СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОДИРОВАНИЯ СИГНАЛА СВЯЗИ
METHOD AND APPARATUS FOR ENCODING COMMUNICATION SIGNAL

Притязание на приоритет согласно §119 раздела 35 Кодекса законов США
Настоящая патентная заявка притязает на приоритет предварительной заявки № 60/895427 "Кодирование с повторением в ультраширокополосной связи", поданной 16-го марта 2007 г., права на которую переданы настоящему заявителю и которая включена в данный документ посредством ссылки.
Область техники
Настоящее изобретение в общем относится к беспроводной связи и, в частности, к способу и устройству для кодирования сигнала беспроводной связи.
Уровень техники
В области беспроводной связи требуются сложные способы коррекции ошибок, чтобы проверять целостность передаваемых данных и исправлять ошибки, которые могу возникнуть во время передачи. Дополнительно, по мере увеличения полосы пропускания, как правило, также растет частота ошибок, связанных с беспроводной связью.
При реализации нового кодирования с коррекцией ошибок иногда желательно обеспечивать совместимость нового способа кодирования с существующими форматами кодирования с коррекцией ошибок. Таким образом, данные в новом формате кода с коррекцией ошибок могут быть совместимы со старыми устройствами. В других случаях подобная обратная совместимость нежелательна, в частности, если обратная совместимость ухудшает производительность. Соответственно, существует необходимость в кодировании данных с улучшенной коррекцией ошибок, которое обеспечивает уменьшение стоимости и размера устройства, а также сокращение энергопотребления. Дополнительно, желательно, чтобы подобное кодирование было совместимо с существующими форматами кода с коррекцией ошибок.
Сущность изобретения
В одном аспекте настоящего раскрытия предоставлено устройство для кодирования сигнала связи. Устройство включает в себя кодер, сконфигурированный так, чтобы кодировать сигнал связи, увеличивая длину сигнала связи, и кодер повторения, сконфигурированный так, чтобы повторно кодировать часть кодированного сигнала связи, используя, по меньшей мере, часть увеличенной длины сигнала связи. Устройство дополнительно включает в себя перемежитель, сконфигурированный так, чтобы перемежать повторно кодированный сигнал связи.
В еще одном аспекте настоящего раскрытия предоставлен способ кодирования сигнала связи. Способ включает в себя этапы, на которых кодируют сигнал связи, увеличивая длину сигнала связи, и повторно кодируют часть кодированного сигнала связи, используя, по меньшей мере, часть увеличенной длины сигнала связи. Способ дополнительно включает в себя этап, на котором перемежают повторно кодированный сигнал связи.
В еще одном аспекте настоящего раскрытия предоставлено устройство для кодирования сигнала связи. Устройство включает в себя средство для кодирования сигнала связи, чтобы увеличивать длину сигнала связи, и средство для повторного кодирования части кодированного сигнала связи, чтобы использовать, по меньшей мере, часть увеличенной длины сигнала связи. Устройство дополнительно включает в себя средство для перемежения повторно кодированного сигнала связи.
В еще одном аспекте настоящего раскрытия предоставлен процессор для кодирования сигнала связи. Процессор включает в себя кодер, сконфигурированный так, чтобы кодировать сигнал связи, увеличивая длину сигнала связи, и кодер повторения, сконфигурированный так, чтобы повторно кодировать часть кодированного сигнала связи, используя, по меньшей мере, часть увеличенной длины сигнала связи. Процессор дополнительно включает в себя перемежитель, сконфигурированный так, чтобы перемежать повторно кодированный сигнал связи.
В еще одном аспекте настоящего раскрытия предоставлен машиночитаемый носитель информации, содержащий команды для кодирования сигнала связи. Упомянутые команды включают в себя код для кодирования сигнала связи, чтобы увеличивать длину сигнала связи, и код для повторного кодирования части кодированного сигнала связи, чтобы использовать, по меньшей мере, часть увеличенной длины сигнала связи. Упомянутые команды дополнительно включают в себя код для перемежения повторно кодированного сигнала связи.
При изучении следующего подробного описания, в котором в качестве иллюстрации показаны и описаны различные конфигурации настоящей методики, специалистам в данной области техники будут очевидны другие возможные конфигурации настоящей методики. Очевидно, что в рамках объема настоящего изобретения данная методика может быть реализована в других конфигурациях, и ее отдельные элементы могут быть модифицированы различными способами. Соответственно, чертежи и подробное описание следует интерпретировать как иллюстративные, а не как ограничивающие.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схема, иллюстрирующая пример системы беспроводной связи, в которой может быть применено кодирование сигнала связи;
Фиг.2 - концептуальная структурная схема, иллюстрирующая пример структуры заголовка кода Рида-Соломона (РС) для сигнала связи;
Фиг.3A и 3B - концептуальные структурные схемы, иллюстрирующие сравнение функциональных возможностей устройств для кодирования сигнала связи с повторением и без повторения соответственно;
Фиг.4 - концептуальная структурная схема, иллюстрирующая пример сверточного кодера;
Фиг.5 - концептуальная структурная схема, иллюстрирующая пример функциональных возможностей устройства для кодирования сигнала связи;
Фиг.6A и 6B - концептуальные структурные схемы, иллюстрирующие еще одно сравнение функциональных возможностей устройств для кодирования сигнала связи с повторением и без повторения соответственно;
Фиг.7A и 7B - концептуальные структурные схемы, иллюстрирующие еще одно сравнение функциональных возможностей устройств для кодирования сигнала связи с повторением и без повторения соответственно;
Фиг.8 - концептуальная структурная схема, иллюстрирующая еще один пример функциональных возможностей устройства для кодирования сигнала связи;
Фиг.9 - концептуальная структурная схема, иллюстрирующая еще один пример функциональных возможностей устройства для кодирования сигнала связи;
Фиг.10 - график, иллюстрирующий пример производительности кодирования по методу Рида-Соломона и его сравнение с кодированием с повторением в условиях Аддитивного Белого Гауссова Шума (Additive White Gaussian Noise, AWGN);
Фиг.11 - график, иллюстрирующий пример производительности кодирования по методу Рида-Соломона и его сравнение с кодированием с повторением в режиме CM2 и FFI;
Фиг.12 - график, иллюстрирующий пример производительности кодирования по методу Рида-Соломона и его сравнение с кодированием с повторением в режиме CM2 и TFI;
Фиг.13 - график, иллюстрирующий пример производительности кодирования с Расширением во Временной Области и его сравнение с кодированием с повторением в режиме FFI;
Фиг.14 - график, иллюстрирующий пример производительности кодирования с Расширением во Временной Области и его сравнение с кодированием с повторением в режиме TFI;
Фиг.15 - схема последовательности операций, иллюстрирующая кодирование сигнала связи;
Фиг.16 - концептуальная структурная схема, иллюстрирующая пример функциональных возможностей устройства для кодирования сигнала связи.
Подробное описание
Фиг.1 представляет собой схему, иллюстрирующую пример системы 100 беспроводной связи, в которой может быть применено кодирование сигнала связи. Система 100 включает в себя, по меньшей мере, один передатчик 102 и, по меньшей мере, один приемник 106, которые, например, могут быть частью устройств, таких как мобильные телефоны. Несмотря на то что устройства 102 и 106 показаны как мобильные телефоны, они не ограничиваются этим. Устройства 102 и 106 могут представлять собой, например, компьютер, ноутбук, телефон, другой тип мобильного телефона, Персональный Цифровой Секретарь (Personal Digital Assistant, PDA), музыкальный проигрыватель, игровую консоль, фотокамеру, видеокамеру, аудиоустройство, видеоустройство, мультимедийное устройство, компонент(ы) любого из вышеперечисленных (такие, как печатные платы, интегральные схемы и/или компоненты схемы) или любое другое устройство, способное поддерживать беспроводную связь. Устройства 102 и 106 могут быть стационарными или мобильными, и они могут представлять собой цифровые устройства.
Передатчик 102 может передавать сигнал 104 связи в приемник 106. Передатчик 102 может кодировать сигнал 104 связи до его передачи в приемник 106, а приемник 106 может декодировать этот кодированный сигнал 104 связи.
Так, система 100 связи может соответствовать Ультраширокополосной (Ultra-Wideband, UWB) системе, которая представляет собой радиотехнологию для Беспроводных Персональных Сетей (Wireless Personal Area Networks, WPAN). Система 100 связи также может использовать один из множества других протоколов связи. Например, система 100 связи может поддерживать технологию Evolution-Data Optimized (EV-DO) и/или Ultra Mobile Broadband (UMB). EV-DO и UMB являются стандартами радио интерфейса, которые продвигаются Вторым Проектом Партнерства 3-го Поколения (3rd Generation Partnership Project 2, 3GPP2) в качестве части семейства стандартов CDMA2000 и используют методики множественного доступа, такие как Множественный Доступ с Кодовым Разделением (Code Division Multiple Access, CDMA), которые обеспечивают широкополосный доступ в сеть Интернет для мобильных абонентов. Альтернативно, система 100 связи может поддерживать стандарт Long Term Evolution (LTE), который является проектом 3GPP2 для усовершенствования стандарта Универсальной Системы Мобильной Связи (Universal Mobile Telecommunications System, UMTS), который, главным образом, основан на радиоинтерфейсе Широкополосного CDMA (Wideband CDMA, W-CDMA). Система 100 связи также может поддерживать стандарт WiMAX, связанный с форумом WiMAX. Перечисленное является лишь примерами протоколов, и система 100 связи не ограничивается этими примерами.
Фактические протоколы связи, используемые системой 100 связи, зависят от конкретного приложения и общих ограничений, налагаемых на систему. Различные методики, представленные в настоящем раскрытии, в равной степени применимы к любому сочетанию разнородной или однородной системы 100 связи.
Технология UWB, как правило, предоставляет разные опции передачи для низких и высоких скоростей передачи данных. Например, WiMedia UWB представляет собой стандарт скоростей передачи данных, согласно которому текущие скорости передачи данных варьируют от 53,3 Мбит/с до 480 Мбит/с. Упомянутый стандарт основан на Мультиплексировании с Ортогональным Частотным Разделением (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Поскольку предполагается оснащение широкого спектра потребительской электроники, в данном стандарте акцентируется низкая стоимость аппаратной части и низкое энергопотребление. Низкое энергопотребление обычно достигается путем циклического режима работы, где пакеты передаются группой на высокой скорости, и устройство почти отключается между пакетами, тем самым экономя энергию.
Фиг.2 представляет собой концептуальную структурную схему, иллюстрирующую пример структуры заголовка кода Рида-Соломона (RS) для сигнала связи. Код Рида-Соломона недавно был добавлен в стандарт WiMedia для защиты информации заголовка. Несмотря на то что заголовок кода Рида-Соломона соответствует принятой структуре заголовка для физического уровня WiMedia, также могут использоваться другие структуры заголовка. Формат заголовка кода с повторением более подробно описан ниже.
В общем, заголовок содержит информацию, которая, как правило, необходима для декодирования остальной части пакета данных (например, полезной нагрузки). Несмотря на то что полезная нагрузка может передаваться либо на низкой, либо на высокой скорости передачи данных, заголовок, как правило, передается на низкой скорости, чтобы обеспечить лучшую защиту от ухудшений канала и шума.
Согласно одному из исходных проектов WiMedia для структуры заголовка (не показана) к 148 предварительно заданным битам данных добавляется 52 нулевых бита, чтобы обеспечить совместимость заголовка с размером перемежителя. Так, схема Рида-Соломона с Фиг.2 использует дополнение нулями. Следовательно, там присутствовало 52 бита, которые не использовались приемником.
Еще один вариант структуры заголовка, предложенный WiMedia, показан на Фиг.2. В данной структуре 52 добавленных нулевых бита используются для дополнительной защиты заголовка. В этом примере, даже если кодирование полезной нагрузки улучшается, кодирование заголовка все же будет надежнее, чем кодирование полезной нагрузки.
Когда осуществляется передача на самой низкой скорости (53,3 Мбит/с) и полезная нагрузка имеет небольшую длину, из-за ошибок заголовка может возникнуть значительное количество ошибок пакетов. Делая заголовок более стойким к ошибкам, Частота Пакетов с Ошибками (Packet Error Rate, PER), как видно, уменьшается. Дополнительно, более устойчивый к ошибкам заголовок обеспечивает лучшую видимость соседних устройств и пикосетей. Тогда, Управление Доступом к Среде (Media Access Control, MAC) может лучше выполнять планирование и назначение ресурсов. Следует отметить, что не нужно декодировать полезную нагрузку соседа. Необходимо только декодировать заголовок. Таким образом, можно построить карту с указанием близлежащих устройств и типа ресурсов, используемых этими устройствами.
Как упоминалось выше, в качестве структуры для 52 добавляемых битов заголовка стандартом WiMedia принят код Рида-Соломона. Этот код обратно совместим, так что старые устройства, которые игнорируют 52 добавленных бита, могут нормально функционировать. Код Рида-Соломона может удовлетворять этому условию, поскольку он представляет собой систематический код. Иначе говоря, биты информации передаются без изменений, а биты четности вставляются в позиции 52 дополняющих битов. Старые устройства могут игнорировать биты четности и их производительность, как правило, остается неизменной. Новые устройства могут использовать биты четности для улучшения производительности.
Код Рида-Соломона был выбран как систематический код (23, 17), который получается путем сокращения систематического кода (255, 249). Этот код способен корректировать до 3 байтов с ошибками из любых 23 переданных байтов. Четность кода, как правило, вычисляется на основании заголовка Физического Уровня (Physical Layer, PHY) (5 байтов), заголовка MAC (10 байтов) и Контроля с Циклической Избыточностью (Cyclic Redundancy Check, CRC) (2 байта). CRC, как правило, требуется для проверки успешного выполнения декодирования. В целом информация кода Рида-Соломона составляет 17 байтов. Биты четности составляют 6 байтов (48 битов из 52).
Остальные 4 бита из 52 битов используются как концевые биты для сверточного кодера, что более подробно описано ниже. Общее количество байтов для кода Рида-Соломона, информации и четности составляет 23 байта.
Фиг.3A и 3B представляют собой концептуальные структурные схемы, иллюстрирующие сравнение функциональных возможностей устройств для кодирования сигнала связи с повторением и без повторения соответственно. Пунктирные линии на этих схемах обозначают блоки, которые присутствуют в одной схеме, но отсутствуют в другой. Как показано на Фиг.3A, которая содержит код Рида-Соломона вместо повторного кодирования, после того как заголовок кодируется внешним кодером 302 Рида-Соломона, он направляется во внутренний сверточный кодер со скоростью 1/3. Длина кодового ограничения сверточного кодера 304, как правило, составляет 7. После кодирования сверточным кодером 304 заголовок перемежается посредством перемежителя 306.
Общая длина заголовка на входе сверточного кодера 304, как правило, составляет 200 битов, как показано на Фиг.4. Так, на выходе сверточного кодера 304 общая длина составляет 200 x 3 = 600 кодированных битов.
Ссылаясь на Фиг.3B, если удалить кодер 302 Рида-Соломона и добавить кодер 308 повторения, то в большинстве случаев может быть достигнута такая же или лучшая производительность, причем с меньшими требованиями к аппаратному обеспечению и энергопотреблению. Вместо того чтобы учитывать 52 добавляемых бита до сверточного кодера 304, эти биты могут учитываться после сверточного кодера 304.
Фиг.5 представляет собой пример функциональных возможностей устройства для кодирования сигнала связи. Как показано в этой схеме, 52 бита превращаются в 52×3=156 кодированных битов. С другой стороны, полезная информация, как правило, составляет 200-52=148 битов. После сверточного кодера 304 они превращаются в 148×3=444 кодированных бита. Следовательно, 148 битов полезной информации могут быть переданы через сверточный кодер 304, чтобы получить 444 кодированных бита. Далее, в блоке 308 может быть применен шаблон повторения, в результате чего повторяются 156 кодированных битов, чтобы заполнить окно и получить 600 кодированных битов, что необходимо для следующей стадии (перемежитель 306 с Фиг.3B).
Одним из примеров шаблона повторения является повторение всех кодированных битов из верхней ветви сверточного кодера 304 (например, 148 повторенных кодированных битов) и еще 8 битов из нижней ветви сверточного кодера 304, отделенных промежутком в 54 бита. Иначе говоря, можно повторять следующие кодированные биты: с 0 по 441 с шагом 3; и с 2 по 380 с шагом 54.
Также могут применяться другие шаблоны повторения. Например, согласно одной, относительно простой, схеме может использоваться дробный шаг, чтобы выбирать биты, которые нужно повторить. Это более подробно описано ниже, со ссылкой на Фиг.6B.
Ссылаясь на Фиг.3B, общее количество повторяемых битов, как правило, составляет 156. Для повторяемых битов есть две следующие опции.
- Повторяемые биты могут быть добавлены в конец, чтобы сформировать 600 кодированных битов.
- Повторяемые биты могут быть вставлены между исходными битами.
Опция добавления повторяемых битов в конец может обеспечивать обратную совместимость со старыми устройствами, которые игнорируют повторяемые биты. Процесс декодирования приемника для этой схемы повторений рассматривается как достаточно простой (например, с простой логикой сумматора и счетчика) по сравнению с декодированием Рида-Соломона. Дополнительно, новые устройства могут использовать преимущество повторения, или они могут игнорировать его, если требуется экономить энергию, когда MAC определяет, что нет необходимости в дополнительной производительности. Несмотря на то что есть требования к буферизации, связанные с этим подходом эти требования также присутствуют в подходе Рида-Соломона.
Что касается второй опции, согласно которой повторяемые биты вставляются между исходными битами, этот подход рассматривается как более простой с точки зрения аппаратного обеспечения, и, как правило, в буферизации нет необходимости. Тем не менее, в этом случае, как правило, обратная совместимость отсутствует. В таких случаях, сообщения MAC или специальный бит заголовка могут сигнализировать тип формата заголовка (например, старый или новый формат заголовка).
В дополнение к вышеописанным преимуществам кодирования с повторением в заголовке, можно отметить, что задержка, добавляющаяся из-за обработки, пренебрежимо мала. С другой стороны, при кодировании Рида-Соломона кодер Рида-Соломона может привести к значительной задержке из-за последовательной обработки. Задержка подразумевает дополнительную буферизацию принятого сигнала.
Одна проблема, которую нужно учитывать на стороне приемника в случае кодирования с повторением, заключается в битовой ширине на входе декодера Витерби. После аннулирования повторения битовая ширина может увеличиться на 1 бит и может иметь место насыщение.
В дополнение к заголовку, кодирование с повторением может также применяться для полезной нагрузки. Например, блок повторения может быть использован для защиты коротких полезных нагрузок и, возможно, для реализации более низких скоростей передачи данных, таким образом увеличивая дальность передачи. Так, любая короткая полезная нагрузка может автоматически использовать настоящее преимущество (например, короткие голосовые пакеты, передаваемые каждые 20 мс). Кроме того, добавление нулей до сверточного кодера может быть заменено кодом с повторением после сверточного кодера.
Фиг.6A и 6B представляют собой концептуальные структурные схемы, иллюстрирующие еще одно сравнение функциональных возможностей устройств для кодирования сигнала связи с повторением и без повторения соответственно. Фиг.6A иллюстрирует использование блока 602 дополнения нулями, сверточного кодера 304, блока 604 выкалывания и перемежителя 606. Фиг.6B иллюстрирует применение сверточного кодера 304, блока 608 повторения, блока 604 выкалывания и перемежителя 606.
Как показано на Фиг.6B, блок 608 повторения может быть вставлен между сверточным кодером 304 и блоком 604 выкалывания. На стороне приемника (не показан) блок 608 повторения может быть вставлен между блоком обратного выкалывания и декодером Витерби. Дополнение нулями (см. элемент 602 с Фиг.6A), как правило, не выполняется. Вместо этого размер области дополнения нулями сообщается в блок 608 повторения, чтобы вычислить размер шага между повторяемыми битами. Повторяемые биты могут быть размещены в области, зарезервированной для дополнения нулями, чтобы сохранить обратную совместимость. В таких случаях может потребоваться дополнительная буферизация.
Тем не менее, если обратная совместимость не нужна, то флаг в заголовке может указывать, что активирована возможность повторения полезной нагрузки. Таким образом, повторяемые биты могут быть смешаны с исходными битами и не будет необходимости в буферизации.
Дополнительно, размер шага между повторяемыми битами может быть дробным числом, которое накапливается до тех пор, пока оно не перейдет границу целого числа. При каждом переходе границы дробным числом можно повторять один бит. Размер шага также может содержать 3 дробных числа - по одному на каждую ветвь сверточного кодера 304.
Следует отметить, что блок 608 повторения также может уменьшать скорость передачи данных полезной нагрузки ниже текущей скорости 53,3 Мбит/с, чтобы увеличить дальность передачи. Величина повторения может быть сигнализирована в заголовке. Блок 608 повторения может вычислять целый или дробный размер шага и соответствующим образом повторять биты. Например, скорость 53,3 Мбит/с может быть разделена на 4, чтобы получить скорость 13,3 Мбит/с, усиление распространения 6 дБ, что примерно удваивает дальность передачи. Повторяющиеся биты могут быть вставлены между кодированными битами. Дополнительно, перемежитель 606 может автоматически распределять повторяемые биты на разные поднесущие и частотные диапазоны. Тем не менее, при увеличенной дальности сам заголовок, предпочтительно, передается на более низкой скорости передачи данных. В добавление, преамбула, как правило, растягивается по длине, что осложняет выполнение простого детектирования преамбулы.
Как упомянуто выше, кодирование с повторением может быть использовано в заголовке и/или полезной нагрузке. В дополнение к перечисленным применениям, код с повторением иногда может использоваться в качестве замены Расширения Частотной Области (Frequency Domain Spreading, FDS) и Расширения Временной Области (Time Domain Spreading, TDS) по стандарту WiMedia. FDS и/или TDS может соответствовать блоку расширения или способу расширения. Этот код с повторением может обеспечивать более высокую производительность за счет более высокого энергопотребления. Фиг.7A и 7B представляют собой концептуальные структурные схемы, иллюстрирующие еще одно сравнение функциональных возможностей устройств для кодирования сигнала связи с повторением и без повторения соответственно. Фиг.7A иллюстрирует сверточный кодер 304, блок 702 выкалывания, перемежитель 704 и блок 706 FSD/TDS. Фиг.7B иллюстрирует сверточный кодер 304, блок 708 повторения, блок 704 выкалывания и перемежитель 704.
Для определенных скоростей передачи данных (например, 80 Мбит/с и 200 Мбит/с) схемы кодирования FDS и TDS не являются предпочтительными. Это обусловлено, по меньшей мере, двумя следующими факторами.
- Согласно методам FDS и TDS некая форма повторения, как правило, применяется после выкалывания, что приводит к потерям даже в условиях AWGN (например, примерно 0,25 дБ для скорости 80 Мбит/с и 0,6 дБ для скорости 200 Мбит/с).
- Согласно этим методам некая форма повторения, как правило, применяется после перемежения, что приводит к потере разнесения в каналах без AWGN и к нарушениям перемежения. Это происходит чаще всего тогда, когда скачкообразное переключение частоты отключено (например, в модели CM2 канала без скачкообразного переключения частоты имеют место потери величиной примерно 0,5 дБ для скорости 53 Мбит/с и 1 дБ для скорости 80 Мбит/с).
Например, согласно одному сценарию имеют место потери величиной более 1 дБ. Несмотря на то что методы FDS и TDS демонстрируют невысокую производительность на определенных скоростях, эти методы (например, с применением блока 702 выкалывания с Фиг.7A) обеспечивают возможность работы аппаратного обеспечения на низкой скорости и, следовательно, обеспечивается возможность сокращения энергопотребления. Соответственно, схема кодирования с повторением с Фиг.7B иногда может использоваться для экономии энергии за счет производительности, и заголовок может сигнализировать об используемой схеме. Схема кодирования с повторением с Фиг.7B обеспечивает улучшенную форму повторения и компенсирует потери, связанные со схемой с Фиг.7A.
На Фиг.7А, если сверточный кодер 304 принимает входные данные, имеющие битовую скорость 200 Мбит/с, то затем сверточный кодер 304 может генерировать кодированные данные с битовой скоростью 600 Мбит/с, которая в три раза больше входной скорости. Кодированные данные могут быть отправлены в блок 702 выкалывания, чтобы сделать кодированную битовую скорость в 320 Мбит/с, которые можно повторить дважды через TDS, чтобы получить окончательную кодированную битовую скорость в 640 Мбит/с. Это можно сопоставить, например, тонам QPSK.
Фиг.8 представляет собой концептуальную структурную схему, иллюстрирующую другой пример функциональных возможностей устройства для кодирования сигнала связи. Ссылаясь на Фиг.7B и 8, в этом примере входные данные с битовой скоростью 200 Мбит/с вводятся в сверточный кодер 304. После сверточного кодера 304 битовая скорость, как правило, в три раза больше, то есть она составляет 600 Мбит/с. В этом примере, после сверточного кодера 304 выкалывание не выполняется. Вместо этого блок 708 повторения может повторить некоторую часть из 600 Мбит/с, чтобы получить скорость 640 Мбит/с. Например, блок 708a повторения может выполнять повторение один раз каждый 15-й кодированный бит. Это может быть сопоставлено, например, тонам QPSK. Это повторение позволяет аппаратному обеспечению работать на более низкой скорости и экономить энергию, аналогично TDS и FDS.
Ссылаясь на Фиг.7B и 8, битовая скорость кодирования 640 Мбит/с до перемежителя 704 схожа со скоростью, обеспечиваемой существующими схемами обмена данными, такой как 480 Мбит/с. Соответственно, блок 704a, который может, например, включать в себя перемежитель 704 и другие блоки, может быть установлен в режим работы с высокой скоростью обмена данными без необходимости дополнительного аппаратного обеспечения. Кроме того, Быстрое Преобразование Фурье (Fast Fourier transform, FFT), как правило, выполняется в два раза быстрее при высоких скоростях обмена данными.
Фиг.9 представляет собой концептуальную структурную схему, иллюстрирующую еще один пример функциональных возможностей устройства для кодирования сигнала связи. Как упоминалось выше со ссылкой на Фиг.7A и 7B, схема кодирования с повторением иногда может использоваться вместо схемы блока выкалывания/FDS/TDS, чтобы экономить энергию за счет производительности, а заголовок может сигнализировать используемую схему.
В примере с Фиг.9 схема кодирования с повторением показана как ветвь 904, а схема блока выкалывания/FDS/TDS показана как ветвь 902. Кроме того, селектор (не показан) может использоваться для выбора между ветвями 902 и 904. Селектор может выбрать одну из ветвей на основании, например, компромиссного решения между экономией энергии и производительностью. Например, для таких скоростей обмена данными, как 80 Мбит/с и 200 Мбит/с, селектор может выбрать ветвь 904 кодирования с повторением. Если селектор выбирает ветвь 904 кодирования с повторением, то перемежитель 704 и следующие за ним блоки (см., например, блок 704a с Фиг.8) могут использовать режим высокой скорости обмена данными.
Селектор может быть реализован до сверточного кодера 304 или в самом сверточной кодере 304. Селектор также может быть реализован после сверточного кодера 304, но до блока 702 выкалывания или блока 708 повторения (или 708a с Фиг.8).
По существу, кодирование с повторением может быть использовано для заголовка, полезной нагрузки и/или для замещения кодирования FDS/TDS. Кодирование с повторением обеспечивает более эффективную коррекцию ошибок, а также меньшую стоимость, размер и энергопотребление. В добавление, подобное кодирование может быть совместимо с существующими форматами кода с коррекцией ошибок.
Более подробное описание имитации производительности кодирования с повторением приведено ниже. Фиг.10-12 представляют собой графики, иллюстрирующие пример производительности кодирования с повторением в условиях AWGN. В частности, Фиг.10 представляет собой иллюстрацию примера производительности кодирования по методу Рида-Соломона и его сравнение с кодированием с повторением в условиях AWGN. Фиг.11 представляет собой иллюстрацию примера производительности кодирования по методу Рида-Соломона и его сравнение с кодированием с повторением в режиме CM2 и FFI. Фиг.12 представляет собой иллюстрацию примера производительности кодирования по методу Рида-Соломона и его сравнение с кодированием с повторением в режиме CM2 и TFI.
В упомянутых чертежах CM2 соответствует Модели 2 Канала (Channel Model 2, CM2) стандарта IEEE 802.15.3, но без затенения. В дополнение, на Фиг.11 скачкообразное переключение частоты выключено, что соответствует Перемежению на Фиксированной Частоте (Fixed Frequency Interleaving, FFI) спецификации WiMedia.
b
0
На Фиг.12, скачкообразное переключение частоты включено, что соответствует Частотно-Временному Перемежению (Time and Frequency Interleaving, TFI). В режиме TFI с использованием кодирования с повторением охватываются три частотные полосы, и мощность передачи может быть увеличена почти до порогового значения (~4,7 дБ). Результаты определяют Частоту Ошибок в Заголовке (Header Error Rate, HER) как функцию от отношения сигнала к шуму, то есть от величины E/N.
b
0
-3
-4
Как показано на Фиг.10, кодирование Рида-Соломона превосходит кодирование с повторением при высоких значениях E/N, что соответствует низкому значению HER. Как правило, код Рида-Соломона полезен, когда ошибки происходят с высокой концентрацией. Тем не менее, предпочтительный диапазон представляет собой диапазон HER, который соответствует PER полезной нагрузки, которая, как правило, гораздо больше чем 10. При таком значении PER величина HER, равная примерно 10, более чем достаточна.
-4
b
0
Ссылаясь на Фиг.10, в полезном диапазоне, где HER>10, кодирование с повторением либо превосходит кодирование Рида-Соломона, либо незначительно хуже его - менее чем на 0,2 дБ. Более того, код с повторением более устойчив к затенению при заданной высокой производительности и малой величине E/N. Код с кодированием рассматривается как гораздо более простой код, который обеспечивает достаточную защиту заголовка в целевом диапазоне.
Следует отметить, что производительность в режиме FFI (например, Фиг.11) лучше, чем в режиме TFI (например, Фиг.12), поскольку в режиме FFI 6 символов выделяются для оценки канала, тогда как в режиме TFI только 2 символа выделяются для оценки канала на частотную полосу. Тем не менее, поскольку в режиме TFI в устройстве UWB мощность передачи может быть в 3 раза выше, в действительных системах эта разница в производительности, как правило, будет отсутствовать. Ограничение по мощности, налагаемое на режим FFI, ограничивает возможности этого режима. Соответственно, эти два режима, проиллюстрированные на Фиг.11 и 12, не следует сравнивать напрямую.
Как показано на Фиг.10-12, код с повторениями во многих случаях превосходит код Рида-Соломона. Одна из причин заключается в том, что исходный код Рида-Соломона имеет форму (255, 249) и код с повторением не может с ним конкурировать, поскольку в 6 байтах из 249 нет достаточно места для повторения. Но после сокращения кода до формы (23, 17) код с повторением становится конкурентоспособным. В 6 байтах из 17, как правило, есть достаточно места для повторения.
-3
В частности, при низких значениях HER (например, примерно 10), после декодирования Витерби в одном пакете, как правило, наблюдается максимум одна ошибка. Это событие ошибки может транслироваться в смежный сегмент некорректных битов, который протягивается на 1, 2, 3 или более последующих байтов. Когда ошибка меньше или равна 3 байтам, код Рида-Соломона, как правило, может исправить ошибку. Тем не менее, если ошибка равна или больше 4 байтов, то код Рида-Соломона, как правило, не может исправить ошибку.
b
0
b
0
-3
Длина ошибки в байтах после декодера Витерби практически не зависит от длины пакета. Скорее, длина ошибки, как правило, зависит только от рабочей величины E/N для обеспечения HER, равной 10. Следовательно, относительно размера пакета (23 байта или 255 байтов), при желаемом рабочем значении E/N, как правило, будет только одно событие ошибки длиной порядка 3 байта. Код Рида-Соломона обеспечивает фиксированное усиление:
Усиление Кода Рида-Соломона≈1,3 дБ (Уравнение 1)
независимо от длины пакета (23 или 255 байтов). Таким образом, пакет из 255 байтов соответствует несокращенному коду Рида-Соломона, тогда как пакет из 23 байтов соответствует его сильно сокращенной версии.
С другой стороны, усиление кода с повторением, как правило, зависит от размера пакета. Если длина информации заголовка составляет n байтов и длина повторения составляет m=6 байтов, то при условии, что биты повторения должным образом распределяются, усиление повторения может быть выражено следующим образом:
10
Усиление Повторения=10 log(1+m/(n-m)) dB (Уравнение 2)
b
0
Усиление повторения не зависит от рабочего значения E/N. Для n=255 байтов, усиление составляет лишь 0,1 дБ, и, как правило, представляется сложным правильно распределить повторяемые биты. Если n=23 байта, то усиление составляет 1,3 дБ, и биты повторения могут быть плавно распределены после сверточного кодера 304. Соответственно, повторение в WiMedia UWB обеспечивает усиления, схожие с кодом Рида-Соломона.
Ссылаясь на Фиг.11, для AWGN ошибки имеют тенденцию плотной концентрации. Часто ошибки сконцентрированы в менее чем 3 байтах. Декодер Витерби может выполнять быстрое восстановление после события ошибки. В случае такого канала, как канал CM2 стандарта IEEE 802.15.3, ошибки имеют тенденцию распределения по большему количеству байтов: декодеру Витерби для восстановления после события ошибки требуется больше времени, поскольку новые входные метрики могут быть слабыми. Соответственно, в канале с выключенным скачкообразным переключением частоты код Рида-Соломона работает значительно хуже.
Причина подобного ухудшения производительности может быть связана с усилением разнесения. Несмотря на то что декодер с повторением действует до декодера Витерби и использует преимущества разнесения, декодер Рида-Соломона действует после декодера Витерби и усиление разнесения практически отсутствует. В действительности, в существующем кодировании заголовка по стандарту WiMedia используется субоптимальное разнесение частотной и временной области, и наблюдается недостаток разнесения в режиме FFI, что более подробно описано ниже. Код с повторением восстанавливает потери разнесения. Как показано на Фиг.12, в режиме TFI кодирование WiMedia обеспечивает достаточно разнесения, и, следовательно, как код с повторением, так и код Рида-Соломона действуют как в условиях AWGN.
b
0
Фиг.13 и 14 иллюстрируют дополнительные примеры производительности кодирования с повторениями. Фиг.13 представляет собой иллюстрацию примера производительности кодирования с Расширением во Временной Области и его сравнение с кодированием с повторением в режиме FFI, а Фиг.14 представляет собой иллюстрацию примера производительности кодирования с Расширением во Временной Области и его сравнение с кодированием с повторением в режиме TFI. Более конкретно, Фиг.13 иллюстрирует результаты имитации полезной нагрузки для скорости 200 Мбит/с в условиях AWGN и в канале CM2 IEEE 802.15.3, но без затенения, в режиме FFI. Фиг.14 иллюстрирует те же графики, но в режиме TFI. Результаты показывают Частоту Ошибок в Пакете (Packet Error Rate, PER) как функцию от отношения сигнала к шуму, то есть от величины E/N.
Как показано на Фиг.13 и 14, в условиях AWGN код с повторением обеспечивает усиление кодирования примерно 0,6 дБ относительно TDS. В дополнение, в канале CM2 код с повторением имеет усиление разнесения 0,6 дБ в режиме FFI и 0,3 дБ в режиме TFI. Следовательно, общее усиление составляет 1,2 дБ в режиме FFI и 0,9 дБ в режиме TFI. Несмотря на расширение схема TDS имеет некоторый недостаток разнесения в режиме FFI.
Соответственно, путем использования кода с повторением вместо кода Рида-Соломона в WiMedia UWB может быть осуществлена простая реализация с лучшей производительностью. Сложность кодера/декодера предлагаемой схемы повторения практически не отличается от таковой для схемы Рида-Соломона.
Дополнительно, схема кода с повторением может быть использована для улучшения производительности системы для коротких полезных нагрузок, где достигаются скорости передачи данных ниже 53,3 Мбит/с, а также для передачи на существующих скоростях, что более эффективно по сравнению со схемами расширения, такими как TDS и FDS.
Фиг.15 представляет собой схему последовательности операций, иллюстрирующую кодирование сигнала связи. На этапе 1502 сигнал связи кодируется, чтобы увеличить длину сигнала связи. На этапе 1504 часть кодированного сигнала связи повторно кодируется, чтобы использовать, по меньшей мере, некоторую часть увеличенной длины сигнала связи. На этапе 1504 повторно кодированный сигнал связи перемежается.
Фиг.16 представляет собой концептуальную структурную схему, иллюстрирующую пример функциональных возможностей устройства для кодирования сигнала связи. Устройство 1602 включает в себя модуль 1604 для кодирования сигнала связи, чтобы увеличивать длину сигнала связи. Устройство 1602 дополнительно включает в себя модуль 1606 для повторного кодирования части кодированного сигнала связи, чтобы использовать, по меньшей мере, некоторую часть увеличенной длины сигнала связи. Кроме того, устройство 1602 включает в себя модуль 1608 для перемежения повторно кодированного сигнала связи.
Специалистам в данной области техники будет очевидно, что различные иллюстративные блоки, модули, элементы, компоненты, способы и алгоритмы, описанные в настоящем документе, могут быть реализованы как электронное аппаратное обеспечение, компьютерное программное обеспечение или их комбинации. Например, каждый из сверточного кодера, блока повторения и перемежителя может быть реализован как электронное аппаратное обеспечение, компьютерное программное обеспечение или их комбинация. Для ясной иллюстрации этой взаимозаменяемости аппаратного обеспечения и программного обеспечения, различные иллюстративные блоки, модули, элементы, компоненты, способы и алгоритмы описаны в терминах их функциональности. Способ реализации такой функции - как аппаратное обеспечение или программное обеспечение - зависит от конкретного приложения и конструктивных ограничений, налагаемых на систему в целом. Специалисты в данной области техники могут реализовать описанные функциональные возможности различными способами для каждого конкретного приложения. В рамках объема настоящей технологии, различные компоненты и блоки могут быть устроены различным образом (например, они могут быть сгруппированы в другом порядке или разделены иным образом).
Примеры конкретных протоколов связи и форматов были даны для иллюстрации настоящей методики. Тем не менее, настоящая методика не ограничивается этими примерами и она применима к другим протоколам связи и форматам.
Следует понимать, что конкретный порядок или иерархия этапов в раскрытых процессах является только примером. На основании предпочтений конструкции конкретный порядок или иерархия этапов в процессах может быть изменена. Некоторые из этапов могут выполняться одновременно. Пункты прилагающейся формулы изобретения, определяющие способы, представляют элементы различных этапов в иллюстративном порядке, и они не предназначены для ограничения конкретного представленного порядка или иерархии.
Вышеизложенное описание приведено для того, чтобы любой специалист в данной области техники мог реализовать различные описанные аспекты. Специалистам в данной области техники будут очевидны различные модификации этих аспектов, и общие принципы, определенные в настоящем документе, могут быть применены к другим аспектам. Соответственно, формула изобретения не ограничивается показанными в настоящем документе аспектами, и ей следует сопоставить полный объем, причем, если не указано иного, ссылки на определенный элемент в единственном числе обозначают не "один и единственный", а "один или более". Если не указано иного, термин "некоторый" обозначает один или более элементов. Местоимения мужского рода (например, его) включают в себя женский и средний род (например, ее и его) и наоборот. Все структурные и функциональные эквиваленты элементов различных аспектов, которые описаны в настоящем раскрытии и которые известны или станут известны специалистам в данной области техники, явным образом включены в настоящий документ посредством ссылки, и они охватываются прилагаемой формулой изобретения. Более того, ничто из раскрытого в настоящем документе не предназначено для предоставления общественности, независимо от того, что подобное раскрытие в явном виде приведено в формуле изобретения. Ни один элемент формулы изобретения не должен истолковываться согласно условиям §112 раздела 35 кодекса законов США, если элемент в явной форме не выражен посредством фразы "средство для" или - в случае элемента формулы изобретения на способ - посредством фразы "этап для".