DE102012223040B3 - Method for restoring missing and/or damaged data transmitted from transmission device to receiving device in communication system, involves concatenating LDPC code with repetition code such that code word is multiplied with coefficient - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wiederherstellen verloren gegangener und/oder beschädigter Daten.The invention relates to a method for restoring lost and / or damaged data.
Zu diesem Zweck ist es bekannt, einen LDPC-Code für das Codieren und Dekodieren der Daten zu verwenden. Ferner ist es bekannt einen LDPC-Code mit einem multiplikativen Wiederholungscode (Multiplicative Repetition Code MR) zu konkatenieren. Solche Codes werden kurz als MR LDPC Codes bezeichnet. Standarddecoding von MR-Codes führt zu beachtlichen Verlusten, da die konstante Phase auf dem Kanal über mehrere Codesymbole nicht ausgenutzt wird. Jedoch sind MR-Codes z. B. nützlich im Umgang mit nicht kohärenten Additive White Gaussian Noise (AWGN) Kanälen.For this purpose, it is known to use an LDPC code for encoding and decoding the data. Furthermore, it is known to concatenate an LDPC code with a multiplicative repetition code (MR). Such codes are referred to as MR LDPC codes for short. Standard decoding of MR codes leads to considerable losses, as the constant phase on the channel is not exploited over several code symbols. However, MR codes are z. B. useful in dealing with non-coherent additive White Gaussian Noise (AWGN) channels.
Nicht kohärente Detektion wird üblicherweise angewandt in Kommunikationsszenarios, in denen die Wiederherstellung der Trägerphase sehr problematisch ist, z. B. aufgrund von Überlappungen von überlagerten Signalen in CDMA-Systemen, zufälligen Phasenvariationen in Mehrfachpfadumgebungen, Frequenzinstabilitäten von Oszillatoren oder einfach aufgrund von Einschränkungen der Hardwarekomplexität. Der blockweise nicht kohärente Additive White Gaussian Noise (AWGN) Kanal stellt ein einfaches Kanalmodel dar, welches nützliche Einblicke bietet für das Design von Channel-Codes für Kanäle mit unbekannter Phase. Ein besonderes Beispiel, in dem sich erwiesen hat, dass der blockweise nicht kohärente AWGN-Kanal eine genaue Beschreibung des tatsächlichen Kanalverhaltens ist, ist dasjenige von (Fast) Frequency Hopping (FH) Systemen. LDPC-Codes über nicht binäre GFs wurden vorgeschlagen in M. Davey and D. MacKay in ”Low density parity check codes over GF(q),” IEEE Commun. Lett., vol. 2, no. 6, pp. 70–71, Jun. 1998 und ratenkompatible Konstruktionen wurden eingeführt durch K. Kasai, D. Declercq, C. Poulliat, and K. Sakaniwa in ”Rate-compatible non-binary LDPC codes concatenated with multiplicative repetition codes,” in Proc. 2010 IEEE Int. Symp. on Information Theory, Austin, Texas, USA, Jun. 2010 (kurz bezeichnet als MR-Code). Verglichen zu binären Codes zeigen nicht binäre LDPC Codes bemerkenswerte Performancegewinne, insbesondere für große Blocklängen in der Größenordnung von einigen 100 Bits. Wie bei binären LDPC Codes basiert das Dekodieren auf Belief Propagation (BP), d. h. auf Message Passing (MP) entlang der Kanten des Tanner-Graph. MR-Codes beruhen auf der Idee, dass jeder Variable Node des Muttercodes r-Male wiederholt wird. Um einen Coding-Gewinn aufgrund von Wiederholungen zu erreichen, werden die Werte des Mutter Variable Nodes nicht lediglich wiederholt, sondern auch multipliziert mit nicht null Elementen des Galois-Feldes (GF).
Beim Übertragen über den blockweisen kohärenten AWGN-Kanal ist das empfangene Signal gegeben durch wobei yt der empfangene Vektor der Länge t ist, xt der modulierte gesendete Vektor der Länge t und nt der Gaussian noise vector mit der Länge t samples ist. Es ist zu beachten, dass xt erlangt wird aus dem nicht binären Codewortsymbol, indem dieses einer binären Sequenz zugeordnet und moduliert wird. Die Rauschsamples sind zirkulär symmetrische Gaußsche Zufallsvariablen mit einer Varianz von 2σ2 und Mittelwert null. Die Phase θt ist für Blöcke von m Bits konstant.When transmitting over the blockwise coherent AWGN channel, the received signal is given by where y t is the received vector of length t, x t is the modulated transmitted vector of length t and n t is the Gaussian noise vector of length t samples. It should be noted that x t is obtained from the non-binary codeword symbol by assigning it to a binary sequence and modulating it. The noise samples are circular symmetric Gaussian random variables with a variance of 2σ 2 and zero mean. The phase θ t is constant for blocks of m bits.
Jedes nicht binäre Symbol des Galois-Feldes der Ordnung q wird einer Sequenz von p = log2(q) Bits zugeordnet, wobei seine Polynom-Darstellung verwendet wird. Diese Bits werden dann moduliert und auf dem Kanal gesendet. Der Vektor xt der Länge t Bits enthält die binäre Darstellung von t/p Galois-Feld-Symbolen, wobei im Folgenden der Einfachheit halber davon ausgegangen wird, dass t ein Vielfaches von p ist.Each non-binary symbol of the Galois field of order q is assigned to a sequence of p = log 2 (q) bits, using its polynomial representation. These bits are then modulated and sent on the channel. The vector x t of length t bits contains the binary representation of t / p Galois field symbols, wherein in the following it is assumed for the sake of simplicity that t is a multiple of p.
Das Dekodieren der MR-Codes wird folgendermaßen ausgeführt. Für jedes VN wird das q-dimensionale PMF P(β) berechnet, wobei β ein generisches Feldelement des Galois-Feldes der Ordnung q ist.The decoding of the MR codes is performed as follows. For each VN, the q-dimensional PMF P (β) is calculated, where β is a generic field element of the Galois field of order q.
Hier ist I0 die modifizierte Bessel-Funktion der ersten Art und der Ordnung null. Die PMF dient als anfängliche Kanalnachricht um das Dekodieren des Tanner-Graphen des Codes zu beginnen. Here I 0 is the modified Bessel function of the first kind and the order zero. The PMF serves as an initial channel message to begin decoding the Tanner graph of the code.
Um die Komplexität zu verringern, ist es möglich anstelle von BP bei dem gesamten Tanner-Graph den ersten Dekodierschritt wie folgt durchzuführen. In jedem Grad übermittelt ein VN (Wiederholung der VNs im Muttercode) seine Kanalnachricht (Wahrscheinlichkeiten) zu seinem Root (VN des Muttercodes), wo eine neue Wahrscheinlichkeit berechnet wird (neue, virtuelle Kanalnachricht). Dann wird das Dekodieren des Muttercodes ausgeführt unter Verwendung der neuen Kanalnachricht. Dies kann mit der gleichen Performance geschehen wie das Dekodieren über dem gesamten Graphen, da VNs mit einem Grad von 1 keine Wahrscheinlichkeiten außer Ihrer eigenen übermitteln.In order to reduce the complexity, it is possible to perform the first decoding step instead of BP on the entire Tanner graph as follows. In each degree, a VN (repeat of the VNs in the mother code) transmits its channel message (probabilities) to its root (VN of the mother code) where a new probability is calculated (new virtual channel message). Then, the decoding of the mother code is performed using the new channel message. This can be done with the same performance as decoding across the entire graph, because VNs with a degree of 1 do not transmit any probabilities other than their own.
Ratenkompatible nicht binäre LDPC-Codes, die mit multiplikativen Wiederholungscodes konkateniert sind weisen eine exzellente Leistungsfähigkeit auf für verschiedene Coderaten auf Gaußschen Kanälen. Jedoch erfahren sie bei einer Betrachtung von blockweisen nicht kohärenten AWGN-Kanälen – die tatsächlich für eine Anzahl von Kommunikationssystemen von Interesse sind – einen bemerkenswerten Verlust im Hinblick auf die Kanalkapazität. Der Grund hierfür ist, dass sie nicht die Tatsache ausnutzen, dass die Kanalphase über einen Block von Modulationssymbolen konstant bleibt.Rate-compatible non-binary LDPC codes concatenated with multiplicative repetition codes exhibit excellent performance for various code rates on Gaussian channels. However, when considering blockwise non-coherent AWGN channels - which are actually of interest to a number of communication systems - they experience a notable loss in terms of channel capacity. The reason for this is that they do not exploit the fact that the channel phase remains constant over a block of modulation symbols.
Die Druckschrift GORGOGLIONE, M.; SAVIN, V.; DECLERQ, D.: Full Diversity NB-LDPC Coding with Non-Binary Repetition Symbols over the Block-Fading Channel. In: International Symposium on Wireless Communication Systems, August 2012, S. 969–973. – ISSN 2154-0217 beschreibt ein Verfahren zum Wiederherstellen beschädigter Daten wobei die Daten unter Verwendung eines nicht binären LDPC-Codes kodiert werden und über einen verlustbehafteten-Übertragungskanal an einen Empfänger gesendet werden. Die Daten werden unter Verwendung des LDPC-Codes dekodiert. Hierbei wird ein nicht binärer LDPC-Code verwendet. Der Übertragungskanal ist ein nicht kohärenter Kanal.The publication GORGOGLIONE, M .; SAVIN, V .; DECLERQ, D .: Full Diversity NB-LDPC Coding with Non-Binary Repetition Symbols over the Block Fading Channel. In: International Symposium on Wireless Communication Systems, August 2012, pp. 969-973. ISSN 2154-0217 describes a method for recovering corrupted data where the data is encoded using a non-binary LDPC code and sent to a receiver over a lossy transmission channel. The data is decoded using the LDPC code. A non-binary LDPC code is used here. The transmission channel is a non-coherent channel.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Wiederherstellung verloren gegangener und/oder beschädigter Daten, die durch einen nicht kohärenten Kanal übertragen wurden, bereitzustellen, wobei das Verfahren einen verbesserten Datendurchsatz erlaubt.It is an object of the present invention to provide a method for recovering lost and / or corrupted data transmitted through a non-coherent channel, the method allowing for improved data throughput.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruch 1 der Erfindung.This object is achieved by the features of claim 1 of the invention.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden Daten von einer Sendevorrichtung zu einer Empfangsvorrichtung übermittelt. Vor der Übermittlung werden die Daten unter Verwendung eines Encoders, der mit der Sendevorrichtung verbunden ist kodiert. Daten werden über einen nicht kohärenten Übertragungskanal übermittelt und anschließend unter Verwendung eines mit der Empfangsvorrichtung verbundenen Decoders dekodiert. Hierbei werden verloren gegangene und/oder beschädigte Daten während des Dekodierens wiederhergestellt.In the method according to the invention, data is transmitted from a transmitting device to a receiving device. Prior to transmission, the data is encoded using an encoder connected to the transmitting device. Data is transmitted over a non-coherent transmission channel and then decoded using a decoder connected to the receiving device. This will restore lost and / or corrupted data during decoding.
Das Kodieren wird durchgeführt unter Verwendung eines nicht binären LDPC Codes mit Werten, die einem Galois-Feld (GF) entnommen sind und das Dekodieren Dekodiermatrix des Codes definiert wird.The coding is performed using a non-binary LDPC code with values taken from a Galois field (GF) and defining the decode decoding matrix of the code.
Erfindungsgemäß ist der Übertragungskanal ein nicht kohärenter Kanal, was bedeutet, dass die Phase des sinusförmigen Trägersignals des übermittelten Signals sich über die Zeit verändert, jedoch in bestimmten Zeiten teilweise konstant ist, wie dies beispielsweise für Frequency Hopping Systeme der Fall ist.According to the invention, the transmission channel is a noncoherent channel, which means that the phase of the sinusoidal carrier signal of the transmitted signal changes over time, but is partially constant at certain times, as is the case for frequency hopping systems, for example.
Der für das Kodieren und Dekodieren verwendete LDPC Code ist konkateniert mit einem Multiplicative Repetition Code, was bedeutet, dass ein Codewort, das durch einen Variable Node der Tanner-Graph Darstellung des Mutter-LDPC-Codes dargestellt wird, multipliziert wird mit einem Koeffizienten, der dem Galois-Feld (GF) des nicht-binären LDPC-Codes entnommen ist, und erneut zur Empfangsvorrichtung übermittelt wird, um die Redundanz der übertragenen Daten zu erhöhen.The LDPC code used for coding and decoding is concatenated with a multiplicative repetition code, which means that a codeword represented by a variable Node of the Tanner-Graph representation of the mother LDPC code is multiplied by a coefficient which is taken from the Galois field (GF) of the non-binary LDPC code and transmitted again to the receiving device to increase the redundancy of the transmitted data.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Variable Node (VN)m des Mutter LDPC-Codes einen bestimmten Wert aus dem Galois-Feld (GF) hat, blockweise berechnet wird für Variable Nodes, mit einer konstanten Phase.The invention is characterized in that the probability that a variable Node (VN) m of the mother LDPC code has a certain value from the Galois field (GF) is calculated block by block for variable nodes having a constant phase.
In einfachen Worten nutzt das erfindungsgemäße Verfahren die Tatsache, dass die Kanalphase für einige der korrespondierenden Variable Nodes konstant ist (d. h. die Phase ändert sich zwischen diesen Variable Nodes nicht). Diese Information wird verwendet für das blockweise Berechnen der Wahrscheinlichkeit, dass ein Variable Node einen bestimmten Wert hat, was bedeutet, dass diese Wahrscheinlichkeit nicht individuell für jeden Variable Node berechnet wird, sondern für mehr als einen Variable Node. Es ist bevorzugt, diese Wahrscheinlichkeit blockweise für alle Variable Nodes mit dergleichen Phase zu berechnen.In simple terms, the inventive method uses the fact that the channel phase is constant for some of the corresponding variable nodes (ie, the phase does not change between these variable nodes). This information is used to calculate, in blocks, the probability that a variable Node has a particular value, which means that this probability is not individual is calculated for each variable Node, but for more than one variable Node. It is preferable to calculate this probability block by block for all variable nodes having the same phase.
Im Folgenden wird ein Algorithmus, der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann, detaillierter beschrieben. Zur Vereinfachung werden symmetrische Modulationskonstellationen betrachtet. Dann können für einen bestimmten SNR und einen bestimmten VN die ersten zwei Terme (alles außer der Bessel-Funktion) in (1) als Skalierungsfaktoren betrachtet werden, die für jedes Feldelement β gleich sind und somit vernachlässigt werden können. Es ist zu beachten, dass die Wahrscheinlichkeiten im BP Decoder immer auf 1 normalisiert sind. Als Ergebnis hiervon betrachten wir die Bessel-Funktion, d. h.
Das innere Produkt im Argument der Bessel-Funktion in (2) entspricht einer (komplexen) Korrelationsberechnung zwischen yp und xp. Diese Berechnung wird für jeden VN separat durchgeführt. Da t/p Symbole die gleiche Kanalphase haben, berücksichtigt die Berechnung in (2) nicht die Information, die aus der konstanten Kanalphase über t/p Symbolen resultiert.The inner product in the argument of the Bessel function in (2) corresponds to a (complex) correlation calculation between y p and x p . This calculation is performed separately for each VN. Since t / p symbols have the same channel phase, the calculation in (2) does not take into account the information resulting from the constant channel phase over t / p symbols.
Die Idee in der vorliegenden Patentanmeldung ist die Berechnung der Korrelationen über mehrere Symbole zu modifizieren. Dafür wird das Dekodieren des Multiplicative Repetition LDPC Codes in zwei Schritte eingeteilt. Im ersten werden die Korrelationen über mehrere Symbole ermittelt und aus diesen die Wahrscheinlichkeitsfunktion für die Variable Nodes im Muttergraph ermittelt. In einem zweiten Schritt wird BP auf dem Muttergraph ausgeführt.The idea in the present patent application is to modify the calculation of the correlations over several symbols. For this, the decoding of the multiplicative repetition LDPC code is divided into two steps. In the first, the correlations are determined over several symbols and from these the probability function for the variable Nodes in the mother graph is determined. In a second step BP is executed on the mother graph.
Es wird eine VN m im Muttercode und seine r Wiederholungen berücksichtigt, wobei r die Wiederholungslänge darstellt. Nur zum Zwecke der Darstellung wird davon ausgegangen, dass der Mutter VN nicht übermittelt (punktiert) wird, sondern lediglich seine r Replika. Es ist zu beachten, dass wenn VN m nicht punktiert sein soll, es identisch zu einer der Replika gemacht werden kann. Aus diesen r VNs werden die VNs Vi identifiziert, die die gleiche Kanal-phase θj haben. Sie bilden das Set Sj. Da sich die Phase innerhalb von r Code Symbolen verändern kann, können mehrere Sets Sj existieren, wobei jedes von diesen einer anderen Phase zugeordnet ist. Sie bilden das Set S. Für jedes β des Galois Feldes wird die q dimensionale Korrelation berechnet
Die nicht binären Koeffizienten der Parity Check Matrix führen zu einer Permutation der Graphnachrichten, die an die r Wiederholungen gehen. Die Permutation dieser Wiederholungen wird definiert als ω = πi(β) und ihre Inverse als β = πi –1(ω). Dann wird die kumulative Korrelation für alle yp (i) erhalten, so dass Vi in Sj ist The non-binary coefficients of the Parity Check Matrix result in a permutation of the Graphnachrichten, which go to the r repetitions. The permutation of these repetitions is defined as ω = π i (β) and their inverse as β = π i -1 (ω). Then, the cumulative correlation is obtained for all y p (i) such that V i is in S j
Ferner wird die Wahrscheinlichkeitsfunktion, die Sj zugeordnet ist, definiert als
Die obige Multiplikation schließt alle Wahrscheinlichkeitsfunktionen Pj ein, die den unterschiedlichen Sets Sj in S zugeordnet sind. Nun kann fortgefahren werden mit Standard BP über dem Muttergraph, wobei P(β) als neue (virtuelle) Kanalnachrichten am Mutter-VN m angenommen werden.The above multiplication includes all probability functions P j associated with the different sets S j in S. Now it is possible to continue with standard BP over the mother graph, assuming P (β) as new (virtual) channel messages at mother VN m.
Wie später gezeigt wird, bietet das erfindungsgemäße Verfahren eine signifikante Verbesserung der Performance.As will be shown later, the method of the invention provides a significant improvement in performance.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.In the following, preferred embodiments of the invention will be explained with reference to figures.
Um den Performancegewinn aufgrund der beschriebenen Erfindung darzustellen, wurden die Grenzwerte für iteratives Decoding von MR-Codes über blockweise korrelierte Gaußsche Kanäle mit BPSK Modulation berechnet. Es werden die Ergebnisse für Galois-Felder der Ordnung 256 dargestellt, sowohl für Standard Decoding von MR-Codes und für den verbesserten. Decoding-Ansatz. Es wird angenommen, dass die Kanalphase über die r Wiederholungen konstant ist, wobei r die Repetitionslänge ist. Der betrachtete Muttercode ist ein nicht binärer regulärer (2,3) LDPC Code. Die nicht null Koeffizienten der Parity-Check Matrix wurden zufällig gewählt aus GF(q)\{0}. Die Wiederholungsrate wird variiert zwischen 1 und 6, was bedeutet, dass die Ergebnisse Coderaten zwischen 1/3 und 1/18 umfassen.To illustrate the performance gain from the described invention, the limits for iterative decoding of MR codes were calculated via block-wise correlated Gaussian channels with BPSK modulation. The results are presented for Galois fields of order 256, both for standard decoding of MR codes and for the improved. Decoding approach. It is assumed that the channel phase is constant over the r repetitions, where r is the repetition length. The considered mother code is a non-binary regular (2,3) LDPC code. The non-zero coefficients of the parity-check matrix were chosen randomly from GF (q) \ {0}. The repetition rate is varied between 1 and 6, which means that the results include code rates between 1/3 and 1/18.
Wie in
Das vorgeschlagene Verfahren kann angewandt werden in allen Arten von drahtlosen und drahtgebundenen Übertragungssystemen. Alle Systeme, die besonders effiziente Kanalcodes über blockweise nicht kohärente AWGN Kanäle erfordern, können die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens nutzen.The proposed method can be used in all types of wireless and wired transmission systems. All systems that require particularly efficient channel codes over blockwise non-coherent AWGN channels can take advantage of the proposed method.
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GORGOGLIONE, M.; SAVIN, V.; DECLERQ, D.: Full Diversity NB-LDPC Coding with Non-Binary Repetition Symbols over the Block-Fading Channel. In: International Symposium on Wireless Communication Systems, August 2012, S. 969-973. – ISSN 2154-0217 |
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