СПОСОБ И СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ К КОЛИЧЕСТВУ ПЕРЕДАВЕМЫХ ДАННЫХ

Настоящее изобретение относится к способу и системе передачи данных. Оно применимо, в частности, в области спутниковых телекоммуникаций, но оно также может быть применено в области наземных телекоммуникаций.

В области спутниковой телекоммуникации, в частности, для обратного канала (обратный канал соответствует передачам между пользовательским терминалом и наземным шлюзом через спутник) или для прямой связи между терминалами через спутник, передача спорадических данных вызывает потерю эффективности использования ресурсов. В итоге, эта спорадическая передача через пользовательский терминал ведет к слабой агрегации данных на этом терминале. Скорость передачи, в таком случае, меньше максимально достижимой скорости. Это вызвано сегментацией пакетов данных в набор фрагментов с целью адаптирования к размеру вместилищ, который может обработать физический уровень спутника. Фрагмент является подмножеством сообщения более высокого уровня (в случае, когда протокол связи использует уровневую модель). Использование фрагментов проистекает из того, что размер сообщения может превосходить максимальный размер вместилища. В этом случае, для того, чтобы передать сообщение, несколько фрагментов должно быть образовано, для того, чтобы быть переданными независимо друг от друга. Как только фрагменты получены, действие, состоящее в воссоздании оригинального сообщения на основании этих фрагментов, является повторной сборкой. Контейнер является виртуальным вместилищем, имеющим определенный размер (в битах), который может принимать данные с целью их передачи. Если размер пакетов данных является отличным от размера этих контейнеров или если он не кратен размеру этих контейнеров (что может быть часто), сегментация пакетов требует добавления символов заполнителей или “padding”, по-английски. Неэффективность использования ресурса, вызванная добавлением этих символов заполнителей, может достигать почти 50% (в случае пакета данных, имеющего размер, едва превосходящий размер контейнера). Фиксированный размер этих контейнеров в основном налагается физическим уровнем, применяющим коды коррекции ошибок.

Из области техники известно, как например, в статье «Low-Density Parity-Check Convolutional Codes applied to packet based communication systems» (“Сверточные коды с малой плотностью проверок на четность применительно к коммуникационным системам, основанным на пакетах”), Z.Chen, IEEE Globecom 2005, использование сверточных кодов коррекции ошибок, как например коды LDPC-CC (английский акроним от “Low Density Parity Check Convolutional Codes” (“Сверточные Коды с малой плотностью проверок на четность”)), имеющих хорошие характеристики без привязки к фиксированному размеру. Эти коды, в памяти, тем не менее, требуют вставки последовательности, в начале и в конце передаваемых данных, снижая скорость таким же образом, как биты заполнители. Когда кодируемые пакеты данных имеют маленький размер, эти последовательности могут составлять значительную часть передаваемых данных.

Из области техники также известно применение блоковых кодов коррекции ошибок, характеристики которых лучше, чем у сверточных кодов. Применение блоковых кодов коррекции ошибок оптимизированно для блоков известного размера. Блок данных является набором данных, которые объединены в контейнер более высоким уровнем (дополненным определенным заголовком или окончанием).

Известны модели связи и способы передачи данных, которые организованны в несколько уровней. Например, модель OSI, которая имеет, в частности, сетевой уровень, уровень канала данных и физический уровень. В этих системах, размер блоков данных управляемых физическим уровнем является фиксированным ограничениями, связанными с кодированием, ограничениями протокола доступа к каналу связи и потенциально другими ограничениями (несколько дискретных размеров могут сосуществовать в данном стандарте). Между тем, размер пакетов сетевого уровня и размер блоков данных физического уровня не обязательно идентичны или даже кратны друг другу, вследствие возможности неодинаковости объема переносимой информации. Это различие размера между пакетами сетевого уровня и блоками данных, обрабатываемых физическим уровнем, вынуждает уровень канала данных осуществлять сегментацию, которая может требовать большую долю добавлений символов заполнителей, влекущую за собой потерю эффективности использования ресурса (около 50% в худшем случае).

В области техники известны способы адаптации пропускной способности кода коррекции ошибок, как в заявке PCT WO 2010/022786 A1, для того, чтобы адаптировать размер пакетов к размеру контейнеров. Однако, эти способы требуют использования очень адаптивных по пропускной способности кодов коррекции ошибок и передачи декодер информации об использованном коэффициенте кодирования.

В области техники также известны, как, например, в заявке PCT WO 2007/064764 A2, способы и системы, в которых физический уровень предлагает несколько различных размеров контейнеров. Физический уровень, таким образом, использует некоторое количество предопределенных размеров контейнеров, в которые данные, полученные из вышестоящих уровней, должны быть инкапсулированы. Инкапсуляция состоит во включении сообщения высшего уровня внутрь совокупности данных затрагиваемого уровня путем добавления контрольной информации (в основном смещением заголовка и возможно окончания). Обратный процесс, позволяющий извлечь сообщение, изымая контрольную информацию, с целью его передачи высшему уровню, называется декапсуляцией. Один или несколько размеров физических контейнеров могут быть использованы, позволяя таким образом:

- адаптироваться, например, к условиям передачи канала передачи, в случае, когда код коррекции ошибок не используется, или

- адаптироваться к ограничениям доступа к ресурсу и к характеристиками формы волны, в случае если используются несколько потоков символов, либо адаптивная форма волны.

Однако эти различные размеры контейнеров (связанные с кодирующими блоками) в основном ограничены в количестве (доступные размеры не бесконечны) и потенциально отстают от размера пакетов, управляемых высшими уровнями, что не позволяет, таким образом, полностью решить проблему потери эффективности, связанную с добавлениями символов заполнителей при сегментации этих пакетов.

В области техники известен способ, под именем VSP от “Variable Size Packet” на английском или Пакет переменного размера на русском, который использует разные размеры блоков, определенные в DVB-RCS, для улучшения эффективности инкапсуляции от сетевого уровня к физическому уровню. Это решение, кроме сложности реализации кодера (более 10 чередований для хранения в памяти сети программируемых портов, известной также под английским термином FPGA от “field programmable gate array” (программируемая пользователем вентильная матрица)), не решает проблему эффекта порога инкапсуляции и связанную с этим эффективность. Оно позволяет частично улучшить эффективность использования, но не полностью ликвидировать заполнение, как это предлагает предусмотренное решение.

Настоящее изобретение направлено на решение этих проблем, предлагая способ передачи данных, избегающий потерю эффективности, вызванную, в частности, добавлениями символов заполнения, связанными с сегментацией и инкапсуляцией пакетов.

Предлагается, в соответствии с аспектом изобретения, способ обработки данных в телекоммуникационной спутниковой системе, позволяющий динамическую адаптацию к количеству передаваемых данных. Данные организованы в совокупность пакетов, содержащихся на первом уровне модели связи. Способ включает в себя первый этап прохождения информации, указывающей размер каждого пакета или представляющей этот размер, между первым уровнем и вторым уровнем. Он также включает в себя второй этап инкапсуляции пакета и прохождение пакета между первым уровнем и вторым уровнем в контейнер, размер которого адаптирован к информации, указывающей размер пакета или представляющей этот размер. Способ, наконец, включает в себя третий этап применения блокового кода коррекции ошибок, к данным, содержащимся в контейнере, код коррекции динамически адаптирует свой размер к размеру контейнера.

Предложенное решение позволяет, таким образом, полностью убрать добавление символов заполнения, связанное с сегментациями различных размеров пакетов, доставляемых высшими уровнями процесса передачи. Для этого изобретение предлагает убрать этап сегментации и модифицировать блоковый код коррекции ошибок, чтобы последний адаптировался к размеру пакетов высшего уровня, которые ранее были инкапсулированы. Это предполагает таким образом, что код также динамически адаптируется к размеру тех пакетов, которые ему подаются на вход.

Преимущественно третий этап адаптирован для использования квазициклического кода коррекции ошибок на протографах. Для этого размер базовой матрицы, связанной с квазициклическим кодом на протографах, динамически адаптируется к информации, указывающей размер пакета или представляющей этот размер. Эта адаптация осуществляется путем изменения коэффициента расширения, связанного с базовой матрицей. Таким образом, размер матрицы квазициклического кода на протографах будет адекватно адаптирован к размеру контейнера путем изменения коэффициента расширения базовой матрицы.

Квазициклический код на протографах соответствует частной версии кодов LDPC (от английского Low Density Parity Check (Код с малой плотностью проверок на четность)). LDPC-код определен матрицей четности (разреженной) H. Квазициклическая версия, соответствует частной форме матрицы четности H (размером M × N), в которой подматрица Hb (базовая матрица) размером p × p повторяется в матрице H.

Таким образом, матрица H имеет размерность, соответствующую кратности размерности базовой матрицы, такой как M = p * Z и N = p * Z, Z соответствует коэффициенту расширения.

Эти коды имеют особенность в том, что они могут быть охарактеризованы только лишь по подматрице Hb (или базовой матрице), что приводит к экономии места в сети программируемых портов на коэффициент Z².

Кроме того, храня только базовую матрицу Hb, становится возможным изменить размер матрицы H, изменяя коэффициент Z расширения базовой матрицы. Это позволяет, таким образом, кодировать блоки данных разного размера без хранения большого количества данных в сети программируемых портов, а только базовой матрицы.

Определение протографа, известное специалисту в области, соответствует частному упрощенному представлению базовой матрицы, обозначающей базовый элемент, позволяющий сгенерировать эту матрицу Hb.

Использование квазициклических кодов на протографах позволяет, относительно других кодов, получить лучшую эффективность для множества размеров пакетов контейнеров или фрагментов и, следовательно, лучшую динамическую адаптивность кодов. К тому же, большая гибкость этих кодов не влечет за собой повышенную вычислительную сложность, повышенную потребность в памяти и/или повышенное количество портов в рамках реализации в сети программируемых портов. Специалистам в данной области известны квазициклические коды, основывающиеся на протографах, ARA (от английского Accumulate Repeat Accumulate), ARJA (от английского Accumulate Repeat Jagged Accumulate), IRA (от английского Irregular Repeat Accumulate), E2RC (от английского Efficiently-Encodable Rate-Compatible), G-LDPC (от английского Generalized LDPC коды), и т.д. Эти коды позволяют достичь очень маленькой доли ошибок пакетов (<10^-6 в случае где распределение дополнительного шума соблюдает распределение вероятностей Гаусса) в том числе, для маленьких размеров пакетов (<600 битов), полностью сохраняя сложность и ограниченное количество портов в рамках реализации в сети с программируемыми портами. Эти коды используются, например, для WiMAX (от английского Worldwide Interoperability for Microwave Access) и имеют в этом случае структуру типа IRA. Эти коды также разрабатываются организацией стандартизации известной под английским акронимом CCSDS от Consultative Committee for Space Data Systems (Международный Консультативный Комитет по космическим системам передачи данных) и имеют структуру типа ARJA.

Преимущественно, установление размера кода коррекции ошибок, осуществляемое во время третьего этапа адаптации кода коррекции ошибок, точно соответствует размеру упомянутого контейнера. Таким образом, добавление заполняющих битов, позволяющих адаптировать размер контейнера к размеру кода коррекции ошибок, не является необходимым.

Преимущественно, установление размеров кода коррекции ошибок, осуществляемое во время третьего этапа адаптации кода коррекции ошибок, осуществляется для заданной пропускной способности. Таким образом, адаптация установления размеров кода коррекции ошибок осуществляют для заданной пропускной способности, выбранной в зависимости от внешних факторов (условий распространения, важности передаваемой информации, желаемой скорости, и т.д.).

Преимущественно третий этап осуществляют физическим уровнем.

Преимущественно первый и/или второй этап осуществляют уровнем канала данных.

Преимущественно первый и/или второй этап осуществляют сетевым уровнем.

Преимущественно способ включает в себя кроме того четвертый этап сегментации, осуществляемый в первом уровне.

Преимущественно система передачи данных включает в себя по меньшей мере один передатчик/приемник, отличающаяся тем, что упомянутый передатчик/приемник включает в себя средства для осуществления этапов вышеописанного способа.

Изобретение будет лучше понятно, и другие преимущества проявятся при прочтении детального описания, приведенного в виде не ограничивающего примера и при помощи чертежей, среди которых:

- Фигура 1 представляет вариант реализации способа согласно аспекту изобретения.

- Фигура 2 представляет другой вариант реализации способа согласно аспекту изобретения.

Способ, представленный фиг. 1, обрабатывает данные, которые образованы в различные пакеты размером, который может быть различным. Способ использует данные, которые используются первым уровнем модели связи. Первый этап 101 заключается в переходе информации, представляющей размер обрабатываемого пакета, между первым уровнем и вторым уровнем. Затем, этап 102 заключается в переходе этого пакета между первым уровнем и вторым уровнем. Этот этап также позволяет инкапсуляцию данных, содержащихся в пакете, в контейнер. Размер контейнера адаптирован к информации, представляющей размер пакета. Этот этап осуществляется на втором уровне модели связи. Затем этап 103 позволяет применение блокового кода коррекции ошибок к данным, содержащимся в контейнере. Эти параметры установления размера, используемые для применения этого кода коррекции ошибок, выбираются в зависимости от размера контейнера. Эти параметры изменяются с течением времени, чтобы постоянно адаптироваться к размеру контейнеров.

Фиг. 2 представляет вариант осуществления изобретения в случае, если используемая модель связи соответствует протокольному стеку TCP/IP, и способ использует на слое физического уровня квазициклический код на протографах.

На этой фигуре, пакет IP инкапсулирован без фрагментации в пакет уровня MAC (от английского Media Access Control (управление доступом к среде)), содержащий заголовок (или “header” по-английски) и окончание (здесь блок CRC, от Циклический Избыточный Код).

MAC пакет затем напрямую инкапсулируется в физический кадр, содержащий заголовок (“header” по-английски) и окончание (“trailer” по-английски). Кодер адаптирует его размер непосредственно к размеру физического кадра.

В варианте осуществления способа используемый код коррекции основывается на квазициклическом коде на протографах. Использование этих кодов позволяет получить лучшие характеристики, так как эти коды позволяют легкую адаптацию кода к размеру пакетов/контейнеров, к которым применяется код коррекции. Гибкость этого типа кода, позволяет осуществить это матричное расширение в реальном времени без дополнительной сложности или значительных требований в объеме памяти или в количестве портов в случае реализации способа в сети с программируемыми портами in situ (на месте). Специалистам в данной области известны квазициклические коды, основанные на протографах (ARA, ARJA, IRA, E2RC, G-LDPC, и т.д.). Эти коды позволяют получить очень малую долю ошибок (<10^-6 в случае, где распределение дополнительного шума соответствует распределению вероятностей Гаусса) в том числе, для маленьких размеров пакетов (<600 битов), полностью сохраняя сложность и ограниченное количество портов в рамках реализации в сети с программируемыми портами. Эти коды используются, например, для WiMAX и имеют в этом случае структуру типа IRA. Эти коды также разрабатываются организацией стандартизации известной под английским акронимом CCSDS от Consultative Committee for Space Data Systems (Международный Консультативный Комитет по космическим системам передачи данных) и имеют структуру типа ARJA.

В варианте осуществления способа используемый код коррекции является турбо-кодом. Использование этих кодов дает возможность большой гибкости в размере обрабатываемых пакетов/контейнеров, сохраняя хорошие характеристики. Тем не менее, эти коды демонстрируют неудобство в необходимости хранения множества перемежителей для эффективного адаптирования к различным размерам пакетов/контейнеров. Хранение этого множества перемежителей увеличивает потребность в объеме памяти или в количестве портов в случае реализации способа в сети с программируемыми портами in situ (на месте).

В варианте реализации первый этап 101 осуществляется уровнем канала данных. Второй этап 102 осуществляется уровнем канала данных. Третий этап 103 осуществляется физическим уровнем. Способ соответствует, таким образом, осуществлению прямой инкапсуляции пакетов, принятых уровнем канала данных, в контейнеры физического уровня. Физический уровень динамически адаптируется к размеру пакетов, принятых через уровень канала данных, для применения кода коррекции. Эта прямая инкапсуляция имеет целью убрать добавление символов, связанное с фрагментацией, и возможное добавление заполняющих символов и, следовательно, позволяет улучшить эффективность использования ресурсов.

В варианте реализации (иллюстрирован на фиг. 2), способ реализован следующим образом. Организация данных в первый набор пакетов осуществляется уровнем канала данных, типа GSE от Generic Stream Encapsulation (инкапсуляция общего потока) или RLE от Return Link Encapsulation(инкапсуляция обратной линии связи). Эти техники инкапсуляции уровня канала данных позволяют адаптироваться к большому числу размеров пакета высшего уровня без необходимости фрагментации. Принятые данные могут быть организованы в пакеты типа IP (Internet Protocol (Интернет Протокол)). Для разных передаваемых пакетов, производится определение ресурса (может быть временным интервалом, полосой частот). Это определение может быть произведено по запросу, во время использования способа или же перед использованием способа. Первый этап 101 позволяет переход размера пакетов между уровнем канала данных и физическим уровнем. Второй этап 102 позволяет переход пакетов между уровнем канала данных и физическим уровнем и инкапсуляцию в контейнеры, размер которых зависит от размера пакетов. Затем, третий этап 103 применения кода коррекции позволяет применить код коррекции непосредственно к данным, содержащимся в контейнерах, этот этап осуществляется физическим уровнем. С целью реализации этого применения размер пакета передается механизму применения блокового кода коррекции ошибок, с целью динамической адаптации к размеру контейнера (например, благодаря использованию квазициклического кода позволяет расширить его матрицу в реальном времени для адаптации к требуемому размеру) и кодирования кадра, используя требуемый коэффициент кода (коэффициент кода является числом символов в пакете перед применением кода коррекции, разделенным на число символов в этом же пакете после применения кода коррекции), (который может быть переменным, если используется механизм адаптивного кода коррекции).

В варианте осуществления можно добавить этап сегментации пакетов, предоставленных вышележащим уровнем, чтобы последние не превысили максимальный размер, в частности, чтобы позволить, чтоб способ мог отправлять данные в определенном временном интервале. Этап применения блокового кода коррекции ошибок тогда адаптируется для того, чтобы установление размера кода коррекции было реализовано на основании размера контейнеров.

В варианте реализации система и способ соответствуют норме DVB-RCS (английский акроним Digital Video Broadcasting - Return Chanel via Satellite (Цифровое Видео Вещание - Обратный Канал через Спутник)). В этом случае код коррекции ошибок использует дуобинарные турбо-коды. Эти коды имеют определенную гибкость, касающуюся размера контейнеров, но характеристики сильно варьируются в зависимости от размеров кодируемых пакетов, особенно в уровне доли ошибок пакетов достижимой кодом. Тем не менее, в варианте осуществления и ослабляя характеристики, которые должен достигнуть физический уровень (то есть, рассматривая, что характеристики в смысле доли пакетной ошибки заключены между 10^-4 и 10^-5 достаточны), возможно, изменить турбо-код, чтобы он мог динамически адаптироваться к размеру обрабатываемых пакетов. Тем не менее в этом варианте осуществления, необходимо хранить параметры перемежителя турбо-кода для всех предусматриваемых размеров (выбор параметров перемежителей, случайных или общих между двух размеров, может иметь негативный эффект на характеристики кода, в частности на минимальное расстояние, от которого зависит нижняя граница ошибки, в самом деле нижняя граница ошибки турбо-кода прямо связана с расстоянием Хемминга кода, как известно специалистам в данной области). Соответственно, с учетом алгоритма генерации перемежителя кода (который требует 4 параметра для генерации), и если необходимо хранить параметры перемежителя для всех возможных размеров, заключенных между 77 и 1500 (а именно 1423 размера), это сводится к хранению в памяти сети с программируемыми портами in situ (на месте) более, чем 5600 символов, только для перемежителей турбо-кода. С целью ограничения количества запоминаемых символов, в другом варианте реализации возможно, заменить турбо-код циклическим кодом на протографах. В этом варианте реализации влияние памяти кода коррекции соответствует размеру матрицы циклического кода на протографах и будет 240 символов (12 * 20) (в случае использования кода ARJA, определенного организацией стандартизации CCSDS, размер базовой матрицы которого соответствует 12 * 20 = 240 символов).

В другом варианте реализации способ и система соответствуют стандарту DVB - S2 (английский акроним обозначающий развитие стандарта DVB-D: Digital Video Broadcasting - Satellite (Цифровое Видео Вещание - Спутник)). В этом случае, используемые коды являются квазициклическими кодами на протографах типа extended-IRA (расширенная IRA). Тем не менее, в известной системе или способе предусмотрены только три размера для пакетов, обрабатываемых физическим уровнем. В варианте осуществления, возможно изменить физический уровень, чтобы сделать гибким размер используемых пакетов, изменяя коэффициенты расширения, с целью получения желаемого размера пакета. Для этого следует заменить матрицу кода LDPC на квазициклическую матрицу и играть коэффициентом расширения.

В другом варианте осуществления способ и система соответствуют стандарту наземной телекоммуникации WiMAX. В этом стандарте используемый по умолчанию код коррекции ошибок является турбо-кодом, который не гибок в смысле размера пакетов. В варианте осуществления, таким образом, возможно изменить этот код коррекции ошибок, чтобы, например, заменить его на квазициклический код на протографах, используя параметры размеров, которые могут быть использованы стандартом.

В множестве вариантов реализации, представленных в трех предыдущих параграфах, уровню канала данных более не требуется осуществлять сегментацию приятых пакетов, во время инкапсуляции данных в физические контейнеры. Эти пакеты, принятые от вышележащих уровней, таким образом, напрямую обрабатываются, и применение кода коррекции ошибок осуществляется напрямую к этим пакетам.

В варианте реализации один или несколько наземных передатчиков/приемников, также как спутник, позволяют использовать способ, такой как описан в различных вариантах реализации, в параграфах выше. Различные этапы способа могут быть осуществлены, например, на произвольном процессоре, специализированном процессоре, интегральной схеме, подходящей для применения (также известной под английским акронимом ASIC от “Application-Specific Integrated Circuit” («Интегральная Схема Специального Назначения»)) или в сети с программируемыми портами in situ (на месте).