DE102014215478B4 - Verfahren zum Übertragen von Daten - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Übertragen von Daten von einer Sendevorrichtung zu einer Empfangsvorrichtung über einen verlustbehafteten Übertragungskanal,wobei die Daten vor ihrer Übertragung durch einen mit der Sendevorrichtung verbundenen Encoder codiert werden und nach ihrer Übertragung durch einen mit der Empfangsvorrichtung verbundenen Decoder decodiert werden,wobei während des Decodierens verloren gegangene und/oder beschädigte Daten wiederhergestellt werden,wobei das Codieren und Decodieren durchgeführt wird auf Basis eines LDPC-Codes,dadurch gekennzeichnet, dassder verwendete LDPC-Code durch eine Erweiterung einer Basismatrix Berzeugt wurde,wobei die Basismatrix Bnur Nullen und Einsen enthält und in einer kompakten Darstellung Pdarstellbar ist,wobei gilt:wobei jede Zeile von Paus zwei Einträgen besteht, nämlich einem Zeilenindex und einem Spaltenindex,wobei, wenn der Eintrag bvon Bgleich 1 ist, das Paar (i,j) in eine neue Zeile von Pgeschrieben wird, sodass die kompakte Darstellung Pdie Koordinaten der Nicht-Null der Basismatrix Bangibt,wobei sich hieraus eine (42×70) Basismatrix Bergibt,wobei für P:

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten.
• Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, Daten, die über einen verlustbehafteten Übertragungskanal übertragen werden, durch LDPC-Codes zu schützen. LDPC-Codes wurden eingeführt in: R. G. Gallager, Low Density Parity Check Codes. Cambridge, MA: MIT Press, 1963. Im Rahmen der Forschung wird versucht, die Codeperformance von LDPC-Codes zu verbessern und gleichzeitig ihre Codier- und Decodierkomplexität niedrig zu halten. In diesem Zuge wurden protographbasierte LDPC-Codes entwickelt. Diese gehören zu den besten binären Codes, zumindest was moderate Blocklängen angeht.
• Bei einem Protographen handelt es sich allgemeinen um einen Tannergraphen mit einer relativ geringen Anzahl von Knoten (Nodes), bei dem mehrfache parallele Kanten zwischen Variable Nodes (VN) und Check Nodes (CN) erlaubt sind. Protographen fungieren sozusagen in Funktion einer Blaupause als Grundlage für größere Graphen (und somit längere Codes). Diese können erzeugt werden einerseits durch mehrfaches Kopieren des Protographen, sodass q Instanzen erhalten werden (wobei q Expansionsfaktor genannt wird und in Abhängigkeit von der gewünschten Blocklänge frei gewählt werden kann). Die Kanten zwischen den Kopien des Protographen werden dabei so permutiert, dass die Nachbarschaftsverhältnisse eines jeden Variable Nodes und Check Nodes beibehalten werden.
• Neben ihrer Darstellung als Tannergraph können Protographen auch durch ihre Basismatrix B dargestellt werden. Beispielsweise kann ein Protograph mit der Basismatrix: $$\mathbf{B}=\left[\begin{array}{ccc}1& 2& 0\\ 1& 0& 2\end{array}\right]$$

  

  auch durch den in 4 dargestellten Tannergraphen dargestellt werden.
• Eine einfache Expansion kann wie in 5 dargestellt aussehen.
• Es ist zu beachten, dass nach dem Kopieren des Protographen und nach dem Permutieren der Kanten jede Variable Node A entsprechend der originalen Basismatrix mit Check Nodes A und B verbunden ist. Das gleiche gilt für die verbleibenden Variable Nodes und Check Nodes. Daher wurden die jeweiligen Nachbarschaftsverhältnisse der Variable Nodes und der Check Nodes beibehalten.
• Aus dem Stand der Technik sind ferner Irregular Repeat Accumulate (IRA)-Codes und Accumulate Repeat Accumulate (ARA)-Codes bekannt. Letzgenannte Codes können ebenfalls als Protograph dargestellt werden (Divsalar, D.; Dolinar, S.; Thorpe, J., „Accumulate-repeat-accumulateaccumulate-codes," Vehicular Technology Conference, 2004. VTC2004-fall. 2004 IEEE 60th, vol.3, no., pp.2292,2296 Vol. 2, 26-29 Sept. 2004). Protographen von ARA-Codes werden ferner beschrieben in: Abbasfar, A.; Divsalar, D.; Yao, K., „Accumulate-Repeat-Accumulate Codes," Communications, IEEE Transactions on, vo.55, no.4, pp. 692,702, April 2007.
• US 2013 / 0 238 950 A1 beschreibt ein Verfahren zum Übertragen von Daten von einer Sendevorrichtung zu einer Empfangsvorrichtung über einen verlustbehafteten Übertragungskanal, wobei ein LDPC Code verwendet wird, um beschädigte Daten wiederherzustellen. Es wird eine (15x30) Basismatrix verwendet.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Übertragen von Daten von einer Sendevorrichtung zu einer Empfangsvorrichtung unter Verwendung eines LDPC-Codes bereit zu stellen, wobei das Verfahren eine geringe Codier- und Decodierkomplexität bei gleichzeitig verbesserter Leistungsfähigkeit im Sinne einer verbesserten Codeword Error Rate (CER) oder Bit Error Rate (BER) aufweist.
• Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
• Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Übertragen von Daten von einer Sendevorrichtung zu einer Empfangsvorrichtung über einen verlustbehafteten Übertragungskanal. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Datenübertragung von einem Satelliten zu einem Endgerät (Downlink) oder umgekehrt (Uplink) handeln.
• Die Daten werden vor ihrer Übertragung durch einen mit der Sendevorrichtung verbundenen Encoder codiert und nach ihrer Übertragung durch einen mit der Empfangsvorrichtung verbundenen Decoder decodiert. Zum Codieren und Decodieren wird ein LDPC-Code verwendet, wobei beim Decodieren verloren gegangene und/oder beschädigte Daten wiederhergestellt werden.
• Erfindungsgemäß wurde der verwendete LDPC-Code erzeugt durch eine Erweiterung einer Basismatrix B1, wobei die Basismatrix B₁ nur Nullen und Einsen enthält und in einer kompakten Darstellung P₁ darstellbar ist,
  wobei gilt: $${\mathbf{B}}_1=\left[b_{ij}\right]$$

  

  wobei jede Zeile von P₁ aus zwei Einträgen besteht, nämlich einem Zeilenindex und einem Spaltenindex,
  wobei, wenn der Eintrag b_ij von B₁ gleich 1 ist, das Paar (i,j) in eine neue Zeile von P₁ geschrieben wird, sodass die kompakte Darstellung P₁ die Koordinaten der Nicht-Null der Basismatrix B₁ angibt,
  wobei sich hieraus eine (42×70) Basismatrix B₁ ergibt,
  wobei für P₁:

  

  

  

  

  

  

  

  

  
• Durch die genannte Basismatrix ist es möglich, einen Code zu verwenden, der eine geringe Komplexität bei gleichzeitig hoher Leistungsfähigkeit aufweist. Die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im weiteren Verlauf der vorliegenden Anmeldung näher beschrieben.
• Es ist bevorzugt, dass der beschriebene LDPC-Code für eine Datenübertragung in einem Uplink von einem Endgerät zu einem Satelliten verwendet wird.
• Weiterhin ist bevorzugt, dass für den Downlink vom Satelliten zum Endgerät ein anderer LDPC-Code verwendet wird.
• Eine unabhängige Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Übertragen von Daten von einer Sendevorrichtung zu einer Empfangsvorrichtung über einen verlustbehafteten Übertragungskanal. Auch hier kann es sich um eine Datenübertragung von einem Satelliten zu einem Endgerät oder umgekehrt handeln.
• Die Daten werden vor ihrer Übertragung durch einen mit der Sendevorrichtung verbundenen Encoder codiert und nach ihrer Übertragung durch einen mit der Empfangsvorrichtung verbundenen Decoder decodiert. Zum Codieren und Decodieren wird ein LDPC-Code verwendet, wobei beim Decodieren verloren gegangene und/oder beschädigte Daten wiederhergestellt werden.
• Erfindungsgemäß wurde der verwendete LDPC-Code erzeugt durch eine Erweiterung einer Basismatrix B₂, wobei die Basismatrix B₂ nur Nullen und Einsen enthält und in einer kompakten Darstellung P₂ darstellbar ist,
  wobei gilt: $${\mathbf{B}}_2=\left[b_{ij}\right]$$

  

  wobei jede Zeile von P₂ aus zwei Einträgen besteht nämlich einem Zeilenindex und einem Spaltenindex,
  wobei, wenn der Eintrag b_ij von B₂ gleich 1 ist, das Paar (i,j) in eine neue Zeile von P₂ geschrieben wird, sodass die kompakte Darstellung P₂ die Koordinaten der Nicht-Null der Basismatrix B₂ angibt,
  wobei sich hieraus eine (8×15) Basismatrix B₂ ergibt,
  wobei für P₂:

  

  
• Es ist bevorzugt, dass dieser LDPC-Code für eine Datenübertragung in einem Downlink von einem Satelliten zu einem Endgerät verwendet wird.
• Weiterhin ist bevorzugt, dass für die Datenübertragung im Uplink vom Endgerät zum Satelliten ein anderer LDPC-Code verwendet wird.
• In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Daten zwischen einem Satelliten und einem Endgerät übertragen, wobei die Datenübertragung im Uplink vom Endgerät zum Satelliten einen LDPC-Code verwendet, der auf Basis der Basismatrix B₁ erzeugt wurde, während für die Datenübertragung im Downlink vom Satelliten zum Endgerät ein LDPC-Code verwendet wird, der auf Basis der Basismatrix B₂ erzeugt wurde.
• Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine qualitative Darstellung der Basismatrix B₁,
• 2 eine qualitative Darstellung der Basismatrix B₂,
• 3 eine Darstellung der Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• 1 zeigt eine qualitative Darstellung der Matrix B₁, die auf Basis der kompakten Darstellung P₁ erzeugt wurde, wobei die Zeilen- und Spaltenindizes in 1 bei 1 beginnen. Durch eine Expansion von B₁ können verschiedene Codes mit unterschiedlichen Blocklängen erlangt werden. Nach der Expansion kann eine IRA-ähnliche Struktur dadurch erreicht werden, dass die an der rechten Seite befindlichen Spalten umgeordnet werden, um eine Doppeldiagonale zu bilden. Eventuell ist es notwendig, eine 1 an der oberen rechten Ecke der Matrix zu entfernen, um einen IRA-Code mit einem „Non-Tail-Biting“ Akkumulator zu erlangen.
• Die auf der Basis der Basismatrix B₁ erzeugten Codes haben eine Rate R≥0,4.
• 2 zeigt eine qualitative Darstellung der Basismatrix B₂. Auch hier gelten die obigen Ausführungen zur Basismatrix B₁ entsprechend.
• Die auf Basis der Basismatrix B₂ erzeugten Codes haben eine Rate R≥0,467.
• In 3 ist die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Hierzu wurde der durch die Basismatrix B₁ definierte Protograph um einen Faktor 64 expandiert, um einen LDPC-Code mit einer Informationslänge k=2688 und einer Blocklänge n=4480 zu erlangen. Weiterhin wurde der durch die Basismatrix B₂ spezifizierte Protograph um den Faktor 96 expandiert, sodass ein LDPC-Code mit einer Informationslänge k=768 und einer Blocklänge n=1440 erlangt wurde. Die Codeword Error Raten (CER) und die Bit Error Raten (BER) des Codes wurden simuliert, wobei von einer Übertragung über einen Additive White Gaussian Noise (AWGN) Kanal ausgegangen wurde. Die maximale Anzahl der Decoder-Iterationen wurde auf 50 begrenzt. Das Decodieren wurde durchgeführt unter Verwendung eines Log-Domain Belief Propagation Decoders mit 50 Iterationen, wobei die „Amin“-Regel in den Check Nodes angewendet wurde.
• Das vorgeschlagene Verfahren kann in allen Arten von kommerziellen, drahtlosen oder drahtgebundenen Übertragungssystemen verwendet werden.

Claims (7)

1. Verfahren zum Übertragen von Daten von einer Sendevorrichtung zu einer Empfangsvorrichtung über einen verlustbehafteten Übertragungskanal, wobei die Daten vor ihrer Übertragung durch einen mit der Sendevorrichtung verbundenen Encoder codiert werden und nach ihrer Übertragung durch einen mit der Empfangsvorrichtung verbundenen Decoder decodiert werden, wobei während des Decodierens verloren gegangene und/oder beschädigte Daten wiederhergestellt werden, wobei das Codieren und Decodieren durchgeführt wird auf Basis eines LDPC-Codes, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete LDPC-Code durch eine Erweiterung einer Basismatrix B₁ erzeugt wurde, wobei die Basismatrix B₁ nur Nullen und Einsen enthält und in einer kompakten Darstellung P₁ darstellbar ist, wobei gilt: $${\mathbf{B}}_1=\left[b_{ij}\right]$$

   

   wobei jede Zeile von P₁ aus zwei Einträgen besteht, nämlich einem Zeilenindex und einem Spaltenindex, wobei, wenn der Eintrag b_ij von B₁ gleich 1 ist, das Paar (i,j) in eine neue Zeile von P₁ geschrieben wird, sodass die kompakte Darstellung P₁ die Koordinaten der Nicht-Null der Basismatrix B₁ angibt, wobei sich hieraus eine (42×70) Basismatrix B₁ ergibt, wobei für P₁:

   

   

   

   

   

   

   

   

   
2. Verfahren zum Übertragen von Daten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der beschriebene LDPC-Code für eine Datenübertragung in einem Uplink von einem Endgerät zu einem Satelliten verwendet wird.
3. Verfahren zum Übertragen von Daten nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Downlink vom Satelliten zum Endgerät ein anderer LDPC-Code verwendet wird.
4. Verfahren zum Übertragen von Daten von einer Sendevorrichtung zu einer Empfangsvorrichtung über einen verlustbehafteten Übertragungskanal, wobei die Daten vor ihrer Übertragung durch einen mit der Sendevorrichtung verbundenen Encoder codiert werden und nach ihrer Übertragung durch einen mit der Empfangsvorrichtung verbundenen Decoder decodiert werden, wobei während des Decodierens verloren gegangene und/oder beschädigte Daten wiederhergestellt werden, wobei das Codieren und Decodieren durchgeführt wird auf Basis eines LDPC-Codes, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete LDPC-Code auf Basis einer Basismatrix B₂ erzeugt wurde, wobei die Basismatrix B₂ nur Nullen und Einsen enthält und in einer kompakten Darstellung P₂ darstellbar ist, wobei gilt: $${\mathbf{B}}_2=\left[b_{ij}\right]$$

   

   wobei jede Zeile von P₂ aus zwei Einträgen besteht nämlich einem Zeilenindex und einem Spaltenindex, wobei, wenn der Eintrag b_ij von B₂ gleich 1 ist, das Paar (i,j) in eine neue Zeile von P₂ geschrieben wird, sodass die kompakte Darstellung P₂ die Koordinaten der Nicht-Null der Basismatrix B₂ angibt, wobei sich hieraus eine (8×15) Basismatrix B₂ ergibt, wobei für P₂:

   

   

   
5. Verfahren zum Übertragen von Daten nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der LDPC-Code für eine Datenübertragung in einem Downlink von einem Satelliten zu einem Endgerät verwendet wird.
6. Verfahren zum Übertragen von Daten nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Datenübertragung im Uplink vom Endgerät zum Satelliten ein anderer LDPC-Code verwendet wird.
7. Verfahren zum Übertragen von Daten zwischen einem Satelliten und einem Endgerät, wobei für die Datenübertragung im Uplink vom Endgerät zum Satelliten ein LDPC-Code verwendet wird, der gemäß Anspruch 1 ausgebildet ist, und für die Datenübertragung im Downlink vom Satelliten zum Endgerät ein LDPC-Code verwendet wird, der gemäß Anspruch 4 ausgebildet ist.

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