der Codebits auf den Bitstellen der Modula tionssymbole erfolgt dann gemäß den folgenden Schritten:

1. Plaziere die Bits des Priorisierungswertes 1 auf Strong Bit Positionen.
2. Plaziere die Bits des Priorisierungswertes 2 auf Strong Bit Positionen.
3. Es stehen noch 47 Plätze auf Strong Bits für Priorisie rungswert 3 zur Verfügung. Folglich werden beispielsweise alle 42 Bits mit gerader Bitnummer innerhalb des Priori sierungswertes (es gibt dann die Bitnummern 0, 1, . . ., 81) und zusätzlich die Bits 9, 25, 41, 57, 73 auf Strong Bits positio niert. Die restlichen Bits werden auf Weak Bits positio niert.
4. Die Priorisierungswerte 4, 5 und 6 werden komplett auf Weak Bit Positionen plaziert.

Eine andere Ausführungsvariante der Erfindung sieht bei der Verwendung von Wiederholungscodes vor, faltungscodierten Wie derholungsbits einen relativ niedrigen Priorisierungswert zu zuordnen. Dabei umfaßt der Ausdruck "faltungscodiertes Wie derholungsbit", sowohl die Faltungscodierung eines wiederhol ten Bits als auch die Wiederholung eines faltungscodierten Bits. Diese Ausführungsvariante beruht auf der Erkenntnis, daß dann, wenn ein Ausgangsbit des Faltungscoders zur Erhö hung der Datenrate wiederholt wird, dieses Bit durch die Mehrfachübertragung nicht so anfällig gegenüber Kanalfehler ist. Daher können derartige faltungscodierte Wiederholungs bits auf Bitstellen mit relativ hoher Kanalfehleranfälligkeit abgebildet werden werden.

Bei Verwendung eines Wiederholungscodes mit der Coderate des Faltungscodes und einer nötigen effektiven Coderate von 1/7 werden 3 Ausgangsbits des Kanalcoders wiederholt. Bei spielsweise wird ein Rekursive Systematic Convolutional (RSC) Code mit folgenden Generatorpolynomen verwendet:

G4/G4 = 1

G5/G4 = 1 + D + D⁴ + D⁶/1 + D² + D³ + D⁵+ D⁶

G7/G4 = 1 + D + D² + D³ + D⁴ + D⁶/1 + D² + D³ + D⁵ + D⁶

G7/G4 = 1 + D + D² + D³ + D⁶/1 + D² + D³ + D⁵ + D⁶

G4/G4 = 1

G5/G4 = 1 + D + D⁴ + D⁶/1 + D² + D³ + D⁵ + D⁶

G6/G4 = 1 + D + D² + D³ + D⁴ + D⁶/1 + D + D² + D³ + D⁵ + D⁶

Dabei ist erkennbar, dass die letzten 3 Generatorpolynome ei ne Wiederholung der ersten 3 Generatorpolynome sind.

Die 7 Bits die vom Faltungscoder ausgegeben werden, wenn das Rahmenbit u (k) am Eingang anliegt, sind: {C (7k), C (7k + 1), C (7k + 2), C (7k + 3), C (7k + 4), C (7k + 5), C (7k + 6) }. Von den doppelt übertragenen Bits können jetzt ein oder 2 Bits auf Weak Bits plaziert werden. Die höhere Kanalfehleranfälligkeit dieser Bitstellen wird dann durch die Wiederholung kompensiert. So könnte beispielsweise die Zuordnung so gestaltet werden (Fettdruck bedeutet dabei: Plazierung auf einem Strong Bit)
{C(7k), C(7k + 1), C(7k + 2), C(7k + 3), C(7k + 4), C(7k + 5), C(7k + 6)}

Claims

1. Verfahren zur Umsetzung von Eingangsbits auf Modulations symbole,
bei dem die Modulationssymbole Bitstellen aufweisen, welche sich zumindest teilweise hinsichtlich ihrer Kanalfeh leranfälligkeit voneinander unterscheiden,
bei dem mittels Generatorpolynomen aus den Eingangsbits faltungscodierte Eingangsbits generiert werden, denen jeweils ein Priorisierungswert zugeordnet wird,
bei dem die Abbildung der faltungscodierten Eingangsbits auf Bitstellen der Modulationssymbole unter Berücksichtigung der Kanalfehleranfälligkeit der Bitstellen der Modulations symbole und der Priorisierungswerte der faltungscodierten Eingangsbits erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Eingangsbits Informationsbits enthalten.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Eingangsbits Dummy-Bits enthalten, deren Wert empfangs- und sendeseitig bekannt ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Eingangsbits Terminierungsbits zur Terminie rung des Faltungscodes enthalten.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem faltungscodierten Informationsbits ein höherer Priorisierungswert zugeordnet wird als systematischen Bits faltungscodierter Terminierungsbits.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem systematischen Bits faltungscodierter Terminie rungsbits ein höherer Priorisierungswert zugeordnet wird als dem faltungscodierten Dummybit mit dem höchsten Priorisie rungswert.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem dem faltungscodierten Dummybit mit dem niedrigsten Priorisierungswert ein höherer Priorisierungswert zugeordnet wird als den nicht-systematischen Bits faltungscodierter Ter minierungsbits.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bestimmten faltungscodierten Informationsbits der niedrigste Priorisierungswert zugewiesen wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Eingangsbits Wiederholungsbits umfassen,
bei dem die faltungscodierten Wiederholungsbits bevor zugt auf Bitstellen der Modulationssymbole mit einer hohen Kanalfehleranfälligkeit abgebildet werden.