對並行連接數據編碼的方法、編碼器和通信設備的製作方法
2023-07-02 06:49:21
專利名稱：對並行連接數據編碼的方法、編碼器和通信設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及前向糾錯編碼方案，並且，具體地，其可被應用於通信系統，其中，需要可靠的數據傳送來克服由噪聲或幹擾引發的錯誤。
背景技術：
前向糾錯(FEC)方案被廣泛地用於通信系統中，以增加信息傳送的可靠性。例如，如從S.Lin，D.J.Costello Jr.，「Error Control CodingFundamentalsand Applications(錯誤控制編碼基礎和應用)」，Prentice-Hall 1983中的實例所獲知的，一些常用的FEC碼是卷積碼、透平(turbo)碼、裡德-所羅門(Reed-Solomon)碼、或低密度奇偶校驗碼。
通常，可將前向糾錯編碼定義為系統化的方案，用於以通過適當設計的解碼方案而允許其重構的方式，通過代碼碼元的序列來取代原始信息碼元序列。
通常，主要區分處於塊編碼和卷積編碼之間。在塊編碼中，將信息序列分割為固定長度的塊。隨後，使用通常由編碼多項式或編碼矩陣來表示的塊碼，而對這些塊中的每個獨立地編碼。
與其相反，卷積碼不獨立地處理每個碼塊，而是在連續塊之間加入依賴性。由此，當前輸出塊不僅取決於當前輸入塊中的信息位，還取決於一個或多個先前輸入塊的信息位。
典型地，通過使用移位寄存器機制來實現卷積碼。可通過狀態轉移圖或網格(trellis)而圖形化地表示卷積碼。
儘管在理論上有可能將依賴性擴展到無限，但在通信系統中，一般慣例是還定義卷積碼的塊長度。
這使得有可能具有以公知的狀態在每個塊的開頭開始、並以公知的狀態在每個塊的末尾結束的碼結構，其通常被稱為網格終止(trellis termination)。這將使接收器中的解碼方案更有效率。
為實現對要傳送的信息的更佳的保護，可同時採用幾種編碼方案。這意味著將信息序列編碼幾次，並且，編碼器的輸入處的信息序列是相同的。一種顯而易見的圖形化表示是提醒電流記憶電阻器的並聯連接，因此，這種方法經常被稱為並行編碼方案。
在簡化形式中，並行編碼方案可由兩個相同的編碼器(例如，卷積編碼器)組成。其它形式可使用兩個不同的編碼器，如卷積編碼器和塊編碼器。
例如，可從Heegard，Chris；Wicker，Stephen B.，「Turbo coding(透平編碼)」chapter 4(第4章)，Kluwer Academic Publishers 1999，ISBN 0-7923-8378-8中得到被廣泛稱為透平編碼的常用並行編碼方案。在圖5中以示例的形式示出了現有技術透平編碼器的結構。典型地，採用具有附加交織器的兩個相同的卷積編碼器。使用交織器來使第二編碼器的輸入與第一編碼器的輸入去相關(de-correlate)。
數據源正在生成由形成碼塊的k個信息位組成的信息字。所得到的碼字由三個要素組成系統字、第一奇偶字、以及第二奇偶字。系統字(長度為k位)與要傳送的信息相同。採用遞歸系統編碼器(RSC)來生成第一奇偶信息。在第二編碼器分支中，採用交織器來將所述兩個編碼器的輸入序列去相關。所述兩個編碼器均使用生成多項式來定義編碼算法。
US 2003/0041293 A1公開了用來將碼元的序列交織的方法。為此目的，交織器執行塊間和塊內排列。即使將碼元的序列分割為多個塊，這些塊也單獨地用於交織的目的，而不是用於生成被獨立編碼的塊。
US 2002/0150167 A1公開了一種可配置編碼器，其可以多種前向糾錯碼中的任一種操作。在每個模式中，可配置多種編碼參數。
在現有技術中，已提出了這樣的手段，如對傳送信號添加冗餘或分集，以增加接收器正確地對傳送數據解碼的可能性。
發明內容
本發明的目的在於，尤其是在具有由於噪聲或幹擾而造成的不可靠的傳送的無線通信系統中，有效地利用編碼屬性，並且，允許簡單而有效的方法來增加對傳送信息的保護。
本發明提供了一種方法，其包括權利要求1的步驟，並還針對於對應的適用編碼器和通信設備。
構成本發明的基礎的一般概念在於具有長度的信息字分配為信息位的多個子集，每個子集分別形成碼塊片段。隨後，通過信息位來補充碼塊片段中的至少一個，其中，所述信息位也被分配到至少一個不同的碼塊片段。其結果是碼塊片段的長度的和大於總的碼塊長度。這樣，生成了信息重疊，其中，將輸入處的信息的一部分傳播到至少兩個輸出。由此，在分配器的輸出處的所有子分支上的信息位的和大於在分配器的輸入處的信息位的數目。
根據優選實施例，跨越多個並行編碼子分支、並在每個編碼子分支內進行該分配，可採用不同的糾錯編碼方法。然而，分配器不一定需要將相同數目的信息位分配到所涉及的編碼子分支。
由此，每個子分支可使用不同的糾錯編碼方法，並且，每個子分支內的塊長度也可不同。
為了實現時間分集，可能有必要在對完整碼塊或者一個或多個碼塊片段的至少一部分編碼之前對其進行緩衝。
優選地，使用不同的編碼方法來執行碼塊片段或碼塊的編碼，這進一步增加了保護數據位的效果。
根據本發明的優選實施例，執行將碼塊分配到相等長度的碼塊片段中。這有助於簡單的編碼操作，並增加處理速度。
如果在編碼分支或子分支中執行信息位的交織的步驟(優選地，利用不同的交織模式)，則其進一步增加編碼方法的性能。
根據本發明的其它優選實施例，通過周期性地將輸入位序列切換到子分支中的一個、並且隨後對另一個子分支重複，或者通過轉移/刪節向量或矩陣來確定將哪些位轉發到那些子分支、或移除哪些位，而執行信息位序列的分配。
從下面通過參照附圖而對優選實施例的描述中，本發明將變得清楚。
圖1示出了圖解本發明的一般概念的框圖；圖2是圖解將本發明應用於透平編碼器的本發明的實施例；圖3示出了具有在編碼操作中涉及的附加元件的根據本發明的編碼器；圖4給出了在一個編碼分支的子分支內使用相同的編碼方法的本發明的替換實施例；圖5以簡化形式示出了現有技術的透平編碼器。
具體實施例方式
參照圖1，下面是在本發明的上下文中使用的重要術語的定義。
信息字或信息位序列遵循S.Lin，D.J.Costello Jr.，「Error Control CodingFundamentals andApplications(錯誤控制編碼基礎和應用)」，Prentice-Hall 1983，chapter 1.2(第1.2章)而定義了塊代碼。通過被稱為信息字或信息位序列的k元組(tuple)u＝(u1，u2，......，uk)而表示消息塊。對於卷積碼，我們使用不同的定義。信息字是k元組u＝(u1，u2，......，uk)，其中，在u1輸入編碼器之前，清空卷積編碼器存儲器。
編碼分支通過其中完整的信息字可用於隨後的實體的分支，而定義編碼分支。
編碼子分支編碼子分支是編碼分支的一部分，其中，僅信息位的子集可用於編碼子分支內的塊。
碼塊碼塊是受編碼過程影響的信息碼元的邏輯單元。
子集子集表示集合的一部分，其中，根據定義，空集和原集也是原集的子集。
圖1示出了如在本發明的通信設備中包括的編碼器的框圖。在編碼器的輸入處，對兩個編碼分支施加具有k位的信息字，作為碼塊。在第一編碼分支中，使用方法1來得到具有長度nI位的碼字1，其中nI大於k。通常，編碼操作用於添加冗餘，以便更佳地保護信息位在傳送路徑上免受丟失。
在第二分支中，在兩個不同的子分支上分配k位信息字，以便使用方法2a在第一子分支中對信息位(也被稱為碼塊片段)的第一子集編碼，並使用方法2b在第二子分支中對信息位的第二子集編碼。這些位子集應以這樣的方式形成，即子集的至少一部分攜帶來自原始信息字的相同信息，其在下面將被稱為「信息重疊」。為了簡化起見，在這裡假定子分支中的碼塊片段具有相等長度，這意味著k是偶數。編碼操作的結果是分別具有長度n2a和n2b位的兩個碼字2a、2b。
重要的是應當注意，在每個子分支中，分別且獨立地對信息位子集編碼。在簡單實現中，子分支中的編碼方法是相同的，使得它們的生成多項式也相同。隨後，每個子分支的編碼位序列聯合組成奇偶字，其取代圖5中示出的現有技術編碼器的第二奇偶字。
信息重疊允許採用本發明的通信系統的設計者具體地微調FEC保護的等級。顯然，通過FEC編碼，比其它位更好地保護信息重疊位，這通常在適當地對信息解碼之後產生更佳的錯誤復原能力(resilience)。通過選擇信息重疊的長度，通信系統設計者可直接影響對信息字的總體保護。通過選擇信息字的哪些部分作為信息重疊的部分，設計者可影響信息字的哪個部分從FEC編碼獲得最多的好處。如果已知信息字的特定部分在遞交的內容方面具有比其它部分更高的優先級，則這是尤其適用的。
對於本領域的技術人員來說顯而易見的是，可進一步操作或組合所生成的奇偶序列，以得到用於信息字的完整碼字。儘管那些是必要或期望的操作，但並不需要它們來說明本發明，並且，由此不會更詳細地描述它們。
編碼方法不需要在所有編碼分支或子分支中都相同。差異可以是基礎上的，如在一個分支中是卷積碼，而在另一個分支中是塊碼。另一方面，還可在相同的編碼族內具有差異，如在分支中的卷積編碼器中的不同的生成多項式，或者例如，在不同的分支中使用的不同的編碼矩陣。本發明不限制在分支中採用的編碼器的類型或性質。作為例子，在使用了本發明的通信系統設計所加入的限制內，可隨意且獨立地選擇在圖1中被標記為「編碼方法1」、「編碼方法2a」和「編碼方法2b」的編碼器。
圖2示出了圖解將本發明應用於透平編碼器的本發明的實施例。如在將此圖與圖1相比較時可看出的，可看出的本質差異在於這樣的事實直接提供信息字，作為要輸出的系統字。此外，通過採用遞歸系統編碼器RSC而得到奇偶字1，由此組成在其輸出上具有奇偶字1的編碼分支。如在上面結合圖1而說明的那樣，進一步將第二編碼分支劃分為兩個編碼子分支，以得到奇偶字2a和奇偶2b。當與圖5相比較時，針對於第二編碼器分支而修改現有技術的透平編碼器，結果是兩個奇偶字2a和2b聯合組成奇偶字2。
為了改進性能，參見圖3，在編碼分支或子分支內可引入一個或多個可選交織器。這對於進一步改進所採用的編碼方案的屬性和性能來說是必要的。
可通過恰好在分離單元之前放置交織器2而修改交織器2a和2b的位置，來得到圖3中未明確示出、但對本領域的技術人員來說顯而易見的另一個實施例。
對於所述兩個實施例來說，已證明了對於不同的編碼子分支、或在編碼分支上的編碼子分支之間使用不同的交織模式會改進編碼操作的性能。
可以幾種形式來實現將碼塊分配到兩個或更多碼塊片段中。簡單形式包括切換器，其周期性地將輸入切換到一個或多個子分支；轉移向量或矩陣，其表示應將哪個輸入位轉發到哪個輸出；或者，用於每個子分支的刪節(puncturing)向量或矩陣，其對於特定的子分支而確定哪些位可通過、以及移除哪些位。
通過切換器和中繼器(repeater)的組合而形成另一個實現。切換器周期性地將信息位僅傳播到所連接的輸出中的一個。這是並非信息重疊的一部分的數據。中繼器將信息位傳播到多個連接的輸出。這是作為信息重疊的一部分的數據。
對於本領域的技術人員來說顯而易見的是，如果多個分支採用本發明的方法，則可對每個分支而獨立地設計信息重疊。換句話說，第一編碼分支的信息重疊可與第二編碼分支的信息重疊不同、部分相同、或相同。
在分支的子分支內的編碼方法相同的情況下，替換的布局是有可能的。圖4中給出了一個例子。不是將信息位序列分配到不同的並行子分支中，而是將其分配到兩個或更多片段中，隨後，使用為該分支而選擇的編碼器方法，以時間分集方式各自地對所述片段編碼。
更詳細地，如上所述，使用碼塊的信息位，通過使用編碼方法1來形成系統字和奇偶字1。此外，對由k位組成的原始信息字進行緩衝，並使用上述方法中的一個而對其進行塊分割。由此，將碼塊分離為兩個碼塊片段，其分別各自包含k2a位和k2b位的分割的信息字。隨後，通過使用編碼方法2，對第一片段編碼，產生具有n2a位的分割的奇偶字的第一部分。可再次將分割的奇偶字的此部分存儲在緩衝器中，以供後面的使用。作為下一個步驟，使用相同的編碼方法2，對具有k2b位的第二分割的信息字編碼，以得到由n2b位組成的奇偶字的第二部分。隨後，可合併所述兩個奇偶字片段，以形成具有n2位長度的完整的奇偶字2。
對於本領域的技術人員來說顯而易見的是，可取決於實際編碼器設計，而選擇除了上述基本上相等長度的兩等分方式的片段之外的情形。具體地，多於兩個片段的方式的分割可為偏好選項。
優選地，進行分割，使得片段具有相同長度。如果這是不可能的，那麼，可採用公知技術，使得所得到的片段具有相等長度。對此的可能解決方案是信息位序列的0填充(zero-stuffing)或部分重複。可替換地，倘若長度不是編碼方案的標準，則片段可具有不同的長度。例如，在卷積編碼中，塊長度可與大多數編碼器的設計無關。
在用於編碼器的卷積編碼的情況下，一些種類的網格終止可以是期望的。這意味著可將特定位附加到編碼器輸入或編碼器輸出，這使編碼器在碼塊的末尾上的狀態與被編碼的信息位序列無關。優選地，此終止狀態是全0狀態。可在S.Lin，D.J.Costello Jr.，「Error Control CodingFundamentals andApplications(錯誤控制編碼基礎和應用)」，Prentice-Hall 1983中找到有關終止的進一步的細節。
如果附加了所謂的終止位，則存在兩個選項。將終止位附加到相應的編碼分支或僅子分支內的信息位序列，或將終止位附加到幾個或所有編碼分支或子分支中的信息位序列。如何實現任一選項對於本領域的技術人員來說是顯而易見的。
為了有助於有效率的解碼方法，可期望包括錯誤檢測碼，如循環冗餘校驗和(CRC)。可在分支或子分支中的分配器或編碼器之前隨意插入這樣的碼。在極少的情況中，將錯誤檢測碼附加到碼字或其部分中(即，附加到系統或奇偶字、或它們的子集中)也是有用的。
上述實施例示出了存在兩個編碼分支、並將第二分支進一步劃分為兩個子分支的情況。然而，可容易地將本發明擴展到理論上無限制的分支數目、以及減小為被進一步劃分為子分支的一個分支。哪些分支應當被進一步劃分為子分支、以及有多少這樣的分支也是隨意的。
同樣，子分支的數目可多於兩個，並且，在將幾個分支劃分為子分支的情況下還可不同。
在本發明的方法的幾個階段中可採用刪節或重複，以改進性能，或對在系統中期望的編碼保護的量進行微調。
通過參照圖3可以看出，首先，可通過位的刪節或重複而調整在編碼分支的輸入處的信息字的長度。優選地，這在將信息字分配到編碼子分支中之前進行。可替換地，還可在分配之後但在編碼之前實現這樣的調整。對於本領域的技術人員來說顯而易見的是，所述兩種形式在效果方面是等價的，並可彼此轉換。
其次，對於所得到的碼字來說，調整是有可能的。優選地，這在系統和奇偶部分已被合併到一起之後進行。可替換地，可在編碼之後但在合併之前，在每個編碼分支或子分支內進行該調整。本領域的技術人員將再次認識到，這些形式可彼此轉換。
在以上描述和附圖中，已按照它們在與透平編碼相關的公共文獻中如何被引用的情況而使用了術語「系統」和「奇偶」。這是用來使本發明的描述簡單且容易領會。
然而，還可在並行編碼方案中使用本發明，其中，如通過參照圖1而示出並描述的那樣，所述並行編碼方案不產生系統和奇偶位或字之間的這種區別，而是通常簡單地引用碼位或字。
權利要求
1.一種在通信系統的通信設備中對包括信息位序列的碼塊中的數據編碼的方法，其包括以下步驟將具有長度k的第一編碼分支的信息位序列的位分配到信息位的第一多個n個子集，每個子集形成分別具有長度k1...kn的碼塊片段；利用也被分配到至少一個不同的碼塊片段的信息位來補充至少一個碼塊片段，使得碼塊片段的長度k1...kn的和大於碼塊長度k；以及使用至少一種編碼方法來對碼塊片段進行各自地編碼。
2.如權利要求1所述的方法，還包括以下步驟在第二編碼分支中，各自地且與第一多個碼塊片段的編碼操作相分離地對信息位序列編碼。
3.如權利要求2所述的方法，其中，在與第一編碼分支並行布置的第二編碼分支中執行對信息位序列編碼的步驟，其中，與第二編碼分支中的編碼操作無關地執行對第一多個碼塊片段的分配和編碼操作。
4.如權利要求1至3中的一個所述的方法，其中，以時間分集方式執行對碼塊和/或碼塊片段各自編碼的步驟。
5.如權利要求1至4中的一個所述的方法，還包括以下附加步驟在編碼步驟之前對碼塊或碼塊片段的至少一部分進行緩衝。
6.如權利要求1至5中的一個所述的方法，其中，使用不同的編碼方法來執行對碼塊片段或碼塊的各自編碼。
7.如權利要求1至6中的一個所述的方法，其中，編碼步驟使用卷積碼、網格碼、透平碼、裡德-所羅門碼、奇偶校驗碼中的至少一種。
8.如權利要求1至7中的一個所述的方法，其中，在多個並行編碼子分支中執行對各自編碼的碼塊片段或碼塊的編碼步驟。
9.如權利要求1至8中的一個所述的方法，其中，各自編碼的碼塊片段的信息位彼此至少部分地相同，以形成信息重疊。
10.如權利要求1至9中的一個所述的方法，其中，執行將碼塊分割為相等長度的碼塊片段中的分割。
11.如權利要求1至10中的一個所述的方法，其中，通過信息位序列的0填充或部分重複來改變碼塊和/或碼塊片段的長度。
12.如權利要求1至11中的一個所述的方法，其中，在編碼之後組合碼塊和碼塊片段的位，以形成與編碼之前的原始信息位序列相對應的碼字。
13.如權利要求1至12中的一個所述的方法，還包括以下步驟對一個或更多編碼分支和/或子分支的信息位進行交織。
14.如權利要求13所述的方法，其中，交織步驟對於不同的編碼分支或子分支使用不同的交織模式。
15.如權利要求13至14中的一個所述的方法，其中，在分離之後且在編碼步驟之前執行將信息位交織到碼塊片段中的步驟。
16.如權利要求1至15中的一個所述的方法，還包括以下步驟在將碼塊分離為碼塊片段之前調整碼塊的長度。
17.如權利要求16所述的方法，其中，通過在至少一個編碼分支或子編碼分支中將終止位附加到信息位序列，而得到該調整。
18.如權利要求1至17中的一個所述的方法，還包括以下步驟；包括在編碼步驟之前插入的錯誤檢測碼。
19.如權利要求1至18中的一個所述的方法，其中，通過周期性地將輸入位序列切換到至少一個子分支、並對另一個子分支重複輸入位序列的位的施加，而執行該分配。
20.如權利要求1至18中的一個所述的方法，其中，使用表示應將哪個輸入位分配到哪個子分支的轉移向量或矩陣，而執行該分配。
21.如權利要求1至18中的一個所述的方法，其中，使用對於特定子分支確定哪些位可通過和移除哪些位的刪節向量或矩陣，而執行該分配。
22.如權利要求1至21中的一個所述的方法，還包括以下步驟選擇信息位序列的哪部分具有比所述序列的其它部分高的優先級，並選擇信息位序列的此部分用於補充步驟，其中，將信息位分配到不同的碼塊片段。
23.一種用於通信設備的編碼器，適於執行根據權利要求1至22中的一個的方法。
24.一種無線通信系統的通信設備，包括根據權利要求23的編碼器。
全文摘要
在通信系統的通信設備中，對包括信息位序列的碼塊中的數據進行編碼的方法，包括以下步驟將具有長度k的第一編碼分支的信息位序列的位分配為信息位的第一多個n個子集，每個子集形成分別具有長度k1…kn的碼塊片段。它還包括以下步驟利用也被分配到至少一個不同的碼塊片段的信息位來補充至少一個碼塊片段，使得碼塊片段的長度k1…kn的和大於碼塊長度k；以及使用至少一種編碼方法來對碼塊片段各自地編碼。本發明還涉及用來執行編碼方法的對應的適用編碼器和通信設備。
文檔編號H04L1/00GK1830170SQ200480021442
公開日2006年9月6日 申請日期2004年4月26日 優先權日2003年7月24日
發明者亞歷山大·戈利奇克埃德勒馮埃爾布沃特, 克裡斯琴·溫格特, 艾科·塞德爾 申請人:松下電器產業株式會社