WO2005093983A1 - Verfahren zur fehlerkorrektur von paketdaten - Google Patents

Verfahren zur fehlerkorrektur von paketdaten Download PDF

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    • H04H60/09—Arrangements for device control with a direct linkage to broadcast information or to broadcast space-time; Arrangements for control of broadcast-related services
    • H04H60/11—Arrangements for counter-measures when a portion of broadcast information is unavailable

Definitions

  • DAB Digital Audio Broadcasting
  • CRC Cycloned Data Packet Control
  • the individual packets are combined into data groups and further into data files, a single wrong bit can negate the transmission of large amounts of data.
  • DAB's error protection is achieved using a convolutional code. The goal was to achieve a bit error rate of 10 ⁇ (-4). Practical experience has shown, however, that the bit error rate is sufficiently low for audio, but is too high for the transmission of data services.
  • the DVB-T method uses a concatenated code consisting of a convolutional code and a block code. In this way, very low bit error questions of the order of magnitude 10 / - ⁇ ) can be achieved.
  • FIG. 1 shows a structure of data packets according to the DAB packet mode
  • FIG. 2 shows the insertion of redundancy information in the padding field of the packets
  • Figure 3 shows the arrangement of packages according to Figure 2 in a coherent
  • FIG. 4 shows the insertion of redundancy information in a single packet without user data
  • Figure 5 shows the arrangement of packet data according to Figure 4 in a coherent
  • FIG. 6 shows an improved structure of the packets for burst error distribution.
  • FIG. 1 shows the structure of a data packet according to the DAB packet mode.
  • the packet header contains information about the packet length, a continuity index, first / last, an address field, a command field and information about the useful data length.
  • the package data field (package data filed) with the useful data (field) and the field for padding data, e.g. Darning dates. This is followed by a 16 bit field for error detection (package CRC)
  • Valid lengths for packets are 24, 48, 72 or 96 bytes. This structure must be retained in the solution according to the invention in order to enable decoding by conventional receivers. Any method that uses a systematic code can be used for error correction. This means that the data to be protected remains unchanged and only additional redundancy information is added in the form of additional bytes, which are used for error correction. As an example, a REED-Solomon code RS (255, 239) should be used, which is shortened to the packet sizes used. Code shortening is a well-known technique for these codes.
  • two embodiments are proposed for inserting the redundancy information: 1. Inserting the redundancy information in the padding field of the packets.
  • a normal packet mode decoder will treat it as padding and ignore it.
  • Figure 2 shows the structure for the first alternative.
  • the packet header requires 3 bytes. This is followed by a user data field from 0 to 74 bytes followed by a padding field, the SYNC field, the redundancy information with 16 bytes and 2 bytes for error detection (CRC).
  • CRC error detection
  • the SYNC byte is used to identify packets that contain redundancy bytes.
  • the command bit (bit 7) from the packet header can be set in such packets.
  • the arrangement of the packets according to FIG. 1 in a coherent data stream is shown in FIG. 3.
  • the code is shortened to the code word length (192/176).
  • the first value, 192 is the total code word length of the REED-Salomon code and the second value, 176, is the length of the user data to be protected.
  • the calculation of the redundancy bytes of the code word does not contain the CRC of the current packet with redundancy bytes, but that of the previous packet with the redundancy bytes.
  • the packet header is designated PH here, S is the synchronous data and R is the redundancy information on the error structure.
  • the cycle of error protection coincides with that of the packets.
  • the code word length of the additional error protection must be a multiple of the minimum size for a packet length, here 24.
  • code word lengths of 168, 192, 216 and 240 are also conceivable, among others.
  • the selected code word length is then filled with an integer combination of the four possible packet sizes.
  • the CRC bytes are treated in the next code word. If they were in the same code word, the CRC calculation is not possible, since the redundancy bytes of the RS code would also have to be calculated with the CRC bytes, which, however, can only be calculated once the RS bytes have been determined. So first the RS-Byles are calculated and inserted into the package. Then the CRC bytes are calculated and appended. The fact that they are not in the same RS code word does not change the RS bytes.
  • a defined address is used in the packet header to recognize that redundancy bytes are available.
  • a SYNC byte can also be used for this. No user data can be transported in the package.
  • the code is shortened to length (208/192).
  • the code word is not calculated via the packet header PH and the padding P.
  • the cycle of the error protection useful data length must match that of the packets, ie the useful data length of the code word of the additional error protection must be a multiple of the minimum size for a packet length, here 24.
  • the selected user data length is then filled with an integer combination of the four possible packet sizes.
  • the packet with the redundancy information R is attached to it. During decoding, only the redundancy bytes from the redundancy packet are used and the rest are completely discarded (PHc, P, CRC).
  • FIG. 6 Another exemplary embodiment according to the invention is shown in FIG. 6.
  • the same Reed-Solomon mother code RS (255, 239) is used as for DVB and DMB video. If necessary, it is shortened by adding zeros before the protection bytes are calculated.
  • the packages are arranged in rows. After 188 lines, for example, the code words in columns are calculated. This leads to improved error correction performance since burst errors are distributed within the packets over several code words.
  • the RS redundancy bytes (in Figure 6 RS bytes) are also accommodated in the DAB packet structure. To reduce the overhead, only a shortened packet header is used. The control bit is not necessary and the full packet length is always used for the redundancy bytes. It can be seen from FIG. 6 that the RS redundancy bytes of the first two columns are placed at the end of the RS packets. The data capacity freed up in the shortened packet header is thus replaced by RS redundancy bytes. Error protection via the CRC columns is not required.

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Abstract

Zur Fehlerkorrektur von Paketdaten, insbesondere DAB-Datenpakten, wobei Codewörter über mehrere Datenpakte genutzt werden, wird vorgeschlagen, Redundanzinformation zur Fehlerkorrektur unter Beibehaltung der ursprünglichen Paketdatenstruktur hinzuzufügen und zwar auf Kosten eines freien Datenfeldes oder eines Nutzdatenfeldes. Der Zyklus des Fehlerschutzes wird als Vielfaches einer Mindestgrösse für eine Paketlänge gewählt.

Description

Verfahren zur Fehlerkorrektur von Paketdaten
Stand der Technik
Für die Datenübertragung in Paketform spezifiziert beispielsweise der DAB (Digital Audio Broadcasting) Standard ein Verfahren wie Daten im Paketmode übertragen werden. Dieses Verfahren sieht eine Methode zur Fehlererkennung vor, um fehlerhaft übertragene Datenpakete zu erkennen (CRC- Verfahren). Da die einzelnen Pakete zu Datengruppen und weiter zu Datenfiles zusammengesetzt werden, kann ein einzelnes falsches Bit die Übertragung großer Datenmengen zunichte machen. Der Fehlerschutz bei DAB wird über einen Faltungscode erreicht. Die Zielsetzung dabei war, eine Bitfehlerrate von 10Λ(-4) zu erreichen. Die praktische Erfahrung hat aber gezeigt, dass die Bitfehlerrate zwar für Audio ausreichend gering ist, aber für die Übertragung von Datendiensten zu hoch ist.
Beim DVB-T Verfahren wird ein verketteter Code aus Faltungscode und Blockcode verwendet. Hierdurch lassen sich sehr geringe Bitfehlerragen in der Größenordnung lO/ -δ) erreichen.
Vorteile der Erfindung
Mit den Maßnahmen des Anspruchs 1, wobei Codewörter über mehrere Datenpakete genutzt werden, Redundanzinformation zur Fehlerkorrektur unter Beibehaltung der ursprünglichen Paketdatenstruktur hinzugefügt wird und zwar auf Kosten eines freien Datenfeldes bzw. eines Stopfdatenfeldes oder eines Nutzdatenfeldes und wobei der Zyklus des Fehlerschutzes, insbesondere seiner Codewortlänge, als Vielfaches einer Mindestgröße für eine Paketlänge gewählt wird, können Fehler korrigiert werden, ohne dass z.B. ein DAB-Empfänger Kenntnis über dieses Verfahren haben muss, die Daten trotzdem als gültige DAB-Paketmode-Daten erkennt und mit einem üblichen Fehlererkennungsverfahren (CRC) verarbeiten kann. Höherwertige Empfanger, die das Fehlerkorrekturverfahren nach der Erfindung beherrschen, können dieses anwenden und liefern somit öfter bzw. schneller korrekte Datenfiles.
Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 eine Struktur von Datenpaketen nach dem DAB-Paketmode,
Figur 2 die Einfügung von Redundanzinfoπnation im Padding-Feld der Pakete,
Figur 3 die Anordnung von Paketen gemäß Figur 2 in einem zusammenhängenden
Datenstrom,
Figur 4 die Einfügung von Redundanzinfoπnation in ein einzelnes Paket ohne Nutzdaten,
Figur 5 die Anordnung von Paketdaten gemäß Figur 4 in einem zusammenhängenden
Datenstrom,
Figur 6 eine verbesserte Struktur der Pakete zur Burstfehlerverteilung.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In Figur 1 ist der Aufbau eines Datenpaketes nach dem DAB Paket Mode gezeigt. Im Paketkopf (Paket Header) sind Angaben zur Paketlänge (paket length), ein Kontinuitätsindex (continuity index), First/Last, ein Λdressfeld, ein Command-Feld und Angaben zur Nutzdatenlänge (useful data length) untergebracht. An diesen Paketkopf schließt sich das Paketdatenfeld (paket data filed) mit den Nutzdaten (useful data field) und dem Feld für Padding-Daten, z.B. Stopfdaten, an. Anschheßend folgt ein 16 Bit Feld zur Fehlererkennung (paket CRC)
Gültige Längen für Pakete sind 24, 48, 72 oder 96 Byte. Diese Struktur muss bei der erfindungsgemäßen Lösung erhalten bleiben, um herkömmlichen Empfängern die Decodierung zu ermöglichen. Zur Fehlerkorrektur kann ein beliebiges Verfahren angewandt werden, welches einen systematischen Code benutzt. Das heißt, die zu schützenden Daten bleiben unverändert erhalten und es wird nur zusätzlich Redunάanzinformation in Form von zusätzlichen Bytes zugefügt, die zur Fehlerkorrektur dienen. Als Beispiel soll ein REED-Solomon- Code RS (255, 239) benutzt werden, der auf die eingesetzten Paketgrößen gekürzt wird. Die Codekürzung ist ein bekanntes Verfahren für diese Codes.
Erfindungsgemäß werden zwei Ausführungsformen vorgeschlagen für die Einfügung der Redundanzinformation: 1. Einfugen der Redundanzinformation im Padding-Feld der Pakete. Ein normaler Paketmode-Decoder wird es als Padding werten und ignorieren.
2. Einfügen der Redundanzinformation in ein einzelnes Paket ohne zusätzliche Nutzdaten, so dass der normale Paketmode-Decoder dieses Paket einfach ignorieren kann.
Figur 2 zeigt die Struktur für die erste Alternative. Der Paketkopf (Paket Header) benötigt 3 Byte. Es schließt sich ein Nutzdatenfeld von 0 bis 74 Byte an gefolgt von einem Padding-Feld, dem SYNC-Feld, der Redundanzinformation mit 16 Byte und 2 Byte zur Fehlererkennung (CRC).
Das SYNC-Byte dient zur Erkennung von Paketen, die Redundanz-Bytes enthalten. Alternativ kann in solchen Paketen das Command-Bit (Bit 7) aus dem Paket Header gesetzt werden.
Die Anordnung der Pakete nach Figur 1 in einem zusammenhängenden Datenstrom zeigt Figur 3. In diesem Beispiel wird der Code auf die Codewortlänge (192/176) gekürzt. Dabei ist der erste Wert, 192, die gesamte Codewortlänge des REED-Salomon-Codes und der zweite Wert, 176, die Länge der zu schützenden Nutzdaten. Die Berechnung der Redundanz-Bytes des Codewortes enthält nicht den CRC des aktuellen Paketes mit Redundanz-Bytes, sondern den des vorherigen Paketes mit den Redundanz-Bytes. Der CRC des aktuellen Paketes wird dann mit den Redundanz-Bytes berechnet. So ist sowohl die Codewortlänge = 192 als auch die Summe der Paketlängen. Der Paketkopf ist hier mit PH bezeichnet, S sind die Synchrondaten und R die Redundanzinformation zur Fehlerkoπektur. Bei dieser Ausführungsform stimmt der Zyklus des Fehlerschutzes mit dem der Pakete überein. Das heißt die Codewortlänge des zusätzlichen Fehlerschutzes muss ein Vielfaches der Mindestgröße für eine Paketlänge, hier 24, sein. So sind z.B. auch Codewortlängen von 168, 192, 216 und 240 neben anderen denkbar. Die gewählte Codewortlänge wird dann mit einer ganzzahligen Kombination der vier möglichen Paketgrößen gefüllt.
Um den CRC des Paketes berechnen zu können, das die zusätzliche Redundanzinformation enthält, werden die CRC-Bytes im jeweils nächsten Codewort behandelt. Falls sie im gleichen Codewort liegen würden, ist die CRC-Berechnung nicht möglich, da die Redundanz-Bytes des RS-Codes auch mit den CRC-Bytes berechnet werden müssten, die aber wiederum erst berechnet werden können, sobald die RS-Bytes feststehen. So werden also zuerst die RS-Byles berechnet und in das Paket eingefügt. Danach die CRC-Bytes berechnet und angehängt. Das sie nicht im selben RS-Codewort sind, verändert dies die RS-Bytes nicht.
Die zweite Alternative für die Einfügung der Redundanzinformation zeigt Figur 4.
Im Paket Header wird eine definierte Adresse eingesetzt, um zu erkennen, dass Redundanz-Bytes vorhanden sind. Ein SYNC-Byte kann auch dazu benutzt werden. Hierbei können keine Nutzdaten im Paket transportiert werden.
In einem zusammenhängenden Datenstrom ergibt sich für diese Alternative die Anordnung gemäß Figur 5.
In diesem Beispiel wird der Code auf die Länge (208/192) gekürzt. Das Codewort wird nicht über den Paket Header PH und das Padding P berechnet.
Bei dieser Ausführungsform muss der Zyklus der Fehlerschutznutzdatenlänge mit dem der Pakete übereinstimmen, d.h. die Nutzdatenlänge des Codewortes des zusätzlichen Fehlerschutzes muss ein Vielfaches der Mindestgröße für eine Paketlänge, hier 24, sein. Die gewählte Nutzdatenlänge wird dann mit einer ganzzahligen Kombination der vier möglichen Paketgrößen gefüllt. Das Paket mit der Redundanzinformation R wird daran angehängt. Bei der Decodierung werden aus dem Redundanzpaket nur die Redundanz- Bytes benutzt und der Rest komplett verworfen (PHc, P, CRC). Ein weitere erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel zeigt Figur 6. Hier wird der gleiche Reed-Solomon Muttercode RS (255, 239) wie bei DVB und DMB Video benutzt. Er wird soweit erforderlich gekürzt durch Hinzufügen von Nullen bevor die Schutzbytes berechnet werden. Die Pakete werde in Zeilen angeordnet. Nach beispielsweise 188 Zeilen werden die Codewörter in Spalten berechnet. Dies führt zu einer verbesserten Fehlerkorrektur-Performance, da Burstfehler innerhalb der Pakete über mehrere Codeworte verteilt werden.
Auch die RS redundancy bytes (in Figur 6 RS Bytes) werden in der DAB Paketstruktur untergebracht. Um den Overhead zu reduzieren, wird nur ein gekürzter Paketkopf benutzt. Das Steuerbit ist nicht notwendig und für die Redundanzbytes wird stets die volle Paketlänge benutzt. Aus Figur 6 ist ersichtlich, dass die RS Redundanzbytes der ersten beiden Spalten an das Ende der RS Pakete gestellt werden. Somit wird die im gekürzten Paketkopf freigewordene Datenkapazität durch RS Redundanzbytes ersetzt. Fehlerschutz über die CRC Spalten sind nicht erforderlich.
Eine voll rückwärtskompatible (Level 2) Lösung einer Fehlerkorrektur für DAB Paketmode mit impliziertem Interleaving lässt sich hiermit erreichen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Fehlerkorrektur von Paketdaten, wobei Codewörter über mehrere Datenpakete genutzt werden, mit folgenden Schritten: Es wird Redundanzinformation zur Fehlerkorrektur unter Beibehaltung der ursprünglichen Paketdatenstruktur hinzugefügt und zwar auf Kosten eines freien Datenfeldes bzw. eines Stopfdatenfeldes oder eines Nutzdatenfeldes, Der Zyklus des Fehlerschutzes, insbesondere seiner Codewortlänge, wird als Vielfaches einer Mindestgröße für eine Paketlänge gewählt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Paketdaten DAB- Datenpakete verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Codewortlänge als Vielfaches von 24 Byte oder eine innere Codewortlänge als Vielfaches von 24 Byte vorgesehen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlererkennungsinformation des Datenpakets, das die Redundanzinformation zur Fehlerkorrektur enthält, dem jeweils nächsten Codewort zugeordnet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung, dass Redundanzinformation zur Fehlerkorrektur in einem Datenpaket enthalten ist und oder zum Auffinden der Position des Codewortes im Datenstrom eine entsprechende Kennzeichnung im Paketkopf, z.B. ein gesetztes Command-Bit, oder im Synchronwort vorgesehen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fehlerkorrektur ein REED-Solomon-Code verwendet wird, der insbesondere auf die verwendeten Paketlängen gekürzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Redundanzinformation ein eigenes Datenpaket vorgesehen wird, welches an die Datenpakete für Nutzinformation angehängt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Decodierung des Datenpaketes mit der Redundanzinformation nur die Redundanzinformation ausgewertet wird und der Rest verworfen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenpakete in Zeilen angeordnet werden und die Codewörter in Spalten.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Burstfehler innerhalb von Paketen über mehrere Codewörter verteilt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein gekürzter Paketkopf benutzt wird, wobei die durch Kürzung entstandene Datenkapazität mit Redundanzbytes aufgefüllt wird.
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