DE2240057A1

DE2240057A1 - Verfahren zur verwuerfelung von nachrichten

Info

Publication number: DE2240057A1
Application number: DE19722240057
Authority: DE
Inventors: Max Dipl Ing Proegler; Karl Dipl Phys Sauer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1972-08-16
Filing date: 1972-08-16
Publication date: 1974-02-28

Description

"Verfahren zur Verwürfelung von Nachrichten" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sendeseitigen "Verwürfelung" und zur empfangs seit 1 gen "Entwürfelung" von Nachrichtenelementen.
Stand der Technik Bei der Übertragung von Nachrichten,bei der die einzelnen Nachrichtenelemente (Zeichen) seriell übertragen werden, ist es mitunter sinnvoll, die Übertragung nicht in der normalen Reihenfolge, so wie sie von der Nachrichtenquelle geliefert wird, sondern in verwürfelter Folge durchzuführen. Weist der Ubertragungskanal beispielsweise B"ndelstörungen oder diese und noch zusätzliche statistisch verteilte Fehler auf, so besteht eine Nachrichtensicherungsmög lichkeit darin, durch geeignete Verwürfelung möglichst eine resultierende Gleichverteilung der Fehler zu erzeugen und diese mit einen gängigen Verfahren zur Korrektur statistisch verteilter Fehler mit Hilfe redundanter Codes zu beseitigen.
Das bis heute übliche Verfahren ist die bereits in K. Steinbuch, Codierung für gestörte Kanäle, NTF 19 (1960), Seite 47 bis 55, beschriebene Codespreizung (interleaving). Dabei werden beispielsweise die zu übertragenden Nachrichtenzeichen in z Blöcke der Länge s unterteilt und die Ubertragung so vorgenormen, daß z.B. zuerst alle ersten Zeichen, dann alle zweiten usw. eines Blockes ausgesendet werden. Benachbarte Fehler auf den Übertragungskanal werden dann immer um s Zeichen voneinander getrennt. Dabei wird s entsprechend der zu erwartenden Fehlerbündellänge gewählt.
Dieses Verfahren ist nicht sehr effektiv, wenn sowohl die Fehlerbündellängen als auch die Abstände der Bündel voneinander stark varzeren, also statistischen Schwankungen unterliegen.
Aufgabe der Erfindung Der erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei der Nachrichtenübertragung über gestörte Kanäle auftretenden zeitweise gehäuft auftretenden Fehler möglichst gleichmäßig statistisch zu verteilen, damit empfangsseitig nichtkorrigier bare Fehleranhäufungen vermieden werden. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Vorteile Die ErfIndung bewirkt, daß bei der Nachrichtenübertragung über gestörte Kanäle nichtkorrigierbare Fehleranhäufungen durch die empfangsseitige Entwürfelung vermieden werden. Die nach der Entwürfelung vorliegenden zeitlich weit auseinanderliegenden statistisch verteilten Fehler lassen sich mit großer Wahrscheinlichkeit restlos korrigieren.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Bei Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 2 sind Anordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne erheblichen Aufwand möglich, da die Verwürfelung periodisch erfolgt. Die Ansprüche 3 und 4 geben einfache Verfahren an, die dann anwendbar sind, wenn der Nachrichtenfluß jeweils für die Dauer der Verwurfelung unterbrochen werden kann. Um einen konstant fließenden Nachrichtenfluß verarbeiten zu können, wird das Verfahren nach Anspruch 5 ausgebildet. Der Aufwand an Speicher. läßt sich durch das Verfahren nach Anspruch 6 reduzieren. Umfaßt die Verwürfelungsperiode nur wenige Nachrichtenelemente, so empfehlen sich die Lösungen nach den Ansprüchen 7 und 10. Bereits verwendete, jedoch unzureichende Verwürfelungsverfahren oder Verfahren zur Nachrichtenssreizung lassen sich durch die in den Ansprüchen 8 und 9 angegebenen Lösungen weiterhin verbessern.
Erläuterung der Erfindung Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen naher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung der Verfahren nach den Ansprüchen 3, 4 oder 6.
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5.
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7.
Fig. 4 ein Blockschaltbild'einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Aussendung der Nachrichtenelemente nicht in normaler Reihenfolge und auch nicht wie bei der Spreizung streng regelmäßig vertauscht, sondern statistisch vertauscht vorzunehmen. Das kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß ein N Nachrichtenelemente fassender Speicher in normaler Reihenfolge mit N Nachrichtenzeichen gefüllt wird. Diese N Elemente werden anschließend in einer statistischen Reihenfolge ausgelesen und übertragen. Die statistische Auslese muß natürlich eine-gewisse Gesetzmäßigkeit' haben, damit auf der Empfangsseite eine richtige "Entwürfelung", d. h. Wiedereinordnung in die normale Reihenfolge gewährleistet ist. Die Entwürfelung besteht in der Umkehrung der Verwürfelung. Entwürfelung und Verwürfelung können grundsätzlich vertauscht werden, da Jede Entwürfelung auch eine Verwürfelung ist und umgekehrt. Die Verwürfelung wird zweckmäßigerweise nach Jeweils N übertragenen Nachrichtenelementen in der gleichen Reihenfolge durchgeführt. Die Verwürfelung unterliegt dann nur innerhalb einer Periode einer pseudo-statistischen Gesetzmäßigkeit.
In Fig. 1 ist das Blockschaltbild einer einfachen Anordnung zur Verwürfelung von Nachrichtenelementen gemäß der Erfindung gezeigt. Zunächst wird Speicher 1 ;uber den Eingang E mit den zu verwürfelnden Nachrichtenelementen in normaler Reihenfolge gefüllt. Die Platzanweisung erfolgt über den Adressengenerator 2, der über den Umschalter 3 mit dem Speicher 1 verbunden ist.
Nachdem Speicher 1 gefüllt ist, wird durch die Steuereinheit 4 der Speicher 1 auf "auslesen" ungeschaltet und über den Umschalter 3 mit dem Adressengenerator 5 verbunden. Der Adressengenerator 5 ist so progra=niert, daß die Nachrichtenelemente in der gewünschtenstatistischen Reihenfolge ausgegeben werden.
Ist beispielsweise Speicher 1 ein Random-Access-Memory (RAM) mit N Speicherplätzen, so ist er über n ç ld N Zuleitungen durch binärcodierte Adressen ansteuerbar. Für beispielsweise N 3 256 ist m , 8. Als Adressengeneratoren kommen beispielsweise m-stufige Schieberegister in Frage, die Jeweils so rücKgekoppelt sind, daß sie die Adressen in gewünschter Reihenfolge bei Ansteuerung durch den Steuergenerator 4 erzeugen. Umschalter 3 wird zweckmäßigerweise als m-facher elektronischer Umschalter ausgebildet. Zum Takten der elektronischen Bauelemente liefert der Steuergenerator 4 neben den Umschaltsteuersigmalen u für den Speicher 1 und den Umschalter 3 auch die Taktimpulse t.
Die Taktleitungen werden in den folgenden Figuren zur -besseren Übersicht weggelassen.
Das Ergebnis der Verw"rfelung sei hier an einem einfachen Beispiel mit N = 8 gezeigt.
Zunächst werden die Nachrichtenelemente 1 bis 8 in normaler Reihenfolge eingelesen. Das gewählte Programm des Adressen.
generators 5 liefere als pseudo-statistische Reihenfolge 8.5,2,3,7,4,6,1 Nun werden die nächsten 8 Eiemente der Platznummern 9 bis 15 eingelesen. Die Ausgabe nach der gleichen pseuto-statistischen Vorschrift führt zur Reihenfolge 16,13,10,11,15,12,14,9 Nun folgt das Einlesen der nächsten 8 Elemente usw.
Das gleiche Ergebnis wird mit der Anordnung nach Figur 1 erreicht, wenn zuerst die Nachrichtenelemente mittels des Adressengenerators 5 in venrürfeiter Reihenfolge eingelesen werden und anschließend mittels des Adressencenerators 2 in normaler Reihenfolge ausgelesen werden. Hierzu brauchen lediglich die beiden- Eingänge des Umschalters 9 vertauscht zu werden. Der Nachrichtenfluß muß bei den genannten Lösungen jeweils für die Dauer der Verwürfelung unterbrochen werden.
Auf der Empfangsseite kann die gleiche Anordnung zur Entwürfelung benutzt werden. Hierzu ist jedoch der Adressengenerator im Sinne einer Entwürfelung zu programmieren das heißt, daß die pseudo-statistische Reihenfolge in die Ursprügliche zurickverwandelt werden muß. Figur das oben genannte Beispiel bedeutet das, daß der empfangsseitige Adressengenerator in der Reihenfolge 8,3,4,6,2,7,5,1 auslesen muß. Hierdurch gelangt das an 8. Stelle übertragene erste Nachrichtenelement wieder an den Anfang und das an 3. Stelle übertragene zweite Nachrichtenelement hinter das erste, sowie das an 4. Stelle isbertragene dritte Nachrichtenelement wieder an die 3. Stelle usw.
Figur 2 zeigt etn Blockschaltbild für eine fortlaufende Verwürfelung eintreffender Nachrichtenelemente. Hierzu sind zwei Speicher 11 und 12 gleicher Speicherkapazität vorgesehen.
Die Speicher sind zum einen über die Umschalter 33 und 34 alternierend an den Adressengenerator 2 für normale und an den Adressengenerator 5 für pseudo-statistische Adressierung angeschlossen und zum anderen über den Umschalter 6 alternierend mit dem Eingang E und über den Umschalter 7 alternierend mit dem Ausgang A verbunden. Die Steuerung der Umschalter bewirkt die Steuereinheit 4.
Die Anordnung arbeitet wie die in Figur beschriebene, nur mit den Unterschied, daß während in den Speicher 11 mittels des Adressengenerators 2 N Nachrichtenelemente eingelesen werden gleichzeitig aus dem Speicher 12 mittels des Adressengenerators 5 N Nachrichteneinheiten ausgelesen werden und daÄ anschließend aus Speicher 11 die vorher eingelesenen N Nachrichtenelemente mittels des Adressengenerators 5 ausgelesen und gleichzeitig N neue Nachrichtenelemente mittels des Adressengenerators 2 eingelesen werden usw. Auch hier sind die Anschlüsse der Adressengeneratoren 2 und 5 an die Umschalter vertauschbar ohne Ergebnis der Verwürfelung.
etwas zu andern.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des soeben geschilderten Verfahrens macht sich den Umstand zunutze, da3 nach den Auslesen eines Speicherplatzes dieser sofort mit einem neuen Nachrichtenelement besetzt werden kann. Dadurch 13t sich ein in Figur 2 gezeigter Speicher einsparen und die neue Anordnung gleicht der in Figur i gezeigten. Jedoch muß nun die Steuereinheit anderes ausgelegt werden.
Die Erklärung dieses vereinfachten Verfahrens geschieht also unter Zuhilfenahme der Figur 1. Zunächst werden die ersten N Nachrichtenelemente in den Speicher 1 mittels des Adressengenerators 2 in normaler Reihenfolge eingeschreiben. Sodann wird der Speicher an den Adressengenerator 5 geschaltet und der Speicher Uber den lese -Schreibeingang so gesteuert, daß in den folgenden Zeiteinheiten jeweils ein !chrichtenelerr.ent ausgelesen und ein neues eingeschrieben wird. Da dies unter Steuerung des Adressengenerators 5 geschieht werden die gespiecherten Nachrichteneinheiten verwürfelt ausgelesen und die neuen entsprechend eingeschrieben.
Nach Bearbeitung der zweiten N Nachrichtenelemente wird Speicher 1 an den Adressengenrator 2 geschaltet und die verwürfelt eingelesenen Nachrichtenelemente in normaler Zeihenfolge ausgelesen, wobei jeweils gleichzeitig oder unmittelbar danach ein neues Nachrichtenelement in normaler Reihenfolge eingeschrieben wird. Anschließend wird wieder der Adressengenerator 5 angeschlossen usw.

Ist die Verwürfelungsperiode N N 8 d die.Adressenfolge des Adressengenerators 5 gleich 8,5,2,37,4,6,1, so werden 24 in normaler Reihenfolge nach diesem Verfahren behandelte Nachrichtenelemente entsprechend der Tabelle 1 ausgegeben und eingespeichert.

Adr. Gen. Speicherplatz-Nr. Ausgabe
1 2 3 4 5 6 7 8
0 0 0 0 00 0 0
0 0 0 0 0 0
2 # 1 2 3 4 5 6 7 8
8 5 2 3 7 4 6 1
5 @ 16 11 12 14 10 15 13 9
16 11 12 14 10 15 13 9
2 # 17 18 19 20 21 22 23 24
24 21 18 19 23 20 22 18
.5 0 0 0 0 0 0 0 0

Tabelle 1 Die Plätze 1 bis 8 des Speichers seien vor Beginn der Bearbeitung mit 0 besetzt. Mittels des Adressengenerators 2 wird in normaler Reihenfo4lge jeweils ein Platz ausgelesen und dieser Platz neu besetzt.-So wird vom ersten Platz 0 ausgelesen und dieser mit dem Nachrichtenelement 1 besetzt. Sodann wird Platz 2 als 0 ausgelesen und Platz 2 mit dem Nachrichtenelement 2 besetzt usf. Nachdem Platz 8 mit dem ITachrichtenelement 8 besetzt ist, beginnt der Adressengenerator 5 zu arbeiten. Dieser liest zunächst Platz 8 aus und besetzt diesen mit den 9. Nachrichtenelement. Sodann liest er Platz 5 aus und besetzt diesen mit dem 10.

Nachrichtenelement usw. Nachdem Platz 1 mit Nachrichtenelement 16 besetzt ist, beginnt wieder der Adressengenerator 2 in normaler Reihenfolge auszulesen und einzuschreiben. Dadurch werden die 24 Nachrichtenelemente in folgender periodisch pseudo-statistisch verwürfelter Reihenfolge ausgegeben: 0,0,0,0,0,0,0,0,0.- 8,5,2,3,7,4,6,1 - 16,11,12,14,10,15,13,9 -24,21,18,19,23,20,22,17 - Das genannte Verfahren ist für lange Verwürfelungsperioden von Vorteil. Für kurze Verwürfelungsperioden ist das folgende Verfahren unter Umständen wirtschaftlich günstiger. Das Blockschaltbild hierzu zeigt Figur 3. Die Verwürfelungsperiode betrage wiederum 8 Nachrichteneinheiten oder N = 8.
An den eingang E sind N, also hier im Beispiel 8, Verzögerungsleitungen Li bis LN, die vorzugsweise Schieberegister unter schiedlicher Stufenzahl und damit unterschiedlicher Verzögerungszeit (einschließlich Verzögerungszeit Null) sein können, mit den Ans gang an N = 8 Eingänge eines Umlaufschalters 31 angeschlossen, dessen Ausgang A die Nachrichtenelemente in pseudo-statistisch verwürfelter Form liefert. Die kontaktgabe des symbolisch gezeigten Umlaufschalters 31 erfolge in der Reihenfolge der an den Kontakten vermerkten Ziffern, wobei auf den Kontakt 8 wieder Kontakt 1 folgt. Dieser Umlaufschalter wird zweckmäßigerweise als elektronischer Umlaufschalter ausgebildet. Die Anzahl n der Stufen der Schieberegister ist für die pseudo-statistisc:e Verw-felung der normalen Reihenfolge in die Reihenfolge 8,5,2,3,7,4,6,1, der Tabelle 2 zu entnehmen.
i 1 234 56 78 ei 1 2 3 4 5 6 7 8 a1 8 5 2 3 7 4 6 1 mi 14 10 6 6 9 5 6 0 Tabelle 2 Für die erforderliche Stufenzahl der Schieberegister gilt mi = N-1 + ai-ei wobei ai = Kontaktnummer des Umlaufschalters und Platznummer des auszugebenden Nachrichtenelementes ei = Platznummer des einzugebenden Nachrichtenelementes Die Eingabe der normal einlaufenden Nachrichtenelemente beginnt, wenn der Umlaufschalter auf Kontakt 2 steht. Die Ausgabe der verwürfelten Nachrichtenelemente beginnt, sobald der Schalter den Kontakt 1 erreicht hat.
Die Entwürfelung auf der Empfangsseite wird jeweIls mit.
entsprechenden Anordnungen und den gleichen t}berlegungen gefunden.
Unter Umstanden ist in einer Nachrichtenübertragungsanlage bereits eine Einrichtung zur Verwürfelung von Nachrichtenelementen eingebaut, die für einen gestörten Nachrichtenkanal nicht optimal ausgelegt ist. In solchen Fällen räSt sich die VerwUrfelung an den Kanal- anpassen, indem sendeseitig bzw. empfangsseitig mehrere Verwürfelungen hintereinander ausgeführt werden. Dieses Verfahren ist inscesondere dann vorteilhaft, wenn die bereits vorgesehene Yerwürfelung eine zu klemneVerwùrfelungsperiode hat. -Figur 4 zeigt eine wesentliche Vereinfachung des mittels Figur 3 beschriebenen Verfahrens. In Figur 4 laufen eie zu verwürfelung Nachrichteneinheiten in eine einzige Verzögerungsleitung, die beispielsweise als Schieberegister ausgeführt sein kann und fUr die Verwürfelung entsprechende Anzapfungen aufweist. Nach welchen Stufenzahlen die Anzapfung zu erfolgen hat, ist für die obengenannte Verwürfelungs vorschrift 8,5,2,3,7,4,6,1 ebenfalls der Tabelle 2 Zeile zu entnehmen.
DIese Anzapfungen sind mit den in Tabelle 2, Zeile genannten Kontakten des Umlaufschalters 31 zu verbinden.
Aus wirtschaftlichen Gründen empfielt es sich, die Tabelle 2 für eine derartige vertauschte Reihenfolge der gewählten statistischen Verwürfelung so aufzustellen, daß ein Minimum wird, da dadurch beispielsweise an Stufenzahlen des Schieberegisters 32 eingespart werden kann. Die Bedingung dabei ist, daß die Effektivität der Verwürfelung nicht, oder nicht wesentlich, verschlechtert wird.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verfahren zur sendeseitigen "Verwürfelung" und zur empfangsseitigen "Entwürfelung" von Nachrichtenelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Nachrichtenelemente nicht in ihrre normalen, sondern in einer einer vorgegebenen Gesetzmäßigkeit unterliegenden statistischen Reihenfolge ausgesendet (statistische Verwürfelung) und empfangsseitig durch die gleiche Gesetzmäßigkeit in ihre urpsrüngliche Reihenfolge zurückverwandelt werden (statistische Entwürfelung).

2. Verfahren nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, daß die statistische Verwürfelung und Entwürfelung nach jeweils einer konstanten Anzahl von N Nachrichtenelementen in der gleichen Reihenfolge durchgeführt wird (periodische pseudo-statistische Verwürfelung).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die N Nachrichtenelemente zur Verwürfelung oder Entwürfelung in einen Speicher, vorzugsweise einen sogenannten Random-Access-emory, in normaler Reihenfolge eingelesen und in statistischer Reihenfolge ausgelesen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die N Nachrichtenelemente zur Verwürfelung oder Entwürfelung in einen Speicher, vorzugsweise einem sog.

"Randum-Access-Memory"1 in statistischer Reihenfolge eingelesen werden und in normaler Reihenfolge ausgelesen werden.

5. erfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sende- und e=pfangsseitig alternierend jeweils zwe Speicher gleicher Speicherkapazität benutzt werden, daß sendeseitig zur Verwürfelung gleichzeitig in den ersten Speicher N Nachrichtenelemente eingelesen werden und aus dem zweiten Speicher vorher eingespeicherte N Nachrichtenelemente ausgelesen werden und nach Beendigung dieses Vcrgangs umgeschaltet wird, so daß unmittelbar anschließend der erste Speicher ausgelesen wird und in den zweiten Speicher neu eingelesen wird, usw. und daß Empfangsseitig in gleicher Weise jedoch in Sinne einer Erwürfelung verfahren wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß se-ce- und empfangsseitig Jeweils ein Speicher für N nach richtenelemente benutzt wird, daß aus dem sendeseitigen Speicher gleichzeitig oder unmittelbar danach jeweils ein gespeichertes Nachrichtenelement ausgelesen und ein neues zu verwürfelndes Nachrichtenelement eingelesen wird, wobei das Aus- und Einlesen abwechselnd während einer Verwürfelungsperiode in, normaler und während der anderen in statistischer Reihenbfolge und umgekehrt durchgeführt wird und daß in dem empfangsseitigen Speicher in gleicher Weise, jedoch im Sinne einer Entwürfelung verfahren wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig die zu verwürfelnden Nachrichtenelemente über Verzögerungsleitungen, insbesondere Schieberegister geeigneter Verzögerungszeit, einem einer statistischen Abfragefolge entsprechend geschalteten Umlauf schalter mit N Eingängen zugefüiirt werden, an dessen Ausgang die verwürfelten Nachrichtenelemente weiter verarbeitet werden, und daß empfangsseitig in gleicher Weise, jedoch im Sinne einer Entwürfelung verfahren wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig beziehungsweise empfangsseitig zwei oder mehrere statistische Verwürfelungen bzw. Entwürfelungen hintereinander ausgeführt werden.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sende- bzw. empfangsseitig zwei oder mehrere statistische Verwürfelungen bzw.

statistische Entwürfelungen hintereinander ausgeführt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig die zu verwürfelnden Nachrichteneinheiten über eine Verzögerungsleitung (32) insbesondere ein Schieberegister geeigneter Verzögerungszeit mit die Verwürfelung bestimmender. Anzapfungen einem einer statistischen Abfragefolge entsprechend geschalteten Umlaufschalter (31) mit N Eingängen zugeführt werden, an dessen Ausgang die verwUrfelten Nachrichteneinheiten weiter verarbeitet werden, und caß empfangsseitig in gleicher eise, edoch im Sinne einer Entwürfelung verfahren wird.

L e e r s e i t e