DE69816261T2 - Turbokodierung mit übertragung und mehrstufiger verarbeitung von daten - Google Patents

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    • H04L1/005—Iterative decoding, including iteration between signal detection and decoding operation

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Codierung in Kommunikationssystemen und insbesondere auf das Turbo-Codieren von Information in Stufen.
  • Turbo-Codierung ist in der Technik bekannt als ein anderer Begriff für parallele verkettete konvolutionelle (Faltungs-) Codierung. Genauer gesagt, beinhaltet Turbo-Codieren das zweimalige Codieren einer Informationssequenz, wobei die zweite Codierung nach einer Zufalls-Verschachtelung der Informationssequenz ausgeführt wird. Das Decodieren wird iterativ ausgeführt, und das Ergebnis ist eine sichere Kommunikation.
  • In vielen Kommunikationssystemen werden Daten in L-Bit-Paketen gesendet, wobei L üblicherweise in der Größenordnung zwischen 10 und mehreren Hundert ist. Wenn der Empfänger feststellt, dass das Paket fehlerhaft empfangen worden ist, kann eine Anforderung bestehen, die Information erneut zu senden, was als eine automatische Wiederhol-Anforderung (ARQ von Automatic Repeat Request) bezeichnet wird. Unvorteilhafterweise hat dies die Übertragung einer Gesamtzahl von 2L Bits zur Folge.
  • Dementsprechend ist es wünschenswert, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Turbo-Codieren bereitzustellen, die beim Auftreten eines Paketfehlers nicht das erneute Senden eines vollen L-Bit Paketes erfordert.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Verfahren und eine Einrichtung zum Turbo-Codieren von Informationsstufen in einem Kommunikationssystem vermeidet das erneute Senden eines vollen L-Bit Paketes beim Auftreten eines Paketfehlers. Demgemäß wird zusätzlich zu einem Satz von Codebits, die durch einen Codierer unter Verwendung eines Turbo-Codierungsschema generiert sind, ein unterbrochener bzw. gelö cherter Satz von Codebits generiert und in einem Senderspeicher gespeichert. Der ursprüngliche Satz von Codebits wird als ein L-Bit Datenpaket über einen Kanal zu einem Empfänger gesendet, der die empfangenen Datensamples gemäß dem ursprünglichen Satz von Codebits speichert. Der Empfänger decodiert das Datenpaket unter Verwendung eines Turbo-Decodierers und ermittelt, ob das Datenpaket fehlerhaft empfangen worden ist. Wenn dies der Fall ist, werden die empfangenen Datensamples im Speicher gehalten und es wird eine Anforderung für mehr Information gemacht. Ein Teil oder die gesamte gelöcherte Information wird dann von dem Sender über den Kanal zum Empfänger geliefert. Eine zweite Stufe von Turbo-Decodierung verknüpft die neuen (d. h. gelöcherten) Datensamples mit den gespeicherten ursprünglichen empfangenen Datensamples. Die Decodierung ist an diesem Punkt wahrscheinlich richtig. Es kann jedoch wünschenswert sein, drei oder mehr Sendestufen zum Decodieren zu haben, was von der Anwendung abhängt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockdiagramm und stellt ein Turbo-Codierungsschema mit einer gestuften Informationsübertragung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar;
  • 2 ist ein Blockdiagramm und stellt eine Turbo-Codierung mit gestufter Informationsübertragung unter Verwendung einer Rate 1/3 mit systematischen Codierern gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar;
  • 3 ist ein Blockdiagramm und stellt einen gestuften Codierer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar;
  • 4 ist ein Fließbild und stellt gestufte Informations-Turbo-Codierung, d. h. am Sender, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und
  • 5 ist ein Fließbild und stellt eine Stufen-Informations-Turbo-Decodierung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • 1 stellt ein Turbo-Codierungsschema mit gestufter Informations-Übertragung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. In 1 codiert ein Turbo-Codierer 12 Quellinformation unter Verwendung einer parallelen Verkettung von zwei konvolutionellen (Faltungs-) Codes im Codierer 14 und im Codierer 16, die in der Technik üblicherweise als Codierer 1 bzw. Codierer 2 bezeichnet werden. Der zweite Codierer, der Codierer 16, führt die zweite Codierung nach einer Zufalls-Verschachtelung in einem Verschachteler 18 aus.
  • Die Codebits C1 und C2 werden über einen Kanal zum Empfänger 19 übertragen. Ein Satz von Datensamples, die den ursprünglichen gesendeten Codebits C1 und C2 vom Codierer 16 bzw. Codierer 18 entsprechen, werden durch den Empfänger 19 empfangen und im Empfängerspeicher gespeichert. Ein gelöcherter Satz von Codebits P1 bzw. P2, die den Codebits C1 bzw. C2 entsprechen, wird ebenfalls durch den Codierer 12 generiert und im Senderspeicher 20 bzw. Speicher 22 gespeichert.
  • Wie in der Technik bekannt ist, übt ein Codierer einen Löcherungsprozess auf einen konvolutionellen Code aus, indem einige Ausgangsbits gemäß einem vorbestimmten Löcherungsmuster weggelassen werden, um die Rate des entstehenden Codes zu vergrößern. Der zugeordnete Decodierer im Empfänger 19 enthält eine entsprechende Entlöcherungsfunktion, die das Einsetzen eines neutralen Wertes für jedes bekannte gelöcherte Bit enthält. Die Größe des gelöcherten Satzes von Codebits wird durch die Bandbreite, Leistung und Rücksendefrequenz des Systems bestimmt:
  • Der Empfänger 19 decodiert die Daten durch Turbo-Decodieren und ermittelt, ob das Paket fehlerhaft empfangen worden ist. Wenn dies so ist, dann werden die empfangenen Datensamples, die den Codebits C1 und C2 entsprechen, im Speicher gehalten. Der Empfänger macht eine Anforderung für mehr Information, wodurch einige oder alle gespeicherten gelöcherten Bits über den Kanal zum Empfänger gesendet werden. Es wird eine zweite Stufe der Turbo-Decodierung ausgeführt, wobei die Datensamples, die gelöcherten Codebits P1 und P2 entsprechen, mit den ursprünglichen empfangenen Datensamples, die Codebits C1 und C2 entsprechen, kombiniert werden. Vorteilhafterweise ist es höchst wahrscheinlich, dass die Decodierung an diesem Punkt richtig ist, was eine höchst sichere Kommunikation zur Folge hat. Es können jedoch in Abhängigkeit von der Anwendung drei oder mehr Sendestufen der Turbo-Decodierung wünschenswert sein.
  • Turbo-Codierung beinhaltet üblicherweise die Verwendung von systematischen Faltungscodes, für die Eingangsbits direkt in dem Codeausgang erscheinen. Um die Rate von einem derartigen Code zu vergrößern, kann eine andere Form von Löcherung angewendet werden, wobei nur eine Kopie der systematischen Bits gesendet und diese Kopie von allen konvolutionellen Decodierern in dem Turbo-Decodierungsprozess verwendet wird. Der vorstehend beschriebene gestufte Übertragungsprozess kann auf diese Form der Löcherung ebenfalls angewendet werden. Genauer gesagt, wenn ein Paket fehlerhaft empfangen wird, wird eine erneute Sendung der systematischen Bits angefordert, wobei die neu empfangenen Samples auf einen oder mehr konvolutionellen Decodierer des Turbo-Decodierungs-Algorithmus angewendet werden.
  • 2 stellt ein Beispiel von Turbo-Decodierung von einem systematischen Code mit gestufter Informationsübertragung dar. In diesem Beispiel wird ein Turbo-Code mit der Rate 1/3 kreiert durch Senden des vollen Codeausgangs mit einer Rate 1/2, wobei der systematische konvolutionelle Codierer 24 die ursprüngliche Eingangssequenz bearbeitet, während nur die Paritäts-Bits von einem zweiten systematischen konvolutionellen Codierer 26, ebenfalls mit der Rate 1/2, gesendet wird, der eine verschachtelte Kopie von der Eingangssequenz bearbeitet. An einem Empfänger 29 werden die empfangenen Datensamples, die den systematischen Bits entsprechen, für beide konvolutionellen Decodierungskomponenten des Turbo-Codes verwendet. Der Empfänger for dert eine zweite Kopie von den systematischen Bits über den Speicher 30 nur dann an, wenn der erste Versuch des Decodierens einen erfassten Paketfehler zur Folge hat. Die empfangenen Datensamples, die der zweiten Kopie der systematischen Bits entsprechen, wird für die zweite konvolutionelle Decodiererkomponente verwendet. Vorteilhafterweise ist die neu angeforderte Information nur 1/3 der Anzahl von gesendeten Bits, die in dem klassischen automatischen Wiederholanforderungs(ARQ)-Schema angefordert werden.
  • 3 stellt einen gestuften Turbo-Decodierer 40 in einem Empfänger gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Die Eingabe in den Decodierer 40 wird durch einen Eingangsdaten-Selektor 42 gesteuert. Die empfangenen Datensamples, die den gesendeten Codebits entsprechen, werden in den Speicher 44 in der ersten Übertragungsstufe kopiert und werden in jeder Iteration in dem Turbo-Decodierungsprozess verwendet. Der Speicher 44 gestattet auch, dass systematische Information, die dem Codierer 1 und Codierer 2 (1 und 2) gemeinsam ist, nur einmal in der ersten Stufe der Turbo-Decodierung übertragen wird. In der ersten Decodierungsstufe wählt der Datenselektor A, wenn die Information gelöchert worden ist, und er wählt B, wenn die empfangenen Datensamples verfügbar sind. Der Speicher 44 wird durch die erste nicht-verschachtelnde Sequenz adressiert, wenn Daten des Codierers 1 bearbeitet werden, und durch die verschachtelnde Sequenz adressiert, wenn Daten des Codierers 2 bearbeitet werden.
  • Nach der ersten Stufe der Turbo-Decodierung ermittelt ein Paketfehler-Erfassungsmechanismus 50, ob die Daten richtig empfangen wurden. Ein Beispiel eines Paketfehler-Erfassungsmechanismus weist einen bekannten 16-Bit zyklischen Redundanzprüf (CRC von cyclic redundancy check)-Code auf. Wie vorstehend beschrieben wurde, wird, wenn ein Paketfehler erfasst worden ist, eine Anforderung für eine Übertragung von zuvor gelöcherter Information und/oder für einen zweiten Satz von systematischen Daten gemacht. Die neue Information wird ebenfalls in dem Speicher 44 gespeichert. Die zweite Decodierungsstufe findet dann mit mehr vollständiger Information statt; d. h. die zuvor gelöcherte Information wird mit der neuen Informationsstufe verknüpft und decodiert.
  • 4 ist ein Fließbild und stellt die Turbo-Codierung am Senderende gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Im Schritt 60 wird der erste (oder nächste) Informationsblock für den Sender bereitgestellt. Der Schritt 62 beinhaltet das Generieren und Speichern der Stufe eins Information bis Stufe N Bits. Im Schritt 64 werden Stufe i Bits gesendet. Nachdem der Empfänger ermittelt, ob ein Paketübertragungsfehler aufgetreten ist, wird eine Anzeige davon an den Sender im Schritt 66 gegeben. Wenn eine positive Bestätigung (d. h. eine Anzeige von keinem Fehler) gegeben wird, kehrt der Prozess zum Schritt 60 zurück, wobei der nächste Informationsblock an den Sender geliefert wird. Wenn ein Fehler angezeigt wird (d. h. keine positive Bestätigung), dann wird die Übertragungsstufe i inkrementiert und der Prozess kehrt zum Schritt 64 zurück. Der Prozess setzt sich fort durch Inkrementieren der Informationsstufe eins, bis eine positive Bestätigung gemacht ist.
  • 5 ist ein Fließbild, das eine gestufte Turbo-Decodierung, d. h. am Empfängerende, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Im Schritt 70 wird die Decodierungsstufe i auf eins (1) gesetzt. Im Schritt 72 werden Datensamples empfangen und im Schritt 74 werden die empfangenen Datensamples im Speicher gespeichert. Eine Turbo-Decodierung wird im Schritt 76 ausgeführt, und eine Ermittlung über einen Paketfehler wird im Schritt 78 gemacht. Wenn nein, dann wird eine positive Bestätigung an den Empfänger im Schritt 80 gegeben. Wenn jedoch im Schritt 78 ein Paketfehler angezeigt wird, dann wird die Turbo-Decodierungsstufe i im Schritt 82 inkrementiert. Im Schritt 84 wird eine Abfrage gemacht um zu ermitteln, ob ein vorbestimmter Grenzwert bei der Anzahl von Turbo-Decodierungsstufen (Max) er reicht worden ist. Wenn dies der Fall ist, dann wird eine Aufforderung zum Neustart des Turbo-Decodierungsprozesses im Schritt 86 gemacht. Anderenfalls wird eine Aufforderung für die Turbo-Decodierung der Stufe i im Schritt 88 gemacht und der Prozess kehrt zum Schritt 72 zurück.
  • Es sind hier zwar bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt und beschrieben worden, es ist aber klar, dass dies nur Ausführungsbeispiele sind. Für den Fachmann ergeben sich zahlreiche Variationen, Änderungen und Substitutionen, ohne von der Erfindung abzuweichen. Demzufolge soll die Erfindung nur durch den Erfindungsgedanken und den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche begrenzt sein.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Turbo-Codieren in einem Kommunikationssystem, enthaltend: Turbo-Codieren von Quellinformation unter Verwendung einer parallelen Verkettung von ersten und zweiten Faltungscodes, wobei der Turbo-Codierungsschrittschritt erste und zweite Codierungsschritte enthält, wobei der erste Codierungsschritt den ersten Faltungscode auf die Quellinformation anwendet, um eine erste Gruppe von Codebits zu bilden, und der zweite Codierungsschritt den zweiten Faltungscode auf die Quellinformation nach dem Verschachteln der Quellinformation anwendet, um eine zweite Gruppe von Codebits zu bilden, Löchern der ersten und zweiten Gruppen von Codebits, Speichern der gelöcherten ersten und zweiten Gruppen von Codebits, Senden der ersten und zweiten Gruppen von ungelöcherten Codebits zu einem Empfänger über einen Kanal, Speichern von Datensamples, die den ersten und zweiten Gruppen von ungelöcherten Codebits entsprechen, im Speicher, Turbo-Dekodieren der Datensamples, die den ersten und zweiten Gruppen von Codebits entsprechen, in wenigstens zwei Dekodierungsstufen und Ermitteln, ob die gesendeten Codebits fehlerhaft empfangen worden sind, wenn ein Übertragungsfehler detektiert wird, Beibehalten der Datensamples, die den ersten und zweiten Gruppen von ungelöcherten Codebits entsprechen, im Speicher und Senden wenigstens eines Teils der gespeicherten gelöcherten Codebits an den Empfänger, und dann Turbo-Decodieren in wenigstens zwei Stufen durch Kombinieren der Datensamples, die den ersten und zweiten Gruppen von nicht gelöcherten Codebits entsprechen, mit Datensamples, die den gesendeten gelöcherten Codebits entsprechen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Löcherungsschritt enthält, daß Codebits nach einem vorbestimmten Löcherungsmuster weggelassen werden, und der Turbo-Decodierungsschritt eine Entlöcherungsfunktion zum Einsetzen neutraler Werte für die gelöcherten Bits enthält.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Faltungscodes systematische Faltungscodes enthalten.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Löcherungsschritt enthält, daß eine einzige Kopie der ersten und zweiten Codebits gesendet wird, wobei die Kopie in jeder Turbo-Decodierungsstufe verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ermittlungsschritt, ob die Codebits fehlerhaft empfangen worden sind, einen zyklischen 16-Bit Redundanz-Prüfcode enthält.
  6. Kommunikationssystem enthaltend: einen Sender enthaltend: einen Turbo-Codierer zum Turbo-Codieren von Quellinformation, wobei der Turbo-Codierer eine parallele Verkettung von ersten und zweiten Faltungscodes enthält, wobei der Turbo-Codierer den ersten Faltungscode auf die Quellinformation anwendet, um eine erste Gruppe von Codebits zu bilden, und den zweiten Faltungscode auf die Quellinformation nach dem Verschachteln der Quellinformation anwendet, um eine zweite Gruppe von Codebits zu bilden, eine Löcherungseinheit zum Löchern der ersten und zweiten Gruppen von Codebits, einen Speicher zum Speichern der gelöcherten ersten und zweiten Gruppen von Codebits, wobei der Sender die ersten und zweiten Gruppen von ungelöcherten Codebits über einen Kanal an einen Empfänger sendet, wobei der Empfänger enthält: einen Speicher zum Speichern von Datensamples, die den ersten und zweiten Gruppen von nicht gelöcherten Codebits entsprechen, einen Turbo-Decodierer zum Turbo-Decodieren der Datensamples, die den ersten und zweiten Gruppen von Codebits entsprechen, in wenigstens zwei Decodierstufen und Ermitteln, ob die gesendeten Codebits fehlerhaft empfangen worden sind, wobei der Turbo-Decodierer bei Detektion eines Übertragungsfehlers die Datensamples, die den ersten und zweiten Gruppen von nicht gelöcherten Codebits entsprechen, im Speicher hält und eine Übertragung von wenigstens einem vorbestimmten Teil der gespeicherten gelöcherten Codebits an den Empfänger anfordert, wobei der Turbo-Decodierer dann in wenigstens zwei Stufen turbo-decodiert durch Kombinieren der Datensamples, die den ersten und zweiten Gruppen von ungelöcherten Codebits entsprechen, mit Datensamples, die den gesendeten gelöcherten Codebits entsprechen.
  7. System nach Anspruch 6, wobei die Löcherungseinheit Codebits nach einem vorbestimmten Löcherungsmuster weglässt und der Decodierer neutrale Werte für die gelöcherten Bits einsetzt.
  8. System nach Anspruch 6, wobei die ersten und zweiten Faltungscodes systematische Faltungscodes enthalten.
  9. System nach Anspruch 6, wobei die Löcherungseinheit eine einzige Kopie der ersten und zweiten Codebits sendet, wobei die Kopie in jeder Turbo-Decodierungsstufe verwendet wird.
  10. System nach Anspruch 6, wobei der Decodierer ermittelt, ob die Codebits fehlerhaft ermittelt worden sind, durch Verwendung eines zyklischen 16-Bit Redundanz-Prüfcodes.
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