DE3539592A1 - Verfahren zur gesicherten datenuebertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gesicherten Da­ tenübertragung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Übertragung von digitalen Daten werden üblicherweise für die Korrektur von statistisch verteilten Fehlern zy­ klische Blockcodes verwendet. Diese Codes weisen einen linearen systematischen Blockaufbau auf und sind mittels rückgekoppelter Schieberegister relativ unaufwendig zu realisieren.

Um den Einfluß von Burst-Störungen, also Störungen, die eine ganze Gruppe von aufeinanderfolgenden Bits betreffen, zu reduzieren oder zu elimenieren, wie es bei SCRA-Verbin­ dungen oder unter Pulsstörungen, die durch elektromagneti­ sche Entladungen entstehen, erforderlich ist, wird bei Vorwärtsfehlerkorrekturverfahren (FEC) die Burst-Störung auf eine wesentlich größere Bitgruppe als die gestörte, also beispielsweise auf die Rahmenbreite, verteilt, so daß diese Burst-Bitfehler als Einzelstatistikfehler auftreten und somit korrigiert werden können.

Ein solches Bit-Interleaving-Verfahren ist vorgesehen für Datenübertragungen mit maximal zulässiger Bitrate, d.h. einer Bitrate, die sich aus der vorgegebenen Kanalschritt­ geschwindigkeit und dem gewählten Blockcode ergibt. Bei­ spielsweise ergibt sich bei einem Bose-Chaudhuri-Hocquen­ ghem (BCH)-Code 127,78 und bei einer Kanalschrittgeschwin­ digkeit von 16 kbaud eine Nettobitrate von 9,6 kbit/s. Bei Datenübertragungen mit ganzen Teilern dieser maximalen Bit­ rate (also beispielsweise 4,8 oder 2,4 kbit/s) wird jedoch das zuvor angesprochene Bit-Interleaving-Verfahren nicht durchgeführt, sondern es erfolgt hier eine Datenübertra­ gung mit entsprechend n-1-facher Wiederholung der Infor­ mation in einem sogenannten Block-Interleaving-Verfahren. Es wird dabei eine Mehrheitsentscheidung durchgeführt, wo­ bei das am häufigsten erkannte Wort als richtig übertragen decodiert wird.

Dieses Verfahren des Block-Interleavings erlaubt allerdings, daß bei einer gezielten Anwendung von Hochenergiestörern mit kritischer Burst-Folgefrequenz bzw. bei einer gezielten per­ iodischen Störung mit einer Folgefrequenz, die der Anzahl oder einem ganzen Vielfachen der verwendeten Zeilenzahl ent­ spricht, alle bitpositionsgleichen Informationen gleichar­ tig verfälscht werden und damit ganze Blöcke unkorrigier­ bar gestört oder gelöscht werden. Auch durch Variieren der Rahmengröße bei jeder neuen Übertragung kann der Einfluß der periodischen Bursts nicht vollkommen beseitigt werden.

Wie in den "Tactical Communications Systems" von EUROCOM (D/1, IA 9 vom September 1984 bzw. vom September 1983) be­ schrieben, werden die verschiedenen Übertragungsverfahren gemäß der unterschiedlichen Bitraten durch zwei verschie­ dene Synchronisationsprozeduren eingeleitet.

Der vorliegenden Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrun­ de, ein Verfahren anzugeben, das es erlaubt, die Restfehler­ rate bei der eingangs genannten Datenübertragung mit Vor­ wärtskorrektur (FEC) auch bei sehr stark gestörten Daten­ kanälen weiter zu senken. Dieses Sicherungsverfahren soll für alle Bitraten gleich sein, und der Aufwand für ein solches Verfahren sollte relativ klein sein.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den gekennzeichneten Merkmalen des Anspruchs 1. Optimale Ausgestaltungen ergeben sich durch die Unteransprüche.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen darin, daß durch die Verwendung von relativ kurzen BCH-Codes der Rechenaufwand sowohl auf der Sender- als auch auf der Emp­ fangsseite wesentlich verkleinert werden kann. Auch können aufgrund der verwendeten kurzen BCH-Codes größere Burstlän­ gen verarbeitet werden, da die Anzahl N der Blöcke entspre­ chend vergrößert wird. Durch die zyklische Vertauschung der zeitlichen Lage der N Blöcke oder der Block-Bits innerhalb des Blockes ergibt sich der Vorteil, daß Burst-Störungen je­ weils andere Bitpositionen in verschiedenen Blöcken tref­ fen und damit korrigierbar sind. Von weiterem großem Vor­ teil ist die Kompatibilität bei Übertragung für verschie­ dene Bitraten mit einheitlichem Sicherungsalgorithmus und gleicher Synchronisationprozedur, was eine zusätzliche Auf­ wandsverminderung in den Datenendgeräten bedeutet.

Es folgt nun die Beschreibung der Erfindung anhand der Fi­ guren.

Die Fig. 1 zeigt die Matrix-Blockstruktur einer zu übertra­ genden Information.

In Fig. 2 ist ein Diagramm gezeichnet, welches die Über­ gänge von den einzelnen Zuständen vor und während einer Datenübertragung, also einschließlich der Synchronisations­ prozedur, wiedergibt.

Die Fig. 3 schließlich zeigt den Austausch von Synchroni­ sationszeichen und Präambeln während der Synchronisations­ prozedur.

In Fig. 4 ist das Prinzip des Bit-Interleaving-Verfahrens dargestellt, und

in den Fig. 5a bis 5c ist der Aufbau der Synchronisa­ tionszeichen, der Präambeln und eines Informationsblockes entnehmbar.

In Fig. 1 ist die zeilenweise Anordnung der Blöcke N, Block N-1 usw. bis Block 1 erkennbar. Hinter jedem Block ist ein Synchronisationswort SN bis S 1 angeordnet, welche bei dem vorgeschlagenen System 2 Bit nämlich F 1 und F 2 (siehe Fig. 5c) beinhalten. Die Blöcke enthalten jeweils ein Daten- oder Informationsfeld (siehe auch Fig. 5c) und ein Redundanzfeld. Im vorliegenden Fall wurde ein 36/24-BCH-Code zugrunde gelegt, welcher 24 Informations­ Bits D 1 bis D 24 bei 12 Redundanz-Bits R 1 bis R 12 vorsieht. Die unterste Zeile des Blockes 1 zeigt die Anordnung der 12 Redundanz-Bits vor den 24 Daten-Bits. Der darüberlie­ gende nächste Block 2 zeigt eine andere Verteilung, näm­ lich eine Verschiebung der Redundanz- und Daten-Bits, wobei zunächst die Redundanz-Bits R 3 bis R 1, dann die 24 Daten- Bits D 24 bis D 1 und anschließend die Positionierung der restlichen Redundanz-Bits R 12 bis R 4 erfolgt. Hier ist also eine Verschiebung um 9 Bits durchgeführt worden, wel­ che auch beim nächsten Block, dem Block 3, erkennbar ist. Hier sind zunächst die Daten-Bits D 18 bis D 1, anschließend die Redundanz-Bits R 12 bis R 1 und zum Schluß die restlichen Daten-Bits D 24 bis D 19 positioniert. Wiederum um 9 Bits ver­ setzt sind die Bits des nächsten Blockes, des Blockes 4, bei dem zunächst die Daten-Bits D 9 bis D 1 angeordnet sind, welchen die Redundanz-Bits R 12 bis R 1 und schließlich die restlichen Daten-Bits D 24 bis D 10 folgen. Damit ist eine erste Sequenz beendet, der Block 5 weist wiederum diesel­ ben Bitpositionen auf wie der Block 1, der Block 6 ent­ sprechend wiederum die gleichen Bitpositionen wie der Block 2 usw. Eine solche zyklische Verschiebung um eine 9er-Bitgruppe ist relativ einfach zu realisieren. Es ist leicht einzusehen, daß bei orthogonalem Auslesen der zu übertragenden Information bei Burstfehlern immer wieder eine andere Bitposition getroffen wird.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten 36/24-BCH-Code ergibt sich günstigerweise eine zyklische Verschiebung um jeweils 9 bit. Bei einem 31/21-BCH-Code, bei dem lediglich die Bits 4 bis 31, also nur 28 Bits, übertragen werden (siehe Fig. 5c) ergibt sich eine optimale zyklische Verschiebung jeweils um ein 7-Bit-Paket. In den verschiedenen Blockspal­ ten erhält man dann die Bitpositionen 4 bis 31 in einer ersten Blockspalte, 11 bis 31, 4 bis 10 in einer zweiten Blockspalte und 25 bis 31, 4 bis 24 in der letzten Block­ spalte.

In Fig. 2 ist das Zustandsdiagramm gezeichnet, das alle möglichen Zustände der Datenstationen beinhaltet. Die Zu­ stände sind gekennzeichnet durch Kreise, in denen mit einem oberen Abschnitt der Zustandsname eingetragen ist. In einem mittleren Abschnitt sind das Sendesignal und soweit zutref­ fend in einem unteren Abschnitt andere Signale eingetragen. Die Kreise sind entsprechend der Übergangsmöglichkeiten durch Pfeile miteinander verbunden, denen jeweils die Signal­ bedingungen für die einzelnen Übergänge beigegeben sind. Im Ruhezustand wird der mittlere Zustand SYNC LOST DELAY ein­ genommen. Fällt eine Übertragung an, so wird in den Zustand BLOCK ALIGNMENT RESEARCH gesprungen, wobei das Synchronisa­ tionszeichen BARI (BLOCK ALIGNMENT REQUEST INTERLEAVING AVAILABLE) ausgesendet wird. Bei Empfang dieses Signals ist der Zustand BARI RECEIPT erreicht, und es wird das Antwort- Synchronisationszeichen BAAI (BLOCK ALIGNMENT ACKNOWLEDGE­ MENT INTERLEAVING AVAILABLE) ausgesendet. Damit ist der Zu­ stand "SEND PREAMBLE" erreicht, und es werden die Präambeln BP 1, BP 2 (siehe Fig. 5b) ausgesendet (PS = PREAMBLE SENT), wodurch der Zustand "TRAFFIC" erreicht ist. Nun werden die Datenblöcke DB ausgetauscht. Gerät die Datenverbindung au­ ßer Synchronisation, so geht der Zustand über in SYNC LOST DELAY, welchem Zustand wiederum der Zustand Block ALIGNMENT SEARCH und damit die Aussendung des ersten Synchronisations­ zeichens BARI (siehe Fig. 5a) folgt. Empfängt die Daten­ station ebenfalls dieses erste Synchronisationszeichen BARI, so erfolgt wie oben schon beschrieben der Übergang zum Zu­ stand BARI RECEIPT, bei dem das Antwort-Synchronisations­ zeichen BAAI ausgesendet wird. Damit wird der Übergang zum Zustand SENT PREAMBLE und bei vollzogenem PREAMBLE SENT der Übergang zum Zustand "TRAFFIC" erwirkt. Die beiden an­ deren nicht beschriebenen Zustände BAR RECEIPT und BLOCK ALIGNMENT SEARCH beziehen sich nicht auf Bit-Interleaving- Verfahren sondern auf BLOCK-INTERLEAVING-VERFAHREN.

In Fig. 3 ist die Synchronisationprozedur mit dem Aus­ tausch der beiden Synchronisationszeichen BARI und BAAI sowie der anschließende Austausch der beiden Blockpräam­ beln BP 1 und BP 2 zwischen zwei Stationen dargestellt. Nach vollzogener Synchronisation erfolgt Verkehr (TRAFFIC). So­ bald ein Synchronisationsverlust festgestellt ist, wird in den Ausgangszustand "SYNC LOST" zurückgesprungen und die Prozedur erneut durchlaufen.

Die Fig. 4 zeigt sehr anschaulich das Prinzip des Bit- Interleaving. Es sind zwei Vollrahmen FRAME 1 und FRAME 2 erkennbar, welche jeweils Matrixform aufweisen. Jeder Rah­ men enthält N Zeilen zu jeweils einem Block zu 18 Informa­ tionsbits und 10 Redundanzbits (Polynom-Bits). Die Poly­ nombits werden nach dem Algorithmus eines 31/21 BCH-Codes gebildet, wobei das Bit 1 generell unterdrückt wird und die Bits 2 und 3 zur Redundanzbildung durch Nullen er­ setzt sind. Die Bits 2 und 3 werden nun für die Synchroni­ sationsprozedur ausgenutzt. Während die Richtung des Ein­ speicherns bzw. Auslesens der Information bzw. der Poly­ nom-Bits in der Waagrechten, also zeilenweise erfolgt, werden die Daten zur Aussendung orthogonal dazu, also spal­ tenweise ausgelesen. Oben links ist somit die Sendefolge der einzelnen Synchronisationszeichen BARI, BAAI, BAAI, dann die erste Präambel BP 1, die auf Spalte 1 und Spalte 2 ver­ teilt ist, und die zweite Präambel BT 2 erkennbar. Anschlie­ ßend erfolgt die Aussendung der Bitpositionen 4, 5 usw. der Datenblöcke. In Fig. 4 ist nicht dargestellt die zyklische Verschiebung der Informations-Bits bzw. Polynom-Bits der einzelnen Datenblöcke. Nach dem Aussenden des letzten Block- Bits, nämlich Position 31 der Zeile N erfolgt bei Aufrecht­ erhaltung der Synchronisation an Stelle der Synchronisati­ onszeichen eine Anzahl Nullen, welche die Spalte 2 des näch­ sten Rahmens 2, welche wiederum den einen Teil der Block­ präambel BP 1 enthält, auffüllen. Anschließend erfolgt die Aussendung des Restes der Blockpräambel BP 1 aus Spalte 3, welche außerdem wiederum die zweite Blockpäambel BP 2 ent­ hält. Nach der Aussendung der Präambeln werden die Infor­ mations- bzw. Redundanzbits der einzelnen Blöcke aus den Spalten 4 bis 31 ausgesendet. Die Rahmengröße beträgt 30 Bits×N, wobei N günstigerweise zwischen 32 und 63 gewählt ist.

Zu den Fig. 5a und 5b, in welchen die Synchronisations­ zeichen BARI und BAAI sowie die Blockpräambeln BP 1 und BP 2 formatiert sind, ist noch zu bemerken, daß jeweils die 6 letzten Bits der 20 Bits umfassenden Zeichen die Anzahl N der zu übertragenden Blöcke enthalten. Der Wert von N wird zufallsweise während jeder Synchronisationsprozedur von der Quellendatenstation ausgewählt und zu der Datensenke übertragen. Dabei ist der Wert von N für jede Übertragungs­ richtung unabhängig auswählbar.

Claims (8)

1. Verfahren zur gesicherten Datenübertragung unter Ver­ wendung eines zyklischen Blockcodes, wobei die Informa­ tion in N Blöcken übertragen wird, die jeweils aus D Bits Information (Informationsfeld), R Bits Redundanz (Redundanzfeld) und S Bits Synchronisation (Sync-Feld) bestehen, wobei die R Redundanz Bits durch arithmeti­ sche Verknüpfung aus den D Informations-Bits mit einem Generator-Polynom erzeugt werden, wobei die Übertragung jeweils in Rahmen erfolgt und wobei aufgrund einer vor­ gegebenen Kanalschrittgeschwindigkeit (16 kbaud) eine Datenübertragung mit der höchsten Bitrate (9,6 kBit/s) ohne Wiederholung und solche mit Bitraten, die gleich der durch ganze Zahlen n geteilten höchsten Bitrate (4,8; 2,4 kbit/s) sind, mit entsprechend n-1-facher Wiederholung erfolgen, dadurch gekennzeichnet,
daß für alle Bitraten (2,4; 4,8; 9,6 kBit/s) eine gleiche Syn­ chronisations-Prozedur und ein gleiches Bitinterleaving- Verfahren verwendet werden,
daß ein Blockcode kleiner Länge, beispielsweise 31/21 oder 36/24, verwendet wird und daß bei der Übertragung der N Blöcke die zeitliche La­ ge dieser N Blöcke und/oder der einzelnen Bitpositionen innerhalb eines Blockes zyklisch geschiftet wird (Fig. 1.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisationsprozedur durch Austausch von Syn­ chronisationszeichen (BARI, BAAI) und zweier Präambeln (BP 1, BP 2) erfolgt (Fig. 2 und 3).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Bitinterleaving-Verfahren darin besteht, daß die zu übertragenden Daten in M Zeilen zu jeweils einem oder mehreren Blöcken matrixförmig zwischenge­ speichert und orthogonal (spaltenweise) ausgelesen und anschließend übertragen werden (Fig. 1).

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als zyklischer Blockcode ein primitiver Bose-Chaudhuri-Hocquenghem-Code verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Blockanzahl N jeweils Wer­ te in dem Bereich von beispielsweise 32 bis 63 annimmt.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß auf der Empfangsseite die zyk­ lische Vertauschung der zeitlichen Lage der N Blöcke bzw. der einzelnen Bitpositionen innerhalb eines Blockes zu­ rückgenommen wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche und An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Präambeln (BP 1, BP 2) vertikal in dem Synchronisationsfeld (F 1, F 2) über­ tragen werden (Fig. 4).

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Übertragung mit kleiner Bitrate und damit mit ein- oder mehrfacher Wiederholung erfolgt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Mehrheitsentscheidungsdetektor (Run­ ning Majority Coding Detector) eingesetzt wird.