УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ СВЕРТОЧНОГО КОДИРОВАНИЯ В ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЕ Российский патент 2003 года по МПК H03M13/00 

Область техники
Настоящее изобретение относится к коду исправления ошибок, более конкретно к устройству и способу для сверточного кодирования в цифровой системе. Настоящее изобретение также относится к устройству и способу для сверточного кодирования в системе радиосвязи, такой как спутниковая система, сотовая система, система W-CDMA (широкополосная система множественного доступа с кодовым разделением каналов) и система IMT-2000.

Предшествующий уровень техники
Для исправления ошибок в переданных или принятых данных в системе связи или системах передачи/приема данных обычно используется сверточный код с кодовой скоростью R=1/2, 1/3 или 1/4.

Для системы связи множественного доступа с кодовым разделением (МДКР) может использоваться "прокалывание" для генерирования нового сверточного кода с более высокой кодовой скоростью, чем у сверточного кода с R=1/n. Прокалывание выполняется потому, что сложность декодирования декодера Витерби для сверточных кодов с R=k/n в приемнике возрастает экспоненциально по мере увеличения k. Когда сверточный код с R=k/n (k>1) используется для получения высокоскоростного сверточного кода, число ветвей, сливающихся и разветвляющихся в каждом состоянии, увеличивается экспоненциально в решетчатой диаграмме декодера Витерби. Чтобы снизить такую сложность декодирования, в сверточном коде с кодовой скоростью R=1/n используется прокалывание. Сложность декодирования, связанного с прокалыванием, почти такая же, как для сверточного кода с R=1/n. Метод прокалывания сверточного кода обеспечивает исправление ошибок и увеличивает надежность цифровой системы связи. Это область техники, которая может улучшить характеристики будущих систем связи.

МДКР был создан на основе стандарта IS-95, который предназначен только для передачи/приема речевого сигнала согласно стандарту IMT-2000, который обеспечивает дополнительные услуги передачи высококачественного речевого сигнала и движущегося изображения и поиска в Интернете.

Ожидается, что сверточные коды будут использоваться как коды с прямым исправлением ошибок для канала управления, речевого канала и канала передачи данных в интерфейсе радиосвязи системы IMT-2000. Они рассматриваются также как кандидаты для исправления ошибок применительно к интерфейсу радиосвязи универсальной системы мобильной связи (УСМС) (UMTS), разработанной Европейским институтом стандартов связи (ЕИСС) (ETSI).

Предложенный стандарт IMT-2000 рекомендует использовать сверточные коды в качестве кода исправления ошибок для канала управления, речевого канала и канала передачи данных в интерфейсе радиосвязи. Однако спецификация CDMA-2000 не является окончательным вариантом, и многие детали еще должны быть определены. В частности, остаются проблемы с комбинацией прокалывания, используемой для согласования скоростей в логическом канале, который кодируется сверточным кодом.

Фиг.1А иллюстрирует структуру прямой линии связи прямого дополнительного канала среди логических каналов, как это предусмотрено спецификацией CDMA-2000.

Согласно фиг. 1А, генератор 105 контроля циклическим избыточным кодом (КЦИК) добавляет данные КЦИК к соответствующим принятым данным (264-9192 битов) различных скоростей передачи битов. Генератор 110 хвостовых битов добавляет соответствующие хвостовые биты к выходному сигналу генератора 105 КЦИК. Если кодер 115 является сверточным кодером с длиной кодового ограничения k= 9, генератор 110 хвостовых битов добавляет 8 хвостовых битов, а если это турбокодер с k=4 и два компонентных кодера, генератор 110 хвостовых битов добавляет 6 хвостовых битов и 2 резервных бита (RVB).

Кодер 115 кодирует битовые данные, принятые от генератора 110 хвостовых битов, и выдает соответствующие кодовые символы. Этот кодер 115 может быть сверточным кодером или турбокодером, как отмечено выше. В случае выполнения в виде сверточного кодера, кодер 115 имеет длину кодового ограничения k=9 и R= 3/8. Турбокодер не представляет основного интереса для настоящего изобретения, и потому его описание опущено. Блоковый перемежитель 120 принимает данные от кодера 115 и перемежает эти данные.

В спецификации CDMA-2000 предусматривается, что блок прокалывания должен удалять каждый девятый символ из выходной последовательности со сверточного кодера с k=9 и R=1/3, чтобы реализовать сверточный кодер 115 с k=9 и R=3/8.

На фиг. 1Б представлена блок-схема сверточного кодера для прямого дополнительного канала согласно спецификации CDMA-2000.

Согласно фиг.1Б, в случае, когда кодер 115 по фиг.1А является сверточным кодером 125, этот сверточный кодер 125 состоит из сверточного кодера 130 с k=9 и R=1/3 для кодирования входных данных и блока прокалывания 135 для прокалывания каждого девятого символа закодированной последовательности, принятой от сверточного кодера 130.

Фиг.2 иллюстрирует структуру сверточного кодера 130 с k=9 и R=1/3, показанного на фиг.1Б.

На фиг. 2 ссылочная позиция 310 обозначает сдвиговые регистры, а ссылочные позиции 31а, 31b и 31с обозначают сумматоры по модулю 2, соединенные с соответствующими им сдвиговыми регистрами. Порождающими многочленами для сверточного кодера 130 являются следующие:
g₀(x)=1+x²+x³+x⁵+x⁶+x⁷+x⁸
g₁(x)=1+x+x³+x⁴+x⁷+x⁸
g₂(x)=1+x+x²+x⁵+x⁸ (1)
Сверточный кодер 130 генерирует три кодовых символа (С₀, C₁, C₂) для каждого входного информационного бита.

Блок прокалывания 135 прокалывает последний девятый символ из кодовых символов, принятых от сверточного кодера 130, согласно комбинации прокалывания, основанной на спецификации CDMA-2000. Если матрица прокалывания есть Р, то текущая комбинация прокалывания будет Р={111 111 110}. Из Р={111 111 110} три символа для одного входного бита образуют одну подгруппу, а три подгруппы для трех следующих друг за другом входных битов образуют одну символьную группу. Комбинация Р={111 111 110} сверточного прокалывания представляет прокалывание последнего символа в третьей подгруппе. Эта комбинация прокалывания проявляет те же самые свойства, что и комбинация прокалывания Р={111 110 111} или Р={110 111 111}.

Однако нельзя сказать, что вышеприведенный способ прокалывания является оптимальным, потому что комбинации прокалывания могут быть более эффективными с точки зрения спектра весов и вероятности ошибки декодированного символа для декодированных символов.

Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в создании устройства сверточного кодирования в цифровой системе, которое кодирует входные биты с длиной кодового ограничения 9, кодовой скоростью 1/3 и заранее заданным порождающим многочленом и прокалывает соответствующие символы из кодированных символов согласно новой комбинации прокалывания, имеющей улучшенные характеристики по сравнению с обычной комбинацией прокалывания.

Другой задачей настоящего изобретения является создание устройства сверточного кодирования для кодирования битов, принятых по прямому дополнительному каналу CDMA-2000 и для прокалывания соответствующих символов из кодированных символов согласно новой комбинации прокалывания, имеющей улучшенные характеристики по сравнению с обычной комбинацией прокалывания.

Еще одна задача настоящего изобретения состоит в создании передатчика прямого дополнительного канала CDMA-2000 для кодирования битов, переданных по прямому дополнительному каналу CDMA-2000, и для прокалывания соответствующих символов из кодированных символов согласно новой комбинации прокалывания, имеющей улучшенные характеристики по сравнению с обычной комбинацией прокалывания.

Указанные результаты достигаются в устройстве сверточного кодирования, имеющем сверточный кодер и блок прокалывания. Сверточный кодер осуществляет сверточное кодирование входных битов с длиной кодового ограничения 0, кодовой скоростью 1/3 и порождающими многочленами g₀(х)=1+х²+х³+х⁵+х⁶+х⁷+х⁸,
g₁(x)= 1+х+х³+х⁴+х⁷+х⁸ и g₂(x)= 1+х+х²+х⁵+х⁸ и выдает подгруппу из трех кодированных символов для каждого входного бита и символьную группу из трех подгрупп для трех следующих друг за другом входных битов. Блок прокалывания прокалывает первый символ одной подгруппы в каждой символьной группе, принятой от сверточного кодера.

Краткое описание чертежей
Вышеуказанные и иные задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем подробном описании, иллюстрируемом чертежами, на которых показано
фиг. 1А - структура прямой линии связи прямого дополнительного канала среди логических каналов МДКР;
фиг. 1Б - структура сверточного кодера для дополнительного канала CDMA-2000;
фиг. 2 - структура сверточного кодера с длиной кодового ограничения 9 и кодовой скоростью 1/3 для дополнительного канала CDMA-2000;
фиг.3 - график сравнения частоты ошибок в битах (ЧОБ) сверточного кодера согласно обычной комбинации прокалывания с ЧОБ сверточного кодера согласно комбинации прокалывания для канала с аддитивным белым гауссовым шумом (АБГШ) согласно настоящему изобретению в передатчике прямого дополнительного канала.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения описаны ниже со ссылками на чертежи. В нижеследующем описании общеизвестные функции или конструкции не описываются подробно, чтобы не затенять сущность изобретения ненужными деталями.

Настоящее изобретение обеспечивает новую комбинацию прокалывания для дополнительного канала CDMA-2000, которая проявляет лучшие характеристики по сравнению с обычной комбинацией прокалывания. Эти улучшенные характеристики новой комбинации прокалывания показываются путем сравнения характеристик новой и обычной комбинаций прокалывания при моделировании.

Матрица прокалывания в общем случае выражается как
P = {111 111 110}, (2)
где "1" представляет передачу символа, а "0" представляет прокалывание символа.

К примеру, при R=1/2, периоде прокалывания =9 и Р={111 111 110}, проколотыми кодовыми символами, соответствующими исходным кодовым символам (С11, С12, С21, С22, С31, С32, С41, С42, С51, С52, С61, С62, С71, С72,...), являются символы (С11, С12, С21, С22, С31, С32, С41, С42, С52, С61, С62, С71, С72, ...). Т.е. С51 исключается из передачи и С52 сразу следует за С42 для передачи.

В сущности, матрица прокалывания должна отвечать тому условию, чтобы результирующий высокоскоростной сверточный код был некатастрофическим кодом и имел хороший спектр весов.

Дополнительный канал CDMA-2000 прокалывается согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, как представлено в табл. 1.

В табл. 1 первый вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает комбинацию прокалывания Р={001 111 111}, {111 011 111} или {111 111 011} . Второй вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает комбинацию прокалывания Р= {101 111 111}, {111 101 111} или {111 111 101}.

Поэтому, если три закодированных символа (С₀, C₁, C₂) для одного входного бита в сверточном кодере образуют подгруппу, а три выходных подгруппы для трех следующих друг за другом входных битов образуют символьную группу, первый символ в одной подгруппе в каждой символьной группе прокалывается в первом варианте осуществления настоящего изобретения, и второй символ одной подгруппы в каждой символьной группе прокалывается во втором варианте осуществления настоящего изобретения.

Табл. 2, 3 и 4 иллюстрируют спектры весов сверточных кодов для обычного способа прокалывания и способов прокалывания согласно первому и второму вариантам осуществления настоящего изобретения соответственно.

Табл. 2 использует обычную комбинацию прокалывания Р={1111 11 110}. Комбинацией прокалывания, использованная в табл. 3, является Р={011 111 111} , { 111 011 111} или {111 111 011}. Табл. 4 использует комбинацию прокалывания Р={101 111 111}, {111 101 111} или {111 111 101}. Ad(d) в каждой таблице обозначает число путей с весом D Хэмминга, генерируемых до тех пор, пока не найдется правильный путь на решетчатой диаграмме после отклонения от правильного пути из-за ошибок. Cd(d) представляет сумму ошибок во всех битах информации, вызванных выбором ошибочного пути.

Минимальное свободное расстояние (dfree) в табл. 2 составляет 14, тогда как в табл. 3 dfree равно 15, что подразумевает, что характеристика ЧОБ сверточного кода, генерируемого методом прокалывания согласно настоящему изобретению, улучшена более высоким Е_b/N₀, т. к. разность Ad(d) постоянна, в сравнении со сверточным кодом, генерируемым по обычному методу прокалывания. Это объясняется тем, что путь минимального веса на решетчатой диаграмме вызывает все ошибочные события во время сверточного декодирования по мере возрастания Е_b/N₀. Поэтому с возрастанием dfree выигрыш обеспечивается при более высоком Е_b/N₀.

На фиг.3 показан график, сравнивающий ЧОБ в канале с АБГШ прямого дополнительного канала с R=3/8 согласно обычной комбинации прокалывания Р={111 111 110} и комбинации прокалывания по настоящему изобретению Р={011 111 111} , {111 011 111} или {111 111 011}.

На фиг.3 график, отмеченный знаком "о", и график, отмеченный знаком "+", представляют ЧОБ согласно обычному прокалыванию и прокалыванию по настоящему изобретению соответственно. Как показано, ЧОБ согласно прокалыванию по настоящему изобретению меньше, чем ЧОБ согласно обычному прокалыванию, при одном и том же заданном соотношении Е_b/N₀.

Как описано выше, способ прокалывания для сверточного кодера с k=9, R= 1/3 и порождающими многочленами в соответствии с выражением (1) согласно настоящему изобретению обеспечивает преимущество, заключающееся в более низкой ЧОБ по сравнению с обычным способом прокалывания.

Хотя данное изобретение показано и описано со ссылкой на его конкретные варианты осуществления, специалистам должно быть понятно, что могут быть сделаны различные изменения и подробности без отклонения от сущности и объема изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение относится к коду исправления ошибок, в частности к устройству и способу для сверточного кодирования в цифровой системе. Технический результат заключается в создании устройства сверточного кодирования в цифровой системе. Устройство состоит из сверточного кодера и блока прокалывания. Сверточный кодер формирует подгруппы из первого, второго и третьего кодированных символов для каждого входного бита с помощью порождающих многочленов для введения входных битов для формирования символьной группы из трех подгрупп для следующих друг за другом входных битов и для формирования потока этих символьных групп. Блок прокалывания символов прокалывает первый символ одной из трех подгрупп в каждой символьной группе, сформированной сверточным кодером. 6 с. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 табл.

1. Устройство сверточного кодирования в цифровой системе, содержащее сверточный кодер для генерирования подгруппы из первого, второго и третьего кодированных символов для каждого входного бита с помощью порождающих многочленов, включающих g₀(x)= 1+x²+х³+х⁵+х⁶+х⁷+х⁸, g₁(x)= 1+x+x³+х⁴+х⁷+х⁸ и g₂(x)=1+x+x²+х⁵+х⁸, для введения входных битов для формирования символьной группы из трех подгрупп для трех следующих друг за другом входных битов, и для формирования потока этих символьных групп, блок прокалывания символов для прокалывания первого символа одной из трех подгрупп в каждой символьной группе, сформированной сверточным кодером, и перемежитель для перемежения выходного сигнала блока прокалывания. 2. Устройство сверточного кодирования по п.1, отличающееся тем, что блок прокалывания выдает символьные группы в матрице прокалывания Р, где Р имеет вид Р= { 011 111 111}, P={111 011 111} или Р=(111 111 011}, и где 1 представляет передачу символа, а 0 представляет исключение символа. 3. Устройство сверточного кодирования в цифровой системе, содержащее сверточный кодер для формирования подгруппы из первого, второго и третьего кодированных символов для каждого входного бита с помощью порождающих многочленов, включающих g₀(x)= 1+х²+х³+х⁵+x⁶+x⁷+x⁸, g₁(х)= 1+х+х³+х⁴+х⁷+х⁸ и g₂(x)=1+х+х²+х⁵+х⁸, для введения входных битов для формирования символьной группы из трех подгрупп для трех следующих друг за другом входных битов и для формирования потока этих символьных групп, блок прокалывания символов для прокалывания второго символа одной из трех подгрупп в каждой символьной группе, сформированной сверточным кодером, и перемежитель для перемежения выходного сигнала блока прокалывания. 4. Устройство сверточного кодирования по п.3, отличающееся тем, что блок прокалывания выдает символьные группы в матрице прокалывания Р, где Р имеет вид Р= { 101 111 111}, P={111 101 111} или P={111 111 101}, и где 1 представляет передачу символа, а 0 представляет исключение символа. 5. Способ сверточного кодирования в цифровой системе, включающий этапы, на которых формируют подгруппу из первого, второго и третьего кодированных символов для каждого входного бита с помощью порождающих многочленов, включающих g₀(x)=1+х²+х³+х⁵+х⁶+х⁷+х⁸, g₁(x)=1+х+х³+х⁴+х⁷+х⁸ и g₂(x)= 1+х+х²+х⁵+х⁸, вводят входные биты для формирования символьной группы из трех подгрупп для трех следующих друг за другом входных битов, формируют поток этих символьных групп, прокалывают первый символ одной из трех подгрупп в каждой символьной группе и осуществляют перемежение проколотых символов. 6. Способ сверточного кодирования по п.5, отличающийся тем, что каждую символьную группу прокалывают в матрице прокалывания Р, где Р имеет вид Р={ 011 111 111}, P=(111 011 111} или Р={111 111 011}, и где 1 представляет передачу символа, а 0 представляет исключение символа. 7. Способ сверточного кодирования в цифровой системе, включающий этапы, при которых формируют подгруппу из первого, второго и третьего кодированных символов для каждого входного бита с помощью порождающих многочленов, включающих g₀(x)=1+х²+х³+х⁵+х⁶+х⁷+х⁸, g₁(х)=1+х+х³+х⁴+х⁷+х⁸ и g₂(х)= 1+х+х²+х⁵+х⁸, вводят входные биты для формирования символьной группы из трех подгрупп для трех следующих друг за другом входных битов, формируют поток этих символьных групп, прокалывают второй символ одной из трех подгрупп в каждой символьной группе и осуществляют перемежение проколотых символов. 8. Способ сверточного кодирования по п.7, отличающийся тем, что каждую символьную группу прокалывают в матрице прокалывания Р, где Р имеет вид Р={ 101 111 111} , Р= {111 101 111} или Р={111 111 101}, и где 1 представляет передачу символа, а 0 представляет исключение символа. 9. Передатчик прямого дополнительного канала в системе CDMA-2000, содержащий генератор контроля циклическим избыточным кодом (КЦИК) для приема множества битов с разными скоростями передачи битов и для добавления соответствующих данных КЦИК к принятым битам, генератор хвостовых битов для добавления соответствующих хвостовых битов к выходному сигналу генератора КЦИК, сверточный кодер для формирования подгруппы из первого, второго и третьего кодированных символов для каждого входного бита с помощью порождающих многочленов, включающих g₀(x)=1+х²+х³+х⁵+х⁶+х⁷+х⁸, g₁(x)= 1+x+x³+х⁴+х⁷+х⁸ и g₂(x)= 1+х+х²+х⁵+х⁸, для введения входных битов для формирования символьной группы из трех подгрупп для трех следующих друг за другом входных битов и для формирования потока этих символьных групп, блок прокалывания символов для прокалывания первого символа одной из трех подгрупп в каждой символьной группе, сформированной сверточным кодером, и блоковый перемежитель для блокового перемежения выходного сигнала блока прокалывания. 10. Передатчик прямого дополнительного канала по п.9, отличающийся тем, что блок прокалывания выдает символьные группы в матрице прокалывания Р, где Р имеет вид Р={011 111 111}, P={111 011 111} или Р={111 111 0111}, и где 1 представляет передачу символа, а 0 представляет исключение символа. 11. Передатчик прямого дополнительного канала в системе CDMA-2000, содержащий генератор контроля циклическим избыточным кодом (КЦИК) для приема множества битов с разными скоростями передачи битов и для добавления соответствующих данных КЦИК к принятым битам, генератор хвостовых битов для добавления соответствующих хвостовых битов к выходному сигналу генератора КЦИК, сверточный кодер для формирования подгруппы из первого, второго и третьего кодированных символов для каждого входного бита с помощью порождающих многочленов, включающих g₀(x)=1+х²+х³+х⁵+х⁶+х⁷+х⁸, g₁(x)= 1+x+x³+x⁴+x⁷+х⁸ и g₂(x)= 1+х+х²+х⁵+х⁸, для введения входных битов для формирования символьной группы из трех подгрупп для трех следующих друг за другом входных битов и для формирования потока этих символьных групп, блок прокалывания символов для прокалывания второго символа одной из трех подгрупп в каждой символьной группе, сформированной сверточным кодером, и блоковый перемежитель для блокового перемежения выходного сигнала блока прокалывания. 12. Передатчик прямого дополнительного канала по п.11, отличающийся тем, что блок прокалывания выдает символьные группы в матрице прокалывания Р, где Р имеет вид Р={101 111 111}, P={111 101 111} или Р={111 111 101}, и где 1 представляет передачу символа, а 0 представляет исключение символа.