DE102016201408B4

DE102016201408B4 - Verfahren zum Übertragen von Daten

Info

Publication number: DE102016201408B4
Application number: DE102016201408.0A
Authority: DE
Inventors: Gianluigi Liva
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2017-11-30
Anticipated expiration: 2036-01-30
Also published as: DE102016201408A1

Abstract

Verfahren zum Übertragen von Daten von einem Sender zu einem Empfänger, wobei die Daten vor dem Senden durch einen Encoder codiert werden, wobei die Daten nach ihrer Übertragung über einen verlustbehafteten Übertragungskanal durch einen Decoder decodiert werden, wobei beim Decodieren verloren gegangene Daten wiederhergestellt werden, wobei zum Codieren und Decodieren ein LDPC Code (Low Density Parity Check Code) verwendet wird, wobei die Datenübertragung gemäß dem Galileo E1-OS Standard stattfindet, in dem die Nutzdaten in einer Nachricht eine Größe von 61 Bytes aufweisen, die zusammen mit 30 Bytes redundanten Daten ein Codewort von 91 Bytes ergeben, wobei der verwendete LDPC-Code ein (728, 488) LDPC-Code (Low Density Parity-Check) ist, wobei die Parity-Check Matrix des LDPC-Codes erzeugt wird auf Basis eines Protographen mit sieben Variable Nodes und drei Check Nodes, wobei der erste Variable Node über eine doppelte Kante mit dem ersten Check Node verbunden ist, wobei der erste Variable Node über eine einfache Kante mit dem zweiten Check Node verbunden ist, wobei der erste Variable Node über eine doppelte Kante mit dem dritten Check Node verbunden ist, wobei der zweite Variable Node über eine doppelte Kante mit dem zweiten Check Node verbunden ist, wobei der zweite Variable Node über eine einfache Kante mit dem dritten Check Node verbunden ist, wobei der dritte Variable Node über eine einfache Kante mit dem zweiten Check Node verbunden ist, wobei der dritte Variable Node über eine einfache Kante mit dem dritten Check Node verbunden ist, wobei der vierte Variable Node über eine einfache Kante mit dem ersten Check Node verbunden ist, wobei der vierte Variable Node über eine doppelte Kante mit dem zweiten Check Node verbunden ist, wobei der vierte Variable Node über eine einfache Kante mit dem dritten Check Node verbunden ist, wobei der fünfte Variable Node über eine einfache Kante mit dem zweiten Check Node verbunden ist, wobei der fünfte Variable Node über eine doppelte Kante mit dem dritten Check Node verbunden ist, wobei der sechste Variable Node über eine doppelte Kante mit dem zweiten Check Node verbunden ist, wobei der sechste Variable Node über eine einfache Kante mit dem dritten Check Node verbunden ist, wobei der siebte Variable Node über eine einfach Kante mit dem ersten Check Node verbunden ist, wobei der Protograph für die Erstellung der Parity-Check Matrix zunächst mit dem Faktor 2 expandiert wird und ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten über einen verlustbehafteten Übertragungskanal.
Aus dem Stand der Technik sind für die Fehlerkorrektur von beschädigten Daten LDPC-Codes bekannt. Im Galileo E1-OS Standard wird ein unstrukturierter (728, 488) LDPC-Code verwendet.
Nähere Informationen zum Stand der Technik können den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden:

[1] T. Grelier, L. Ries, M. Anghileri, Proposal for the Optimization of the Galileo E1-OS Message. Ref. TN_CSI_INAV_OPT_1.1, 06.08.2013.
[2] Z. Li, L. Chen, L. Zeng, S. Lin, Wai Fong, Efficient encoding of quasi-cyclic low-density parity-check codes, IEEE Trans. Comm. Vol. 54, No. 1, pp. 71–81, Jan. 2006.
[3] M. Mansour, N. Shanbhag, A 640-Mb/s 2048-bit programmable LDPC decoder chip, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 41, No. 3, pp. 684–698, March 2006.

In Veröffentlichung [1] wurde ein Code-Design beschrieben, das 61 Bytes (488 Bits) an Nutzdaten und eine Blocklänge von 91 Bytes (728 Bits) aufweist.
Dieses Code-Design ist an das Format einer Nachricht im Galileo E1-OS Standard angepasst. Es wurde eine unstrukturierte Parity-Check Matrix verwendet.
Unstrukturierte LDPC-Codes weisen eine hohe Kodier- und Dekodierkomplexität auf. Aufgrund der zufälligen Struktur ihrer parity-check Matrix ist der einzige Weg ein Kodieren durchzuführen das Berechnen einer zufallsbasierten Generatormatrix des Codes, um diese anschließend mit dem Informationsvektor u zu multiplizieren. Eine derartige Operation benötigt k·n Additionen über einem finiten Feld der Ordnung 2, wobei k die Länge der Daten in der Nachricht und n die Codeblocklänge bezeichnet.
US 2015/0 311 919 A1 beschreibt ein Verfahren zum Übertragen von Daten unter Verwendung einer Permutationsmatrix für einen LDPC Code.
Ein ähnliches Verfahren ist beschrieben in EP 2 632 050 A1 .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Übertragen von Daten im Galileo E1-OS Standard bereit zu stellen, das eine einfache Implementation des Encoders und Decoders ermöglicht und ferner eine verbesserte Leistungsfähigkeit aufweist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden Daten von einem Sender zu einem Empfänger übertragen. Beispielsweise kann es sich hierbei um ein Satellitensystem handeln, bei dem Daten an den Nutzer übertragen werden. Vor ihrer Übertragung werden die Daten durch einen mit dem Sender verbundenen Encoder codiert. Anschließend werden sie über den verlustbehafteten Übertragungskanal übertragen. Nach ihrer Übertragung werden die Daten durch einen mit dem Empfänger verbundenen Decoder decodiert.
Zum Codieren und Decodieren wird ein LDPC Code verwendet.
Erfindungsgemäß findet die Datenübertragung gemäß dem Galileo E1-OS Standard statt, in dem die Nutzdaten in einer Nachricht eine Größe von 61 Bytes aufweisen, die zusammen mit 30 Bytes redundanten Daten ein Codewort von 91 Bytes ergeben. Der verwendete LDPC-Code ist ein (728, 488) LDPC-Code.
Erfindungsgemäß wird die Parity-Check Matrix des LDPC-Codes erzeugt auf Basis eines Protographen mit sieben Variable Nodes und drei Check Nodes,
wobei der erste Variable Node über eine doppelte Kante mit dem ersten Check Node verbunden ist,
wobei der erste Variable Node über eine einfache Kante mit dem zweiten Check Node verbunden ist,
wobei der erste Variable Node über eine doppelte Kante mit dem dritten Check Node verbunden ist,
wobei der zweite Variable Node über eine doppelte Kante mit dem zweiten Check Node verbunden ist,
wobei der zweite Variable Node über eine einfache Kante mit dem dritten Check Node verbunden ist,
wobei der dritte Variable Node über eine einfache Kante mit dem zweiten Check Node verbunden ist,
wobei der dritte Variable Node über eine einfache Kante mit dem dritten Check Node verbunden ist,
wobei der vierte Variable Node über eine einfache Kante mit dem ersten Check Node verbunden ist,
wobei der vierte Variable Node über eine doppelte Kante mit dem zweiten Check Node verbunden ist,
wobei der vierte Variable Node über eine einfache Kante mit dem dritten Check Node verbunden ist,
wobei der fünfte Variable Node über eine einfache Kante mit dem zweiten Check Node verbunden ist,
wobei der fünfte Variable Node über eine doppelte Kante mit dem dritten Check Node verbunden ist,
wobei der sechste Variable Node über eine doppelte Kante mit dem zweiten Check Node verbunden ist,
wobei der sechste Variable Node über eine einfache Kante mit dem dritten Check Node verbunden ist,
wobei der siebte Variable Node über eine einfache Kante mit dem ersten Check Node verbunden ist,
wobei der Protograph für die Erstellung der Parity-Check Matrix zunächst mit dem Faktor 2 expandiert wird und anschließend unter Verwendung einer zyklischen Permutationsmatrix mit dem Faktor 61 expandiert wird, so dass ein Code mit einer Blocklänge von n = 854 Bits mit k = 488 Bits Nutzdaten entsteht,
wobei die Blocklänge angepasst wird, indem die ersten 126 Bits der parity-check Matrix punktiert werden, das heißt nicht über den Übertragungskanal gesendet werden, so dass ein (728, 488) LDPC-Code entsteht.
Es ist bevorzugt, dass der verwendete LDPC-Code ein generalisierter LDPC-Code ist.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kann durch den vorgeschlagenen neuartigen Code ein größerer Gewinn gegenüber dem Stand der Technik gemäß Veröffentlichung [1] erzielt werden. Dies wird im Zusammenhang mit den Figuren näher beschrieben.
Aufgrund seiner zyklischen Struktur kann der Decoder sehr effizient implementiert werden, indem die Architektur verwendet wird, die in Veröffentlichung [3] beschrieben ist. Ferner kann der Encoder eine einfache shift-register-basierte Architektur verwenden, wie sie in Veröffentlichung [2] beschrieben ist. Die Verwendung einer effizienten Decoderarchitektur wird durch die redundante Parity-Check Matrix ermöglicht. Die Blocklänge von 91 Bytes und die Länge des Informationsblocks von 61 Bytes haben keinen nicht trivialen größten gemeinsamen Teiler, so dass es zunächst unmöglich ist, eine Parity-Check Matrix zu erzeugen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zunächst zusätzliche redundante Bits eingeführt werden, die später punktiert werden, so dass die im Galileo E1-OS Standard geforderte Struktur des Codes erreicht werden kann.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:
1 eine Darstellung des Protographen auf dem der erfindungsgemäße Code basiert,
2 eine Darstellung der durch das erfindungsgemäße Verfahren entstehenden Parity-Check Matrix,
3 eine Darstellung der Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens verglichen zum Stand der Technik.
4a und 4b die grundsätzliche Funktionsweise einer Expansion eines Protographen,
5a und 5b die Expansion eines Protographen unter Verwendung einer zyklischen Permutationsmatrix,
6a und 6b die Expansion eines Protographen bei dem ein Variable Node mit einem Check Node über zwei Kanten verbunden ist.
In 1 ist der Protograph dargestellt, auf dem der erfindungsgemäße Code basiert. Hier sind die jeweiligen Verbindungen der Variable Nodes mit den entsprechenden Check Nodes sichtbar. Beispielsweise ist der erste Variable Node über eine doppelte Kante mit dem ersten Check Node, über eine einfache Kante mit dem zweite Check Node und über eine doppelte Kante mit dem dritten Check Node verbunden etc.
In 2 ist die parity-check Matrix dargestellt, die durch den erfindungsgemäßen Code erzeugt wird. Diese weist zunächst die Parameter n = 854 Bits und k = 488 Bits auf. Die Blocklänge wird auf die im Galileo E1-OS Standard erforderlichen 728 Bits angepasst, indem die ersten 126 Bits der Parity-Check Matrix punktiert, das heißt nicht über den Übertragungskanal übertragen werden.
In 3 ist ein Vergleich der Framefehlerrate des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem in der Veröffentlichung [1] beschriebenen Code dargestellt. Gleichzeitig ist die Leistungsfähigkeit eines nicht binären Codes dargestellt. Dieser weist eine Decodierkomplexität auf, die etwa 64-mal größer ist. Das erfindungsgemäße Verfahren übertrifft den Code gemäß Veröffentlichung [1] um mehr als 0,3 dB bei einer Zielfehlerrate von etwa 10^–2.
In den 4a und 4b ist ein einfaches Beispiel für eine Expansion eines Protographen dargestellt. Der Ausgangsprotograph ist hierbei in 4a dargestellt und weist drei Variable Nodes A, B und C und zwei Check Nodes 1 und 2 auf. Dieser Photograph weist die Eigenschaft auf, dass der Variable Node A mit dem Check Node 1 verbunden ist, der Variable Node B jeweils mit dem Check Node 1 und 2 verbunden ist und der Variable Node C mit dem Check Node 2 verbunden ist.
Eine Expansion des Protographen aus 4a um den Faktor q ist in 4b dargestellt. Hier ist sichtbar, dass jeder Variable Node A über eine Kante mit jeweils einem Check Node des Typs 1 verbunden ist. Weiterhin ist jeder Variable Node des Typs B mit einer Kante mit einem Check Node des Typs 1 und mit einer Kante mit einem Check Node des Typs 2 verbunden. Solange diese Bedingung erfüllt ist, kann frei gewählt werden, welcher Variable Node mit welchem Check Node verbunden ist. Weiterhin ist in 4b jeder Variable Node des Typs C mit jeweils einem Check Node des Typs 2 verbunden.
In 5a ist dargestellt, wie eine Expansion unter Verwendung einer zyklischen Permutationsmatrix stattfindet. Auch hier ist die Bedingung, die zu erfüllen ist, dass jeder Variable Node des Typs A mit jeweils einem Check Node des Typs 1 verbunden ist. Dies geschieht jedoch in 5 in einer bestimmten Reihenfolge, so dass Variable Node A₁ mit Check Node I₃ verbunden ist, Variable Node A₂ mit Check Node I₄ verbunden ist, Variable Node A₃ mit Check Node I₅ verbunden ist. Weiterhin ist Variable Node A₄ mit Check Node I₁ verbunden und Variable Node A₅ mit Check Node I₂ verbunden. Hieraus ergibt sich die in 5b dargestellte Matrix.
In 6a ist dargestellt, wie eine Expansion eines Protographen stattfindet, bei dem ein Variable Node über zwei Kanten mit einem Check Node verbunden ist. In 6a ist eine Expansion um den Faktor 2 dargestellt, wobei jeder Variable Node des Typs A durch jeweils eine Kante mit insgesamt 2 Check Nodes des Typs 1 verbunden ist.
Eine Expansion desselben Protographen um den Faktor 4 ist in 6b dargestellt. Auch hier ist wieder jeder Variable Node des Typs A über jeweils eine Kante mit insgesamt zwei Check Nodes des Typs 1 verbunden.

Claims

Verfahren zum Übertragen von Daten von einem Sender zu einem Empfänger, wobei die Daten vor dem Senden durch einen Encoder codiert werden, wobei die Daten nach ihrer Übertragung über einen verlustbehafteten Übertragungskanal durch einen Decoder decodiert werden, wobei beim Decodieren verloren gegangene Daten wiederhergestellt werden, wobei zum Codieren und Decodieren ein LDPC Code (Low Density Parity Check Code) verwendet wird, wobei die Datenübertragung gemäß dem Galileo E1-OS Standard stattfindet, in dem die Nutzdaten in einer Nachricht eine Größe von 61 Bytes aufweisen, die zusammen mit 30 Bytes redundanten Daten ein Codewort von 91 Bytes ergeben, wobei der verwendete LDPC-Code ein (728, 488) LDPC-Code (Low Density Parity-Check) ist, wobei die Parity-Check Matrix des LDPC-Codes erzeugt wird auf Basis eines Protographen mit sieben Variable Nodes und drei Check Nodes, wobei der erste Variable Node über eine doppelte Kante mit dem ersten Check Node verbunden ist, wobei der erste Variable Node über eine einfache Kante mit dem zweiten Check Node verbunden ist, wobei der erste Variable Node über eine doppelte Kante mit dem dritten Check Node verbunden ist, wobei der zweite Variable Node über eine doppelte Kante mit dem zweiten Check Node verbunden ist, wobei der zweite Variable Node über eine einfache Kante mit dem dritten Check Node verbunden ist, wobei der dritte Variable Node über eine einfache Kante mit dem zweiten Check Node verbunden ist, wobei der dritte Variable Node über eine einfache Kante mit dem dritten Check Node verbunden ist, wobei der vierte Variable Node über eine einfache Kante mit dem ersten Check Node verbunden ist, wobei der vierte Variable Node über eine doppelte Kante mit dem zweiten Check Node verbunden ist, wobei der vierte Variable Node über eine einfache Kante mit dem dritten Check Node verbunden ist, wobei der fünfte Variable Node über eine einfache Kante mit dem zweiten Check Node verbunden ist, wobei der fünfte Variable Node über eine doppelte Kante mit dem dritten Check Node verbunden ist, wobei der sechste Variable Node über eine doppelte Kante mit dem zweiten Check Node verbunden ist, wobei der sechste Variable Node über eine einfache Kante mit dem dritten Check Node verbunden ist, wobei der siebte Variable Node über eine einfach Kante mit dem ersten Check Node verbunden ist, wobei der Protograph für die Erstellung der Parity-Check Matrix zunächst mit dem Faktor 2 expandiert wird und anschließend unter Verwendung einer zyklischen Permutationsmatrix mit dem Faktor 61 expandiert wird, so dass ein Code mit einer Blocklänge von n = 854 Bits mit k = 488 Bits Nutzdaten entsteht, wobei die Blocklänge angepasst wird, indem die ersten 126 Bits der parity-check Matrix punktiert werden, das heißt nicht über den Übertragungskanal gesendet werden, so dass ein (728, 488) LDPC-Code entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete LDPC-Code ein generalisierter LDPC-Code ist.