专利名称：用于提高通信信道中通过量的差错恢复方法
技术领域：
本发明一般涉及用于通过通信信道传送的信息的差错恢复的方法，并具体涉及用于提高通过量的差错恢复方法。
通信系统包括通过通信信道传送(即，发射与接收)信息的设备。通信信道以公知方式利用诸如光纤电缆、同轴电缆、铜线对、空气及其任何组合的各种类型的媒介来实施。许多通信系统传送诸如信息比特组或有时称为帧的码元的信息。在任何一个通信系统中，通信信道具有使差错出现在正在传送的信息中的失真影响。失真影响是存在于通信信道中的公知异常，失真影响的示例是多路径失真、幅度失真、相位抖动和频率变化。许多通信系统作为其协议的一部分包括差错恢复技术，检测差错的出现并使确定为错误的任何一个信息块重发。协议是定义如何在通信系统的用户之间和/或在通信系统的设备之间开始、保持与结束通信的一组规则。协议通常是许多通信系统遵守的良好建立的标准。
由于差错恢复技术要求错误信息块的检测和这些信息块的重发，所以尤其对于具有不利地影响相当高百分比的信息块的差信道的通信系统，通信系统的通过量受到不利的影响。
通过量定义为某一时间周期成功传送的信息量(即，无差错的信息块)。通过量是通信信道效率的测量。例如，对于某一时间周期，发射15个信息块并实际成功地传送15个信息块之中12个信息块，由于其余3个信息块随后得重发，所以导致恶化的通过量。
错误信息块的检测及其重发是一般由通信系统使用的差错恢复程序的一部分。参见
图1，示出包括网络设备100与用户设备106的无线通信系统的一部分。对于无线通信系统，用户设备通常称为移动站。网络设备100包括均通过通信链路110耦合到处理器112的发射机101、接收机103。网络设备100与其他网络设备(未示出)由业务提供者(组成此通信系统的所有网络设备的拥有者)拥有、操作与控制。对于无线通信系统，网络设备100通常称为基站。用户设备106包括发射机107、接收机109和处理器111，这些装置都利用通信链路113耦合到用户装置(例如，膝上计算机、蜂窝电话机、传真机)108。可选择地，装置108能嵌入设备106中。设备106时常称为移动无线电设备，但设备106也能代表固定设备。网络设备100一般以射频(RF)信号的形式通过通信信道102(也称为正向链路)发射通信信号给用户设备106。网络设备100通过通信信道104(也称为反向链路)从用户设备106中接收通信信号(一般为RF信号)。
诸如上述的通信系统所采用的差错恢复技术表示在图1与图2中。用于实施差错恢复程序的标准方法是下面描述的公知的自动重发请求(ARQ)。
一般使用称为协议栈的分层结构来实施有关信息的发射和/或接收的协议部分。协议栈是网络与用户设备的符号表示，其中由这样的设备执行的功能表示为相互层叠的层。为了本发明，将讨论最底下的两层。通常称为物理层的最低层管理信息单元(例如，比特)的处理与互连网络和/或用户设备的硬件(例如，线路、电缆、硬件接口)的控制。紧挨着最低层的链路层涉及信息块的操作和/或处理；一般根据公知的程序与协议进行此操作与处理。因此，利用多个层来实施差错恢复技术。
图1A表示用于符合公知的CDMA系统的IS-95标准的通信系统的网络设备100的发射机101与用户设备106的接收机109的堆栈的下面两层(称为物理层与链路层)。对于这样的一个系统，信息作为称为帧的信息块进行传送。在此堆栈的不同层上执行此处理时，由发射机101发射的信息从上层向下流动并最终流动到物理层101a。当要发射的信息从上层传送到链路层101b时，链路层101b将此信息划分为块、给每一个块分配顺序号并(与顺序号一起)将得到的信息块传送给物理层101a。顺序号只是信息块合适排序的指示符。物理层101a执行正确的功能来准备用于发射的信息并使此信息通过正向链路102进行发射。用于准备要发射的信息的一个公知方法是给这样的信息加上正向纠错码(FEC)。这样的代码给此信息加上冗余数据，以使这样的信息能更好地抵抗正向链路102的失真影响。
在接收机109上，发射的信息首先进入物理层109a。此信息在接收机109上向上流动并在此信息从一层传送到下一较高层时进行处理。加到发射信息上的冗余数据由物理层109a用于纠正由于正向链路102的失真影响而引起的错误。物理层109a使用公知的解码程序来解码接收的信息。物理层109a随后执行CRC程序来确定接收信息的完整性是否使此信息必须重发。如果接收的信息通过CRC程序，则将接收的信息传送给链路层109b；否则，不再处理接收的信息并丢弃此信息。
链路层109b使用接收信息的顺序号来确定何时需要重发。具体地，链路层109b使用它从物理层109a接收的帧的顺序号来识别帧的丢失(即，由于CRC失败而丢弃的帧)并请求其重发。对于新的帧，如果具有较高顺序号的新帧到达，则检测到丢失。例如，如果接收机从链路层109b接收到帧1-7并随后接收编号为10的帧，则检测到丢失帧8与9。接收机109然后发送表示发送的最后的信息块是错误的并请求重发此信息(帧8与9)的否定确认(NAK)消息。对于重发的帧，如果由于发送NAK而接收的新帧的数量超过门限，则检测到丢失。因而，对于新帧，利用上述的示例继续，如果在已接收到一定数量或(由网络提供者定义的)门限数量的新帧之后未接收到重发的帧8与9，则此系统得到结论重发的信息块丢失。此门限一般具有往返时间(即，发射、接收并处理一帧以及发回、接收并处理响应帧所花费的时间)的数量级大小。注意因为此差错恢复方案基于在链路层上正确接收的新帧，所以在相对大数量的帧丢失时帧丢失检测时间(即，确定帧丢失出现所花费的时间)能相对长。在许多情况中相对长的帧丢失检测时间在较高层上触发超时；这些超时一般由较高协议层用作网络中拥塞的指示并因此导致其降低源上的传输速率，这导致较低的系统通过量。
参见图2，示出由图1所示的通信系统使用的ARQ差错恢复程序。为便于解释，此通信系统又是码分多址(CDMA)无线通信系统，其中以帧的形式传送信息，所有的帧在定义的时间上进行发射并基本上具有相同的长度。帧200、202、204、206、208、210、212等由发射机101在正向链路102上进行发射，帧201、203、205、207、209、211等由发射机107在反向链路104上进行发射。
应注意反向链路中的帧长度不必与正向链路中的帧相同。还应注意反向链路中的帧能在时间上与正向链路中的帧对准(即，同步)。当反向链路中的帧长度不同于正向链路中的帧长度时，具有驻留在帧中的信息的一对一映射来保证以正确的顺序接收此信息的所有部分。发射机101在时间t0开始发射帧200，而发射机107在时间t1开始发射帧201。显然在某一点上两个发射机(TX107与TX101)同时在发射。在表示为在是帧203的发射开始的时间的时间t2之前出现的时间t0全部接收帧200。应注意t0也能在时间t2之后出现。
在接收发射的信息(例如，由接收机109接收帧200并由接收机103接收帧201)时，每个相应站址上的处理设备执行合适的处理与解码来检索此信息。从用户设备106的观点出发采用ARQ差错恢复程序，利用接收机109接收帧200，在时间t0’+TA利用PROC 111解码与处理此帧，其中TA是在利用PROC 111的帧200的处理期间所占用的时间量。此解码与处理包括利用图1A的链路层109b执行的检错技术。如果帧200有错误，则用户设备106根据差错恢复程序通过发射否定确认(NAK)消息(即，帧207)(即，TX 107发射NAK消息)来将这样的现象通知网络设备100。
应注意用户设备106最好能将帧200在时间t4(即，在是帧207的下一个个可利用帧的开头)由于帧时间205用于处理帧202而是坏的通知网络设备100。在表示为在时间t5之前出现但也能在时间t5之后出现的时间t4完成帧207的接收，t5是TX 107开始发射帧209的时间。在传播延迟与处理延迟之后，网络设备100在时间t4’+TB接收与解码NAK帧；TB是在帧207的处理期间占用的时间量。
根据ARQ差错恢复程序，网络设备100利用帧210(原始在帧200中)重发此信息。因此，在原始发射帧200之后，此程序允许在五帧之后重发此帧(即，帧200)。而且，上述情况是最佳情形，其中发射机能在紧接着的下一个可利用帧上发射NAK或ACK消息。在许多情况中，下一个可利用帧在许多帧时间加上重发中的另外延迟之后出现。诸如图1所示的网络设备也由于处理器112例如未与发射机101和接收机103在一起而多次经历大量的处理延迟，从而使延迟作为在通信链路110(通常称为回程信道)上传送的信号的结果出现。处理延迟也仅仅由于处理输入帧所花费的时间长度而出现；这样的处理延迟出现在网络设备与用户设备上。对于必须得重发的帧，检测与重发延迟可能比新帧的延迟更严重。
因此所需要的是减少重发错误的信息块(例如，坏帧)所花费的时间量的一种差错恢复技术，从而提高正用于传送信息的通信信道的通过量。
本发明提供用于在通信系统的通信信道中传送的信息的差错恢复的一种方法。包括发射机、接收机与处理设备的网络设备或用户设备一般根据此通信系统所遵循的协议接收信息。所发射的信息包含表示先前由设备接收的信息是否是错误的和是否必须重发这样的信息的反馈。
由网络设备通过正向链路发射的帧例如包含将发射给移动站的较高层数据以及有关最近由基站解码的帧的解码状态数据或反馈。此反馈将发射机较早发射的第N个帧前的那一帧是否由接收机正确地进行解码表示给此发射机。注意此发射机需要准确知道N，以便此发射机能解释它接收的反馈。N是能在此通信系统所遵循的协议中规定的或能自适应地由此发射机(利用公知的自适应算法)知道的传播与处理延迟的函数。如果此反馈表示未正确接收前一帧，则此设备重发那个前一帧。此设备随后解码其余的接收信息并对接收的信息执行检错操作(例如，CRC操作)。根据检错操作的结果，此设备将解码状态数据(即，数据穿孔(data puncture))插入当前正由此设备发射的信息中或插入将由此设备发射的下一个信息块中。此解码状态数据表示接收的信息是正确的还是错误的和是否要重发。由于此设备能生成接收信息的重发请求并发射那个请求而不必等待下一个可利用的信息块，所以减少在重发接收信息时出现的延迟，从而显著提高用于传送信息的通信信道的通过量。而且，在物理层上发射与处理反馈信息，与当前的链路层差错恢复程序相比，这进一步减少检测延迟。
因此，本发明提供用于提高通信系统的通过量的一种方法，此通信系统包括用于等待输入信息的设备，此信息包括反馈。此设备接收输入信息并从接收的信息中提取反馈，处理此反馈以确定是否具有请求重发先前由此设备发射的信息的指示。如果有的话，由此设备重发此前一信息。此设备随后对接收的信息执行检错操作，以确定接收的信息是否是错误的。根据检错操作的结果，此设备将解码状态数据插入当前正由此设备发射的信息中(即，执行数据穿孔操作)，此解码状态数据表示接收的信息是否是错误的和是否要重发。
图1表示无线通信系统的一部分；图1A表示网络与用户设备的符号表示；图2表示如何在使用标准差错恢复技术的通信系统的正向与反向链路上传送帧；图3表示本发明如何应用于其中以信息块的形式传送信息的通信系统；图4表示本发明的方法。
参见图4，示出将结合图1与3从用户设备106的观点出发进行描述的本发明的方法。用户设备106的RX 109在正向链路102上接收信息块300。网络设备100在时间τ0开始发射信息块300。在时间τ1用户设备106开始发射帧301。接收的信息块300包含由PROC 111提取的反馈或纠错数据，以确定是否将重发由用户设备106发射的任何前一信息。PROC 111处理信息块300(即，执行检错操作)，以检测接收的信息块300是否是错误的。根据PROC 111的处理，将合适的解码状态数据插入当前正由用户设备106发射的信息中，减少重发信息块300所花费的时间，从而提高正向链路102的通过量。解码状态数据插入到正在发射的信息中称为数据穿孔。此解码状态数据解释为接收正发射的信息的设备的反馈。
为便于解释，本发明的方法描述为符合是公知的IS-707标准一部分的无线电链路协议(RLP)的CDMA无线通信系统的一部分。将易于明白本发明的方法应用于诸如时分多址(TDMA)系统的其他类型的无线通信系统。本发明也应用于诸如混合光纤同轴(HFC)系统的有线通信系统或诸如公知的公用交换电话系统的铜线电话系统或使用FEC技术的同步光网络(SONET)系统。在步骤400，用户设备106并具体为RX 109与PROC 111监视正向链路102，等待任何输入信号。根据此通信系统所遵循的协议完成正向链路102的监视。在步骤402，RX 109接收由TX 101发射的信息块300。用户设备106传送信息块300给PROC 111，此PROC 111处理此信息块，包括解码此信息。信息块300包含例如在两个用户之间或在用户与网络设备之间传送的信息。信息块300根据本发明还包括反馈。反馈或纠错数据定义为编码来表示先前由设备发射的信息是否是错误的信息。前一信息不必是发射的最新的信息块，而一般能是先前发射的N个信息块的信息，其中N是等于或大于1的整数。对于所讨论的示例，由用户设备106接收的反馈表示先前由TX 107发射的信息块(先前N个信息块或先前1个信息块之前的那个信息块)是否是错误的。以比特、比特串的形式或以任何其他公知方式来表示纠错数据或反馈。
在步骤404中，PROC 111从信息块300中提取反馈。反馈的提取包括从接收的信息块内的定义位置中除去此信息的一部分。特别地，在信息块300中定义的位置上，提取此信息块的一部分，所提取的部分能是代表反馈的比特、比特串或数据块。例如，能利用接受的标准来定义反馈在接收的信息块内的位置。例如，对于CDMA无线通信系统，纠错数据位于预留给控制信息(即，利用用于操作与控制网络设备的接受标准定义的信息)的帧的某一部分中。
在步骤406，由PROC 111执行反馈的解码，此PROC 111随后确定解码的反馈是否表示用户设备106将在反向链路104上重发它发射的最后的信息块(或先前的N个信息块)。如果此反馈表示错误出现在由用户设备106发射的最后的信息块(或先前的N个信息块)中，在步骤408中(从PROC 111至TX 107)报告与确认这样的错误并确实在合适的时间上重发用户设备106所发射的最后的信息块(或先前发射的N个信息块)。特别地，PROC 111使TX 107重发由用户设备106发射的最后的信息块(即，信息块301)或先前发射的N个信息块。
不管是否有重发请求，本发明的方法移到步骤410，在步骤401用户设备106对接收的信息块执行检错操作；即，PROC 111对接收的信息块300执行检错操作。注意用户设备106在时间τ0’完全接收信息块300。虽然τ0’表示为在τ2(即，帧303的发射开始)之前出现，但它也能在时间τ2之后或在时间τ2出现。检错操作是公知的检测技术，其结果由通信设备用于在接收的信息经历通信信道的失真影响之后确定这样的信息的完整性。一个公知的检错技术称为循环冗余校验(CRC)。在时间τ2+TA’，PROC 111已提取反馈并已对接收的信息块执行检错操作。也在时间τ2+TA’，TX 107正在发射帧303。TA’代表用户设备106(即，PROC 111)处理(即，解码与执行检错操作)信息块300所花费的时间。
在步骤412，PROC 111根据在步骤410中执行的检错操作的结果确定接收的信息块是否是错误的。如果PROC 111确定接收的信息块是错误的，本发明的方法移到步骤414，在步骤414中PROC 111对信息块303执行数据穿孔操作。数据穿孔操作是将解码状态数据插入到当前正在发射的信息块或将要发射的下一个信息块中。特别地，PROC 111将解码状态数据插入到信息块303，此解码状态数据编码为由网络设备100解释为网络设备100重发信息块300的请求。此解码状态数据表示接收的信息是否是错误的。此解码状态数据在帧(或信息块)内的位置特别地例如利用接受的标准来预留与定义。解码状态数据的插入也能基于确定这样的数据在正在发射的帧内的实际位置的算法。因而，此解码状态数据不必在每次执行数据穿孔操作时插入在相同的位置中。一些通信系统将数据穿孔操作用于诸如功率控制的其他目的。在这样的系统中，本发明的方法能将现有穿孔程序的一部分重新定义为利用已使用数据穿孔的系统结构。应注意此解码状态数据由网络设备100解释为反馈。因此，网络设备100接收信息块303、解码信息块303、提取与解码反馈并重发信息块304中(原始在帧300中)的信息(如果解码的反馈如此请求的话)。为了显著减少在穿孔的数据自身中出现错误的概率，所插入的数据(即，解码状态数据)例如以高于其余信息的功率电平进行发射，或另一可能的技术是将此数据插入在多个位置上。因此，与图3-图1相比，清楚地明白本发明的方法允许利用一个信息块延迟来重发错误的信息块(替代在5个或多个信息块延迟之后)，显著提高通信信道(例如，图1的正向链路102、反向链路104)的通过量，并从而提高通信系统的通过量。如果接收的信息块300确定为不是错误的，则本发明移到步骤416，在步骤416中PROC 111将表示接收的信息不是错误的“无错误(clear)”解码状态数据插入在信息块303中。将解码的信息传送给用户装置108(例如，膝上计算机、蜂窝电话机、传真机)，而且本发明的方法返回到步骤400并等待下一输入信息块。
权利要求
1.用于提高通信系统通过量的一种差错恢复方法，此方法包括接收包括信息的信号；其特征在于以下步骤根据接收信号的信息对正由此通信系统发射的信息执行数据穿孔(data puncture)操作。
全文摘要
一种方法,用于通过减少重发确定为错误的信息所花费的时间量来提高通信系统的通过量。由设备接收的信息进行解码并应用检错技术。此设备对当前正在发射的接收信息执行数据穿孔操作,以请求这样的接收信息的重发。
文档编号H04L29/02GK1275007SQ00108969
公开日2000年11月29日 申请日期2000年5月24日 优先权日1999年5月25日
发明者约瑟夫·E·克劳迪尔, 道格拉斯·N·克奈瑟里, 萨拉斯·库马, 萨耶夫·南达 申请人:朗迅科技公司