УСТРОЙСТВО ДЛЯ МНОГОУРОВНЕВОГО КОДИРОВАНИЯ Российский патент 2023 года по МПК H04L1/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее раскрытие относится, в общем, к области кодирования сообщений. В частности, настоящее раскрытие относится к устройству и способу многоуровневого кодирования входного сообщения в последовательность символов, например, кодирования на основе полярной кодировки. Раскрытие также относится к устройству и способу для многоуровневого декодирования входной последовательности символов. Раскрытие также относится к предоставлению последовательности символов с предопределенной характеристикой.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Чтобы достичь пропускной способности канала передачи, входные символы канала должны иметь некоторое распределение вероятностей. Например, для достижения пропускной способности канала AWGN с ограничением средней мощности передачи требуется гауссово распределение. Однако во многих практических системах используются равномерно распределенные входные символы канала, что приводит к нехватке пропускной способности. Эти потери называются потерями при формировании и могут достигать 1,53 дБ в каналах AWGN, если используются входные символы канала с равномерным распределением.

Потери при формировании становятся значительными, особенно для модуляции высокого порядка. Во многих системах используется двоичная кодовая модуляция, при которой входные сообщения сначала преобразуются в двоичные кодовые слова (с помощью кодера канала), а затем кодовые слова дополнительно преобразуются во входные символы канала (такие как символы амплитудной манипуляции (ASK) или квадратурной амплитудной модуляции(QAM)) с помощью преобразователя символов. Преобразователь символов обычно принимает m битов в качестве входных данных и конвертирует их во входной символ канала.

Обычно двоичные кодовые слова имеют равномерное распределение битов, т.е. количество единиц и нулей в кодовом слове в среднем приблизительно одинаково. Это приводит к тому, что входные символы канала также имеют равномерное распределение, что является причиной потерь при формировании, поскольку для многих каналов равномерно распределенные входные символы канала не оптимальны.

Известны различные способы уменьшения потерь при формировании (то есть способы формирования), такие как вероятностно формируемая кодовая модуляция (PSCM), которая может быть реализована на основе кодовой модуляции с чередованием битов (BICM) или многоуровневой кодировки (MLC).

В BICM сообщение d сначала кодируется кодером канала в кодовое слово c, которое чередуется (перемежается), а затем преобразовывается во входные символы канала x с помощью преобразователя символов. В приемнике могут выполняться одноэтапное обратное преобразование и декодирование (см. фиг. 1).

В MLC сообщение d сначала делится на m частей (d₁,…,d_m), каждая из которых затем кодируется другим кодером канала, в результате чего получаются кодовые слова (c₁,…,c_m) одинаковой длины. Преобразователь символов преобразует каждый бит из m кодовых слов в другой битовый уровень модулированного символа. В приемнике каждый битовый уровень обратно преобразуется и декодируется последовательно (т.е. многоэтапное обратное преобразование) с использованием информации, полученной при декодировании предыдущих битовых уровней (см. фиг. 2 и фиг. 3 для передатчика и приемника MLC соответственно).

В работе Iscan et al. «Probabilistically Shaped Multi-Level Coding with Polar Codes for Fading Channels», Семинары IEEE Globecom, 2018 г. (GC Wkshps), стр. 1-5 представлена схема PSCM с полярной кодировкой, основанная на MLC. На фиг. 4 показан график блок-схемы этой схемы.

Пример результирующего распределения вероятностей приведен на фиг. 5. Можно заметить, что символы вблизи начала координат (имеющие низкую энергию) имеют более высокую вероятность, чем символы, находящиеся вдали от начала координат (имеющие высокую энергию). Этот метод называется «формированием на одном битовом уровне». Дополнительно можно заметить, что результирующее распределение вероятностей является лишь грубым приближением (оптимального) распределения Гаусса. Следовательно, этот способ позволяет получить только ограниченный коэффициент усиления при формировании.

Об этом традиционном подходе можно резюмировать следующие факты:

Схема в работе Iscan et al. кодирует каждый битовый уровень независимо, и формируется только один битовый уровень.

Результирующее распределение является лишь грубым приближением к оптимальному распределению, и, следовательно, может быть получено лишь ограниченный коэффициент усиления при формировании.

Кодер для m-го битового уровня более сложен, чем обычный кодер.

Резюмируя вышеизложенное, существует потребность в улучшенном устройстве и способе кодирования входного сообщения в символы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ввиду вышеупомянутых проблем и недостатков варианты осуществления настоящего изобретения направлены на улучшение традиционных подходов к кодированию входного сообщения в последовательность символов. Таким образом, цель состоит в том, чтобы предоставить устройство и способ многоуровневого кодирования, которые позволяют уменьшить потери при формировании. В частности, должна быть предусмотрена возможность предоставления последовательности символов с желаемой характеристикой, например, с предопределенным распределением вероятностей символов, подобным гауссовскому распределению вероятностей.

Цель настоящего изобретения достигается за счет решения, представленного в приложенных независимых пунктах формулы изобретения. Преимущественные реализации настоящего изобретения дополнительно определены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно первому аспекту предоставляется устройство для многоуровневого кодирования входного сообщения в последовательность символов, содержащую информационные биты. Устройство выполнено с возможностью разделять входного сообщения на множество подсообщений; кодировать каждое из подсообщений в кодовое слово, при этом набор подсообщений кодируется на основе кодовых слов, полученных путем кодирования подсообщений, не входящих в набор, и заранее заданной функции последовательности символов; и преобразовывать (отображать) кодовые слова в соответствующие символы.

Набор подсообщений включает в себя одно или несколько подсообщений. Это дает преимущество, заключающееся в том, что последовательность символов, выводимая устройством, может быть снабжена заранее заданной характеристикой, например, заранее заданным распределением вероятностей, подобным тому, которое аппроксимирует распределение Гаусса. Таким образом, получается большой коэффициент усиления при формировании. Следовательно, потери при формировании уменьшаются при передаче последовательности символов по каналу, например, AWGN.

В форме реализации устройства по первому аспекту функция представляет собой по меньшей мере одну из функции распределения вероятностей символов; нормы, ассоциированной с последовательностью символов.

В форме реализации устройства по первому аспекту устройство сконфигурировано для кодирования набора подсообщений таким образом, что после преобразования символов множества кодовых слов в множество символов получают предопределенное распределение вероятностей символов.

Это может обеспечить преимущество, заключающееся в том, что символы имеют распределение вероятностей, которое аппроксимирует распределение Гаусса, и, соответственно, получается большой коэффициент усиления при формировании.

В еще одной форме реализации устройства по первому аспекту устройство сконфигурировано для кодирования каждого подсообщения в наборе подсообщений с использованием декодера канала.

В частности, устройство может кодировать каждое подсообщение с помощью устройства, которое содержит декодер канала или реализовано декодером канала. То есть декодер канала может быть включен в устройство. Использование декодера канала для кодирования подсообщений позволяет кодировать их на основе кодовых слов, полученных путем кодирования подсообщений, не входящих в набор. Таким образом, на кодирование подсообщений в наборе можно влиять на основе предопределенной функции последовательности символов. Это обеспечивает то преимущество, что потери при формовании могут быть уменьшены.

В еще одной форме реализации устройства по первому аспекту устройство дополнительно сконфигурировано для выделения каждому подсообщению в наборе подсообщений последовательности формирующих битов, при этом каждая последовательность формирующих битов выбирается на основе подсообщения, которому выделена последовательность формирующих битов, и кодовых слов, полученных путем кодирования подсообщений, не входящих в набор.

В реализации с полярными кодами последовательность формирующих битов может передаваться в полярных подканалах, в частности, в надежных полярных подканалах. Таким образом, они могут влиять на то, как генерируются результирующие кодовые слова. Использование некоторых надежных подканалов для передачи последовательности формирующих битов может снизить скорость передачи, но при правильном выборе они могут оказать положительное влияние на результирующие символы (например, увеличить отношение сигнал/шум), так что этот положительный эффект дает большой коэффициент усиления по сравнению с потерями в скорости передачи.

Каждая последовательность формирующих битов может быть дополнительно выбрана на основе предопределенной функции последовательности символов. Формирующие биты обеспечивают то преимущество, что может быть получена последовательность символов с желаемыми характеристиками, например, с предопределенным распределением вероятностей. Например, может быть достигнута хорошая аппроксимация неравномерного распределения вероятностей, например, гауссовского распределения вероятностей.

В еще одной форме реализации устройства по первому аспекту устройство сконфигурировано для преобразования кодовых слов в символы, которые имеют множественные битовые уровни.

В еще одной форме реализации устройства по первому аспекту устройство сконфигурировано для преобразования кодовых слов таким образом, что по меньшей мере один битовый уровень содержит биты только из конкретного кодового слова.

В еще одной форме реализации устройства по первому аспекту по меньшей мере один битовый уровень соответствует знаковому битовому уровню.

Знаковый битовый уровень - это битовый уровень, который определяет знак результирующего символа. Если результирующий символ является комплексным числом, то есть два битовых уровня, которые определяют знак действительной и мнимой частей комплексного числа.

В еще одной форме реализации устройства первого аспекта устройство сконфигурировано для преобразования закодированных подсообщений на основе естественной двоичной маркировки, маркировки Грея или заданной маркировки разделения.

В еще одной форме реализации устройства по первому аспекту распределение вероятностей символов является неравномерным распределением.

Это неравномерное распределение может быть распределением Гаусса. Преимущество неравномерного распределения вероятностей состоит в том, что можно уменьшить потери при формировании.

В еще одной форме реализации устройства по первому аспекту устройство сконфигурировано для кодирования каждого подсообщения в наборе подсообщений на основе полярного кодирования.

Это обеспечивает то преимущество, что эффекты поляризации полярной кодировки могут использоваться в процессе кодирования.

В еще одной форме реализации устройства первого аспекта декодер канала представляет собой полярный декодер, например, декодер последовательной отмены, декодер списка, декодер распространения доверия или декодер переворота.

Декодер канала, в частности, является упомянутым выше. Это дает то преимущество, что можно использовать разные декодеры с низкой сложностью.

В еще одной форме реализации устройства по первому аспекту множество символов представляет собой символы амплитудной манипуляции или символы квадратурной амплитудной модуляции.

Это обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что можно использовать хорошо известные символы.

В еще одной форме реализации устройства по первому аспекту устройство сконфигурировано для предоставления символов приемнику и для дополнительного предоставления приемнику по меньшей мере одного из следующих параметров с использованием канала, отдельного от предоставления символов: размер последовательности формирующих битов, включенных в символы, предопределенная функция последовательности символов и правило выделения (назначения) формирующих битов.

Согласно второму аспекту изобретение относится к способу многоуровневого кодирования входного сообщения в последовательность символов, содержащую информационные биты, причем способ содержит этапы разделения входного сообщения на множество подсообщений, кодирование каждого из подсообщения в кодовое слово, при этом набор подсообщений кодируется на основе кодовых слов, полученных путем кодирования подсообщений, не входящих в набор, и предопределенной функции последовательности символов, и преобразования закодированных подсообщений в соответствующие символы.

Формы реализации способа второго аспекта могут быть разработаны согласно формам реализации устройства первого аспекта. Способ по второму аспекту и формы его реализации обеспечивают те же преимущества, что и устройство по первому аспекту и формы его реализации соответственно.

Согласно третьему аспекту изобретение относится к компьютерной программе, содержащей программный код для выполнения способа второго аспекта при выполнении на компьютере.

В соответствии с четвертым аспектом изобретение относится к устройству для многоуровневого декодирования, устройству, сконфигурированному для выполнения обратного преобразования последовательности входных символов на основе предопределенной функции последовательности символов для получения последовательности обратного преобразования, при этом входные символы включают в себя закодированные формирующие биты, декодирования обратно преобразованной последовательности и отбрасывания декодированных формирующих битов.

Устройство четвертого аспекта поддерживает декодирование в соответствии со схемой кодирования, предоставленной устройством первого аспекта. Таким образом, устройство по четвертому аспекту поддерживает все упомянутые выше преимущества. Устройство первого аспекта может быть передатчиком, а устройство четвертого аспекта может быть приемником. Вместе устройство первого аспекта и устройство четвертого аспекта могут образовывать систему передачи.

Следует отметить, что все устройства, элементы, блоки и средства, описанные в настоящей заявке, могут быть реализованы в виде программных или аппаратных элементов или любой их комбинации. Все этапы, которые выполняются различными объектами, описанными в настоящей заявке, а также функции, описанные для выполнения различными объектами, предназначены для обозначения того, что соответствующий объект приспособлен или сконфигурирован для выполнения соответствующих этапов и функций. Даже если в последующем описании конкретных вариантов осуществления конкретная функциональность или этап, который должен выполняться внешними объектами, не отражена в описании конкретного подробного элемента этого объекта, который выполняет этот конкретный этап или функциональность, должно быть ясно специалисту, что эти способы и функциональные возможности могут быть реализованы в соответствующих программных или аппаратных элементах или в любой их комбинации.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеописанные аспекты и формы реализации настоящего изобретения будут объяснены в последующем описании конкретных вариантов осуществления в отношении приложенных чертежей, на которых:

Фиг. 1 показано схематическое представление традиционного кодера и декодера.

Фиг. 2 показано схематическое изображение традиционного кодера.

Фиг. 3 показывает схематическое представление традиционного декодера.

Фиг. 4 показано схематическое представление традиционного кодера.

Фиг. 5 показывает вероятностное распределение символов ASK.

Фиг. 6 показывает систему, содержащую кодер и декодер, обменивающиеся данными через канал связи, в соответствии с вариантами осуществления изобретения.

Фиг. 7 показано устройство для кодирования входного сообщения согласно варианту осуществления изобретения.

Фиг. 8 показано распределение вероятностей символов ASK, полученных устройством согласно варианту осуществления изобретения.

Фиг. 9 показано устройство для кодирования входного сообщения согласно варианту осуществления изобретения.

Фиг. 10 показывает таблицу, содержащую информацию об преобразовании битов, выполняемом устройством согласно варианту осуществления изобретения.

Фиг. 11 показано устройство для кодирования входного сообщения согласно варианту осуществления изобретения.

Фиг. 12 показывает способ кодирования входного сообщения согласно варианту осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Анализируя существующее решение, можно утверждать, что асимптотически (с бесконечно длинными кодовыми словами) MLC работает лучше, чем BICM. Причина в том, что одноэтапное обратное преобразование, используемое BICM, не принимает во внимание зависимость между битовыми уровнями, тогда как многоэтапное обратное преобразование MLC позволяет полностью использовать зависимости между битовыми уровнями.

С другой стороны, в неасимптотическом режиме, когда кодовые слова имеют конечную длину, MLC может демонстрировать снижение производительности. Это происходит из-за эффектов конечной длины схем канального кодирования: производительность канальных кодов ухудшается по мере уменьшения длины кодового слова. MLC требует несколько кодовых слов меньшей длины (по сравнению с одним длинным кодовым словом в BICM) и, следовательно, страдает от больших потерь конечной длины. Поэтому BICM предпочтительнее во многих системах связи.

В общем, любой код двоичного канала (например, турбокоды, коды LDPC, сверточные коды, полярные коды) может использоваться как для BICM, так и для MLC. Полярные коды представляют собой недавно разработанные схемы прямой коррекции ошибок (т.е. схемы канального кодирования), которые могут достигать пропускной способности бинарных входных каналов без памяти. Однако их производительность с BICM часто ниже, чем у других современных схем кодировки. С другой стороны, известно, что полярные коды хорошо работают с MLC.

Полярная кодировка основана на явлении поляризации канала, когда физический канал преобразуется в полярные подканалы, которые асимптотически имеют либо очень высокую, либо очень низкую надежность. Полярный кодер назначает биты сообщения надежным каналам, а (известные) замороженные биты - ненадежным каналам. Полярный декодер (такой как декодер последовательной отмены (SC) или списка SC (SCL)) обрабатывает зашумленное наблюдение полярного кодового слова вместе с замороженными битами, чтобы оценить биты сообщения.

Пусть G обозначает матрицу полярного преобразования размера n на n, которая определяется как (log2n)-я степень Кронекера ядра 2 на 2:

.

Полярное кодовое слово c получается из входной последовательности u посредством c=uG. Здесь u содержит k битов d сообщения по индексам I и n-k замороженных битов по индексам F, где I и F обозначают наборы, содержащие индексы полярных подканалов с высокой и низкой надежностью соответственно. Производительность полярного кода зависит от выбора наборов I и F.

В общем случае можно вычислить надежность полярных подканалов (для заданного физического канала) и выделить наиболее надежные подканалы для битов сообщений, а остальные - для замороженных битов. Более простой подход заключается в использовании полярной последовательности Q, аналогичной полярной последовательности, указанной в спецификации 5G New Radio. Такая полярная последовательность определяет порядок надежности полярных подканалов. Например, Q может включать в себя индексы подканалов в порядке возрастания надежности. Соответственно, I и F можно легко вычислить, взяв последние k и первые n-k индексов в Q соответственно.

Преобразователь символов, используемый в схемах BICM или MLC, принимает в качестве входных данных последовательность m битов и преобразует их во входной символ канала в соответствии со схемой маркировки битов. Например, преобразователь для 8-ASK преобразует 3 бита для одного символа ASK и может принимать 8 возможных значений в зависимости от входных битов. Обычно для BICM предпочтительнее использовать «серую маркировку», а для MLC - «естественную двоичную маркировку» или «маркировку разделения набора».

Фиг. 6 показывает систему 600, содержащую устройство (или кодер) 601 согласно варианту осуществления и устройство 603 (или декодер) согласно варианту осуществления, которые сконфигурированы для связи через канал 602 связи, например, через AWGN.

Устройство 601 сконфигурировано для выполнения многоуровневого кодирования входного сообщения в последовательность символов, при этом входное сообщение и последовательность символов содержат информационные биты. Устройство 601 специально сконфигурировано для выполнения следующих этапов:

* Разделение входного сообщения на множество подсообщений. Каждое из множества подсообщений может иметь различную длину.

* Кодирование каждого из подсообщений в кодовое слово. Таким образом, набор подсообщений кодируется на основе кодовых слов, полученных путем кодирования подсообщений, не входящих в набор, и на основе предопределенной функции символов (т.е. последовательности символов). То есть подсообщения, не входящие в набор, кодируются, и полученные в результате кодовые слова предоставляются в качестве входных данных для кодирования подсообщений в наборе. Другим входом для кодирования является предопределенная функция последовательности символов, которая может быть нормой, ассоциированной с последовательностью символов, или функцией распределения вероятности (или функцией массы вероятности) символов.

* Преобразование закодированных подсообщений в соответствующие символы. Например, устройство 601 может использовать преобразователь символов для выполнения преобразования.

Таким образом, последовательность символов может быть снабжена предопределенной характеристикой, например, символы могут иметь предопределенное распределение вероятностей (или целевое распределение вероятностей) после преобразования символов. Последовательность символов также может соответствовать предопределенной норме (например, евклидовой норме, p-норме или расстоянию последовательности символов от предопределенной последовательности).

После того как устройство 601 закодировало входное сообщение и вывело символы, оно может отправить последовательность символов в устройство 603, которое сконфигурировано для многоуровневого декодирования входной последовательности символов. Это устройство 603 будет описано более подробно ниже.

Фиг. 7 показано устройство 601 согласно варианту осуществления изобретения, основанному на варианте осуществления, показанном на фиг. 6. В частности, на фиг. 7 показано устройство 601 с дополнительными необязательными функциями. Устройство 601 по фиг. 7 сконфигурирован для кодирования входного сообщения d в последовательность символов ASK-символов.

В этом варианте осуществления устройство 601 дополнительно сконфигурировано для кодирования m-го битового уровня (определяющего набор подсообщений; относящегося к кодеру m) в зависимости от предыдущих битовых уровней (подсообщений, не входящих в набор подсообщений, относящихся к кодерам 1, 2). Кроме того, кодирование в этих вариантах осуществления может зависеть от предопределенной функции, например, от предопределенного распределения вероятностей, которое может быть выведено из кодовых слов предыдущих битовых уровней или внешнего ввода. В результате, например, может быть получено предопределенное распределение вероятностей символов ASK, в частности такое, которое очень точно аппроксимирует распределение Гаусса (см. фиг. 8).

Декодер может использоваться в качестве кодера для кодирования каждого подсообщения в наборе подсообщений, где декодер сконфигурирован для поиска кодового слова, которое представляет подсообщение и в то же время обладает некоторыми свойствами, такими как некоторое распределение вероятностей (или условное распределение вероятностей) битов в кодовом слове. Это может быть реализовано, например, как описано в работе Искана и др. «Probabilistically Shaped Multi-Level Coding with Polar Codes for Fading Channels», на семинарах IEEE Globecom 2018 (GC Wkshps), стр. 1-5 со ссылкой на полярные коды.

Более того, простой декодер последовательной отмены (SC) может использоваться в качестве кодера для кодирования каждого подсообщения в наборе подсообщений, т. е. здесь в качестве кодера на m-^м битовом уровне, который имеет гораздо меньшую вычислительную сложность по сравнению с, например, декодером списка. Фактически декодер SC имеет тот же порядок сложности, что и традиционный полярный кодер. Следовательно, предлагаемая схема предпочтительно не является более сложной, чем традиционная схема MLC, основанная на полярных кодах.

Далее дается краткое изложение этапов, которые могут быть выполнены устройством 601 по фиг. 7:

* Устройство 601 выполнено с возможностью использования схемы MLC, в которой (вероятностно) может формироваться только один битовый уровень. Однако битовый уровень кодируется в зависимости от ранее закодированных битовых уровней. В результате, например, может быть определено полученное распределение вероятностей символов ASK, например, для очень точной аппроксимации распределения Гаусса. Таким образом, потери при формировании в канале 602, в частности и в AWGN, могут быть значительно уменьшены.

* Устройство 601 может быть сконфигурировано для использования декодера SC для кодирования m-го битового уровня. Это обеспечивает то преимущество, что устройство 601 также имеет преимущество с точки зрения сложности.

Устройство 601 имеет преимущество для надежной передачи данных, основано на многоуровневом кодировании (MLC) и может быть дополнительно сконфигурировано для:

* Передачи полярных кодовых слов на каждом битовом уровне (или, по меньшей мере, на одном битовом уровне, в частности, по меньшей мере, на m-ом битовом уровне). То есть устройство 601 может быть сконфигурировано для кодирования каждого подсообщения в наборе подсообщений на основе полярной кодировки.

* Генерирования (по меньшей мере) на одном битовом уровне (обозначаемом как сформированный битовый уровень) кодовых слов в зависимости от кодовых слов из других битовых уровней так, чтобы после преобразования символов было получено предопределенное распределение вероятностей или целевое распределение вероятностей. То есть устройство 601 может быть дополнительно сконфигурировано для выделения каждому подсообщению в наборе подсообщений последовательности битов формирования.

* Использования полярного декодера на этом битовом уровне для выполнения кодирования.

* Установления сформированного битового уровня как знакового битового уровеня, т. е. битового уровня, который определяет знак результирующих символов.

Ниже подробно описаны этапы, которые могут выполняться устройством 601 на стороне передатчика.

Схема передачи, показанная на фиг. 7, а также преобразователь символов, например, с естественной (двоичной) маркировкой. В варианте осуществления для естественной маркировки с m битовыми уровнями выходные данные преобразователя могут принимать значения {±1, ±3, ±5, …, ±(2^m -1)}. Выходные данные преобразователя могут быть масштабированы с помощью предварительно определенных констант, например, для удовлетворения требований к мощности.

Например, для 8-ASK (с m=3) возможны выходные символы {-7, -5, …, 5, 7}. Преобразование каждой битовой последовательности из m битов в символы ASK может быть выполнено в соответствии с двоичным представлением натуральных чисел от 0 до (2^m-1) в порядке возрастания или убывания. Таблица на фиг. 10 дает пример для m=3, в котором три бита b₁b₂b₃ отображаются в символы x с 8-ASK. Обратите внимание, что последний битовый уровень (b₃) содержит знаковый бит, т.е. в зависимости от того, является ли b₃ единицей или нулем, результирующий символ x ASK имеет отрицательный или положительный знак.

Эту схему можно легко распространить на символы с комплексными числами. В таком случае всего будет два знаковых битовых уровня (один знаковый битовый уровень на комплексное измерение).

В варианте осуществления такой преобразователь символов может быть реализован, как показано в пунктирной рамке на фиг. 11 для примера с m=3. Здесь сначала биты кодового слова c_i (нули и единицы) отображаются в последовательность bi, содержащей ±1, которая затем масштабируется посредством a_i=2^(i-1). Последовательность x, содержащая символы ASK, получается путем суммирования этих масштабированных последовательностей. Совокупная сумма масштабированных последовательностей битовых уровней с 1 по i может быть отмечена как x_i.

Как описано выше, кодер на m-^ом битовом уровне (т.е. знаковом битовом уровне) является модифицированным кодером. Этот кодер обозначается как ε_s. В одном варианте осуществления в качестве кодера используется полярный декодер, например, может использоваться декодер последовательной отмены (SC), декодер списка последовательной отмены (SCL), декодер распространения достоверности (BP) или декодер флипа. Более того, кодер ε_s генерирует свои выходные данные в зависимости от x_m-1. Обратите внимание, что x_m-1 создается на основе кодовых слов в битовых уровнях от 1 до m-1. Поэтому вывод ε_s зависит от кодовых слов на всех предыдущих битовых уровнях.

Более конкретно, кодер ε_s ищет кодовое слово c_m, которое представляет m^-ю часть d^m сообщения (т.е. ε_s кодирует d_m), и в то же время вызывает распределение символов ASK в x согласно целевому распределению вероятностей P_X. С этой целью некоторые из надежных полярных подканалов могут быть выделены на m^-ом битовом уровне для формирования битов, которые не несут никакой информации, но вызывают распределение x согласно целевому распределению вероятностей P_X.

Количество битов (с) формирования определяет, сколько ресурсов (в данном случае полярных подканалов) выделяется для формирования сигнала. В традиционных схемах без формирования ресурсы на формирование не выделяются, т.е. s=0. Количество битов формирования можно выбрать, чтобы получить наилучшее приближение к целевому распределению. С другой стороны, каждый бит формирования использует дополнительный ресурс. Поэтому не следует использовать слишком много битов формирования. Оптимальное количество битов формирования - это минимальное количество, дающее максимальный коэффициент усиления.

Если k_m битов сообщения должны передаваться на m-ом битовом уровне (т.е. длина d_m равна k_m) и должны использоваться s формирующих битов, предполагая фиксированную полярную последовательность, наиболее надежные s полярные подканалы (описываемых набором S) выделяются для формирующих битов, следующие наиболее надежные km полярные подканалы (описываемые набором I) для битов сообщения, а остальные (обозначаемые набором F) для замороженных битов.

В этих условиях можно использовать полярный декодер как εs (с длиной кодового слова n и скоростью (km+s)/n), в котором используются следующие параметры:

* Известные биты (например, нули) могут использоваться как замороженные биты в индексах F.

* Биты dm сообщения могут использоваться как дополнительные замороженные биты в индексах I.

* S можно использовать в качестве индексов неизвестных битов (которые должны быть восстановлены декодером).

* Λ (определено ниже) может использоваться в качестве входных данных декодера в форме логарифмического отношения правдоподобия (LLR) (зашумленное наблюдение канала).

В общем случае Λ можно определить как функцию от x_m-1. Следовательно, это также функция битов кодового слова из предыдущих битовых уровней. Λ пропорционально -x_m-1 для целевого распределения Максвелла-Больцмана, которое минимизирует мощность передачи для данной скорости. Следовательно, можно использовать Λ=-x_m-1. Кроме того, простого декодера с последовательной компенсацией (SC) может быть достаточно для получения хороших коэффициентов усиления. Более сложный декодер SCL обеспечивает лучшую производительность, но за счет увеличения сложности.

Обратите внимание, что эта операция полярного декодирования будет искать формирующие биты (и, следовательно, результирующее кодовое слово c_m), что приведет к тому, что результирующее кодовое слово будет иметь желаемое распределение вероятностей, обусловленное x_m-1. На Фиг. 8 показано результирующее распределение символов ASK, где m=4 и примерно 1/3 полярных подканалов на m-ом битовом уровне выделены для формирующих битов.

С другой точки зрения, эту операцию полярного декодирования можно также рассматривать как решение проблемы минимизации энергии, т.е. декодер ищет такое кодовое слово, что результирующие символы ASK имеют минимальную среднюю энергию, т. е. минимальную евклидову норму.

Подводя итог, можно рассмотреть следующие особенности устройства 601:

* Схема MLC может использоваться на основе полярных кодов, где полярные кодовые слова используются на каждом битовом уровне.

* Можно использовать естественную (бинарную) маркировку.

* Модифицированный кодер ε_s можно использовать на m-ом битовом уровне (что соответствует знаковому битовому уровню).

* Кодовое слово c_m может быть сгенерировано кодером ε_s в зависимости от кодовых слов из предыдущих битовых уровней (от c₁ до c_m-1).

* Кодер ε_s может быть реализован с использованием полярного декодера, например, простого SC-декодера или более сложного SCL-декодера.

* Кодовое слово на m-ом битовом уровне может содержать (помимо битов сообщения и замороженных битов) формирующие биты, которые не несут никакой дополнительной информации, но заставляют полученное в результате кодовое слово иметь распределение вероятностей, зависящее от битов ранее закодированных кодовых слов, что дополнительно приводит к целевому или первому вероятностному распределению P_X символов ASK после преобразования символов.

* Количество формирующих битов s является параметром, который можно выбрать для оптимизации производительности: если формирующие биты не используются (s=0), то невозможно получить никакого коэффициента усиления при формировании. Если используется слишком много формирующих битов, это может привести к неэффективному использованию доступных ресурсов. Наши результаты показывают, что использование примерно 1/3 полярных подканалов на знаковом битовом уровне является хорошим выбором.

На фиг. 9 показано устройство 601 согласно варианту осуществления изобретения, основанному на варианте осуществления, показанном на фиг. 7. В частности, на фиг. 9 показано устройство 601 с дополнительными необязательными функциями. Устройство 601 по фиг. 9 сконфигурировано для кодирования входного сообщения в последовательность символов, например, символов ASK.

В этом варианте осуществления устройство 601 сконфигурировано для кодирования m-го битового уровня (определяющего набор подсообщений; относящегося к кодеру m) в зависимости от предыдущих битовых уровней (подсообщения, не входящие в набор подсообщений, связанные с кодерами 1, 2 и в зависимости от предопределенной функции (внешнего ввода), например, предопределенного распределения вероятностей. В результате, например, может быть получено предопределенное распределение вероятностей символов ASK, в частности такое, которое очень точно аппроксимирует распределение Гаусса (см. фиг. 8). В частности, канальный декодер может использоваться для кодирования m-го битового уровня.

В общем, кодер преобразовывает последовательность сообщений в последовательность кодовых слов. Операция является взаимно однозначной, т.е. для каждой последовательности сообщений существует другая последовательность кодовых слов. Как правило, последовательности кодовых слов длиннее, чем последовательности сообщений. Например, предположим, что кодер преобразует последовательность бинарных сообщений из k битов в последовательность кодовых слов из n битов с n>k. В этом случае любая двоичная последовательность длины k может быть входными данными кодера (имеется 2k возможных бинарных последовательностей длины k), и имеется 2k возможных последовательностей кодовых слов длины n. Обратите внимание, что вообще существует 2n различных бинарных последовательностей длины n, но не каждая последовательность длины n является кодовым словом. Набор всех возможных последовательностей кодовых слов называется кодовой книгой.

В этом контексте декодер канала представляет собой устройство, которое принимает на вход неограниченную последовательность длины n и ищет последовательность кодовых слов в кодовой книге и соответствующую ей последовательность сообщений. И кодеры, и декодеры определяют преобразования между последовательностями. Обычно кодеры используются для генерации кодовых слов в передатчиках, а декодеры используются для поиска наиболее вероятного кодового слова (и соответствующей ему последовательности сообщений) с учетом принятого зашумленного сигнала в приемнике.

В устройстве 601 согласно варианту осуществления изобретения может использоваться (канальный) декодер, так что кодовое слово, найденное этим канальным декодером, имеет два свойства: оно представляет сообщение и в то же время оно имеет некоторые желаемые свойства (т.е. биты в кодовом слове распределяются в соответствии с желаемым распределением вероятностей или желаемым условным распределением вероятностей). Это может быть реализовано путем введения формирующих битов, как описано выше, которые дают новую степень свободы для преобразования последовательности сообщений в кодовое слово. Формирующие биты можно рассматривать как дополнительные биты (которые должны быть добавлены к битам сообщения), которые не несут никакой информации, но заставляют биты кодового слова иметь желаемое распределение вероятностей. Способ получения значений формирующих битов можно сформулировать как операцию декодирования канала (как описано в работе Iscan et al.). Следовательно, в рассматриваемой проблеме вместо кодера в устройстве 601 может использоваться канальный декодер.

После того, как устройство 601 (любое из вышеописанных) закодировало входное сообщение и вывело последовательность символов, оно может отправить последовательность символов по каналу 602 на устройство 603 (см. фиг. 1), которое сконфигурировано для многоуровневого декодирования входной последовательности символов. Это устройство 603 может, например, быть сконфигурировано для следующего:

* Выполнение обратного преобразования последовательности входных символов на основе предопределенной функции последовательности символов (например, на основе предопределенной функции устройства 601, полученной от устройства 601 или от другого объекта) для получения последовательности обратного преобразования, при этом входные символы включают в себя закодированные формирующие биты.

* Декодирование обратно преобразованной последовательности.

* Отбрасывание декодированных формирующих битов.

В частности, устройство 603 может быть основано на приемнике MLC, как показано на фиг. 3. Однако, некоторые модификации могут быть выполнены. В частности, по сравнению с традиционным приемником MLC в устройстве 603 предпочтительно известны следующие параметры:

* Предопределенная функция последовательности символов, например, функция распределения вероятностей P_X символов ASK.

* Количество формирующих битов s.

* Набор S, который указывает индексы формирующих битов.

Как правило, все эти параметры могут передаваться устройству 603 (например, с использованием канала управления), так что устройство 603 может использовать эти параметры для отмены операций, выполняемых на устройстве 601. Однако можно сделать некоторые упрощения, поскольку все эти параметры связаны друг с другом.

В приведенном выше варианте осуществления предполагалась фиксированная полярная последовательность, и в этой последовательности использовались наиболее надежные индексы s для построения S. Следовательно, в такой ситуации устройство 603 уже может получить S, если число формирующих битов s известно. Более того, использование примерно 1/3 полярных подканалов для формирования битов является хорошим выбором. Соответственно, для получения количества формирующих битов можно использовать фиксированное правило. Наконец, поскольку s и PX связаны, результирующий P_X для каждого выбора s может быть предварительно вычислен и сохранен в справочной таблице, чтобы избежать дополнительной управляющей сигнализации.

Обычные приемники MLC предполагают, что символы ASK распределены равномерно (P_X равномерен). В одном варианте осуществления Р_Х является неравномерным, и, следовательно, блок обратного преобразования должен генерировать свой вывод в зависимости от Р_Х. Для некоторых типичных распределений (таких как распределение Гаусса или распределение Максвелла-Больцмана) это может быть достигнуто путем масштабирования входных данных обратного преобразователя на константу, где константа зависит от P_X и дисперсии шума канала.

По сравнению с традиционным приемником MLC, имеются дополнительные формирующие биты, которые распределяются в некоторых полярных подканалах на знаковом битовом уровне. Значения формирующих битов неизвестны устройству 603. Во время декодирования этого битового уровня декодер может обрабатывать формирующие биты как биты сообщения, которые также неизвестны. В конце процесса декодирования устройство 603 может в основном отбросить формирующие биты, поскольку они не несут никакой дополнительной информации. Кроме того, если все биты сообщения восстановлены во время декодирования, декодер может выполнить досрочное завершение без завершения всего процесса декодирования (поскольку оставшиеся неизвестные биты являются только формирующими битами). В качестве другой альтернативы устройство 603 может извлекать все формирующие биты и биты сообщения на выходе декодера и вычислять другую копию формирующих битов на основе битов сообщения (как это делается в передатчике). Позже устройство 603 может сравнить эту копию формирующих битов и формирующих битов на выходе декодера, и если они не идентичны, устройство 603 может объявить об ошибке. Это можно рассматривать как дополнительный механизм обнаружения ошибок, который также можно использовать для выбора правильного кодового слова из выходных данных декодера списка.

Подводя итог, можно сказать, что в вариантах осуществления изобретения в устройстве 603 на стороне приемника могут быть реализованы следующие функции:

* Вероятностное распределение PX символов ASK, количество формирующих битов s и набор S являются дополнительными параметрами, которые используются устройством 603 для восстановления переданного сообщения. Следовательно, они могут быть переданы устройству 603 (например, с использованием канала управления или связи, отличного от канала 602). Однако, поскольку они связаны друг с другом, можно сигнализировать только о их подмножестве, так что другие параметры получаются в зависимости от этих параметров. В качестве альтернативы для получения этих параметров используются фиксированные правила, так что дополнительная сигнализация не требуется.

* Обратный преобразователь может использовать P_X во время обратного преобразования. Для некоторых типичных вероятностных распределений это может быть выполнено путем масштабирования входных данных обратного преобразователя с помощью скалярного коэффициента, который зависит от P_X и дисперсии шума в канале.

* Устройство 603 может обрабатывать формирующие биты, как если бы они были битами сообщения. После завершения декодирования устройство 603 может отбросить формирующие биты или использовать их в качестве механизма обнаружения ошибок. В качестве альтернативы, декодер также может выполнять досрочное завершение, если декодированы все биты сообщения.

На фиг. 12 показан способ 1200 кодирования входного сообщения в последовательность символов согласно варианту осуществления. Способ 1200 может выполняться устройством 601. Способ 1200 многоуровневого кодирования входного сообщения, которое содержит информационные биты, содержит следующие этапы:

* Разделение 1201 входного сообщения на множество подсообщений.

* Кодирование 1202 каждого из подсообщений в кодовое слово, при этом набор подсообщений кодируется на основе кодовых слов, полученных путем кодирования подсообщений, не входящих в набор, и предварительно определенной функции последовательности символов.

* Преобразование 1203 кодированных подсообщений в соответствующие символы.

Настоящее изобретение было описано в связи с различными вариантами осуществления в качестве примеров, а также реализаций. Однако, другие варианты могут быть поняты и реализованы специалистами в данной области техники, применяющими заявленное изобретение, из изучения чертежей, настоящего раскрытия и независимых пунктов формулы изобретения. В формуле изобретения, а также в описании слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а неопределенный артикль «a» или «an» не исключает множественного числа. Один элемент или другая единица могут выполнять функции нескольких объектов или элементов, указанных в формуле изобретения. Тот факт, что некоторые меры указаны во взаимных различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована в преимущественном осуществлении.

Изобретение относится к устройству и способу многоуровневого кодирования последовательности входных сообщений в последовательность символов. Технический результат заключается в уменьшении потерь при кодировании входного сообщения в последовательность символов. Такой результат достигается благодаря тому, что устройство выполнено с возможностью разделения входного сообщения на множество подсообщений, кодирования каждого из подсообщений в кодовое слово, при этом набор подсообщений кодируется на основе кодовых слов, полученных путем кодирования подсообщений, не входящих в набор, и предопределенной функции последовательности символов, и преобразовывать закодированные подсообщения в соответствующие символы. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство (601) для многоуровневого кодирования входного сообщения в последовательность символов, содержащую информационные биты, причем устройство (601) выполнено с возможностью:

разделять входное сообщение на множество подсообщений;

кодировать каждое из подсообщений в кодовое слово, при этом набор подсообщений кодируется на основе кодовых слов, полученных путем кодирования подсообщений, не входящих в набор, и предопределенной функции последовательности символов;

преобразовывать кодовые слова в соответствующие символы; и

при этом устройство (601) дополнительно выполнено с возможностью выделения каждому подсообщению в наборе подсообщений последовательности формирующих битов, при этом каждая последовательность формирующих битов выбирается на основе подсообщения, которому выделена последовательность формирующих битов, и кодовых слов, полученных путем кодирования подсообщений, не входящих в набор.

2. Устройство (601) по п. 1, в котором функция является по меньшей мере одной из:

- функции распределения вероятностей символов,

- нормы, ассоциированной с последовательностью символов.

3. Устройство (601) по п. 1 или 2, выполненное с возможностью кодирования каждого подсообщения в наборе подсообщений с использованием декодера канала.

4. Устройство (601) по любому из пп. 1-3, выполненное с возможностью преобразования кодовых слов в символы, которые имеют множественные битовые уровни.

5. Устройство (601) по п. 4, выполненное с возможностью преобразования кодовых слов таким образом, что по меньшей мере один битовый уровень содержит биты только из конкретного кодового слова.

6. Устройство по п. 5, в котором по меньшей мере один битовый уровень соответствует знаковому битовому уровню.

7. Устройство (601) по любому из пп. 1-6, причем устройство (601) дополнительно выполнено с возможностью преобразования закодированных подсообщений на основе естественной двоичной маркировки, маркировки Грея или заданной маркировки разделения.

8. Устройство (601) по любому из пп. 1-7, в котором распределение вероятностей символов является неравномерным распределением.

9. Устройство (601) по любому из пп. 1-8, дополнительно выполнено с возможностью кодирования каждого подсообщения в наборе подсообщений на основе полярного кодирования.

10. Устройство (601) по одному из предшествующих пунктов при зависимости от п. 3, в котором декодер канала представляет собой полярный декодер.

11. Устройство (601) по п. 10, причем полярный декодер является декодером последовательной отмены, декодером списка, декодером распространения доверия или декодером переворота.

12. Устройство (601) по любому из пп. 1-11, в котором символы являются символами амплитудной манипуляции или символами квадратурной амплитудной модуляции.

13. Устройство (601) по любому из предшествующих пп. 1-12, дополнительно выполнено с возможностью выдачи символов в приемник и для дополнительной выдачи в приемник по меньшей мере одного из следующих параметров с использованием канала, отдельного от предоставления символов:

размер последовательности формирующих битов, включенных в символы;

предопределенная функция последовательности символов;

индикатор или правило выделения формирующих битов.

14. Способ (1100) многоуровневого кодирования входного сообщения в последовательность символов, содержащую информационные биты, причем способ (1100) содержит этапы:

разделение (1101) входного сообщения на множество подсообщений;

кодирование (1102) каждого из подсообщений в кодовое слово, при этом набор подсообщений кодируется на основе кодовых слов, полученных путем кодирования подсообщений, не входящих в набор, и предопределенной функции последовательности символов;

преобразование закодированных подсообщений в соответствующие символы;

причем способ (1100) дополнительно содержит:

выделение, каждому подсообщению в наборе подсообщений, последовательности битов формирования, причем каждая последовательность битов формирования выбирается на основе подсообщения, которому последовательность битов формирования выделена, и кодовых слов, полученных посредством кодирования подсообщений, не входящих в упомянутый набор.

15. Способ (1100) по п. 14, дополнительно содержащий преобразование кодовых слов в символы, которые имеют множественные битовые уровни.

16. Способ (1100) по п. 15, дополнительно содержащий преобразование кодовых слов таким образом, что по меньшей мере один битовый уровень содержит биты только из конкретного кодового слова.

17. Способ (1100) по любому из пп. 14-16, дополнительно содержащий преобразование кодированных подсообщений на основе естественной двоичной маркировки, маркировки Грея или заданной маркировки разделения.

18. Способ (1100) по любому из пп. 14-17, содержащий обеспечение символов для приемника и дополнительно обеспечения приемника по меньшей мере одним из следующих параметров, используя канал, отдельный от канала, предоставляющего упомянутые символы:

размер последовательности битов формирования, включенных в символы;

предопределенная функция последовательности символов;

индикатор или правило выделения формирующих битов.

19. Устройство (603) для многоуровневого декодирования, причем устройство (603) выполнено с возможностью:

выполнять обратное преобразование последовательности входных символов на основе предопределенной функции последовательности символов для получения обратно преобразованной последовательности, при этом обратно преобразованную последовательность получают посредством кодирования каждого подсообщения, разделенного из входного сообщения, причем набор подсообщений кодируют на основе кодовых слов, полученных посредством кодирования подсообщений, не входящих в упомянутый набор, и предопределенной функции последовательности символов, причем входные символы включают в себя закодированные формирующие биты;

декодировать обратно преобразованную последовательность; и

отбрасывать декодированные формирующие биты, причем последовательность декодированных формирующих битов выделяется каждому подсообщению в наборе подсообщений, и каждая последовательность декодированных формирующих битов выбирается на основе подсообщения, которому выделяется последовательность декодированных формирующих битов, и кодовых слов, полученных посредством кодирования подсообщений, не входящих в упомянутый набор.