-
Technisches
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
digitale Datenübertragung.
Im einzelnen betrifft diese Erfindung den Schutz von Daten unter
Verwendung von Fehlerüberwachungskodierung
für digitale
Datenübertragung
in einem mobilen Satelliten-Funkkommunikationssystem.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
In digitalen Kommunikationssystemen
wird Information von einem Sender zu einem Endbenutzer über einen
physikalischen Kanal übertragen.
Beispiele von physikalischen Kanälen
schließen
einen Funkkanal, eine optische Faser, ein Koaxialkabel und verdrillte
Kupferkabel ein. Diese Kanäle
verursachen Übertragungsfehler,
was in verfälschten
Empfangsnachrichten resultiert. Um dieses Problem zu lösen und
um die Anzahl der mittels des Kanals anfallenden Fehler zu reduzieren,
kann die Übertragungsleistung
erhöht
werden. Aufgrund von Einschränkungen
der Übertragungselektroniken,
aufgrund von Bestimmungen hinsichtlich der Spitzenleistungsübertragung
und aufgrund des Aufwandes von zusätzlicher Leistung ist dieses
typischerweise, wie etwa in dem Fall einer Übertragung von einem Satelliten
oder einem Mobiltelefon, jedoch nicht praktisch.
-
Eine zum Ausgleichen von Rauschen
und zum effektiven Herabsetzen der Anzahl der durch den Kanal eingeführten Fehler
verwendete Technik liegt darin, in der übertragenden Nachricht Redundanzen
einzuführen.
Die Redundanz kann beim Empfänger
verwendet werden, um Fehler zu korrigieren. Die Redundanz wird durch
etwas, was allgemein Fehlerüberwachungscode
genannt wird (was manchmal auch Kanalcode genannt wird) eingeschlossen.
-
Bei den herkömmlichen Fehlerüberwachungs-
oder Kanalkodierungsschemata wird die Anzahl der korrigierten Fehler
mittels des in Frage kommenden Codebuches und mittels eines Dekodier-
bzw. Entschlüsselungsalgorithmus
ermittelt. Der Dekodier- bzw. Entschlüsselungsalgorithmus liegt gewöhnlich fest
verdrahtet in einem ASIC-Chip oder in einem digitalen Signalprozessor
(DSP) programmiert vor. In beiden Fällen sind die Leistungsfähigkeiten
der Fehlerkorrektur des Decoders festgelegt. Selbst wenn von daher
mehr Betriebsmittel bei dem Empfänger
zur Verfügung
stehen, wie etwa mehr Speicher oder eine gesteigerte MIPS- Kapazität, ist der
Dekodier- bzw. Entschlüsselungsalgorithmus
nicht in der Lage, mehr Fehler zu korrigieren.
-
Das gegenwärtig am häufigsten verwendete Kodierungsschema
ist die Faltungs-Kodierung, die typischerweise einen Viterbi-Algorithmus beim
Receiver bzw. Empfänger
erfordert. Faltungs-Codes
können
mittels eines Schieberegister-Encoders mit m Speicherelementen (m
oder manchmal m + 1 wird die Beschränkungslänge des Codes genannt) implementiert
werden. Je größer der
Wert von m ist, desto besser ist die Leistungsfähigkeit des Kommunikationssystems.
Unglücklicherweise
wächst
die Komplexität
eines Receivers, der einen Viterbi-Decoder enthält, exponentiell mit der Beschränkungslänge des
Codes an. Dies liegt daran, weil der Viterbi-Algorithmus das gesamte
Gerüst
bzw. Gitter, welches den Code kennzeichnet, durchsucht, um die am
wahrscheinlichsten übertragene
Sequenz von Daten zu ermitteln. Bei Codes, die eine Beschränkungslänge von
m = 10 oder größer aufweisen,
ist ein geeigneter Echtzeit-Viterbi-Receiver unpraktisch.
-
In den meisten Mobilfunkanwendungen,
und im einzelnen in Satellitenfunkanwendungen, kann eine relativ
geringe Herabsetzung der Leistung in signifikanten Kosteneinsparungen
resultieren, und von daher ist dies in hohem Maße erwünscht. Ein Decoder mit einem
großen
m- Wert ist jedoch für
solche Anwendungen mit angemessener Komplexität ohne beeinträchtigter
Leistungsfähigkeit
höchst
begehrenswert. Die sequentielle Dekodierung bzw. Entschlüsselung
ist ein Verfahren, bei welchem lediglich eine Teilmenge des Gitters durchsucht
wird. Eine detaillierte Erklärung
von herkömmlicher
sequentieller Dekodierung kann in Shu Lin und Daniel J. Costello,
Jr, Error Control Coding: Fundamentals and Applications, Kapitel
12, verfügbar
von Prentice Hall Publishers, gefunden werden. In sequentiellen
Dekodiertechniken verwirft der Decoder unwahrscheinliche Wege und
sucht lediglich in Wegen, die eine hohe Wahrscheinlichkeit aufweisen.
Gelegentlich geht der Decoder zurück und fügt einen zuvor verworfenen
Weg ein. Die Nachteile der sequentiellen Dekodierung liegen darin,
dass, wenn der Kanal sehr verrauscht ist, der Decoder zu viele Berechnungen
durchführen
wird, bevor er weiterarbeitet, um zusätzliche Symbole zu dekodieren.
Dieses verursacht eine nicht hinnehmbare Verzögerung von Echtzeitanwendungen,
wie etwa Sprachkommunikationen und in Anwendungen, wo ein geringer
Batterieverbrauch erwünscht
ist, wie etwa in Handheld-Funkprodukten.
-
A Sequential Soft-Decision Decoder
for Reed-Solomon Codes Applied to Encoded PSK in Rayleigh-Fading
Channels , IEEE-Transactions
on Vehicular Technology, Vol. 45, Nr. 1, 1. Februar 1996, Seiten 97
bis 104, offenbart einen sequentiellen Decoder, der einen Zeitüberwachungsmechanismus aufweist,
mittels welchem ein empfangendes Codewort ausgewiesen wird, eine
Löschung
zu sein, wenn es nicht während
eines festgelegten Zeitwertes dekodiert wird. Das US-Patent Nr. 4,539,684
offenbart einen sequentiellen Decoder, der Löschungen ausgibt, wenn die
Dekodierung aufgrund von Einschränkungen
hinsichtlich der Berechnungszeit oder aufgrund eines Stapelspeicherüberfluss
fehlschlägt.
-
Es würde wünschenswert sein, ein Kodierschema
anzugeben, um die Übertragungsleistungsfähigkeit über verrauschte
Kanäle
zu verbessern, während
eine nicht hinnehmbare Übertragungsverzögerung vermieden
und der Leistungsverbrauch minimalisiert wird.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung löst die vorrangehenden
Probleme und liefert andere Vorteile, indem ein mit vielfachen Kodierungsebenen
verknüpftes
Kodierungssystem bereitgestellt wird. Die Kodierungsebenen können Faltungs-Codes
oder Block-Codes
sein. Eines der Kodierungsschemata kann ein M- stufiges Modulationsschema
sein. Erfindungsgemäß wird ein
sequentielles Dekodier- bzw. Entschlüsselungsschema verwendet, um
die erste Kodierebene zu dekodieren, was es gestattet, dass der
Encoder eine große
Beschränkungslänge aufweist.
Die Komplexität
des Decoders, wie sie mittels einer mathematischen Kombination von
Speicherbetriebsmittel und der Anzahl von durchgeführten Berechnungen
definiert ist, wird mit einem oder mehreren Schwellenwerten verglichen.
Basierend auf dem Vergleich fährt
der innere Decoder (oder Decoder der ersten Ebene) fort, zu dekodieren,
oder er hält
die Dekodierung an und der äußere Decoder
(Decoder zweiter Ebene) führt
den Dekodierprozess unter Verwendung eines zweiten Kodierschemas
fort. Das Verfahren und die Anordnung der vorliegenden Erfindung
gestattet es, dass der Empfänger sämtliche
Korrektur- und Speicher- Betriebsmittel verwendet, die im System
zur Verfügung
stehen, um die höchste
Anzahl von Fehlern zu korrigieren. Die Erfindung kann in einem digitalen
Kommunikationssystem verwendet werden, welches zwei Verschlüsselungsschaltungen
und zwei Entschlüsselungsschaltungen
aufweist.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnung
-
Die vorliegende Erfindung kann durch
das Studium der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
in Verbindung mit der beigefügten
Zeichnung vollständig
verstanden werden, in welcher:
-
1 ein
Blockdiagramm eines exemplarischen Kommunikationssystems gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
-
Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
-
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein exemplarisches Kommunikationssystem
zur Verwendung einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das System weist jeweils äußere und
innere Kanal-Encoder bzw. Kanal-Codiereinrichtungen 10a und 10b zum
Verschlüsseln
von Informationssymbolen auf, die beispielsweise von einem Sprachcodierer
oder einem Computerterminal empfangen werden. Die Informationssymbole
sind die Eingabe in den äußeren Kanal-Encoder 10a.
Der von dem äußeren Encoder 10a verwendete äußere Code
kann ein Faltungs-Code sein, er ist jedoch in bevorzugter Weise
ein Block-Code, wie etwa ein Reed-Solomon-Code oder ein anderer geeigneter Block-Code.
Der äußere Code
kann durch einen Parameter, der die Minimum-Entfernung d des Codes
genannt wird, gekennzeichnet sein, was ein Maß der Komplexität des Codes
ist. Beispielsweise ist für
ein Code, der die Codewörter
C1, C2, ... Cm aufweist, wobei d(Ci, Cj) die Anzahl der Stellen
ist, an welchen sich zwei verschiedene Codewörter Ci, Cj unterscheiden,
die Minimumdistanz d = mind (Ci, Cj) für alle ungleichen i- und j-Werte.
Der Code kann sämtliche
Fehler, e, korrigieren, wenn 2e < e
gilt.
-
Der äußere Code wird dann in den
inneren Encoder 10b eingegeben, der eine zweite Ebene der
Verschlüsselung
bereitstellt. Der innere Encoder 10b gibt den inneren Code
aus. Der innere Encoder 10b weist in bevorzugter Weise
eine große
Beschränkungslänge auf,
d. h., der Code ist in bevorzugter Weise ein relativ leistungsfähiger Code.
-
Die von dem inneren Encoder 10b ausgegebenen
Symbole werden in einem Modulator 12 moduliert, in einem
ersten Filter (nicht dargestellt) gefiltert und über einen physikalischen Kanal 14 übertragen.
Bei dem Empfänger
wird die Ausgabe des Kanals in einem zweiten Filter (nicht dargestellt)
gefiltert, verstärkt
und in einem Demodulator 16 moduliert. Aufgrund des Rauschens
in dem Kanal 14 sind einige Abschnitte der empfangenen
Sequenz, die mittels des Demodulators 16 ausgegeben werden,
fehlerhaft.
-
Die demodulierte Sequenz wird in
einen inneren Decoder 18a eingegeben, der ein sequentieller
Decoder ist, welcher durch zwei fundamentale Grenzbereiche gekennzeichnet
wird: ein Komplexitätsgrenzwert, der
eine mathematische Kombination der Speicherkomplexität und Berechnungskomplexität ist, und
der die obere Grenze hinsichtlich der Komplexität des Empfängers darstellt; und ein Kanal-
oder Rausch-Grenzwert, den der innere Decoder 18a verwendet,
um zu ermitteln, ob die Decoderabschätzungen zu verrauscht sind. Soweit
der Komplexitätsgrenzwert
nicht überschritten
wird, kann der innere Decoder 18a zurückgehen und zuvor ausgeschiedene
Wege einfügen,
um die Dekodier- bzw. Entschlüsselungsleistungsfähigkeit
zu verbessern.
-
Während
der mittels des inneren Decoders 18a durchgeführten Dekodierung
bzw. Entschlüsselung
erfordert die empfangende Sequenz bei einem bestimmten Zeitpunkt
eine mathematische Kombination eines Pufferspeicherwertes S und
der Leistungsfähigkeit
von C Berechnungen durch den Empfänger. Diese mathematische Kombination
stellt die Komplexität
des Decoders dar. Die mathematische Kombination kann eine lineare
Kombination der Gestalt βS
+ χC sein,
oder sie kann eine nichtlineare Funktion der Werte S und C sein oder
von anderen äquivalenten
Parametern. Die mathematische Kombination kann mit einem oder mehreren Schwellenwerten
verglichen werden, und die Ausgabe des Decoders kann basierend auf
dem Vergleich mit dem einen oder den mehreren Schwellenwerten ermittelt
werden. Als ein Beispiel kann die Ausgabe Z des inneren Decoders 18a mittels
des folgenden Entscheidungsprozesses zusammengefasst werden:
-
-
Die erste Bedingung gibt an, dass
die innere Dekodierung bzw. Entschlüsselung ohne Überschreiten der
Komplexität
des Decoders vollendet werden kann, und dass das abgeschätzte innere
Codesymbol mittels eines Vektors r beschrieben werden kann. Der
innere Code kann ebenso abgeschätzte
Codewörter,
die in Zusammenhang mit den Werten stehen, ausgeben. Die zweite
Bedingung gibt an, dass die Komplexität des Decoders überschritten
wird, bevor eine Entscheidung hinsichtlich der inneren Codesymbole
erreicht wird. Das heißt,
Löschungen
werden mittels des Decoders ausgewiesen, wenn der Komplexitäts-Schwellenwert überschritten
wird, was übermäßiges Kanalrauschen
anzeigt, oder was anzeigt, dass die Abschätzungen wahrscheinlich fehlerhaft
sind. Von daher gibt eine Löschungsausgabe
an, dass bei dem inneren Decoder 18a zu viele Berechnungen
aufgrund eines verrauschten und unzuverlässigen Kanals angefallen sind.
Für einen Fachmann
wird es ersichtlich sein, dass eine Löschung ein Datenverlust darstellt.
Es ist häufig
erwünscht,
eher eine Löschung
als ein falsches Bit oder Symbol zu erzeugen. Der Empfänger kann
nicht mehr Berechnungen durchführen
und von daher füllt
der äußere Decoder
in bevorzugter Weise die codierten Bits aus, die verloren waren
und in Löschungen
resultierten, welche mittels des Decoders ausgegeben werden.
-
Wenn des weiteren die Komplexität des Decoders überschritten
wird, kann der Decoder zusätzlich
zu oder anstelle von Löschungen
Teilentscheidungen ausgeben (d. h., Abschätzungen von Symbolen zusammen mit
Weich-Werten, oder Abschätzungen
von Teilen von Symbolen). Von einem Fachmann wird verstanden werden,
dass Weich-Werte zuverlässige
Indikatoren sind, die mittels eines Empfängers erzeugt werden können, um
die Zuverlässigkeit
eines dekodierten Bits oder Symbols anzuzeigen.
-
Die Parameter β und χ sind in diesem Beispiel einer
linearen mathematischen Kombination Auslegungsparameter, die abhängig von
der bestimmten Anwendung variieren. Einige Decoder weisen eine relativ große Speicherkapazität und eine
relativ geringe Berechnungskapazität auf, während andere Decoder größere Berechnungsleistungsfähigkeiten
als Speicherkapazitäten
aufweisen. Die Gewichtungen β und χ reflektieren die
relativen Kosten von Pufferspeicher und Berechnungen.
-
Die durch den inneren Decoder 18a an
den äußeren Decoder
ausgegebenen Symbole können
einer der drei Typen sein: unkorrekte Symbole, wenn die innere Dekodierung
die Komplexitäts-Schwelle
nicht überschreitet
und wenn die resultierenden inneren Codesymbole eine fehlerhafte
Teilmenge aufweisen; korrekte Symbole, wenn die innere Dekodierung
die Komplexitäts-Schwelle
nicht überschreitet
und wenn die resultierenden inneren Codesymbole alle korrekt sind;
und gelöschte
Symbole, wenn die Komplexitäts-Schwelle überschritten
ist und wenn sich die resultierenden Ausgaben vollständig oder
teilweise aus Löschungen
und/oder Weich-Werten
zusammensetzen.
-
Der äußere Decoder 18b kann
mittels eines beschränkten
bzw. begrenzten Fern-Decoders oder mittels einem anderen geeigneten
Decoder verwendet werden. Solch ein Decoder könnte beispielsweise jede Kombination
(oder Position) von e Fehlern und f Löschungen korrigieren, wobei
gilt: 2e + f < d – 1wobei
d die Minimumentfernung des äußeren Codes
ist. Es sei darauf hingewiesen, dass in diesem Beispiel der Code
in der Lage ist, sowohl Löschungen
als auch Fehler zu korrigieren. wenn die Komplexitätsschwelle überschritten
ist, was angezeigt, dass der Kanal verrauscht ist und dass es wahrscheinlich
ist, dass irgendeine Abschätzung
fehlerhaft ist, wird durch das Angeben von Löschungen die Systemleistungsfähigkeit
verbessert. Wenn in einem herkömmlichen
System ohne dem Verfahren der vorliegenden Erfindung beispielsweise
X Fehler auftreten, kann der Decoder unter Verwendung des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung 2X Löschungen korrigieren. Es wird
verstanden werden, dass andere Dekodierschemata mit anderen geeigneten
Eigenschaften verwendet werden können.
-
Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden
Erfindung liegt darin, dass der Empfänger, der einen oder mehreren
Demodulatoren und einen oder mehrere Detektoren aufweisen kann,
in der Lage ist, sämtliche
Betriebsmittel zu verwenden (d. h., die gesamten Decoderspeicher-
und Berechnungs-Leistungsfähigkeiten),
die zum Decodieren der empfangenden Signale bereit stehen, unabhängig davon,
ob Faltungs-Codierung
verwendet wird oder nicht. Die Erfindung kann unter Verwendung eines
Demodulators implementiert bzw. verwendet werden, der ein empfangendes
Signal durch Ausführen
von Berechnungen und durch Speichern der Ergebnisse der Berechnungen
in einem Speicher demoduliert, soweit eine Maximumkapazität nicht überschritten wird,
die mittels einer mathematischen Kombination der Anzahl der Berechnungen
und gespeicherten Ergebnissen definiert wird. Während Intervalle, in denen
die Maximumkapazität
des Demodulators überschritten wird,
kann der Demodulator Löschungen
und/oder Weich-Information
ausgeben, damit sie mittels eines Decoders verwendet werden, um
das empfangende Signal während
dieser Intervalle zu decodieren und/oder demodulieren.
-
Während
die vorrangehende Beschreibung verschiedene Details und Spezifikationen
aufweist, dienen diese lediglich zum Zwecke der Darstellung, und
sie werden nicht als Einschränkungen
der vorliegenden Erfindung betrachtet.
