用于可變前向糾錯(fec)保護的系統和方法

專利名稱：用于可變前向糾錯(fec)保護的系統和方法
技術領域：
本發明涉及通信裝置和系統，更具體地說，本發明涉及用在這樣 的裝置和系統中的前向糾錯。
背景技術：
糾錯和檢錯系統在計算機科學和信息系統中是重要的，尤其可應 用在通信系統中，因為糾錯和檢錯系統檢測在信號傳輸期間由噪聲引 起的錯誤或導致的其它信號損害。糾錯能夠定位錯誤并糾正錯誤。
在遠程通信中，前向糾錯(FEC)為數據傳輸提供了錯誤控制， 并且不同于標準檢錯和糾錯，因為接收機可以糾正一些錯誤而無需請 求重新發送數據。用在FEC系統中的代碼的設計事先決定可以糾正的 錯誤的最大比例。其結果是，不同FEC碼可以適合不同信號和傳輸條 件。
在像FEC那樣的許多糾錯和檢錯系統中，利用預定算法將冗余 量加入發送信息中。每個冗余位是原始信息位的復函數。其結果是， 編碼輸出可能包括或可能不包括原始信息。例如，編碼器輸出端上的 未修正輸入是系統碼以及不是的那些是非系統的。
FEC可以被認為是將噪聲平均化的糾錯系統，因為每個輸入數據 位影響許多發送符號。 一些符號受噪聲污染比其它符號更嚴重，迫使 從取決于相同用戶輸入數據的其它污染較輕接收信號中提取原始數 據。
塊編碼和巻積編碼是用在許多商用通信系統中的兩種主要FEC 系統。塊碼使用固定大小的塊或預定大小的位或符號的分組，而另一 方面，巻積碼作用于任意長度的位和符號流。巻積碼通常利用也稱為 維特比(Viterbi)算法或維特比解碼器的最大似然序列估計算法來解碼。
在一些應用中，最好將不同的保護級加入數據分組或傳輸的不同 部分中。例如，分組中的首標包含重要數據，常常被認為比包含在分 組中的其余數據更重要。在一些情況下，最好可以比包含在分組或傳 輸的剩余部分中的數據或數字語音更可靠地接收首標。首標可以包含 目的地數據、標識符、循環冗余校驗碼、和重點保護的其它位信息和 數據。
一些現有技術建議單獨編碼/解碼和交織/去交織首標、數字語
音和數據。由于單獨數據段的每次FEC進程都需要填充位(flush bit) 和較小交織器，所以這存在一些缺點。

發明內容
因此，鑒于上述背景，本發明的一個目的是將可變FEC保護加 入包含#>認為比其它數據更重要的一些數據的數據分組或傳輸中。
本發明的另一個目的是與其余數字語音或數據相比對包含在數 據分組中的首標提供更大保護。
通信系統包括編碼器，例如，巻積編碼器，用于編碼通信數據和 改變通信數據的不同部分上的代碼穿孔率和重復率的至少一個。將可 變前向糾錯加入通信數據的不同部分中。
編碼器可以是無線發射機或其它發射機的一部分，無線發射機或
其它發射機包括接收編碼之后的通信數據的調制器并通常包括交織 器。形成通信信號以便發送。在接收機處接收這個通信信號，該接收 機包括解調通信信號的解調器、去交織器、和解碼通信數據以便作進 一步處理的解碼器。
在一個方面中，發射機處的調制器用于根據映射算法將通信數據 映射成符號以便形成通信信號。巻積編碼器可以用于改變與分組首標 相對應的通信數據上的代碼穿孔率和重復率的至少一個。巻積編碼器 可以用于利用1/n比率代碼編碼分組首標的一部分并再次重復。交織 器可以交織編碼通信數據，并且在本發明的非限制性方面中，只需要 發射機處的一個交織器，即， 一個公用交織器。接收機處的解碼器最好由維特比解碼器形成。 還給出了方法方面。
編碼裝置包括巻積編碼通信數據的巻積編碼模塊。代碼穿孔/重 復模塊改變通信數據的不同部分上的代碼穿孔率和重復率的至少一 個。將可變前向糾錯加入通信數據的不同部分中。在一個非限制性例 子中，代碼穿孔/重復模塊改變與分組首標相對應的數據上的代碼穿孔
率和重復率的至少一個。代碼穿孔/重復模塊可以利用1/n比特代碼編 碼與分組首標相對應的數據部分并再次重復。
然后，可以整體交織不同分段，從而對傳輸的不同分段獲得可變 FEC保護級。由于基于較大交織的時間分集吞吐量，可以給出改進的 性能。


通過結合附圖對本發明作詳細描述，本發明的其它目的、特征和 優點將變得顯而易見，在附圖中
圖1是可以依照本發明的非限制性例子使用的通信系統例子的方
塊圖2是示出可以依照本發明的非限制性例子使用的基本部件的高 級方塊圖3是例示依照本發明的非限制性例子描述本發明的流程的各種 步驟的高級流程圖；和
圖4是與圖3類似，但示出碼率和要編碼的位數的附加細節的更 詳細流程圖。
具體實施例方式
在下文中，將參照示出優選實施例的附圖更全面地描述不同實施 例。可以給出和描迷實施例的許多不同形式不應該理解為局限于本文 給出的實施例。相反，提供這些實施例是為了使本公開變得詳盡和完 整，和全面地向本領域普通技術人員表達本發明的范圍。相同的標號自始至終表示相同的元件。
依照本發明的非限制性例子，可以將可變FEC保護加入包含比 其它數據更重要的一些數據，例如，與包含在數據分組的其余部分中 的數字語音或其它數據相比的首標數據的數據分組中。取代像在一些 現有技術系統中實現的那樣不同地對待數據的每個部分，可以利用相 同巻積編碼器和交織器來改變用在不同數據段上的穿孔和重復率的至 少 一個。這使得將在多徑/衰落信道上有利的較大交織器用于所有數據 成為可能。也可以只在最后使用一次填充數據位。
Yasuda、 Kashiki、和Hirata在文章"High-Rate Punc- tured Convolutional Codes for Soft Decision Viterbi Decoding, IEEE Transactions on Communications" , Vol.1 com-32， No.3， March 1984 中詳細說明了穿孔巻積碼，特此通過引用而并入其公開文本。
所述系統、裝置和相關方法可以用在首標信息與數據一起嵌在相 同分組中但比數據更重要的聯網應用中。例如，在數字語音應用中， 數字語音可以具有大約10-2的誤碼率(BER)。如果首標含有單位錯 誤，則將丟棄該分組，這是一種低效的做法。依照本發明的非限制性 例子，所述系統、裝置和方法將利用相同巻積編碼器和交織器允許數 字語音上的4/5比率代碼和首標上的1/2或1/4比率代碼，作為非限制 性例子，使所有數據在時間上的擴展更好。視本領域普通技術人員的 目標而定，可以對不同目的使用不同1/n或其它碼率。此外，還允許 公用填充位，并允許發射機上的相同編碼器和接收機上的相同解碼器。
現在參照圖l給出可以用在本發明上的通信系統的例子。
可以用在這樣的系統和方法上的無線電設備的例子是美國 Melbourne, Florida的Harris公司制造和銷售的FalconTM III無線電 設備。應該明白，可以使用不同的無線電設備，包括可以利用相對標 準處理器和硬件部件實現的軟件定義無線電設備。
為了便于理解，結合如圖l所示的非限制性例子簡要描述將從本 發明中得益的通信系統的例子。這個通信系統50的高級方塊圖包括基 站段52和可以加以修改以便用在本發明上的無線消息終端。基站段52包括在無線鏈路上將語音或數據通信和發送到VHF (甚高頻)網 絡64或HF (高頻)網絡66的VHF無線電設備60和HF無線電設 備62， VHF網絡64和HF網絡66的每一個包括各自許多VHF無線 電設備68和HF無線電設備70、和與無線電設備68， 70連接的個人 計算機工作站72。如所例示的那樣，Ad-hoc通信網絡73可與各種部 件互操作。因此，應該明白，HF或VHF網絡包括無基礎設施并作為 ad-hoc通信網絡操作的HF和VHF網絡段。盡管未例示UHF (超高 頻)無線電設備和網絡段，但也可以包括它們。
HF無線電設備62可以包括解調電路62a和作為非限制性例子， 適當巻積編碼電路62b、塊交織器62c、數據隨機化電路62d、數據和 成幀電路62e、調制電路62f、匹配濾波電路62g、帶有適當箝位器件 的塊或符號均衡電路62h、去交織和解碼電路62i、調制解調器62j、 和電源適配電路62k。語音編解碼電路621可以包含解碼和編碼功能 和可以是所述的各種電路的組合或分立電路的轉換單元。這些和其它 電路起執行本發明所需的任何功能，以及本領域普通技術人員建議的 其它功能的作用。包括所有VHF移動無線電設備和發送和接收臺的 其它例示無線電設備可以具有相似的功能電路。
基站段52包括與公共交換電話網(PSTN)80的陸上連線，PSTN 80與PABX 82連接。像衛星地面站那樣的衛星接口 84與PABX 82 連接，PABX 82與形成無線網關86a， 86b的處理器連接。它們分別 與VHF無線電i殳備60或HF無線電設備62連接。這些處理器通過局 域網與PABX 82和電子郵件客戶機90連接。這些無線電設備包括適 當信號發生器和調制器。
Ethernet/TCP-IP局域網可以起"無線電"郵件服務器的作用。 可以利用特此全文《1用其公開文本以供參考、作為第二代協議/波形的 STANAG-5066，當前，最好利用特此全文引用其公開文本以供參考的 第三代互操作標準STANAG- 4538在無線電鏈路和局部空中網上發 送電子郵件消息。特此全文引用其公開文本以供參考的互操作標準 FEDSTD-1052可以用在傳統無線設備上。可以用在本發明中的裝備的
7例子包括美國Melbourne, Florida的Harris />司制造的不同無線網關 和無線電設備。作為非限制性例子，這種裝備可以包括RF5800、 5022、 7210、 5710、 5285和PRC 117和138系列裝備和設備。
這些系統可以與RF-5710A高頻(HF)調制解調器一起和與為長 距離HF無線電電路以高達9，600 bps (位每秒)的速率的發送提供保 證、特此全文引用其公開文本以供參考、稱為STANAG 4539的NATO 標準一起工作。除了調制解調技術之外，那些系統還可以使用無線電 子郵件產品，該無線電子郵件產品使用特此全文引用其公開文本以供 參考、像STANAG 4538或STANAG 5066那樣為重點戰術信道設計 和完善的一套數據鏈路協議。對于設置成ISB模式的無線電設備和設 置成固定數據速率的HF調制解調器，也可以使用高達19,200 bps的 固定非自適應數據速率。可以使用代碼組合技術和自動重復請求(ARQ) 功能。
在圖2中示出了可以依照本發明的非限制性例子使用的通信系 統。發射機用91示出并包括基本功能電路部件或模塊，包括前向糾錯 編碼器92a，前向糾錯編碼器92a包括可以與編碼器集成在一起或可 以是分立模塊的穿孔模塊。編碼器92a和它的穿孔模塊包括如下所述 用于重復的功能。在交織器92b,例如，塊交織器處交織編碼數據， 以及在許多情況下，在調制器92c處調制編碼數據。這個調制器可以 根據特定映射算法將通信數據映射成不同符號，以便形成通信信號。 例如，可以形成最小位移鍵控或高斯最小位移鍵控(MSK或GMSK) 符號。可以依照本發明的非限制性例子使用其它類型的調制。在可以 作為集成模塊或分立模塊形成的上變頻器和濾波器92d處進行上變頻 和濾波。將通信信號，例如，無線地發送到接收機93。
在接收機93處，在可以是集成或分立模塊的下變頻器和濾波器 94a處進行下變頻和濾波。在解調器94b處解調并在去交織器94c處 去交織信號。在可以包括分立或集成去穿孔模塊的解碼器94d處解碼 和去穿孔(對于穿孔代碼)、組合(對于重復代碼)和傳遞(對于標 準代碼)去交織數據(即，位軟判決)。所述系統、裝置和方法可以
8使用不同模塊和不同功能。所述的這些部件通常可以組合在一個收發 器內。
應該明白，在本發明的一個非限制性方面中，在編碼期間l/2比 率，K-7巻積碼可以作為工業標準代碼用于前向糾錯(FEC)。為了 便于理解，現在給出基本部件的更詳細描述。巻積碼是一種糾錯碼， 以及在一個非限制性例子中，通常含有三個參數(n， k, m)，其中 n等于輸出位的數目，k等于輸入位的數目，以及m等于存儲器寄存 器的數目。對于這種定義，量k/n可以稱為碼率，是代碼效率的度量。 在非限制性例子中，k和n參數可以從l到8， m可以從2到10，以 及碼率可以從l/8到7/8。有時，通過參數(n, k， L)來規定巻積碼 片，其中L等于代碼的約束長度，如L-k(m-1)。因此，約束長 度可以代表編碼器存儲器中將影響n個輸出位的生成的位數。有時， 視使用的定義而定，可以改變字母。
編碼數據的變換是信息符號和代碼的約束長度的函數。單個位輸 入碼可以產生給出不同碼率的穿孔碼。例如，當使用1/2比率代碼時， 編碼器的輸出位的子集的傳輸可以將1/2比率代碼轉換成2/3比率代 碼。因此， 一個硬件電路或模塊可以產生不同比率的代碼。穿孔碼使 比率可以根據像下雨或其它信道損害條件那樣的信道條件，通過軟件 或硬件而動態地改變。
用于巻積碼的編碼器通常使用通常包括輸入位以及許多以前的 輸入位(稱為編碼器的狀態)的用于編碼的查找表，表值是編碼器的 一個或幾個輸出位。T以將編碼器函數看作狀態圖、樹圖或格子圖。
用于巻積碼的解碼系統可以使用1)順序解碼，或2)通常更合 乎需要、也稱為維特比解碼的最大似然解碼。順序解碼允許通過格子 的前向和反向運動。作為最大似然解碼的維特比解碼檢查給定長度的 接收序列，計算每種路徑的度量，并且根據該度量作出判決。
穿孔巻積碼是一些系統中的慣例，并且依照本發明的非限制性例 子使用。應該明白，在一些例子中，穿孔巻積碼是通過從低比率編碼 器的輸出中周期性地刪除特定代碼位而獲得的較高比率代碼。穿孔巻積碼的性能與原始代碼相比可能下降，但通常編碼率增大。
可以用作本發明的非限制性例子的 一些基本部件包括包含巻積
編碼器的發射機，該巻積編碼器編碼二進制輸入向量序列以產生二進 制輸出向量序列，并且可以利用格子結構來定義。交織器，例如，塊 交織器可以置換輸出向量的位。交織數據還將在發射機處被調制(通 過映射來發送符號)并發送。在接收機處，解調器解調信號。
塊去交織器恢復被交織的位。維特比解碼器可以解碼去交織位軟 判決，以產生二進制輸出數據。
常常使用包括巻積編碼器和維特比解碼器作為如上所述的無線 電收發器的一部分的維特比前向糾錯模塊或核心。例如，如果巻積碼
的約束長度是7，編碼器和維特比解碼器可以利用工業標準穿孔算法 來支持1/2、 2/3、 3/4、 4/5、 5/6、 6/7、 7/8的可選碼率。
不同設計和塊系統參數可以包括像計算巻積碼的輸入位數那樣 的約束長度、和像用于巻積編碼器的輸入位與輸出位的比率那樣的巻 積碼率。穿孔率可以包括用于利用穿孔進程的巻積編碼器的輸入位與 輸出位的比率，例如，從l/2比率代碼中導出。
維特比解碼器參數可以包括像用于巻積編碼器的輸入位與輸出
位的比率那樣的巻積碼率。穿孔率可以是用于利用穿孔進程的巻積編 碼器的輸入位與輸出位的比率，并且可以從1/2比率母碼中導出。輸 入位可以是解碼器的多個處理位。維特比輸入寬度可以是維特比解碼 器的輸入數據(即，軟判決)的寬度。度量寄存器長度可以是存儲度 量的寄存器的寬度。追溯深度可以是維特比解碼器計算最可能解碼位
值所需的路徑長度。為解碼進程存儲路徑度量信息的存儲器的大小可
以是存儲器大小。在一些情況下，維特比解碼器可以包括去穿孔和維
特比功能塊或模塊之間的先進先出(FIFO)緩沖器。維特比輸出寬度
可以是維特比解碼器的輸入數據的寬度。
編碼器可以包括如上所述的穿孔塊電路或模塊。通常，巻積編碼
器可以具有約束長度7，并且采取帶有許多個元素，例如，6個的移位
寄存器的形式。在每個時鐘周期內可以輸入一位。因此，可以通過利用標準發生器代碼組合移位寄存器元素來定義輸出位并級聯以形成編
碼輸出序列。在輸入端上可以存在串行或并行字節數據接口。 ^L應用 的穿孔碼率而定，輸出寬度是可編程的。
非限制性例子中的維特比解碼器可以將輸入數據流劃分成塊，并 且估計最有可能的數據序列。每個解碼數據序列可以成脈沖串輸出。 在非限制性例子中，輸入和計算可以是連續的，并且每兩個數據位需 要四個時鐘周期。輸入FIFO可以取決于去穿孔輸入數據速率。
還應該明白，本發明不局限于巻積碼和類似的FEC，也可以將 turbo碼用作在有噪聲信道上接近像最大信息傳送率的理論極限那樣 的香農(Shannon)極限的高性能糾錯碼或低密度奇偶校檢碼。因此， 可以無需增大發送功率地擴大一些可用帶寬。取代從信號中產生二進 制數字，可以將解碼器的前端設計成產生每個位的似然量度。
現在參照圖3,其中示出了例示依照本發明的非限制性例子的用 于可變前向糾錯(FEC)的系統、裝置和方法的流程例子的高級流程 圖。發送數據位(方塊100 )。初始化編碼器(方塊101)。編碼最初 的位并重復該進程(方塊102 )。編碼接著的位但不重復(方塊103 )。 編碼后續位并穿孔數據(方塊104 )。插入填充位(方塊105 )。交織 數據(方塊106 )。接收機接收這些位(方塊107 )。進行去交織(方 塊108)和初始化解碼器(方塊109)。加入位軟判決(方塊110)。 對于第一比率塊，通過位軟判決(方塊111)。對于第二比率塊，通 過位軟判決(方塊112)。進行解碼(方塊113)。
現在參照圖4，其中示出了例示依照本發明的非限制性例子的用 于可變前向糾錯(FEC)的系統、裝置和方法的流程例子，但示出了 碼率和位數的進一步細節的更詳細流程圖。在本例中，為了筒潔起見， 標號從序號200開始。
發送數據流(方塊200)，在這個非限制性例子中，該數據流可 以包括利用1/4比率代碼發送的64位、利用1/2比率代碼發送的128 位、利用3/4比率代碼發送的3,900位、和利用1/2比率代碼作為填充 位發送的6位。總發送塊大小是(64x4) + ( 128 x 2) + (3,900 x4/3) + (6x2)等于5，724位。編碼器可以使用作為工業標準代碼的 1/2比率，k-7巻積碼。
編碼器狀態可以初始化成"0"值(方塊201)。最初的64位(對 應于例如首標)可以利用1/2比率代碼編碼。重復編碼器輸出兩次， 創建寫入發送數據陣列(tx一data—array )中的256個編碼位(方塊202 )。 編碼接著的128位。這個編碼數據不重復兩次，并且可以將編碼器的 輸出寫入發送數據陣列(tx_data_array)中(方塊203)。利用1/2 比率代碼編碼接著的3,900位，但數據被穿孔使得是3/4比率代碼而不 是1/2比率代碼，并且將穿孔數據寫入發送數據陣列(tx一data— array ) 中(方塊204)。插入"0"值的六個填充位，以將編碼器狀態驅動到 零。將編碼器的輸出寫入發送數據陣列(tx一data—array )中(方塊205 )。 當所有發送數據處在tx_data_array中時，交織和發送整個數據塊(方 塊206)。
接收機接收這些位(方塊207)并且去交織(方塊208)。將解 碼器初始化成狀態0 (方塊209 )。對于1/4比率塊，適當加入重復位 的位軟判決并且傳遞給解碼器(方塊210)。對于1/2比率塊，將位軟 判決傳遞給解碼器(方塊211)。對于3/4比率塊，將位軟判決傳遞給 解碼器，并且對于在發送之前穿孔和刪除的位，將"0"值位軟判決傳 遞給解碼器(方塊212 )。隨著數據被解碼，最初的有效64位將是1/4 比率編碼位。接著的128位將是1/2比率編碼位，并且接著的3,900 位將是3/4比率編碼位(方塊213 )。當然，視本領域普通技術人員的 目標而定，可以針對任何分組改變比率、數據、和重復。
為了提高性能，可以在碼率可以改變的塊之間加入過渡區。這是 可選的，未必進一步保護較低比率編碼位，例如，1/4和1/2比率編碼 位。解碼可以以每次調用一位解碼器輸出的流化方式完成。也可以隨 著軟判決傳遞給它，只更新維特比解碼器的格子結構。然后，可以最 后時抽出數據位。
所述的系統、裝置和方法的優點包括可以將不同碼率組合到單個 較大交織器中，導致可變前向糾錯(FEC)系統。只需要如方塊105所述的一組填充位。單個解碼器是解碼不同編碼塊所需的一切，并且 隨著碼率變化，不需要重置解碼器功能。這種手段自然有助于多徑/ 衰落信道上的疊代均衡和解碼。例如，在疊代均衡和解碼中，可以解
碼可變FEC方案，數據被重新編碼并用于幫助均衡器第二次傳遞接收 數據。可以重復(疊代)這種進程幾次。
權利要求
1. 一種通信系統，包括編碼器，用于編碼通信數據和改變通信數據的不同部分上的代碼穿孔率和重復率之一，其中，將可變前向糾錯加入通信數據的不同部分中；和交織器，用于交織編碼之后的全部或部分通信數據。
2. 按照權利要求1所述的通信系統，其中，所述編碼器操作用于利用前向糾錯(FEC )碼來編碼通信數據，所述FEC碼包括巻積碼、turbo碼或可被穿孔的其它FEC碼。
3. 按照權利要求1所述的通信系統，其中，所述編碼器操作用于改變與分組首標相對應的通信數據上的代碼穿孔率和重復率之一。
4. 按照權利要求3所述的通信系統，其中，所述編碼器操作用于利用1/n比率代碼來編碼分組首標的一部分并再次重復。
5. 按照權利要求1所述的通信系統，其中，所述編碼器操作用于為以不同比率編碼的通信數據插入填充位。
6. —種通信數據的方法，包括利用編碼器編碼通信數據；和改變通信數據的不同部分上的代碼穿孔率和重復率的至少一個，其中，將可變前向糾錯加入通信數據的不同部分中。
7. 按照權利要求6所述的方法，進一步包括利用前向糾錯(FEC)碼來編碼通信數據，所述FEC碼包括巻積碼、turbo碼或可被穿孔的其它FEC碼。
8. 按照權利要求6所述的方法，進一步包括改變與分組首標相對應的通信數據上的代碼穿孔率和重復率的至少一個。
9. 按照權利要求8所述的方法，進一步包括利用1/n比率代碼來編碼與分組首標相對應的通信數據的一部分并再次重復。
10. 按照權利要求6所述的方法，進一步包括為以不同比率編碼的所有通信數據插入填充位。
全文摘要
通信系統包括具有編碼器的發射機，所述編碼器用于編碼通信數據和改變通信數據的不同部分上的代碼穿孔率和重復率的至少一個。結果，可變前向糾錯被加入通信數據的不同部分中。
文檔編號H04L1/00GK101485132SQ200780025475
公開日2009年7月15日 申請日期2007年7月3日 優先權日2006年7月5日
發明者J·W·尼托, W·N·弗曼 申請人:哈里公司