CN1364362A - 数据比特流的差错保护方法 - Google Patents

Abstract

在数字的消息传输系统中,特别是在将语言信号进行语言传输的移动无线系统中,数据比特流的差错保护方法,为了减少比特差错率,在其中在信道编码之前将很多预先已知的虚拟比特插入在预先确定的初始数据比特流的预先确定的比特位置上接近携带信息的重要比特上。

Description

数据比特流的差错保护方法

本发明涉及到按照权利要求1前序部分的差错保护方法以及执行这种方法的装置。

源信号如语言、声音、图像和视频几乎始终包括统计学的兀余。通过源编码可以将这种兀余消除，这样使有效传输或者存储源信号成为可能。另外一方面在信号传输时有必要通过信道编码有目的地将兀余重新插入以避免信道干扰。

由于对于源信号不完整的知识或者受到编码方法完整性的限制一般来说只能半理想地实现源编码，也就是说在被压缩的数据时还存在某些兀余。将这种剩余兀余可以充分地利用在所谓的源控制的或者共同的信道解码上，以便修正附加的比特差错；见DE 4224214 C2和J.Hagenauer，“源控制的信道编码”IEEE Trans.Commun.，43卷，2449-2457页，1995年9月。此外将信道解码器的解码过程不仅通过被传输的编码比特而且通过关于一些重要源比特的或然率值的一个优先的/后面的-信息(A-优先/A-滞后-信息)进行控制。在VA(Viterbi菲特比-算法)解码情况时将这种方法称为Apri-VA。将它已经成功地应用于传输语言，声音，图像和视频中。

通过源编码生成的比特(信息比特)对于比特差错的敏感性一般来说非常不同，这些比特差错例如可能是在数字的消息传输/存储时产生的，这样对于不同比特要求不同的差错保护(非均匀差错保护，UEP)，也就是说重要的比特比不太重要的比特必须比较好地保护。

一个例子是在CELP(码激励线性预测)基础上的语言编解码器，例如在GSM标准中增强的全比率(EFR)语言编解码器和匹配的多比率(AMR)语言编解码器。GSM-EFR-语言编解码器每20毫秒(相当于一个帧)生成244比特(相当于12.2千比特/秒)。在这个比特流中的差错在解码之后显著不同地影响语言质量。在某些比特上的差错，例如LPC(线性预测编码)系数的差错导致听不懂或者大的噪声，在其他比特上的差错(例如固定编码簿的比特)相反几乎感觉不到。这有理由在语言编码器之后将比特分成等级(等级1a，1b和2)，将这些常常针对差错进行不同的保护。为了得到好的语言质量，典型地(根据解编码器类型和质量要求)有必要，将最重要的比特保护到比特差错率BER(比特差错率)为10^-4-10^-5(信道解码之后)和不是最重要的比特保护到比特差错率BER为10^-1-10^-2。这种方法被称为UEP(非均匀差错保护)-方法。

实现UEP通常的方法是：

-使用具有UEP-机理的专门编码(例如见H.Ma，“二进制非均匀差错保护块编码构成的生成尾部-尖锐的卷集编码”)IEEE.Trans.信息理论，32卷，776-786页，1986)。

-不同等级的比特进行单独信道编码(例如在GSM EFR中；将等级1a和1b的比特通过比率为1/2和记忆m＝4的卷集编码编码进行传输，和将等级2的比特不编码进行传输)。

-将信道进行编码和随后与比特重要性相匹配地附加符号(例如GSM-AMR-标准)。

目前第三代移动无线系统3GPP(第三代伙伴项目)或UMTS(万能无线通信系统)进行标准化。对于一般的数据传输已经协议了统一结构(见：用于上行链接的传送信道复用，在TS25.212 V2.0.0(1999-06)，第三代伙伴项目(3GPP)；技术规范组(TSG)，无线电接入网络(RAN；工作组1(WG1)中的附图4-1和附图4-2)。

在其中信道编码是用卷集编码(比率1/2和1/3，约束长度/影响长度m+1＝9，其中m被称为编码记忆)或涡旋编码实现的。将比率匹配用于，将通过信道编码生成的编码比特对应于服务质量和/或可能的(固定的)数据块长度在一个传输信道内重复(如果编码比特太少)或者在其上附加符号(如果编码比特太多)。所有的功能单元(CRC，多路技术，信道编码，交叉，比率匹配，等)只允许使用在整个数据块上(也就是说整个的输入-比特流上)，但是不能使用在其中的一部分上。

这样的结构固然使系统简单和对于不同的服务是统一的。但是用普通的信道编码方法例如对于语言服务难于实现一个UEP。为了与AMR-编码比特的重要性相匹配，应该将不同等级的比特不一样好保护地进行传输。一个简单的解决方法是，将不同等级的比特在不同的传输信道上面传输。

这种UEP-解决方法的缺点是复杂地管理比特分开和组合和为此需要管理费用。

我们作为例子分析AMR-编解码器的模式12.2千比特/秒。这种模式有三个比特等级：等级A(81比特)，等级B(103比特)和等级C(60比特)经过3个传输信道传输，然后首先将16CRC-比特(为了块差错识别)和随后将8尾部比特(如果这样安排，使用比率1/3，约束长度9的卷集编码)插入每个等级。在信道编码之后的整个编码比特为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，也就是说所有编码比特的216/948≈23％属于管理费用。但是如果将所有244比特用一个传输信道传输，于是管理费用为3×(16+8)＝72比特(这些比特对于UMTS数据传输是必要的)，也就是说是所有编码比特的72/804≈9％，其中804＝(244+16+8)×3。

因此以下任务是以本发明为基础的，规定了按照分类方式用比较少的保护费用(管理费用)和因此比较高的净信息密度的改进方法以及相应的装置。

本发明包括在信道编码步骤之前有目的地插入已知的比特的基本思路。将这些已知的比特-在后面也被称为虚拟比特，插入重要的信息比特附近，和(与已知的编码期限不同，在那里已知的比特组位于数据块的末端)用不确定期限的方法和特别是插入在信息比特的两边。信息比特愈重要，虚拟比特愈应该接近它和/或已知的比特愈多愈应该插入在它的附近。

有益的方法是通过将比较高比率编码插入预先知道的比特构成为比较低比率的编码。特别适合的是使用在系统编码上，在其中将被插入的预先知道的比特(虚拟比特)不在编码比特中一同传输。

与附加符号(Punktierung)有益的连接也是符合目的的，如果按照建议方法的应用将编码比特附加符号。

与建议的方法相连接可以将解码方法如同源控制信道进行解码的解码方法一样使用，在其中对于已知的比特将最大的(绝对的)先验知识(在Apri-VA算法中对数-可能性的无线电通信)设置在接收方。建议方法的重要优点是：

-易于实现。例外是使用先验知识的信道解码器(例如使用Apri-VA算法代替正常的VA(菲特比-算法)，信道编解码器的所有其他部分保持不变。因此一个UEP对于预先规定的传输结构(如3GPP)可以实现没有附加的变化。

-柔性化。容易将UEP与特殊的信息比特相匹配。

-省去特殊的管理费用。

对于上述例子(在UMTS时AMR编解码器12.2千比特/秒)可以将所有244比特借助于这里建议的方法在一个传输信道内传输。

当进行专门的不同差错保护时先决条件是将信息比特只分成两个等级-即比较重要的(重要的)和不太重要的(不太重要的)-在一个优异的结构中进行至少分为三个等级的细的分级，将各自多个连续的虚拟比特插入在比较重要信息比特的附近与之相联系和将一个虚拟比特插入在中等重要信息比特的附近。

在实施按照本发明方法的适合的装置中编码器包括用于将预先知道的数据比特(虚拟比特)插入在重要信息比特位置附近的手段。此外这种装置包括分等级装置用于将信息比特按照其重要性分等级，或者它至少与相应的分等级信号源，例如与外部的分等级装置的存储装置相连接。

为了将被接收的(卷集编码)比特流进行解码例如可以使用下面改进的菲特比-算法(VA)。卷集编码的格子图是由分支(状态过渡)和节点构成的，在其中多个分支可以组合成各个节点。一个节点代表卷集编码的一个记忆状态。对于比率为1/n的卷集编码和在确定的时间点上在格子图上有2^m+1分支到下一个时间点，如果没有将比特预先定义时。如果插入一个虚拟比特，于是只还有2^m分支是可能的。于是将正常的菲特比-解码器可以这样改进，只到达这个分支。用其他的话说，放弃不经过2^m分支的路径。可以将这种方法扩展到多个虚拟比特和其他的编码上。

在其中这样的系统包括一个过程控制用于控制相应的检查对于经过格子图上的多个路径被处理的数据比特流借助于虚拟比特的位置和数值以及包括一个决策单元，这是与比较单元连接的和依赖于各个比较结果作出放弃或者选择一个路径的决策。

在其他优异的实施结构中这样的整个系统包括一个源控制的信道解码器，将这个特别实现为Apri-菲特比-算法或MAP-算法。这样的系统包括一个数据库用于插入已知的比特的所谓的“L-值(对数-可能性-比例值)”。

建议的方法源对于信号，特别是语言信号差错保护的传输有特别实际的意义。因此特别适合于应用在移动无线系统中。

本发明的优点和适应性是从属权利要求以及后面的特殊实施例的说明和观点借助于附图得出的：

附图1在信道编码前的或者在相应的先验知识基础上信道解码前的数据比特流简图，

附图2BER依赖于AWGN-信道的VA-解码器的仿真简图，

附图3保护具有预先规定的虚拟比特的卷集编码的简图，

附图4AWGN-信道的RSC-编码的仿真图。

如在附图1上表示的，应该将比特u₃和u₄比u₈和u₉比较好地保护，将这些又比u₁，u₆和u₇，...比较好地保护。于是人们可以将两个已知的比特(“0”或“1”)插入u₃和u₄之间和一个已知的比特插入u₈和u₉之间。在解码方面应该利用这个先验知识，也就是说在u₃和u₄之间的两个比特是“0”和在u₈和u₉之间的比特是“1”。

将下面方法可以用于解码：

-例如在正常的VA情况下可以将这个先验知识利用在选择可能的路径上，也就是说将用其使已知的比特错误解码的路径放弃。这类似于给卷集编码确定期限。

-当使用Apri-VA或类似的算法时，例如MAP(最大后验概率)-解码算法，人们可以将已知的虚拟比特的先验-L-数值设置为允许的最大值(例如对于比特“0”L＝+∞和对于比特“1”L＝-∞)。对于信息比特u₁，u₂，u₃，u₄，...，如果不存在先验知识于是为L_i＝0(i＝1，2，...)。

-对于系统的信道编码例如递归系统卷集编码，将这个已经使用在GSM AMR-信道编码中和也使用作为涡旋编码的编码组成部分，人们可以将一个信息比特的先验L-数值首先加在相应的系统编码比特(＝信息比特)的信道软件上(也就是说信道解码器的软件输入值)和随后将得到的软件使用作为信道解码器的软件输入值。用这种方法可以将使用先验知识的信道解码器(例如Apri-VA算法)直接用传统的VA(没有改进)实现。

附图2表示了在一个AWGN(附近白高斯噪声)-信道上具有约束长度m+1＝5和比率1/3的卷集编码的仿真结果。块长度为200(比特0...比特199)。所使用的生成多项式为

          G₁＝1+D³+D⁴

          G₂＝1+D+D²+D⁴

          G₃＝1+D²+D³+D⁴，在其中编解码器有一个已知的开始状态和在数据块的端部用m尾部比特(4比特等于0在现在情况下)确定期限。

实线的曲线(用符号“+”)表示在使用正常的进行编码/进行解码(没有虚拟比特)情况下所有200信息比特的BER，和虚线的曲线(用符号“x”)表示BER，如果已知的虚拟比特是在比特位置9，11，15，49，89，90，129，130，131，169，170，171，172上(和此时使用Apri-VA)。可以知道，没有考虑虚拟比特，其BER＝0，直接接近虚拟比特的信息比特比离虚拟比特远的信息比特有一个比较低的BER。因此已经达到了一个UEP。不同的平行的曲线代表了信道条件(从上到下，信号噪声比S/N＝-5.0，-4.5，-4.0，-3.5，-3.0，-2.5，-2.0，-1.5，...)。

备注：

-应该注意的是，在数据块开始和末端的比特同样有一个低的BER。这个是卷集编码已知的开始状态和结束状态(如果限定期限)的一个序列。实际上这里建议的方法是建立在与编码期限类似原理基础上的。不同的是，人们在限定期限时将已知的比特只使用在数据块(一次)的末端，因为如果没有限定期限则在数据块末端的比特比其他的比特保护得非常坏。相反在我们的建议中将已知的比特一般来说多次使用在应该保护得比较好的比特的附近。

-通过使用附加的虚拟比特(也就是说插入多个兀余)将信息比特始终保护得比较好。不会产生性能的变坏。

-同样类似的是给卷集编码限定期限，虚拟比特的附加保护作用限于编码的影响长度。根据使用多少虚拟比特，保护区可以达到影响长度(m+1)的2至3倍。例如如果影响长度等于5，于是距离虚拟比特10-15比特的比特可以得到保护。

-对于正常的非系统卷集编码不应该将多于m比特先后使用作为虚拟比特(m＝编码记忆)，因为用m比特已经给编码限定期限，也就是说通过多于m比特将BER继续减少是不可能的。

附图3表示了对于具有m＝4的非系统卷集编码通过8个虚拟编码(4个在左边和4个在右边)将u₄最好地保护。

上面的说明适合于卷集编码，但是其原理可以使用在所有的编码上，对于这些在进行编码之后在先后排列的编码比特之间存在着相关(例如涡旋编码)。

建议的方法对于系统的信道编码(例如递归系统卷集/RSC编码)特别有吸引力和有效，因为将插入的同样虚拟比特(例如很多“0”)反映为编码字(作为系统的编码比特)和不必要进行传输。

应该将这个用一个例子说明：如果将比特a-b-c-0-d-0-e-f-g-...用比率为1/2的编码进行信道编码和传输，此时a-b-c-d-e-f-g是数据比特和将d通过插入两个0应该比较好地保护，于是被编码的比特(编码比特或编码字)在系统编码情况下有一个形状为aA-bB-cC-dD-eE-fF-gG-...。其中a，A，b，B...，为X∈{0，1}和一般来说X＝任意的(第一个X不一定等于第二个X)。因为第二个虚拟比特0在接收端是已知的，我们只需要传输比特aA-bB-cC-dD-eE-fF-gG-...。必要时人们可以在解码之前(用最高的可信度)将没有被传输的虚拟比特返回。这相当于比较低的等值的编码率。在非系统的编码情况下被编码的比特一般来说有一个形状为AA-BB-CC-XX-DD-XX-EE-FF-GG，将这些所有的必须/应该传输。

一般来说通过这种方法可以将具有比较低比率的所有编码(系统的或非系统的)用比较高比率的编码构成(见后面的例子)。因此是可能的，人们将这种方法与附加符号组合，通过附加符号可以将具有比较高比率的编码由具有比较低比率的编码生成，以便达到所希望的(任意的)编码率和/或最佳的性能。

例子：我们可以将比率为1/3的系统编码由比率为1/2的系统编码构成，即通过有规律地插入0：a-0-b-0-c-0-d-0-...。如果人们将这些比特用比率1/2编码进行编码，人们得到aA-0X-bB-0X-cC-0X-dD-0X-...。于是准备传输的比特是aA-X-bB-X-cC-X-dD-X-...。等值的编码率是1/3，因为比率1/3编码生成同样数目的编码比特，即aAX-bBX-cCX-dDX-...。类似的我们可以将等值的比率1/5(a-b-0-c-d-0-e...)，3/7(a-b-c-0-d-e-f-0-...)，...由比率为1/2的系统编码构成。在我们的仿真中已经显示出，一个这样构成的比率1/3编码几乎与最佳的比率1/3编码提供同样的性能。

以下的说明适合于附图4：m＝8，AWGN信道，RSC编码具有TS25.212V2.0.0(1999-06)的多项式，第三代伙伴项目(3GPP)；技术规范组(TSG)，无线电接入网络(RAN)；工作组1(WG1)，其中

-m8r2rscvach0.pro.-3＝比率为1/2的编码，信道E_s/N₀＝-3dB

-m8r3rscvach0.pro.-3＝比率为1/3的编码，信道E_s/N₀＝-3dB

-m8r2rscvach0_alp2.pro.-3＝等值的比率为1/3的编码，信道E_s/N₀＝-3dB(建议的方法)

-m8r2rscvach0_alp3.pro.-3＝等值的比率为2/5的编码，信道E_s/N₀＝-3dB(建议的方法)

-m8r2rscvach0_alp4.pro.-3＝等值的比率为3/7的编码，信道E_s/N₀＝-3dB(建议的方法)

-m8r2rscvach0_alp5.pro.-3＝等值的比率为4/9的编码，信道E_s/N₀＝-3dB(建议的方法)

本发明的实施不限于上述例子，而同样在很多变型中是可能的，这些是在专业的交易范围内。

Claims (15)

1.在数字的消息传输系统中为了减少比特差错率的数据比特流的差错保护方法，

其特征为，

在信道进行编码之前将很多预先已知的虚拟比特用不确定期限的方式插入在接近信息传输的比特的初始数据比特流的预先确定的比特位置上。

2.按照权利要求1的方法，

其特征为，

通过插入预先已知的虚拟比特由比较高比率的编码构成比较低比率的编码。

3.按照权利要求1或2的方法，

其特征为，

使用在一个系统编码上，在其中将编码比特上的虚拟比特不进行传输。

4.按照上述权利要求之一的方法，

其特征为，

随后将编码比特附加符号。

5.按照上述权利要求之一的方法，

其特征为，

将初始数据比特流的信息比特至少分成两个等级的重要性等级和将虚拟比特插入在信息携带的重要比特的附近。

6.按照上述权利要求之一的方法，

其特征为，

应用在移动无线系统中。

7.按照上述权利要求之一的方法，

其特征为，

应用于传输源信号，特别是语言信号。

8.按照权利要求4至7之一的方法，

其特征为，

应用在卷集编码中。

9.按照上述权利要求之一的方法，

其特征为，

由于被保护的数据比特流在接收方进行路径选择，特别是在菲特比算法范围内，在其中各自在虚拟比特的位置上检查被处理的与被保护的数据比特流的一致性和在不一致的情况下放弃相应的路径。

10.按照上述权利要求之一的方法，

其特征为，

被保护的数据比特流的解码作为源控制的信道解码，特别是借助于Apri-菲特比-算法或者MAP算法进行的。

11.按照权利要求9的方法，

其特征为，

对于系统的信道编码，特别是递归系统卷集编码，将信息比特的先验-L-值加在相应的系统编码比特的软件输入值上和然后借助于传统的菲特比算法进行解码。

12.执行按照上述权利要求之一方法的装置，

其特征为，

一个编码器具有将预先已知的数据比特插入在准备进行编码的初始数据比特流的预先确定的比特位置上的手段。

13.按照权利要求11的装置，

其特征为，

一个分等级装置用于将初始数据比特流的信息比特的重要性分等级，其输出端是与用于控制插入预先已知的数据比特的手段相连接的。

14.按照权利要求11或12的装置，

其特征为，

为了信息比特进行解码，特别是借助于菲特比算法，安排了过程控制单元用于控制检查被接收的数据比特流的多个路径，

安排了比较单元借助于虚拟比特的位置和数值检查经过多个路径被处理的数据比特流，和

安排了与比较单元输出端连接的决策单元用于在比较结果基础上放弃或允许属于各个被检查数据比特流的路径。

15.按照权利要求11至13之一的装置，

其特征为，

一个源控制的信道解码器，特别是用于实施Apri-菲特比算法或MAP算法。

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