DE3320948A1 - Verfahren zur synchronisation in einem datenuebertragungssystem bei verwendung eines linearen blockcodes - Google Patents

Verfahren zur synchronisation in einem datenuebertragungssystem bei verwendung eines linearen blockcodes

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    • H04L1/0057Block codes

Description

Philips Patentverwaltung GmbH PHD 83308
09.06.1983
Verfahren zur Synchronisation in einem Datenubertragungssystem bei Verwendung eines linearen Blockcodes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchronisation einer Datensinke auf eine Datenquelle eines Datenübertragungssystems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In einem Datenübertragungssystem mit Datensinken und Datenquellen können zwischen diesen über Übertragungskanäle Meldungen ausgetauscht werden. Diese Meldungen können eine Wortstruktur aufweisen und beispielsweise aus aneinandergereihten Codewörtern eines linearen Blockcodes bestehen. Ein Blockcode ist ein Code mit gleich langen Codewörtern, bei dem eine Folge von zu codierenden Symbolen (Daten) oder Wörtern einer Quelle in gleichlange Blöcke unterteilt werden. Den Symbolen oder Wörtern der Datenquelle wird jeweils ein Codevuort zugeordnet. Bei einem linearen Blockcode ergibt jede Linearkombination von Codewörtern wieder ein Codewort.
Werden Codewörter aneinandergereiht und in kontinuierlicher Folge über den Übertragungskanal übertragen, so muß empfangsseitig eine Unterteilung der Folge in Codewörter, d.h. eine Wortsynchronisation, vorgenommen werden. Bei Verlust der Wortsynchronisation werden einem Decoder Kombinationen aus Codeelementen zugeführt, welche aus zwei aufeinanderfolgenden Codewörtern stammen. Eine Decodierung ist dann nicht möglieh, wenn kein Codewort aus dem Codewortvorrat zugewiesen werden kann.
In "Fehlerkorrigierende Block-Codierung für die Datenübertragung" von F.J. Furrer, Birkhäuser Verlag, 1981
Seiten 238 bis 250 sind Verfahren zur Wortsynchronisation bei hintereinander übertragenen Codewörtern bei Verwendung von Synchronisationsmustern, von Codes mit binären Vorsilben, von trennbaren Codes und von synchronisierbaren Codes erläutert. Die Wahl des Synchronisationsverfahrens hängt, wie die Wahl des Codierverfahrens, von' den Eigenschaften des Übertragungskanals ab. Zur Synchronisation kann ein Synchronisationsmuster verwendet werden, welches eine Bitfolge vorgegebener Länge und ein festes, im Empfänger bekanntes Muster ist (z.B. ISO 3309-1979). Die Einfügung eines Synchronisationsmusters am Anfang der Meldung oder die Wiederholung in bestimmten Abständen innerhalb der Meldung erniedrigen die Nutz-Datenrate eines Daten-Übertragungskanals.
Ein weiteres Verfahren zur Wortsynchronisation ist aus "Error-Correcting Codes" von Peterson/Weldon, 2. Auflage 1972, insbesondere Seiten 374 bis 390 bekannt. Bei diesem Verfahren werden alle hintereinander gesendeten Codewörtern mit ein und demselben Schutzwort verknüpft, wobei eine bitweise Verschiebung der Codewörter einer Meldung erkannt werden kann. Das Schutzwort, welches kein Codewort ist, wird sendeseitig addiert und empfangsseitig subtrahiert.
Beispielsweise ist auf Seite 379 angegeben, daß das Schutzwort für einen Binärcode gleich "1" gewählt wird, wodurch jeweils das letzte Bit der Codewörter invertiert wird. Findet eine Verschiebung der Codewörter um eine oder mehrere Bitstellen statt, so kann auf der Empfangsseite, infolge der Verletzung der Codiervorschrift, diese Bitverschiebung erkannt
und gegebenenfalls korrigiert werden.
Um Codes, die zufällig auftretende Fehler erkennen oder korrigieren, auf störanfälligen Ubertragungskanälen mit Bündelfehlern verwenden zu können, z.B. Funkübertragungskanäle in einem Funkübertragungssystem, werden vor der Übertragung die einzelnen Codewörter miteinander bitweise verschachtelt. Zur bitweisen Versohachtelung werden hintereinander jeweils das erste Bit der Codewörter, dann das zweite Bit der Codewörter und so weiter bis zum letzten Bit der Codewörter der Meldung gefügt (B. Dorsch, "Performance and Limits of Coding for Simple Time Varying Channels",1980, International Zurich Seminar on Digital Communications, Proceedings, IEEE Catalog Nr. 80 CH 1521-4, linke Spalte von Seite G 1.1). Die Erfindung geht von der Beobachtung aus, daß eine Fehlsynchronisation bei bitweise verschachtelten Codewörtern sich in einer Vertauschung in der Reihenfolge der entschachtelten Codewörter am Empfänger auswirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Wortsynchronisation anzugeben, mit dem Vertauschungen in der Reihenfolge von Codewörtern einer Meldung erkannt werden können.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Wortsynchroni sation der eingangs genannten Art, welches aus Peterson/ Weldon bekannt ist, durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Werden Codewörter eines linearen Blockcodes bitweise verschachtelt und über einen gestörten Übertragungs-
kanal übertragen, so kann eine Vertauschung gegenüber der ursprünglichen Reihenfolge der Codewörter einer Meldung auftreten. Durch die Verknüpfung von Codewörtern bzw. Wörtern mit ihre Position innerhalb der Meldung kennzeichnenden Schutzwörtern bzw. Prüfwörtern kann eine Vertauschung in der Reihenfolge zuverlässig erkannt werden. Unter der Berücksichtigung der vorgegebenen Codiervorschrift ist die Auswahl der Schutzwörter bzw. der Prüfwörter einfach zu treffen. Bei der Übertragung von Codewörtern über einen gestörten Übertragungskanal kann zufällig in einem Codewort ein Fehlerbündel auftreten. Durch die bitweise Verschachtelung der Codewörter wird das Fehlerbündel auf verschiedene Codewörter verteilt. Die Wortfehlerwahrscheinlichkeit und die Restfehlerwahrscheinlichkeit sind im Vergleich zur blockweisen Übertragung von Codewörtern geringer.
In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Wird ein linearer, systematischer Code verwendet, so kann die Länge der Schutz- bzw. Prüfwörter auf die Prüfteile der Codewörter bzw. Wörter beschränkt bleiben. Dadurch kann auf einfache Art und Weise der Schaltungsaufwand auf der Empfangs- und Sendeseite zur Realisierung des Verfahrens verringert werden.
Die Prüfwörter und Schutzwörter sind empfangs- und sendeseitig gespeichert. Der Speicheraufwand kann bei Duplex-Übertragungssystemen auf die Hälfte verringert werden, wenn die Schutzwörter gleich den Prüfwörtern gewählt werden. Eine Verringerung des Speicheraufwands kann erreicht werden, wenn die
* ** a ι
-f-
Schutz- und Prüfwörter als Codewörter eines linearen Codes gewählt werden, wobei beispielsweise die Generatormatrix gespeichert wird.
Die Verknüpfung von Codewörtern mit Schutzwörtern bzw. von Wörtern mit Prüfwörtern durch bitweise mod-2-Addition ist einfach durchzuführen und besitzt den Vorteil eines geringen Schaltungsaufwands.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Datenübertragungssystems,
Fig. 2 eine durch Fehlsynchronisation verfälschte
Meldung,
Fig. 3 die Vertauschung von Codewörtern in Abhängigkeit von einer Verschiebung um f Bitstellen,
Fig. A in Tabellenform für einen bestimmten Code
ausgewählte Schutz- bzw. Prüfwörter und Fig. 5 in Tabellenform für diesen Code alle bei
Fehlsynchronisation, aufgrund der Verknüpfung der Schutzwörter mit den Prüfwörtern, entstehenden Schlüsselwörter.
In einem Datenübertragungssystem gemäß Fig. 1 ist eine Datenquelle 1 über einen fjbertragungskanal 2 mit einer Datensinke 3 verbunden. Auf der Sendeseite sind ein Codierer A, eine Additionsschaltung 6 und eine erste Einrichtung 8 zur bitweisen Verschachtelung von modifizierten Codewörtern c1. angeordnet. Auf der Empfangsseite sind eine zweite Einrichtung zur Entschachtelung der über den Übertragungskanal 2 übertragenen modifizierten Codewörter c' , eine
Subtraktionsschaltung 7 und ein Decodierer 5 vorgesehen. Den Symbolen (Daten) bzw. Wörtern der Datenquelle 1 werden nach einer Codiervorschrift Codewörter c. zugeordnet. In der Additionsschaltung 6 wird mit jedem Codewort c, ein seine Position innerhalb einer Meldung M kennzeichnendes Schutzwort w. verknüpft. Die Schutzwörter w. sind in einem Speicher 10 gespeichert. Die so gebildeten modifizierten Codewörter c' werden bitweise verschachtelt, übertragen und empfangsseitig wieder entschachtelt. Nach der Entschachtelung wird ein auf der Empfangsseite auftretendes Wort c.. in der Subtraktionsschaltung 7 mit einem seine Position innerhalb der Meldung M kennzeichnenden Prüfwort
wK verknüpft. Die Prüfwörter wK sind in einem Speicher 11 abgespeicht.
Sind Datenquelle 1 und Datensinke 3 miteinander synchronisiert, so ist das Codewort Cx, am Ausgang der Subtraktionsschaltung 7 gleich dem Codewort c.
auf der Sendeseite. Das Codewort C1. wird im Decodierer 5 in ein Wort bzw. in Daten umgesetzt und zur Meldungsauswertung der Datensinke 3 zugeführt. Eine vorgetäuschte Blocksynchronisation kann in der Datensinke 3 zu einer falschen Meldungsauswertung führen.
Bei einem Funkübertragungssystem werden als Meldungen M beispielsweise Funkteilnehmernummern über einen Übertragungskanal 2 zwischen einer mobilen Teilnehmerstation (Datenquelle 1 ) und einer ortsfesten Funkstation (Datensinke 3) übertragen. In der Richtung von mobiler Teilnehmerstation 1 zur ortsfesten Funkstation 3 umfaßt die Meldung M z.B. zehn Codewörter
und in umgekehrter Richtung, acht Codewörter. Eine falsche Meldungsauswertung kann beispielsweise dazu führen, daß Gesprächsgebühren falsch belastet werden.
In Fig. 2 ist in Tabellenform die bitweise Verschach telung der modifizierten Codewörter c\ und die bitweise Entschachtelung der Wörter c., dargestellt. Bei Fehlsynchronisation, z.B. bei einer Verschiebung der modifizierten Codewörter c' in der Bitstelle um zwei, tritt eine Vertauschung auf. Die Tabelle zeigt eine Meldung M bestehend aus sechzehn Codeelementen, welchen vier Codewörter (C. , fey) mit einer Stellenzahl gleich vier zugeordnet sind. Im Kopf der Tabelle sind die sechzehn Stellen der Bitfolge der gesendeten und empfangenen Meldung M angegeben. In der Spalte auf der linken Seite der Tabelle sind die modifizierten Codewörter c' sowie die Wörter £,. entsprechend ihrer Reihenfolge in der Meldung M angeordnet. Durch die Fehl-Synchronisation um zwei Bitstellen wird die Reihenfolge der gesendeten Wörter (c1, , cL, c1,, c' ) vertauscht, d.h. die Codewörter 6\. werden in einer anderen Reihenfolge (c' c' , c' , c' ) empfangen. Durch die Indizierung der Codeelemente innerhalb der Tabelle, z.B. c' ., soll verdeutlicht werden, daß es sich bei diesem Codeelement um das an der vierten Stelle des zweiten modifizierten Codeworts ο', angeordneten Codeelements handelt. Die Kreuze an der fünfzehnten und sechzehnten Bitstelle innerhalb der empfangenen Meldung M geben an, daß es sich bei diesen Codeelementen um solche Codeelemente handelt, die nicht zu Codeelementen der gesendeten
Meldung M gehören. Eine Verschiebung um zwei Bitstellen ruft eine Vertauschung der Wörter £K in ihrer Reihenfolge um zwei hervor.
In Fig. 3 ist die Folge der empfangenen Wörter c., in Abhängigkeit zu einer Verschiebung um f Bitstellen dargestellt. Die Meldung M soll vier Codewörter c. bzw. vier Wörter cK umfassen. In der Tabelle ist in der linken Spalte die Verschiebung um bis zu drei Bitstellen dargestellt, wobei durch das Vorzeichen die Verschieberichtung angegeben ist. Im Fall eines negativen Vorzeichens wird das Wort cK im Vergleich zur gesendeten Reihenfolge der Codewörter c, (bzw. modifizierten Codewörter c\ ) zu spät bzw. durch das positive Vorzeichen angedeutet zu früh empfangen.
Durch die Fehlsynchronisation werden die empfangenen
Wörter cu zyklisch gegenüber den gesendeten Coders
Wörtern cL vertauscht und es treten in den letzten f bzw. ersten f Wörtern cK zusätzlich Verschiebungen auf. In der Tabelle der Fig. 3 sind Wörter c..,,in denen diese zusätzliche Verschiebung auftritt,durch ein an der Zahl hochgesetztes Sternzeichen angegeben.
Die Wahrscheinlichkeit, daß durch Fehlsynchronisation eine Meldung M falsch ausgewertet wird, ist vor allem bei einer Verschiebung um wenige Bitstellen sehr hoch. Bei einem linearen Code kann durch die Bitverschiebung in jedem der Wörter Cx. ein Binärmuster entstehen, welches ein Codewort aus dem Codewortvorrat des Codes ist.
Zur Erkennung von Fehlsynchronisation wird, gemäß der Erfindung, die Reihenfolge der zu sendenden Codewörter c. gekennzeichnet. Jedes Codewort c. wird nach der Verknüpfungsvorschrift c'. = c. φ w.
LLL
mit dem Schutzwort w, verknüpft, wobei als Verknüpfungsvorschrift vorzugsweise eine bitweise mod-2-Addition verwendet wird.
Nach bitweiser Verschachtelung, Übertragung und Entschachtelung wird mit dem empfangenen Wort τ: κ ,gemäß der Verknüpfungsvorschrift
ck = ^k 9 \
vorzugsweise durch mod-2-Addition ,das Prüfwort w„ verknüpft. Auf der Empfangsseite entsteht ein Schlüsselwort w^. , welches gemäß der Verknüpfungsvorschrift
WKL = WWL
gebildet wird.
Ist die Datensinke 3 (Empfänger) synchronisiert , so stimmt die Reihenfolge der gesendeten, modifizierten Codewörter c' mit der Reihenfolge der empfangenen Wörter c^ überein, d.h. K=L. Die auf der Sendeseite durch die Addition der Schutzwörter w. verursachte Codeverletzung wird dann auf der Empfangsseite durch die nochmalige Addition des Prüfworts wK aufgehoben.
Um eine sichere Erkennung der Fehlsynchronisation bei einem linearen Blockcode mit e-Fehler-Korrektur zu erhalten, müssen die Schutz- bzw. Prüfwörter w. bzw. wK so gewählt werden, daß die
Schlüsselwörter W1,. in einer Nebenklasse liegen, welche nicht für die Decodierung verwendet wird. Die Nebenklasse kann beispielsweise durch Bildung des Syndroms festgestellt werden.
Für einen linearen, systematischen (16, 8, 5) Blockcode mit dem Generatorpolynom g (x) = χ +χ +χ +χ +χ +χ +1, der bis zu zwei Fehler korrigieren kann, sind in Fig. 4 für eine Meldung M mit zehn Codewörtern die ausgewählten Schutzwörter w, (gleich den Prüfwörtern wK) angegeben. In den linken Spalten der Tabelle sind die Dezimaldarstellung z. der Bitmuster der zugehörigen Schutzwörter w. (Prüfwörter W1.) und die Position angegeben.
Diese Bitmuster werden dabei so gewählt, daß bei der Verknüpfung der Schutzwörter w. bzw. Prüfwörter w„ ein Schlüsselwort W17. entsteht, welches eine höhere Hammingdistanz aufweist als die Zahl e der je Codewort korrigierten Fehler. Die Bitmuster von Schutzwort w, bzw. Prüfwort wK sind so zu wählen, daß das enstehende Schlüsselwort w... für K fi L kein Codewort aus dem Codewortvorrat ist. Es kann gezeigt werden, daß die gesuchten Bitmuster Elemente aus unterschiedlichen Nebenklassen N. sein müssen. Es ist das Ziel, die gesuchten Bitmuster so zu wählen, daß die entstehenden Schlüsselwörter w^. für K^L in Nebenklassen liegen, die nicht zur Decodierung herangezogen werden.
Im Falle einer Fehlsynchronisation stimmen die Bitmuster von w. und w^ nicht überein. Zusätzlich
-νί-
zu der sendeseitigen, durch die Addition des Bitmusters von Schutzwort w. verursachten Codeverletzung kommen weitere Codeverletzungen, durch die empfangsseitige Addition des Bitmusters von Prüfwort W1-, hinzu. Die Summe der so verfälschten Binärstellen (Codeelemente) im Wort c^ ist größer als die Anzahl e korrigierbarer Fehler.
In Fig. 5 ist für den linearen, systematischen (16,8,5) . Blockcode mit 2-Fehler-Korrektur (e = 2) die Matrix von Schlüsselwörtern W1.. angegeben, welche sich durch die Verknüpfung der Bitmuster von Schutzwörtern w„ bzw. Prüfwörtern w. nach Fig. 4 ergibt. Aus den angegebenen Nebenklassenbedingungen kann als Bitmuster ein Quadrupel (25, 44, 138, 201) bestimmt werden, welches einen Unterraum mit sechzehn Bitmustern aufspannt. Aus diesen sechzehn Bitmustern werden zehn ausgewählt, welche in der Tabelle nach Fig. 4 angegeben sind. In der Tabelle nach Fig. 5 sind alle möglichen Verknüpfungen dieser zehn Bitmuster angegeben.
Die bei der Verknüpfung entstehenden Schlüsselwörter W1.. mit der Dezimaldarstellung 111 und 118 sind Elemente einer Nebenklasse N, für einen Code mit Minimalabstand gleich zwei. Beispielsweise wird aufgrund der Fehlsynchronisation das Schlüsselwort wKL mit der Dezimalzahl 5!5, mit einem Prüfwort PJ. mit der Dezimalzahl 111 verknüpft. Das, aufgrund einer Bitverschiebung von sieben Stellen entstehende Schlüsselwort w^. mit der Dezimalzahl (Codewort) enthält zwei Fehler und ist somit fehlerkorrigierbar. Schlüsselwörter wul solcher Nebenklassen N. sind in Fig. 5 mit einem Minuszeichen
-Vlversehen. Derartige Schlüsselwörter w„. treten nur
KL
bei einer Verschiebung um größer gleich sieben Bitstellen auf, wobei die Wahrscheinlichkeit einer solchen Verschiebung sehr gering ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann somit die Wahrscheinlichkeit nicht erkannter Fehlsynchronisation verringert werden. Damit kann eine durch Fehlsynchronisation verursachte Verfälschung von Nachrichten (Meldungen M auf höherer Protokollebene) vermieden werden.

Claims (5)

  1. * * Λ ♦
    α χ
    -rf-
    Philips Patentverwaltung GmbH PHD 83308
    09.06.1983
    Patentansprüche
    Verfahren zur Synchronisation einer Datensinke auf eine Datenquelle eines Datenübertragungssystems, wobei über einen Übertragungskanal zwischen Datenquelle und Datensinke Meldungen, bestehend aus aneinander gereihten, modifizierten Codewörtern eines linearen Blockcodes, welche durch Verknüpfung von Codewort mit Schutzwort gebildet werden, übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzwort (w. ) die Position des Codeworts (c. ) innerhalb der Meldung (M) kennzeichnet, daß die so modifizierten Codewörter (C. ) bitweise verschachtelt, übertragen und wieder entschachtelt werden und daß nach Entschachtelung jedes Wort C^K) mit einem seine Position innerhalb der Meldung (M) kennzeichnenden Prüfwort (Ww) verknüpft wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Prüfteile von Codewörtern (c.) eines linearen, systematischen Codes mit Schutzwörtern (w. ) bzw. Empfangswörtern CcL) mit Prüfwörtern (w.,), welche die Position innerhalb der Meldung (M) kennzeichnen und gleiche Wortlängen wie die Prüfteile der Codewörter (c(1 ) oder Wörter (c'J aufweisen, verknüpft werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfung von Codewort (c.) mit Schutzwort (w.) und Wort (&,) mit Prüfwort (wK) durch bitweise mod-2-Addition erfolgt.
  4. 4» Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Prüfwörter (w„) gleich den Schutzwörtern (w.) sind und so gewählt werden, daß durch Verknüpfung von Schutz-Wörtern (w.) mit Prüfwörtern (w.,) gebildete Schlüsselwörter (wK[_) vorzugsweise in
    Nebenklassen liegen, welche nicht für die Decodierung verwendet werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Schutzwörter (w. ) und Prüfwörter (wK) als Codewörter eines linearen Codes gewählt werden.
DE19833320948 1983-06-10 1983-06-10 Verfahren zur synchronisation in einem datenuebertragungssystem bei verwendung eines linearen blockcodes Withdrawn DE3320948A1 (de)

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