专利名称：扩展的卷积码的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于通常通信的差错控制编码领域，包括但不局限于有线线路、无线、卫星、广播等，和诸如光和磁之类的存储装置领域，以及许多其它领域。在一个特定方面，本发明涉及设计用于无线网络的设备和方法。本发明尤其涉及用于调制和编码以便保护数据来增加传输系统的覆盖范围的技术。
实际上在所有类型的数据传输中，编码通常用来增加效率并且提供错误检验/错误控制。
卷积编码是错误控制类型编码的特殊情况。对卷积编码的快速回顾揭示了与块编码器相对比，卷积编码器具有存储器，其中所述块编码器是不具有存储器的设备，其使用固定长度的信息块。换句话说，在卷积编码中所执行的错误编码不仅取决于当前所提供的一组输入符号(symbol)，而且考虑了先前使用并存储的一些输入符号。所使用的过去信息比特的数目被称作约束长度。过去信息的比特越多(即用于表示约束长度的数目值越高)，编码越高效。然而，随着约束长度的比特数目的增加，操作所需要的解码器也确实变得更为复杂。卷积编码允许固定数目的消息符号并且允许输出固定数目的编码符号。
卷积编码器典型情况下包括模-2的加法器和一个或多个延迟元件。
图1a是这种编码器的一个例子。存在三个存储寄存器102、104和106。存在第一输入比特Ui 108和三个输出比特(来自模加法器110、112和114的v1、v2和v3)。当输出比特的数目n＝3并且输入比特的数目k＝1(Ui 108)并且存储寄存器的数目m＝3(102，104，106)时，(n，k，m)参数是(3，1，3)。因而k/n比率(输入/输出)是1/3编码率。这意味着每一个输入比特被编码为三个输出比特。最后，约束长度(L)是2(作为U0和U-1)，其也由阴影来标识，保持过去的信息比特。因而约束长度＝2L，并且在这种情况下等于四(22)。当输入是一比特(k＝1)时，诸如1/3、1/4、1/5、1/9之类的编码率有时可以被称作母代码。可以组合这种单比特代码以生成收缩码(puncturedcode)。收缩码是具有不同于1/n的编码率的那些代码。
图1b图示了借助Shu Lin的差错控制编码的一个例子。所示出的编码器101取k比特的输入信息序列U 103并且生成n比特序列，所述n比特序列为代码字v 105。每个编码序列v不仅取决于当前输入的相应信息u，而且取决于m-1个先前的消息块(当卷积编码器具有/访问存储器时)。从而，编码器具有约束长度m。另外，k输入、n输出的编码器还被称为比率k/n编码器，或k乘n矩阵。
例如，利用以下比特值以致在图1中所示出的1338(用二进制为1011 011)和1718(用二进制为1 110 001)描绘了具有产生器1338和1718并且具有约束长度7(在图1b中所示)的1/2比率编码器。用于表示1338和1718的二进制数在图1中被示为分别布置在寄存器存储器框107以上和以下。两个二进制值可以分别被认为是编码器的第一输出和第二输出。
编码由许多协议使用，包括但不局限于已经变得非常流行的无线传输的IEEE 802.11标准。
然而，仍然需要改进卷积编码，特别是供有线线路传输、卫星、广播、光及其它类型传输使用的卷积编码。另外，例如，在Philips的N.A.公开779763/4中公开了新的“超帧”，其包括多个分组，但是向后兼容以便允许继续使用现有的传统设备。由于存在许多先前为不同比率所公布的标准代码，所以这些新的超帧以及新系统由于向后兼容的需要而无法采用全新的代码。
本要求的发明提供了一种用于提供扩展卷积码的方法、系统和设备，其中具有一个或多个更高比率的新代码在收缩之后会向后兼容，这是因为它是从现有代码扩展而来。给定以较高比率操作的产生器，新的代码带来最小的比特差错率。另外，在本发明的一个方面，在物理层中提供了为无线环境定制的一系列服务以便增加覆盖范围。例如，使多个并发服务能够用于诸如同时发送视频内容和遥控信息之类的情况，这可以充分利用所扩展的卷积码的优点以便扩展它们的无线系统覆盖范围。
图1a和1b提供了卷积编码器的例图。
图2提供了依照本发明的方法的流程图概观。
图3是用于不同卷积编码器的比较的比特差错率(BER)的图形说明。
图4是用于提供关于依照本发明系统的一个可能配置的细节的插图。
本领域普通技术人员应当理解以下描述仅供用来说明目的而并非用于限制目的。技术人员认识到在本发明的精神和所附权利要求的范围内还存在许多变化。可以从当前描述中省略已知功能和操作的不必要细节以免模糊本发明的改进点。
关于本发明，依照至少与在以下流程图中所论述的那些步骤类似的步骤，扩展卷积码，迄今为止这是未知的。例如，1/2比率具有2个产生器，并且1/4具有4个产生器。依照本发明，例如可以把代码从2个产生器扩展到4个产生器(或更多，例如从2个产生器到50个)。要强调的是本发明不局限于两个产生器到四个产生器的扩展，而且覆盖了任何数目到任何更大数目的扩展。
为了进一步的解释目的，图2提供了用于图示本发明可以操作的一种方式的流程图，并且为了更紧密地遵循该方法，表1提供了来自模拟的数据以便依照本发明来扩展代码。因而，所述方法始于具有约束长度m＝7的1/2卷积码比率(convolutional code rate CCR)(133，171)，其被扩展以便得到具有1/4CCR(133，171，xxx，xxx)的新卷积码CC。卷积码比率指的是在固定长度编码上实现的数据压缩。另外，表1包括一列所有发现的代码，表1包括在与在索引85的已知系统的最优代码(135，135，147，164)相比较是最佳扩展的卷积码(133，171，135，175)的SNR＝0分贝时的BER性能。
BER@SNR错误计数例如在BER6.40e-5@104的情况下意指模拟已经收集了104个错误并且示出了6.4e-5的比特差错率。
表1.模拟结果
在步骤210，发现具有最大-最小间隙的一组代码(组A)。换句话说，例如，算法通过遍历所有可能的组合来搜索具有产生器(133，171)的所有代码的间隙，并且该算法并非是灾难性的。从每个代码的所有间隙之中，为每个代码发现最小的间隙dmin，free。
上述表1示出了具有最大dmin，free＝20的119个代码。间隙表示代码的纠错能力。最大最小间隙是在任何具有相同比特数的两个代码字序列之间的最小距离。因而，在此特定情况中，发现具有间隙为20的119个代码。
在步骤220，从(组A)发现一组代码(A的子集)，它们在间隙20处具有最小路径数。在此特定情况中，发现具有总数为16条路径的6个代码，如在索引号1-6所示并且穿过具有“20”距离的列，每个索引号在20个自由路径的间隙量中均具有量16。通过从7到11查看轨迹长度来进一步分析量16，并且证实它们都具有相同的特性0、1、3、5、7。应当注意，轨迹长度等价于输入的数目。换句话说，对于7个输入比特来说不存在具有d_free＝20的输出序列；对于8个输入比特来说存在具有d_free＝20的1个序列，并且对于9个输入比特来说存在具有d_free＝20的3个序列等。
在步骤230，选择在间隙21、22、23具有最小路径数目的代码。由于所有6个代码具有相同的数目16，所以我们比较下一个——21。代码1和2只具有22，而代码3-6具有24。选择等效的代码1、2。在此特定的例子中，(133，171，135，175)的选择被认为是以1/4比率所扩展的卷积码(133，171)的最佳候选。
在步骤240(由于其是可选的所以在图2中未示出)，以1/3比率来验证代码的性能。对于1/3比率我们经历同样的步骤，并且在这种情况下，如在表2的工作单中用黑体字所示，(133，171，135)正巧是具有已知最好间隙15的最佳代码。
表2
因而，对于该特定例子来说，从步骤210-240中，可以得出结论对1/2、m-7、(133，171)的母编码比率来说，最佳的1/4扩展卷积码是(133，171，135，175)，并且从1/4代码所收缩的最佳1/3代码是(133，171，135)。
图3依照本发明提供了用于比较在1/2错误率301、标准的1/4比率305和最优扩展的1/4比率307的CC的图形说明。该图表示出了在0分贝时，最优扩展1/4比率307的错误率显著地小于前面示出的标准的1/4和1/2比率。所使用的比率是Eb/No，并且在0分贝时特别示出了该图上的三项的比较，对于在0分贝时的最优扩展1/4比率来说BER是比所示出的标准1/4比率或1/2比率小得多的数目。
图4提供了依照本发明的扩展卷积编码系统和设备的图示。在此特定情况中，存在在无线网络协议401下运行的无线网络。它可以在802.11、蓝牙、ATM等下运行，或者尽管在此图示中未示出，所述网络可以是诸如在802.3下的硬接线。在所述网络中，服务器典型情况下使用分组或帧往返于客户端410、415和420进行发送405。这些分组或帧可以是常规的标准化分组，或者为具有大约16个分组的新超帧，如先前在说明书中所提及的Philips公开物779763/4中所公开。服务器和客户端相互都通信，或者在它们的部件内具有各自的编码器/解码器模块405、406、407和419。所述部件会允许在发送帧/分组或超帧、调制和编码(优选前向纠错)之前使用卷积编码和解码。
参考模块405a正好是这种卷积编码器/解码器模次的框表示。另一方面，参考405b是扩展的卷积编码器/解码器模块的表示。所述扩展的卷积编码器/解码器可以具有附加存储寄存器、模加法器等。无论如何，如在可以扩展卷积码的一种方式的例子中所论述，例如母编码率1/2(133，171)和约束长度7可以被扩展为具有(133，171，135，175)的新比率1/4 CC。换句话说，代替每个输入两个比特，扩展编码可以提供每个输入4个比特，或者从1/4代码而收缩的1/3比率是(133，171，135)，因而彻底地改进了在预定的SNR值(典型情况下为0分贝)时的比特差错率性能。
在不脱离本发明精神或所附权利要求范围的情况下本领域普通技术人员可以对上述发明进行各种修改。例如，扩展卷积编码决不限于1/2和1/4比率，因为其可以用于彻底偏离诸如1/2和1/4比率值的许多其它比率，(例如可以是1/85、7/68等)，所述其它比率包括那些并非是母编码率并且具有除了未收缩的一个输入之外的某些东西的比率。
权利要求
1.一种扩展的卷积编码器设备，包括卷积编码器模块，包括一个或多个存储寄存器、至少一个加法器和延迟元件；和扩展的卷积编码器模块，适合于接收卷积码并且通过增加每个输入的编码比特数目来扩展所述卷积码以便提高错误纠正。
2.如权利要求1所述的扩展的卷积编码器，还包括其中所述至少一个加法器包括模-2加法器；并且所述扩展的卷积编码器模块包括用于根据从所述卷积编码器模块所接收的卷积码来执行对扩展的卷积码的选择的代码。
3.如权利要求2所述的扩展的卷积编码器，还包括用于把卷积码编码为一个或多个帧以便发送的编码器；发送/接收部件，用于经由天线无线传输卷积编码的数据。
4.一种具有扩展的卷积编码器/解码器的无线系统，包括无线网络；具有扩展的卷积编码/解码模块的服务器，一个或多个客户端，至少一个客户端适合于扩展的卷积编码/解码；和无线传输装置，用于使所述服务器和一个或多个客户端经由所述无线网络进行通信。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述无线网络包括IEEE 802.11无线网络。
6.如权利要求4所述的系统，其中所述无线网络包括蓝牙网络。
7.如权利要求4所述的系统，其中所述无线网络包括卫星网络。
8.如权利要求4所述的系统，其中所述无线网络包括广播网络。
9.如权利要求4所述的系统，其中所述服务器和至少一个客户端使用扩展的卷积编码/解码来发送一个或多个分组/帧。
10.如权利要求4所述的系统，其中所述服务器和至少一个客户端发送包括至少16个分组的超帧。
11.如权利要求5所述的系统，其中所述服务器和至少一个客户端发送包括至少16个分组的超帧。
12.一种用于依照以下步骤在计算机可读介质上提供扩展的卷积编码的计算机程序(a)用于从在确定范围内具有最大-最小间隙的数据库中获取一组代码的代码；(b)用于从在步骤(a)的组中选择在最大-最小间隙具有最小路径数目的代码子集的代码；和(c)用于通过从在增加的间隙具有最小路径数目的代码子集中选择具有确定比率的代码来寻找扩展的卷积码以便提供最佳候选的代码。
13.如权利要求12所述的计算机程序，还包括(d)用于以高于确定比率的扩展编码率来验证在步骤(c)所发现的扩展代码性能的代码。
14.如权利要求13所述的计算机程序，还包括(e)用于如果在步骤(d)所验证的性能没有到达确定阈值那么重复步骤(a)-(c)的代码；和(f)用于如果所验证的性能满足所述阈值那么向编码器提供所扩展的卷积码并且编码一个或多个帧/分组的代码。
15.一种用于扩展卷积码的方法，包括步骤(a)从在确定范围内具有最大-最小间隙的数据库中获取一组代码；(b)从在步骤(a)的组中选择在最大-最小间隙具有最小路径数目的代码子集；并且(c)通过从在增加的间隙具有最小路径数目的代码子集中选择具有确定比率的代码来寻找扩展的卷积码以便提供最佳候选。
16.如权利要求15所述的方法，还包括(d)以高于确定比率的扩展编码率来验证在步骤(c)所发现的扩展代码的性能。
17.如权利要求16所述的方法，还包括(e)如果在步骤(d)所验证的性能没有到达确定阈值，那么重复步骤(a)-(c)；并且(f)如果所验证的性能满足所述阈值，那么向编码器提供所扩展的卷积码并且编码一个或多个帧/分组。
18.如权利要求15所述的方法，还包括(d)使用在步骤(c)所发现的扩展代码来编码一个或多个数据帧。
19.如权利要求15所述的方法，其中代码子集包括母代码。
20.如权利要求17所述的方法，其中在步骤(f)所编码的帧/分组包括其中具有至少16个分组的超帧。
21.如权利要求17所述的方法，其中所述阈值包括比特差错率与信噪比的比率，其中所述信噪比被表示为Eb/No。
22.如权利要求17所述的方法，其中一个或多个帧/分组依照IEEE802.11协议来编码。
23.如权利要求17所述的方法，其中一个或多个帧/分组依照IEEE802.11协议来编码。
24.如权利要求17所述的方法，还包括(g)经由无线网络向无线设备发送所编码的一个或多个帧/分组；(h)所述无线设备把所编码的一个或多个帧/分组解码为依照它们原始协议的帧/分组。
全文摘要
一种用于通过为在无线传输中所使用的分组/帧或超帧提供扩展的卷积编码来提供提高的前向纠错的系统和方法。其中具有扩展的卷积编码器/解码器的无线系统包括无线网络；具有扩展的卷积编码/解码模块的服务器；一个或多个客户端，至少一个客户端适合于扩展的卷积编码/解码；和无线传输部件，用于使所述服务器和一个或多个客户端经由所述无线网络进行通信。一种用于提供扩展的卷积编码的方法包括步骤(a)用于从在确定范围内具有最大－最小间隙的数据库中获取一组代码；(b)从在步骤(a)的组中选择在最大－最小间隙具有最小路径数目的代码子集；并且(c)通过从在增加的间隙具有最小路径数目的代码子集中选择具有确定比率的代码来寻找扩展的卷积码以便提供最佳候选。可以在编码并使用所扩展的卷积码比率之前验证所扩展代码的性能。
文档编号H04L1/00GK1961516SQ200580017107
公开日2007年5月9日 申请日期2005年5月25日 优先权日2004年5月28日
发明者P·C·李 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司