專利名稱：數(shù)據(jù)比特流的差錯保護方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到按照權(quán)利要求1前序部分的差錯保護方法以及執(zhí)行這種方法的裝置。
源信號如語言、聲音、圖像和視頻幾乎始終包括統(tǒng)計學的兀余。通過源編碼可以將這種兀余消除，這樣使有效傳輸或者存儲源信號成為可能。另外一方面在信號傳輸時有必要通過信道編碼有目的地將兀余重新插入以避免信道干擾。
由于對于源信號不完整的知識或者受到編碼方法完整性的限制一般來說只能半理想地實現(xiàn)源編碼，也就是說在被壓縮的數(shù)據(jù)時還存在某些兀余。將這種剩余兀余可以充分地利用在所謂的源控制的或者共同的信道解碼上，以便修正附加的比特差錯；見DE 4224214 C2和J.Hagenauer，“源控制的信道編碼”IEEE Trans.Commun.，43卷，2449-2457頁，1995年9月。此外將信道解碼器的解碼過程不僅通過被傳輸?shù)木幋a比特而且通過關于一些重要源比特的或然率值的一個優(yōu)先的/后面的-信息(A-優(yōu)先/A-滯后-信息)進行控制。在VA(Viterbi菲特比-算法)解碼情況時將這種方法稱為Apri-VA。將它已經(jīng)成功地應用于傳輸語言，聲音，圖像和視頻中。
通過源編碼生成的比特(信息比特)對于比特差錯的敏感性一般來說非常不同，這些比特差錯例如可能是在數(shù)字的消息傳輸/存儲時產(chǎn)生的，這樣對于不同比特要求不同的差錯保護(非均勻差錯保護，UEP)，也就是說重要的比特比不太重要的比特必須比較好地保護。
一個例子是在CELP(碼激勵線性預測)基礎上的語言編解碼器，例如在GSM標準中增強的全比率(EFR)語言編解碼器和匹配的多比率(AMR)語言編解碼器。GSM-EFR-語言編解碼器每20毫秒(相當于一個幀)生成244比特(相當于12.2千比特/秒)。在這個比特流中的差錯在解碼之后顯著不同地影響語言質(zhì)量。在某些比特上的差錯，例如LPC(線性預測編碼)系數(shù)的差錯導致聽不懂或者大的噪聲，在其他比特上的差錯(例如固定編碼簿的比特)相反幾乎感覺不到。這有理由在語言編碼器之后將比特分成等級(等級1a，1b和2)，將這些常常針對差錯進行不同的保護。為了得到好的語言質(zhì)量，典型地(根據(jù)解編碼器類型和質(zhì)量要求)有必要，將最重要的比特保護到比特差錯率BER(比特差錯率)為10-4-10-5(信道解碼之后)和不是最重要的比特保護到比特差錯率BER為10-1-10-2。這種方法被稱為UEP(非均勻差錯保護)-方法。
實現(xiàn)UEP通常的方法是-使用具有UEP-機理的專門編碼(例如見H.Ma，“二進制非均勻差錯保護塊編碼構(gòu)成的生成尾部-尖銳的卷集編碼”)IEEE.Trans.信息理論，32卷，776-786頁，1986)。
-不同等級的比特進行單獨信道編碼(例如在GSM EFR中；將等級1a和1b的比特通過比率為1/2和記憶m＝4的卷集編碼編碼進行傳輸，和將等級2的比特不編碼進行傳輸)。
-將信道進行編碼和隨后與比特重要性相匹配地附加符號(例如GSM-AMR-標準)。
目前第三代移動無線系統(tǒng)3GPP(第三代伙伴項目)或UMTS(萬能無線通信系統(tǒng))進行標準化。對于一般的數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)協(xié)議了統(tǒng)一結(jié)構(gòu)(見用于上行鏈接的傳送信道復用，在TS25.212 V2.0.0(1999-06)，第三代伙伴項目(3GPP)；技術規(guī)范組(TSG)，無線電接入網(wǎng)絡(RAN；工作組1(WG1)中的附圖4-1和附圖4-2)。
在其中信道編碼是用卷集編碼(比率1/2和1/3，約束長度/影響長度m+1＝9，其中m被稱為編碼記憶)或渦旋編碼實現(xiàn)的。將比率匹配用于，將通過信道編碼生成的編碼比特對應于服務質(zhì)量和/或可能的(固定的)數(shù)據(jù)塊長度在一個傳輸信道內(nèi)重復(如果編碼比特太少)或者在其上附加符號(如果編碼比特太多)。所有的功能單元(CRC，多路技術，信道編碼，交叉，比率匹配，等)只允許使用在整個數(shù)據(jù)塊上(也就是說整個的輸入-比特流上)，但是不能使用在其中的一部分上。
這樣的結(jié)構(gòu)固然使系統(tǒng)簡單和對于不同的服務是統(tǒng)一的。但是用普通的信道編碼方法例如對于語言服務難于實現(xiàn)一個UEP。為了與AMR-編碼比特的重要性相匹配，應該將不同等級的比特不一樣好保護地進行傳輸。一個簡單的解決方法是，將不同等級的比特在不同的傳輸信道上面?zhèn)鬏敗?br> 這種UEP-解決方法的缺點是復雜地管理比特分開和組合和為此需要管理費用。
我們作為例子分析AMR-編解碼器的模式12.2千比特/秒。這種模式有三個比特等級等級A(81比特)，等級B(103比特)和等級C(60比特)經(jīng)過3個傳輸信道傳輸，然后首先將16CRC-比特(為了塊差錯識別)和隨后將8尾部比特(如果這樣安排，使用比率1/3，約束長度9的卷集編碼)插入每個等級。在信道編碼之后的整個編碼比特為3×(81+16+8)+3×(103+16+8)+3×(60+16+8)＝948比特，其中3×(16+8)+3×(16+8)+3×(16+8)＝216比特，也就是說所有編碼比特的216/948≈23％屬于管理費用。但是如果將所有244比特用一個傳輸信道傳輸，于是管理費用為3×(16+8)＝72比特(這些比特對于UMTS數(shù)據(jù)傳輸是必要的)，也就是說是所有編碼比特的72/804≈9％，其中804＝(244+16+8)×3。
因此以下任務是以本發(fā)明為基礎的，規(guī)定了按照分類方式用比較少的保護費用(管理費用)和因此比較高的凈信息密度的改進方法以及相應的裝置。
本發(fā)明包括在信道編碼步驟之前有目的地插入已知的比特的基本思路。將這些已知的比特-在后面也被稱為虛擬比特，插入重要的信息比特附近，和(與已知的編碼期限不同，在那里已知的比特組位于數(shù)據(jù)塊的末端)用不確定期限的方法和特別是插入在信息比特的兩邊。信息比特愈重要，虛擬比特愈應該接近它和/或已知的比特愈多愈應該插入在它的附近。
有益的方法是通過將比較高比率編碼插入預先知道的比特構(gòu)成為比較低比率的編碼。特別適合的是使用在系統(tǒng)編碼上，在其中將被插入的預先知道的比特(虛擬比特)不在編碼比特中一同傳輸。
與附加符號(Punktierung)有益的連接也是符合目的的，如果按照建議方法的應用將編碼比特附加符號。
與建議的方法相連接可以將解碼方法如同源控制信道進行解碼的解碼方法一樣使用，在其中對于已知的比特將最大的(絕對的)先驗知識(在Apri-VA算法中對數(shù)-可能性的無線電通信)設置在接收方。建議方法的重要優(yōu)點是-易于實現(xiàn)。例外是使用先驗知識的信道解碼器(例如使用Apri-VA算法代替正常的VA(菲特比-算法)，信道編解碼器的所有其他部分保持不變。因此一個UEP對于預先規(guī)定的傳輸結(jié)構(gòu)(如3GPP)可以實現(xiàn)沒有附加的變化。
-柔性化。容易將UEP與特殊的信息比特相匹配。
-省去特殊的管理費用。
對于上述例子(在UMTS時AMR編解碼器12.2千比特/秒)可以將所有244比特借助于這里建議的方法在一個傳輸信道內(nèi)傳輸。
當進行專門的不同差錯保護時先決條件是將信息比特只分成兩個等級-即比較重要的(重要的)和不太重要的(不太重要的)-在一個優(yōu)異的結(jié)構(gòu)中進行至少分為三個等級的細的分級，將各自多個連續(xù)的虛擬比特插入在比較重要信息比特的附近與之相聯(lián)系和將一個虛擬比特插入在中等重要信息比特的附近。
在實施按照本發(fā)明方法的適合的裝置中編碼器包括用于將預先知道的數(shù)據(jù)比特(虛擬比特)插入在重要信息比特位置附近的手段。此外這種裝置包括分等級裝置用于將信息比特按照其重要性分等級，或者它至少與相應的分等級信號源，例如與外部的分等級裝置的存儲裝置相連接。
為了將被接收的(卷集編碼)比特流進行解碼例如可以使用下面改進的菲特比-算法(VA)。卷集編碼的格子圖是由分支(狀態(tài)過渡)和節(jié)點構(gòu)成的，在其中多個分支可以組合成各個節(jié)點。一個節(jié)點代表卷集編碼的一個記憶狀態(tài)。對于比率為1/n的卷集編碼和在確定的時間點上在格子圖上有2m+1分支到下一個時間點，如果沒有將比特預先定義時。如果插入一個虛擬比特，于是只還有2m分支是可能的。于是將正常的菲特比-解碼器可以這樣改進，只到達這個分支。用其他的話說，放棄不經(jīng)過2m分支的路徑?？梢詫⑦@種方法擴展到多個虛擬比特和其他的編碼上。
在其中這樣的系統(tǒng)包括一個過程控制用于控制相應的檢查對于經(jīng)過格子圖上的多個路徑被處理的數(shù)據(jù)比特流借助于虛擬比特的位置和數(shù)值以及包括一個決策單元，這是與比較單元連接的和依賴于各個比較結(jié)果作出放棄或者選擇一個路徑的決策。
在其他優(yōu)異的實施結(jié)構(gòu)中這樣的整個系統(tǒng)包括一個源控制的信道解碼器，將這個特別實現(xiàn)為Apri-菲特比-算法或MAP-算法。這樣的系統(tǒng)包括一個數(shù)據(jù)庫用于插入已知的比特的所謂的“L-值(對數(shù)-可能性-比例值)”。
建議的方法源對于信號，特別是語言信號差錯保護的傳輸有特別實際的意義。因此特別適合于應用在移動無線系統(tǒng)中。
本發(fā)明的優(yōu)點和適應性是從屬權(quán)利要求以及后面的特殊實施例的說明和觀點借助于附圖得出的附

圖1在信道編碼前的或者在相應的先驗知識基礎上信道解碼前的數(shù)據(jù)比特流簡圖，附圖2BER依賴于AWGN-信道的VA-解碼器的仿真簡圖，附圖3保護具有預先規(guī)定的虛擬比特的卷集編碼的簡圖，附圖4AWGN-信道的RSC-編碼的仿真圖。
如在附圖1上表示的，應該將比特u3和u4比u8和u9比較好地保護，將這些又比u1，u6和u7，...比較好地保護。于是人們可以將兩個已知的比特(“0”或“1”)插入u3和u4之間和一個已知的比特插入u8和u9之間。在解碼方面應該利用這個先驗知識，也就是說在u3和u4之間的兩個比特是“0”和在u8和u9之間的比特是“1”。
將下面方法可以用于解碼-例如在正常的VA情況下可以將這個先驗知識利用在選擇可能的路徑上，也就是說將用其使已知的比特錯誤解碼的路徑放棄。這類似于給卷集編碼確定期限。
-當使用Apri-VA或類似的算法時，例如MAP(最大后驗概率)-解碼算法，人們可以將已知的虛擬比特的先驗-L-數(shù)值設置為允許的最大值(例如對于比特“0”L＝+∞和對于比特“1”L＝-∞)。對于信息比特u1，u2，u3，u4，...，如果不存在先驗知識于是為Li＝0(i＝1，2，...)。
-對于系統(tǒng)的信道編碼例如遞歸系統(tǒng)卷集編碼，將這個已經(jīng)使用在GSM AMR-信道編碼中和也使用作為渦旋編碼的編碼組成部分，人們可以將一個信息比特的先驗L-數(shù)值首先加在相應的系統(tǒng)編碼比特(＝信息比特)的信道軟件上(也就是說信道解碼器的軟件輸入值)和隨后將得到的軟件使用作為信道解碼器的軟件輸入值。用這種方法可以將使用先驗知識的信道解碼器(例如Apri-VA算法)直接用傳統(tǒng)的VA(沒有改進)實現(xiàn)。
附圖2表示了在一個AWGN(附近白高斯噪聲)-信道上具有約束長度m+1＝5和比率1/3的卷集編碼的仿真結(jié)果。塊長度為200(比特0...比特199)。所使用的生成多項式為G1＝1+D3+D4G2＝1+D+D2+D4G3＝1+D2+D3+D4，在其中編解碼器有一個已知的開始狀態(tài)和在數(shù)據(jù)塊的端部用m尾部比特(4比特等于0在現(xiàn)在情況下)確定期限。
實線的曲線(用符號“+”)表示在使用正常的進行編碼/進行解碼(沒有虛擬比特)情況下所有200信息比特的BER，和虛線的曲線(用符號“x”)表示BER，如果已知的虛擬比特是在比特位置9，11，15，49，89，90，129，130，131，169，170，171，172上(和此時使用Apri-VA)。可以知道，沒有考慮虛擬比特，其BER＝0，直接接近虛擬比特的信息比特比離虛擬比特遠的信息比特有一個比較低的BER。因此已經(jīng)達到了一個UEP。不同的平行的曲線代表了信道條件(從上到下，信號噪聲比S/N＝-5.0，-4.5，-4.0，-3.5，-3.0，-2.5，-2.0，-1.5，...)。
備注-應該注意的是，在數(shù)據(jù)塊開始和末端的比特同樣有一個低的BER。這個是卷集編碼已知的開始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)(如果限定期限)的一個序列。實際上這里建議的方法是建立在與編碼期限類似原理基礎上的。不同的是，人們在限定期限時將已知的比特只使用在數(shù)據(jù)塊(一次)的末端，因為如果沒有限定期限則在數(shù)據(jù)塊末端的比特比其他的比特保護得非常壞。相反在我們的建議中將已知的比特一般來說多次使用在應該保護得比較好的比特的附近。
-通過使用附加的虛擬比特(也就是說插入多個兀余)將信息比特始終保護得比較好。不會產(chǎn)生性能的變壞。
-同樣類似的是給卷集編碼限定期限，虛擬比特的附加保護作用限于編碼的影響長度。根據(jù)使用多少虛擬比特，保護區(qū)可以達到影響長度(m+1)的2至3倍。例如如果影響長度等于5，于是距離虛擬比特10-15比特的比特可以得到保護。
-對于正常的非系統(tǒng)卷集編碼不應該將多于m比特先后使用作為虛擬比特(m＝編碼記憶)，因為用m比特已經(jīng)給編碼限定期限，也就是說通過多于m比特將BER繼續(xù)減少是不可能的。
附圖3表示了對于具有m＝4的非系統(tǒng)卷集編碼通過8個虛擬編碼(4個在左邊和4個在右邊)將u4最好地保護。
上面的說明適合于卷集編碼，但是其原理可以使用在所有的編碼上，對于這些在進行編碼之后在先后排列的編碼比特之間存在著相關(例如渦旋編碼)。
建議的方法對于系統(tǒng)的信道編碼(例如遞歸系統(tǒng)卷集/RSC編碼)特別有吸引力和有效，因為將插入的同樣虛擬比特(例如很多“0”)反映為編碼字(作為系統(tǒng)的編碼比特)和不必要進行傳輸。
應該將這個用一個例子說明如果將比特a-b-c-0-d-0-e-f-g-...用比率為1/2的編碼進行信道編碼和傳輸，此時a-b-c-d-e-f-g是數(shù)據(jù)比特和將d通過插入兩個0應該比較好地保護，于是被編碼的比特(編碼比特或編碼字)在系統(tǒng)編碼情況下有一個形狀為aA-bB-cC-dD-eE-fF-gG-...。其中a，A，b，B...，為X∈{0，1}和一般來說X＝任意的(第一個X不一定等于第二個X)。因為第二個虛擬比特0在接收端是已知的，我們只需要傳輸比特aA-bB-cC-dD-eE-fF-gG-...。必要時人們可以在解碼之前(用最高的可信度)將沒有被傳輸?shù)奶摂M比特返回。這相當于比較低的等值的編碼率。在非系統(tǒng)的編碼情況下被編碼的比特一般來說有一個形狀為AA-BB-CC-XX-DD-XX-EE-FF-GG，將這些所有的必須/應該傳輸。
一般來說通過這種方法可以將具有比較低比率的所有編碼(系統(tǒng)的或非系統(tǒng)的)用比較高比率的編碼構(gòu)成(見后面的例子)。因此是可能的，人們將這種方法與附加符號組合，通過附加符號可以將具有比較高比率的編碼由具有比較低比率的編碼生成，以便達到所希望的(任意的)編碼率和/或最佳的性能。
例子我們可以將比率為1/3的系統(tǒng)編碼由比率為1/2的系統(tǒng)編碼構(gòu)成，即通過有規(guī)律地插入0a-0-b-0-c-0-d-0-...。如果人們將這些比特用比率1/2編碼進行編碼，人們得到aA-0X-bB-0X-cC-0X-dD-0X-...。于是準備傳輸?shù)谋忍厥莂A-X-bB-X-cC-X-dD-X-...。等值的編碼率是1/3，因為比率1/3編碼生成同樣數(shù)目的編碼比特，即aAX-bBX-cCX-dDX-...。類似的我們可以將等值的比率1/5(a-b-0-c-d-0-e...)，3/7(a-b-c-0-d-e-f-0-...)，...由比率為1/2的系統(tǒng)編碼構(gòu)成。在我們的仿真中已經(jīng)顯示出，一個這樣構(gòu)成的比率1/3編碼幾乎與最佳的比率1/3編碼提供同樣的性能。
以下的說明適合于附圖4m＝8，AWGN信道，RSC編碼具有TS25.212V2.0.0(1999-06)的多項式，第三代伙伴項目(3GPP)；技術規(guī)范組(TSG)，無線電接入網(wǎng)絡(RAN)；工作組1(WG1)，其中-m8r2rscvach0.pro.-3＝比率為1/2的編碼，信道Es/N0＝-3dB-m8r3rscvach0.pro.-3＝比率為1/3的編碼，信道Es/N0＝-3dB-m8r2rscvach0_alp2.pro.-3＝等值的比率為1/3的編碼，信道Es/N0＝-3dB(建議的方法)-m8r2rscvach0_alp3.pro.-3＝等值的比率為2/5的編碼，信道Es/N0＝-3dB(建議的方法)-m8r2rscvach0_alp4.pro.-3＝等值的比率為3/7的編碼，信道Es/N0＝-3dB(建議的方法)-m8r2rscvach0_alp5.pro.-3＝等值的比率為4/9的編碼，信道Es/N0＝-3dB(建議的方法)本發(fā)明的實施不限于上述例子，而同樣在很多變型中是可能的，這些是在專業(yè)的交易范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.在數(shù)字的消息傳輸系統(tǒng)中為了減少比特差錯率的數(shù)據(jù)比特流的差錯保護方法，其特征為，在信道進行編碼之前將很多預先已知的虛擬比特用不確定期限的方式插入在接近信息傳輸?shù)谋忍氐某跏紨?shù)據(jù)比特流的預先確定的比特位置上。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征為，通過插入預先已知的虛擬比特由比較高比率的編碼構(gòu)成比較低比率的編碼。
3.按照權(quán)利要求1或2的方法，其特征為，使用在一個系統(tǒng)編碼上，在其中將編碼比特上的虛擬比特不進行傳輸。
4.按照上述權(quán)利要求之一的方法，其特征為，隨后將編碼比特附加符號。
5.按照上述權(quán)利要求之一的方法，其特征為，將初始數(shù)據(jù)比特流的信息比特至少分成兩個等級的重要性等級和將虛擬比特插入在信息攜帶的重要比特的附近。
6.按照上述權(quán)利要求之一的方法，其特征為，應用在移動無線系統(tǒng)中。
7.按照上述權(quán)利要求之一的方法，其特征為，應用于傳輸源信號，特別是語言信號。
8.按照權(quán)利要求4至7之一的方法，其特征為，應用在卷集編碼中。
9.按照上述權(quán)利要求之一的方法，其特征為，由于被保護的數(shù)據(jù)比特流在接收方進行路徑選擇，特別是在菲特比算法范圍內(nèi)，在其中各自在虛擬比特的位置上檢查被處理的與被保護的數(shù)據(jù)比特流的一致性和在不一致的情況下放棄相應的路徑。
10.按照上述權(quán)利要求之一的方法，其特征為，被保護的數(shù)據(jù)比特流的解碼作為源控制的信道解碼，特別是借助于Apri-菲特比-算法或者MAP算法進行的。
11.按照權(quán)利要求9的方法，其特征為，對于系統(tǒng)的信道編碼，特別是遞歸系統(tǒng)卷集編碼，將信息比特的先驗-L-值加在相應的系統(tǒng)編碼比特的軟件輸入值上和然后借助于傳統(tǒng)的菲特比算法進行解碼。
12.執(zhí)行按照上述權(quán)利要求之一方法的裝置，其特征為，一個編碼器具有將預先已知的數(shù)據(jù)比特插入在準備進行編碼的初始數(shù)據(jù)比特流的預先確定的比特位置上的手段。
13.按照權(quán)利要求11的裝置，其特征為，一個分等級裝置用于將初始數(shù)據(jù)比特流的信息比特的重要性分等級，其輸出端是與用于控制插入預先已知的數(shù)據(jù)比特的手段相連接的。
14.按照權(quán)利要求11或12的裝置，其特征為，為了信息比特進行解碼，特別是借助于菲特比算法，安排了過程控制單元用于控制檢查被接收的數(shù)據(jù)比特流的多個路徑，安排了比較單元借助于虛擬比特的位置和數(shù)值檢查經(jīng)過多個路徑被處理的數(shù)據(jù)比特流，和安排了與比較單元輸出端連接的決策單元用于在比較結(jié)果基礎上放棄或允許屬于各個被檢查數(shù)據(jù)比特流的路徑。
15.按照權(quán)利要求11至13之一的裝置，其特征為，一個源控制的信道解碼器，特別是用于實施Apri-菲特比算法或MAP算法。
全文摘要
在數(shù)字的消息傳輸系統(tǒng)中,特別是在將語言信號進行語言傳輸?shù)囊苿訜o線系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)比特流的差錯保護方法,為了減少比特差錯率,在其中在信道編碼之前將很多預先已知的虛擬比特插入在預先確定的初始數(shù)據(jù)比特流的預先確定的比特位置上接近攜帶信息的重要比特上。
文檔編號H03M13/41GK1364362SQ00810730
公開日2002年8月14日 申請日期2000年4月20日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月22日
發(fā)明者許文 申請人:西門子公司