DE102012209565B3 - Method for transmitting data from a sender to a receiver - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten von einem Sender zu einem Empfänger. Gemäß der Erfindung werden die Daten durch einen Kodierer auf der Senderseite kodiert und durch einen Dekodierer auf der Empfängerseite dekodiert. Die Daten werden unter Verwendung eines Turbo-Codes kodiert und dekodiert, wobei das Kodieren durch eine parallele Konkatenation mindestens zweier Konvolutionscodes erfolgt. Die Zeichen, die als Eingabe für die mindestens zwei für das Kodieren vorgesehenen Konvolutionscodes verwendet werden, werden einem Galois-Feld der Größenordnung q > 2 entnommen. Erfindungsgemäß werden die mindestens zwei Konvolutionscodes zum Kodieren konkateniert mit einem q-ären Hadamard-Code.The invention relates to a method for transmitting data from a transmitter to a receiver. According to the invention, the data is coded by a coder on the transmitter side and decoded by a decoder on the receiver side. The data is encoded and decoded using a turbo code, the encoding being done by parallel concatenation of at least two convolutional codes. The characters used as input to the at least two convolutional codes for encoding are taken from a Galois field of order q> 2. According to the invention, the at least two convolutional codes for encoding are concatenated with a q-type Hadamard code.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten von einem Sender zu einem Empfänger.The invention relates to a method for transmitting data from a transmitter to a receiver.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Vorwärtsfehlerkorrektur-(FEC-)Schemata zu verwenden, um verlorene oder korrumpierte Datenpakete rückzugewinnen. Zu den leistungsfähigsten Fehlerkorrekturcodes zählen Turbo-Codes, die vorgeschlagen wurden von C. Berrou, A. Glavieux und P. Thitimajshima, ”Near Shannon limit error-correcting coding and decoding: Turbo Codes”, in Proc. IEEE International Conference an Communications, Genf, Schweiz, Mai 1993.It is known in the art to use forward error correction (FEC) schemes to recover lost or corrupted data packets. The most powerful error correction codes include turbo codes proposed by C. Berrou, A. Glavieux, and P. Thitimajshima, "Near Shannon Limit Error-Correcting Coding and Decoding: Turbo Codes," in Proc. IEEE International Conference on Communications, Geneva, Switzerland, May 1993.

Turbo-Codes erlauben einen Betrieb innerhalb 1 dB ausgehend von theoretischen Grenzwerten bis zu lediglich moderaten bis kurzen Paketlängen (wenige Hundert Bits). Die am meisten bekannten Turbo-Codes sind erläutert in C. Douillard und C. Berrou, ”Turbo codes with rate-m/(m + 1) constituent convolutional codes,” IEEE Transactions an Communications, Bd. 53, Nr. 10, S. 1630–1638, 2005.Turbo codes allow operation within 1 dB from theoretical limits to only moderate to short packet lengths (a few hundred bits). The most well known turbo codes are discussed in C. Douillard and C. Berrou, "Turbo codes with rate-m / (m + 1) constituent convolutional codes," IEEE Transactions on Communications, Vol. 53, No. 10, p 1630-1638, 2005.

In Kommunikationsanwendungen mit Spektrumspreizung (z. B. CDMA) werden üblicherweise Codes mit einer sehr niedrigen Rate (d. h. R < 1/10) verwendet. Unter diesen werden orthogonale Convolutional Codes, superorthogonale Turbo-Codes und Turbo-Hadamard-Codes häufig als nahezu optimale Lösungen angesehen. Diese Konzepte werden in den folgenden Veröffentlichungen diskutiert:

  • • Komulainen, P.; Pehkonen, K.: ”Performance evaluation of superorthogonal turbo codes in AWGN and flat Rayleigh fading channels” Selected Areas in Communications, IEEE Journal on vol. 16, no. 2, pp. 196–205, Feb. 1998
  • • Li Ping; Leung, W. K.; Wu, K. Y.: ”Low-rate turbo-Hadamard codes” Information Theory, IEEE Transactions on vol. 49, no. 12, pp. 3213–3224, Dec. 2003
In spread spectrum communication applications (eg, CDMA), codes at a very low rate (ie, R <1/10) are commonly used. Among them, orthogonal convolutional codes, super-orthogonal turbo codes, and turbo-hadamard codes are often considered near-optimal solutions. These concepts are discussed in the following publications:
  • • Komulainen, P .; Pehkonen, K .: "Performance evaluation of superorthogonal turbo codes in AWGN and flat rayleigh fading channels" Selected Areas in Communications, IEEE Journal on vol. 16, no. 2, pp. 196-205, Feb. 1998
  • • Li Ping; Leung, WK; Wu, KY: "Low rate turbo-Hadamard codes" Information Theory, IEEE Transactions on vol. 49, no. 12, pp. 3213-3224, Dec. 2003

Die zuletzt genannte Veröffentlichung beschreibt ein System, das auf binären Turbo-Codes basiert.The latter publication describes a system based on binary turbo codes.

Jedoch sind diese Codes, wie in den 1 und 2 erkennbar, häufig charakterisiert durch hohe Fehlergrenzen. Die Graphen, die in den 1 und 2 dargestellt sind, sind dem folgenden Paper entnommen: Komulainen, P.; Pehkonen, K.: ”Performance evaluation of superorthogonal turbo codes in AWGN and flat Rayleigh fading channels” Selected Areas in Communications, IEEE Journal an vol. 16, no. 2, pp. 196–205, Feb. 1998.However, these codes are as in the 1 and 2 recognizable, often characterized by high error limits. The graphs in the 1 and 2 are shown in the following paper: Komulainen, P .; Pehkonen, K .: "Performance evaluation of superorthogonal turbo codes in AWGN and flat rayleigh fading channels" Selected Areas in Communications, IEEE Journal at vol. 16, no. 2, pp. 196-205, Feb. 1998.

DE 10 2010 054 228 B4 beschreibt ein Verfahren zum Übertragen von Daten, die unter Verwendung eines Turbocodes kodiert und dekodiert werden. Das Kodieren erfolgt durch eine parallele Konkatenation mindestens zweier Konvolutionscodes. Die Zeichen, die als Eingabe für die Konvolutionscodes verwendet werden, sind einem Galois-Feld der Größenordnung > 2 entnommen. DE 10 2010 054 228 B4 describes a method of transmitting data that is encoded and decoded using a turbo code. Coding takes place by a parallel concatenation of at least two convolutional codes. The characters used as input to the convolution codes are taken from a Galois field of order> 2.

Ein weiteres Verfahren zum Übertragen von Daten unter Verwendung eines Hadamard-Codes ist aus WO 00/64214 bekannt.Another method of transmitting data using a Hadamard code is off WO 00/64214 known.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Übertragen von Daten bereitzustellen, das im Vergleich zu einem gegebenen Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) zu einer niedrigeren Kanallöschrate (CER) führt.It is an object of the present invention to provide a method of transmitting data that results in a lower channel noise rate (CER) compared to a given signal-to-noise ratio (SNR).

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.According to the invention, this object is solved by the features of claim 1.

Gemäß der Erfindung werden die Daten durch einen Kodierer auf der Senderseite kodiert und durch einen Dekodierer auf der Empfängerseite dekodiert. Das Kodieren und Dekodieren der Daten wird unter Verwendung eines Turbo-Codes durchgeführt, wobei das Kodieren durch eine parallele Konkatenation mindestens zweier Konvolutionscodes erfolgt. Die Zeichen, die als Eingabe für die mindestens zwei für das Kodieren vorgesehenen Konvolutionscodes verwendet werden, sind einem Galois-Feld der Größenordnung q > 2 entnommen. Erfindungsgemäß werden die mindestens zwei Konvolutionscodes zum Kodieren mit einem q-ären Hadamard-Code konkateniert.According to the invention, the data is coded by a coder on the transmitter side and decoded by a decoder on the receiver side. The encoding and decoding of the data is performed using a turbo code, the encoding being done by a parallel concatenation of at least two convolutional codes. The characters used as input to the at least two convolutional codes for encoding are taken from a Galois field of order q> 2. According to the invention, the at least two convolutional codes for encoding are concatenated with a q-type Hadamard code.

Wie später gezeigt wird, kann durch solche eine Konkatenation eines Turbo-Codes mit einem Hadamard-Code auf der Encoderseite eine niedrigere Channel-Erasure-Rate erreicht werden.As will be shown later, such a concatenation of a turbo code with a Hadamard code on the encoder side can result in a lower channel erasure rate.

Es ist bevorzugt, dass während des Kodierens die Ausgangssymbole der mindestens zwei Konvolutionscodes verwendet werden zum Aussuchen derjenigen Reihe der q·q Hadamard-Matrix, die als ein Codewort übertragen werden soll. Wenn z. B. der Output des Turboencoders 00 (binär) ist, wird die erste Reihe der Generatormatrix des Hadamard-Codes als ein Codewort auf dem Kanal anstelle des binären Symbols 00 übertragen. Die höhere Channel-Erasure-Rate wird erreicht, da die einzelnen Reihen der Generatormatrix des Hadamard-Codes sich durch mehr Bits unterscheiden als der Output des Turbo-Codes. Somit kann eine höhere Toleranz gegen Auslöschungen von einzelnen Bits auf dem Kanal erreicht werden.It is preferred that during encoding, the output symbols of the at least two convolutional codes be used to select that row of the qxq Hadamard matrix to be transmitted as a codeword. If z. For example, if the output of the turbo encoder is 00 (binary), the first row of the Hadamard code generator matrix is transmitted as a codeword on the channel instead of the binary 00 symbol. The higher channel erasure rate is achieved because the individual rows of the Hadamard code generator matrix differ by more bits than the Turbo code output. Thus, a higher tolerance against cancellation of individual bits on the channel can be achieved.

Die Matrix eines Hadamard-Codes kann gemäß der folgenden Gleichung generiert werden:

Figure 00040001
The matrix of a Hadamard code can be generated according to the following equation:
Figure 00040001

Somit wird die Matrix für i = 2 sein:

Figure 00050001
Thus, the matrix will be for i = 2:
Figure 00050001

Die Matrix für i = 4 wird sein:

Figure 00050002
The matrix for i = 4 will be:
Figure 00050002

Es ist bevorzugt, dass sowohl zum Dekodieren des Turbo-Codes als auch des Hadamard-Codes ein Hadamard-Decoder (Fast Hadamard Transform, FHT) verwendet wird.It is preferred that a Hadamard (Fast Hadamard Transform, FHT) decoder be used both for decoding the turbo code and the Hadamard code.

Beispielsweise kann zum Dekodieren der durch den Hadamard-Code kodierten Symbole ein Hadamard-Code verwendet werden, der bereits in dem Turbodecoder vorhanden ist, so dass die Dekodierkomplexität auf der Empfängerseite nicht erhöht wird.For example, to decode the symbols encoded by the Hadamard code, a Hadamard code already present in the turbo decoder may be used, so that the decoding complexity at the receiver side is not increased.

Vorzugsweise werden Galois-Felder der Größenordnung > 64 und besonders bevorzugt der Größenordnung 256 verwendet.Galois fields of the order of magnitude of> 64 and particularly preferably of the order of magnitude 256 are preferably used.

Es ist vorzuziehen, dass jeder der mindestens zwei für das Kodieren vorgesehenen Konvolutionscodes exakt eine Speicherzelle verwendet, die durch einen Interleaver mit der exakt einen Speicherzelle (welche 1 Galois-Feld-Zeichen enthält) des jeweiligen anderen Konvolutionscodes konkateniert wird. Bei der Speicherzelle kann es sich beispielsweise um ein Flip-Flop (mit 1 Galois-Feld-Zeichen) handeln, das bei dem Konvolutionskodierer verwendet wird. Das Verwenden exakt einer Speicherzelle ermöglicht es, die Komplexität niedrig zu halten, so dass das Dekodieren durch schnelle Hadamard- oder FFT-Transformation durchgeführt werden kann. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass gemäß dem zuletzt erwähnten Merkmal nur genau ein früheres Galois-Feld-Code-Zeichen in dem Speicher für die Konvolutionscodes behalten wird. Ferner ist bevorzugt, dass zeitlich variierende Konvolutionscodes für das Kodieren verwendet werden. Eine Variation über der Zeit kann z. B. erzielt werden, indem das Ausgangssignal der exakt einen Speicherzelle jedes Konvolutionscodes mit einem Koffizienten multipliziert wird, der sich über der Zeit ändert. Der von dem Konvolutionskodierer verwendete Koeffizient kann z. B. bei jedem Takt variieren. Dies trägt dazu bei, weitere Zufälligkeit in den Code einzuführen, was somit zu einem verbesserten Turbo-Code führt.It is preferable that each of the at least two convolutional codes provided for coding uses exactly one memory cell which is concatenated by an interleaver with the exactly one memory cell (containing 1 Galois field character) of the other convolutional code. The memory cell may be, for example, a flip-flop (with 1 Galois field character) used in the convolutional encoder. Using exactly one memory cell makes it possible to keep the complexity low so that the decoding can be done by fast Hadamard or FFT transform. In other words, according to the last-mentioned feature, only exactly one former Galois field code character is kept in the convolutional code memory. It is further preferred that time-varying convolutional codes be used for coding. A variation over time can z. For example, by multiplying the output of the exactly one memory cell of each convolution code by a coefficient that varies with time. The coefficient used by the convolutional encoder may be e.g. B. vary at each clock. This helps to introduce more randomness into the code, thus resulting in an improved turbo code.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die übertragenen Daten, die mittels des Turbo-Codes kodiert werden, als nicht binärer LDPC-Code aus einem Galois-Feld der Größenordnung > 2 dekodierbar. Dieses Merkmal ermöglicht ein schnelleres Dekodieren. Statt eines Dekodierens unter Verwendung eines nicht binären LDPC-Dekodierers kann das Dekodieren auch mittels eines Turbo-Dekodierers durchgeführt werden.According to a preferred embodiment, the transmitted data coded by means of the turbo code can be decoded as non-binary LDPC code from a Galois field of the order of magnitude> 2. This feature allows for faster decoding. Instead of decoding using a non-binary LDPC decoder, the decoding may also be performed by means of a turbo decoder.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun im Kontext der Figuren beschrieben.Preferred embodiments of the invention will now be described in the context of the figures.

1 und 2 zeigen die Performance der aus dem Stand der Technik bekannten Codes. 1 and 2 show the performance of the codes known from the prior art.

3 und 4 zeigen eine mögliche Ausführungsform des Aufbaus des erfindungsgemäßen Encoders. 3 and 4 show a possible embodiment of the structure of the encoder according to the invention.

5 und 6 zeigen zwei mögliche Ausführungsformen erfindungsgemäßer Decoder. 5 and 6 show two possible embodiments of inventive decoder.

7 zeigt die Performance des erfindungsgemäßen Codes verglichen zum Stand der Technik. 7 shows the performance of the code according to the invention compared to the prior art.

1 und 2 wurden bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert. 1 and 2 have already been explained in connection with the prior art.

Wie in der Darstellung gemäß 3 sichtbar, ist im oberen Teil der erste Konvolutionskodierer 12 gezeigt, der exakt eine Speicherzelle 16 verwendet, während der im unteren Teil der Figur gezeigte zweite Konvolutionskodierer 14 exakt eine Speicherzelle 18 verwendet. Die beiden Kodierer 12, 14 werden durch den Interleaver 20 konkateniert. Die Sequenzen g(1), g(2), f(1) und f(2) repräsentieren die zeitlich varierenden Koeffizienten, die auf der Kodierer-Seite verwendet werden.As in the illustration according to 3 visible, in the upper part is the first convolutional encoder 12 shown exactly one memory cell 16 during the second convolutional encoder shown in the lower part of the figure 14 exactly one memory cell 18 used. The two encoders 12 . 14 be through the interleaver 20 concatenated. The sequences g (1), g (2), f (1) and f (2) represent the time-varying coefficients used on the encoder side.

3 zeigt den nicht-binären Turboencoder über GF(q). Wie in 4 sichtbar ist, ist der Turboencoder konkateniert mit einem äußeren orthogonalen Code (oder Hadamard-Code), d. h. jedes Symbol am Ausgang des Turbo-Codes wird einer bestimmten Sequenz aus q orthogonalen Sequenzen zugeordnet. 3 shows the non-binary turbo encoder over GF (q). As in 4 is visible, the turbo encoder is concatenated with an outer orthogonal code (or Hadamard code), ie each symbol at the output of the turbo code is assigned to a particular sequence of q orthogonal sequences.

Zwei Beispiele für einen Decoder, der in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann, sind in den 5 und 6 dargestellt.Two examples of a decoder which can be used in the method according to the invention are disclosed in U.S.P. 5 and 6 shown.

Gemäß 5 wird im Falle eines kohärenten Empfangs der äußere Hadamard-Code über einen Fast-Hadamard-Transform dekodiert, wodurch sich die Symbolwahrscheinlichkeiten am Eingang des Turbodecoders ergeben, wie es im in 5 dargestellten Schema gezeigt ist (p ist hier der Vektor der Symbolwahrscheinlichkeiten, während y eine Darstellung für das i-te Codesymbol ist.According to 5 For example, in the case of coherent reception, the outer Hadamard code is decoded via a Fast Hadamard transform, resulting in the symbol probabilities at the input of the turbo decoder, as shown in FIG 5 is shown here (p is here the vector of the symbol probabilities, while y is a representation for the ith code symbol.

Wenn der Receiver nicht kohärent ist (d. h. die Signalphase unbekannt ist), wird Fast-Hadamard-Transform sowohl für die In-Phase als auch die Quadraturkomponenten durchgeführt, so dass sich die Symbolwahrscheinlichkeiten wie in dem Schema aus 6 ergeben.If the receiver is not coherent (ie, the signal phase is unknown), Fast Hadamard transform is performed for both in-phase and quadrature components, so that the symbol probabilities are as in the scheme of FIG 6 result.

7 zeigt die Performance des erfindungsgemäßen Codes verglichen mit der Bit-Error-Rate für den IS-95-Standard. Der große Performancegewinn ist sichtbar. 7 shows the performance of the inventive code compared to the bit error rate for the IS-95 standard. The big performance gain is visible.

Das vorgeschlagene Verfahren kann verwendet werden in allen Arten von kommerziellen drahtlosen Übertragungssystemen.The proposed method can be used in all types of commercial wireless transmission systems.

Claims (9)

Verfahren zum Übertragen von Daten von einem Sender zu einem Empfänger, wobei die Daten durch einen Kodierer auf der Senderseite kodiert und durch einen Dekodierer auf der Empfängerseite dekodiert werden, wobei die Daten unter Verwendung eines Turbo-Codes kodiert und dekodiert werden, wobei das Kodieren durch eine parallele Konkatenation mindestens zweier Konvolutionscodes erfolgt, wobei die Zeichen, die als Eingabe für die mindestens zwei für das Kodieren vorgesehenen Konvolutionscodes verwendet werden, einem Galois-Feld der Größenordnung q > 2 entnommen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Konvolutionscodes zum Kodieren mit einem q-ären Hadamard-Code konkateniert werden.A method of transmitting data from a transmitter to a receiver, wherein the data is encoded by a transmitter on the transmitter side and decoded by a decoder on the receiver side, the data being encoded and decoded using a turbo code, the encoding being performed by a parallel concatenation of at least two convolutional codes takes place, wherein the characters used as input for the at least two convolutional codes provided for coding are taken from a Galois field of the order q> 2, characterized in that the at least two convolutional codes for coding be concatenated to a q-type Hadamard code. Verfahren zum Übertragen von Daten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Kodierens die Ausgangssymbole der mindestens zwei Konvolutionscodes verwendet werden zum Aussuchen der als Codewort zu übertragenden Reihe der q·q Hadamard Matrix.A method of transmitting data according to claim 1, characterized in that during the encoding, the output symbols of the at least two convolutional codes are used to select the series of the q · q Hadamard matrix to be transmitted as a codeword. Verfahren zum Übertragen von Daten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl für das Dekodieren des Turbo-Codes als auch des Hadamard-Codes ein Fast-Hadamard-Transform verwendet wird.Method for transmitting data according to Claim 1 or 2, characterized in that a Fast Hadamard transform is used both for the decoding of the turbo code and the Hadamard code. Verfahren zum Übertragen von Daten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Dekodieren der durch den Hadamard-Code kodierten Symbole ein Fast-Hadamard-Transform verwendet wird, der bereits in dem Turbo-Decoder vorhanden ist, so dass die Dekodierkomplexität auf der Empfängerseite nicht erhöht wird.A method of transmitting data according to claim 3, characterized in that for decoding the symbols coded by the Hadamard code, a Fast-Hadamard transform already present in the turbo-decoder is used so that the decoding complexity on the receiver side is not is increased. Verfahren zum Übertragen von Daten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der mindestens zwei für das Kodieren vorgesehenen Konvolutionscodes exakt eine Speicherzelle verwendet, die durch einen Interleaver mit der exakt einen Speicherzelle des jeweiligen anderen Konvolutionscodes konkateniert wird.Method for transmitting data according to one of Claims 1 to 4, characterized in that each of the at least two convolution codes intended for coding uses exactly one memory cell which is concatenated by an interleaver with the exactly one memory cell of the respective other convolutional code. Verfahren zum Übertragen von Daten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich variierende Konvolutionscodes für das Kodieren verwendet werden.Method for transmitting data according to one of Claims 1 to 5, characterized in that time-varying convolutional codes are used for the coding. Verfahren zum Übertragen von Daten nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation über der Zeit erzielt wird, indem das Ausgangssignal der exakt einen Speicherzelle jedes Konvolutionscodes mit einem Koffizienten multipliziert wird, der sich über der Zeit ändert.A method of transmitting data according to claim 6, characterized in that the variation over time is achieved by multiplying the output of the exactly one memory cell of each convolutional code by a coefficient which varies over time. Verfahren zum Übertragen von Daten nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die übertragenen Daten, die mittels des Turbo-Codes kodiert werden, als nicht binärer Low Density Parity Check Code (LDPC-Code) aus einem Galois-Feld der Größenordnung > 2 dekodierbar sind.Method for transmitting data according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the transmitted data coded by means of the turbo code is a non-binary Low Density Parity Check Code (LDPC code) consisting of a Galois field of the order of magnitude > 2 are decodable. Verfahren zum Übertragen von Daten nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeichen, die als Eingabe für die mindestens zwei für das Kodieren vorgesehenen Konvolutionscodes verwendet werden, einem Galois-Feld der Größenordnung > 64 entnommen werden.Method for transmitting data according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the characters used as input for the at least two convolutional codes intended for coding are taken from a Galois field of the order of magnitude> 64.
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