VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM WIEDERGEWINNEN EINES CODEWORTS AUS EINEM EMPFANGENEN, FEHLERHAFTEN CODEWORT, VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM ERZEUGEN EINES CODEWORTS, UND ÜBERTRAGUNGSSYSTEM METHOD AND DEVICE FOR RECOVERING A CODE WORD FROM A RECEIVED, ERROR CODE WORD, METHOD AND DEVICE FOR GENERATING A CODE WORD, AND TRANSMISSION SYSTEM
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Wiedergewinnen von Codeworten aus einem empfangenen, fehlerhaften Codewort, und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Wiedergewinnen eines Codeworts, welches über ein verlustbehaftetes paketorientiertes Verbindungsnetz übertragen wurde und eine Mehrzahl von Paketen aufweist. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Mehrzahl von Paketen zur Übertragung über ein paketorientiertes Verbindungsnetzwerk sowie auf ein Übertragungssystem. Die vorliegende Erfindung eig- net sich insbesondere zur Übertragung von Multimediadaten über einen verlustbehafteten Kanal, wobei insbesondere Kanäle in Betracht kommen, bei denen sowohl Paketverluste als auch einzelne, zufällig verteilte Bitfehler in dem Datenstrom auftreten.The present invention relates to a method and apparatus for recovering code words from a received defective code word, and more particularly to a method and apparatus for recovering a code word transmitted over a lossy packet-oriented connection network and comprising a plurality of packets , Furthermore, the present invention relates to a method and to an apparatus for generating a plurality of packets for transmission over a packet-oriented connection network and to a transmission system. The present invention is particularly suitable for the transmission of multimedia data via a lossy channel, channels in particular being considered in which both packet losses and individual, randomly distributed bit errors occur in the data stream.
Bei der Übertragung von Multimediadaten, also von Sprachdaten, Bilddaten, Videodaten und Audiodaten, geht der Trend bei der Entwicklung von zukünftigen Kommunikationssystemen weg von der verbindungsorientierten Übertragung hin zu ei- ner paketorientierten Übertragung. Dies bedeutet, dass für eine Verbindung zwischen zwei Kommunikationspartnern nicht mehr exklusiv eine dauerhafte Verbindung geschaltet wird, sondern dass alle Teilnehmer alle Leitungen gemeinsam nutzen. Hierzu ist es erforderlich, dass der Datenstrom eines Teilnehmers in Pakete aufgeteilt wird und die aufgeteilten Pakete sequentiell an den Empfänger geschickt werden. Das einzelne Paket sucht sich in dem Netzwerk selbständig seinen Weg zum Empfänger.
In solchen Netzen können die folgenden Effekte auftreten:In the transmission of multimedia data, that is to say voice data, image data, video data and audio data, the trend in the development of future communication systems is moving away from connection-oriented transmission towards packet-oriented transmission. This means that a permanent connection is no longer switched exclusively for a connection between two communication partners, but that all participants use all lines together. To do this, it is necessary that the data stream of a subscriber is divided into packets and the divided packets are sent sequentially to the recipient. The individual packet independently searches for its way to the recipient in the network. The following effects can occur in such networks:
Paketverluste, z.B. aufgrund überlasteter Netzknoten,Packet losses, e.g. due to overloaded network nodes,
unterschiedliche Laufzeiten der einzelnen Pakete, da nicht garantiert ist, dass alle Pakete den gleichen Weg in dem Netz wählen, unddifferent transit times of the individual packets, since it is not guaranteed that all packets choose the same route in the network, and
- ein empfangenes Paket enthält mit hoher Sicherheit keine Bitfehler.- a received packet contains with high certainty no bit errors.
Nachfolgend sei die paketbasierte Übertragung von Multimediadaten über ein KommunikationsSystem betrachtet, welches zum aus einem leitungsgebundenen Kernnetz (Festnetz) und einem Funknetz (Mobilnetz) besteht. Das Kernnetz übernimmt die Überbrückung großer Distanzen, während das Funknetz die drahtlose Erreichbarkeit eines mobilen Teilnehmers auf der „letzten Meile" gewährleistet.The packet-based transmission of multimedia data via a communication system, which consists of a line-bound core network (fixed network) and a radio network (mobile network), is considered below. The core network bridges long distances, while the radio network ensures that a mobile subscriber can be reached wirelessly on the "last mile".
Ein konkretes Beispiel für ein solches Übertragungssystem wäre z. B. die Kombination des Internets mit einem modernen Mobilfunksystem, z. B. GSM-GPRS/UMTS, was oft auch als mobiles Internet bezeichnet wird.A concrete example of such a transmission system would be e.g. B. the combination of the Internet with a modern mobile radio system, e.g. B. GSM-GPRS / UMTS, which is often referred to as mobile Internet.
Bei der Übertragung von Multimediadaten über ein solches Datennetz treten folgende Effekte auf:The following effects occur when transmitting multimedia data over such a data network:
Paketverluste in dem Kernnetz, da Knotenpunkte des Kernnetzes überlastet sein können oder einzelne Pakete nicht rechtzeitig an dem Empfänger ankommen, undPacket losses in the core network, since nodes of the core network may be overloaded or individual packets may not arrive at the recipient in time, and
Bitfehler bei der Übertragung durch das Funknetz.Bit error in the transmission through the radio network.
Bei einem solchen Kommunikationssystem ist der Empfänger somit mit einem Datenstrom konfrontiert, bei dem zum einen Pakete fehlen können und zum anderen empfangene Pakete einzelne Bitfehler enthalten können.
Bei der Übertragung von Multimediadaten über ein System des oben genannten Typs existieren im Stand der Technik verschiedene Verfahren, die im wesentlichen in die nachfolgend näher erläuterten fünf Klassen eingeteilt werden können.In such a communication system, the receiver is thus confronted with a data stream in which packets may be missing on the one hand and packets received on the other hand may contain individual bit errors. When transmitting multimedia data via a system of the type mentioned above, there are various methods in the prior art which can essentially be divided into the five classes explained in more detail below.
I. Fehlerverschleierung bei dem Empfänger:I. Error concealment at the recipient:
Verfahren dieser Klasse zielen darauf ab, die Übertragungsfehler auf der Empfängerseite zu erkennen und durch eine geeignete Signalinterpolation zu verschleiern. Diese Verfahren liefern zwar sehr gute Ergebnisse bei geringen Bitfehlerraten oder einzelnen Paketverlusten, versagen jedoch meist bei höheren Bitfehlerraten sowie beim mehrfach aufeinanderfolgenden Paketverlusten .Methods of this class aim to recognize the transmission errors on the receiver side and to conceal them by means of a suitable signal interpolation. Although these methods deliver very good results with low bit error rates or individual packet losses, they usually fail with higher bit error rates and with successive packet losses.
Ein Beispiel für ein solches Verfahren ist beispielsweise in ITU-T Recommenda tion G. 111 - Appendix 1, „A high quality low-complexi ty algorithm for packet loss concealment with G. 711 " , ITU-U, 1988 beschriebenAn example of such a method is described, for example, in ITU-T Recommendation G. 111 - Appendix 1, "A high quality low-complex algorithm for packet loss concealment with G. 711", ITU-U, 1988
II. Interleaving/Multiplexing bei dem Sender: Verfahren dieser Klasse spreizen vor der Übertragung die Daten eines Pakets über mehrere Pakete (Interleaving) oder Bündeln die Datenströme mehrerer Teilnehmer (Multiplexing) . Damit verbunden ist eine verzögerte Übertragung der DatenII. Interleaving / Multiplexing at the Sender: Methods of this class spread the data of a packet over several packets (interleaving) or bundle the data streams of several participants (multiplexing) before transmission. This is associated with a delayed transmission of the data
(Pufferung) . Dies kann insbesondere bei dialogorientierter(Buffering). This can be especially the case with dialog-oriented
Datenübertragung, z. B. Telephonie, zu nicht-tolerierbarenData transmission, e.g. B. Telephony, too intolerable
Verzögerungen führen. Diese Verfahren eignen sich besonders zur Übertragung über Paketverlustkanäle, da ein bei der Ü- bertragung verlorengegangenes Paket (Bündelfehler) zu einzelnen, verteilten Bitfehlern in dem Datenstrom führt, welche dann gut mit dem oben beschriebenen Fehlerverschleierungsverfahren verschleiert bzw. mit dem nachfolgend beschriebenen Kanalcodierungsverfahren korrigiert werden kön- nen.Lead to delays. These methods are particularly suitable for transmission via packet loss channels, since a packet lost during transmission (bundle errors) leads to individual, distributed bit errors in the data stream, which are then well masked using the error concealment method described above or corrected using the channel coding method described below can.
Ein Beispiel für ein solches Verfahren wird von S. V. Anderson , u . a . , „Mul tiplexed Predictive Coding of Speech " in
Proc. Of ICASSP 2001 , Sal t Lake City, Utah , May 2001 , Vol . III, Sei ten 741 bis 744 beschrieben.An example of such a method is given by SV Anderson, et al. a. , "Mul tiplexed Predictive Coding of Speech" in Proc. Of ICASSP 2001, Sal t Lake City, Utah, May 2001, Vol. III, Be described 741 to 744 th
III. Kanalcodierung: Verfahren dieser Klasse fügen bei dem Sender gezielt eine Redundanz (Kanalcodierung) in den Datenstrom ein, mit deren Hilfe an dem Empfänger Übertragungsfehler erkannt und korrigiert werden können.III. Channel coding: Methods of this class specifically insert redundancy (channel coding) into the data stream at the transmitter, which can be used to detect and correct transmission errors at the receiver.
Ein Beispiel für dieses Verfahren ist z.B. von M. Luby, u . a . „Practical Loss Resilient Codes" in Proc . 9th Annual ACM-SIAM Symposium on Discrete Algorithms, January 1998 beschrieben.An example of this method is e.g. by M. Luby, u. a. "Practical Loss Resilient Codes" in Proc. 9th Annual ACM-SIAM Symposium on Discrete Algorithms, January 1998.
IV. Mehrfache Beschreibungen (Multiple Descriptions) :IV. Multiple Descriptions:
Verfahren dieser Klasse erzeugen aus einem Datenpaket mehrere, üblicherweise zwei, Beschreibungen desselben. Wird nun nur ein Teil der Beschreibungen empfangen, kann eine Decodierung mit verminderter Qualität erfolgen. Werden alle Beschreibungen empfangen, erfolgt die Decodierung in der ursprünglichen Qualität. Diese Verfahren eignen sich vor allem zur Übertragung über Paketverlustkanäle, haben bisher jedoch wenig Anwendung gefunden.Methods of this class generate several, usually two, descriptions of the same from a data packet. If only a part of the descriptions is now received, decoding with reduced quality can take place. If all descriptions are received, the decoding takes place in the original quality. These methods are particularly suitable for transmission via packet loss channels, but have so far found little use.
Ein solches Verfahren wird beispielsweise von W. Jiang, u . a . „Mul tiple description speech coding for robust commu- nication over lossy packet networks " , in International Conference on Mul timedia and Expo, New York, NY, USA, August 2000, Vol . II, Seiten 444-447 beschrieben.Such a method is described, for example, by W. Jiang, et al. a. "Multiple description speech coding for robust communication over lossy packet networks", described in International Conference on Multimedia and Expo, New York, NY, USA, August 2000, Vol. II, pages 444-447.
V. ARQ-Verfahren:V. ARQ procedure:
Verfahren dieser Klasse erkennen auf der Empfängerseite verlorengegangene Pakete und fordern diese erneut bei dem Sender an. Dies erfordert einen Rückkanal von dem Empfänger zu dem Sender. Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren besteht darin, dass eine erhebliche Verzögerung entsteht, bis alle Pakete tatsächlich empfangen werden konnten.
Ein Beispiel für ein solches Verfahren ist von J. Hagenau- er , „Rate-Compa tible Punctured Convolutional Codes (RCPC Codes) and their Applications" , IEEE Transactions on Communications, Vol . 36, Nr. 4 , S . 389-400, April 1988 beschrie- ben.Methods of this class recognize lost packets on the receiver side and request them again from the sender. This requires a return channel from the receiver to the transmitter. Another disadvantage of these methods is that there is a considerable delay until all packets have actually been received. An example of such a method is by J. Hagenauer, "Rate-Compatible Punctured Convolutional Codes (RCPC Codes) and their Applications", IEEE Transactions on Communications, Vol. 36, No. 4, pp. 389-400, April 1988.
Abhängig von der spezifischen Anwendung ist es auch möglich, die oben näher beschriebenen Verfahren miteinander zu kombinieren.Depending on the specific application, it is also possible to combine the processes described in more detail above.
Der Nachteil der oben beschriebenen Verfahren besteht darin, dass diese entweder bei hohen Bitfehlerraten nicht mehr für die erforderliche Korrektur sorgen können, zu nicht- tolerierbaren Verzögerungen führen oder keine sichere Über- tragung ermöglichen.The disadvantage of the above-described methods is that they can either no longer provide the necessary correction at high bit error rates, lead to intolerable delays or do not allow secure transmission.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, auf vereinfachte Art und Weise eine sichere Übertragung von Daten mit einer ver- besserten Qualität zu ermöglichen.On the basis of this prior art, the present invention is based on the object of making it possible to transmit data with improved quality in a simplified manner in a simplified manner.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 11, ein Verfahren gemäß Anspruch 21, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 22 sowie durch ein Übertragungssystem gemäß Anspruch 25 gelöst.This object is achieved by a method according to claim 1, a device according to claim 11, a method according to claim 21, a device according to claim 22 and a transmission system according to claim 25.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Wiedergewinnen eines Codeworts aus einem empfangenen, fehlerbehafteten Codewort, wobei ein Codewort Codeeinheiten umfasst und mittels eines Redundanzcodes aus einem oder mehreren Informationseinheiten abgeleitet ist, mit folgenden Schritten:The present invention provides a method for recovering a code word from a received, faulty code word, wherein a code word comprises code units and is derived from one or more information units by means of a redundancy code, with the following steps:
(a) Empfangen des Codeworts;(a) receiving the code word;
(b) Bestimmen einer fehlerhaften oder nicht-vorhandenen Codeeinheit in dem Codewort;
(c) ansprechend auf die im Schritt (b) bestimmte fehlerhafte oder nicht-vorhandene Codeeinheit, Einstellen eines Depunktierungsmusters; und(b) determining a defective or non-existent code unit in the code word; (c) in response to the defective or non-existing code unit determined in step (b), setting a depuncturing pattern; and
(d) Depunktieren des empfangenen, fehlerhaften Codeworts mittels des eingestellten Depunktierungsmusters, so dass die fehlerhafte oder nicht-vorhandene Codeeinheit in dem Codewort depunktiert wird.(d) Depuncturing the received, defective code word by means of the set depuncturing pattern, so that the defective or non-existing code unit is depunctured in the code word.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Wiedergewinnen eines Codeworts aus einem empfangenen, fehlerhaften Codewort, wobei ein Codewort eine Mehrzahl von Codeeinheiten umfasst und mittels eines Redundanzcodes erzeugt wurde, mitThe present invention also provides a device for recovering a code word from a received, incorrect code word, wherein a code word comprises a plurality of code units and was generated by means of a redundancy code
einer Signalverarbeitungseinheit, die das fehlerhafte Codewort empfängt, die eine fehlerhafte oder nicht-vorhandene Codeeinheit in dem Codewort bestimmt, die ansprechend auf die fehlerhafte oder nicht-vorhandene Codeeinheit ein De- punktierungsmuster einstellt, und die basierend auf dem eingestellten Depunktierungsmuster das empfangene Codewort depunktiert, so dass die fehlerhafte oder nicht-vorhandene Codeeinheit in dem Codewort depunktiert wird.a signal processing unit which receives the faulty code word, which determines a faulty or non-existent code unit in the code word, which sets a de-puncturing pattern in response to the faulty or non-existent code unit, and which punctures the received code word based on the set de-puncturing pattern, so that the defective or non-existent code unit is depunctured in the code word.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Erzeugen eines Codeworts, das Codeeinheiten enthält, die basierend auf Informationseinheiten durch einen Redundanzcode erzeugt werden, zur Übertragung über ein verlustbehaftetes Verbindungsnetzwerk, mit folgenden Schritten:The present invention further provides a method for generating a code word, which contains code units, which are generated based on information units by a redundancy code, for transmission over a lossy connection network, with the following steps:
(a) Empfangen der Informationseinheiten;(a) receiving the information units;
(b) Codieren jeder Informationseinheit, um für jede Informationseinheit eine Mehrzahl von Codeeinheiten zu er- zeugen; und(b) coding each information unit to generate a plurality of code units for each information unit; and
(c) Anordnen der erzeugten Codeeinheiten derart in dem Codewort, dass ein Verlust einer Codeeinheit oder mehre-
rer Codeeinheiten in dem Codewort zu einer Codeeinheiten-Folge führt, die einem auf das ursprüngliche Codewort anwendbaren Punktierungsmuster entsprechen, das auch einem Empfänger des Codeworts bekannt ist.(c) arranging the generated code units in the code word in such a way that a loss of one code unit or multiple rer code units in the code word leads to a code unit sequence which corresponds to a puncturing pattern applicable to the original code word, which is also known to a recipient of the code word.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Codeworts, das Codeeinheiten enthält, die basierend auf Informationseinheiten durch einen Redundanzcode erzeugt werden, zur Übertragung über ein verlust- behaftetes Verbindungsnetzwerk, mit:The present invention further provides a device for generating a code word, which contains code units which are generated based on information units by a redundancy code, for transmission via a lossy connection network, comprising:
einem Eingang zum Empfangen der Informationseinheiten;an input for receiving the information units;
einem Codierer zum Codieren jeder Informationseinheit, um für jede Informationseinheit eine Mehrzahl von Codeeinheiten zu erzeugen; undan encoder for encoding each information unit to generate a plurality of code units for each information unit; and
einer Verarbeitungseinrichtung zum Anordnen der erzeugten Codeeinheiten derart in dem Codewort, dass ein Verlust ei- ner Codeeinheit oder mehrerer Codeeinheiten in dem Codewort zu einer Codeeinheiten-Folge führt, die einem auf das ursprüngliche Codewort anwendbaren Punktierungsmuster entsprechen, das auch einem Empfänger des Codeworts bekannt ist .a processing device for arranging the generated code units in the code word such that a loss of one or more code units in the code word leads to a code unit sequence which corresponds to a puncturing pattern applicable to the original code word, which is also known to a recipient of the code word ,
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispielwerden eine Mehrzahl von Paketen erzeugt, die Codeeinheiten enthalten, die basierend auf Informationseinheiten durch einen Redundanzcode erzeugt werden, und über ein paketorientiertes Verbindungsnetzwerk übertragen werden. Hierbei werden die Informationseinheiten empfangen und jede der empfangenen Informationseinheiten wird unter Verwendung einer Mehrzahl von Generatoren codiert, wobei eine Informationseinheit an jedem der Generatoren anliegt und wobei jeder der Generato- ren eine Codeeinheit für eine anliegende Informationseinheit erzeugt. Die Codeeinheiten werden einer Mehrzahl von Paketen zugeordnet, wobei Codeeinheiten, die von den gleichen Generatoren erzeugt wurden, den gleichen Paketen zuge-
ordnet werden, und die erzeugten Pakete werden bereitgestellt .According to a preferred embodiment, a plurality of packets are generated which contain code units which are generated based on information units by a redundancy code and which are transmitted via a packet-oriented connection network. Here, the information units are received and each of the received information units is encoded using a plurality of generators, one information unit being applied to each of the generators and each of the generators generating a code unit for an adjacent information unit. The code units are assigned to a plurality of packets, with code units generated by the same generators being assigned to the same packets. ordered and the generated packages are provided.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Übertragungs- System, um Informationseinheiten zu übertragen, mitThe present invention also provides a transmission system for transmitting units of information
einem Sender, der eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Codeworts umfasst, bzw. eine Vorrichtung umfasst, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen eines Codeworts arbeitet;a transmitter which comprises a device for generating a code word or a device which operates according to the inventive method for generating a code word;
einem Übertragungsmedium, das die von dem Sender erzeugten Codeworte empfängt und überträgt; unda transmission medium that receives and transmits the code words generated by the transmitter; and
einem Empfänger, der die von dem Übertragungsmedium übertragenen Codeworte empfängt, wobei der Empfänger eine Vorrichtung zum Wiedergewinnen von Codeworten gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, bzw. eine Vorrichtung umfasst, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Wiedergewin- nen der Codeworte arbeitet.a receiver which receives the code words transmitted by the transmission medium, the receiver comprising a device for recovering code words according to the present invention, or a device which operates according to the method according to the invention for recovering the code words.
Die vorliegende Erfindung ist grundsätzlich den oben beschriebenen Kanalcodierungsverfahren zuzuordnen und basiert auf punktierten Kanalcodes, die ebenfalls von J. Hagenauer, „Ra te-Compatible Punctured Convolutional Codes (RCPC Codes) and their Applica tions " , IEEE Transactions on Communica tions , Vol . 36, Nr. 4 , S. 389-400, April 1988 beschrieben sind. Ferner ist es zur weiteren Optimierung möglich, das erfindungsgemäße Verfahren auch mit einem oder mehreren der oben beschriebenen Übertragungsverfahren zu kombinieren, wobei hier insbesondere das Fehlerverschleierungsverfahren, das Interleaving/Multiplexing-Verfahren und das ARQ- Verfahren in Betracht kommen.The present invention is basically to be assigned to the channel coding method described above and is based on punctured channel codes, which are also described by J. Hagenauer, "Rat-Compatible Punctured Convolutional Codes (RCPC Codes) and their Applications", IEEE Transactions on Communications, Vol. 36 4, pp. 389-400, April 1988. For further optimization, it is also possible to combine the method according to the invention with one or more of the transmission methods described above, in particular the error concealment method, the interleaving / multiplexing method. Procedure and the ARQ procedure come into consideration.
Hinsichtlich der Punktierung sei darauf hingewiesen, dass hierunter die systematische Entfernung von Bits vor der Ü- bertragung eines Datenstroms verstanden wird. Besitzt der Decodierer Kenntnis darüber, welche Bits auf der Sendersei-
te entfernt (punktiert) wurden, so kann der Decodierer dennoch den Datenstrom decodieren. Die Leistungsfähigkeit eines punktierten Kanalcodes der Rate r, der aus einem Muttercode mit der Rate RM gewonnen wurde, ist dabei nur ge- ringfügig schlechter als ein echter Kanalcode der Rate r. Durch Punktierung kann aus einem Muttercode der Rate RM sehr einfach ein Code beliebiger Rate r erzeugt werden, wobei gilt 1 > r > RM.With regard to puncturing, it should be pointed out that this means the systematic removal of bits before the transmission of a data stream. Does the decoder know which bits on the transmitter side te have been removed (punctured), the decoder can still decode the data stream. The performance of a punctured channel code of rate r, which was obtained from a mother code at rate R M , is only slightly worse than a real channel code of rate r. By puncturing, a code of any rate r can be generated very easily from a mother code of rate R M , where 1>r> R M applies.
Bei herkömmlichen Systemen erfolgt die Punktierung des Muttercodes stets unmittelbar nach dem Kanalcodierer auf der Senderseite nach einem festgelegten Punktierungsmuster, welches sowohl dem Sender als auch dem Empfänger bekannt ist. Die vorliegende Erfindung verlässt diesen Ansatz und erfindungsgemäß erfolgt keine Punktierung des Kanalcodes auf der Senderseite. Dies bedeutet, dass grundsätzlich alle Bits des erzeugten Muttercodes gesendet werden. Anders als im Stand der Technik wird erfindungsgemäß die Technik des Punktierens nicht auf der Senderseite angewandt, sondern wird auf die Empfängerseite verlagert, wobei die tatsächlich auftretende Punktierung, also das Verwerfen von bestimmten Bits, durch Übertragungsverluste erfolgt, also dadurch, dass während der Übertragung eines Bitstroms einzelne oder mehrere Bits verloren gehen, also nicht bei dem Empfänger ankommen. Dies kann beispielsweise bei der Übertragung über einen Paketverlustkanal auftreten.In conventional systems, the puncturing of the mother code always takes place immediately after the channel encoder on the transmitter side according to a defined puncturing pattern which is known to both the transmitter and the receiver. The present invention leaves this approach and according to the invention there is no puncturing of the channel code on the transmitter side. This means that basically all bits of the generated mother code are sent. In contrast to the prior art, according to the invention the puncturing technique is not used on the transmitter side, but is shifted to the receiver side, the puncturing actually occurring, i.e. the discarding of certain bits, being caused by transmission losses, i.e. by the fact that during transmission a Bitstream single or multiple bits are lost, i.e. they do not arrive at the receiver. This can occur, for example, when transmitting via a packet loss channel.
Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, dass die Punktierung virtuell von dem Sender zum Empfänger verlagert wird, wobei die tatsächliche Punktierung durch Verluste des Übertragungsnetzwerkes erfolgt. Vorzugsweise bezieht sich die vorliegende Erfindung auf den Einsatz von Faltungscodes, da die Punktierungstechnik hierfür besonders geeignet ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.The essence of the present invention is therefore that the puncturing is virtually shifted from the transmitter to the receiver, the actual puncturing being effected by losses in the transmission network. The present invention preferably relates to the use of convolutional codes, since the puncturing technique is particularly suitable for this. However, the present invention is not limited to this.
Für die weitere Erläuterung sei beispielhaft dieser Paketverlustkanal betrachtet, wobei jedoch offensichtlich ist,
dass die vorliegende Erfindung nicht auf einen solchen Paketverlustkanal beschränkt ist, sondern auf jeden verlustbehafteten Übertragungskanal und die damit verbundenen Ü- bertragungsverfahren angewandt werden kann.This packet loss channel is considered as an example for the further explanation, although it is obvious that that the present invention is not limited to such a packet loss channel, but can be applied to any lossy transmission channel and the associated transmission methods.
Betrachtet man sich nun den Paketverlustkanal und tritt tatsächlich bei der Übertragung über denselben ein Verlust eines Pakets auf, so wird auf der Empfängerseite, welche beispielsweise einen FEC-Decodierer umfasst (FEC = Forward Error Correcting = Vorwärtsfehlerkorrektur) , angenommen, dass alle Bits des verlorengegangenen Pakets an dem Sender virtuell punktiert wurden. Da die Paketverluste jedoch rein zufällig und für den Empfänger kaum vorhe sagbar erfolgen, uss dem Empfänger mitgeteilt werden, ob ein bestimmtes Pa- ket verlorengegangen ist oder nicht. Hierbei handelt es sich allerdings nur um eine kleine Zusatzinformation, die sehr einfach über einen Kontrollkanal oder ein Inband signalisiert werden kann. Gleiches kann erreicht werden, indem diejenigen Pakete, welche nach einer gewissen Zeit nicht bei dem FEC-Decodierer angekommen sind, als punktiert erklärt werden (ti e out) .If one now looks at the packet loss channel and a packet is actually lost during transmission via the same, then on the receiver side, which comprises, for example, an FEC decoder (FEC = Forward Error Correcting), it is assumed that all bits of the lost Packages were virtually punctured at the transmitter. However, since the packet losses are purely coincidental and can hardly be predicted by the recipient, the recipient must be informed whether a particular package has been lost or not. However, this is only a small piece of additional information that can be signaled very easily via a control channel or an inband. The same can be achieved in that those packets which have not arrived at the FEC decoder after a certain time are declared as punctured (ti e out).
Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit in einem Schritt sehr effizient sowohl Paketverluste als auch einzelne, zu- fällig verteilte Bitfehler korrigieren.The method according to the invention can thus very efficiently correct both packet losses and individual, randomly distributed bit errors in one step.
Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren bei beliebigen Kanalcodierverfahren angewendet werden, z. B. Faltungscodes, Turbo-Codes usw. Vorzugsweise sollte für den entsprechenden Kanalcode ein Decodierer mit Softeingang o- der zumindest ein Auslöschungsdecodierer („Erasure") zur Verfügung stehen.In principle, the method according to the invention can be applied to any channel coding method, e.g. B. convolutional codes, turbo codes, etc. A decoder with a soft input or at least one erasure decoder (“erasure”) should preferably be available for the corresponding channel code.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt somit im Vergleich zu herkömmlichen, kommerziellen Verfahren, wie sie oben beschrieben wurden, zu einer wesentlich sicheren Übertragung der Daten, was sich beispielsweise bei der Übertragung von Multimediadaten je nach Anwendung in einer deutlich verbes-
serten Sprachqualität, Audioqualität, Bildqualität oder Videoqualität äußert.The method according to the invention thus leads to a substantially secure transmission of the data in comparison with conventional, commercial methods as described above, which, for example, in the transmission of multimedia data, depending on the application, is significantly improved. voice quality, audio quality, picture quality or video quality.
Bisherige FEC-Verfahren waren immer nur auf einen speziel- len Kanal beschränkt. So eignet sich z. B. für die Übertragung über Paketverlustnetze besonders Reed-Solomon-Codes, die sich jedoch nicht bzw. teils nur mit erheblichem Aufwand soft-in/soft-out decodieren lassen. Im Gegensatz dazu sind Faltungscodes aufgrund ihrer Codeeigenschaften eher nicht zur Korrektur von Paketverlusten geeignet, dafür lassen sie sich sehr gut soft-in/soft-out decodieren. Bei der Übertragung über Mobilfunknetze, bei der einzelne, verteilte Bitfehler auftreten, eignen sich besonders Faltungscodes, während Reed-Solomon-Codes oder Blockcodes eher unge- eignet sind.Previous FEC procedures were always limited to a special channel. So z. B. for transmission via packet loss networks especially Reed-Solomon codes, which, however, cannot be decoded soft-in / soft-out, or only at considerable expense. In contrast, due to their code properties, convolutional codes are rather unsuitable for correcting packet losses, but they can be decoded very well soft-in / soft-out. Convolutional codes are particularly suitable for transmission over mobile radio networks in which individual, distributed bit errors occur, while Reed-Solomon codes or block codes are rather unsuitable.
Das erfindungsgemäße Verfahren verarbeitet die Daten gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vor dem Versenden bereits so, dass ein Paketverlust zu einer optimalen Punktie- rung des Faltungscodes führt. Dies wird durch eine optimale Verteilung der codierten Daten auf eine Mehrzahl von Paketen erreicht. Hierdurch wird sichergestellt, dass ein Paketverlust, der normalerweise durch einen Faltungscode nicht korrigierbar gewesen wäre, dennoch - bis zu einer ge- wissen Paketfehlerrate - korrigierbar bleibt. Durch die Vorverarbeitung an dem Sender kann an dem Empfänger garantiert werden, dass von den M gesendeten Paketen M' verloren gehen können, wobei M' < M gilt, und dennoch ein fehlerfreies Decodierergebnis erzielt werden kann. M' hängt hier- bei von der Coderate N und dem verwendeten Code ab.According to a preferred exemplary embodiment, the method according to the invention processes the data before sending it in such a way that a packet loss leads to optimal puncturing of the convolutional code. This is achieved by optimally distributing the encoded data over a plurality of packets. This ensures that a packet loss that would normally not have been correctable by a convolutional code remains correctable up to a certain packet error rate. The preprocessing at the transmitter can guarantee at the receiver that M 'packets sent can be lost, M' <M, and an error-free decoding result can nevertheless be achieved. M 'depends on the code rate N and the code used.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel findet das erfindungsgemäße Verfahren auf einer Kombination von Festnetz und Mobilfunknetz Anwendung, jedoch funktioniert das erfin- dungsgemäße Verfahren auch gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel für reine Paketverlustnetze oder reine Mobilfunknetze. Der Einsatz in der oben genannten Kombination der zwei Netze ist jedoch besonders geeignet, da hier sowohl
Paketverluste des Festnetzes als auch die Bitfehler des Mobilfunknetzes in einem Schritt mit demselben Code korrigiert werden können, was, wie oben bereits erläutert wurde, im Stand der Technik nicht möglich war.According to a preferred exemplary embodiment, the method according to the invention is used on a combination of fixed network and mobile radio network, but the method according to the invention also works according to another exemplary embodiment for pure packet loss networks or pure mobile radio networks. However, the use in the combination of the two networks mentioned above is particularly suitable, since here both Packet losses of the fixed network and the bit errors of the mobile radio network can be corrected in one step with the same code, which, as already explained above, was not possible in the prior art.
Die vorliegende Erfindung hat folgende Vorteile:The present invention has the following advantages:
es können sowohl Paketverluste als auch Einzelfehler behandelt werden,both packet loss and individual errors can be handled,
die Erfindung basiert auf durch Paketverlust punktierten Kanalcodes,the invention is based on channel codes punctured by packet loss,
bei einem Paketverlust erfolgt die Punktierung virtu- eil auf der Empfängerseite,in the event of a packet loss, puncturing occurs virtually on the receiving end,
es ist kein Rückkanal erforderlich,no back channel is required
es wird keine zusätzliche Verzögerung des Datenstroms hervorgerufen,there is no additional delay in the data stream,
als Kanalcode können beliebige, punktierbare Verfahren eingesetzt werden,any punctuable methods can be used as channel code,
- optional kann an einer Basisstation bei einer Ausgestaltung des Übertragungsnetzwerks als Kombination eines Festnetzes und eines Mobilnetzes eine Neucodierung eingesetzt werden, ohne dass der Empfänger Kenntnis hiervon haben muss,a coding can optionally be used on a base station in a configuration of the transmission network as a combination of a fixed network and a mobile network, without the recipient having to be aware of this,
der Sender kann die Paketanzahl und Länge beliebig variieren, ohne dass der Empfänger Kenntnis davon besitzen muss, so dass das System sehr flexibel an Übertragungsqualität und Kapazität der einzelnen Teilnetze angepasst werden kann,the sender can vary the number and length of packets as desired without the recipient needing to be aware of it, so that the system can be adapted very flexibly to the transmission quality and capacity of the individual subnets
dem Empfänger muss lediglich der Verlust eines Pakets signalisiert werden,
aufgrund der Struktur müssen sämtliche Anpassungen des Systems, wie z. B. Modus, Rate, Träger, nicht an den Empfänger signalisiert werden, so dass diese Anpassung flexibel und lastabhängig erfolgen können,the recipient only needs to be informed that a packet has been lost, due to the structure, all adjustments to the system, such as B. mode, rate, carrier, are not signaled to the receiver, so that this adaptation can be done flexibly and depending on the load,
Anpassungen an dem Mobilfunknetz müssen nicht dem Sender signalisiert werden, wie z. B. das Verwerfen von Paketen, da die Mobilfunkverbindung weniger Fehler aufweist,Adjustments to the cellular network do not have to be signaled to the transmitter, such as. B. discarding packets because the cellular connection has fewer errors,
an der Basisstation muss kein echtes, rechenaufwendiges Transcodieren erfolgen.no real, computationally complex transcoding has to take place at the base station.
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.Further developments of the present invention are defined in the subclaims.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;1 shows a flowchart of the method according to the invention in accordance with a preferred exemplary embodiment;
Fig. 2 ein Übertragungssystem gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dem erfindungsgemäßen Empfänger;2 shows a transmission system according to a preferred exemplary embodiment of the invention with the receiver according to the invention;
Fig. 3 die Darstellung des Verhaltens des in Fig. 2 ge- zeigten Übertragungssystems ohne Neucodierung der in der Basisstation empfangenen Codewörter;FIG. 3 shows the behavior of the transmission system shown in FIG. 2 without re-coding the code words received in the base station;
Fig. 4 die Darstellung des Verhaltens des in Fig. 2 gezeigten Übertragungssystems mit Neucodierung der in der Basisstation empfangenen Codewörter;
Fig. 5 ein herkömmliches Übertragungssystem zur paketorientierten Übertragung zwischen Sender und Empfänger;FIG. 4 shows the behavior of the transmission system shown in FIG. 2 with re-coding of the code words received in the base station; 5 shows a conventional transmission system for packet-oriented transmission between transmitter and receiver;
Fig. 6 eine Darstellung des Verhaltens des in Fig. 5 gezeigten herkömmlichen Übertragungssystems; undFig. 6 illustrates the behavior of the conventional transmission system shown in Fig. 5; and
Fig. 7 eine tabellarische Gegenüberstellung des Verhaltens des herkömmlichen Übertragungssystems und des erfindungsgemäßen Übertragungssystems.Fig. 7 is a tabular comparison of the behavior of the conventional transmission system and the transmission system according to the invention.
In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele werden ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den einzelnen Figuren mit gleichen Bezugszeichen verse- hen.In the following description of the preferred exemplary embodiments, similar or equivalent elements are provided with the same reference symbols in the individual figures.
Anhand der Fig. 1 wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Wiedergewinnen eines Codeworts näher erläutert. Bei diesem Verfahren wird davon ausgegangen, dass der von einem Sender an einen Empfänger übertragene Datenstrom eine Mehrzahl von Codewörtern umfasst, wobei einzelne Codewörter eine Mehrzahl von Paketen aufweisen, wobei in den einzelnen Paketen eine Mehrzahl von Codeeinheiten, z. B. Bits, enthalten sind, die senderseitig durch ein geeignetes Codierungsverfahren erzeugt wurden und gemäß einem vorbestimmten Schema auf einzelne Pakete verteilt wurden.A preferred exemplary embodiment of the method according to the invention for recovering a code word is explained in more detail with reference to FIG. 1. This method assumes that the data stream transmitted from a transmitter to a receiver comprises a plurality of code words, wherein individual code words have a plurality of packets, with a plurality of code units, e.g. B. bits are included, which were generated on the transmitter side by a suitable coding method and were distributed to individual packets according to a predetermined scheme.
Im Schritt S100 werden die Codewörter empfangen und im Schritt S102 wird überprüft, ob alle Pakete des Codeworts empfangen wurden. Ist dies der Fall, so geht das Verfahren zum Schritt S104, in dem das empfangene Codewort decodiert wird, um so die Informationseinheiten, welche der Codierung in dem Sender zugrunde lagen, wiederzugewinnen, also die übertragenen Multimediadaten. Anschließend werden die decodierten Daten zur Weiterverarbeitung, z. B. Anzeige, Manipulation etc., weitergeleitet.
Wird im Schritt S102 festgestellt, dass nicht alle Pakete des Codeworts empfangen wurden, so geht das Verfahren zum Schritt S110 weiter, in dem für das empfangene Codewort bestimmt wird, wie viele Pakete nicht empfangen wurden und an welcher Stelle/Position dieselben in dem Codewort angeordnet sind. Basierend auf diesen Informationen wird im folgenden Schritt S112 festgestellt, dass das empfangene Codewort, zumindest aus Sicht des Empfängers, an dem Sender offensichtlich gemäß einem vorbestimmten Punktierungsmuster punktiert wurde. Basierend auf dieser Information wählt das erfindungsgemäße Verfahren im Schritt S112 ein geeignetes Depunktierungsmuster aus, welches im nachfolgenden Schritt S114 zum Depunktieren des Codeworts herangezogen wird, wodurch das Codewort wieder vervollständigt wird. Nachdem das Codewort vervollständigt wurde, geht das Verfahren zum Schritt S104, in dem die erforderliche Decodierung des Codeworts durchgeführt werden kann.In step S100 the code words are received and in step S102 it is checked whether all packets of the code word have been received. If this is the case, the method goes to step S104, in which the received code word is decoded so as to recover the information units on which the coding in the transmitter was based, that is to say the transmitted multimedia data. Then the decoded data for further processing, eg. B. display, manipulation, etc. forwarded. If it is determined in step S102 that not all packets of the code word have been received, the method proceeds to step S110, in which it is determined for the received code word how many packets have not been received and at which position / position they have been arranged in the code word are. Based on this information, it is determined in the following step S112 that the received code word, at least from the point of view of the receiver, has obviously been punctured at the transmitter in accordance with a predetermined puncturing pattern. Based on this information, the method according to the invention selects a suitable depuncturing pattern in step S112, which is used in subsequent step S114 to depuncture the code word, as a result of which the code word is completed again. After the code word has been completed, the method goes to step S104, in which the required decoding of the code word can be carried out.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel basiert die Schritt S102 durchgeführte Entscheidung hinsichtlich der Anzahl der empfangenen Pakete auf einem weiteren Informationssignal, welches anzeigt, ob ein bestimmtes Paket aus einem Satz von übertragenen Paketen empfangen wurde oder nicht. Alternativ kann eine Zeitdauer überwacht werden, während der die Pakete eines Codeworts erwartet werden, und für den Fall, dass eines oder mehrere Pakete außerhalb dieser Zeitdauer empfangen werden, werden diese als nicht- empfangen gewertet .According to a preferred embodiment, the decision S102 made regarding the number of packets received is based on another information signal which indicates whether or not a particular packet from a set of transmitted packets has been received. Alternatively, a period of time during which the packets of a code word are expected can be monitored, and in the event that one or more packets are received outside this period of time, these are rated as not received.
Ein Decodieren eines empfangenen Codeworts ist möglich, wenn ein Paket fehlerfrei empfangen wurde. Es ist jedoch nicht allgemein erforderlich, dass wirklich ein Paket fehlerfrei empfangen wurde. Es können Situationen existieren, in denen mehrere Pakete empfangen wurden, bei denen jeweils ein Teil der enthaltenen Daten fehlerfrei ist. In diesem Fall wäre eine fehlerfreie Decodierung ebenfalls möglich.
Nachfolgend wird anhand der Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Übertragungssystems näher erläutert, welches das erfindungsgemäße Verfahren zum Wiedergewinnen eines Codeworts verwendet, und so die oben beschriebenen Vorteile bei der Übertragung von Daten ermöglicht. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Übertragung von Multimediadaten an einen mobilen Empfänger über ein kombiniertes Paketverlustnetz und Mobilfunknetz beschrieben.It is possible to decode a received code word if a packet was received without errors. However, it is not generally necessary for a packet to be received correctly. There may be situations in which several packets have been received, each of which contains part of the data it contains. In this case, error-free decoding would also be possible. A preferred exemplary embodiment of a transmission system which uses the method according to the invention for retrieving a code word and thus enables the advantages described above for the transmission of data is explained in more detail below with reference to FIG. 2. In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the transmission of multimedia data to a mobile receiver via a combined packet loss network and mobile radio network is described.
Die zu übertragenden Multimediadaten werden von verschiedenen Multimediaquellen, z. B. einer Kamera 100a oder einem Mikrophon 100b, an einen Multimediacodierer 102 bereitgestellt. Der Multimediacodierer 102 erzeugt basierend auf den anliegenden Signalen von den Multimediaquellen 100a, 100b eine Mehrzahl von Informationseinheiten, die über eine Verbindung 104 an eine Kanalcodierungseinheit 106 weitergegeben werden. Die Kanalcodierungseinheit 106 umfasst einen FEC-Codierer 108, eine Paketverteilungseinheit 110 sowie einen Multiplexer 112. Der FEC-Codierer 108 empfängt an seinem Eingang über die Verbindung 104 die Informationseinheiten und erzeugt für jede Informationseinheit N Codeeinheiten, z. B. Bits, die über die in Fig. 2 gezeigten Verbindungen an die Paketverteilungseinheit 110 weitergegeben werden. Die Paketverteilungseinheit 110 verteilt die empfangenen N Codeeinheiten auf M Pakete, wobei vorzugsweise gilt M > N. Die M Pakete werden an den Multiplexer 112 weitergegeben, der diese dann an seinem Ausgang seriell bereitstellt. Der Ausgang der Kanalcodierungseinheit 106, al- so der Ausgang des Multiplexers 112, stellt die erzeugten Pakete einem Paketverlustnetzwerk, also einem paketorientierten Verbindungsnetzwerk 114, bereit, welches die Pakete seriell an eine Basisstation 116 überträgt. Die Basisstation 116 umfasst einen Demultiplexer 118, der die über das Netzwerk 114 übertragenen M Pakete parallel an einem Ausgang desselben bereitstellt. Optional kann eine Neucodie- rungseinheit 120 in der Basisstation 116 vorgesehen sein, wobei in diesem Fall die an dem Ausgang des Demultiplexers
118 parallel vorliegenden M Pakete parallel der Neucodie- rungseinheit 120 bereitgestellt werden.The multimedia data to be transmitted are from various multimedia sources, e.g. B. a camera 100a or a microphone 100b, provided to a multimedia encoder 102. The multimedia encoder 102 generates a plurality of information units based on the signals present from the multimedia sources 100a, 100b, which are forwarded to a channel coding unit 106 via a connection 104. The channel coding unit 106 comprises an FEC encoder 108, a packet distribution unit 110 and a multiplexer 112. The FEC encoder 108 receives the information units at its input via the connection 104 and generates N code units, e.g. B. Bits that are forwarded to the packet distribution unit 110 via the connections shown in FIG. 2. The packet distribution unit 110 distributes the received N code units to M packets, preferably M> N. The M packets are passed on to the multiplexer 112, which then provides them serially at its output. The output of the channel coding unit 106, ie the output of the multiplexer 112, provides the packets generated to a packet loss network, that is to say a packet-oriented connection network 114, which serially transmits the packets to a base station 116. The base station 116 comprises a demultiplexer 118 which provides the M packets transmitted via the network 114 in parallel at an output thereof. Optionally, a new coding unit 120 can be provided in the base station 116, in which case that at the output of the demultiplexer 118 parallel M packets can be provided in parallel to the re-encoding unit 120.
Die Basisstation überträgt die empfangenen M Pakete, entwe- der die an der Basisstation direkt empfangenen oder die in der Basisstation neu codierten M Pakete über ein in Fig. 2 bei 122 nur schematisch gezeigtes Funknetz an einen FEC- Decodierer 124 in dem mobilen Empfänger. Der FEC-Decodierer 124 erzeugt aus den empfangenen M Paketen die anfänglich der Kanalcodierungseinheit 106 bereitgestellten Informationseinheiten und überträgt diese über die Verbindung 126 an einen Multimediadecodierer 128, der die empfangenen Informationseinheiten decodiert und entsprechenden Multimediageräten, welche zur Wiedergabe der entsprechenden Multimedia- daten geeignet sind, bereitstellt, z. B. dem Bildschirm 130a bzw. dem Lautsprecher 130b.The base station transmits the received M packets, either the M packets received directly at the base station or the M packets newly coded in the base station, via a radio network shown only schematically at 122 in FIG. 2, to an FEC decoder 124 in the mobile receiver. The FEC decoder 124 generates the information units initially provided to the channel coding unit 106 from the received M packets and transmits them via the connection 126 to a multimedia decoder 128 which decodes the received information units and corresponding multimedia devices which are suitable for reproducing the corresponding multimedia data. provides e.g. B. the screen 130a or the speaker 130b.
Das in Fig. 2 beispielhaft gezeigte Übertragungssystem umfasst ferner eine Steuerung 132 für das Paketverlustnetz, sowie eine Steuerung 134 für das Mobilnetz. Wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, empfängt die Steuerung 134 für das Mobilnetz von dem FEC-Decodierer 124 das die Übertragungsqualität anzeigende DQI-Signal (DQI = Downlink Quality Indicati- on) und gibt an die Basisstation 116 einen Trägerbefehl aus. Wie durch die Verbindung 136 angedeutet ist, tauschen die Steuerung 132 für das Festnetz und die Steuerung 134 für das Mobilnetz Informationen aus, auf die noch später eingegangen wird. Die Steuerung 132 für das Festnetz empfängt von dem Paketverlustnetz den Parameter PER, also die Paketfehlerrate (PER = Packet Error Rate) , also die Rate, mit der Pakete auf dem Netzwerk 114 verlorengehen. Basierend auf den empfangenen Informationen gibt die Steuerung für das Festnetz 132 an die Kanalcodiereinheit 106 den Ratenbefehl aus, mittels dem festgelegt wird, mit welcher Ra- te die Pakete auf das Paketverlustnetz 114 geschickt werden. Ferner gibt die Steuerung für das Festnetz 132 einen Modusbefehl an den Multimediacodierer 102 aus, um einen Modus desselben festzulegen.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann, wie in Fig. 2 auch gezeigt ist, vorgesehen sein, einen optionalen Rückkanal zwischen dem FEC-Decodierer 124 und der Kanalcodierungseinheit 106 vorzusehen. Ferner kann vorgesehen sein, die der Basisstation 116 bereitgestellten Informationen über den Erhalt eines fehlerhaften Pakets auch an den FEC-Decodierer 124 weiterzuleiten, wie dies durch die optionale Verbindung „BFI 1 - M" (BFI = Bad Frame Indica- tor) angedeutet ist.The transmission system shown by way of example in FIG. 2 further comprises a controller 132 for the packet loss network and a controller 134 for the mobile network. As can be seen from FIG. 2, the controller 134 for the mobile network receives the DQI signal (DQI = Downlink Quality Indication) from the FEC decoder 124 and issues a carrier command to the base station 116. As indicated by the connection 136, the controller 132 for the fixed network and the controller 134 for the mobile network exchange information which will be discussed later. The controller 132 for the fixed network receives the parameter PER from the packet loss network, that is to say the packet error rate (PER = Packet Error Rate), that is to say the rate at which packets are lost on the network 114. Based on the received information, the controller for the fixed network 132 issues the channel coding unit 106 with the rate command, which is used to determine the rate at which the packets are sent to the packet loss network 114. The controller for the landline 132 also issues a mode command to the multimedia encoder 102 to determine a mode thereof. In a further preferred exemplary embodiment, as is also shown in FIG. 2, provision can be made to provide an optional return channel between the FEC decoder 124 and the channel coding unit 106. Provision can also be made to forward the information provided to the base station 116 about the receipt of a faulty packet to the FEC decoder 124, as indicated by the optional connection “BFI 1-M” (BFI = Bad Frame Indicator).
Nachfolgend wird anhand der Fig. 2 die Funktionalität des erfindungsgemäßen Übertragungssystems gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.The functionality of the transmission system according to the invention according to the illustrated embodiment is explained in more detail below with reference to FIG. 2.
Wie erwähnt, zeigt die Fig. 2 das Übertragungssystem gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem möglichen Anwendungsszenario der vorliegenden Erfindung. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die von den Datenquellen, z. B. von der Kamera 100a bzw. dem Mikrophon 100b, bereitgestellten, digitalisierten Quellendaten durch den Multimediacodierer 102 verarbeitet. Hierbei erfolgt eine Kompression der ursprünglichen Daten. Im allgemeinen sei angenommen, dass die Stärke der Kompression an dem Multime- diacodierer 102 einstellbar ist, so dass durch den Modusbefehl, der an einem Steuerungseingang des Multimediacodie- rers 102 anliegt, die Datenrate an dem Ausgang des Multime- diacodierers in mehreren Stufen einstellbar ist. Anschließend werden die komprimierten Daten über die Verbindung 104 der Kanalcodierungseinheit 106 bereitgestellt. Hier erfolgt die Verarbeitung der Daten mittels des Kanalcodierers oder FEC-Codierers 108, der eine Rate von 1/N hat. Das bedeutet, dass aus L Bits an dem Eingang des FEC-Codierers 108 N mal L codierte Bits an dem Ausgang desselben erzeugt werden. Die Rate des FEC-Codierers 108 wird mittels des Ratenbefehls eingestellt, der an einem Steuerungseingang des FEC- Codierers 108 anliegt. Die codierten Bits werden nun der
Paketverteilungseinheit 110 bereitgestellt, welche die codierten Bits auf M Pakete aufteilt.As mentioned, FIG. 2 shows the transmission system according to a preferred exemplary embodiment in a possible application scenario of the present invention. In the embodiment shown in FIG. 2, the data sources, e.g. B. digitized source data provided by the camera 100a or the microphone 100b, processed by the multimedia encoder 102. The original data is compressed. In general, it is assumed that the degree of compression on the multimedia encoder 102 can be adjusted, so that the data rate at the output of the multimedia encoder can be adjusted in several stages by means of the mode command which is present at a control input of the multimedia encoder 102 , The compressed data is then provided to the channel coding unit 106 via the connection 104. Here the data is processed by means of the channel encoder or FEC encoder 108, which has a rate of 1 / N. This means that 108 bits by L coded bits are generated from L bits at the input of the FEC encoder at the output thereof. The rate of the FEC encoder 108 is set by means of the rate command which is present at a control input of the FEC encoder 108. The coded bits are now the Packet distribution unit 110 is provided which divides the encoded bits into M packets.
Da auf der Decodiererseite ein Paketverlust wie eine Punk- tierung des Faltungscodes aufgefasst wird, ist es erforderlich, die N mal L codierten Bits so auf die M Pakete zu verteilen, dass ein Paketverlust bei der Übertragung über das paketorientierte Netzwerk 114 zu einem an dem Decodierer empfangenen Kanalcode führt, der für diesen optimal punktiert ist. Mit anderen Worten ist es erforderlich, an dem Ausgang der Kanalcodierungseinheit 106 einen an den Decodierer zu übertragenden Datenstrom in Form eines Codeworts zu erzeugen, wobei ein Verlust eines Pakets in dem Codewort und in dem Decodierer als punktiertes Codewort er- kannt wird, wobei hinsichtlich der Anordnung der Pakete in dem Codewort auf bekannte Verfahren zur Punktierung zurückgegriffen werden kann, ohne dass eine tatsächliche Punktierung natürlich stattfindet.Since a packet loss on the decoder side is interpreted as a puncturing of the convolutional code, it is necessary to distribute the N times L coded bits over the M packets in such a way that a packet loss during transmission over the packet-oriented network 114 to one at the decoder received channel code, which is optimally punctured for this. In other words, it is necessary to generate at the output of the channel coding unit 106 a data stream to be transmitted to the decoder in the form of a code word, a loss of a packet in the code word and in the decoder being recognized as a punctured code word, with regard to the Arrangement of the packets in the code word can be used using known methods for puncturing without actual puncturing naturally taking place.
Zur Beurteilung von Punktierungsmustern bzgl. Ihrer „Opti- malität" wird vorzugsweise die sog. freie Distanz dfree, die der punktierte Code besitzt, sowie sein Distanzspektrum verwendet. Das Distanzspektrum besteht aus zwei Komponenten ad und Cd. Hierbei gibt ad die Anzahl der Pfade im Trellis an, die eine Hamming-Distanz d zum Nullwort aufbauen und Cd die Summe der Bitfehler auf diesen Pfaden der Distanz d.The so-called free distance d fr ee, which the punctured code has, and its distance spectrum are preferably used to assess puncturing patterns with regard to their “optimality”. The distance spectrum consists of two components ad and Cd. Here, a d gives the number the paths in the trellis that build a Hamming distance d to the null word and C d the sum of the bit errors on these paths of distance d.
Als optimal gelten sowohl eine möglichst große freie Distanz dfree sowie möglichst kleine Werte ad und cd. Siehe hierzu auch z.B. J. Hagenauer: "Rate Compa tible Punctured Convolutional Codes and their Applica tions " .Both the largest possible free distance d fr e e and the smallest possible values a d and c d are considered optimal. See also, for example, J. Hagenauer: "Rate Compatible Punctured Convolutional Codes and their Applications".
Das Problem dabei ist, das optimale Punktierungsmuster in der Regel nur durch aufwendige Rechnersimulationen zu bestimmen sind. Bei der hier verwendeten Anwendung hängen die Punktierungsmuster vom Code, der Coderate, der Paketlänge und der Anzahl der verloren gegangenen Pakete ab. Bei
Faltungscodes wird bevorzugt, die punktierten Bits möglichst gleichmäßig über einen Block zu verteilen.The problem with this is that the optimal puncturing pattern can usually only be determined using complex computer simulations. In the application used here, the puncturing patterns depend on the code, the code rate, the packet length and the number of lost packets. at Convolutional codes are preferred to distribute the punctured bits as evenly as possible over a block.
Beispiele für die oben erwähnten optimalen Punktierungsmus- ter sind von J. Hagenauer, „Rate-Compa tible Punctured Con- volutional Codes (RCPC Codes) and their Applica tions " , IEEE Transactions on Communica tions, Vol . 36, Nr. 4 , S. 389-400, April 1988; von J. Hagenauer, u . a . , „Channel Coding and Transmission Aspects for Wireless Applica tions " , IEEE Spe- cial Issue Video Transmission gor Mobile Muli tmedia Applica tions, Vol . 87, Seiten 1764-1777. Oktober 1999, und von C. Weiß , „Error Correcting with Tail-Biting Convolutional Codes " , Disserta tion, TU München, Dezember 2001 beschrieben.Examples of the optimal puncturing patterns mentioned above are from J. Hagenauer, "Rate-Compatible Punctured Convolutional Codes (RCPC Codes) and their Applications", IEEE Transactions on Communications, Vol. 36, No. 4, p . 389-400, April 1988; by J. Hagenauer, et al., "Channel Coding and Transmission Aspects for Wireless Applications", IEEE Special Issue Video Transmission gor Mobile Multimedia Applications, Vol. 87, pages 1764-1777. October 1999, and by C. Weiß, "Error Correcting with Tail-Biting Convolutional Codes", dissertation, TU Munich, December 2001.
Nachdem die Bits auf die M Pakete verteilt sind, werden die M Pakete nacheinander über den Paketverlustkanal 114 verschickt.After the bits are distributed among the M packets, the M packets are sequentially sent over the packet loss channel 114.
Mittels einer Rückführung der Paketfehlerrate (PER) des Pa- ketverlustnetzwerks 114 zu der Netzwerksteuereinheit 132 ist es möglich, adaptiv sowohl die Kompression des Multime- diacodierers 102 als auch die Rate des FEC-Codierers 108 einzustellen. Dies ermöglicht es, sowohl die Anzahl der Pakete als auch die Länge des Pakets an die aktuelle Paket- Verlustwahrscheinlichkeit des Netzwerks adaptiv anzupassen.By returning the packet error rate (PER) of the packet loss network 114 to the network control unit 132, it is possible to adaptively set both the compression of the multimedia encoder 102 and the rate of the FEC encoder 108. This makes it possible to adaptively adapt both the number of packets and the length of the packet to the current packet loss probability of the network.
An der Basisstation (BS) 116 werden die empfangenen Datenpakete über die Träger eines Mobilfunknetzes 122 übertragen. Die einzige Zusatzinformation, die zu dem Empfänger übertragen werden muss, ist die Signalisierung BFIX (Bad Frame Indication = Anzeige eines schlechten Rahmens) , welche anzeigt, ob ein bestimmtes Paket x (rechtzeitig) an der Basisstation angekommen und somit über den Funkkanal übertragen worden ist oder nicht. Hierzu kann ein Steuerungs- oder Kontrollkanal oder eine Inband-Signalisierung verwendet werden. Das gleiche kann erreicht werden, wenn die nicht eingetroffenen Pakete nach einer gewissen Zeit („time
out") bei dem FEC-Decodierer 124 als punktiert erklärt werden.The received data packets are transmitted at the base station (BS) 116 via the carriers of a mobile radio network 122. The only additional information that has to be transmitted to the receiver is the signaling BFI X (Bad Frame Indication = display of a bad frame), which indicates whether a certain packet x has arrived at the base station (in time) and has thus been transmitted via the radio channel is or not. A control or control channel or in-band signaling can be used for this. The same can be achieved if the packets that have not arrived after a certain time (“time out ") in the FEC decoder 124 are declared as dotted.
Zusätzlich kann bei einem anderen Ausführungsbeispiel opti- onal an der Basisstation 116 vor der Übertragung über den Funkkanal 112 eine Decodierung mit anschließender Neucodierung 120 (optionale Neucodierung) durchgeführt werden. Hierdurch werden bereits vor der Funkübertragung die in dem Paketverlustnetzwerk 114 aufgetretenen Paketverluste korri- giert. Dies wird insbesondere dann zu einem deutlichen Gewinn, wenn die Bitfehlerwahrscheinlichkeit auf dem Funkkanal 122 hoch ist.In addition, in another exemplary embodiment, decoding with subsequent re-coding 120 (optional re-coding) can be carried out optionally on the base station 116 before transmission over the radio channel 112. As a result, the packet losses occurring in the packet loss network 114 are corrected before the radio transmission. This becomes a clear gain in particular if the bit error probability on radio channel 122 is high.
Durch eine Rückführung der Übertragungsqualität DQI auf dem Funkkanal zu der Netzwerksteuerungseinheit 134 des Mobilfunksystems ist es möglich, die Anzahl der verwendeten Träger des Mobilfunksystems adaptiv an den aktuellen Kanalzustand des Funkkanals anzupassen. Ein Austausch von Feedback-Informationen zwischen den beiden Netzwerksteuerungs- einheiten 132 und 134 dient dazu, die Übertragungsqualität des Gesamtsystems zu optimieren. Falls ein optionaler Rückkanal (ARQ) vorhanden ist, kann bei einer hohen Paketverlustwahrscheinlichkeit auch eine inkrementale Redundanz angefordert werden, indem einige der M Teilpakete nochmals übertragen werden.By returning the transmission quality DQI on the radio channel to the network control unit 134 of the mobile radio system, it is possible to adaptively adapt the number of carriers of the mobile radio system used to the current channel state of the radio channel. An exchange of feedback information between the two network control units 132 and 134 serves to optimize the transmission quality of the overall system. If an optional return channel (ARQ) is available, incremental redundancy can also be requested if there is a high probability of packet loss by retransmitting some of the M sub-packets.
An der Empfängerseite werden dann die empfangenen Daten in dem FEC-Decodierer 124 decodiert und an den Multi ediadeco- dierer 128 weitergegeben, der diese dekomprimiert.The received data are then decoded in the FEC decoder 124 at the receiver end and forwarded to the multi-ediadecoder 128, which decompresses them.
Obwohl oben ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert wurde, ist darauf hinzuweisen, dass das erfindungsgemäße Verfahren grundsätzlich in jedem Kommunikationssystem eingesetzt wer- den kann, wobei es sich jedoch besonders für die Systeme eignet, bei denen die Übertragungscharakteristik sowohl Paketverluste als auch einzelne, zufällig verteilte Bitfehler in dem entsprechenden Datenstrom aufweist.
Als besonders geeignete Ausführungsbeispiele für die vorliegende Erfindung werden die Sprachübertragung über Internet und GSM-GPRS, die Sprach-/Audio-/Bild-/Videoübertragung über Internetz und UMTS, die Sprach-/Audio-/Bild- /Videoübertragung über Internet und GSM-EDGE angesehen. Ferner lassen sich bei der Verwendung von verketteten Kanalcodes sehr effizient Daten über das oben beschriebene System übertragen (File Transfer) .Although a preferred exemplary embodiment of the application of the method according to the invention has been explained above, it should be pointed out that the method according to the invention can in principle be used in any communication system, although it is particularly suitable for systems in which the transmission characteristic is both packet loss and individual , randomly distributed bit errors in the corresponding data stream. Voice transmission over the Internet and GSM-GPRS, voice / audio / image / video transmission over the Internet and UMTS, voice / audio / image / video transmission over the Internet and GSM are particularly suitable for the present invention. EDGE viewed. Furthermore, when using concatenated channel codes, data can be transferred very efficiently via the system described above (file transfer).
Nachfolgend werden die Übertragungseigenschaften und das Verhalten des anhand der Fig. 2 beschriebenen Übertragungssystems gemäß einer bevorzugten Implementierung desselben näher erläutert. Für die Implementierung des Übertragungs- Systems aus Fig. 2 wurde das Beispiel der Übertragung von Sprache über das mobile Internet betrachtet. Unter dem Begriff „mobiles Internet" ist das oben beschriebene kombinierte Netzwerk aus einem paketorientierten Netzwerkteil und einem zusätzlichen Funkkanalverbindungsabschnitt ge- meint. Wie oben schon erwähnt, eröffnet das Übertragungssystem eine sehr flexible Anpassung der Übertragungscharak- teristika abhängig von der Verlusten auf dem paketorientierten Netzwerk und der Verbindungskapazität des mobilen Netzwerks. Wie erwähnt, wird der Paketverlust an dem Emp- fänger als Punktierung des Faltungscodes betrachtet, so dass die einzige zusätzliche Information, die an den Decodierer zu übertragen ist, die oben erwähnte Bad-Frame- Indication ist.The transmission properties and the behavior of the transmission system described with reference to FIG. 2 according to a preferred implementation of the same are explained in more detail below. For the implementation of the transmission system from FIG. 2, the example of the transmission of voice over the mobile Internet was considered. The term “mobile Internet” means the combined network described above, consisting of a packet-oriented network part and an additional radio channel connection section. As already mentioned above, the transmission system opens up a very flexible adaptation of the transmission characteristics depending on the losses on the packet-oriented network and As mentioned, the packet loss at the receiver is considered as puncturing the convolutional code, so the only additional information to be transmitted to the decoder is the bad frame indication mentioned above.
Der Multimediacodierer 102 bewirkt eine Codierung der Sprache basierend auf dem AMR-Sprachcodec, der auf der CELP- Technologie basiert, was bis zu acht Raten zwischen 4,75 kbit/s bis 12,2 kbit/s ermöglicht. Die subjektiv reine Sprachqualität des 12, 2-kbit/s-Modus ist vergleichbar mit dem G.711-Codec. Zusätzlich wird eine 6-Bit-CRC auf die wichtigsten Bits angewendet. Diese CRC wird an dem Sprach- decodierer für die Erkennung fehlerhafter Rahmen eines Sprachrahmens verwendet und steuert die Fehlerverschleie-
rung von fehlerhaften Sprachrahmen. Dies führt zu einer Gesamtbitrate von 5,05 kbit/s bis 12,5 kbit/s nach der Codierung der Sprache durch den Codierer 102.The multimedia encoder 102 encodes the speech based on the AMR speech codec, which is based on the CELP technology, which enables up to eight rates between 4.75 kbit / s to 12.2 kbit / s. The subjectively pure voice quality of the 12.2 kbit / s mode is comparable to the G.711 codec. In addition, a 6-bit CRC is applied to the most important bits. This CRC is used on the speech decoder for the detection of defective frames of a speech frame and controls the error coverage erroneous language frames. This leads to a total bit rate of 5.05 kbit / s to 12.5 kbit / s after the coding of the speech by the encoder 102.
Zusätzlich kann der Codierer 102 auch Quellensignifikanzinformationen (SSI; SSI = Source Significance Information) an die Kanalcodierungseinheit 106 weitergeben, die dann beispielsweise für den ungleichen Fehlerschutz (UEP; UEP = U- nequal Error Protection) der Sprachdaten verwendet wird. Nachfolgend wird auf die von dem Codierer 102 ausgegebenen Daten 104 in dem Codierer 108 ein rekursiver systematischer Faltungscode (RSC; RSC = Recursive Systematic Convolutio- nal) mit der Rate 1/N angewendet. Nachdem an der Empfängerseite ein Paketverlust als eine Punktierung des Faltungsco- des angesehen wird, sollte die Paketbildung der codierten Bits vorzugsweise gemäß einem optimalen Punktierungsmuster des erzeugten Codes durchgeführt werden.In addition, the encoder 102 can also pass on source significance information (SSI) to the channel coding unit 106, which is then used, for example, for the unequal error protection (UEP) of the voice data. Subsequently, a recursive systematic convolutional code (RSC = RSC = Recursive Systematic Convolutional) with the rate 1 / N is applied to the data 104 output by the encoder 102 in the encoder 108. After a packet loss on the receiver side is regarded as puncturing the convolutional code, the packet formation of the coded bits should preferably be carried out according to an optimal puncturing pattern of the generated code.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass die Paketbildung derart durchgeführt wird, dass alle Bits, die von einem bestimmten Generatorpolynom GX(D) stammen, demselben Paket x zugeordnet werden. Daher ergibt sich an dem Ausgang der Paketverteilungseinheit 110 ein Paket, das die systematischen Bits enthält, und N-l unterschiedli- ehe Pakete, von denen jedes die Bits enthält, die von einem bestimmten Generatorpolynom erzeugt wurden.In the exemplary embodiment shown, it is assumed that the packet formation is carried out in such a way that all bits which come from a specific generator polynomial G X (D) are assigned to the same packet x. Therefore, at the output of the packet distribution unit 110, there is a packet that contains the systematic bits and Nl different packets, each of which contains the bits that were generated by a specific generator polynomial.
Die N Pakete werden dann seriell über das verlustbehaftete paketorientierte Netzwerk 114 übertragen. Durch die Rück- führung des PER-Signals kann der Sprachcodiermodus und die Rate des RSC-Codes adaptiv eingestellt werden, und folglich kann die Anzahl und Länge der übertragenen Pakete eingestellt werden.The N packets are then serially transmitted over the lossy packet-oriented network 114. By returning the PER signal, the speech coding mode and the rate of the RSC code can be adjusted adaptively, and consequently the number and length of the packets transmitted can be set.
An der Basisstation 116 werden die empfangenen Pakete über die Träger i bis NN des drahtlosen Netzwerks oder Funknetzwerks 122 übertragen. Die einzige Information, die zusätzlich übertragen werden muss, ist bei diesem Ausfüh-
rungsbeispiel der Bad-Frame-Indicator (BFIx) , der anzeigt, ob ein bestimmtes Paket x = 1, ..., N rechtzeitig an der Basisstation 116 angekommen ist und folglich über das drahtlose Netzwerk übertragen wurde oder nicht. Zusätzlich kann die bereits oben beschriebene optionale Neucodierung an der Basisstation 116 vor dem Übertragen der empfangenen Pakete durchgeführt werden. Dies ist sehr hilfreich, um mit dem Verlust von Paketen auf dem Festnetz 114 umzugehen, wodurch sich das Gesamtverhalten des Systems verbessern lässt.The received packets are transmitted at the base station 116 via the carriers i to N N of the wireless network or radio network 122. The only information that has to be transmitted additionally is with this version Example of the bad frame indicator (BFIx), which indicates whether a specific packet x = 1, ..., N arrived at the base station 116 in good time and was consequently transmitted via the wireless network or not. In addition, the optional re-encoding described above can be performed at base station 116 prior to transmitting the received packets. This is very helpful in dealing with the loss of packets on the landline 114, which can improve the overall behavior of the system.
Eine Rückkopplung des DQI-Signals von dem Decodierer 124 zu der Basisstation über eine Steuerungseinheit des Mobilfunknetzes kann verwendet werden, um die Anzahl der verwendeten Träger der drahtlosen Verbindung adaptiv anzupassen.Feedback of the DQI signal from decoder 124 to the base station via a control unit of the mobile radio network can be used to adaptively adapt the number of carriers used for the wireless connection.
An der Empfängerseite, also in dem Decodierer 124, werden die empfangenen Pakete decodiert und der Decodierer 128 ist als Sprachdecodierer ausgeführt, der die decodierten Pakete empfängt. Es sei darauf hingewiesen, dass es ausreichend ist, wenn von den N Paketen lediglich ein willkürliches Paket, welches jedoch fehlerfrei empfangen wird, erforderlich ist, um eine fehlerfreie Decodierung zu ermöglichen. Wenn eine verbleibende Redundanz in den sprachcodierten Daten verblieben ist, kann alternativ oder zusätzlich auch eine iterative Quellen- und Kanaldecodierung angewendet werden.The received packets are decoded at the receiver end, that is to say in the decoder 124, and the decoder 128 is designed as a speech decoder which receives the decoded packets. It should be noted that it is sufficient if only one random packet from the N packets, which is received without errors, is required to enable error-free decoding. If any remaining redundancy remains in the speech-encoded data, iterative source and channel decoding can alternatively or additionally be used.
Basierend auf der gerade beschriebenen Implementierung des in Fig. 2 erläuterten Übertragungssystems wurde das erfin- dungsgemäße Verfahren analysiert. Die Anzahl der Pakete N wurde derart gewählt, dass sowohl in dem erfindungsgemäßen Paket, also auch in einem Referenzsystem, welches später noch beschrieben wird, die Paketverteilung vergleichbar ist. Die Verzögerung der beiden Systeme ist ebenfalls die gleiche. Um einen geeigneten Vergleich zwischen den zwei Systemen zu haben, wurden alle Rückkopplungsinformationen und Anpassungen in dem erfindungsgemäßen System für das Codierungsexperiment vernachlässigt .
Als Sprachcodierer wurde der AMR-Mode MR122 verwendet, mit einer festen Rate von 12,2 kbit/s. Zusätzlich wurde die o- ben beschriebene 6-Bit-CRC auf die wichtigsten Bits ange- wandt, so dass sich eine Gesamtbitrate von 12,5 kbit/s nach der Sprachcodierung ergab. Die oben erwähnte Quellensignifikanzinformation wurde bei diesem Beispiel nicht verwendet. Als rekursiver systematischer Faltungscode wurde ein Code mit der Rate 1/5 ausgewählt, mit folgenden Generator- polynomen:Based on the implementation of the transmission system explained in FIG. 2 just described, the method according to the invention was analyzed. The number of packets N was chosen in such a way that the packet distribution is comparable both in the packet according to the invention, ie also in a reference system, which will be described later. The delay of the two systems is also the same. In order to have a suitable comparison between the two systems, all feedback information and adaptations in the system according to the invention have been neglected for the coding experiment. The AMR mode MR122 was used as the speech encoder, with a fixed rate of 12.2 kbit / s. In addition, the 6-bit CRC described above was applied to the most important bits, resulting in a total bit rate of 12.5 kbit / s after the voice coding. The source significance information mentioned above was not used in this example. A code with the rate 1/5 was selected as the recursive systematic convolutional code, with the following generator polynomials:
Folglich wurden aus einem Sprachrahmen fünf Pakete erzeugt, die über das paketorientierte Netzwerk gesendet wurden. Die Gesamtrate nach der Paketverteilung betrug 62,5 kbit/s.As a result, five packets were generated from one speech frame and sent over the packet-oriented network. The overall rate after packet distribution was 62.5 kbit / s.
Für den Übertragungskanal wurde ein einfaches Modell eines verlustbehafteten paketorientierten Netzwerks angenommen, wobei dieses einfache Modell statistisch unabhängige Paket- Verluste, und für die drahtlose Verbindung additive Kanäle mit weißem gausverteiltem Rauschen (AWGN) annimmt.A simple model of a lossy packet-oriented network was assumed for the transmission channel, this simple model assuming statistically independent packet losses, and for the wireless connection additive channels with white distributed noise (AWGN).
Als Messwert für die Sprachqualität wurde die spektrale Entfernung (SD; SD = Spectral Distance) angenommen, die beispielsweise von R. M. Gray, u . a . „Distorsion Measures for Speech Processing" in IEEE Transactions on Acoustics , Speech and Signal Processing, Vol . 28, Nr. 4, Seiten 367 bis 376, August 1980 beschrieben wird.The spectral distance (SD = SD = Spectral Distance) was assumed as the measured value for the speech quality. a. "Distorsion Measures for Speech Processing" is described in IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, Vol. 28, No. 4, pages 367 to 376, August 1980.
d(Sx(ω),Sy(ω)) = \ \nSx(ω)-\nSy(ω) \2 dωd (S x (ω), S y (ω)) = \ \ nS x (ω) - \ nS y (ω) \ 2 dω
Hierbei sind Sx(ω) und Sy(ω) die Amplitudenspektren des ur- sprünglichen, fehlerfrei übertragenen Systems und des Sig-
nalausgangs des Sprachdecodierers . W bezeichnet die Signalbandbreite. Aufgrund dieser Annahme werden lediglich Verzerrungen aufgrund der Übertragung betrachtet, Verzerrungen aufgrund der Sprachcodierung werden vernachlässigt. In der oben genannten Gleichung zeigt ein kleiner Wert d eine kleine oder geringe Verzerrung des fehlerfrei übertragenen Signals an, und folglich eine hohe Sprachqualität. Ein hoher Wert von d zeigt eine hohe Verzerrung und folglich eine schlechte Sprachqualität an.Here S x (ω) and S y (ω) are the amplitude spectra of the original, error-free transmitted system and the sig- output of the speech decoder. W denotes the signal bandwidth. Based on this assumption, only distortions due to the transmission are considered, distortions due to the speech coding are neglected. In the above equation, a small value d indicates little or little distortion of the signal transmitted without error, and consequently high speech quality. A high value of d indicates high distortion and consequently poor speech quality.
In Fig. 3 ist das Verhalten des in Fig. 2 näher beschriebenen Systems gemäß der oben erwähnten Implementierung gezeigt, wobei hier keine Neucodierung in der Basisstation 116 durchgeführt wurde. Entlang der z-Achse ist der spekt- rale Abstand SD als Maß der Sprachqualität aufgetragen, entlang der x-Achse ist die auf dem Netzwerk 114 auftretende Paketfehlerrate PER aufgetragen und entlang der y-Achse ist das Signal-zu-Rauschverhältnis auf dem Mobilnetz aufgetragen.FIG. 3 shows the behavior of the system described in more detail in FIG. 2 according to the implementation mentioned above, wherein no re-coding was carried out in the base station 116 here. The spectral distance SD is plotted along the z axis as a measure of the voice quality, the packet error rate PER occurring on the network 114 is plotted along the x axis and the signal-to-noise ratio is plotted on the mobile network along the y axis ,
Wie aus Fig. 3 zu entnehmen ist, führen Paketverluste auf dem paketorientierten Netzwerk über einen großen Bereich von Paketfehlerraten im wesentlichen zu keiner Beeinflussung der Qualität, wobei lediglich bei hohen Paketfehlerra- ten von größer 10 % geringfügige Verzerrungen auftreten. Ferner ist der RSC-Code in der Lage, die meisten Fehler, die durch die drahtlose Verbindung hervorgerufen werden, zu korrigieren. Erst bei niedrigen Signal-zu- Rauschverhältnissen (Es/N0 < -1 dB) nimmt die Sprachquali- tat ab. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass selbst im schlimmsten oder schlechtesten Fall, nämlich wenn PER = 0,25 und Es/N0 gleich -4 dB, die übertragene Sprache bzw. das übertragene Sprachsignal immer noch verständlich ist.As can be seen from FIG. 3, packet losses on the packet-oriented network essentially do not influence the quality over a large range of packet error rates, slight distortions only occurring at high packet error rates of greater than 10%. Furthermore, the RSC code is able to correct most errors caused by the wireless connection. The speech quality only decreases at low signal-to-noise ratios (E s / N 0 <-1 dB). However, it should be noted that even in the worst or worst case, namely if PER = 0.25 and E s / N 0 is -4 dB, the transmitted speech or the transmitted speech signal is still understandable.
Anhand der Fig. 4 wird nun das Verhalten des oben beschriebenen Übertragungssystems beschrieben, wenn zusätzlich in der Basisstation die optionale Neucodierung durchgeführt wird. Wie zu erkennen ist, führt diese zusätzliche Neuco-
dierung dazu, dass alle Paketverluste bei der Übertragung über das paketorientierte Netzwerk vermieden werden, lediglich die Verzerrungen aufgrund der Übertragung über das drahtlose Netzwerk verbleiben.The behavior of the transmission system described above will now be described with reference to FIG. 4 if the optional re-coding is additionally carried out in the base station. As can be seen, this additional Neuco- The aim is to avoid all packet losses when transmitting over the packet-oriented network, only the distortions due to the transmission over the wireless network remain.
Anhand der Fig. 5 wird nachfolgend ein Referenzsystem näher erläutert, welches codierte Sprachdaten ebenfalls über ein verlustbehaftetes paketorientiertes Netzwerk und über eine drahtlose Verbindung an einen mobilen Teilnehmer übersen- det, jedoch einen herkömmlichen Ansatz zur Korrektur von Paketverlusten verwendet, nämlich die Signalinterpolation. In Fig. 5 ist ein Codierer 202 gezeigt, der über eine Verbindung 204 die codierten Daten an eine Paketverteilungseinheit 210 weitergibt, die die empfangenen Daten auf eine Vielzahl von Paketen verteilt, die anschließend über das Netzwerk 214 an eine Basisstation 216 übertragen werden. Über einen Funkkanal 220 werden die empfangenen Pakete an den mobilen Empfänger übertragen, wobei die empfangenen Pakete in dem Demultiplexer 224 demultiplext werden und an den Decodierer 228 weitergegeben werden. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Referenzsystem wurde als Sprachcodec der G.711- Codec gewählt und der codierte Datenstrom wurde über N Pakete derart verteilt, dass benachbarte Abtastwerte in benachbarte Pakete eingebracht wurden. Folglich führt ein Pa- ketverlust zu einer Verteilung der Abtastsignalverluste und nicht zu einem vollständigen Verlust von Abtastwerten. An dem Decodierer kann ein Paketverlust dann einfach durch Interpolieren zwischen den verteilten Abtastverlusten verschleiert werden. Die Pakete werden über den gleichen mobi- len Internetkanal wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung übertragen.A reference system is explained in more detail below with reference to FIG. 5, which also transmits encoded voice data to a mobile subscriber via a lossy packet-oriented network and via a wireless connection, but uses a conventional approach to correcting packet losses, namely signal interpolation. 5, an encoder 202 is shown which, via a connection 204, forwards the encoded data to a packet distribution unit 210, which distributes the received data to a multiplicity of packets which are then transmitted to a base station 216 via the network 214. The received packets are transmitted to the mobile receiver via a radio channel 220, the received packets being demultiplexed in the demultiplexer 224 and passed on to the decoder 228. In the reference system shown in FIG. 5, the G.711 codec was chosen as the speech codec and the encoded data stream was distributed over N packets in such a way that adjacent samples were introduced into adjacent packets. Consequently, a packet loss leads to a distribution of the sample signal losses and not to a complete loss of sample values. A packet loss can then be concealed at the decoder simply by interpolating between the distributed sampling losses. The packets are transmitted via the same mobile Internet channel as in the exemplary embodiment of the present invention described above.
In Fig. 6 ist das Verhalten des in Fig. 5 gezeigten Übertragungssystems dargestellt, und wie bereits aus einem o- berflächlichen Vergleich der Fig. 3 und 4 mit der Fig. 6 zu erkennen ist, weist das Verhalten des Referenzsystems eine deutlich schlechtere Sprachqualität in Bereichen auf, in denen das erfindungsgemäße System noch zur Erzeugung ver-
ständlicher Sprache bei der Übertragung führt. Wie aus Fig. 6 zu erkennen ist, leidet das System stark an der nicht- codierten Übertragung der Sprachdaten über die drahtlose Verbindung. Aber auch bei niedrigen Bitfehlerraten bzw. ho- he Signal-zu-Rauschverhältnis ist das System immer noch sehr anfällig gegenüber Übertragungsfehlern, soweit die Sprachqualität betroffen ist. Betrachtet man sich nun die Paketfehlerrate des verlustbehafteten paketorientierten Netzwerks, so ist zu erkennen, dass das Referenzsystem auch bezüglich der Paketverluste sehr empfindlich ist. So führt bereits eine Paketverlustrate von 10~3 zu einer Abnahme der Sprachqualität, wobei ausgehend von einer Paketfehlerrate von 10~3 mit zunehmender Paketfehlerrate die Übertragungsqualität immer schlechter wird. Verglichen mit dem System gemäß der vorliegenden Erfindung ohne Neucodierung ist festzustellen, dass bei dem Referenzsystem bereits bei zunehmender Paketfehlerrate ab 10"3 eine signifikante Abnahme der Sprachqualität festzustellen ist, die bei dem erfindungsgemäßen System gar nicht auftritt.FIG. 6 shows the behavior of the transmission system shown in FIG. 5, and as can already be seen from a superficial comparison of FIGS. 3 and 4 with FIG. 6, the behavior of the reference system has a significantly poorer speech quality Areas in which the system according to the invention is still used for production language in the transmission. As can be seen from FIG. 6, the system suffers greatly from the non-coded transmission of the voice data via the wireless connection. But even with low bit error rates or high signal-to-noise ratios, the system is still very susceptible to transmission errors as far as the voice quality is concerned. If one now looks at the packet error rate of the lossy packet-oriented network, it can be seen that the reference system is also very sensitive to packet losses. Thus, a packet loss rate of 10 -3 already leads to a decrease in the speech quality, wherein, starting from a packet error rate of 10 -3 with increasing packet error rate, the transmission quality is getting worse. Compared with the system according to the present invention without re-coding, it can be ascertained that in the reference system, even with an increasing packet error rate from 10 "3, a significant decrease in the speech quality can be determined, which does not occur in the system according to the invention.
Um die anhand der Fig. 3, 4 und 6 gewonnenen Ergebnisse zu verifizieren, wurden informelle Hörtests durchgeführt, wobei der Parameter SD als Maß der Sprachqualität herangezogen wurde. Das G.711-Referenzsystem (Fig. 6) wurde mit dem Übertragungssystems, welches das erfindungsgemäße Verfahren zum Wiedergewinnen von fehlerhaften Codewörtern implementiert (ohne Neucodierung) , siehe Fig. 2, verglichen. In der Tabelle in Fig. 7 ist für die zwei Systeme angegeben, welcher Prozentsatz der Testhörer welches System bevorzugt hat. Die Überlegenheit des neuen Systems mit dem erfindungsgemäßen Ansatz zum Wiedergewinnen von fehlerhaften Codewörtern ist ohne weiteres offensichtlich, und basierend auf einem Vergleich der in Fig. 7 angegebenen Signal-zu- Rauschverhältnisse und Paketfehlerwerte mit den Fig. 3 und 6 nicht weiter verwunderlich.In order to verify the results obtained on the basis of FIGS. 3, 4 and 6, informal hearing tests were carried out, the parameter SD being used as a measure of the speech quality. The G.711 reference system (FIG. 6) was compared with the transmission system which implements the method according to the invention for recovering faulty code words (without re-coding), see FIG. 2. The table in FIG. 7 shows for the two systems what percentage of the test listeners preferred which system. The superiority of the new system with the approach according to the invention for recovering faulty code words is readily apparent, and based on a comparison of the signal-to-noise ratios and packet error values shown in FIG. 7 with FIGS. 3 and 6 is not surprising.
Anhand der Fig. 1 bis 7 wurden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei insbe-
sondere die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung in ein Übertragungssystem beschrieben ist, welches eine Kombination aus einem Funknetz und einem Festnetz darstellt. Die vorliegen- de Erfindung ist nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern kann ganz allgemein auf beliebige Übertragungsnetzwerke, Festnetze oder Mobilfunknetze angewandt werden. Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene RSC-Codierung beschränkt, sondern jede Art von Codie- rung, welche eine Redundanz in die zu sendenden Codewörter einfügt, ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbar, sofern der verfügbare Code punktierbar ist (nicht an dem Sender) , so dass Verluste bei der Übertragung von dem Empfänger als Punktierung erkannt werden können.1 to 7, preferred exemplary embodiments of the present invention have been described, in particular In particular, the implementation of the method and the device according to the invention in a transmission system is described, which represents a combination of a radio network and a fixed network. The present invention is not limited to this application, but can be applied in general to any transmission networks, fixed networks or mobile radio networks. Furthermore, the present invention is not limited to the RSC coding described above, but any type of coding that inserts redundancy into the code words to be transmitted can be used with the method according to the invention, provided that the available code can be punctured (not on the Transmitter) so that losses in transmission can be recognized by the receiver as puncturing.
Zusätzlich lässt sich die vorliegende Erfindung auch auf Systeme anwenden, bei denen, zur Erhöhung der Übertragungskapazität, eine Punktierung der erzeugten Codes durchgeführt wird, wobei ein zusätzlicher Verlust bei der Übertra- gung als zusätzliche Punktierung von dem Empfänger angesehen wird.In addition, the present invention can also be applied to systems in which, in order to increase the transmission capacity, the generated codes are punctured, with an additional loss in the transmission being regarded as additional puncturing by the receiver.
Der Verlust der Pakete oder der Codeeinheiten kann außer bei der Übertragung auch in dem Empfänger und/oder nach der Erzeugung in dem Sender hervorgerufen werden.
The loss of the packets or the code units can also be caused in the receiver and / or after generation in the transmitter, in addition to the transmission.