CN104937870A - 用于特别地针对帧的报头生成信道码的方法和系统 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于特别地针对帧的报头生成信道码的方法，其中，至少借助于两个组成码的码字的串接来获得所述信道码的至少码字，并且在具有最大长度的第一组成码的码字的子集上与第二组成码的码字执行这样的串接。

Description

用于特别地针对帧的报头生成信道码的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于生成信道码、特别是用于ACM（“自适应编码和调制”）通信系统中的帧的报头的信道码的方法和系统。

背景技术

根据信道条件进行的传输参数的实时自适应在其中信道参数可随时间或针对不同的接收机而改变的通信系统中是非常期望的特征。

时间和/或用户改变的信道条件是诸如卫星、网络和广播系统之类的大多数通信系统的重要特性。

根据现有技术，在此类系统中已经提出了自适应编码和调制方案以通过FEC（“前向纠错”）码率/长度和调制星座的实时自适应来提供显著的容量增益。

ACM方案的主要思想是通过避免由于采用固定物理层情境而引起的资源浪费来增加系统通信的容量，用所述固定物理层情境，必须牺牲谱效率以在最差信道条件下保证对于用户的良好性能。

通过采用ACM方案，发射机能够在若干星座和码之间切换，选择最大可用调制和码率，其确保目标DER（“检错率”），从而保证对于每个用户的最大谱效率。在接收机端，为了成功地将消息解码，每个用户应该能够判定该消息是否意图给他，和/或识别已被发射机使用的星座和码的参数。

一般而言，由发射机发送的每个分组由两个主要部分组成。

第一部分称为帧的报头或简作报头，并且包含关于调制和编码的信息，在下文中称为ACMI（“自适应编码和调制指示符”）。

第二部分包含使用相应ACMI参数来编码的消息。

因此，每个用户应首先将帧的报头中的信息解码以便能够将消息的其余部分解码。

在诸如卫星广播之类的应用中，由于通常从-15 dB至15 dB的SNR（“信噪比”）的宽动态范围，编码策略并不是微不足道的。仅仅ACM方案的使用可能不足以确保到接收机的无线电链路、良好的谱效率和目标误码率。

因此通过码的生成来改善谱效率是重要的，所述码的生成允许使帧的报头的平均和最大长度最小化。

在专利申请号US 2010/0128661中，码生成过程基于探索性考虑，没有试图使帧的报头长度最小化。可变长度码在于单个强Reed-Muller码的重复，以应对不同的信噪比条件。

然而，该专利申请没有教导使帧的报头的长度最小化。

本发明的主要目标是指示一种用于特别地针对帧的报头生成信道码、能够使数据分组的帧的报头的平均和最大长度最小化的方法和系统。

本发明的另一目标是指示一种用于特别地针对帧的报头生成信道码、能够使通信系统的谱效率最大化的方法和系统。

本发明的另一目标是指示一种用于特别地针对帧的报头生成信道码、能够改善所生成的信道码的纠正能力的方法和系统。

本发明的另一目标是指示一种用于特别地针对帧的报头生成信道码、能够降低解码器的计算复杂度的方法和系统。

本发明的另一目标是指示一种用于特别地针对帧的报头生成信道码、能够对于所有码字获得固定长度以便使可变长度码的最大似然解码器具有相同复杂度的方法和系统。

本发明的这些及其它目标通过如在所附权利要求中所请求保护的用于特别地针对帧的报头生成信道码的方法和系统来实现，其意图是本说明书不可分割的部分。

具体实施方式

简而言之，一种用于特别地针对帧的报头生成信道码的方法被公开，其中，至少借助于两个组成码的码字的串接来获得所述信道码的码字，并且在具有最大长度的第一组成码的码字上与第二组成码的码字执行这样的串接。

根据其无线电链路的质量将用户划分成例如M个类型的较小集合。每个用户类型i与可用信噪比SNR_i 相关联。假设对于任何两个用户类型k和m而言，如果k > m，则SNR_k > SNR_m 。

最大ACM模式的集合ACM_i 被关联到该用户类型的集合。每个用户类型i必须能够检测使用ACM模式j ≤ i所编码的所有分组（其对应的信噪比SNR低于或等于被关联到用户类型i的信噪比SNR），并将其解码。因此，随后对应于高SNR值的较高类型的用户必须能够在与比较低类型用户的集合相比更大的集合内检测ACM模式。

这对应于码的生成，其容许此类码的码字的子集序列在纠正能力方面具有非常大的差异。

在所附权利要求中阐述了本发明的其它特征，其意图是本说明书不可分割的部分。

具体参考附图，根据用于生成信道码的方法的以下详细描述，上述目标将变得更加显而易见，在所述附图中：

-图1示出通信系统的框图；

-图2和3示出了对于用户类型i的ACMI检测器的操作模式；

-图4示出使用可变长度编码的码生成的示例；

-图5示出具有DER（“检错率”）等于10^-6的使用汉明码界和根据本发明方法的具有32个模式的可变长度码的码参数；

-图6示出用于使用DER等于10^-6的现有技术线性码的具有32个模式的可变长度码的码参数；

-图7示出用于使用DER等于10^-8的现有技术线性最佳码的具有48个模式的可变长度码的码参数；

-图8和9示出用于分别具有32个模式和48个模式的使用DER等于10^-8的使用现有技术线性最佳码和根据本发明的方法的可变长度码的码参数；

-图10示出关于图8的数据的图表；

-图11a和11b示出图8的码的码字；

-图12和13分别示出当DER被固定于10^-6时对于k位的一些值的所要求的报头分组长度对比最小信噪比SNR，以及涉及图12的数据，由此与帧的报头的简单最差情况设计相对应；

-图14和15分别示出当DER被固定于10^-8时对于k位的一些值的所要求的报头分组长度对比最小信噪比SNR，以及涉及图14的数据，由此与帧的报头的简单最差情况设计相对应。

参考图1，示出了被用作系统情境的示例以解释本发明的详细描述的通信系统10。由网关1通过卫星应答机2服务于多个用户，并且网关1包括至少生成码的至少一个编码器3。

根据用户的当前无线电链路质量将其划分成M个类型，例如M ≤ 64，并且该细分由设计者在通信系统10的设计期间创建。

每个用户类型i与可用信噪比SNR_i 相关联，并且在不失普遍性的情况下，假设SNR_i≤ SNR_i+1 ≤…..≤ SNR_M。后一种情况通常是卫星通信系统。因此，对于每个用户类型i而言，信噪比是不同的。此外，每个用户类型i包括至少一个物理用户。

最大ACM模式的集合被关联到每个用户类型i。每个用户类型i必须能够检测使用模式ACM_j（j ≤ i）所编码的所有分组，并将其解码。反馈信道（图1中未示出）允许网关1知道每个用户的类型i。

此外，网关1有可能针对每个用户类型i选择具有索引j ≤ i的ACM模式。选择最大所允许的i以下的值（其原则上对于总系统容量而言是次优的）允许在网关1的一些灵活性。然而，这附加的系统灵活性要求用户类型i检测所有模式ACM_j（j ≤ i），并将其解码。然后，此要求施加高检测复杂度，尤其是对于被关联至高SNR值的用户而言。特别是，具有最高用户类型M的用户必须检测来自卫星的所有分组并将其解码。根据实际预期目的地的分组的过滤在解码过程之后被推迟。

参考图2，示出了图1所示通信系统10中的包括输入信号y和对于用户类型i的ACMI检测器21的接收机23的操作模式。ACMI检测器21递送在范围 中的索引（其表示在所允许范围内的ACM索引的估计），或者常规符号“0”（其表示检测失败，冻结随后的解码器22）。

在通信系统10的该示例中，用于ACMI的以下事件类型是：

- 检错：

这指的是根据ACMI检测器21所估计的从ACMI检测器21被传送到解码器22且其不等于从网关1接收到的ACMI_j的概率（假定索引j小于或等于用户类型的索引i）。潜在针对用户类型i的分组被不正确的ACM模式所解码，并由此没有被正确地递送。

- 无用解码：

这指的是根据ACMI检测器21所估计的从ACMI检测器21被传送到解码器22且其不等于零的概率（假定索引j大于用户类型的索引i）。并非针对类型j的用户的分组被错误的格式不正确地解码。仅有的成本是无用解码。

根据前述内容，重要的是设计并生成用于使检错概率P_E 最小化的码，假定无用解码P_U 的成本是边际的。

参考图3，值得注意的是，通过去除对于网关1选择模式j ≤ i的灵活性并由此在网关1处施加j = i，ACMI检测器31的仅有功能是激活或冻结随后的解码器32。ACMI检测器31的错误将仅引起无用解码事件。对于具有良好链路质量的用户而言，在这种情况下的无用解码的数目也可以显著地减少。

在本发明的第一示例中，描述了用于生成使上述检错概率P_E 最小化的信道码的方法，此时与为ϵ 值的DER（“检错率”）相关联，并且与可变长度码字相关联。

根据以下算法使用可变长度来生成码字的集合，其在图4中示出：

1. 固定M个有序SNR值SNR_i 的集合，其与期望模式阈值和期望DER ϵ 相对应；

2. 设定总距离d_T = 0；

3. 针对所有i，从M至2递减；

4. 计算所要求的递增距离，以实现目标SNR_i 下所期望的DER ϵ

最小距离d_min 或d_i 取决于信噪比SNR并且取决于具有ϵ 值的检错率。此外，最小距离d_i 针对每个所生成的码的子集增加，并且针对每个用户类型i进行计算；

5. 如果d_i = 0，则从步骤3开始重复；

6. 否则，生成码，该码具有最小化的长度n_i 的码字、i个码字和最小距离d_i ；

7. 设定总距离d_T = d_T + d_i ；

8. 从步骤3开始重复；

9. 通过将来自每个组成码的码字串接而最后获得可变长度码字的集合（参见图4）。然后通过将从M开始下至i的组成码的码字串接来获得模式i的码字，并且其具有如下的总长度N_i ：

参考图4，至少将组成码的码字封装到信道码的码字中，并且至少信道码的码字具有大于此类信道码的其余码字的长度。此外，在具有最大长度的第一组成码的码字的子集上与第二组成码的码字执行串接。

在公式（1）中，其由以下函数定义：

其中，Q是Q函数，即随机变量标准的补充累积分布函数。

公式（3）提供了用于具有M个码字的信道码的所要求的最小距离d_min ，其在信噪比SNR下实现检错率ϵ。通过使用上界来获得该公式（3）：

这对于小的M和几乎完美的码而言是相当精确的。

为了可以实现下界，使用例如汉明界

其中，t是从最小距离解码出发肯定正确的错误矢量的最大权值，用以获得先前算法的步骤6中所要求的最小距离d_min 和具有M个码字的码的最小长度n。

参考图5，示出了用于具有32个模式的系统的使用先前算法的信道码生成的结果，信噪比SNR以1dB的步长从+15至-16 dB范围内，针对目标DER ϵ = 10^{− 6}。

图5的表格的列从左向右指示码字的数目i（其也是用户类型的索引）、对应信噪比SNRi、具有索引i的报头的码字的递增长度n_i 、索引i的报头的码字的位数k_i 、索引i的报头的码字的递增最小距离d_i 、总最小距离d_T （即在索引i的先前d_i 的总和）、报头的总码字长度N_i （即在索引i的先前n_i 的总和）、以及最后一列中的指示解码复杂度的。

要注意的是，在这种情况下，最大码字长度N_i 是464个符号（用附图标记51来指示），并且假设所有模式具有相同的概率，平均报头长度仅为119个符号（用附图标记52来指示）。

汉明界是对于码字数目的上界，并且存在很少码实现它。

参考图6，报告了在现有技术中记录的使用最佳组成线性码的信道码生成的结果，摘自2007年出版的M. Grassl的《Bounds on the minimum distance of linear codes and quantum codes》中所获取的表格，其可通过http://www.codetables.de在线获得。

在现有技术中记录的这些组成线性码具有附加限制：具有的码字的数目是2的幂，即2^k ，其中，k是信息位的数目。这些线性码的使用要求609个符号的最大码字长度（用附图标记61来指示）、以及仅149个符号的平均报头长度（用附图标记62来指示）。

通过比较图5和6，从而清楚的是，使用根据本发明的前述算法生成的信道码能够使数据分组的帧的报头的平均和最大长度最小化。

参考图7，它将针对48个模式的根据本发明所生成的码长度的示例与D. Becker、N. Velayudhan、A. Loh、J. O'Neill和V. Padmanabhan在美国专利申请号12/621.203中描述的《Efficient control signaling over shared communication channels with wide dynamic range》中指定的信令方案所要求的报头长度进行比较。DER被固定为ϵ= 10^{− 8}。

可注意到，根据本发明提出的信道码生成允许显著地减小用于所有模式的报头长度。根据美国专利申请号12/621.203的报头长度的平均值是750（附图标记71），而根据本发明的该示例的报头长度的平均值被减小至301（附图标记72）；同理，最大报头长度从4416（附图标记73）被减小至1285（附图标记74）。

因此，使用根据本发明的方法，通过评估平均长度，获得约60%的改善。

前述算法当应用到组成线性码时显示出信道码长度方面的一些弱点。这主要是由于组成线性码的码字的数目始终是2的幂的事实所引起的。

在这种情况下，例如，图6中的从32至17的所有模式共享相同的尺寸。在这些情况下，生成单个组成码是有用的，其保证良好的最小距离，而不是使用如上所述的完全递增方式。

因此，提出了如下改进的码生成算法的示例：

1. 固定M个有序SNR值SNR_i 的集合，其与期望模式阈值和期望DER ϵ 相对应；

2. 设定d_T,M+1 = 0和N_T,M+1 = 0；

3. 针对所有i，从M至2递减；

4. 设定；

5. 计算所要求的最小距离

6. 针对所有（具有相同码尺寸的模式）

7. 计算递增距离

8. 生成具有最小长度的线性码；

注意到，当距离增量是零时，码具有长度0。在这种情况下，k是信息位的数目而非码字的数目；

9. 从6开始重复；

10. 从先前的码的集合选取具有最小总长度的码，其对应于

；

11. 设定；

12. 从3开始重复；

13. 通过将来自每个组成码的码字进行串接（参见图4）最后获得可变长度码字的集合。

可注意到，在本示例中，在每个步骤处考虑到具有相同尺寸k的所有可能组成码，其保证最小距离。此生成允许在步骤i的迭代处改变在先前步骤j ≥ i中生成的码（假设）。

再次参考图4的情况，至少将组成码的码字封装到信道码的码字中，并且至少信道码的码字具有大于这样的信道码的其余码字的长度。此外，在具有最大长度的第一组成码的码字的子集上与第二组成码的码字执行串接。

在图8和图9中报告了该新的码生成的结果，并且将后者与图7相比较。重要的是注意到，该新的码生成允许略微地减小报头的平均和最大长度。

事实上，图9的报头的最大长度是1239个符号（用附图标记91来指示），其低于图7的报头的1285个符号的最大长度（用附图标记74来指示）；而报头的平均长度从301个符号（用附图标记72来指示）减小至285个符号（用附图标记92来指示）。

此外，应注意到，减小了所生成的码的数目。在图10描绘了生成码的示例，并且在图11a中和图11b中示出了相关码字。

参考图10，报告了相对于图8的模拟结果。图10的横坐标指示来自每个用户类型i的标称SNR_i 的以dB为单位的间隔。在这种情况下，许多码实际上实现了具有非常大的裕度的目标DER。

例如，用户类型32的曲线（在图10中用附图标记101来指示）实现了具有裕度约16.3 dB的目标DER ϵ ＝10^{− 6}。这是由于以下事实所引起的：相同的码（39,5,19）被用于从32至17范围内的所有类型，并且实现了目标DER，其中，仅用户类型17没有裕度，其对应于0 dB的标称SNR。

根据本发明，在相对于最差情况设计的检错率DER方面，还可以评估上述示例的性能。

最差情况设计提供了其中所有用户能够将所有ACMI报头解码的编码示例。Reed-Muller码类被选作组成码，并且其参数将根据所要求的信噪比SNR范围和模式的数目M被评估。

在该最差情况设计中，没有采用可以将每个用户类型i关联到具有不同码字长度或保护的事实。码设计使得每个用户类型i能够从报头中检索ACMI。记住，用户类型i只当所检测的小于或等于其类型（即）时才决定继续进行解码。在这种情况下，信道码生成是相当简单的，并且严格地取决于系统中所允许的最小信噪比SNR。

采取DER ϵ 的渐近表达式以用于最邻近数目A、具有最小距离d_min 的码，并将其重复R次，被实现：

将其视为用于最差情况设计的解决方案的Reed-Muller码类。Reed-Muller码具有参数（n = 2^m, k = m + 1），其中d_min ＝2^{m − 1} 以及A = 2^k − 2。

参考图12和13，报告了以实现DER ϵ = 10^{− 6}的所要求的报头长度Rn对比最小目标SNR。图12中的不同曲线指的是具有k＝1至8的Reed-Muller码的使用。给定相应Reed-Muller码的长度，可以容易地计算所需重复的次数。用k＝6指示的曲线是针对具有64个ACM模式的系统应考虑的情况。可以注意到，为了设计具有32个模式且DER ϵ = 10^{− 6}的在-16dB下工作的信道码，利用最差情况设计来要求1168的报头长度（附图标记131），同时，根据上述本发明的可变长度编码的示例的最大报头长度是使用汉明界的图5中所示的464（附图标记51）以及在我们的构造中使用现有技术线性码的图6中所示的609（附图标记61）。

参考图14和图15，报告了设定DER ϵ = 10^{− 8}所实现的所要求的报头长度Rn。在后一种情况下，具有32个模式且DER ϵ = 10^{− 8}的在-16dB下的最大报头长度是1520（附图标记151），同时，上述本发明的可变长度编码的示例的最大报头长度是图8中所示的791（附图标记81）。

根据该比较清楚的是，当使用根据本发明的方法时，报头长度减小。

参考图10，示出了使用最大似然解码器（即以使概率最大化）的模拟结果。它是通过计算接收信号与码的所有码字的相关、然后选择具有最大相关的码字来完成的。重要的是注意到，用户类型i需要计算接收信号的仅前N_i 个元素且仅针对与小于或等于其标称SNR（SNR_i ）的SNR相关联的i个码字之间的相关。

因此，解码复杂度对于每个用户类型i而言是不同的，并且等于N_i × i个总和以及i个比较。可以将平均解码复杂度计算为。在图5至9中，最后一列利用其平均值示出了N_i × i的结果（假设在所有用户范围内均匀分布）。

由于在上述示例中针对给定参数而将线性组成码选择成最佳的且没有假设其它特定结构，所以最好最佳解码策略是计算接收信号（N_i 个总和）与所有i个候选码字的相关。

此穷举解码器的复杂度是可负担得起的，因为它对小的码和短平均长度进行处理。

通过使用允许更快解码算法的组成码而进一步减少相关的复杂度，如针对Reed-Muller或最大长度码使用的Hadarmard变换。特别是，针对给定的参数的集合，其中n和k足够小，最大长度码的重复生成具有几乎最佳性能的码。

UEP（“非均匀错误保护（Unequal Error Protection）”）的主要目标是要设计对于一些位、符号或码字提供比其它位、符号或码字更大的错误保护的码。在本文中，针对所有三种情况使用相同的名称。

在下文中，描述了本发明的另一示例，仅对码字UEP进行寻址，其使用上述改进的可变长度信道码生成，以生成固定长度码。

可变长度码还具有不同错误保护能力的码字。

事实上，生成块UEP码的一种方式是用零来扩充针对可变长度码所获得的码的所有码字，以对于所有码字具有固定长度（以使所有码字的长度均衡），因此至少码字包括具有等于零的值的位的序列。在这种情况下，所有码字将具有等于起始码中的最长码字的长度。

可注意到，为了使用该策略工作，在构造起始可变长度码时不应使用全零码字。

重要的是注意到，在上述可变长度编码的示例中，应将平均长度视为码的有效长度。

关于针对通过补零的所生成的码的最大似然相关器解码器的复杂度，其原则上与相应可变长度编码具有相同的复杂度，并且因此关于解码复杂度的前面的描述同样对于这些码而言是有效的。

根据以上描述，本发明的特征以及其优点是显而易见的。

根据本发明的用于生成信道码的方法的第一优点是使数据分组的帧的报头的平均和最大长度最小化。

本发明的方法的第二优点是使通信系统的谱效率最大化。

本发明的方法的另一优点是改善了生成的信道码的纠正能力。

本发明的方法的另一优点是降低了解码器的计算复杂度。

本发明的方法的另一优点是还可能针对所有码字获得固定长度，以便使可变长度码的最大似然解码器具有相同复杂度。

本文以示例的方式描述的用于特别地针对帧的报头生成信道码的方法和系统在不脱离发明思想的创新精神的情况下可经受许多可能的改变；还清楚的是，在本发明的实际实现中，所示细节可具有不同的外形，或者用其它技术上等效的元素来替换。

例如，能够在可改变谱效率的任何通信系统中和/或在不使用ACM方案的通信系统中，应用用于特别地针对帧的报头生成信道码的方法和系统。

因此，可以容易地理解到，本发明不限于用于特别地针对帧的报头生成信道码的方法和系统，而是在不脱离以下权利要求所明确限定的发明思想的情况下，可经受许多修改、改善或对等部件和元素的替换。

Claims (16)

1.一种用于特别地针对帧的报头生成信道码的方法，其中，至少借助于两个组成码的码字的串接来获得所述信道码的至少码字，并且在具有最大长度的第一组成码的码字的子集上与第二组成码的码字执行所述串接。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述组成码的所述至少码字被封装到所述信道码的码字中。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述信道码的所述至少码字具有大于所述信道码的其余码字的长度。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述组成码的最小距离取决于信噪比，所述信噪比与用户类型相关联，并且不同于每个所述用户类型，并且取决于检错率。

5.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，针对每个所述用户类型来计算所述最小距离。

6.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，通过公式 来获得所述信道码的最大码字长度，其中，M是与最高所述信噪比相对应的所述信道码的所述码字的最大数目，m是从1至M改变的整数索引，并且n_m 是在索引m的所述组成码的所述码字的长度。

7.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述信道码的所述码字具有可变长度。

8.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述组成码是已知线性码。

9.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述信道码的所述至少码字包括具有等于零的值的位序列，以便使所述至少码字的长度均衡。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述信道码的所述码字具有固定长度。

11.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述信道码是UEP码。

12.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述信道码适合用于通信系统的数据分组的帧的报头。

13.一种用于生成信道码的系统，所述系统至少包括用于执行根据权利要求1至12中的一项所述的方法的编码器。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述编码器适合于在通信系统中使用。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述通信系统包括具有不同信噪比的多个用户类型。

16.根据权利要求14或15所述的系统，其中，所述通信系统是ACM（“自适应编码和调制”）通信系统。