JP2012170062A - 通信システムにおいてデータパケット内の検出不可能な誤りを最小にする方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パケット内の検出不可能な誤りが、各パケット内のＣＲＣを検証し、ＣＲＣフラグを０にセットして成功を示し、ＣＲＣフラグを１にセットして失敗を示すことによって最小にされる。
【解決手段】パケットのセット内の少なくとも１つのパケットが失敗した場合、パケットごとに、失敗したパケットを、ＣＲＣ検証に合格した１つのパケットと比較することによって誤りパターンＥを生成し、この誤りパターンを既知の誤りパターンのセットと比較する。次に、差が所定の閾値未満の場合、ＣＲＣフラグを０にセットして成功を示し、各パケットのペイロードおよびＣＲＣをアプリケーションに送信し、そうでない場合、ＣＲＣフラグを１にセットして失敗を示す。
【選択図】図２Ａ

Description

この発明は、包括的にはデジタル通信に関し、より詳細には、データパケット内の検出不可能な誤りを最小にすることによる、輸送システムなどのセーフティアプリケーションにおける信頼性のある通信に関する。

セーフティアプリケーション内の通信システムは、高い信頼性を要求する。検出不可能な誤りの確率Ｐ_ｕｅが低いことを保証するために、多くの場合に誤り検出符号が用いられる。巡回冗長検査（ＣＲＣ）は１つの一般的な誤り検出符号である。本明細書において、用語ＣＲＣは、符号並びにこの符号を生成および検証する機能の双方のために用いられる。

図１は、セーフティアプリケーション１０５のための従来の通信システム１０１を示している。セーフティアプリケーションは、エレベータシステム、航空機などの輸送システム、または高い信頼性を必要とする任意の他のシステムに組み込むことができる。

アプリケーション１０５によってペイロード１１０が生成される。送信機１０２がＣＲＣを生成し、このＣＲＣをパケット内のペイロードに付加する。パケット１１１は符号化されて、符号化パケット１１２にされる。符号化パケット１１２は変調されて、変調パケット１１３にされ、変調パケット１１３は雑音のあるチャネル１０４を通して送信される。

受信機１０３は変調された受信パケット１２３を受信し、この受信パケットを復調して復調パケット１２２にする。復調パケットは誤り訂正復号器によって復号され、復号パケット１２１にされる。復号パケットはＣＲＣ検証を通される。ＣＲＣが成功すると、ＣＲＣフラグ１２８は０にセットされ、ペイロードおよびＣＲＣフラグがアプリケーション１０５に渡される。誤りが検出されると、ＣＲＣフラグ１２９は１にセットされ、受信機によって、再送信要求などの適切な動作がとられる。この場合、アプリケーションは誤りを含むペイロードを受信しない。

ＣＲＣは、確率Ｐ_ｕｅが０であることを保証することができない。線形誤り検出符号の場合、ペイロード内の誤りパターンが有効な符号語であるとき、検出不可能な誤りが発生する可能性がある。

検出不可能な誤りは稀ではあるが、セーフティアプリケーションにおいて極度に有害であり、危険なオペレーションおよび大惨事を引き起こす可能性がある。したがって、検出不可能な誤りの確率Ｐ_ｕｅを最小にするように通信システムを設計することが極めて重要である。

高い信頼性および低いパケット損失率を提供する通信システムは、通常、時間領域、周波数領域、空間領域、および／または符号領域における冗長送信を用いる。

従来から、受信機は、送信のうちの少なくとも１つがＣＲＣに合格した場合、パケット配信を成功とみなす。パケット配信は、すべての送信および再送信が成功しなかった場合にのみ失敗する。

そのようなメカニズムは、高い確率Ｐ_ｕｅに起因して、セーフティアプリケーションに必要とされる要件を満たしていない場合がある。

したがって、セーフティアプリケーションにおいて、通信システムにおける検出不可能な誤りの確率Ｐ_ｕｅを最小にすることが所望されている。

この発明の実施の形態は、パケットのセットから受信した情報を組み合わせて、セーフティアプリケーションとともに用いられる通信システムにおける受信パケット内の検出不可能な誤りの確率Ｐ_ｕｅを最小にする方法を提供する。この発明の実施の形態は、高い信頼性を必要とする他のシステムにおいても遂行可能なことが理解される。

受信パケットのセットがＣＲＣに合格した場合、受信機はすべてのパケットのＣＲＣを比較してＣＲＣが一致することを保証する。

いくつかのパケットが成功し、少なくとも１つのパケットが失敗した場合、受信機は、成功したパケットから失敗したパケットの誤りパターンを生成し、失敗したパケットのパターンを既知の誤りパターンのセットと比較して検出不可能な誤りの確率を求める。検出不可能な誤りの確率が正しい受信の確率よりも大きい場合、ペイロードはアプリケーションに渡されず、ＣＲＣが１にセットされて、アプリケーションに対し受信の失敗を示す。そうではなく、ＣＲＣが検証された場合、ＣＲＣフラグが０にセットされ、ペイロードおよびＣＲＣフラグがアプリケーションに渡される。

この発明によれば、セーフティアプリケーションとともに用いられる通信システムにおける受信パケット内の検出不可能な誤りの確率Ｐ_ｕｅを最小にすることができる。

従来のセーフティアプリケーションにおける通信システムの概略図である。 この発明の実施の形態１による、双方の送信が成功したときの受信の概略図である。 この発明の実施の形態１による、双方の送信が失敗したときの受信失敗の概略図である。 この発明の実施の形態１による、１つの送信が成功し、１つの送信が失敗したときの受信の概略図である。 この発明の別の実施の形態１による、１つの送信が成功し、１つの送信が失敗したときの受信の概略図である。

この説明を簡単にするために、セーフティアプリケーションにおける通信システム内の受信機にパケットのセットを送信するための、対応する第１の送信および対応する第２の送信を伴う２つのパケットのセットを用いる。受信機において、復号パケットのセットは、パケットｒ_ａおよびパケットｒ_ｂを含む。パケットの更なる送信を用いることができること、すなわち、セットは３つ以上のパケットを含むことができることが理解される。各パケットはペイロードおよび巡回冗長検査（ＣＲＣ）を含む。いくつかの用途において、パケット内のビットが送信間で変化する可能性があること、たとえば再送信フラグがセットされるか、またはシーケンス番号がインクリメントされることも理解される。

図２Ａに示すように、双方の復号パケットｒ_ａおよびｒ_ｂ内のＣＲＣを検証することができる（

）。受信機は、２つのパケットのＣＲＣを比較する（２１０）。同一である場合、受信機はフラグを０にセットし、ペイロードおよびＣＲＣフラグをアプリケーションに渡す。異なる場合、受信機はフラグを１にセットし、パケット配信は失敗し、ＣＲＣフラグのみがアプリケーションに渡される。

パケットの３つ以上の送信および再送信の場合、多数決に従って訂正を行うことができる。

図２Ｂに示すように、双方の復号パケットがＣＲＣ検証に失敗する（Ｘ）場合、受信機はＣＲＣフラグを１にセットし、パケット配信は失敗し、ＣＲＣフラグのみがアプリケーションに渡される。

図３に示すように、一方の送信がＣＲＣ検証に失敗し（Ｘ）、他方の送信がＣＲＣに合格する。すなわち、ＣＲＣはセット内の少なくとも１つのパケットにおいて検証することができない。受信機は最初に、ＣＲＣ検証に失敗したパケットごとに、このＣＲＣ検証に失敗したパケットと、ＣＲＣ検証に合格したパケットとを比較する（３９９）ことによって誤りパターンＥを生成する。復号メッセージが２値数列である場合、この比較は２つのパケット内のビットの排他的ＯＲ（ＸＯＲ）によって実行することができる。

誤りパターンＥは既知の誤りパターンのセット｛Ｔ_ｘ｝と比較される。ここで、下付きのインデックスは範囲［０，Ｋ］内にある。Ｔ_０は全ゼロパターンであり、他のＫ個のパターンは、所定の値ｊよりも小さな重みを有するすべての有効な符号語を含む。

比較することによって、誤りパターンと既知の誤りパターンとの間の差が本質的に求められる。差は、距離または確率として表すことができる。距離が、アプリケーションによってセットされた所定の閾値未満である場合、検証は成功し、そうでない場合、検証は失敗する。

距離に基づく差
１つの実施形態では、誤りパターンＥ３１０と既知の誤りパターンＴ_ｘ３１１との間の距離Ｄ_ｘが、すべてのｘ∈［０，Ｋ］について求められる（３２０）。ここで、Ｄ_ｘ＝‖Ｅ−Ｔ_ｘ‖である。ハミング距離またはレーベンシュタイン距離などの多数の距離測定が当該技術分野において既知である。

距離Ｄ_０が最小距離である場合、受信機は成功を示し、ＣＲＣフラグを０にセットし、ペイロードおよびＣＲＣフラグをアプリケーションに渡す。Ｄ_０が最小距離より大きい場合、受信機は失敗を宣言し、ＣＲＣフラグを１にセットし、ＣＲＣフラグのみをアプリケーションに渡す。

確率に基づく差
復号器が軟出力を生成することが可能である場合、復号シーケンスｒ_ａおよびｒ_ｂは、２値数列の代わりに実数列とすることができる。比較器３９９によって軟誤りパターンＥ３１０を計算することができる。次に、条件付き確率Ｐｒ（Ｔ_ｘ｜Ｅ）を求めることができる。条件付き確率Ｐｒ（Ｔ_０｜Ｅ）が最大確率である場合、受信機は成功を宣言し、フラグを０にセットし、ペイロードおよびＣＲＣフラグをアプリケーションに渡す。Ｐｒ（Ｔ_０｜Ｅ）が最大確率未満である場合、受信機は失敗を宣言し、ＣＲＣフラグを１にセットし、ＣＲＣフラグのみをアプリケーションに渡す。

例として、軟誤りパターンＥをガウス分布としてモデリングすることができる場合、Ｐｒ（Ｔ_ｘ｜Ｅ）は以下のように書くことができる。

ここで、Ｅ（ｎ）はＥのｎ番目の要素であり、Ｔ_ｘ（ｎ）はＴ_ｘのｎ番目の要素であり、σ^２はＥの分散である。

図４は、この発明の別の実施形態を示しており、チャネルコーディングに系統的な符号が用いられている場合、復調パケット１２２は、ＣＲＣ検証に失敗したパケットの場合の比較器３９９への入力として直接用いることができる。ＣＲＣ検査に合格したパケットの場合、復号されたペイロードが比較器３９９への他方の入力である。同様に、軟誤りパターンＥを比較器によって生成することができる。

いくつかの用途では、パケットのペイロード内の或る特定のビット（フィールド）は送信間で変化すること、たとえば再送信フラグがセットされるか、またはシーケンス番号がインクリメントされることが知られている。そのような場合、２つの復号パケットを直接比較することは不可能である。しかし、ペイロード内の変更されたビットの数は通常非常に少なく、またそれらのビットは確定しており既知であるので、受信機は復号パケットを取得し、それに従って既知のビットを変更し、ＣＲＣを再生成して変更されたパケットを生成することができる。次に、受信機は変更されたパケットと失敗したパケットとを比較して、誤りパターンＥを生成する。

セット｛Ｔ_ｘ｝内の符号語は、以下の観測に基づいて選択される。ＣＲＣは線形符号であり、したがって、２つの有効な符号語ｃの差もまた有効な符号語である。すなわち、ｃ_ｉ，ｊ≡ｃ_ｉ−ｃ_ｊ∈Ｃである。したがって、検出不可能な誤りを有する復号パケットは基本的に、元の符号語に誤りを含む符号語を重ね合わせたものであり、これも有効な符号語である。

ρをビット誤り確率とすると、Ｐ_ｕｅは

である。ここで、ｗ_ｄは重みｄを有するＣＲＣ符号語の数であり、ＮはＣＲＣ符号長であり、ｄ_ｍｉｎは符号語の最小距離である。ρが小さい場合、Ｐ_ｕｅはｊ以下の重みを有する符号語によって決定付けられ、すなわち以下となる。

ここで、ｊの値に依拠して、δは任意に小さくすることができる。

ｊ以下の重みを有する符号語の総数は非常に限られている。様々なＣＲＣの重み分布は当業者に既知である。最も一般的に用いられるＣＲＣ長は、９ビット（ＣＲＣ−８）、１７ビット（ＣＲＣ−１６）、３３ビット（ＣＲＣ−３２）、および６５ビット（ＣＲＣ−６４）である。

したがって、ｊを超えない重みを有するすべてのＣＲＣ符号語を選択することによって、既知の誤りパターンのセット｛Ｔ_ｘ｝を構築することができる。ｊの重み上限は、用途によって指定される確率Ｐ_ｕｅに基づいて選択される。

この発明を好ましい実施の形態の例として説明してきたが、この発明の趣旨および範囲内で様々な他の適応および変更を行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、この発明の真の趣旨および範囲内に入るすべての変形および変更を包含することである。

Claims (7)

1. アプリケーションの通信システムの受信機において受信されるパケットのセット内の検出不可能な誤りを最小にする方法であって、前記各パケットはペイロードおよび巡回冗長検査（ＣＲＣ）を含み、前記方法は、
   パケットのセットを受信するステップと、
   前記各パケット内の前記ＣＲＣを検証するステップと、
   前記各ＣＲＣが検証された場合、ＣＲＣフラグを０にセットして成功を示し、前記各パケットの前記ペイロードおよび前記ＣＲＣフラグを前記アプリケーションに渡す、セットして渡すステップと、
   すべての前記パケットが前記検証に失敗した場合、前記ＣＲＣフラグを１にセットして前記検証の失敗を示し、前記ＣＲＣフラグのみを前記アプリケーションに渡す、セットして渡すステップと、
   を含み、前記パケットのセット内の少なくとも１つのパケットが前記検証に失敗した場合、
   前記ＣＲＣ検証に失敗した前記パケットごとに、前記ＣＲＣ検証に失敗した前記各パケットを前記ＣＲＣ検証に合格した１つのパケットと比較することによって誤りパターン（Ｅ）を生成するステップと、
   前記誤りパターンを既知の誤りパターンのセット｛Ｔ_ｘ｝と比較するステップであって、ここで、下付きのインデックスは範囲［０，Ｋ］内にあり、Ｔ_０は全ゼロパターンであり、他のＫ個のパターンは、所定の値未満の重みを有するすべての有効な符号語を含む、比較するステップと、
   差が所定の閾値未満である場合、ＣＲＣフラグを０にセットして成功を示し、前記各パケットの前記ペイロードおよび前記ＣＲＣフラグを前記アプリケーションに渡し、そうでない場合、前記ＣＲＣフラグを１にセットして前記検証の失敗を示し、前記ＣＲＣフラグのみを前記アプリケーションに渡す、セットして渡すステップと、
   をさらに含み、前記ステップは前記受信機において実行される、アプリケーションの通信システムの受信機において受信されるパケットのセット内の検出不可能な誤りを最小にする方法。
2. 前記生成するステップは、前記ＣＲＣ検証に失敗した前記パケットと、前記検証に合格した前記１つのパケットとの間の排他的ＯＲによって実行される、請求項１に記載の方法。
3. 前記既知の誤りパターンのセットは、全ゼロパターン、および所定の値以下の重みを有する前記ペイロードに対応するすべての有効な符号語を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記差は、前記失敗したパケットの前記誤りパターンと前記既知の誤りパターンのセットとの間の距離である、請求項１に記載の方法。
5. 前記差は、前記失敗したパケットの前記誤りパターンと、前記既知の誤りパターンのセットとの間の条件付き確率である、請求項１に記載の方法。
6. 前記条件付き確率は
   

   

   であり、ここで、Ｔ_ｘは前記既知の誤りパターンのセットであり、Ｅは前記検証に失敗した前記パケットの前記誤りパターンであり、ｎは前記既知の誤りパターンのセットへのインデックスであり、σ^２はＥの分散である、請求項１に記載の方法。
7. 前記各パケット内の、変化することが知られている前記ペイロード内のビットを変更するステップと、
   前記変更されたペイロードの前記ＣＲＣを再生成して変更されたパケットを生成する、再生成するステップと、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。

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