專利名稱：擴(kuò)展的卷積碼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于通常通信的差錯控制編碼領(lǐng)域，包括但不局限于有線線路、無線、衛(wèi)星、廣播等，和諸如光和磁之類的存儲裝置領(lǐng)域，以及許多其它領(lǐng)域。在一個特定方面，本發(fā)明涉及設(shè)計用于無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備和方法。本發(fā)明尤其涉及用于調(diào)制和編碼以便保護(hù)數(shù)據(jù)來增加傳輸系統(tǒng)的覆蓋范圍的技術(shù)。
實際上在所有類型的數(shù)據(jù)傳輸中，編碼通常用來增加效率并且提供錯誤檢驗/錯誤控制。
卷積編碼是錯誤控制類型編碼的特殊情況。對卷積編碼的快速回顧揭示了與塊編碼器相對比，卷積編碼器具有存儲器，其中所述塊編碼器是不具有存儲器的設(shè)備，其使用固定長度的信息塊。換句話說，在卷積編碼中所執(zhí)行的錯誤編碼不僅取決于當(dāng)前所提供的一組輸入符號(symbol)，而且考慮了先前使用并存儲的一些輸入符號。所使用的過去信息比特的數(shù)目被稱作約束長度。過去信息的比特越多(即用于表示約束長度的數(shù)目值越高)，編碼越高效。然而，隨著約束長度的比特數(shù)目的增加，操作所需要的解碼器也確實變得更為復(fù)雜。卷積編碼允許固定數(shù)目的消息符號并且允許輸出固定數(shù)目的編碼符號。
卷積編碼器典型情況下包括模-2的加法器和一個或多個延遲元件。

圖1a是這種編碼器的一個例子。存在三個存儲寄存器102、104和106。存在第一輸入比特Ui 108和三個輸出比特(來自模加法器110、112和114的v1、v2和v3)。當(dāng)輸出比特的數(shù)目n＝3并且輸入比特的數(shù)目k＝1(Ui 108)并且存儲寄存器的數(shù)目m＝3(102，104，106)時，(n，k，m)參數(shù)是(3，1，3)。因而k/n比率(輸入/輸出)是1/3編碼率。這意味著每一個輸入比特被編碼為三個輸出比特。最后，約束長度(L)是2(作為U0和U-1)，其也由陰影來標(biāo)識，保持過去的信息比特。因而約束長度＝2L，并且在這種情況下等于四(22)。當(dāng)輸入是一比特(k＝1)時，諸如1/3、1/4、1/5、1/9之類的編碼率有時可以被稱作母代碼。可以組合這種單比特代碼以生成收縮碼(puncturedcode)。收縮碼是具有不同于1/n的編碼率的那些代碼。
圖1b圖示了借助Shu Lin的差錯控制編碼的一個例子。所示出的編碼器101取k比特的輸入信息序列U 103并且生成n比特序列，所述n比特序列為代碼字v 105。每個編碼序列v不僅取決于當(dāng)前輸入的相應(yīng)信息u，而且取決于m-1個先前的消息塊(當(dāng)卷積編碼器具有/訪問存儲器時)。從而，編碼器具有約束長度m。另外，k輸入、n輸出的編碼器還被稱為比率k/n編碼器，或k乘n矩陣。
例如，利用以下比特值以致在圖1中所示出的1338(用二進(jìn)制為1011 011)和1718(用二進(jìn)制為1 110 001)描繪了具有產(chǎn)生器1338和1718并且具有約束長度7(在圖1b中所示)的1/2比率編碼器。用于表示1338和1718的二進(jìn)制數(shù)在圖1中被示為分別布置在寄存器存儲器框107以上和以下。兩個二進(jìn)制值可以分別被認(rèn)為是編碼器的第一輸出和第二輸出。
編碼由許多協(xié)議使用，包括但不局限于已經(jīng)變得非常流行的無線傳輸?shù)腎EEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)。
然而，仍然需要改進(jìn)卷積編碼，特別是供有線線路傳輸、衛(wèi)星、廣播、光及其它類型傳輸使用的卷積編碼。另外，例如，在Philips的N.A.公開779763/4中公開了新的“超幀”，其包括多個分組，但是向后兼容以便允許繼續(xù)使用現(xiàn)有的傳統(tǒng)設(shè)備。由于存在許多先前為不同比率所公布的標(biāo)準(zhǔn)代碼，所以這些新的超幀以及新系統(tǒng)由于向后兼容的需要而無法采用全新的代碼。
本要求的發(fā)明提供了一種用于提供擴(kuò)展卷積碼的方法、系統(tǒng)和設(shè)備，其中具有一個或多個更高比率的新代碼在收縮之后會向后兼容，這是因為它是從現(xiàn)有代碼擴(kuò)展而來。給定以較高比率操作的產(chǎn)生器，新的代碼帶來最小的比特差錯率。另外，在本發(fā)明的一個方面，在物理層中提供了為無線環(huán)境定制的一系列服務(wù)以便增加覆蓋范圍。例如，使多個并發(fā)服務(wù)能夠用于諸如同時發(fā)送視頻內(nèi)容和遙控信息之類的情況，這可以充分利用所擴(kuò)展的卷積碼的優(yōu)點以便擴(kuò)展它們的無線系統(tǒng)覆蓋范圍。
圖1a和1b提供了卷積編碼器的例圖。
圖2提供了依照本發(fā)明的方法的流程圖概觀。
圖3是用于不同卷積編碼器的比較的比特差錯率(BER)的圖形說明。
圖4是用于提供關(guān)于依照本發(fā)明系統(tǒng)的一個可能配置的細(xì)節(jié)的插圖。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解以下描述僅供用來說明目的而并非用于限制目的。技術(shù)人員認(rèn)識到在本發(fā)明的精神和所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)還存在許多變化?？梢詮漠?dāng)前描述中省略已知功能和操作的不必要細(xì)節(jié)以免模糊本發(fā)明的改進(jìn)點。
關(guān)于本發(fā)明，依照至少與在以下流程圖中所論述的那些步驟類似的步驟，擴(kuò)展卷積碼，迄今為止這是未知的。例如，1/2比率具有2個產(chǎn)生器，并且1/4具有4個產(chǎn)生器。依照本發(fā)明，例如可以把代碼從2個產(chǎn)生器擴(kuò)展到4個產(chǎn)生器(或更多，例如從2個產(chǎn)生器到50個)。要強(qiáng)調(diào)的是本發(fā)明不局限于兩個產(chǎn)生器到四個產(chǎn)生器的擴(kuò)展，而且覆蓋了任何數(shù)目到任何更大數(shù)目的擴(kuò)展。
為了進(jìn)一步的解釋目的，圖2提供了用于圖示本發(fā)明可以操作的一種方式的流程圖，并且為了更緊密地遵循該方法，表1提供了來自模擬的數(shù)據(jù)以便依照本發(fā)明來擴(kuò)展代碼。因而，所述方法始于具有約束長度m＝7的1/2卷積碼比率(convolutional code rate CCR)(133，171)，其被擴(kuò)展以便得到具有1/4CCR(133，171，xxx，xxx)的新卷積碼CC。卷積碼比率指的是在固定長度編碼上實現(xiàn)的數(shù)據(jù)壓縮。另外，表1包括一列所有發(fā)現(xiàn)的代碼，表1包括在與在索引85的已知系統(tǒng)的最優(yōu)代碼(135，135，147，164)相比較是最佳擴(kuò)展的卷積碼(133，171，135，175)的SNR＝0分貝時的BER性能。
BER@SNR錯誤計數(shù)例如在BER6.40e-5@104的情況下意指模擬已經(jīng)收集了104個錯誤并且示出了6.4e-5的比特差錯率。
表1.模擬結(jié)果



在步驟210，發(fā)現(xiàn)具有最大-最小間隙的一組代碼(組A)。換句話說，例如，算法通過遍歷所有可能的組合來搜索具有產(chǎn)生器(133，171)的所有代碼的間隙，并且該算法并非是災(zāi)難性的。從每個代碼的所有間隙之中，為每個代碼發(fā)現(xiàn)最小的間隙dmin，free。
上述表1示出了具有最大dmin，free＝20的119個代碼。間隙表示代碼的糾錯能力。最大最小間隙是在任何具有相同比特數(shù)的兩個代碼字序列之間的最小距離。因而，在此特定情況中，發(fā)現(xiàn)具有間隙為20的119個代碼。
在步驟220，從(組A)發(fā)現(xiàn)一組代碼(A的子集)，它們在間隙20處具有最小路徑數(shù)。在此特定情況中，發(fā)現(xiàn)具有總數(shù)為16條路徑的6個代碼，如在索引號1-6所示并且穿過具有“20”距離的列，每個索引號在20個自由路徑的間隙量中均具有量16。通過從7到11查看軌跡長度來進(jìn)一步分析量16，并且證實它們都具有相同的特性0、1、3、5、7。應(yīng)當(dāng)注意，軌跡長度等價于輸入的數(shù)目。換句話說，對于7個輸入比特來說不存在具有d_free＝20的輸出序列；對于8個輸入比特來說存在具有d_free＝20的1個序列，并且對于9個輸入比特來說存在具有d_free＝20的3個序列等。
在步驟230，選擇在間隙21、22、23具有最小路徑數(shù)目的代碼。由于所有6個代碼具有相同的數(shù)目16，所以我們比較下一個——21。代碼1和2只具有22，而代碼3-6具有24。選擇等效的代碼1、2。在此特定的例子中，(133，171，135，175)的選擇被認(rèn)為是以1/4比率所擴(kuò)展的卷積碼(133，171)的最佳候選。
在步驟240(由于其是可選的所以在圖2中未示出)，以1/3比率來驗證代碼的性能。對于1/3比率我們經(jīng)歷同樣的步驟，并且在這種情況下，如在表2的工作單中用黑體字所示，(133，171，135)正巧是具有已知最好間隙15的最佳代碼。
表2
因而，對于該特定例子來說，從步驟210-240中，可以得出結(jié)論對1/2、m-7、(133，171)的母編碼比率來說，最佳的1/4擴(kuò)展卷積碼是(133，171，135，175)，并且從1/4代碼所收縮的最佳1/3代碼是(133，171，135)。
圖3依照本發(fā)明提供了用于比較在1/2錯誤率301、標(biāo)準(zhǔn)的1/4比率305和最優(yōu)擴(kuò)展的1/4比率307的CC的圖形說明。該圖表示出了在0分貝時，最優(yōu)擴(kuò)展1/4比率307的錯誤率顯著地小于前面示出的標(biāo)準(zhǔn)的1/4和1/2比率。所使用的比率是Eb/No，并且在0分貝時特別示出了該圖上的三項的比較，對于在0分貝時的最優(yōu)擴(kuò)展1/4比率來說BER是比所示出的標(biāo)準(zhǔn)1/4比率或1/2比率小得多的數(shù)目。
圖4提供了依照本發(fā)明的擴(kuò)展卷積編碼系統(tǒng)和設(shè)備的圖示。在此特定情況中，存在在無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議401下運行的無線網(wǎng)絡(luò)。它可以在802.11、藍(lán)牙、ATM等下運行，或者盡管在此圖示中未示出，所述網(wǎng)絡(luò)可以是諸如在802.3下的硬接線。在所述網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)器典型情況下使用分組或幀往返于客戶端410、415和420進(jìn)行發(fā)送405。這些分組或幀可以是常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)化分組，或者為具有大約16個分組的新超幀，如先前在說明書中所提及的Philips公開物779763/4中所公開。服務(wù)器和客戶端相互都通信，或者在它們的部件內(nèi)具有各自的編碼器/解碼器模塊405、406、407和419。所述部件會允許在發(fā)送幀/分組或超幀、調(diào)制和編碼(優(yōu)選前向糾錯)之前使用卷積編碼和解碼。
參考模塊405a正好是這種卷積編碼器/解碼器模次的框表示。另一方面，參考405b是擴(kuò)展的卷積編碼器/解碼器模塊的表示。所述擴(kuò)展的卷積編碼器/解碼器可以具有附加存儲寄存器、模加法器等。無論如何，如在可以擴(kuò)展卷積碼的一種方式的例子中所論述，例如母編碼率1/2(133，171)和約束長度7可以被擴(kuò)展為具有(133，171，135，175)的新比率1/4 CC。換句話說，代替每個輸入兩個比特，擴(kuò)展編碼可以提供每個輸入4個比特，或者從1/4代碼而收縮的1/3比率是(133，171，135)，因而徹底地改進(jìn)了在預(yù)定的SNR值(典型情況下為0分貝)時的比特差錯率性能。
在不脫離本發(fā)明精神或所附權(quán)利要求范圍的情況下本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以對上述發(fā)明進(jìn)行各種修改。例如，擴(kuò)展卷積編碼決不限于1/2和1/4比率，因為其可以用于徹底偏離諸如1/2和1/4比率值的許多其它比率，(例如可以是1/85、7/68等)，所述其它比率包括那些并非是母編碼率并且具有除了未收縮的一個輸入之外的某些東西的比率。
權(quán)利要求
1.一種擴(kuò)展的卷積編碼器設(shè)備，包括卷積編碼器模塊，包括一個或多個存儲寄存器、至少一個加法器和延遲元件；和擴(kuò)展的卷積編碼器模塊，適合于接收卷積碼并且通過增加每個輸入的編碼比特數(shù)目來擴(kuò)展所述卷積碼以便提高錯誤糾正。
2.如權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展的卷積編碼器，還包括其中所述至少一個加法器包括模-2加法器；并且所述擴(kuò)展的卷積編碼器模塊包括用于根據(jù)從所述卷積編碼器模塊所接收的卷積碼來執(zhí)行對擴(kuò)展的卷積碼的選擇的代碼。
3.如權(quán)利要求2所述的擴(kuò)展的卷積編碼器，還包括用于把卷積碼編碼為一個或多個幀以便發(fā)送的編碼器；發(fā)送/接收部件，用于經(jīng)由天線無線傳輸卷積編碼的數(shù)據(jù)。
4.一種具有擴(kuò)展的卷積編碼器/解碼器的無線系統(tǒng)，包括無線網(wǎng)絡(luò)；具有擴(kuò)展的卷積編碼/解碼模塊的服務(wù)器，一個或多個客戶端，至少一個客戶端適合于擴(kuò)展的卷積編碼/解碼；和無線傳輸裝置，用于使所述服務(wù)器和一個或多個客戶端經(jīng)由所述無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述無線網(wǎng)絡(luò)包括IEEE 802.11無線網(wǎng)絡(luò)。
6.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述無線網(wǎng)絡(luò)包括藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)。
7.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述無線網(wǎng)絡(luò)包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。
8.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述無線網(wǎng)絡(luò)包括廣播網(wǎng)絡(luò)。
9.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述服務(wù)器和至少一個客戶端使用擴(kuò)展的卷積編碼/解碼來發(fā)送一個或多個分組/幀。
10.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述服務(wù)器和至少一個客戶端發(fā)送包括至少16個分組的超幀。
11.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述服務(wù)器和至少一個客戶端發(fā)送包括至少16個分組的超幀。
12.一種用于依照以下步驟在計算機(jī)可讀介質(zhì)上提供擴(kuò)展的卷積編碼的計算機(jī)程序(a)用于從在確定范圍內(nèi)具有最大-最小間隙的數(shù)據(jù)庫中獲取一組代碼的代碼；(b)用于從在步驟(a)的組中選擇在最大-最小間隙具有最小路徑數(shù)目的代碼子集的代碼；和(c)用于通過從在增加的間隙具有最小路徑數(shù)目的代碼子集中選擇具有確定比率的代碼來尋找擴(kuò)展的卷積碼以便提供最佳候選的代碼。
13.如權(quán)利要求12所述的計算機(jī)程序，還包括(d)用于以高于確定比率的擴(kuò)展編碼率來驗證在步驟(c)所發(fā)現(xiàn)的擴(kuò)展代碼性能的代碼。
14.如權(quán)利要求13所述的計算機(jī)程序，還包括(e)用于如果在步驟(d)所驗證的性能沒有到達(dá)確定閾值那么重復(fù)步驟(a)-(c)的代碼；和(f)用于如果所驗證的性能滿足所述閾值那么向編碼器提供所擴(kuò)展的卷積碼并且編碼一個或多個幀/分組的代碼。
15.一種用于擴(kuò)展卷積碼的方法，包括步驟(a)從在確定范圍內(nèi)具有最大-最小間隙的數(shù)據(jù)庫中獲取一組代碼；(b)從在步驟(a)的組中選擇在最大-最小間隙具有最小路徑數(shù)目的代碼子集；并且(c)通過從在增加的間隙具有最小路徑數(shù)目的代碼子集中選擇具有確定比率的代碼來尋找擴(kuò)展的卷積碼以便提供最佳候選。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括(d)以高于確定比率的擴(kuò)展編碼率來驗證在步驟(c)所發(fā)現(xiàn)的擴(kuò)展代碼的性能。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括(e)如果在步驟(d)所驗證的性能沒有到達(dá)確定閾值，那么重復(fù)步驟(a)-(c)；并且(f)如果所驗證的性能滿足所述閾值，那么向編碼器提供所擴(kuò)展的卷積碼并且編碼一個或多個幀/分組。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括(d)使用在步驟(c)所發(fā)現(xiàn)的擴(kuò)展代碼來編碼一個或多個數(shù)據(jù)幀。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，其中代碼子集包括母代碼。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中在步驟(f)所編碼的幀/分組包括其中具有至少16個分組的超幀。
21.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述閾值包括比特差錯率與信噪比的比率，其中所述信噪比被表示為Eb/No。
22.如權(quán)利要求17所述的方法，其中一個或多個幀/分組依照IEEE802.11協(xié)議來編碼。
23.如權(quán)利要求17所述的方法，其中一個或多個幀/分組依照IEEE802.11協(xié)議來編碼。
24.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括(g)經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)向無線設(shè)備發(fā)送所編碼的一個或多個幀/分組；(h)所述無線設(shè)備把所編碼的一個或多個幀/分組解碼為依照它們原始協(xié)議的幀/分組。
全文摘要
一種用于通過為在無線傳輸中所使用的分組/幀或超幀提供擴(kuò)展的卷積編碼來提供提高的前向糾錯的系統(tǒng)和方法。其中具有擴(kuò)展的卷積編碼器/解碼器的無線系統(tǒng)包括無線網(wǎng)絡(luò)；具有擴(kuò)展的卷積編碼/解碼模塊的服務(wù)器；一個或多個客戶端，至少一個客戶端適合于擴(kuò)展的卷積編碼/解碼；和無線傳輸部件，用于使所述服務(wù)器和一個或多個客戶端經(jīng)由所述無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。一種用于提供擴(kuò)展的卷積編碼的方法包括步驟(a)用于從在確定范圍內(nèi)具有最大－最小間隙的數(shù)據(jù)庫中獲取一組代碼；(b)從在步驟(a)的組中選擇在最大－最小間隙具有最小路徑數(shù)目的代碼子集；并且(c)通過從在增加的間隙具有最小路徑數(shù)目的代碼子集中選擇具有確定比率的代碼來尋找擴(kuò)展的卷積碼以便提供最佳候選?？梢栽诰幋a并使用所擴(kuò)展的卷積碼比率之前驗證所擴(kuò)展代碼的性能。
文檔編號H04L1/00GK1961516SQ200580017107
公開日2007年5月9日 申請日期2005年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月28日
發(fā)明者P·C·李 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司