DE102008061069B4

DE102008061069B4 - Neuübertragung fehlerhafter Daten

Info

Publication number: DE102008061069B4
Application number: DE102008061069.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Lunglmayr; Jens Berkmann
Original assignee: Intel Deutschland GmbH
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2028-12-09
Also published as: DE102008061069A1; US20090193311A1; US8082478B2

Abstract

Verfahren zur Neuübertragung fehlerhafter Daten in einem Kommunikationssystem, mit den folgenden Schritten: Empfangen von Datenblöcken in einem Empfänger (200), die durch Verwendung eines Fehlerkorrekturcodes in einem Sender (100) erzeugt wurden; Decodieren (202) der empfangenen Datenblöcke durch Linearprogrammierungsdecodierung; Identifizieren (203) eines oder mehrerer Symbole in dem decodierten Datenblock, indem die Symbole in dem decodierten Datenblock einem Ganzzahligkeitskriterium unterworfen werden; und Einleiten einer Neuübertragung (207) eines Teils des Datenblocks auf der Basis des einen oder der mehreren identifizierten Symbole.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Neuübertragung fehlerhafter Daten in einem Kommunikationssystem, falls die Daten in einem Empfänger nicht korrekt decodiert werden können, sowie einen Empfänger in einem Kommunikationssystem zum Empfang von neuübertragenen Daten.
ARQ (Automatic Repeat reQuest) Fehlerkontrollverfahren und insbesondere HARQ (Hybrid ARQ) werden in vielfältigen Kommunikationssystemen für die Datenübertragung verwendet, um zuverlässige Datenübertragung sicherzustellen. Diese Techniken umfassen üblicher Weise eine Neuübertragung eines Datenpakets durch den Sender, falls das im Empfänger empfangene Datenpaket nicht korrekt decodiert werden konnte.
US 6,161,207 A und Feldman, J. et al. ”LP Decoding Corrects a Constant Fraction of Errors” in IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 53, 2007, No. 1, S. 82–89, _ISSN 0018-9448 zeigen jeweils ein Verfahren zur Neuübertragung fehlerhafter Daten. Datenblöcke, die durch Verwendung eines Fehlerkorrekturcodes erzeugt wurden, werden dabei in einem Empfänger empfangen und decodiert. Ein oder mehrere Symbole in dem decodierten Datenblock werden identifiziert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein leistungsfähiges Verfahren zur Neuübertragung von Daten in einem Kommunikationssystem sowie einen Empfänger, der eine zuverlässige Datenübertragung ermöglicht, anzugeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden exemplarisch anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kommunikationssystems mit einem Sender und einem Empfänger;
2 eine Paritätsprüfmatrix und eine Tanner-Graph-Darstellung der Paritätsprüfmatrix; und
3 ein Schaubild, das den Durchsatz in einem Kommunikationssystem als Funktion des Verhältnisses von Energie pro Bit zu Rauschspektraldichte darstellt.
In der folgenden Beschreibung und in den Ansprüchen können die Begriffe „gekoppelte” und „verbunden” sowie davon abgeleitete Begriffe verwendet werden. Diese Begriffe sollen angeben, dass zwei Elemente kooperieren oder miteinander in Wechselwirkung treten, ungeachtet, ob sie sich in direktem physischen oder elektrischen Kontakt befinden oder nicht in direktem Kontakt miteinander sind. Obwohl zur Erläuterung im Folgenden die Binärsymbole (Bit) verwendet werden, können ferner gleichermaßen auch Symbole höherer Ordnung angewandt werden.
1 zeigt eine Ausführungsform eines Kommunikationssystems mit einem Sender 100 und einem Empfänger 200. Der Sender 100 umfasst einen Codierer 101 und kann weitere Datenverarbeitungseinheiten wie etwa eine Punktierungseinrichtung, einen Modulator usw. umfassen, die mit dem Bezugszeichen 102 gekennzeichnet sind. Der Empfänger 200 kann einen Demodulator, eine Depunktierungseinrichtung usw., die mit dem Bezugszeichen 201 bezeichnet sind, sowie einen Decoder 202 und eine Identifikationseinheit 203 umfassen. Ein Ausgangssignal 103 des Senders 100 wird über einen Kanal 300 übertragen, um ein Eingangssignal 204 des Empfängers 200 zu bilden.
Es ist zu beachten, dass 1 eine schematische und stark vereinfachte Darstellung des Empfängers 100 und des Senders 200 des Kommunikationssystems darstellt. Gewähnlich sind der Sender 100 und der Empfänger 200 mit zusätzlichen (nicht dargestellten) Datenverarbeitungseinheiten ausgestattet, die in der Regel an das spezifische Anwendungsgebiet, die Art des Kanals 300, die gewünschte Funktionalität und andere Anforderungen und Einschränkungen angepasst sind. Genauer gesagt kann das Datenkommunikationssystem ein Funkkommunikationssystem und insbesondere ein Mobilfunkkommunikationssystem sein, bei dem der Kanal 300 durch eine Funkstrecke realisiert wird. Beispiele für solche Kommunikationssysteme sind Systeme für DVB-S (Digital Video Broadcasting-Satellite) wie etwa zum Beispiel das DVB-S2-System, drahtlose lokale Netzwerksysteme (WLAN) wie etwa WLAN802.11n oder drahtlose städtische Netzwerksysteme (WMAN) wie sie etwa z. B. in IEEE802.11 festgelegt sind. Darüber hinaus können Ausführungsformen Kommunikationssysteme umfassen, bei denen der Kanal 300 durch eine elektrische oder eine optische Übertragungsstrecke bereitgestellt wird.
Das in 1 abgebildete Kommunikationssystem kann HARQ zur Fehlerkontrolle verwenden. HARQ ist eine Kombination aus Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC: Forward Error Correction) und ARQ. Somit umfassen HARQ-Verfahren sowohl die Verwendung eines Fehlerkorrekturcodes in dem Sender 100 zur Bekämpfung von Übertragungsfehlern als auch die Neuübertragung von Daten, die nicht korrekt decodiert werden konnten.
In 1 werden zu dem Empfänger 200 zu übertragende Datenbits d = (d₁, ..., d_k) an einem Eingang 104 dem Codierer 101 des Senders 100 zugeführt. Der Codierer 101 kann bei einer Ausführungsform einen linearen Blockcode zur Codierung der Datenbits d_i, i = 1, ... k verwenden. Zum Beispiel können BCH-Codes (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem), terminierte Turbocodes oder LDPC (Low Density Parity Check) Codes verwendet werden. LDPC-Codes sind auch als Gallager-Codes bekannt und werden für viele zukünftige Kommunikationssysteme für FEC als Alternative oder Ergänzung von Turbocodes vorgeschlagen.
Jeder in dem Codierer 101 verwendete lineare Blockcode kann durch seine Paritätsprüfmatrix H beschrieben werden. Die Paritätsprüfmatrix H hat das Format m × n, d. h. besitzt m Zeilen und n Spalten. Alle Codewörter c = (c₁, ..., c_n) müssen der folgenden Gleichung genügen: Hc^T = 0. (1) c ist also genau dann ein Codewort des durch die Paritätsprüfmatrix H dargestellten linearen Blockcodes, wenn Gleichung (1) gültig ist. Das hochgestellte T bedeutet die Transponierung der indizierten Größe.
Die Codeworterzeugung aus dem Datenwort d kann folgendermaßen beschrieben werden: c = dG. (2) G ist eine Generatormatrix des linearen Blockcodes und hat das Format k × n mit k = n – m (wobei k, n, m ganze Zahlen sind). Wie in der Technik bekannt ist, können aus der Paritätsprüfmatrix H eine oder mehrere Generatormatrizen G berechnet werden. Operationen in den Gleichungen (1) und (2) werden in dem Binärfeld GF(2) ausgeführt.
Als Beispiel sei ein binärer linearer Blockcode definiert durch
Eine Generatormatrix G für diesen Code ist
Unter Verwendung der Generatormatrix G kann ein Codewort c (6 Bits) durch Gleichung (2) aus dem Datenwort d (3 Bits) erzeugt werden. Beispielsweise führt d = (0, 1, 0) zu
c = (0, 1, 0, 0, 1, 1).
Das Codewort c wird der Punktierungs- und Modulationseinheit 102 zugeführt. In dieser können verschiedene Punktierungs- und/oder Modulationsverfahren angewandt werden. Nach der optionalen Punktierung und dem optionalen Hinzufügen von Ergänzungsdaten wird das Codewort c durch den Sender 100 als ein Datenblock ausgesendet.
Die Ausgabe der Punktierungs- und Modulationseinheit 102 wird bei einer Ausführungsform einer weiteren Datenverarbeitung unterzogen, um das Signal für die Kanalübertragung vorzubereiten. Eine solche weitere Datenverarbeitung ist in 1 nicht abgebildet. Wenn beispielsweise Kanal 300 ein Funkkanal ist, kann die weitere Datenverarbeitung unter anderem eine Digital-Analog-Umsetzung, eine Umsetzung des Signals in ein Hochfrequenzband, eine Verstärkung und eine Abstrahlung des verstärkten Signals über eine (nicht gezeigte) Sendeantenne umfassen.
Im Empfänger 200 wird das Eingangssignal 204 z. B. durch eine (nicht gezeigte) Empfangsantenne erhalten und einer in 1 nicht abgebildeten Signalverarbeitung unterzogen, wie etwa z. B. einer Filterung, einer Abwärtsumsetzung in ein Zwischenfrequenzband (ZF) oder Basisband, einer Analog-Digital-Umsetzung usw. Die Demodulations- und Depunktierungseinheit 201 kann das empfangene Signal 204 demodulieren und depunktieren und gibt einen empfangenen Vektor r aus. Die n Elemente r₁, i = 1, ..., n, des empfangenen Vektors r sind realwertig.
Der Decoder 202 decodiert den empfangenen Vektor r, um das decodierte Wort x zu erhalten. Die n Elemente x_i, i = 1, ..., n des decodierten Worts x sind Schätzungen der n Elemente c_i des Codeworts C. Der Decoder 202 ist bei einer Ausführungsform ein sogenannter Linearprogrammierungs-(LP-)Decoder (linear programming decoder). In einem LP-Decoder wird ein Linearprogrammierungsalgorithmus verwendet, um das decodierte Wort x aus dem empfangenen Vektor r zu berechnen.
Im Folgenden wird die Funktionsweise eines LP-Decoders 202 beschrieben. LP-Decodierung ist eine Approximation der Maximum-Likelihood-(ML-)Sequenzdecodierung, die bekanntlich das optimale Decodierungsverfahren im Hinblick auf die Minimierung der Blockfehlerwahrscheinlichkeit ist. LP-Decodierung basiert auf dem Konzept, dass eine Decodierung von Linearblockcodes als ein Ganzzahl-LP-Problem interpretiert werden kann. Aus der Mathematik ist bekannt, dass ein LP-Problemen die Optimierung einer linearen Zielfunktion unter Berücksichtigung linearen Gleichungen und Ungleichungen als Nebenbedingungen umfasst. Bei der LP-Decodierung kann das Ganzzahl-LP-Problem folgendermaßen ausgedrückt werden:
minimiere y^Tx unter den Bedingungen Ax <= b (5) x = [x_i]; x_i ∊ {0, 1}.
Vorausgesetzt, dass ein binäres Modulationsverfahren verwendet wird, kann der Vektor y, der in der LP-Theorie auch als der Kostenvektor bezeichnet wird, aus dem empfangenen Vektor r durch
berechnet werden, d. h. er repräsentiert den Vektor von logarithmischen Wahrscheinlichkeitsverhältnissen. Die Matrix A und der Vektor b drücken die Nebenbedingungen des Ganzzahl-LP-Problems aus und können aus der Paritätsprüfmatrix H erzeugt werden.
Die Ungleichung Ax <= b spezifiziert ein konvexes Polyeder, über das der Ausdruck y^Tx (der die Zielfunktion des LP-Problems ist) zu minimieren ist. Im Folgenden wird ein Beispiel dafür angegeben, wie die Nebenbedingungen A und b aus H abzuleiten sind.
Das der LP-Decodierung in dem Decoder 202 zugrundeliegende obige LP-Problem (5) wird als Ganzzahl-LP-Problem bezeichnet, weil die Elemente x_i des decodierten Worts x nur die Werte 0,1 annehmen können. Die Lösung eines Ganzzahl-LP-Problmes ist leider rechnerisch für in der Praxis verwendete Codes nicht durchführbar. Aus diesem Grund wird das Ganzzahl-LP-Problem (5) auf das entsprechende (allgemeine) LP-Problem relaxiert:
minimiere y^Tx unter den Bedingungen Ax <= b (6) x = [x_i]; 0 <= x_i <= 1.
Dieses relaxierte LP-Problem kann dann mit herkömmlichen Linearprogrammierungs-Lösungsmitteln, wie z. B. dem Simplexalgorithmus, gelöst werden. Die optimale Lösung dieses relaxierten LP-Problems (6) ist jedoch nicht unbedingt die optimale Lösung des Ganzzahl-LP-Problems (5).
Wenn genauer gesagt die Lösung des (relaxierten) LP-Problems ganzzahlig ist (das heißt, alle Werte x liegen innerhalb festgesetzter Toleranzgrenzen um ganze Zahlen herum), ist die Lösung beweisbar gleich der Lösung des Ganzzahl-LP-Problems. Es ist aber möglich, dass die optimale Lösung des entsprechenden (relaxierten) LP-Problems nicht ganzzahlige Werte enthält. In diesem Fall versagt das Decodierungsverfahren. Es können jedoch LP-Formulierungen existieren, die eine teilweise Optimalitätseigenschaft aufweisen. Das heißt, dass, wenn bestimmte der Elementwerte x_i des decodierten Worts x ganze Zahlen sind, diese Werte mit den Werten einer optimalen Lösung (nämlich einer ML-Lösung) des Ganzzahl-LP-Problems (5) übereinstimmen.
Die rechnerische Komplexität der LP-Decodierung hängt von dem zur Auswahl der Nebenbedingungen A und b verwendeten Algorithmus ab. Ein effektiver Ansatz zur LP-Decodierung wird in M. H. Taghavi N., P. H. Siegel, „Adaptive Methods for Linear Programming Decoding”, verfügbar online bei: https://arxiv.org/pdf/cs/0703123, offenbart, wobei dieses Dokument hiermit durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt dieser Schrift aufgenommen wird. im Prinzip können jedoch alle bekannten und zukünftigen Ansätze zur Lösung des Ganzzahl-LP-Problems oder des LP-Problems für die LP-Decodierung in dem LP-Decoder 202 der Erfindung angewandt werden. Im Folgenden wird als Beispiel ein einfacher Ansatz zur Ableitung der Nebenbedingungen A und b aus der Paritätsprüfmatrix H wie in Gleichung (3) dargelegt demonstriert. Der Einfachheit halber ist die hier zum Zwecke der Demonstration verwendete Paritätsprüfmatrix H wieder viel kleiner als die Paritätsprüfmatrizen von in der Praxis verwendeten LDPC-Codes.
Die Matrix H kann dazu verwendet werden, einen Graphen zu erzeugen, der eine äquivalente Darstellung der Matrix H ist. Dieser Graph wird als ein Tanner-Graph bezeichnet und ist in 2 dargestellt. Ein Tanner-Graph ist ein zweiteiliger Graph. Die Knoten dieses Graphen können in zwei Klassen unterteilt werden. Eine Klasse wird als Prüfknoten (C-Knoten, als Quadrate gezeichnet) bezeichnet, und die andere Klasse wird als variable oder Bitknoten (V-Knoten, als Kreise gezeichnet) bezeichnet. Die C-Knoten entsprechen den Zeilen der Paritätsprüfmatrix H (z. B. entspricht c₁ der Zeile 1 von H), und die V-Knoten entsprechen den Spalten der Paritätsprüfmatrix H (z. B. entspricht V₁ der Spalte 1). Wenn die entsprechende Zeile eines C-Knotens in der H-Matrix eine 1 in der Spalte j aufweist, bedeutet dies, dass dieser C-Knoten mit dem V-Knoten V_j verbunden ist und umgekehrt. Der Grad eines Knotens in dem Tanner-Graph ist die Anzahl der mit diesem Knoten verbundenen Verbindungen (z. B. hat der V-Knoten V₆ den Grad 2, der C-Knoten C₁ hat den Grad 3).
Bei Zugrundelegung der Paritätsprüfmatrix H von Gleichung (3) wie in 2 gezeigt ist ein Verfahren zum Aufbau der Nebenbedingungen Ax <= b das folgende:

– Für die Zeile j von H sei N(j) die Menge von Spalten, deren Einträge 1 sind. Oder, äquivalent dazu, sei N(j) die Menge von Indizes derjenigen V-Knoten, die mit dem C-Knoten C_j verbunden sind. In dem obigen Beispiel ist N(1) = {1, 2, 6}.
– Für jede Teilmenge S von N(j) mit |S| ungerade verwende man die folgende Nebenbedingung Σ_i∊Sx_i – Σ_i∊N(j)\Sx_i <= |S| – 1, wobei |·| die Anzahl der Elemente der Teilmenge S bedeutet.
– Alle Koeffizienten der linken Seite dieser Ungleichungen bilden die Matrix A, die Konstanten der rechten Seite dieser Ungleichungen bilden den Vektor b.

Für die H-Matrix von Gleichung (3) führt dies zu
Zurückkommend auf 1 wird das decodierte Wort x zu der Identifikationseinheit 203 in dem Empfänger 200 geleitet. Die Identifikationseinheit 203 identifiziert alle Bits, die mutmaßlich nicht korrekt decodiert wurden. Genauer gesagt wird, wenn ein Elementwert x_i des decodierten Worts x nicht ganzzahlig ist (d. h. nicht innerhalb festgelegter Toleranzgrenzen um eine ganze Zahl herum liegt), entschieden, dass das diesem Elementwert x_i entsprechende Bit falsch decodiert ist. Andererseits wird entschieden, dass ein Bit (mutmaßlich) korrekt decodiert ist, wenn der entsprechende Elementwert x_i eine ganze Zahl annimmt, d. h. innerhalb festgelegter Toleranzgrenzen um die ganze Zahl herum, etwa in einem Bereich von z. B. ±0,2 um die ganze Zahl herum liegt. Anders ausgedrückt liefert die LP-Decodierung auf der Basis des Lösens des relaxierten LP-Problems (6) Kenntnis über die Zuverlässigkeit jedes einzelnen Datenbits in dem decodierten Wort x.
Es ist zu beachten, dass keine Paritätsprüfung (siehe Gleichung (1)) oder eine andere Berechnung an dem decodierten Ergebnis x ausgeführt werden muss, um Kenntnis über die Korrektheit der Decodierung zu erhalten. Die Information, ob ein Bit decodierbar ist oder nicht, kann durch eine einfache Ganzzahligkeitsprüfung direkt aus dem Decodierungsergebnis x erhalten werden. Wenn insbesondere ein Element des decodierten Worts x sich als nicht ganzzahlig erweist, muss keine Annahme bezüglich des wahren ganzzahligen Bitwerts dieses Elements für die nachfolgende Verarbeitung getroffen werden. Zumindest im Idealfall, in dem eine Lösung des relaxierten LP-Problems streng eine teilweise Optimalitätseigenschaft erfüllt, kann ferner die Kenntnis über nichtdecodierbare Daten maximal sein (d. h. individuell für jedes Bit).
Auf der Basis einer solchen detaillierten Kenntnis über nichtdecodierbare Daten ist es möglich, leistungsstarke Algorithmen zum Anfordern einer Bitneuübertragung zu implementieren. Zu diesem Zweck wird eine Neuübertragungs-Anforderungseinheit 207 mit einem Ausgang der Identifikationseinheit 203 gekoppelt und empfängt die Information über die Bits, die durch die Identifikationseinheit 203 als nichtdecodierbar befunden wurden.
Gemäß einer ersten Ausführungsform wird der Sender 100 von der Neuübertragungs-Anforderungseinheit 207 aufgefordert, nur das oder die Bits neu zu übertragen, die als nichtdecodierbar identifiziert wurden. Diese Bits können über ihre Adressen angefordert werden, d. h. indem der Sender 100 über die Adressen der nicht-decodierbaren Bits informiert wird. Ein solches Verfahren würde eine relativ hohe Menge an Aufwärtsstreckenkapazität (d. h. Signalisierungskapazität in der Richtung von dem Empfänger 200 zu dem Sender 100) benötigen. Es gibt mehrere Ansätze zur Begrenzung oder Verringerung der benötigten Aufwärtsstreckenkapazität. Eine erste Möglichkeit ist die Verwendung eines geeigneten Quellencodierungsalgorithmus in dem Sender 100 zum Finden eines guten Kompromisses zwischen der benutzten Aufwärtsstrecken- und Abwärtsstreckenkapazität. Eine andere Möglichkeit besteht darin, nicht jedes einzelne nichtdecodierbare Bit individuell durch die Neuübertragungs-Anforderungseinheit 207 zu adressieren, sondern die Neuübertragung eines vorbestimmten Teils oder von vorbestimmten Teilen des Codeworts c anzufordern, der bzw. die die als nichtdecodierbar identifizierten Bits umfasst bzw. umfassen. Beispielsweise kann das Codewort c in mehrere Teile oder Subblöcke unterteilt werden, die jeweils mehrere Bit enthalten, und ein Subblock wird genau dann neu übertragen, wenn mindestens ein in diesem Subblock liegendes nichtdecodierbares Bit identifiziert worden ist. Die Anzahl der Subblöcke bei einer solchen Codewort-Partitionierung wirkt sich offensichtlich sowohl auf die Menge an Aufwärtsstreckenkapazität als auch die Menge an Abwärtsstreckenkapazität, die benötigt wird, aus. Genauer gesagt muss um so mehr Aufwärtsstrecken- und um so weniger Abwärtsstreckenkapazität bereitgestellt werden, je höher die Anzahl der Subblöcke ist und umgekehrt. Auf jeden Fall kann die Menge an neuübertragenen Bits (d. h. der Abwärtsstrecken-Datenverkehr) im Vergleich zu herkömmlichen Neuübertragungsverfahren, bei denen entweder der gesamte Datenblock oder feste Bitmuster für Neuübertragungen verwendet werden, reduziert werden.
Ferner ist es möglich, auf der Basis der durch die Identifikationseinheit 203 gelieferten Ganzzahligkeitsinformationen kompliziertere Bitneuübertragungsalgorithmen zu implementieren. Zum Beispiel kann ein Bit oder ein Teil des Codeworts c, der dieses Bit enthält, abhängig davon, ob andere Bits, die mit dem betrachteten Bit verknüpft sind, das Ganzzahligkeitskriterium nicht erfüllen und deshalb durch die Identifikationseinheit 203 identifiziert werden, für die Neuübertragung angefordert werden. Beispielsweise seien die Bits x_p1, x_p2, ..., x_p1 durch eine Paritätsprüfgleichung (oder eine beliebige andere mathematische Gleichung, die eine Beziehung zwischen dem Bit x_p und den Bits x_p1, x_p2, ..., x_p1 im Hinblick auf ihre Decodierungszuverlässigkeit ausdrückt) mit dem betrachteten Bit x_p verknüpft. Dann kann das Bit c_p, das dem Bit x_p entspricht, oder ein Teil des Codeworts c, der das Bit c_p enthält, nur dann für die Neuübertragung angefordert werden, wenn eine ausreichend große Anzahl verwandter Bits x_p1, x_p2, ..., x_p1 das Ganzzahligkeitskriterium nicht erfüllt. Auch wenn das Bit x_p das Ganzzahligkeitskriterium erfüllt (d. h. nicht durch die Identifikationseinheit identifiziert wird), kann in diesem Fall eine solche Neuübertragung eingeleitet werden. Als weiteres Beispiel kann, wenn wieder angenommen wird, dass das Bit x_p das Ganzzahligkeitskriterium nicht erfüllt hat, eine Neuübertragung von Bit c_p oder eines Teils des Codeworts c, der dieses Bit enthält, ausgelassen werden, wenn eine ausreichend große Anzahl der verwandten Bit x_p1, x_p2, ..., x_p1 das Ganzzahligkeitskriterium erfüllt.
Der Neuübertragungsalgorithmus kann somit ausschließlich von den Ergebnissen der von der Identifikationseinheit 203 gelieferten Ganzzahligkeitsinformationen abhängen. Als Alternative kann der Neuübertragungsalgorithmus wahlweise ferner von dem Ergebnis zusätzlicher Informationen abhängen, wie etwa z. B. den Ergebnissen einer auf das decodierte Wort x angewandeten Paritätsprüfung CRC (Cyclic Redundancy Check). Wenn das decodierte Wort x die CRC besteht, wird auch dann keine Neuübertragung angefordert, wenn eines oder mehrere Bit des decodierten Worts x nicht dem Ganzzahligkeitskriterium genügen, d. h. von der Identifikationseinheit 203 identifiziert werden. Eine solche (nicht gezeigte) CRC-Einheit kann mit dem Ausgang der Identifikationseinheit 203 gekoppelt sein, und ein in der CRC-Einheit erzeugtes Steuersignal (CRC bestanden/CRC durchgefallen) kann zu der Neuübertragungs-Anforderungseinheit 207 zurückgekoppelt werden, um es der Neuübertragungs-Anforderungseinheit 207 zu erlauben, die CRC-Informationen zu verwenden.
In 1 werden Neuübertragungs-Anforderungen (z. B. einzelne Bits oder Subblöcke) von dem Empfänger 200 durch das von der Neuübertragungs-Anforderungseinheit 207 ausgegebene Anforderungssignal 205 zu dem Sender 100 übermittelt. Das Anforderungssignal 205 kann über einen (nicht gezeigten) geeigneten Kanal, z. B. einen Funksteuerkanal, zu dem Sender 100 übertragen werden. Wenn dagegen die Identifikationseinheit 203 alle Bits als decodierbar befindet, ist keine Neuübertragung notwendig und das an dem Port 206 bereitgestellte decodierte Wort x kann für die weitere Verarbeitung verwendet werden.
In der Praxis wird oft das decodierte Wort x durch Kombinieren der neuübertragenen Vektoren mit zuvor empfangenen Vektoren r oder logarithmischen Wahrscheinlichkeitsverhältnisvektoren y und durch Verwendung eines solchen kombinierten Vektors zur LP-Decodierung erhalten. Diese (in 1 nicht gezeigte) Kombination verringert gewöhnlich die Anzahl der zur Decodierung notwendigen Neuübertragungen und ist zweckmäßigerweise für das vorgeschlagene Verfahren benutzbar.
Bei einer praktischen Ausführungsform wurde beispielsweise ein kurzer LDPC-Code der Länge von 96 Bits mit einer Coderate von 50/96 benutzt. Der Code wird als 96.3.963 bezeichnet und in Encyclopedia of Sparse Graph Codes, verfügbar online bei: http://www.inference.phy.cam.ac.uk/mackay/codes/data.html offenbart. Diese und alle anderen in diesem Dokument offenbarten Codes können in dem Codierer 101 zur Codierung verwendet werden und werden hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Schrift aufgenommen.
Der Code 96.3.963 wird durch eine Paritätsprüfmatrix H mit n = 96 Spalten und m = 48 Zeilen dargestellt. Da H zwei linear abhängige Zeilen aufweist, beträgt die Länge des Datenworts d 50 Bits. Der LP-Decoder 202 verwendet einen LP-Algorithmus, der zum Beispiel in M. H. Taghavi N. P. H. Siegel, „Adaptive Methods for Linear Programming Decoding”, erhältlich online bei: https://arxiv.org/pdf/cs/0703123, beschrieben wird und zuvor exemplarisch beschrieben wurde. In Computersimulationen hat sich gezeigt, dass eine Verringerung der Menge an neuübertragenen Bits gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept den Durchsatz des Systems bei hohen Werten des Rauschabstands (SNR) vergrößert.
Genauer gesagt zeigt 3 den Durchsatz des Kommunikationssystems als Funktion des Verhältnisses von Energie pro Bit zu Rauschspektraldichte Eb/N0 in Einheiten von dB. In 3 wurden für die mit „HA” markierten Simulationskurven alle Datenbits eines Codeworts neuübertragen, wenn das Codewort nicht korrekt decodiert wurde. Für die mit „HF” markierten Simulationskurven wurden nur die Bit neuübertragen, die mit fraktionalen (nicht ganzzahligen) LP-Decodierungsergebnissen in Beziehung stehen. Die Zahlen hinter „HA” oder „HF” geben die maximale Anzahl der Neuübertragungen an. In diesen Simulationen wurden nur eine bis vier Neuübertragungen erlaubt. Nach einer Neuübertragung werden die logarithmischen Wahrscheinlichkeitsverhältnisse der neuübertragenen Bit zu dem Vektor von logarithmischen Wahrscheinlichkeitsverhältnissen zuvor empfangener Bits eines Datenblocks vor der Decodierung addiert. Die mit „HN” markierte Kurve ist das Ergebnis einer Simulation ohne Neuübertragungen.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass oberhalb von ungefähr –3 dB von Eb/N0 die Leistungsfähigkeit des vorgeschlagenen Verfahrens im Hinblick auf den Durchsatz signifikant (etwa 1 dB) besser als das Verfahren des Neuübertragens gesamter Datenblöcke ist. In diesem Beispiel wurde eine LP-Formulierung ohne eine teilweise Optimalitätseigenschaft verwendet. Bei Verwendung einer Linearprogrammierungsformulierung mit teilweiser Optimalitätseigenschaft kann ein zusätzlicher Leistungsgewinn erwartet werden.
3 zeigt, dass eine Neuübertragung der gesamten Codewörter effektiver als die Neuübertragung einzelner Bits (oder sogar von Subblöcken) sein kann, wenn Eb/N0 niedrig ist. Es kann somit ein Neuübertragungsverfahren verwendet werden, das mehrere Neuübertragungsbetriebsarten verwendet. Wenn Eb/N0 kleiner als eine bestimmte Schwelle (hier z. B. –3 dB) ist, kann eine Gesamtcodewortneuübertragung durchgeführt werden, wenn die Identifikationseinheit 203 Decodierungsversagen detektiert. wenn Eb/N0 diese Schwelle übersteigt, kann andernfalls Einzelbit- oder Subblockneuübertragung gemäß der obigen Beschreibung ausgeführt werden. Ein solcher Neuübertragungs-Anforderungsansatz mit mehreren Betriebsarten, die in Abhängigkeit von einem Vergleich mit einer Größe, die abhängig von einem Signal-zu-Rauschverhältnis am Empfänger ist (Eb/N0 wird auch als Signal-zu-Rauschverhältnis pro Bit bezeichnet), kann den Durchsatz des Kommunikationssystems weiter verbessern.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen dargestellt und beschrieben wurde, können Abänderungen und/oder Modifikationen an den dargestellten Beispielen vorgenommen werden, ohne von dem Gedanken und Konzept der angefügten Ansprüche abzuweichen. In Bezug auf die von den verschiedenen oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Baugruppen, Einrichtungen, Schaltungen, Systemen usw.) ausgeführten Funktionen sollen sich die zur Beschreibung solcher Komponenten verwendeten Begriffe (einschließlich einer Erwähnung eines „Mittels”), wenn es nicht anders angegeben ist, auf jede der Komponenten oder Strukturen beziehen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (d. h. die z. B. funktional äquivalent ist), obwohl sie nicht strukturell der offenbarten Struktur entspricht, die die Funktion in den hier dargestellten beispielhaften Implementierungen der Erfindung ausführt. Obwohl ein bestimmtes Merkmal der Erfindung möglicherweise nur mit Bezug auf eine von mehreren Implementierungen offenbart wurde, kann ein solches Merkmal außerdem mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, soweit es für eine beliebige gegebene oder konkrete Anwendung erwünscht oder vorteilhaft sein kann. Soweit die Begriffe „enthaltend”, „enthält”, „aufweisend”, „aufweist”, „mit” oder Varianten davon entweder in der Beschreibung oder in den Ansprüchen verwendet wurden, sollen diese Begriffe weiterhin auf ähnliche Weise wie der Begriff „umfassend” einschließend aber nicht abschließend gemeint sein.

Claims

Verfahren zur Neuübertragung fehlerhafter Daten in einem Kommunikationssystem, mit den folgenden Schritten: Empfangen von Datenblöcken in einem Empfänger (200), die durch Verwendung eines Fehlerkorrekturcodes in einem Sender (100) erzeugt wurden; Decodieren (202) der empfangenen Datenblöcke durch Linearprogrammierungsdecodierung; Identifizieren (203) eines oder mehrerer Symbole in dem decodierten Datenblock, indem die Symbole in dem decodierten Datenblock einem Ganzzahligkeitskriterium unterworfen werden; und Einleiten einer Neuübertragung (207) eines Teils des Datenblocks auf der Basis des einen oder der mehreren identifizierten Symbole.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ganzzahligkeitskriterium bestimmt, dass jedes decodierte Symbol, das nicht in einem vorbestimmten Bereich um eine ganze Zahl herum liegt, als ein Symbol identifiziert wird, das niedrige Konfidenz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Linearprogrammierungsdecodierung (202) einen Linearprogrammierungsalgorithmus mit einer teilweisen Optimalitätseigenschaft verwendet, wodurch garantiert wird, dass jedes decodierte Symbol, das in einem vorbestimmten Bereich um eine ganze Zahl herum liegt, mit dem entsprechenden Symbol einer optimalen Lösung zusammenfällt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der im Sender (100) verwendete Fehlerkorrekturcode einen LDPC-Code umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der neuübertragene Teil des Datenblocks ausschließlich das oder die Symbole enthält, die dem identifizierten Symbol oder den identifizierten Symbolen entsprechen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der neuübertragene Teil des Datenblocks einen oder mehrere vorbestimmte Subblöcke des Datenblocks umfasst, die das oder die Symbole enthalten, die dem identifizierten Symbol oder den identifizierten Symbolen entsprechen.
Empfänger in einem Kommunikationssystem, umfassend: eine Empfangseinheit (200), die dafür ausgelegt ist, Datenblöcke zu empfangen, die bei Verwendung eines Fehlerkorrekturcodes in einem Sender (100) erzeugt wurden; einen Linearprogrammierungsdecoder (202), der dafür ausgelegt ist, die empfangenen Datenblöcke zu decodieren; eine Identifikationseinheit (203), die dafür ausgelegt ist, die Symbole in einem decodierten Datenblock einem Ganzzahligkeitskriterium zu unterwerfen, wodurch ein oder mehrere Symbole in einem decodierten Datenblock identifiziert werden können; und eine Neuübertragungs-Anforderungseinheit (207), die dafür ausgelegt ist, eine Neuübertragung eines Teils des Datenblocks auf der Basis des einen oder der mehreren identifizierten Symbole anzufordern.
Empfänger nach Anspruch 7, wobei das Ganzzahligkeitskriterium bestimmt, dass jedes decodierte Symbol, das nicht innerhalb von Grenzen um eine ganze Zahl herum liegt, identifiziert wird.
Empfänger nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Linearprogrammierungsdecoder (202) dafür ausgelegt ist, einen Linearprogrammierungsalgorithmus mit einer teilweisen Optimalitätseigenschaft auszuführen, wodurch garantiert wird, dass jedes decodierte Symbol, das in einem vorbestimmten Bereich um eine ganze Zahl herum liegt, mit dem entsprechenden Symbol einer optimalen Lösung zusammenfällt.
Empfänger nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der im Sender (100) verwendete Fehlerkorrekturcode einen LDPC-Code umfasst.
Empfänger nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Neuübertragungs-Anforderungseinheit (207) dafür ausgelegt ist, eine Neuübertragung ausschließlich desjenigen Symbols oder von denjenigen Symbolen anzufordern, die dem identifizierten Symbol oder den identifizierten Symbolen entsprechen.
Empfänger nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der neuübertragene Teil des Datenblocks einen Subblock oder mehrere vorbestimmte Subblöcke des Datenblocks umfasst, die das Symbol oder Symbole enthalten, die dem identifizierten Symbol oder den identifizierten Symbolen entsprechen.
Verfahren zum Übertragen von Daten in einem Kommunikationssystem, mit den folgenden Schritten: Codieren (101) von Daten durch Verwendung eines Fehlerkorrekturcodes in einem Sender (100), um einen Block codierter Daten zu erhalten; Übertragen des Blocks codierter Daten zu einem Empfänger (200); Empfangen eines dem übertragenen Block codierter Daten entsprechenden Datenblocks in dem Empfänger (200); Decodieren (202) des empfangenen Datenblocks durch einen Linearprogrammierungsalgorithmus, um einen decodierten Datenblock zu erhalten; Identifizieren (207) eines Symbols oder mehrerer Symbole in dem decodierten Datenblock, indem die Symbole in dem decodierten Datenblock einem Ganzzahligkeitskriterium unterworfen werden; und Einleiten einer Neuübertragung (207) eines Teils der in dem Block codierter Daten enthaltenen Daten, wobei der Teil der Daten von dem identifizierten Symbol oder den identifizierten Symbolen abhängt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Ganzzahligkeitskriterium bestimmt, dass jedes decodierte Symbol, das in einem vorbestimmten Bereich um eine ganze Zahl herum liegt, identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Linearprogrammierungsalgorithmus eine teilweise Optimalitätseigenschaft aufweist, wodurch garantiert wird, dass jedes decodierte Symbol, das in einem vorbestimmten Bereich um eine ganze Zahl herum liegt, mit dem entsprechenden Symbol einer Optimallösung zusammenfällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der im Sender (100) verwendete Fehlerkorrekturcode ein LDPC-Code ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der neuübertragene Teil der Daten ausschließlich das Symbol oder die Symbole enthält, die dem identifizierten Symbol oder den identifizierten Symbolen entsprechen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der neuübertragene Teil des Datenblocks einen Subblock oder mehrere vorbestimmte Subblöcke des Datenblocks umfasst, die das oder die Symbole enthalten, die dem identifizierten Symbol oder den identifizierten Symbolen entsprechen.
Kommunikationssystem mit einem Sender (100) und einem Empfänger (200) zum Übertragen von Daten in dem Kommunikationssystem, wobei der Sender (100) umfasst: eine Codierungseinheit (101), die dafür ausgelegt ist, Daten durch Verwendung eines Fehlerkorrekturcodes zu codieren, um einen Block codierter Daten zu erhalten; eine Sendeeinheit, die dafür ausgelegt ist, den Block codierter Daten zu einem Empfänger (200) zu senden, und wobei der Empfänger (200) umfasst: eine Empfangseinheit, die dafür ausgelegt ist, einen dem übertragenen Block codierter Daten entsprechenden Datenblock zu empfangen; eine Decodierungseinheit (202), die dafür ausgelegt ist, den empfangenen Datenblock durch einen Linearprogrammierungsalgorithmus zu decodieren, um einen decodierten Datenblock zu erhalten; eine Identifikationseinheit (203), die dafür ausgelegt ist, ein oder mehrere Symbole in dem decodierten Datenblock zu identifizieren, indem die Symbole in dem decodierten Datenblock einem Ganzzahligkeitskriterium unterworfen werden; und eine Neuübertragungs-Anforderungseinheit (207), die dafür ausgelegt ist, eine Neuübertragung eines Teils der in dem Block codierter Daten enthaltenen Daten einzuleiten, wobei der Teil der Daten von dem identifizierten Symbol oder den identifizierten Symbolen abhängt.
Kommunikationssystem nach Anspruch 19, wobei das Ganzzahligkeitskriterium bestimmt, dass jedes decodierte Symbol, das nicht in einem vorbestimmten Bereich um eine ganze Zahl herum liegt, identifiziert wird.
Kommunikationssystem nach Anspruch 19, wobei der Linearprogrammierungsalgorithmus eine teilweise Optimalitätseigenschaft aufweist, wodurch garantiert wird, dass jedes decodierte Symbol, das in einem vorbestimmten Bereich um eine ganze Zahl herum liegt, mit dem entsprechenden Symbol einer optimalen Lösung zusammenfällt.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei die Codierungseinheit (101) dafür ausgelegt ist, einen LDPC-Code zu verwenden.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei die Neuübertragungs-Anforderungseinheit (207) dafür ausgelegt ist, eine Neuübertragung ausschließlich desjenigen Symbols oder derjenigen Symbole anzufordern, die dem identifizierten Symbol oder den identifizierten Symbolen entsprechen.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei der neuübertragene Teil des Datenblocks einen Subblock oder mehrere vorbestimmte Subblöcke des Datenblocks umfasst, die dasjenige Symbol oder diejenigen Symbole enthält, die dem identifizierten Symbol oder den identifizierten Symbolen entsprechen.