用两个分组码纠错 发明背景
近几年，对有效而可靠的数字通信系统的需求日益增长。数字信息的传输受到通信信道的不良影响，例如噪声、失真和衰落。这些影响对所发射的数据流引入了误码，称为信道误码。接收二进制序列中的误码率是无线通信链路中的一个最重要的设计参数。
1948年，Claude E.Shannon在其里程碑式的论文中表明，通过对数字信息正确编码，噪声信道引入的误码可以降低到任何所需的水平，同时不牺牲信息传输速率。从那时起，大量研究致力于开发有效的噪声信道差错控制的编码和解码方法。这些开发现在已经达到可靠的数字无线通信系统是可能的程度。现在使用差错控制编码成为现代数字无线通信系统设计的一个组成部分。
在GSM中，存在无数的编码方案，保护通过RF信道传输的数据。不同的编码方案用于不同的逻辑信道。例如，用于发射话音消息的业务信道比用于发射用户数据的业务信道需要较少的保护。因此，语音信道通常使用高速率码。用于发射信令数据的控制信道需要更高的保护，要求较低的码率。较低的码率增加了编码开销而且增加了对带宽的要求。因此，希望开发更有效地码，可以以最少的编码开销增加得到所需程度的差错保护。
对于很多控制信道，数据在两个步骤中进行信道编码。信令数据在卷积编码之前进行分组编码。因此卷积编码使要发射的比特数加倍。尽管这种两步骤编码方案在发射长序列的控制信道中工作比较有效，但是对于只发射短序列的随机接入信道(RACH)这样的控制信道则不太理想。对短数据序列使用卷积码不太有效。分组码一般比卷积码具有更好的汉明距离。此外，通常使用的循环码不允许软解码，因此解码器的输入是硬限幅的。
发明内容
本发明是用于无线通信系统中差错控制的检纠错系统。该检纠错系统对于短数据序列的差错保护特别有用。检错和控制系统包括在发送之前对数字信息序列编码的发射机编码器，以及对接收序列解码重建原始信息序列的接收机解码器。将原始的信息序列编码以产生包括信息矢量和初级冗余矢量的信息码字。然后对初级冗余矢量编码，产生包括初级冗余矢量和第二冗余矢量的冗余码字。信息码字和冗余码字被合成，然后发射。
接收机包括对接收信息码字软解码以产生最初的估计信息矢量的初级信息解码器。冗余解码器对接收的冗余码字软解码以产生估计的初级冗余矢量。然后二级信息解码器将信息矢量和初级冗余矢量的最初估计硬解码，产生第二估计的信息码字。比较信息码字的第一和第二估计，确定它们之间的汉明距离。如果汉明距离大于预定值，二级信息解码器失败，接收码字被消除。
两步骤解码处理比目前在随机接入信道使用的编码方案有几个优点。首先，本发明使用嵌套分组码，可以产生高效的差错控制，而不增加编码开销。本发明的嵌套分组码方案的码率可以是1/3或1/4。其次，嵌套分组码方案比以前的编码方案提供更大的灵活性。例如，本发明可以使用软判决解码以便考虑可靠性因素。最后一个优点是，与以前使用的编码方案相比，残留误比特率和帧擦除率有很大的降低。
在另一个实施例中，信息码字多次发向接收站。接收的信息矢量被有选择地合成及/或路由选择到一系列并联解码器。然后单个对信息矢量解码，产生信息序列的多个估计。产生的信息序列估计被合成，产生最终的估计。
本发明其它目的和优点从研究如下描述和只是说明该发明的附图中变得清楚和明显。
附图的简要描述
图1是数据传输系统的框图。
图2是发射机编码器的框图。
图3是码字处理器和接收机解码器的框图。
图4是说明发射机编码器所用的比特定位方案的图。
图5是表示使用并联分组编码方案的接收机解码器另一种设计的框图。
发明的详细描述
现在参考附图，特别是图1，本发明的数据传输系统一般性地用号码10来表示。数据传输系统10包括信息源20、发射机编码器30、调制器40、解调器50、接收码字处理器60、以及接收机解码器70。
信息源20可以是模拟形式或数字比特序列。如果它是模拟形式的，可以被抽样并量化，产生必要的数字比特序列。但是，该序列可能不直接适于数据通信系统的信道编码或载波调制。在这种情况下，要使用信源编码重构数据序列，以使它与信道要求兼容。信源编码器对信息编码，以便降低信源数据的冗余度。通常称之为“数据压缩”。其结果是得到较短的比特序列，而且在给定的分配中可以发送或存储更多的消息。信息源20的输出称为信息序列。
发射机编码器30将信息序列从信息源转换成称为码字的离散编码序列。这种类型的编码称为信道编码，指的是信源编码之后、但在调制之前进行的数据变换，将信源比特变换成信道比特。
信道编码可以有两种形式：波形编码和结构化序列编码。波形编码变换信源数据并使检测过程较少地受到误码的影响，因此改善了传输性能。结构化序列编码(线性分组码)代表将结构化冗余插入信源数据使得可以识别并纠正传输或信道误码的方法。结构化序列有两种类型：分组编码和卷积编码。
本发明的数据传输系统10使用分组编码，其中信源数据首先被分成k个数据比特一组的组。每个分组可以代表m＝2k个不同消息中任何一个。信道编码器取k个输入比特的每个组，将它们编码为n个输出比特。2k个编码消息集合称为码组。编码过程加入的(n-k)个比特称为冗余比特，并且不携带任何信息信息。比率k/n被定义为编码速率，而且该码称为(n，k)码。
编码器30加入的冗余信息用于保护信息序列不受传输中出现的误码影响。这是众所周知的差错控制编码。冗余比特流从信息序列中计算(例如，通过模-2加法上的校验)。因此，原始信息序列和冗余比特流之间的依赖性或相关性被显示出来。解码器利用该依赖性，检测并纠正信道环境中产生误码。冗余比特常常称为校验比特。
调制器40将来自发射机编码器30的码字与载波信号合成，使其适于传输。在数字系统中，整个信息消息的数据比特，包括开始、结束、前导、和后同步信号比特，在物理电平上与通信信道接口。一旦比特流被编码、格式化、及准备实际传输，它必须与信道特性相兼容。这种信道特性通过将数字信息转换成时变波形来进行。
调制器40提供从数字数据流到该数据的波形表示的转换，这种波形表示是波形信道能够接受的。优化这样一种信道以便满足传输功率的限制。技术(AM、FM、或PM)的选择、或技术的综合，一般根据差错性能准则、带宽效率、以及所需信号处理的复杂度而定。
GSM规定的调制技术是GMSK。GMSK是一种恒定包络的FSK，这里频率调制是仔细设计的相位调制的结果。因此，由于在载波中明显地缺少AM，使所占据的带宽得以限制。本发明优选地使用非奈奎斯特滤波器的GMSK调制。
调制的信号通过通信信道发射，例如无线通信信道。通信信道受到诸如可改变调制信号的噪声这类的某些不利影响。
在接收机处，接收的波形由解调器50处理。解调器50产生离散的(量化的)、或连续的(非量化的)输出。对应于编码序列的解调器输出序列称为接收序列。
接收码字处理器60以及接收机解码器70将接收序列变换成二进制序列，理想地应该是原始信息序列的复制。接收序列常常包含信道环境的噪声或其它不利影响带来的信道误码。解码器70利用发射机编码器30添加的冗余信息以及对编码方案的了解，检测并纠正任何信道误码。
数据传输系统10使用两个分组码的组合，对发射数据进行差错控制。图2和3分别说明了使用嵌套分组编码方案的发射机编码器30和接收机解码器70的优选实施例。
现在参考图2，其中表示了使用两个嵌套(n，k)分组码的发射机编码器30的框图。发射机编码器30包括信息编码器32、解复接器34、冗余编码器36、以及矩形块交织器38。
信息编码器32的功能是对从信息源20接收的信息序列编码。信息编码器22以引入冗余信息的方式对信息序列I编码，冗余信息可以被解码器70用于检测及/或纠正误码。信息编码器22的输出是信息码字，包括原始信息序列或信息矢量I以及从信息矢量空间得到的信息校验比特流P1。导出过程基于规定的信息矢量的线性组合。信息检验比特流P1也称为初级冗余矢量。
信息编码器32所用的码优选的是(n，k)分组码。在优选实施例中，系统(24，12)格雷码用于对12比特的信息序列编码。使用(24，12)格雷码主要是因为它的最小汉明距离较长，得到可以检测7个误码或纠正多达3个误码的能力。其它(n，k)分组码也可以使用。
从信息编码器输出的信息码字IP1馈入矩形块交织器38以及解复接器34。解复接器34从信息码字IP1中剥掉信息校验比特流P1。然后将信息校验比特流P1馈入冗余编码器36，通过将次级校验比特(P2)加入信息校验比特(P1)产生冗余码字。这个冗余码字P1P2包括信息校验比特流P1和从P1矢量空间内矢量的线性组合得到的附加比特流P2。冗余编码器也使用(24，12)格雷码。然后将冗余码字P1P2馈入信息码字IP1所馈入的交织器38。
交织器38将信息码字IP1、以及冗余码字P1P2交织，以便随后发送到接收机。为了得到最佳性能，使用图4所示的比特定位方案。Sj代表一系列三比特矢量、使用1/3码速率时，Sj是分别由I、P1、和P2的第j比特组成的矢量。对于1/4码速率，P1的第j比特在Sj中重复两次。
现在参考图3，更详细地表示了接收机。接收机包括码字处理器60和解码器70。解调器50将接收序列馈入码字处理器60。码字处理器60包括解复接器62和矢量合成器64。解复接器62从接收序列中提取接收矢量。当使用1/4码速率时，解复接器的输出包括两次出现的信息校验比特矢量。矢量合成器64将两次出现的信息校验比特矢量合成，产生用于解码操作的单个情况。然后将矢量馈入接收机解码器70处理。
接收机解码器70包括初级信息矢量解码器72、初级冗余矢量解码器78、次级信息矢量解码器84、以及比较器90。
所收的信息矢量和所收的信息校验比特流被馈入包括估计信息矢量产生器74和内部存储器76的初级信息矢量解码器72。矢量产生器74对矢量和软解码，以便产生信息矢量的估计。优选地，产生多个信息矢量估计并按照它们的正确可能性顺序存储在存储器76中。
信息校验比特流矢量，也与次级校验比特矢量一起馈入初级冗余矢量解码器78。初级冗余矢量解码器78包括估计初级冗余矢量产生器80以及存储器82。信息校验比特流矢量和冗余校验比特矢量通过软格雷码进行软解码，产生信息校验比特流的估计P1。优选地，计算多个信息校验比特流的估计并以它们的正确可能性顺序存储在存储器82中。
估计信息矢量和估计信息校验比特流被馈入包括码字产生器86和存储器88的次级信息解码器84。码字产生器86处理将第一估计解码，产生最终估计。最终估计与第一估计一起馈入比较器90。比较器90包括距离计算器92，计算和之间的汉明距离。如果和之间的汉明距离大于预定值，比较器90就产生消除信号并提供给次级信息解码器84，将接收码字消除。
或者，比较器90可以将失败通知内部解码器72和78，使内部解码器72、78，按照与存储在它们各自存储器76、78中的IP1和P1P2对应的概率递减顺序，输出其它可能的码字。失败信号在图3中用虚线表示。如果其它可能的码字存在，再次将修改的估计码字和馈入外部解码器84，重复上述过程。该过程可以重复任意指定的次数，计数由构成比较器90一部分的计数器94维护。如果外部解码器84在n次尝试后失败，就产生消除信号。
现在参考图5和6，这里表示了使用并联编码方案的接收机解码器100。所考虑的并联编码方案限于系统差错控制码，它们通过一些分集装置在接收机中重复。重复可以是时间的(TDMA)、频段的(FDMA)、或其它正交方式(CDMA)。或者，接收机码通过使用天线分集看到发射的同一码字的独立获得的版本。
正如图5和6所示，接收信号由重复L次的同一信息序列I与校验P1、P2..P1一起组成。校验P1、P2..P1可以从相同码或从不同码产生。接收码字IP1、IP2..IP1在解调后馈入解复接器102。解复接器102将接收的校验矢量P1、P2..P1从接收信息矢量中分开。
在图5所示的实施例中，将信息矢量馈入矢量合成器104，并使用软合成或硬合成技术来合成。接收信息矢量的软合成可以使用各种分集合成技术实现。硬合成等效于比特级上的大数判决。由于合成技术是本领域技术人员熟知的，这里就不再详细描述。然后将产生的信息矢量与单个校验矢量P1、P2..P1一起馈入一系列并联解码器。然后用每个接收校验矢量分别对信息矢量解码。然后将得到的信息序列估计馈入第二矢量合成器108，使用硬或软合成技术合成。开关107允许解码器106的输出选择性地通过。例如，如果软解码器106的可靠性低于预定值，开关107可以被解码器106关闭。矢量合成器108的输出被传递到硬限幅器110。
在图6所示的实施例中，取消矢量合成器104并由两个路由器105取代。路由器105允许将输入导向任一解码器106。因此，信息矢量1-L可以使用任一冗余矢量来解码。输出J1-JL可对应于不同的输入1-L，或可以相同。类似地，输出Q1-QL可以对应于不同的输入，或可以相同。如同在前面的实施例中，每个解码器106产生信息序列的估计。估计被矢量合成器108合成。开关107允许解码器106有选择地通到矢量合成器108。
嵌套编码方案提供了一种差错控制的有效方法，但不增加编码开销。嵌套分组码方案的码速率可以是1/3或1/4，而且比一些现有技术方案更灵活。并联编码方案也对解码器提供了更大的灵活性。
当然，本发明可以在不背离发明精神和实质特征的前提下用这里所提的以外的其它特定方式实现。因此，本实施例在所有方面都被认为是说明性的而不是限定性的，所附权利要求的含义和等效范围内进行的所有改变都认为是包含于其中的。