DE60033910T2

DE60033910T2 - Drahtlose Übertragung von Paketen und von Datenbursts mittels Produkt-Kodes mit iterativer Dekodierung

Info

Publication number: DE60033910T2
Application number: DE60033910T
Authority: DE
Inventors: Harvey L. Berger; Oliver W. Los Angeles Saunders
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 2000-01-11
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2020-12-21
Also published as: CA2330799C; EP1117212B1; EP1117212A2; US6658620B1; DE60033910D1; EP1117212A3; CA2330799A1; JP2001237791A; JP3474168B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fehlererfassung und Korrekturkodierung für Kommunikationssysteme. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Paket- und Burstdatenübertragung unter Verwendung von Produktcodes und iter ativer Dekodierung.
Es gibt einen anhaltenden Bedarf an einer effizienteren Verwendung von drahtlosen digitalen Übertragungskanälen. Ein erhöhter Wirkungsgrad bringt viele Vorteile mit sich, darunter einen höheren Gesamtdatendurchsatz, eine größere Flexibilität bei Optionen auf Serviceebene und höhere Einnahmen. Innerhalb der Beschränkungen der verfügbaren Bandbreite und Sendeleistung ist es allgemein das Ziel, die Menge an Daten, die mit einer bestimmten Servicequalität beförderten werden, zu maximieren. Die Servicequalität kann beispielsweise als eine gewünschte Bitfehlerrate („bit error rate"; BER) oder Zellverlustrate (in einem schnellen asynchronen Übertragungsmodus („Asynchronous Transfer Mode"; ATM) ausgedrückt werden.
Während eine ständige Verbesserung der Servicequalität das Thema vieler Forschungen auf dem Gebiet ist, setzt Shannons Kanalkapazitätstheorem der BER-Leistung jeglichen Codes eine theoretische Grenze. Die Verwendung moderner Fehlererfassungs- und Korrekturcodierungsmethoden hat der Wirkungsgrad digitaler Übertragung schon erheblich erhöht, jedoch nähern sich etablierte Methoden noch nicht den theoretischen Grenzen. Außerdem kompliziert die Signalstruktur moderner Kommunikationssysteme die Suche nach der „effizientesten" Kodierungsmethode.
Teilweise entstehen Komplikationen aufgrund der Burst- oder der Paketnatur moderner Kommunikationssysteme. In TDM-(„time division multiplex"; Zeitmultiplex-) und TDMA-(„time division multiplex access; Zeitmultiplexzugriffs-„) Kommunikationssystemen beispielsweise sendet bzw. überträgt jedes Endgerät Signale im gleichen Frequenzspektrum, aber in verschiedenen Zeitschlitzen oder -rahmen, so dass die Übertragungen in einer vorausgewählten Reihenfolge bei einem Empfänger ankommen, und zwar ohne Überlappung. Natürlich erzeugt jedes Endgerät Daten unabhängig und zu anderen Zeiten als die anderen Endgeräte. Jeder Rahmen kann eine mögliche Diskontinuität im Datenstrom verursachen, der im Empfänger dekodiert wird.
Die mächtigste herkömmliche Kodierungsmethode, verkettetes Kodieren, leidet an einer Reduktion des Wirkungsgrads in Form von Overhead, der benötigt wird, um paketorientierte Übertragungen aufzunehmen. Ein Wirkungsgradverlust tritt teilweise deshalb auf, weil die aktuellen Formen von verketteten Codes für stetige Übertragung vorgesehen waren. Insbesondere verwendet ein verketteter Code typischerweise einen Faltungscode als den inneren Code des verketteten Codes. Die unstetige Nautr des Datenstroms am Decoder verursacht eine vorzeitige Beendigung des Dekodierungsablaufs. Der Faltungsdecoder am Empfänger benötigt deshalb für einen ordentlichen Betrieb, dass die übertragenen Rahmen Overhead-(d.h. nicht Informations-, nicht Paritäts-) „Flushbits" aufweisen, die den Decoder am Ende des Rahmens zurücksetzen in Vorbereitung auf das Dekodieren von Daten im nächsten periodischen Rahmen.
TDM-Systeme werden in der vorhersehbaren Zukunft extrem beliebt bleiben. Wie es aussieht, werden viele Mobiltelefonsysteme in einer TDM/TDMA-Art betrieben. Zusätzlich integrieren die meisten Satellitenkommunikationssysteme eine TDMA/FDM-(„Frequency Division Multiplex"; Frequenzmultiplex-)Aufwärtsverbindung und eine TDM-Abwärtsverbindung. Die gut etablierte Natur der TDM-Kommunikationen bringt den Bedarf an einer Fehlererfassung und Korrekturkodierung mit sich, welche den Wirkungsgrad weit mehr als etablierte verkettete Kodierungsschemata erhöhen.
Dokument D1 ( EP 0 880 236 ) offenbart eine Methode eines Fehlerverarbeitens für ein Frequenzmultiplexsendesystem DARC („data radio channel"; Datenfunkkanal). D1 betrifft eine vereinfachte Empfängerstruktur zum Produktdekodieren in den empfangenen Rahmen. Für eine Vorwärtsfehlerkorrektur werden mehrere Blöcke von Quelldaten in einen Rahmen produktkodiert.
In der Industrie gibt es seit Langem einen Bedarf an einer verbesserten Fehlererfassungs- und Korrekturkodierungsstruktur für Paket- und Burstübertragungssysteme.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Kommunikationssystem, welches ein produktkodiertes Datenpaket im Datenabschnitt eines unstetigen Kommunikationskanalrahmens verwendet.
Ein anderer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Kommunikationssystem, welches insbesondere zur effizienten Übertragung von produktkodierten ATM- („Asynchronous Transfer Modem", asynchrone Übertragungsmodem-)Zellen angepasst ist.
Eine weitere Eigenschaft der vorliegenden Erfindung ist eine effiziente Übertragungsmethode für in Pakete aufgeteilte Daten unter Verwendung eines Produktcodes, der an einen Datenabschnitt oder eine Dateneinheitslänge angepasst ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Kommunikationssubsystem zum Übertragen fehlerkorrekturkodierter Daten in Paketen bereit. Das Kommunikationssubsystem weist einen Eingabepufferspeicher auf, der unkodierte Daten speichert, einen mit dem Eingabepufferspeicher gekoppelten Produktkodierer, welcher unkodierte Daten vom Eingabepufferspeicher akzeptiert und produktkodierte Datenpakete mit einer Paketgröße ausgibt, und einen Zeitmultiplexsender, der die produktkodierten Datenpakete in einen Datenabschnitt eines Rahmens überträgt. Der Datenabschnitt hat eine Länge, die im Wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen der Paketgröße entspricht.
In einer Ausführungsform verwendet das Kommunikationssubsystem einen (60, 53) × (63, 56) Produktkodierer, und das ganzzahlige Vielfache beträgt 4. Allgemeiner kann ein (s, t) × (n, m) Produktcode mit dem Produkt aus t und m verwendet werden, welches an eine Dateneinheitsgröße angepasst ist. Der Parameter s ist größer als t, und n ist größer als m.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung findet man auch in einem Verfahren zum Kommunizieren von fehlerkorrekturkodierten Daten in Paketen. Das Verfahren umfasst das Speichern unkodierter Daten in einem Eingabepufferspeicher, das Produktkodierten der unkodierten Daten im Eingabepufferspeicher und das Ausgeben von produktkodierten Datenpaketen mit einer Paketgröße. Das Verfahren umfasst auch das Zeitmultiplexsenden der kodierten Datenpakete in einem Datenabschnitt eines Rahmens, in welchem die Datenabschnittslänge im Wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen der Paketgröße entspricht. Wie oben angemerkt, kann das ganzzahlige Vielfache beispielsweise 4 sein, und die zu kodierenden Daten können ATM-Zellen aufweisen.
Ein neuartiges Zeitmultiplexrahmenformat zum Kommunizieren von fehlerkorrekturkodierten Daten ist ebenfalls offenbart. Das Rahmenformat weist einen Header- bzw. Kopfabschnitt und einen Datenabschnitt auf. Der Datenabschnitt trägt produktkodierte Datenpakete mit einer Paketgröße und weist eine Länge auf, die im Wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen der Paketgröße entspricht. Als ein Beispiel kann die Datenabschnittslänge 7560 QPSK-Symbole (15120 Bit) betragen, und der Datenabschnitt kann vier (60, 53) × (63, 56) produktkodierte Datenpakete tragen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 illustriert eine Zeitmultiplexrahmenstruktur.
2 zeigt einen zweidimensionalen Produktcode, der daran angepasst ist, ATM-Zellen zu kodieren.
3 zeigt ein Kommunikationssubsystem zum Übertragen von fehlerkorrekturkodierten Daten in Paketen.
4 bildet ein Verfahren zum effizienten Kommunizieren von produktkodierten Datenpaketen in Rahmen ab.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wendet man sich nun 1 zu, zeigt diese Figur eine Zeitmultiplexkommunikationsstruktur 100. Die Kommunikationsstruktur 100 ist allgemein als eine sich wiederholende Folge von Rahmen ausgebildet (von denen drei als die Rahmen 102, 104 und 106 angegeben sind). 1 zeigt die Struktur der Rahmen und insbesondere des Rahmens 104. Der Rahmen 104 umfasst einen Headerabschnitt 108 und einen Datenabschnitt 109. Der Headerabschnitt 108 umfasst den Rahmenmarkierer 110 und die Rahmenzahl/-Typ 112. Der Datenabschnitt umfasst eine Folge von produktkodierten ATM-Zelldatenpaketen 114–120.
Beispielsweise kann jeder Rahmen 7800 Symbole lang sein, aufgeteilt in einen Headerabschnitt 106 von 240 Symbolen und einen Datenabschnitt von 7560 Symbolen. In der bevorzugten Ausführung sind die Symbole Quadraturphasenumtastungs-(„Quadrature Phase Shift Keying"; QPSK-)Symbole, die zwei Datenbit pro Symbol liefern. Andere Modulationsmethoden, welche verschiedene Formen von PSK und GMSK umfassen, sind jedoch auch geeignet.
Der Headerabschnitt 108 umfasst allgemein Informationen wie etwa eine Rahmenmarkierersequenz zur Darstellung von Rahmen, eine sich nicht wiederholende Rahmennummer und einen robusten Indikator von Kodierungstyp und -struktur, die ver wendet werden, um ATM-Zellen produktzukodieren. Der Headerabschnitt 108 kann zu diesem Zweck 88 Symbole für den Rahmenmarkierer 110 und 152 Symbole für die Rahmenzahl und Rahmentyp 112 verwenden. Der Datenabschnitt 109 umfasst, wie oben angemerkt, 7560 Symbole, um Daten zu tragen.
In der bevorzugten Ausführungsform trägt der Datenabschnitt ein ganzzahliges Vielfaches von produktkodierten Datenpaketen. Somit beträgt in 1 beispielsweise die Datenpaketgröße 1890 Symbole (3780 Bit), und vier Datenpakete passen genau in den Datenabschnitt 108. Wegen der starken Fehlerkorrektur- und Erfassungsnatur des Produktcodes können produktkodierte Datenpakete anstatt eines herkömmlichen verketteten Codes verwendet werden. Während mit anderen Worten ein (236, 212) äußerer Reed Solomon Code mit einem inneren Faltungscode mit Rate ¾ (d.h. ein verketteter Code) auch geeignete Fehlerkorrektur und -Erfassung liefern kann, ist ein verketteter Code weniger effizient und benötigt Flushbits für den Decoder. Die Flushbits sind weder Daten- noch Paritätsbits, sondern reiner Overhead und transportieren keine brauchbaren Informationen.
Das Verwenden eines Produktcodes, um die Datenpakete zu erzeugen, erreicht ausgezeichnete Fehlerkorrekturfähigkeiten ohne Flushbits. In einigen Systemen können Flushbits 8 oder mehr Symbole des Datenabschnitts belegen. Die produktkodierten Pakete erhöhen dadurch sofort den Durchsatz und können auch zu einer Verringerung der Übertragungskraft führen, die benötigt wird, um den Datenabschnitt mit einer vorgegebenen BER zu übertragen.
Ein Beispiel der Erhöhung des Durchsatzes kann verstanden werden mit Hilfe des bestimmten Beispiels von 53 Byte-(424 Bit) ATM-Zellen (obwohl jegliche strukturierten oder unstrukturierten Daten produktkodiert werden können). Unter Verwendung eines (60, 53) × (53, 56) Produktcodes trägt jedes produktkodierte Datenpaket 53 × 56 = 2968 Informationsbit (genau sieben ATM-Zellen) und 812 Paritätsbits (insgesamt 3780 Bit oder 1890 Symbole). Der 7560 Symbol-(15,120 Bit) Datenabschnitt 108 trägt dadurch genau vier produktkodierte Datenpakete, oder 28 ATM-Zellen.
Andererseits erlaubt das oben angemerkte verkettete Kodierungsschema nur 24 ATM-Zellen im Datenabschnitt 109. Das folgt aus der Tatsache, dass das verkettete Kodierungsschema 15104 Bit verwendet, um 10176 Informationsbit (24 ATM-Zellen) zu übertragen und ferner 8 Symbole (16 Bit) benötigt, die Flushbits im Datenabschnitt zugeordnet sind. Eine auf die Datenabschnittsgröße zugeschnittene produktkodierte Datenpaketübertragung resultiert in einer 16 %igen Durchsatzerhöhung.
Nun bezüglich 2 zeigt diese Figur eine Ausführungsform eines zweidimensionalen Produktcodes 200, der insbesondere daran angepasst ist, ATM-Zellen zu übertragen. Der Produktcode 200 umfasst einen Datenbitabschnitt 202, einen horizontalen Paritätsabschnitt 204, einen vertikalen Paritätsabschnitt 206 und einen Parität-der-Parität-Abschnitt 208. Der Produktcode 200 ist als ein (s, t) × (n, m) Produktcode gekennzeichnet, wobei s > t und n > m.
Vorzugsweise ist der Produktcode ein (60, 53) × (63, 56) Produktcode. Der Datenbitabschnitt 202 weist dann 2968 Bit auf, der horizontale Paritätsabschnitt 204 weist 392 Bit auf, der vertikale Paritätsabschnitt 206 weist 371 Bit auf und der Parität-der-Parität-Abschnitt 208 weist 49 Bit auf. Wie oben angemerkt, kann der Datenbitabschnitt 202 verwendet werden, um genau 7 ATM-Zellen zu tragen.
Ein iteratives Dekodieren kann am Empfänger verwendet werden, um den Produktcode 200 zu dekodieren. Mit anderen Worten kann jede Zeile im Produktcode 200 zuerst dekodiert werden unter Verwendung des horizontalen Paritätsabschnitts 204. Dann kann jede vertikale Spalte dekodiert werden unter Verwendung des vertikalen Paritätsabschnitts 206. Der Decoder kann dann eine Zeilen- und Spaltendekodierung wiederholen, wobei er Zuverlässigkeitsinformationen übermittelt, bis eine vorausgewählte Anzahl an Iterationen abgeschlossen ist (z.B. 4, 16 oder 32).
Nun bezüglich 3 zeigt diese Figur eine bevorzugte Ausführungsform eines Kommunikationssubsystems 300 zum Übertragen fehlerkorrekturkodierter Daten in Paketen. Das Kommunikationssubsystem 300 umfasst einen Eingabepufferspeicher 302, einen Produktkodierer 304 und einen Zeitmultiplexsender 306.
Der Eingabepufferspeicher 302 speichert unkodierte Daten (d.h. Daten, die noch nicht mittels des Produktkodierers 304 kodiert wurden). Als Beispiele kann der Eingabepufferspeicher 302 ATM-Zellen, unformatierte Daten oder MPEG2-kodierte Videos speichern. Die unkodierten Daten können von nahezu jeder Quelle, einschließlich erdgebundener drahtloser und drahtgebundener Netzwerke und abwärtsgerichteter Satellitenverbindungen, kommen.
Der Produktkodierer ist mit dem Eingabepufferspeicher 302 gekoppelt und akzeptiert unkodierte Daten, aus denen er produktkodierte Datenpakete erzeugt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Produktkodierer 304 mit Dateneinheiten (d.h. Gruppen verwandter Bits betrieben, die beispielsweise TCP/IP-Pakete, Datagramme oder ATM-Zellen umfassen) mit einer Dateneinheitsgröße und erzeugt produktkodierte Datenpakete, die ein ganzzahliges Vielfaches der Dateneinheitsgröße tragen. Als ein Beispiel kann der Produktkodierer 304 mit ATM-Zelldateneinheiten mit einer Größe von 53 Byte betrieben werden unter Verwendung eines (60, 53) × (63, 56) Produktcodes, um sieben ATM-Zellen in einem einzelnen produktkodierten Datenpaket zu speichern. Allgemein kann die Anzahl von Zeilen und Spalten im Produktcode variiert werden, um einen Datenbitabschnitt 202 bereitzustellen, der im Wesentlichen auf die Dateneinheitsgröße zugeschnitten ist. Produktkodierte Datenpakete laufen zur Übertragung zum Zeitmultiplexsender 306.
Der Zeitmultiplexsender 306 akzeptiert produktkodierte Datenpakete vom Produktkodierer 304. Der Zeitmultiplexsender bereitet Informationsrahmen, die die produktkodierten Datenpakete umfassen, vor und überträgt sie. Zu diesem Zweck kann der Zeitmultiplexsender beispielsweise einen Headerabschnitt 108 übertragen, gefolgt von einem Datenabschnitt 109 in einem angemessenen Rahmenschlitz in einem TDM- oder TDMA-System. Wie in 1 gezeigt und oben angemerkt, weist der Datenabschnitt vorzugsweise eine ganzzahlige Anzahl von produktkodierten Datenpaketen auf. Zusätzliche Schaltungen (nicht gezeigt), wie etwa ein QPSK-Modulator, ein Hochleistungsverstärker und Ähnliches, können einen Teil des Zeitmultiplexsenders 306 bilden oder mit ihm gekoppelt sein.
Nun zu 4 kommend zeigt diese Figur ein Ablaufdiagramm 400 zum Kommunizieren von fehlerkorrekturkodierten Daten in Paketen. In Schritt 402 speichert das Kommunikationssubsystem 300 beispielsweise unkodierte Daten in einem Datenpuffer. Als Nächstes wendet der Produktkodierter vorzugsweise einen (60, 53) × (63, 56) Produktcode auf die unkodierten Daten (Schritt 404) an. Der Produktkodierer gibt nachfolgend in Schritt 406 produktkodierte Datenpakete in Vorbereitung zur Übertragung aus. Die Übertragung erfolgt in Schritt 408, in welchem ein Zeitmultiplexsender vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches der produktkodierten Datenpakete in einen Datenabschnitt eines Rahmens überträgt.
Die vorliegende Erfindung stellt dadurch ein Kommunikationssystem bereit, welches produktkodierte Datenpakete effizient in unstetige Kommunikationskanalrahmen überträgt. Das Kommunikationssystem kann insbesondere zur Übertragung von produktkodierten ATM-Zellen angepasst sein, was den Wirkungsgrad um 16 % oder mehr gegenüber herkömmlichen verketteten Kodierungsmethoden verbessert. Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine Methode zum Übertragen von Dateneinheiten bereit unter Verwendung eines Produktcodes, der zum verbesserten Durchsatz und verbessertem Wirkungsgrad insbesondere an die Dateneinheitsgröße angepasst ist.

Claims

Kommunikationssubsystem (300) zum Übertragen von fehlerkorrekturkodierten Daten in Paketen, wobei das Kommunikationssubsystem (300) aufweist; einen Eingangspufferspeicher (302), der unkodierte Daten speichert; einen Produktkodierter (304), der mit dem Eingangspufferspeicher (302) gekoppelt ist, wobei der Produktkodierer (304) unkodierte Daten vom Eingangspufferspeicher (302) akzeptiert und produktkodierte Datenpakete mit einer Paketgröße ausgibt; und einen Zeitmultiplexsender (306), der die produktkodierten Datenpakete (114, 116, 118, 120) in einem Datenabschnitt (109) eines Rahmens sendet, wobei der Datenabschnitt (109) eine Länge gleich einem ganzen Vielfachen der Paketgröße aufweist.
Kommunikationssubsystem (300) nach Anspruch 1, bei dem der Eingangspufferspeicher (302) ATM-Zellen speichert.
Kommunikationssubsystem (300) nach Anspruch 1, bei dem der Produktkodierer (304) ein zweidimensionaler Produktkodierter ist.
Kommunikationssubsystem (300) nach Anspruch 1, bei dem der Produktkodierer (304) ein (s, t) × (n, m)-Produktkodierter zum Kodieren von Dateneinheiten mit P einer Dateneinheitsgröße ist und bei dem das Produkt von t und m ein ganzes Vielfaches der Dateneinheitsgröße ist, s größer als t ist und n größer als m ist.
Verfahren (400) zum Kommunizieren von fehlerkorrekturkodierten Daten in Paketen, wobei das Verfahren aufweist: Speichern (402) unkodierter Daten in einem Eingangspufferspeicher (302); Produktkodieren (404) der unkodierten Daten im Eingangspufferspeicher (302) und Ausgeben (406) produktkodierte Datenpakete mit einer Paketgröße; und zeitgemultiplextes Aussenden (408) der produktkodierten Datenpakete (114, 116, 118, 120) in einem Datenabschnitt (109) eines Rahmens, wobei der Datenabschnitt (109) eine Länge gleich einem ganzen Vielfachen der Paket (114, 116, 118, 120)-Größe aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Produktkodieren (404) ein Produkt kodieren von Dateneinheiten (114, 116, 118, 120) mit einer Dateneinheitsgröße mit einem (s, t) × (n, m)-Produktcode aufweist, in welchem s größer als t ist, n größer als m ist und das Produkt von t und m ein ganzes Vielfaches der Dateneinheits (114, 116, 118, 120) größe ist.
Zeitgemultiplextes Rahmen (102, 104, 106)-Format zum Kommunizieren von fehlerkorrekturkodierten Daten, wobei das Rahmen (102, 104, 106)-Format aufweist: einen Kopfabschnitt (108); und einen Datenabschnitt (109), der produktkodierte Datenpakete mit einer Paketgröße trägt, wobei der Datenabschnitt eine Länge gleich einem ganzen Vielfachen der Paket (114, 116, 118, 120)-Größe aufweist.
Rahmen (102, 104, 106)-Format nach Anspruch 7, bei dem die produktkodierten Datenpakete (114, 116, 118, 120) (s, t) × (n, m) produktkodierte Dateneinheiten mit einer Dateneinheitsgröße sind, s größer als t ist, n größer als m ist und das Produkt von t und m ein ganzes Vielfaches der Dateneinheits (114, 116, 118, 120) größe ist.