CN1788441B - 速率自适应数据广播技术 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种新型数字广播调制技术方案，用以从一个单独的发射机以高比特率来提供宽面积覆盖。该方案创造了一个额外的维度，在该维度中创造了除了那些时间、编码、方向和频率信道之外的传输信道。本方案的优点包括低功率地发送到一范围时的同样总比特率，采用同样功率的更宽的覆盖，以及分享同样频率的发射机的更近间隔。其尤其适于支持面向公众用户的数据广播。

Description

速率自适应数据广播技术

相关申请的交叉参考

美国临时专利申请#60-465096号。

技术领域

本发明的技术领域是在数字数据通信系统中面对噪声时为了恢复的目的而进行的数据编码与解码。

背景技术

随着互联网的发展，通过无线链路传送或广播数字数据已变得日益流行。任何通信媒介的使用都是受香农定律(Shannon’s law)限制的，其认为可被传送的信息量正比于可用带宽。存在一个有限的可用频谱量，所述可用频谱没有不合需要的特性，比如视线限制、或在雨或雾中的额外衰减。典型的复用频谱的方法包括定向传输/接收、低功率小区的使用、跳频、或编码。然而传输超过1比特每秒每赫兹带宽(bits/sec/Hz该单位通常简写为“bits per Hz”)在理论上是可能的，实际上，对于许多无线数据系统，这通常接近于指定的比率。然而，对于宽带连接(高比特率)的需要正推动该工业进入探索用于增加该比率的方法及节约频谱的方法。比如，IEEE 802.11a标准规定64QAM作为高带宽模式中的调制技术，其相当于6/bits/sec/Hz。增加该数字的能力受限于接收机的信噪比(S/N)，因为信噪比将影响接收机在码元群(symbol constellation)中对不同码元进行分辨的能力。该关系是典型的对数关系，表明其对于每一个附加的bit/sec/Hz，我们必须加倍该信噪比S/N。对一个无线系统的影响是将减小覆盖面积，或增加所需信号强度的最大值。

使用数字传输的另一效果在于存在一个非常陡的截止(cutoff)，即上升到一个特定点，噪声对信号没有任何影响，但是超过一个特定的范围，信号很快变为无用信息以至于变得完全没有用处。很多数字传输信号被组织为消息块这个事实将增强该截止的锐度，并且如果发现任何无法改正的错误，则整个块被丢弃。对数字电视广播，这被认为是所期望的，你要么拥有一个很好的画面或要么什么都没有。但是对其它类型的应用，这是所不期望的；人们浏览互联网，应急人员或警察可能更愿意经历一种更慢或更低质量连接效果中，但是完全被截止将是灾难性的。

对高bit/sec/Hz数字系统还存在另一个效果，因为信号在截止范围内明显高于噪声基数，存在一个超过截止范围的很大区域，其中，在相同的发射机频率下，接收是不可能的。在20bits/sec/Hz，该区域的面积将是能够接收区域的面积的400倍。

将其与模拟广播进行比较。当你离发射机越来越远的时候，你将失去清晰度，但是你仍能够从传输中恢复大量的信息。这不需要与发射机进行任何协调，它将自动发生。很多技术都已经被应用于采用数字传输速率来符合一个合适的用于在接收机获得足够接收的数值，但是这都依赖于发射机与接收机之间的协商。进一步，当低比特率传输在进行的时候，其它的传输都不能够发生。例如，在802.11a中，随所收到的信噪比SN减小，调制技术由64QAM技术一直改变降为BPSK技术。

参考

美国专利6,377,562描述了一个本发明的基本申请，以及实现一些目的的其他方法。

美国专利5,590.403描述了一种在中心网络和移动单元之间通信的系统。

由Andrea Goldsmith在IEEE Transactions in Vehicular Technology，Vol46，No.3，1997年8月出版的“The Capacity of Downlink Fading Channelswith Variable Rate and Power”比较了各种调制技术的容量，且特别地给出了“具有连续解码的重叠编码”优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种编码/解码技术，该技术允许数字广播传输也具有一种容错能力(failsoft capability)，即，随着噪声量或范围的增加，比特率递减而并不完全丢失链路。尤其是，当应用在无线环境中，附近的接收机获得接入全比特率，而远处的接收机获得一个与接收机的信噪比相兼容的比特率。另外，当到远处接收机的传输进行时，附近的接收机能够继续获取数据，只丢失用于远程接收机的比特率。

隐含于本发明的关键思想在于这样一个事实，即，固定的噪声级别并不限制接收机对群中任何码元对进行分辨的能力，只限制对某些对的分辨。因此，如果我们能够找到(或创造)码元组，对于这些组，接收机将停留在用于特定噪声级别的组中(即，它将不会混淆这些码元归属于哪个组)，那么，我们保留一些关于这些最初的码元是什么的信息。如果我们能够将这些组安排为一个“非混淆”组的层次，用于表示不同的噪声级别，那么我们就能创造一个标签系统用于每个码元，其中该标签的最高有效位对于一个特定噪声级别是精确的。如果我们随后发送一些消息，只采用这些相同的有效位，那么对于一个特定的收到的信噪比S/N，所有具有足够有效位进行编码的消息将会是精确的，然而，那些采用较低有效位的将不是精确的。我们将能够恢复该消息的一个重要部分，避免实际中将它们都损失掉。在效果上，该系统创造了一个额外的空间，其中创造了除所熟悉的时间、频率、空间和代码之外的传输信道。另一个关于本发明所采用编码的效果的想法是，虽然用于任何特定接收机的BER，对传统编码和本发明所述编码都是一样的，消息的错误率却是很低的。这种情况的发生是因为我们将所有的坏的比特都放入该消息的一些子集中，这样，所留下的信息仍可以通过而不受影响。这与IEEE 802.11尝试去做恰恰相反，它们分别搅乱比特的顺序，以防止坏比特的长时间运行。

该技术能够被应用于任何调制技术，其具有一个包括4个或更多码元的码元群。所需要的是，标准噪声对于接收机从群中分辨每一对码元的能力的影响是可以被研究和映射的，以及随后将这些码元组成为层次组(hierarchical group)。由调制技术允许从群中忽略一些码元是必要的，以确保这些组被分开。

本系统与其它提供速率自适应能力的系统的区别在于，传输消息到具有不同信噪比的接收机能够同时地发生。在一个数据广播情况下，到具有低信噪比的接收机的传输并不会阻碍到具有高信噪比的接收机的传输，它只会减慢由低的接收信噪比传输所使用的可用比特率的一部分。将其与在802.11a中的方法进行比较，到远处接收机的传输阻止了到附近接收机的传输；并且由于这是一个慢的传输，媒介可能会被阻断一段时间。在传输到一个远处接收机的过程中，只有1bit/sec/Hz被传输，而不是6bit/sec/Hz。在该系统中，远处的接收机将获取1bit/sec/Hz，而附近的接收机将只获得5bit/sec/Hz，但是发射机则根本没有减慢速率。

附图说明

图1是本发明的一个整体示意图。一个多路复用器(multiplexor)从每一个消息中提取1bit，并将其组成一个码元标签。在一些实施例中，超过1比特/消息能够被组成码元标签。该标签随后被采用数模转换器2转换为一个模拟码元，并随后用于在调制器3中调制载波。随后被发射到解调器4，其再生出模拟码元，并且所述标签被数模转换器5还原出来。该码元标签被馈入多路分解器6，其输出标签的每一个比特作为对应消息的下一个比特。当一个消息被完成后，它被传送到校验器7，其校验该消息是否已被无误的接收(采用比如校验和或MD5散列技术)。如果没有错误，该消息可被经由某个返回信道8进行确认，并且该消息被传递到最终接收机9。一个可选的信噪比测量电路10提供额外消息到校验器，以使其不必尝试去校验不可用的信道。需要指出，校验和确认现今已经是由现在的计算机系统的IP子系统来执行的。

具体实施方式

在示例的实施例中，采用的调制方式为调幅(AM)，虽然该技术能够明显的被应用于其它调制方式。该调制方式的信噪比为基于电压的方式(优于基于功率的方式)。

一个8比特的字能标记所有的256个AM中的码元，其在本质上等于256个间隔的电压电平。一个典型的8比特数模转换器能被用作数模转换器2。假定理想的模数和数模转换器，如果信噪比为256，那么接收机将只混淆邻近的码元。转换器中不理想的部分则象噪声一样处理。如果信噪比是2(3db)，则接收机将混淆一个码元与高于127级以上的那些码元。在两种情况中的任何一种情况，由于我们不能将他们分为两个不混淆的组，我们不能确保标签中的任何比特的正确性。

我们现在作如下安排，我们将永远不发送在标签的第二最高有效位中具有1的码元。然后允许的码元间隔则变为分成两组，其中一组，标签的最高有效位是1；而其中另一组，最高有效位是0，且在两者之间有一个很大的间隙。如果信噪比是大于2(3db)，则接收机将总是正确获得标签的最高有效位。因此，只采用这个比特被发送的消息将没有错误。

需要说明的是，在一个正常的256AM传输中，每一个码元将传送该消息的8比特；我们这里所需要的是，多个消息被同时发送，同时每一码元都为每一个消息提供一个额外的比特。效果上，我们创造了多个传输信道，信道0的一部分的具有每个码元的比特0，信道1的部分的具有每个码元的比特1，等等。一个信道中消息的所有比特对于一个给定的信噪比SN具有类似的出错几率。

现在，让我们设定改为没有传送具有标签127和128的码元。再一次，接收机将总是正确获得最高有效位，但只有当信噪比超过128(12dB)时。需要说明的是，即使没有该规定，该比特的精确度对于该信噪比而言也是值得怀疑的，只有当接收机产生127或128作为所接收的码元时。换句话说，如果我们有方法来估计如超过128(12dB)的信噪比，我们将能够确信该比特值，除了当接收机产生那两个数值之一时。事实上，如果这些出现在输入流中的码元的几率足够低，该比特将通常会足够精确地来通过该系统获取完整的消息，即使我们没有从允许的码元空间将这些码元删除。

当我们同意在第二最高有效位中不传送一个1时，我们所做的是将码元空间分成两组，在小于信号一半的信号出现的时候，这些组将不被接收机混淆。类似的，当我们同意不传送码元127和128时，我们所做的是将空间分成两个非混淆的组，用于噪声小于最大信号值的1/128时。

进一步考虑该步骤，当我们同意不利用标签的第二和第四最高有效位传送消息时，看看将发生什么。对2(3dB)或更高的信噪比，最高有效位总是正确的。对8(9dB)或更高的信噪比，第三最高有效位也总是正确的。

我们可以通过选择忽略哪些比特来调整斜坡(ramp)下降。比如，我们可以忽略使用标签的每一个第三比特。那样，对于4(6dB)、32(15dB)、256(24dB)的信噪比，我们将保持6比特。

所有这些都可以采用经典的二进制数模和模数转换器来取得。一个由二进制信号驱动的三重数模转换器(其中每一个比特被赋值为前一个比特的3倍)，提供给我们在码元间隔之间的一个内设的间隙。这可以被用为获取一个3(4.99dB)每比特的信噪比斜坡。

如果高功率标准码元在规定的周期内被重复广播(比如电视广播的帧和行同步信号)，则信噪比能由估测电路10来估算，并且识别不可用的信道。这个信号也能被用于设置接收机的AGC的增益，恰如一个电视接收机所能做的一样。

虽然这样一个信号对调整AGC仍将是必要的，事实上，信噪比估测电路不是严格必需的。例如应用在PPP中的技术将描述消息边界。对每一个消息，产生和传送一个散列签名(或校验和)并将其与所接收到的消息的被计算出的散列签名(或校验和)比较，能够告诉我们所收到消息是否正确的高的几率。

明显地，这可以被扩展到超过8bits/Hz，只受限于所完成的数模和模数转换的精度。其也能够被扩展用于不同于AM的其它调制方案，由接收机提供的不同码元的混淆几率是可以理解的，并且这些码元能够被分组为基于信噪比(或大部分基于混淆几率)的分层的非混淆组。

这种系统能够被用于数字广播的情况，比如用于数字电视、视频和其它数据分布，或甚至更高带宽的互联网接入，其中所述的返回信道是通过其它方式完成的。这样一个系统的优点在于，不用设置多个高带宽低功率小区发射机，而只设置单独一个高功率高带宽的发射机，以及随后在信噪比间隔内分配到接收机的信道。这特别适合于支持这样一种情况，即，其中大量数据被周期性的广播至很大的用户基站及被很大的用户基站所缓存，对一些数据和用户的更新，其能够变化其优先级别。

为了给出这样一个系统的潜在能力的一个想法，如果信噪比是大约60dB的话，一个标准电视传输被认为是好的。采用调幅(AM)，你需要大约3dB用来产生一个关于码元功率电平的信息的比特，因此你可以从标准电视信道得到20bits/sec/Hz。由于电视传输采用大约6Mhz的带宽，理论上，如果能使得数模和模数转换器精确足够，你能够在电视发射机的覆盖范围内至少得到120Mbits/sec。我们可以说发射机被功率驱动到某一点，这种特性能够达到一个半径0.5km(此点的功率实际中估计约为1KW)。

现在，让我们考虑采用同样信道(和功率)的下一个发射机能被定位在哪里。它的信号需要低于第一个发射机60dB。因为基于距离的衰减是大约对每个加倍的范围为6dB，第二个发射机需要至少是0.5km的2^**10倍，即，超过500km远，或它需要在视线之外。如果它有任何靠近，采用现有技术获取20bits/sec/Hz的时候，其传输将产生足够的干扰来导致完全丢失数据。其次，超过0.5km，环境噪声将也会导致数据的丢失。在效果上，假定这两个发射机，在0.5km到500km区域内采用同样的频谱将不会从发射机获得接收。

然而，达到250km远时，至少每个码元的1比特(最高有效位)将总是正确的。由于在本发明中，消息只采用每个码元的一些比特，任何只采用那一个比特的消息都将被正确接收。因此，250km远，我们将仍能够得到高达6Mbit/sec的到接收机的数字数据。当前系统认识到这个问题，并且通过改变近的和远的接收机的数据速率来处理该问题，一个前缀的速率头部被用于使得接收机知道当前采用的是什么速率格式。效果上，当信噪比需要的时候，通过这里建议的机制发送消息自动的将该系统转换为1bit/sec/Hz系统。但是另外地，系统没有必要停止传送低的有效位，以及也并不需要速率头部，所以，，同样的发射机用相同的功率将传递更多的信息到相同的面积。

现在让我们考虑，当我们采用一个1W的发射机将会发生什么，该发射机类似于被FCC允许的用于在5.875GHz U-UII频带中无须批准的传输的发射机。对其传输范围，其依赖于环境噪声和地形，但是IEEE 802.11a规范认为-65dbm的接收功率将足以接收6bits/sec/Hz，所以-23dbm将足以接收20bits/sec/Hz。在标准双极天线的6Ghz频率下，当距离小于约2.8m(8.5ft)的时候，这是可以实现的。在28米，我们可以收到13bits/sec/Hz，在281米，我们可以得到6bits/Hz，以及在2.8千米，我们能得到1bit/sec/Hz。每一个802.11a信道包括48个运行在250K码元/秒的信道，对应的总速率为12M码元/秒。因为对错误校正的需要及6bits/sec/Hz的限制，IEEE 802.11a最高输出54Mbits/sec，并且获得该速率的最远的接收机将小于281m远(6bits/sec/Hz)。假设该系统采用每个交替的比特，即，每6dB有一个可用的比特，本发明将同时允许12Mbits/sec到1.7km远，12Mbits/sec到850m远，12Mbits/sec到425m，12Mbits/sec到212m，12Mbits/sec到106m(总和现在是60Mbits/sec)，如此这样我们将获得更近的值。

该系统依赖于被传送的只有噪声被允许具有一个连续的数值范围的信号的量化程度。因此，其最好的应用是当一个发射机正广播信息到多接收机时，而不是当多发射机在一个接收机是可接收的。当然，如果发射机没有同时工作并且AGC能反应足够快，或除了一个发射机外，对每一个接收机都是足够微弱以至于被认为是噪声，那么它仍然是可用的。

实现本发明的优选方式

在优选的实施例中，一个工作在电视信道的射频发射机被馈入一个来自20比特数模转换器的基带信号。这个数模转换器被馈入20比特的字，并且必须产生一个精确到百万中的一部分的输出信号。现今视频卡能够轻易实现这一点，当前的标准是，在1024×768象素屏幕上具有24比特颜色的象素，并且能高达2048×1024象素。对每个象素的颜色和强度都可以进行详细规定，这些象素对红、绿、蓝分别采用8比特来表示。在接收机端，一个高质量的接收机将其基带输出到一个模数转换器，比如一个视频采集卡。在这里，24比特视频采集卡已经存在，并且将拷贝数字输出直接到存储器。现在，这就是这样一个系统，该系统将发射机视频存储器中的内容拷贝到指定用于接收接收端的视频采集的存储器中。

一个应用能够选择在NTSC B&W视频限制内。在一个NTSC系统中，其将有大约15750行每秒，其中的14400是可使用的。为了保持在视频带宽限制内，并且为了支持消隐间隔，每行将准确地只携带有100个数据码元，其中的每一个码元是20比特深(deep)。由于视频卡产生高达720数据点(象素)每行，编码必须通过插值来计算在发射机上的象素值，以及类似地，最初的码元必须在接收机再一次采用插值方法来还原。

现在应用本专利的技术，不将每一个码元作为20比特的一个消息来处理，而是每一个码元被作为来自高达20个消息地比特地组合来进行处理。如果我们组合20个消息，码元的每个比特将来自每个消息地一个比特。在上面提到的基于NTSC的系统，这样系统的每一个帧将支持每100比特的9600个数据块。总的比特率将为28.8Mbits/sec，其中每一个信道都将获得大约1.44Mbits/sec。用于远处的接收机的消息将被指定为每一个码元中的比特最不易于受噪声影响(比如，每种颜色的最高有效位)，而用于近处的接收机的消息将被指定为更易受影响的比特。任何错误检测和校正比特将对于每一个比特都被分别计算，并且将在它们的码元中使用同样地比特来作为它们的消息。人们可以认为一个码元的每一比特都将是不同信道的一部分。因此，每个码元的比特0是信道0的一部分，每个码元的比特1是信道1的一部分，每个码元的比特2是信道2的一部分，以此类推。

在接收端，每个行被分成20个数据块(或虽然许多是被预置的)。如果需要，多个行中的对应的数据块被组合以形成消息。如果不可校正，则每个消息被分别检查错误和被丢弃。或早或晚地，每一个接收机通过在每个信道的错误统计的一些其它媒介(比如一种拨号连接)来通知发射机，该每个信道允许发射机为每一个输出的消息选择最优的信道。

这种系统甚至能支持分数bit/Hz。一个系统简单地允许消息在一个帧的同一个点重复。如果接收机在一个信道获取过多地错误，它将在信道中采用高的相关性将帧求和，并且再次应用该技术。因为发射机知道对于一个特定的接收机哪个信道具有更高地错误率，或简单地知道哪个信道更象有很高的错误率，它能够简单地通过那个信道的多个连续帧再次发送消息到那个接收机。在一个通常的模拟电视系统上，由于多路径反射引起的重影是不会被这样一个平均的过程所消除的；然而，由于每个信道携带有不相关的消息及更高的信道具有更少的重复，在这个系统中，重影将也趋于被抑制。

本实施例被认为是最好的应用，其在于它能够被很快地使用不用定制的部件来快速构造。一个传统的系统将能扩展分配给视频强度的带宽，并且忽略电视系统的所有其它细节，除了帧同步标记外。其它系统能够采用除AM之外的调制，所提供的噪声对接收机混淆的群中的码元对的几率的影响是可以理解的。

Claims (9)

1.一种在数字广播系统中用于同时传送多条消息的系统，包括：

多路复用器，用于组合来自多条消息的一个或多个比特为一个数字码元，以便于每个码元拥有来自多条消息的比特；

数模转换器，其包括一个分离的数模转换器和一个射频调制器，其将数字码元转换为模拟码元；

模数转换器，其包括一个分离的射频解调器和一个模数转换器，其将模拟码元转换回数字码元；

多路分解器，其从多个数字码元的对应部分再生出每一条消息；

其中基于信噪比将码元组安排为一个“非混淆”组的层次，然后标签的最高有效位对应于一个特定噪声级别是精确的；

所述码元被标签，以使标签的每一部分在所述层次的一个特定的级别作出选择，并且仅使用对每个码元的部分码元标签来发送每条消息，该每个码元是在所述层次的同一级别中进行的选择。

2.如权利要求1所述的系统，为了增加整条消息被成功发送的几率，其中，

由所述系统在所述多路复用器与所述多路分解器之间传送的码元是选自根据信噪比所划分的非混淆的组的一个层次。

3.如权利要求2所述的系统，为了增加整条消息被成功发送的几率，其中，

所述码元标签的一些部分被特意地留下不用，作为保护带以防止采用较低有效位的消息与采用较高有效位的消息发生相互干扰。

4.如权利要求3所述的系统，为了增加被成功发送的总的数据速率，其中，

不同的接收机被分组为具有不同的接收信噪比的组；

传输到在具有较低信噪比的组中的接收机是采用较高有效位来进行，而传输到在具有较高信噪比的组中的接收机是采用较低有效位来进行。

5.如权利要求3所述的系统，为了增加高优先级的消息被正确接收的几率，其中，

使用较高有效位来发送高优先级的消息，并且使用较低有效位来发送低优先级的消息。

6.如权利要求2或3所述的系统，其中，

一个计算机通过发送的消息来决定待使用的信道，并且增加信息到每条消息以允许执行错误检查；

另一个计算机决定是否一条消息被正确地接收到，并且保持关于每个使用信道传送消息的错误率的统计数据，并且周期性地将全部或部分的这些统计数据与所述计算机进行通信；以及，

所述计算机至少部分地在由所述另一个计算机提供的信息的基础上作出选择。

7.一种如权利要求2或3的系统，包括：

每一条消息都在采用至少一个同步标志描述的帧中被传送；

未被确认为正确接收的消息在随后帧中的同一点被重新发送；

未被正确接收的消息被加入到一个帧信道缓冲器中；以及

所述帧信道缓冲器的同等的有效位被合并以形成另一条消息。

8.如权利要求1所述的系统，其中，

所述数模转换器是一个视频图形卡；以及，

所述模数转换器是一个视频采集卡。

9.如权利要求8所述的系统，其中，

在含有所述视频图形卡的计算机中，被发送的数据是被分散到象素上由软件通过视频图形卡来进行显示，以使输出信号保持在NTSC限制内；以及，

在含有所述视频采集卡的计算机中的软件通过对视频采集卡收到的象素进行插值来再生出所发送的数据。

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