| Author | Hui Li |
| Title | Punktierte Faltungscodes und trelliscodierte Modulation mit ungleichförmigem Fehlerschutz |
| Date | 1997 |
| Tutor | Prof. Noll |
| Abstract | Die vorliegende Arbeit beschreibt Kanalcodierungen mit ungleichförmigem Fehlerschutz (UEP), die nicht nur effizienten Schutz vor Störungen bieten, sondern auch bei der Implementierung flexibel und aufwandsarm sind. Sie wurden zwar für die Übertragung digitaler Sprachsignale in Mobilfunkkanälen vorgesehen, lassen sich jedoch auch in anderen Bereichen verwenden, wo ungleichförmiger Fehlerschutz gefordert wird (z. B. bei digitalem Hör- und Fernsehfunk). In Satelliten-Mobilfunkkanälen wird die Datenrate eines ursprünglichen digitalen Sprachsignals (z. B. 64kbits/s) vor der Übertragung durch einen Quellencodierer deutlich reduziert (z. B. 4 bis 8 kbit/s), um eine bessere Ausnutzung der vorhandenen Bandbreite zu erreichen. Dadurch steigt jedoch die Fehlerempfindlichkeit der Übertragung. Es ist daher notwendig, eine Kanalcodierung einzuführen. Die zur Verfügung stehende Redundanz für die Kanalcodierung ist jedoch beschränkt. Um eine möglichst gute Übertragungsqualität bei der geforderten Übertragungsrate zu gewährleisten, wird das Konzept eines ungleichförmigen Fehlerschutzes bei der Kanalcodierung berücksichtigt, da die Fehlerempfindlichkeit der einzelnen Codebits im codierten Sprachsignal unterschiedlich ist. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei neue Verfahren für die UEP-Kanalcodierung entwickelt und optimiert. Sie beziehen sich auf punktierte Faltungscodierung und trelliscodierte Modulation und werden als raten-selektive punktierte Faltungscodierung (RSPC) und hzybridphasige trelliscodierte Modulation (HPTCM) bezeichnet. In beiden Verfahren wurden zwei Kriterien beim Entwurf des optimalen Faltungscodierers separat benutzt, nämlich die minimale Hamming-Distanz und die euklidische Distanz. Die punktierten Faltungscodes mit fester Codesymbollänge wurden in dieser Arbeit als RSPC-Codes bezeichnet. Sie wurden von den bekannten, besten Faltungscodierern der Coderate ½ und mit Hilfe der in dieser Arbeit optimierten Punktierungsmatrizen generiert. Die optimierten RSPC-Codes der Raten 6/12, 7/12, 8/12, 9/12, 10/12 und 11/12 wurden ausführlich beschrieben, andere RSPC-Codes sind im Anhang angegeben. Die Vorteile der RSPC-Codes lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: * Der RSPC-Code der Rate (Ömk)/(mn)(m=1,2...) ermöglicht eine Verbesserung der Codierungseigenschaften eines normalen PC-Codes der Rate k/n, da der RSPC-Code von einer größeren Punktierungsmatrix erzeugt wird. Dies ist an Hand der gefundenen RSPC-Codes bestätigt worden. * Kanalcodierungssysteme mit RSPC-Codes sind sehr flexibel, da Interleaver und Modulator im System wegen der gleichen Codesymbollänge der RSPC-Codes nicht von der Variation der Coderate beeinflußt werden. Um die Übertragungsrate zu erhöhen, wurde ein RSPC-89PSK-System mit einer aufwandsreduzierten dreistufigen Viterbi-Decodierung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, daß die Aufwandsreduzierung im Decodierer zu keinem wesentlichen Leistungsverlust führt. Im Vergleich mit der in [ KZS92] veröffentlichten mehrstufigen codierten Modulation, in der das "set partition"-Verfahren verwendet wurde, braucht das RSPC-.8PSK-System bei der Übertragunsrate von 2 bit/Symbol und BER = 10-4 im AWGN- und Rice-Kanalbenötigen beide jedoch den gleichen SNR-Wert. Zur weiteren Verbesserung der Flexibilität des RSPC-8PSK-Systems wurden hierarchische RSPC-8PSK-Systeme untersucht, in denen die Eigenschaften des 8PSK-Modulators und die mehrstufige Viterbi-Decodierung besser genutzt werden können. In 8PSK-Phasenzustandsdiagrammen haben die vom 8PSK-Symbol dargestellten 3 Bits normalerweise unterschiedliche Fehlerempfindlichkeiten. Werden die 3 B ist jedes 8 PSK-Symbols im RSPC-8PSK-System aus drei verschiedenen RSPC-Codes zusammengesetzt, wird das System als hierarchisches RSPC-8PSK-System bezeichnet, und im System stehen mehrere Fehlerschutzstufen gleichzeitig zur Verfügung. Die Differenzen zwischen den Fehlerschutzstufen lassen sich zusätzlich durch den Einsatz eines ungleichförmigen Phasenzustandsdiagramms verändern. Die UEP-kanalcodierung im hierarchischen System kann dabei zwei Varianten benutzen, nämlich die RSPC-Codierung und den Einsatz eines ungleichförmigen Phasenzustandsdiagramms. Trelliscodierte Modulation (TCM) ist in der letzten Zeit häufig als sehr effektive Kanalcodierung untersucht worden. In dieser Arbeit wurde das TCM-Verfahren auf UEP-Anwendungen erweitert. Dazu wurde die hybridphasige Trelliscodierte Modulation (HPTCM) vorgeschlagen. Ein einfaches HPTCM-System wurde auf der Basis der Viterbi-TCM entwickelt, es besteht aus je einem Faltungscodierer und Decodierer (HPTCM-1). Im Trellisdiagramm des Faltungscodierers gibt es parallele Zweige zwischen den Zuständen, und deswegen gibt es im System codierte und uncodierte Invormationsbits. Die Übertragungsrate des Systems wurde durch die Einschaltung oder Ausschaltung der parallelen Zweige variiert. Es wurde bestätigt, daß die codierten und uncodierten Informationsbits bei UEP-Kanalcodierung separat behandelt werden sollten, da die Bitfehlerrate der codierten und uncodierten Informationsbits im AWGN-Kanal,. insbesondere aber im Rice- und Rayleigh-Kanal, deutlich unterschiedlich sind. Der wesentliche Nachteil des HPTCM-1-Systems liegt darin, daß die Anzahl uncodierter Informationsbits bei Erhöhung der Übertragungsrate des Systems erhöht wird, während die Anzahl codierter Informationsbits unverändert bleibt. Zur Vermeidung uncodierter Informationsbits im HPTCM-System wurde ein aus drei TCM-Systemen (4PSK-, 8PSK- und 16PSK-TCM) bestehendes HPTCM-System (HPTCM-3) untersucht. Die Trellisdiagramme der drei Faltungscodierer dürfen keine parallelen Zweige haben. Solche 4PSK-TCM und 8 PSK-TCM waren aus der Literatur bekannt. Die 16PSK-TCM wurde in dieser Arbeit neu eingeführt. Die Simulationen zeigten, daß das HPTCM-3-System im Rice- und Rayleigh-Kanal eine deutlich bessered Leistungsfähigkeit als das HPTCM-1-System aufweist. Eine weitere Optimierung des HPTCM-3-Systems wurde in der Arbeit begonnen, erwies sich jedoch bisher noch nicht als sehr erfolgreich. Die Schwierigkeit besteht in der Auswahl des Optimierungskriteriums. Die bisher verwendete euklidische Distanz ist für die Optimierung des HPTCM-3-Systems nicht sehr geeignet. Die Leistungsfähigkeit der beiden entwickelten Coldierungssysteme, RSPC-8PSK und HPTCM-3, wurden im AWGN-, Rice und Rayleigh-Kanal miteinander verglichen. Es zeigt sich, daß im AWGN-Kanal das HPTCM-3-System eine bessere Leistungsfähigkeit hat als das RSPC-8PSK-System; im Rice-Kanal weisen die beiden Systeme fast gleiche Codierungseigenschaften auf, während im Rayleigh-Kanal das RSPC-8PSK-System eine deutlich bessere Leistungsfähigkeit hat als das HPTCM-3-System. Der Rechenaufwand im RSPC-8PSK-Decodierer bei niedriger Übertragungsrate ist höher als im HPTCM-3-Deocierer, während bei hoher Übesrtragungsrate das RSPC-8PSK-System aufwandsärmer als das HPTCM-3 ist. Ein digitales Sprachübertragungssystem, bestehend aus CELP-Codierer und –Decodierer, Kanalcodierer und Kanaldecodierer, Modulator und Demodulator wurde simuliert. Die gesamte Bitrate des Systems beträgt 10 kbit/s, davon benutzt der CELP-Codierer 6,65 kbits/s. Die mittlere Übertragungsrate im Kanal beträgt ca. 2 bit/Symbol. Die im System untersuchten 6 Kanalcodierungen waren: * RSPC-8PSK-Verfahren * hierarchisches RSPC-8PSK-Verfahren * HPTCM-1-Verfahren * HPTCM-3-Verfahren * punktierte Faltungscodierung mit einem gleichgewichtigen Fehlerschutz (PC-EEP) * QPSK-Modulation ohne Kanalcodierung Sie wurden im AWGN-, Rice- und Rayleigh-Kanal durch die Bewertung des Segment-SNR miteinander verglichen. Die Ergebnisse sind: * im AWGN-Kanal weist das decodierte Sprachsignal mit HOPTCM-1 den größten Segment-SNR- der 6 Codierungsverfahren auf. Der Codierungsgewinn kann 2 dB erreichen (bei Segment-SNR = 5 dB, HPTCM-1 gegenüber QPSK). * im Rice-Kanal hat das decodierte Sprachsignal mit HPTCM-1 den größten Segment-SNR. Der maximale Codierungsgewinn (HPTCM-1 gegenüber QPSK) beträgt 3 dB. * im Rayleigh-Kanal hat das decodierte Sprachsignal mit RSPC das beste Ergebnis erreicht. Der maximale Codierungsgewinn (RSPC-8PSK gegenüber OPSK) beträgt 5 dB. Weitere Untersuchungen könnten effiziente Decodierungen in UEP-Codiersystemen und algebraische Codierverfahren für UEP-Anwendungen einschließen, z. B. die Anwendung von Reed-Solomon-Codes (RS-Codes) und Bose-Chaudhuri-Hocquenghem-Codes (BCH-Codes). |