DE19736625C1 - Verfahren zur Datenübertragung auf Übertragungskanälen in einem digitalen Übertragungssystem - Google Patents
Verfahren zur Datenübertragung auf Übertragungskanälen in einem digitalen ÜbertragungssystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Datenübertragung auf
Übertragungskanälen in einem digitalen Übertragungssystem,
bei dem zur Kanalcodierung senderseitig in einem Turbo-
Codierer eine Turbo-Codierung und empfängerseitig in einem
Turbo-Decodierer eine Turbo-Decodierung mit Soft-Decision-
Ausgangssignalen durchgeführt wird.
In P. Jung, "Comparison of Turbo-Code Decoders Applied to
Short Frame Transmission Systems", IEEE Journal on Selected
Areas in Communications, Band 14 (1996) Seiten 530-537 wird
die Anwendung von Turbo-Codes für digitale Übertragungssyste
me untersucht, wobei sowohl Codierer als auch Decodierer für
die Turbocodes in der Übertragungsstrecke untersucht werden.
Die Decodierung der Turbocodes beruht auf der Verwendung von
Soft-Input/Soft-Output-Decodierern, die entweder unter Ver
wendung von MAP(Maximum a-posteriori)-Symbolschätzern oder
von MAP-Sequenzschätzern, beispielsweise einem Schätzer mit
einem a-priori-Soft-Output-Viterbi-Algorithmus (APRI-SOVA)
verwirklicht werden können. In dieser Veröffentlichung werden
vier verschiedene Decodiereranordnungen und ihre Fähigkeiten,
bestimmte Fehlerraten zu verarbeiten, beschrieben. Außerdem
wird die Leistungsfähigkeit dieser Decoder bei verschiedenen
Anwendungsfällen untersucht. Es wird festgestellt, daß die
Turbocodes und deren iterative Decodierung eine wirksame Maß
nahme gegen Paketfehler ist.
In ICC '95, Seattle, Washington, Juni 18-22, 1995, "Turbo
Codes for BCS Applications", D. Divsalar und F. Pollara, wer
den Turbocodes vorgeschlagen, um eine Fehlerkorrektur bis na
he an die sogenannte Shannon-Grenze zu erreichen. Dazu sollen
verhältnismäßig einfache Komponentencodes und große Interlea
ver verwendet werden. In dieser Veröffentlichung werden die
Turbocodes in einem Codierer mit mehrfachen Codes erzeugt und
in einem geeigneten Decodierer decodiert. Die Turbocodes wur
den von Berrou et al. 1993 eingeführt (siehe C. Berrou, A.
Glavieux und P. Thitimayshima, "Near Shannon limit area cor
rection coding: Turbo codes" Proc. 1993 IEE International
conference on communications, Seiten 1064-1070). Mit dieser
Methode kann einerseits eine sehr gute Fehlerkorrektur er
reicht werden.
Aus ETT European Transactions an Telecommunications, Vol. 6,
No. 5, September-October 1995, "Iterative Correction of In
tersymbol Interference: Turbo-Equalization", Catherine Douil
lard et al. ist die sogenannte Turbo-Entzerrung bekannt, mit
der die nachteiligen Effekte der Intersymbolinterferenz bei
digitalen Übertragungssystemen behoben werden sollen, die
durch Faltungscodes geschützt sind. Der Empfänger führt zwei
aufeinanderfolgende Soft-Output-Entscheidungen aus, die von
einem Symboldetektor und einem Kanaldecodierer über einen
iterativen Prozess durchgeführt werden. Bei jeder Iteration
wird extrinsische Information aus dem Detektor und dem De
coder bei der nächsten Iteration wie bei der Turbode-codie
rung verwendet. Es wird gezeigt, daß mit der Turbo-Entzerrung
Intersymbolinterferenzeffekte bei Mehrweg-Kanälen überwunden
werden können.
Zukünftige Übertragungssysteme, beispielsweise das Europäi
sche UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) erfor
dern die Unterstützung einer Vielzahl von koexistierenden
Trägerdiensten mit Trägerdatenraten von bis zu 2 Mbit/s in
einer flexiblen Weise, wobei der bestmögliche spektrale Wir
kungsgrad angestrebt wird. In dem ACTS (Advanced Communicati
ons Technologies and Services) Projekt AC090 FRAMES (Future
Radio Wideband Multiple Access Systems) wurde ein MA(Multiple
Access)-Schema entwickelt, welches sich FRAMES Multiple Ac
cess(FMA) nennt und die Erfordernisse von UMTS erfüllt. Als
Übertragungssystem der dritten Generation, welches einen wei
ten Bereich von Anwendungsgebieten, Trägerdiensten und unter
schiedlichen Szenarios umfaßt, muß FMA gegenwärtige und zu
künftige Entwicklungen von UMTS Funk-Interface-Standards zu
erfüllen. FMA umfaßt zwei Betriebsarten, nämlich WB-TDMA
(Wideband Time Division Multiple Access) mit und ohne Sprei
zung und Kompatibilität mit GSM (Global System for Mobile
Communications) und WB-CDMA (Wideband Code Division Multiple
Access). Obwohl hier im wesentlichen ein System nach FMA be
trachtet wird, können auch andere Übertragungssysteme mit
Vielfachzugriffsverfahren, beispielsweise FDMA (Frequenzy Di
vision Multiple Access) oder MC-CDMA (Multicarier-CDMA) oder
Kombinationen der erwähnten Übertragungssysteme einbezogen
werden.
Im Hinblick auf die hohe Leistungsfähigkeit der Turbocodes
ist es wünschenwert, diese bei digitalen Übertragungssystemen
einzusetzen. Die vielfältigen Erfordernisse, beispielsweise
bei FMA machen es jedoch erforderlich, beim Einsatz derarti
ger Turbocodes darauf zu achten, daß die Datenübertragung un
ter voller Ausnutzung der Möglichkeiten der Turbo-Codes er
folgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dienstqualität
eines Übertragungskanals auch bei variabler Kanalqualität
oder sich ändernden Anforderungen an die Dienstqualität auf
einer vorgegebenen Dienstqualität zu halten beziehungsweise
die Dienstqualität möglichst zu verbessern.
Erfindungsgemäß ist dazu das eingangs erwähnte Verfahren da
durch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Dienstqualität
die Dienstqualität aus den Varianzen der Softoutput-Ausgangs
signale an dem Turbo-Decodierer bestimmt wird, und daß die
Codierungsrate durch Anpassung der Punktierung so eingestellt
wird, daß eine vorgegebene Dienstqualität erhalten wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Codierungsrate
adaptiv durch die Anpassung der Punktierung am Ausgang des
Turbo-Codierers eingestellt. Eine Erhöhung der Codierungsra
te, das heißt, daß mehr Information auspunktiert wird, ver
schlechtert dabei bei gegebener Qualität des übertragungska
nals das Ergebnis der Decodierung. Dies bedeutet, daß sich
die Bitfehlerrate BER erhöht. Empfängerseitig kann bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren die auf einem Übertragungskanal
erreichte Dienstqualität mittels der Varianzen erkannt wer
den. Liegt die Dienstqualität unter oder über einem gewissen
Limit, das normalerweise durch den vom Benutzer geforderten
Dienst bestimmt ist (Sprache, Daten) kann die Codierungsrate
im Sender über einen Rückkanal adaptiv angepaßt werden. Hier
zu werden die später im einzelnen beschriebenen Meßkurven
verwendet. Der Vorteil des Verfahrens liegt in der adaptiv an
den Kanal angepaßten Coderate. Hierdurch wird auf einem Über
tragungskanal immer die maximal mögliche Nutzinformation für
einen geforderten Dienst übertragen, da die für die Fehler
korrektur erforderliche Codierung auf das minimal notwendige
Maß reduziert wird. Die adaptive Anpassung der Codierungsrate
ist im übrigen auch bei einem RCPTC möglich, obwohl die Punk
tierung dieses Codes für den Fachmann nicht auf der Hand
liegt.
Unter dem Begriff Dienstqualität wird hier folgendes verstan
den. Für verschiedene Dienste gelten bestimmte QoS-Kriterien
(QoS = Quality of Service = Dienstqualität), und die Defini
tionen der QoS-Kriterien für verschiedene Trägerdienste sind
im Rahmen von FRAMES ausgearbeitet worden. Ein wichtiger Be
standteil eines QoS-Kriteriums ist die Trägerdatenrate R. Das
QoS-Kriterium umfaßt auch eine maximal zulässige Fehlerrate
Pb G oder eine Paketverlustrate P1 G in Kombination mit einer ma
ximalen Ausfallwahrscheinlichkeit Pout G. Im Falle von lei
stungsvermittelten Diensten muß die Wahrscheinlichkeit P {Pb <
Pb G}, daß die augenblickliche Bitfehlerrate Pb die Pb G über
steigt, nicht größer sein als Pout G, das heißt
Pr { Pb, < Pb G} < Pout G.
Bei Sprachübertragung ist Pb G gleich 10-3 und Pout G gleich 0,05.
Bei Paketdiensten gilt eine ähnliche Bedingung für die augen
blickliche Paketverlustrate P1:
Pr {P1 < P1 G} < Pout G.
Außer den Kriterien bezüglich Pr gibt es noch weitere Bedin
gungen im Rahmen des QoS-Kriteriums. Hier werden jedoch
hauptsächlich die QoS-Parameter Pb G, P1 G und Pout G betrachtet,
die unmittelbar mit der Wahl des Fehlerkorrekturcodes (ECC)
zu tun haben. Bei ECC bestimmen das Vielfachzugriffsverfah
ren, die Modulation und die Paketparameter im wesentlichen
die Codierungsrate Rc. Mit anderen Worten hat die Codierungs
rate Rc einen unmittelbaren Zusammenhang mit der Frage, ob ein
QoS-Kriterium für einen bestimmten Dienst erfüllt wird oder
nicht.
Bei einem Verfahren, bei dem empfängerseitig ein Soft-
Input/Soft-Output- Symbol oder -Sequenzschätzer verwendet
wird, ist es vorteilhaft, wenn die Dienstqualität aus den Va
rianzen σ2 der Soft-Decision-Ausgangssignale des Turbo-
Decodierers bestimmt wird, wobei vorteilhafterweise aus den
Varianzen σ2 die Bitfehlerrate als Maß für die Dienstqualität
berechnet wird.
Bei einem Verfahren, bei dem empfängerseitig ein MAP-Symbol
schätzer oder ein MAP-Sequenzschätzer verwendet wird, ist es
vorteilhaft, wenn die Dienstqualität aus den Varianzen σ2 LLR
der Soft-Decision-Ausgangssignale des Turbo-Decodierers be
stimmt wird.
Bei einem Verfahren, bei dem empfängerseitig ein Viterbi-
Algorithmus zur Seqenzschätzung verwendet wird, ist es vor
teilhaft, wenn die Dienstqualität aus den Varianzen σ2 VIT der
Soft-Decision-Ausgangssignale des Turbo-Decodierers bestimmt
wird.
Da das erfindungsgemäße Verfahren sowohl bei MAP-Schätzern
als auch bei einer Schätzung durch einen Viterbi-Algorithmus
einsetzbar ist, gibt es praktisch keine Einschränkung bezüg
lich der wichtigsten Verfahren zur Symbol-und Sequenzschät
zung. Dies gilt, obwohl in der folgenden speziellen Beschrei
bung diese Aussage nur im Zusammenhang mit einem MAP-
Symbolschätzer belegt wird.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das erfindungsge
mäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß zur Punktierung
die sogenannte Berrou's Punktierung eingesetzt wird, bei der
nur die nicht-systematische Information punktiert wird. Diese
Art der Punktierung ist bei geringeren Werten des Si
gnal/Rausch-Verhältnisses vorteilhaft.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das erfindungsge
mäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß zur Punktierung
die sogenannte UKL-Punktierung eingesetzt wird, bei der so
wohl die systematische als auch die nicht-systematische In
formation punktiert wird. Diese Art der Punktierung ist vor
teilhaft bei höheren Signal/Rausch-Verhältnissen und daher
bei Bitfehlerraten von < 10-4.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das erfindungsge
mäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Codierungsrate
erhöht wird, wenn die Dienstqualität über der vorgegebenen
Dienstqualität liegt, und daß die Codierungsrate vermindert
wird, wenn die Dienstqualität unter der vorgegebenen Dienst
qualität liegt. Damit ist eine bestmögliche Nutzung der Ka
nalkapazität möglich, weil weniger Redundanzbits übertragen
werden müssen, wenn die Kanalqualität besser ist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das erfindungsge
mäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung be
ziehungsweise Verminderung der Codierungsrate in Schritten
zwischen 1/2 und 1 innerhalb der ratenkombatiblen Familie von
Codierungsraten, beispielsweise 1/3, 1/2, 2/3, 3/4, durchge
führt wird.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist das erfindungsgemäße
Verfahren zur Datenübertragung der eingangs genannten Art da
durch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Dienstqualität
die Dienstqualität aus den Varianzen der Soft-Output-Aus
gangssignale an dem Turbo-Decodierer bestimmt wird, und daß
die Zahl der Decodierungs-Iterationen in Abhängigkeit von der
Dienstqualität eingestellt wird. Dabei wird eine andere Vari
ante zur Verbesserung der Dienstqualität ausgenutzt, was zu
sätzlich oder alternativ zu der Ausnutzung der Beeinflussung
der Dienstqualität durch die Codierungsrate erfolgen kann.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das vorstehend ge
nannte, erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet,
daß die Zahl der Decodierungsiterationen unter Berücksichti
gung der damit verbundenen Zeitverzögerung und der Verbesse
rung des Decodierungsergebnisses optimiert wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der bei
liegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Turbo-Codierers;
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines RSC-Codierers, wie er in ei
nem Turbo-Codierer nach Fig. 1 verwendet wird;
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Turbo-Decodierers;
Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Leistungsfähigkeit
eines RCPTC's bei einem AWGN-Kanal in Abhängigkeit
von der Zahl der Iterationen bei der Turbo-
Decodierung;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Leistungsfähigkeit
eines RCPTC's bei einem Rayleigh-Kanal bei verschie
dener Anzahl von Iterationen bei der Turbo-
Decodierung;
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Leistungsfähigkeit
eines RCPTC's bei einem AWGN-Kanal in Abhängigkeit
von unterschiedlichen Codierungsraten;
Fig. 7 eine graphische Darstellung der Leistungsfähigkeit
eines RCPTC's bei einem Rayleigh-Kanal in Abhängig
keit von verschiedenen Codierungsraten;
Fig. 8 eine graphische Darstellung der Leistungsfähigkeit
eines RCPTC's bei einem AWGN-Kanal für verschiedene
Codierungsraten;
Fig. 9 eine graphische Darstellung der Leistungsfähigkeit
eines RCPTC's bei einem Rayleigh-Kanal bei unter
schiedlichen Codierungsraten;
Fig. 10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
der Bitfehlerrate BER und der Varianz σ2 LLR am Ausgang
des zweiten Decodierers; und
Fig. 11 eine graphische Darstellung der Varianz σ2 LLR im Ver
hältnis zum Signal/Rausch-Verhältnis bei fehlerhaft
beziehungsweise korrekt decodierten Paketen.
Im Hinblick auf einen ökonomischen Einsatz der Hardware soll
te die ECC-Schaltung möglichst universell einsetzbar sein,
während die ECC-Konfiguration durch eine Software-Steuerung
eine hohe Flexibilität gestatten sollte. Der hier verwendete
RCPTC ermöglicht dies, weil er die erforderliche Flexibilität
aufweist. Der RCPTC kann mit dem in Fig. 1 gezeigten Turbo-
Codierer 2 erzeugt werden. Der Turbo-Codierer 2 weist Ne = 2
binäre, rekursive, systematische Faltungscodierer 4, 6 (RSC)
mit einer kleinen Constraint-Länge, beispielsweise zwischen 3
und 5, auf, die unter Verwendung eines Turbo-Interleavers 8
parallel geschaltet sind. Die Eingangssequenz u wird dem Co
dierer 4 (RSC, Code 1) und über den Turbo-Code-Interleaver 8
an den Codierer 6 (RSC, Code 2) sowie einer Punktierungs/
Multiplexer-Einrichtung 10 zugeführt. Die Punktierungs/ Mul
tiplexer-Einrichtung erhält einen weiteren Eingang C1 von dem
Codierer 4 und einen weiteren Eingang C2 von dem Codierer 6.
Der Ausgang der Punktierungs/Multiplexer-Einrichtung 10 ist
die Ausgangssequenz b.
Bei dem Turbo-Codierer 2 ist die minimale Coderate Rc, min
gleich 1/(Ne+1) = 1/3. Die minimale Codierungsrate Rc, min
könnte weiter reduziert werden, indem zusätzliche RSC-
Codierer eingesetzt werden.
Die binäre Eingangssequenz u, die eine endliche Zeitdauer
hat, wird in den Codierer 4 eingegeben und ergibt an dessen
Ausgang die Redundanzsequenz C1 mit derselben endlichen Dauer
wie u. Die Sequenz uI, die die Sequenz u nach dem Interleaving
darstellt, wird in den Codierer 6 gegeben. Die Codierung in
dem Codierer 6 ergibt die Redundanzsequenz C2. Die Redundanz
sequenzen C1 und C2 und die Sequenz u werden punktiert und ge
multiplext, um die Ausgangssequenz b zu bilden. Der Turboco
dierer ist ein systematischer Codierer, wobei u die Basis der
in b enthaltenen, systematischen Information ist.
Ein RSC-Codierer, wie er für die Codierer 4 und 6 verwendet
werden kann, ist in Fig. 2 am Beispiel des Codierers 4 dar
gestellt. An einem Eingang des Codierers 4 steht die Sequenz
u als systematische Information an. Die Sequenz u gelangt
über ein Additionsglied 12 zu einer Verzögerungsstufe 14 und
einem weiteren Additionsglied 16. Die Ausgangssignale der
Verzögerungsstufe 14 gelangt an eine zweite Verzögungsstufe
18 und an das Additionsglied 12. Die Ausganssignale der zwei
ten Verzögerungsstufe 18 gelangen an die Additionsstufe 12
und die Additionsstufe 16. Der Ausgang der Additionsstufe ist
dann die Reduntanzsequenz c1.
Bei der Wahl dieses Codierers spielen die Hardwarekosten eine
Rolle, die so niedrig wie möglich gehalten werden sollten.
Aus diesem Grund sind die beiden RSC-Codierer zur Verwendung
im Rahmen von FRAMES identisch und haben eine Constraint-
Länge von 3. Obwohl diese RSC-Codierer nur vier Zustände ha
ben, zeigen sie eine gute Leistungsfähigkeit bei niedrigen
Werten des Signal/Rausch-Verhältnisses Eb/NO. Daher ist die
Leistungsfähigkeit desRCPTC's mit diesen Codierern bei nied
rigen Signal-Rausch-Verhältnissen vorteilhaft.
Die Ausgangssequenz b des Turbo-Codierers 2 gelangt über den
Übertragungskanal und einen Demodulator zu dem Turbo-Deco
dierer 22 (Fig. 3), der einen RSC-Codierer 24 und einen
zweiten RSC-Decodierer 26 aufweist. Zwischen einem Ausgang
des Decodierers 24 und einem Eingang des Decodierers 26 ist
ein Turbo-Code-Interleaver 28 vorgesehen. Zwischen einem Aus
gang des Decodierers 26 und einem Eingang des Decodierers 24
ist ein Turbo-Code-Interleaver 30 vorgesehen. Die Decoder 24,
26 sind Soft-Input/Soft-Output-Decoder.
Der Demodulator (nicht gezeigt) liefert Schätzwerte xn der sy
stematischen Information un, die in u enthalten sind, sowie
Schätzwerte y1,n und y2,n der übertragenen Redundanzbits, die
von den Codierern 4 beziehungsweise 6 erzeugt worden sind.
Die beiden Decodierer 24, 26 benötigen eine Kanalzustandsin
formation (CSI = Channel State Information), die aus den au
genblicklichen Signalamplituden und der Rauschvarianz be
steht. Jeder der Decodierer 24, 26 verarbeitet die systemati
sche Information, die Redundanz und a-priori-Information Le1, n
und Le2, n unter Verarbeitung der CSI, wodurch die extrinsische
Information Le2, n und Le1, n erzeugt wird, die dann als a-priory-
Wissen bei dem nachfolgenden Decodierer verwendet wird. Die
Decodierung ist iterativ, und das Ergebnis der Decodierung
wird mit jeder Iteration verbessert. Das Maß der Verbesserung
nimmt jedoch allmählich mit der weiteren Iteration ab. Nach
einer gewissen Anzahl von Iterationen wird das Ausgangssignal
des Turbo-Decodierers 22 in einen Detektor (nicht gezeigt)
zugeführt, wie es bei derartigen Übertragungssystemen üblich
ist.
Um den Einsatz des RCPTC's auf die vorhandenen Diensterforder
nisse anzupassen, könnte man daran denken, die RSC-Codierer
anzupassen, was jedoch zu einer unerwünschten Mehrbelastung
im Bezug auf die Hardwarekosten führen würde. Die Anpassung
der Interleavergröße auf die speziellen Dienste ist an sich
bekannt und stellt auch bei der Verwendung eines RCPTC's wegen
dessen Flexibilität ein Problem dar.
Desweiteren kann die Zahl der Iterationen bei der Decodierung
entsprechend dem QoS-Kriterium eingestellt werden unter Be
rücksichtigung der gesamten Codierungskomplexität. Zwei Mög
lichkeiten, um diese Eigenschaft des Turbocodes auszunutzen,
sind an dem Empfänger gegeben. Für ein vorgegebenes QoS-
Kriterium kann die Zahl der Iterationen mit ansteigendem Si
gnal/Rausch-Verhältnis Eb/NO erhöht werden. Dies ist besonders
vorteilhaft bei Fading-Kanälen, beispielsweise bei Übertra
gungskanälen. Andererseits kann die Zahl der Iterationen auch
mit einem sich zeitlich ändernden QoS-Kriterium variiert wer
den. Die Einstellbarkeit der Zahl der Decodierungs-Itera
tionen ist nur bei der Verwendung von Turbo-Codes, insbeson
dere eines RCPTC's gegeben.
Eine weitere Möglichkeit die Leistungsfähigkeit in einem Sy
stem mit einem RCPTC zu verbessern, besteht darin, die Punk
tierung einzustellen, so daß ein RCPTC mit variierenden Code
raten Rc, min < = Rc < = Rc, max bereitgestellt werden können, wo
durch die Codierungseigenschaften bei unveränderten Turbo
code-Interleavern und RSC-Codierern geändert werden können.
Für die Punktierung stehen prinzipiell die Sequenzen u, c1 und
c2 zu Verfügung. Wenn zwei der Sequenzen voll durch Punktie
rung unterdrückt werden, wird die maximale Coderate Rc, max = 1
angenommen. In diesem Fall hängen die Codierungseigenschaften
davon ab, welche der Sequenzen punktiert werden. Wenn bei
spielsweise die Redundanzsequenzen c1 und c2 vollständig punk
tiert werden, wobei nur die Sequenz u unverändert durchgelas
sen wird, ist eine ECC nicht erhältlich, und Zeit Diversity-
Gewinne sind an den Empfängern bei Fading-Kanälen nicht er
reichbar. In diesem Fall reduziert sich der Turbo-Decodierer
auf einen einfachen Schwellenwertdetektor.
Wenn eine der Redundanzsequenzen C1 oder C2 voll durch die
Punktierung unterdrückt wird, wobei nur die zweite Redundanz
sequenz zusammen mit der Sequenz u hindurchtreten kann, wird
der Turbo-Codierer zu einem herkömmlichen RSC-Codierer. Der
Turbo-Decodierer reduziert sich zu einem RSC-Decodierer, der
zur Durchführung einer halben Iteration realisiert ist. Ein
a-priori-Wissen basierend auf einer extrinsischen Information
ist in diesem Fall nicht vorhanden. Die Codierungsrate Rc kann
zwischen 1/2 und 1 je nach dem QoS-Kriterium variiert werden.
Da Ne = 2 gilt, können die RSC-Codierer auf zwei unterschied
lichen Codes basieren, und das QoS-Kriterium und die Codie
rungskomplexität können variiert werden, indem eine bestimmte
Redundanzsequenz C1 oder C2 ohne Änderung der Codierungsrate
Rc unterdrückt wird.
Die oben erwähnten Möglichkeiten verhindern jedoch einen Tur
bo-Code-Betrieb, der nur zur Verfügung steht, wenn Bits von
beiden Redundanzsequenzen C1 und C2 übertragen werden und
gilt:
un # u1, n
wobei un und u1, n in u beziehungsweise u1 enthalten sind. In
diesem Fall gilt:
Rc, min < = Rc < 1.
Die minimale Codierungsrate Rc, min = 1/(Ne + 1) wird reali
siert, wenn keine Punktierung durchgeführt wird. In diesem
Fall kann entweder die herkömmliche RSC-Decodierung oder die
Turbo-Decodierung realisiert werden, je nach dem QoS-Krite
rium und Übertragungskanalzustand, wobei beide Faktoren bei
Übertragungsanwendungen zeitlich variieren.
Bei echtem Turbo-Codebetrieb sind folgende Varianten möglich.
Die Sequenz u wird nicht punktiert, die Redundanzsequenzen c1
und c2 werden teilweise punktiert. In diesem Fall ist ein Be
trieb als RSC-Code oder als Turbo-Code möglich, die Zahl der
Decodierungs-Iterationen ist einstellbar und die Codierungs
rate kann zwischen 1/3 und 1 liegen. Diese Art der Punktie
rung wird Berrou's-Punktierung genannt.
Eine alternative Möglichkeit besteht darin, daß die Sequenz u
und die Redundanzsequenzen c1 und c2 teilweise punktiert wer
den. In diesem Fall ist ein Betrieb mit RSC-Code nicht mög
lich, sondern nur mit einem Turbo-Code. Die Zahl der Decodie
rungs-Iterationen ist einstellbar, und die Codierungsrate
kann zwischen 1/3 und 1 liegen. Diese Art der Punktierung
wird UKL-Punktierung (UKL = University Kaiserslautern) ge
nannt. Schließlich kann noch der Fall betrachtet werden, daß
keine Punktierung stattfindet. In diesem Fall ist der Betrieb
mit einem RSC-Code und einem Turbo-Code möglich. Die Zahl der
Decodierungs-Iterationen ist einstellbar und die Codierungs
rate liegt bei 1/3.
Das vorteilhafte Merkmal bei RCPTC liegt in der Möglichkeit,
die Codierungsrate RC adaptiv zu ändern, wobei bei einem ARQ
die erfordeliche Information übertragen werden kann, ohne das
gesamte, codierte Paket übertragen zu müssen. Die Übertragung
eines zusätzlichen Teiles der Information, der die Differenz
in der Codierungsrate ausgleicht, ist ausreichend.
Nachdem die Möglichkeiten der Anpassung der Codierung, im
Fall von RCPTC beschrieben wurden, werden nun die Auswirkun
gen der Anpassungsmöglichkeiten auf die Leistungsfähigkeit
des Systems bei Verwendung von RCPCT anhand von Simulationen
beschrieben.
Fig. 4 zeigt die Leistungsfähigkeit des RCPTC in einer gra
phischen Darstellung in der die Bitfehlerrate BER gegen das
Signal/Rausch-Verhältnis Eb/NO für eine Sprachübertragung über
einen AWGN-Kanal dargestellt ist. Die Paketgröße war 150 bit,
und die Codierungsrate etwa = 1/3. Die Trägerdatenrate für
die Sprachübertragung betrug 8 = kbit/s. Die uncodierte Über
tragung wird als Bezugslinie gezeigt. Der Parameter dieser
Simulationen ist die Zahl der Decodierungs-Iterationen, die
zwischen 1 und 5 variiert. Nach der ersten Decodierungs-
Iteration ist das minimale Signal/Rausch-Verhältnis, das er
forderlich ist, um eine Bitfehlerrate von < 10-3 zu erreichen,
etwa gleich 3,5 dB. Nach der zweiten Decodierungs-Iteration
ist etwa 1,3 dB weniger erforderlich. Die nächste Decodie
rungs-Iteration ermöglicht einen weiteren Gewinn von 0,2 dB.
Die nächsten Iteration ermöglichen Gewinne von weniger als
0,1 dB. Nach fünf Iterationen ist das minimale Signal/Rausch-
Verhältnis, das für eine Bitfehlerrate von weniger als 10-3
erforderlich ist, etwa gleich 1,8 dB. Es ist demnach ersicht
lich, daß die Leistungsverbesserung mit zunehmender Iteratio
nen weniger wird. Im Vergleich erfordert ein herkömmlicher
NSC-Code mit einer Constraint-Länge von 9 etwa 1,9 dB, um
dieselbe Bitfehlerrate von < 10-3 zu erreichen. Der RCPTC ist
daher etwas leistungsfähiger als herkömmliche Codes selbst
bei so kleinen Paketgrößen wie 150 bit.
Fig. 5 zeigt die Leistungsfähigkeit des RCPTC in einer gra
phischen Darstellung, in der die Bitfehlerraten BER gegen das
Signal/Rausch-Verhältnis EB/NO für Schmalband-ISDN bei einer
Trägerdatenrate von 144 kbit/S. einer Paketgröße von 672 bit,
einer Coderate von etwa 1/2 und einem voll einem Interleaving
unterzogenen Rayleigh-Fading-Kanal gezeigt ist. Der Simulati
onsparameter ist wiederum die Zahl der Decodierungs-Itera
tionen. Nach vier Decodierungs-Iterationen erfordert eine
Bitfehlerrate von weniger als 10-3 ein minimales Signal/
Rausch-Verhältnis von 3,8 dB. Nach zehn Iterationen sind nur
noch etwa 3,4 dB erforderlich. Ein herkömmlicher NSC-Code mit
einer ähnlichen Decodierungskomplexität wie vier Decodie
rungs-Iterationen hat einen Constraint-Länge von 8 und erfor
dert ein um 1,1 dB höheres Signal/Rausch-Verhältnis.
Die Fig. 6 bis 9 zeigen graphische Darstellungen für die
Leistungsfähigkeit bei Verwendung von RCPTC, wobei die Bit
fehlerrate BER beziehungsweise die Rahmenfehlerrate FER gegen
das Signal/Rausch-Verhältnis EB/NO aufgetragen ist. Fig. 6
zeigt die Bitfehlerrate gegen das Signal/Rausch-Verhältnis
bei einer Paketgröße von 672 bit, zehn Decodierungs-Itera
tionen und einem AWGN-Kanal. Fig. 7 zeigt die Bitfehlerrate
gegen das Signal/Rausch-Verhältnis bei einer Paketgröße von
672 bit, zehn Decodierungs-Iterationen und einem voll einem
Interleaving unterworfenen Rayleigh-Fading-Kanal. Fig. 8
zeigt die Rahmenfehlerrate FER gegen das Signal/Rausch-
Verhältnis bei einer Paketgröße von 672 bit, zehn Decodie
rungs-Iterationen und einem AWGN-Kanal. Fig. 9 zeigt die
Rahmenfehlerrate gegen das Signal/Rausch-Verhältnis bei einer
Paketgröße von 672 bit, 10 Decodierungs-Iterationen und einem
voll einem Interleaving unterworfenen Rayleigh-Fading-Kanal.
In den graphischen Darstellungen der Fig. 6 bis 9 werden
zwei unterschiedliche Punktierungsverfahren angewendet, näm
lich die Berrou's-Punktierung und die UKL-Punktierung, die
oben erwähnt wurden. Es ist ersichtlich, daß die Berrou's-
Punktierung eine bessere Leistungsfähigkeit bei geringeren
Werten des Signal/Rausch-Verhältnisses hat, während die UKL-
Punktierung bei einem hohen Signal/Rausch-Verhältnis und da
her bei Bitfehlerraten von < 10-4 vorteilhaft ist. Die Kreu
zungspunkte bewegen sich in Richtung auf niedrigere Bitfeh
lerraten bei wachsenden Codierungsraten.
In Fig. 10 ist die Bitfehlerrate gegen die Varianz der log-
Likelihood-Verhältnisse (LLR = Log-Likelihood Ratio) an dem
Ausgang des zweiten Decodierers gezeigt, wobei ein RCPTC, ei
ne Paketgröße von 372 bit, zehn Decodierungs-Iterationen und
ein AWGN-Kanal angenommen wird. Aus dieser Figur ist ersicht
lich, daß die Codierungsrate keinen Einfluss auf die Bezie
hung zwischen der Bitfehlerrate und der Varianz σ2LLR hat, weil
diese beiden Größen eine ähnliche Abhängigkeit von dem Si
gnal/Rausch-Verhältnis EB/NO haben. Daher kann, wenn σ2LLR be
kannt ist, eine Abschätzung der Bitfehlerrate leicht durchge
führt werden, deren Ergebnis als Basis für eine Aktion dienen
kann, beispielsweise für eine Anpassung der Decodierungs-
Iterationszahl oder der Codierungsrate zur Verbesserung der
Übertragungsqualität oder, im Falle von ARQ, zur Anforderung
einer erneuten Sendung eines fehlerhaft codierten Pakets.
Schließlich zeigt Fig. 11 die Varianz σ2LLR des Log-Likeli
hood-Verhältnisses LLR am Ausgang des zweiten Decodierers im
Verhältnis zu dem Signal/Rausch-Verhältnis EB/NO bei Verwen
dung von RCPTC mit einer Paketgröße von 600 bit, einer Code
rate von etwa 5/9, zehn Decodierungs-Iterationen und einem
AWGN-Kanal. Der RCPTC war für einen 64 kbit/S-Trägerservice
ausgelegt. Aus Fig. 11 ergibt sich, daß eine ähnliche Über
legung wie im Zusammenhang mit Fig. 10 auch für die Abhän
gigkeit der Varianz σ2LLR von dem Auftreten von Paketfehlern
zutrifft. σ2LLR ist bei fehlerhaft decodierten Paketen immer
größer als σ2LLR im Falle von korrekt decodierten Paketen. Wenn
daher das Signal/Rausch-Verhältnis EB/NO und σ2LLR für ein ge
rade überprüftes Paket bekannt sind, kann eine Soft-Decision-
Variable, die mit der Wahrscheinlichkeit eines Paketfehlers
in Beziehung steht, leicht erzeugt und zu Steuerungszwecken
eingesetzt werden.
Obwohl sich die vorliegende Beschreibung hauptsächlich auf
die Anwendung der Erfindung auf den digitalen Mobilfunk be
zieht, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt sondern kann
allgemein bei digitalen Übertragungssystemen, beispielsweise
bei leistungsgebundenen Systemen, optischen Übertragunssyste
men (Infrarot-und Laser-Übertragunssysteme), Satellitenfunk
systemen, Deep-Space-Übertragunssystemen, Richtfunk-Übertra
gunssystemen und Rundfunk-Übertragunssystemen (Digitales Ra
dio oder TV), mit den genannten Vorteilen eingesetzt werden.
Claims (11)
1. Verfahren zur Datenübertragung auf Übertragungskanälen
einem digitalen Übertragungssystem, bei dem zur Kanalcodie
rung senderseitig in einem Turbo-Codierer eine Turbo-Codie
rung und empfängerseitig in einem Turbo-Decodierer eine Tur
bo-Decodierung mit Soft-Decision-Ausgangssignalen durchge
führt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der
Dienstqualität
- 1. die Dienstqualität aus den Varianzen der Softoutput-Aus gangssignale an dem Turbo-Decodierer bestimmt wird, und daß
- 2. die Codierungsrate durch Anpassung der Punktierung so ein gestellt wird, daß eine vorgegebene Dienstqualität erhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei empfängerseitig ein
Soft-Input/Soft-Output- Symbol oder -Sequenzschätzer verwen
det wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dienstqualität aus
den Varianzen σ2 der Soft-Decision-Ausgangssignale des Turbo-
Decodierers bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
aus den Varianzen σ2 die Bitfehlerrate als Maß für die Dienst
qualität berechnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei empfängerseitig ein MAP-
Symbolschätzer oder ein MAP-Sequenzschätzer verwendet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dienstqualität aus den Vari
anzen σ2VIT der Soft-Decision-Ausgangssignale des Turbo-Deco
dierers bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei empfängerseitig ein Vi
terbi-Algorithmus zur Sequenzschätzung verwendet wird, da
durch gekennzeichnet, daß die Dienstqualität aus den Varian
zen σ2LLR der Soft-Decision-Ausgangssignale des Turbo-Decodie
rers bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß zur Punktierung eine sogenannte
Berrou's Punktierung eingesetzt wird, bei der nur die nicht
systematische Information punktiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß zur Punktierung eine sogenannte UKL-
Punktierung eingesetzt wird, bei der sowohl die systematische
als auch die nicht-systematische Information punktiert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Codierungsrate erhöht wird,
wenn die Dienstqualität über der vorgegebenen Dienstqualität
liegt, und daß die Codierungsrate vermindert wird, wenn die
Dienstqualität unter der vorgegebenen Dienstqualität liegt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Erhöhung beziehungsweise Verminderung der Codierungsrate
in Schritten zwischen 1/2 und 1 innerhalb der ratenkombati
blen Familie von Codierungsraten, beispielsweise 1/3, 1/2,
2/3, 3/4, durchgeführt wird.
10. Verfahren zur Datenübertragung, insbesondere nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Verbesserung der Dienstqualität
- 1. die Dienstqualität aus den Varianzen der Soft-Output-Aus gangssignale an dem Turbo-Decodierer bestimmt wird, und daß
- 2. die Zahl der Decodierungs-Iterationen in Abhängigkeit von der Dienstqualität eingestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zahl der Decodierungsiterationen unter Berücksichtigung
der damit verbundenen Zeitverzögerung und der Verbesserung
des Decodierungsergebnisses optimiert wird.
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