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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Enkodiervorrichtung zum
Generieren eines Endblocks mit einem zumindest zweistufigen Fehlerschutz
für einen
Datenblock, sowie ein Verfahren und eine Dekodiervorrichtung zum
Rekonstruieren des Datenblocks aus dem Endblock und einen Endblock.
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Multimediadaten,
wie z.B. Standbilder, Musikstücke
oder Bild-Sequenzen,
können
in mehreren Qualitätsstufen
derart kodiert werden, dass ein erster Datenblock eine Basisqualität und zumindest
eine weiterer Datenblock eine Zusatzqualität umfasst, wobei bei gemeinsamer
Dekodierung des ersten und eines weiteren Datenblocks eine gegenüber der
Basisqualität
verbesserte Qualität,
z.B. in Form einer verbesserten Bildauflösung oder Bildwiederholrate,
verfügbar
gemacht wird.
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Bei
einer fehlerhaften Übertragung
der Datenblöcke,
z.B. bei Übertragung über einen
Mobilfunkkanal nach UMTS-Standard (UMTS – Universal Mobile Telecommunications
System) können
Symbole der Datenblöcke
fehlerhaft einen Empfänger
erreichen oder gehen verloren bevor sie vom Empfänger empfangen werden. Möglicherweise
gehen auch ganze Datenblöcke
verloren.
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Es
sind Verfahren zum Schutz von Datenpaketen für mehrere Qualitätsstufen
bekannt, die bspw. dem Datenpaket der Basisqualität einen
höheren
Fehlerschutz als Datenpaketen der Zusatzqualität zuordnen. Ferner können die
einzelnen Symbole innerhalb der Datenpakete nach Ihrer Wichtigkeit
geordnet werden und der Fehlerschutz wird an diese Wichtigkeit angepasst.
Des Weiteren können
die Symbole der Datenpakete inter leaved werden und dann nach einem
der beiden genannten Fehlerschutzvarianten gegen Fehler geschützt werden.
Hierbei wird bspw. auf die Dokumente [1, 2] verwiesen, die einen
ungleichen Fehlerschutz ermöglichen.
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Im
Stand der Technik ist jedoch nachteilig, dass zum einen das Interleaven
von Symbolen des Datenpakets der Basisqualität und des Datenpakets der Zusatzqualität zeitaufwändig ist
und zum anderen eine aufwändige
Signalisierung zur Zuordnung der Symbole zu den dazugehörigen Datenblöcken benötigt wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Enkodiervorrichtung
zum Generieren eines zumindest zweistufigen Fehlerschutzes für einen
Datenblock, sowie ein Verfahren und eine Dekodiervorrichtung zum
Rekonstruieren eines Datenblocks anzugeben, die die vorstehenden
Nachteile beheben und einen effizienten Fehlerschutz zur fehlerfreien
Rekonstruktion des Datenblocks ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch die unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Sonstige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Generieren eines Endblocks
mittels eines zumindest zweistufigen Fehlerschutzes für einen
ersten Datenblock, bei dem folgende Schritte ausgeführt werden:
- a) Kodieren des ersten Datenblocks in einen
ersten Kodeblock mittels eines ersten Fehlerschutzverfahrens einer
ersten Fehlerschutzstufe, wobei der erste Kodeblock den ersten Datenblock
und einen ersten Redundanzblock umfasst;
- b) Trennen des ersten Kodeblocks in einen ersten Teilblock und
einen zweiten Teilblock;
- c) Zusammenfassen des zweiten Teilblocks und eines zweiten Datenblocks
zu einem ersten Zwischenblock;
- d) Kodieren des ersten Zwischenblocks in einen zweiten Kodeblock
mittels eines zweiten Fehlerschutzverfahrens in einer zweiten Fehlerschutzstufe,
wobei der zweite Kodeblock den ersten Datenblock und einen zweiten
Redundanzblock umfasst;
- e) Trennen des zweiten Kodeblocks in einen dritten Teilblock
und einen vierten Teilblock;
- f) Generieren des Endblocks mit dem ersten Teilblock und dem
dritten Teilblock, wobei eine Länge
des Endblocks zumindest eine Länge
des ersten Datenblocks aufweist.
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Das
Verfahren zeigt den Vorteil, dass durch Verwendung des zumindest
zweistufigen Fehlerschutzes Symbole, die zum fehlerfreien Rekonstruieren
des ersten Datenblocks mittels des ersten Fehlerschutzverfahren
benötigt
werden, durch Anwendung des zweiten Fehlerschutzverfahrens auf Symbole
des dritten und/oder vierten Teilblocks gewonnen werden können. Somit
ermöglicht
dieses Verfahren, Redundanz der zweiten Fehlerschutzstufe zur Korrektur
des ersten Datenblocks der ersten Fehlerschutzstufe zu verwenden.
Ferner zeigt dieses Verfahren einen weiteren Vorteil, dass dem ersten
und zweiten Datenblock jeweils eine individuell zuordenbare Redundanz
zugewiesen werden kann, wobei der erste Datenblock beispielsweise
eine Grundqualität
eines Multimediainhalts und der zweite Datenblock eine zusätzliche
Qualitätsverbesserung
des Multimediainhalts repräsentieren.
In dem Fall, dass die dem ersten Datenblock zugeordnete Redundanz
zur Korrektur des ersten Datenblocks nicht ausreicht, kann die dem
zweiten Datenblock zugeordnete Redundanz zur Rekonstruktion des
ersten Datenblocks herangezogen werden.
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Das
Verfahren kann auf multimediale Inhalte, wie z.B. Musikstücke, Sprachaufzeichnungen,
Standbilder und/oder Videosequenzen angewendet werden. Neben multimedialen
Inhalten können
andere digitale Daten mit Hilfe dieses Verfahrens vor Fehlern geschützt werden.
Dieses Verfahren kann bei der Über tragung
von einem Sender zu einem Empfänger
und/oder bei Speichern von Datenblöcken eingesetzt werden.
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In
einer alternativen Erweiterung werden in einer weiteren Fehlerschutzstufe
mit einem weiteren Fehlerschutzverfahren folgende Schritte ausgeführt:
- – Zusammenfassung
eines weiteren Datenblocks und zumindest eines des im Endblock fehlenden
Teilblocks, der zur weiteren Fehlerschutzstufe in niedrigeren Fehlerschutzstufen
zu einem zweiten Zwischenblock;
- – Kodieren
des zweiten Zwischenblocks in einen weiteren Kodeblock mittels des
weiteren Fehlerschutzverfahrens, wobei der weiter Kodeblock den
weiteren Datenblock und einen weiteren Redundanzblock umfasst;
- – Trennen
des weiteren Kodeblocks in einen ersten weiteren Teilblock und einen
zweiten weiteren Teilblock;
- – Generieren
des Endblocks durch Hinzufügen
einer der weiteren Teilblöcke
zu dem, den ersten Teilblock und den dritten Teilblock umfassenden,
Endblock.
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Durch
diese alternative Erweiterung kann durch Verwendung mehrerer Fehlerschutzstufen
ein zusätzlicher
Fehlerschutz für
den ersten, zweiten und/oder einen der weiteren Datenblöcke erreicht
werden. Im Allgemeinen kann das Verfahren auf mehr als zwei oder
drei Fehlerschutzstufen angewendet werden. Dabei werden für die weiteren
Fehlerschutzstufen die vorstehenden Schritte jeweils für jede Fehlerschutzstufe
ausgeführt,
bspw. beginnend mit der niedrigsten Fehlerschutzstufe bis zur höchsten Fehlerschutzstufe.
Im Rahmen dieser Erfindung werden zwei oder mehrere Fehlerschutzstufen
durchlaufen. Hierbei ist die niedrigste Fehlerschutzstufe diejenige
Fehlerschutzstufe, die zuerst durchlaufen wird und die höchste Fehlerschutzstufe,
die zuletzt durchlaufen wird. So ist beispielsweise gemäß der alternativen
Erweiterung die niedrigste Fehlerschutzstufe die zweite Fehlerschutzstufe
und die höchste
Fehlerschutzstufe die dritte Fehlerschutzstufe.
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Ferner
umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Rekonstruieren eines ersten
Datenblocks aus dem Endblock, wobei der Endblock gemäß dem Verfahren
zum Generieren eines Endblocks bzw. dieser in Verbindung mit einer
der Erweiterungen erzeugt wurde. Das Verfahren zum Rekonstruieren
durchläuft
folgende Schritte:
- a) Trennen des Endblocks
in den ersten Teilblock der ersten Fehlerschutzstufe und in den
dritten Teilblock der zweiten Fehlerschutzstufe;
- b) Rekonstruieren von zumindest einem Symbol des zweiten Teilblocks
der ersten Fehlerschutzstufe mittels des zweiten Fehlerschutzverfahrens
der zweiten Fehlerschutzstufe auf Grundlage des dritten Teilblocks;
- c) Rekonstruieren des ersten Datenblocks unter Verwendung des
ersten Fehlerschutzverfahrens der ersten Fehlerschutzstufe auf Grundlage
des ersten und zweiten Teilblocks.
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Mit
Hilfe des Verfahrens zum Rekonstruieren kann der erste Datenblock
aus dem Endblock fehlerfrei erzeugt werden.
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In
einer vorteilhaften Erweiterung des Verfahrens zum Rekonstruieren,
wobei der Endblock mit Hilfe der ersten, zweiten und weiteren Fehlerschutzstufe
erzeugt wurde, werden folgende Schritte ausgeführt:
- – Trennen
des Endblocks in den ersten, dritten und ersten weiteren Teilblock,
wobei jeder der Teilblöcke seiner
jeweiligen Fehlerschutzstufe zuordenbar ist;
- – Rekonstruieren
von zumindest einem Symbol eines zweiten Teilblocks der ersten Fehlerschutzstufe
unter Verwendung eines Fehlerschutzverfahrens und zumindest eines
Teilblocks, die jeweils zur ersten Fehlerschutzstufe höheren Fehlerschutzstufe
gehören;
- – Rekonstruieren
des ersten Datenblocks unter Verwendung des ersten Fehlerschutzverfahrens
auf Grundlage des ersten und zweiten Teilblocks.
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Mit
Hilfe dieser vorteilhaften Erweiterung kann zumindest der erste
Datenblock durch Verwenden von zu mindestens drei Fehlerschutzstufen
aus dem Endblock fehlerfrei rekonstruiert werden.
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Zusätzlich können zumindest
ein Symbol eines im Endblock fehlenden Teilblocks auf Grundlage
eines zu dem fehlenden Teilblock zugehörigen Fehlerschutzverfahrens
rekonstruiert und auf Grundlage des rekonstruierten Symbols des
im Endblock fehlenden Teilblocks zu mindestens ein Symbol des zweiten
Teilblocks rekonstruiert werden. Bei dieser Erweiterung kann der
erste Datenblock auch dann rekonstruiert werden, wenn mehr als drei
Fehlerschutzstufen bzw. zugehörige
Fehlerschutzverfahren zur Erzeugung des Endblocks gemäß dem Verfahren
zum Generieren des Endblocks verwendet worden sind.
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Wird
eine Länge
des ersten Teilblocks zu zumindest einer Länge des ersten Datenblocks
gewählt,
so kann der erste Datenblock bereits auf Grundlage des ersten Teilblocks
fehlerfrei rekonstruiert werden. Unter Länge wird eine Anzahl an Symbolen
verstanden. Ein Symbol umfasst beispielsweise ein Bit oder ein Byte.
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In
einer vorteilhaften Erweiterung der Verfahren ist das erste, zweite
und/oder weitere Fehlerschutzverfahren derart ausgestaltet, dass
dadurch ein Reed-Solomon Erasure-Code, ein Fountain-Code oder ein Raptor-Code
[3] erzeugt wird. Die Verwendung einer dieser Codes ist vorteilhaft,
dass diese Codes gute Fehlerkorrektureigenschaften bei Einzel- und
Mehrfachfehlern aufweisen. Alternativ dazu kann das zweite und/oder
weitere Fehlerschutzverfahren derart ausgestaltet werden, dass dadurch
ein Parity-Check-Code erzeugt wird. Der Parity-Check-Code weist sich durch eine geringe
Komplexität
aus.
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Im
Rahmen dieser Erfindung kann neben den genannten Codes für die Fehlerschutzverfahren
jeder andere Fehlerkorrekturcode eingesetzt werden.
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In
einer Erweiterung des Parity-Check-Codes ist vorgesehen, dass das
zweite Fehlerschutzverfahren durch eine Generatormatrix gebildet
wird, die in eine erste Generatormatrix einer ersten Dimension L(T2) × L(RR2)
und in eine zweite Generatormatrix einer zweiten Dimension L(D2) × L(RR2)
aufgeteilt wird, wobei die erste Generatormatrix Informationsanteile
für die
Symbole des zweiten Redundanzblocks unter Verwendung des zweiten
Teilblocks und die zweite Generatormatrix Informationsanteile für die Symbole
des zweiten Redundanzblocks unter Verwendung des zweiten Datenblocks
erzeugt, wobei folgende Schritte ausgeführt werden:
- a)
Eintragen eines Werts „1" zumindest einmal
in jede Spalte der ersten Generatormatrix;
- b) Eintragen des Werts „1" maximal ⌈L(RR2)/L(T2)⌉ mal
in jede Spalte der ersten Generatormatrix, wobei das Symbol ⌈.⌉ ein
Runden eines Ergebniswertes zum nächsthöheren ganzzahligen Wert repräsentiert;
- c) Eintragen eines Werts „1" einmal in jede Zeile
der ersten Generatormatrix;
- d) Belegen der zweiten Generatormatrix, so dass diese schwach
besetzt ist;
- e) Eintragen eines Werts „0" in alle unbelegten
Einträge
der ersten und zweiten Generatormatrix.
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Mit
Hilfe dieser Schritte kann ein Parity-Check-Code für das Verfahren
zum Generieren bzw. zum Rekonstruieren in einfacher und effizienter
Weise gebildet werden. Im Rahmen der Erfindung ist dieser Erweiterung
für das
zweite und jedes weitere Fehlerschutzverfahren zu verwenden, wobei
anstelle des zweiten Redundanzblocks ein weiterer Redundanzblock
und anstelle des zweiten Teilblocks zumindest ein Teilblock des im
End block nicht enthaltenen Teilblocks berücksichtigt wird. Entsprechend ändern sich
auch die erste und die zweite Dimension.
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Die
Erfindung betrifft eine Enkodiervorrichtung zum Generieren eines
Endblocks mit einem zumindest zweistufigen Fehlerschutz einen ersten
Datenblock, bei dem die Enkodiervorrichtung durch folgende Mittel
realisierbar ist:
- a) Erstes Mittel zum Kodieren
des ersten Datenblocks in einen ersten Kodeblock mittels eines ersten
Fehlerschutzverfahrens einer ersten Fehlerschutzstufe, wobei der
erste Kodeblock den ersten Datenblock und einen ersten Redundanzblock
umfasst;
- b) Zweites Mittel zum Trennen des ersten Kodeblocks in einen
ersten Teilblock und einen zweiten Teilblock;
- c) Drittes Mittel zum Erfassen des zweiten Teilblocks und eines
weiteren Datenblocks zu einem ersten Zwischenblock;
- d) Viertes Mittel zum Kodieren des ersten Zwischenblocks in
einen zweiten Kodeblock mittels eines zweiten Fehlerschutzverfahrens
in einer zweiten Fehlerschutzstufe, wobei der zweite Kodeblock den
zweiten Datenblock und einen zweiten Redundanzblock umfasst;
- e) Fünftes
Mittel zum Trennen des zweiten Kodeblocks in einen dritten Teilblock
und einen vierten Teilblock;
- f) Sechstes Mittel zum Generieren eines Endblocks aus dem ersten
Teilblock und dem dritten Teilblock, wobei eine Länge des
Endblocks zumindest eine Länge
des ersten Datenblocks aufweist.
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Mit
Hilfe der Enkodiervorrichtung ist das Verfahren zum Generieren des
Endblocks implementier- und realisierbar.
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Sind
in der Enkodiervorrichtung weitere Mittel vorhanden, so können damit
die jeweiligen Erweiterungen des Verfahrens zum Generieren des Endblocks
realisiert werden.
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Ferner
umfasst die Erfindung eine Dekodiervorrichtung zum Rekonstruieren
eines ersten Datenblocks aus dem Endblock, wobei der Endblock gemäß dem Verfahren
zum Generieren des Endblocks oder der Enkodiervorrichtung erzeugbar
ist, wobei die Dekodiervorrichtung durch folgende Mittel realisiert
ist:
- a) Erstes Dekodiermittel zum Trennen des
Endblocks in den ersten Teilblock der ersten Fehlerschutzstufe und
in den dritten Teilblock der zweiten Fehlerschutzstufe;
- b) Zweites Dekodiermittel zum Rekonstruieren von zumindest einem
Symbol des zweiten Teilblocks der ersten Fehlerschutzstufe unter
Verwendung des zweiten Fehlerschutzverfahrens der zweiten Fehlerschutzstufe
mittels des dritten Teilblocks;
- c) Drittes Dekodiermittel zum Rekonstruieren des ersten Datenblocks
unter Verwendung des ersten Fehlerschutzverfahrens der ersten Fehlerschutzstufe
mittels des ersten zweiten Teilblocks.
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Mit
Hilfe dieser Dekodiervorrichtung ist das Verfahren zum Rekonstruieren
des ersten Datenblocks implementier- und ausführbar. Sind ferner weitere
Dekodiermittel in der Dekodiervorrichtung vorhanden, so können die
Weiterbildungen des Verfahrens zum Rekonstruieren ausgeführt werden.
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Schließlich umfasst
die Erfindung einen Endblock, wobei der Endblock mittels des Verfahrens
zum Generieren des Endblocks und/oder mittels einer der dazu gehörigen Weiterbildungen
erzeugbar ist. Der Endblock kann mit Hilfe der Enkodiervorrichtung
generiert werden.
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Die
Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachfolgend anhand von
Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 schematischer
Ablauf zum Erzeugen eines Endblocks aus einem ersten und zweiten
Datenblock bei Verwendung von zwei Fehlerschutzstufen;
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2 Aufbau
einer Generatormatrix zum Erstellen von einem zweiten Redundanzblock;
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3 eine
Generatormatrix des zweiten Fehlerschutzverfahrens zur Rekonstruktion
fehlerhaft empfangener und fehlender Symbole des zweiten und dritten
Teilblocks bei einem Empfänger;
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4 ein
Ablaufdiagramm zur fehlerfreien Rekonstruktion des ersten Datenblocks
bei einem Empfänger;
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5 Ablaufschema
zum Erzeugen des Endblockes bei Verwendung von drei Fehlerschutzstufen;
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Elemente
mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 mit 5 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
wird anhand von 1 näher erläutert. Dabei umfasst ein erster
Datenblock D1 und ein zweiter Datenblock D2 mehrere Symbole, wobei
ein Symbol zumindest ein Bit enthält. Für die Ausführungsbeispiele wird angenommen,
dass jedes Symbol aus 8 Bit = 1 Byte besteht. Der erste Datenblock
D1 repräsentiert
eine Grundqualität
eines Standbilds. Mit Hilfe eines ersten Fehlerschutzverfahrens
F1 wird durch ein erstes Mittel M1 ein erster Kodeblock R1 gebildet.
Das erste Fehlerschutzverfahren F1 erzeugt Reed-Solomon Erasure-Codes, ein systematischer
Code. Dabei umfasst der erste Kodeblock R1 neben den Symbolen des
ersten Datenblocks auch die Symbole eines ersten Redundanzblocks
RR1, wobei der erste Redundanzblock die Symbole des Reed-Solomon
Erasure-Codes umfasst.
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Der
erste Kodeblock R1 wird unter Benutzung eines zweiten Mittels M2
in einen ersten und in einen zweiten Teilblock T1, T2 aufgeteilt.
Danach werden der zweite Teilblock T2 und ein zweiter Datenblock
D2 zu einem ersten Zwischenblock ZB1, bspw. durch Aneinanderreihung,
zusammengefasst. Diese Zusammenfassung wird mittels eines dritten
Mittels M3 ausgeführt.
In diesem ersten Ausführungsbeispiel
stellt der zweite Datenblock D2 eine Zusatzqualität des Standbilds
dar, wobei der zweite Datenblock zusammen mit dem ersten Datenblock
eine gegenüber
der Grundqualität
des ersten Datenblocks erhöhte
Bildqualität
des Standbilds repräsentiert.
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Mittels
eines zweiten Fehlerschutzverfahrens F2 erstellt ein viertes Mittel
M4 einen zweiten Kodeblock R2 aus dem ersten Zwischenblock ZB1.
Dabei generiert das zweite Fehlerschutzverfahren F2 Parity-Check-Codes,
die in einem zweiten Redundanzblock RR2 zusammengefasst sind. Der
zweite Kodeblock umfasst die Symbole des zweiten Datenblocks und
des zweiten Redundanzblocks RR2.
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In
einem weiteren Schritt werden durch ein fünftes Mittel M5 die Symbole
des zweiten Kodeblocks in einen dritten und einen vierten Teilblock
T3, T4 aufgeteilt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass eine Summe
aus einer Anzahl an Symbolen des ersten Teilblocks und einer Anzahl
an Symbolen des dritten Teilblocks, das heißt eine Anzahl an Symbolen
des Endblocks, zumindest einer Anzahl an Symbolen des ersten Datenblocks D1
entspricht.
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Mittels
eines sechsten Mittels M6 werden der erste und der dritte Teilblock
T1, T3 zu einem Endblock E zusammengefasst. Dieser Endblock kann
von einem Sender an einen Empfänger übertragen
werden.
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Die
jeweiligen Blöcke
haben bspw. jeweils eine folgende Anzahl an Symbolen, wobei dies
jeweils als Länge
L bezeichnet wird:
| Block | Längedes Blocks
in Symbolen |
| D1 | L(D1) = 100 |
| R1 | L(R1) = 200 |
| RR1 | L(RR1) =
100 |
| T1 | L(T1) = 150 |
| T2 | L(T2) = 50 |
| D2 | L(D2) = 100 |
| ZB1 | L(ZB1) =
150 |
| R2 | L(R2) = 200 |
| T3 | L(T3) = 150 |
| T4 | L(T4) = 50 |
| E | L(E) = L(T1)
+ L(T3) = 300 |
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Das
in diesem ersten Ausführungsbeispiel
eingesetzte erste Fehlerschutzverfahren ist in der Lage Fehler in
dem ersten Teilblock T1 in Abhängigkeit
von der im ersten Teilblock enthaltenen Redundanz zu korrigieren.
Dies gilt analog für
das zweite Fehlerschutzverfahren F2 in Bezug auf den dritten Teilblock
T3. Das erste Fehlerschutzverfahren arbeitet nach dem Reed-Solomon
Verfahren. Dabei ist das erste Fehlerschutzverfahren derart gewählt worden,
dass es nahezu aus einer beliebigen Kombination an Symbolen des
ersten Teilblocks ein oder mehrere Symbole des ersten Teilblocks
korrigieren kann. Als zweites Fehlerschutzverfahren wird ein Parity-Check-Code
Verfahren verwendet. Dieses zweite Fehlerschutzverfahren F2 ist
hingegen derart ausgewählt
worden, dass es bereits mit einer Teilmenge an Symbolen des dritten
Teilblocks ein oder mehrere Symbole des zweiten Teilblocks T2 rekonstruieren
kann. Abschließend
wird eine fehlerfreie Korrektur des ersten Datenblocks D1 auf Basis
des ersten und zweiten Teilblocks T1, T2 ermöglicht.
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Im
folgenden wird anhand von 2 eine Erstellung
einer Generatormatrix G zur Bildung des zweiten Kodeblocks R2 näher erläutert. Dabei
wird der zweite Kodeblock R2 mittels des zweiten Fehlerschutzverfahrens
gebildet: R2 = F2 (T2, D2) = {D1, RR2},wobei
der zweite Redundanzblock RR2 die Redundanzsymbole für den ersten
Zwischenblock ZB1 umfasst. Der Redundanzblock RR2 wird folgendermaßen gebildet: RR2 = G·ZB1T (1)
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Werden
binäre
Symbole verwendet, so kann Gleichung (1) folgendermaßen formuliert
werden: G·ZB1T +
I·RR2
= 0 (2)
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Dabei
repräsentiert
ein Symbol I eine Einheitsmatrix der Dimension L(RR2) × L(RR2),
ein hochgestelltes Symbol T eine Transponierte einer Matrix und
das "+"-Zeichen eine XOR-Verknüpfung der
binären
Symbole dar.
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Wie
der 2 zu entnehmen ist kann die Generatormatrix G
in eine erste Generatormatrix G1 der Dimension L(T2) × L(RR2)
und in eine zweite Generatormatrix G2 der Dimension L(D2) × L(RR2)
aufgeteilt werden. Dabei erzeugt die erste Generatormatrix G1 Informationsanteile
für die
Symbole des zweiten Redundanzblocks unter Verwendung des zweiten
Teilblocks T2 und die zweite Generatormatrix G2 Informationsanteile
für die
Symbole des zweiten Redundanzblocks unter Verwendung des zweiten
Datenblocks D2.
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Durch
Experimente der Erfinder hat sich gezeigt, dass bei dem Erstellen
der ersten und zweiten Generatormatrix G1, G2 nach nachfolgendem
Schema der erste Datenblock D1 besonders gut fehlerfrei rekonstruiert
werden kann:
- (a) Jede Spalte der ersten Generatormatrix
G1 umfasst zumindest einen Eintrag mit einem Wert "1";
- (b) Jede Spalte der ersten Generatormatrix G1 umfasst maximal
eine Anzahl von ⌈L(RR2)/L(T2)⌉ von Einträgen mit
einem Wert "1", wobei das Symbol ⌈.⌉ ein
Runden eines Ergebniswerts zum nächsthöheren ganzzahligen
Wert repräsentiert;
- (c) Jede Zeile der ersten Generatormatrix G1 umfasst maximal
einen Eintrag mit einem Wert "1";
- (d) Die zweite Generatormatrix G2 ist schwach besetzt.
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Alle
nicht belegten Einträge
der ersten und zweiten Generatormatrix G1, G2 werden mit einem Wert "0" belegt. Eine nach diesem Schema erzeugte
Generatormatrix ist in 3 zu sehen. Eine Definition
zu einer schwach besetzten Matrix ist einem Dokument [4] entnehmbar.
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In
einem zweiten Ausführungsbeispiel
gemäß
3 wird
eine Vorgehensweise zur fehlerfreien Rekonstruktion des ersten Datenblocks
D1 aus einem zumindest teilweise empfangenen Endblock E erläutert. Hierbei
haben die verschiedenen Blöcke
folgende Längen:
| Block | Längedes jeweiligen
Blocks in Symbolen |
| D1 | L(D1) = 4 |
| R1 | L(R1) = 9 |
| RR1 | L(RR1) =
5 |
| T1 | L(T1) = 6 |
| T2 | L(T2) = 3 |
| D2 | L(D2) = 8 |
| R2 | L(R2) = 12 |
| T3 | L(T3) = 12 |
| T4 | L(T4) = 0 |
| RR2 | L(RR2) =
4 |
| E | L(E) = L(T1)
+ L(T3) = 18 |
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Bei
einer Übertragung
des Endblocks E von dem Sender zu dem Empfänger (nicht gezeichnet) treten Übertragungsfehler
der Gestalt auf, dass entweder einzelne Symbole des Endblocks fehlerhaft
oder überhaupt nicht
empfangen werden. Dies wird im Folgenden als fehlerhaftes Symbol
bezeichnet. In 3 umfasst der Endblock E die
Teilblöcke
T1 und T3, wobei bei diesen Teilblöcken fehlerhafte Symbole mit
einem X gekennzeichnet sind. Leere Kästchen repräsentieren jeweils ein korrekt
empfangenes Symbol. Ferner ist bei dem Empfänger der zweite Teilblock T2
nicht vorhanden, so dass seine Symbole ebenfalls als fehlerhaft
markiert sind.
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Zur
fehlerfreien Rekonstruktion des ersten Datenblocks D1 wird gemäß 4 mit
folgenden Schritten vorgegangen:
- – STA: Start
des Ablaufdiagramms
- – S1:
Im Schritt S1 wird der empfangene Endblock in den ersten und dritten
Teilblock aufgeteilt. Anschließend
wird geprüft,
ob mit Hilfe des ersten Fehlerschutzverfahrens F1 eine vollständige Korrektur
des ersten Teilblocks T1 und somit des ersten Datenblocks D1 möglich ist.
Falls ja, wird in einem Pfad mit einem Bezugszeichen "J" das Ablaufdiagramm fortgesetzt, bei
dem Schritt S6 als nächster
ausgeführt
wird. Ansonsten wird ein Pfad mit einem Bezugszeichen "N" eingeschlagen und ein Schritt S2 ausgeführt. Der
Schritt 51 kann durch ein erstes Dekodiermittel N1 ausgeführt werden.
- – S2:
Im Schritt S2 wird ermittelt, wie viele Symbole des zweiten Teilblocks
T2 benötigt
werden, um den ersten Datenblock vollständig fehlerfrei zu rekonstruieren.
Im zweiten Ausführungsbeispiel
nach 3 müssen
zumindest so viele Symbole des ersten und zweiten Teilblocks wie
die Länge
des ersten Datenblocks L(D1) fehlerfrei rekonstruiert werden. Somit
sind vier Symbole des ersten und zweiten Teilblocks fehlerfrei zu
ermitteln. Da nur zwei Symbole im ersten Teilblock T1 fehlerfrei
empfangen worden sind, müssen zwei
der drei Symbole des zweiten Teilblocks T2 fehlerfrei mit Hilfe des
zweiten Fehlerschutzverfahrens F2 erstellt werden. Nach Schritt
S2 wird Schritt S3 ausgeführt.
Der Schritt S2 kann durch ein viertes Dekodiermittel N4 ausgeführt werden.
- – S3:
Im Schritt S3 werden aus dem dritten Teilblock T3 mittels des zweiten
Fehlerschutzverfahrens F2 zwei der drei Symbole des zweiten Teilblocks
T2 fehlerfrei rekonstruiert. Da die Symbole des zweiten Redundanzblocks
RR2 auf Basis des zweiten Teilblocks und des zweiten Datenblocks
erzeugt worden sind, ist eine Rekonstruktion von Symbolen des zweiten
Teilblocks aus den Symbolen des dritten Teilblocks möglich. In 3 ist
die Generatormatrix G mit der ersten und zweiten Generatormatrix
G1, G2 und die Einheitsmatrix I zu sehen, die zusammen im zweiten
Fehlerschutzverfahren eingesetzt werden. Es lassen sich hierbei
folgende vier Gleichungen aufstellen, wobei ein Index in einer Klammer
eine Position eines Symbols innerhalb des jeweiligen Blocks wiedergibt: T2 (0) + T3 (0) + T3 (3) + T3 (6) + T3 (8) =
0 T2 (1) + T3 (2) + T3 (5) + T3 (9) = 0 T2 (2) + T3 (1) + T3 (4) + T3 (7) + T3 (10) =
0 T2 (0) + T3 (2) + T3 (6) + T3 (11) = 0
Hiermit
werden zumindest die Symbole T2(0) und T2(1), d.h. zwei der drei
Symbole des zweiten Teilblocks, fehlerfrei rekonstruiert.
Der
Schritt S3 wird durch ein zweites Dekodiermittel N2 ausgeführt. Nach
dem Schritt S3 folgt ein Schritt S4.
- – S4:
In diesem Schritt S4 wird überprüft, ob genügend Symbole
des zweiten Teilblocks mit Hilfe des zweiten Fehlerschutzverfahrens
FS2 rekonstruiert werden konnten.
Ist das nicht der Fall, so
ist eine fehlerfreie Rekonstruktion des ersten Datenblocks D1 nicht
möglich.
Hierbei wir ein Pfad mit einem Bezugszeichen "N" eingeschlagen
und das Ablaufdiagram im Schritt END fortgesetzt. Ansonsten wird
ein Pfad mit einem Bezugszeichen "J" gefolgt,
der den Schritt S5 aufruft. Dieser Schritt S4 kann durch ein fünftes Dekodiermittel
N5 ausgeführt
werden.
- – S5:
Im Schritt S5 wird auf Basis der Symbole des ersten Teilblocks und
der zumindest teilweise fehlerfreien Symbole des zweiten Teilblocks
eine fehlerfreie Rekonstruktion des ersten Datenblocks D1 mittels
des ersten Fehlerschutzverfahrens F1 durchgeführt. Anschließend wird
im Schritt END fortgefahren. Dieser Schritt S5 kann durch ein drittes
Dekodiermittel N3 ausgeführt
werden.
- – S6:
Im Schritt S6 wird der erste Datenblock D1 auf Basis des ersten
Teilblocks T1 mittels des ersten Fehlerschutzverfahrens F1 vollständig fehlerfrei
rekonstruiert. Anschließend
wird das Ablaufdiagramm im Schritt END beendet oder im Schritt S7
forgesetzt. Dieser Schritt S6 kann durch ein sechstes Dekodiermittel N6
ausgeführt
werden.
- – S7:
Bei erfolgreicher Rekonstruktion des ersten Datenblocks D1 sind
im Schritt S7 noch fehlerhafte Symbole des zweiten Teilblocks fehlerfrei
ermittelbar. Im Anschluss daran können mit Hilfe des zweiten
Fehlerschutzverfahrens FS2 ein oder mehrere fehlerhafte Symbole
des zweiten Datenblocks D2 fehlerfrei rekonstruiert werden.
- – END:
Im Schritt END wird das Ablaufdiagramm beendet.
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Nach
Durchlauf dieser Schritte S1–S7
stehen der erste Datenblock und ggf. der zweite Datenblock fehlerfrei
zur Verfügung.
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In
einem dritten Ausführungsbeispiel
wird gemäß 5 eine
Vorgehensweise bei Verwendung von mehr als zwei Fehlerschutzverfahren
näher dargestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel
stellt ein dritter Datenblock D3 eine Zusatzqualität des Standbilds
dar, wobei der dritte Datenblock zusammen mit dem ersten Datenblock
oder mit dem ersten und zweiten Datenblock eine gegenüber der
Grundqualität
des ersten Datenblocks oder gegenüber der verbesserten Qualität des ersten
und zweiten Datenblocks erhöhte
Bildqualität
des Standbilds erzeugt. Dieses Ausführungsbeispiel repräsentiert
eine Vorgehensweise zur Durchführung
einer weiteren, d.h. dritten, Fehlerschutzstufe FS3.
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Dieser
dritte Datenblock, der einige Symbole umfasst, wird durch ein siebtes
Mittel M7 mit den nicht in den Endblock E eingefügten zweiten und vierten Teilblöcken T2,
T4 zu einem zweiten Zwischenblock ZB2 zusammengefügt. Ein
achtes Mittel M8 erzeugt mit Hilfe eines dritten Fehlerschutzverfahrens
F3, der weiteren, z.B. dritten, Fehlerschutzstufe FS3, welches z.B.
ein Parity-Check Code Verfahren ist, einen weiteren, z.B. dritten,
Kodeblock R3, der neben dem dritten Datenblock D3 einen weiteren,
z.B. dritten, Redundanzblock RR3 umfasst. Die Symbole des dritten
Redundanzblocks RR3 sind die Parity-Check Codes. Das dritte Fehlerschutzverfahren
F3 arbeitet analog zum zweiten Fehlerschutzverfahren, insbesondere
eine Generatormatrix des dritten Fehlerschutzverfahrens. Der dritte
Redundanzblock RR3 und der dritte Datenblock D3 werden durch ein
neuntes Mittel M9 in einen ersten weiteren, z.B. fünften, und
einen zweiten weiteren, z.B. sechsten, Teilblock T5, T6 aufgeteilt.
Das sechste Mittel M6 erzeugt den Endblock E aus einer Zusammenfügung von Symbolen
des ersten, dritten und fünften
Teilblocks T1, T3, T5, wobei der erste und der dritte Teilblock
analog zu den Ausführungen
gemäß 1 gebildet
werden.
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Zur
fehlerfreien Rekonstruktion (nicht zeichnerisch dargestellt) wird
analog zu den Ausführungen
des dritten Ausführungsbeispiels
gemäß 4 vorgegangen.
Zusätzlich
werden mittels des dritten Fehlerschutzverfahrens F3 und unter Berücksichtigung
der Symbole des fünften
Teilblocks Symbole der nicht im Endblock enthaltenen Teilblöcke, wie
des zweiten und/oder des vierten Teilblocks, rekonstruiert werden.
Ist bspw. eine Rekonstruktion des ersten Datenblocks mit Hilfe des
ersten und zweiten Fehlerschutzverfahrens nicht möglich, so
werden zumindest einige der Symbole des zweiten und/oder vierten
Teilblocks fehlerfrei durch das dritte Fehlerschutzverfahren rekonstruiert,
mit deren Hilfe und unter Verwendung des ersten und/oder zweiten
Fehlerschutzverfahrens die fehlerfreie Rekonstruktion zumindest
des ersten Datenblocks erreicht wird. Zusätzlich können auch der zweite und der
dritte Datenblock rekonstruiert werden.
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Die
ersten bis sechsten Mittel M1, ..., M6 und in einer Erweiterung
auch die siebten bis neunten Mittel M7, ..., M9 sind in einer Kodiervorrichtung
ENC implementiert. Die ersten bis siebten Dekodiermittel N1, ...,
N7 sind in einer Dekodiervorrichtung DEC implementiert. Die Mittel
und/oder die Dekodiermittel können
in Hardware und/oder Software oder in einer Kombination aus Hardware
und Software realisiert sein, wobei die Software auf einem Prozessor
mit Speicher und Ein- und
Ausgabemittel abläuft.
Die Kodier- und/oder Dekodiervorrichtung ist in einem tragbaren
Gerät,
insbesondere einem Mobilfunkgerät
nach GSM-Standard (GSM – Global
System for Mobile Communications) oder WLAN-Standard (WLAN – Wireless
Local Area Network), oder einem stationären Gerät, insbesondere einem Rechner,
angeschlossen an LAN (LAN – Local
Area Network) oder an ISDN (ISDN – Integrated Services Digital
Network), implementiert und wird von diesem Gerät jeweils ausgeführt.
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In
einer alternativen Ausgestaltung der vorhergehenden Ausführungsbeispiele
kann der erste Datenblock D1 nur durch Verwendung des ersten Teilblocks
T1 rekonstruiert werden, falls der erste Teilblock T1 zumindest
eine identische Anzahl an Symbolen wie der erste Datenblock D1 umfasst.
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Der
erste Zwischenblock ZB1 kann durch Aneinanderreihung oder auf Grundlage
einer vorgebbaren Vorschrift zum symbolweisen Zusammenfügen der
einzelnen Symbole des zweiten Teilblocks und des zweiten Datenblocks
erfolgen. So werden bspw. die Symbole des zweiten Teilblocks und
des zweiten Datenblocks jeweils in Gruppen von drei Symbolen von
links nach rechts abwechselnd aus dem zweiten Teilblock und dem zweiten
Datenblock ausgelesen und von links nach rechts in den ersten Zwischenblock
geschrieben. Somit findet ein Interleaving statt.
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Die
zweite Generatormatrix G2 wird bspw. mittels eines LDPC-Schemas (LDPC – Low-Density
Parity Check) oder eines LDGM-Schemas
(LDGM – Low-Density
Generator Matrix) erzeugt.
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In
dem zweiten Ausführungsbeispiel
gemäß 3 und 4 wurde
angenommen, dass das erste und das zweite Fehlerschutzverfahren
systematische Kodeblocks erzeugt. Ferner wurde durch das erstes Fehlerschutzverfahren
ein idealer Code (=erster RedundanZB1lock RR1) erzeugt, wobei ein
idealer Code sich dadurch auszeichnet, dass aus einer beliebigen
Kombination aus Symbolen des ersten Datenblocks und des ersten RedundanZB1locks
eine Länge
des ersten Datenblocks L(D1) an Symbolen fehlerhaft sein können und der
ideale Code alle fehlerhaften Symbole fehlerfrei rekonstruieren
kann. Dies ist bspw. ein Reed-Solomon
Code. Im Allgemeinen kann für
das erste und zweite Fehlerschutzverfahren jedes bekannte Fehlerschutzverfahren
FEC (FEC – Forward
Error Correction) eingesetzt werden.
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Im
Folgenden wird ein zweistufiger Fehlerschutz betrachtet, bei dem
das erste Fehlerschutzverfahren durch einen idealen Code und das
zweite Fehlerschutzverfahren mittels eines teil korrigierenden Codes,
zum Beispiel einem Parity-Code betrachtet wird. Dabei ist M0 eine
Anzahl der vom Empfänger
fehlerfrei empfangenen Symbole aus der Menge der Anzahl an T1 Symbolen,
wobei diese Menge der Länge
L(T1) entspricht. Ferner sei M1 eine Anzahl von dem Empfänger fehlerfrei
empfangenen Symbolen aus der Menge der T3 Symbole, wobei diese Menge
der Länge
L(T3) entspricht. In diesem Ausführungsbeispiel
repräsentiert
der erste Datenblock D1 einen Base-Layer und der zweite Datenblock
D2 einen Enhancement-Layer.
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Im
Folgenden werden sechs Fälle
erläutert,
die unterschiedliche Strategien zur Rekonstruktion des ersten und/oder
zweiten Datenblocks nach sich ziehen.
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Fall 1: M0 ≥ L(D1), M1 >> L(D2):
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Es
sind mehr fehlerfreie Symbole M0 empfangen worden als die Länge L(D1).
Deshalb können
für den Base-Layer,
das heißt
D1, alle Symbole fehlerfrei rekonstruiert werden. Außerdem sind
alle Symbole des ersten Redundanzblocks RR1 fehlerfrei ermittelbar.
Für den
Enhancement-Layer stehen somit eine Anzahl von Symbolen L(T2) +
M1 zur Verfügung.
Da M1 + L(T2) viel größer als
K1 ist, das heißt
M1 + L(T2) >> K1, kann mit einer
großen
Wahrscheinlichkeit mit Hilfe des teilkorrigierenden Codes eine vollständige Rekonstruktion
aller fehlenden Symbole des Enhancement-Layers, das heißt des zweiten
Datenblocks D2, durchgeführt
werden.
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Fall 2: M0 ≥ L(D1), M1 > L(D2):
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Analog
zum Fall 1 können
die Symbole des ersten Datenblocks und des ersten Redundanzblocks
und somit des zweiten Teilblocks fehlerfrei ermittelt werden. Da
zur Rekonstruktion des zweiten Datenblocks M1 + L(T2) Symbole zur
Verfügung
stehen, ist eine vollständige
Konstruktion aller fehlenden Symbole des Enhancement-Layers mit
Hilfe des teilkorrigierenden Codes wahrscheinlich.
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Fall 3: M0 ≥ L(D1), M1 ≤ L(D2):
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Analog
zu den Fällen
1 und 2 ist der erste Datenblock vollständig rekonstruierbar. Ferner
sind die Symbole des ersten Redundanzblocks und somit auch die Symbole
des zweiten Teilblocks fehlerfrei erstellbar. Für den Enhancement-Layer, das
heißt
den zweiten Datenblock, sind somit höchstens L(T2) + L(D2) Symbole
bekannt, mit denen mittels des teilkorrigierenden Codes eine Korrektur
der fehlerhaften beziehungsweise fehlenden Symbole des zweiten Datenworts
versuchen wird. Eine vollständige
Rekonstruktion ist aber nicht möglich.
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Fall 4: M0 < L(D1), M1 > L(D2) + L(T2), wobei L(T4) > L(T2):
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Für den Base-Layer
sind zunächst
nicht genügend
Symbole zur Rekonstruktion des ersten Datenblocks D1 verfügbar. Da
allerdings M1 > L(D2)
+ L(T2) ist, kann eine Anzahl R0 der L(T2) Redundanzsymbole rekonstruiert
werden. Falls R0 + M0 ≥ L(D1)
ist, so können
alle fehlenden beziehungsweise fehlerhaften Symbole des ersten Datenblocks
und des ersten Redundanzblocks fehlerfrei rekonstruiert werden.
Für den
Enhancement-Layer sind jetzt L(T2) + M1 >> L(T2)
+ L(D2) Symbole bekannt, so dass auch mit dem teilkorrigierenden
Code eine vollständige
Rekonstruktion aller fehlenden Symbole des zweiten Datenblocks sehr
wahrscheinlich ist.
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Fall 5: M0 < L(D1), L(D2) < M1 < L(D2)
+ L (T2):
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Analog
zu Fall 4 sind zur Rekonstruktion des ersten Datenblocks zunächst nicht
genügend
Symbole vorhanden. Ebenso ist eine vollständige Konstruktion des ersten
Redundanzblocks und der Symbole des zweiten Datenblocks nicht möglich. Wegen
der Teilkorrigierbarkeit des zweiten Fehlerschutzverfahrens ist
jedoch bei günstiger
Fehlerkonstellation die Rekonstruktion einer Anzahl R0 der L(T2)
Redundanzsymbole möglich. Falls
R0 + M0 ≥ L(D1)
ist, so können
alle Symbole des ersten Datenblocks, sowie alle Symbole des ersten Redundanzblocks
fehlerfrei ermittelt werden. Zur Rekonstruktion der Symbole des
zweiten Datenblocks stehen Symbole der Länge, d.h. der Anzhal, L(T2)
+ M1 zur Verfügung.
Mit Hilfe des teilkorrigieren den Codes kann eine vollständige Rekonstruktion
der Symbole des zweiten Datenblocks durchgeführt werden.
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Fall 6: M0 < L(D1), M1 ≤ L(D2):
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Analog
zu den Fällen
4 und 5 kann der erste Datenblock zunächst nicht rekonstruiert werden.
Bei günstiger
Fehlerkonstellation kann aufgrund der Teilkorrigierbarkeit des zweiten
Fehlerschutzverfahrens eine Rekonstruktion einer Anzahl R0 der L(T2)
Symbole möglich
sein. Falls R0 + M0 > L(D1),
so können
alle fehlerhaften beziehungsweise fehlenden Symbole des ersten Datenblocks
sowie alle Symbole des ersten Redundanzblocks fehlerfrei erzeugt
werden. Zur Rekonstruktion des zweiten Datenblocks des Enhancement-Layers stehen
nun M1 + L(T2) Symbole zur Verfügung.
Da diese Anzahl aber kleiner ist als L(T2) + L(D2) ist eine vollständige Rekonstruktion
des zweiten Datenblocks nicht mehr möglich.
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Literaturangaben
-
[1] G.
Liebl, et al., "An
RTP Payload Format for Erasure-Resilient
Transmission of Progressive Multimedia Streams", IETF Internet Draft, siehe
unter www.ietf.org das Dokument draft-ietf-avt-uxp-07.txt,
Oktober 2004
-
[2] A.
Ki, "An RTP Payload
Format for Generic FEC",
IETF Internet Draft, siehe unter www.ietf.org das Dokument
draft-ietf-avt-ulp-12.txt, Oktober 2005
-
[3]
Digital Fountain, "Draft
Technical Speicifcation for Raptor FEC", 3GPP, Doc: S4-050033, Februar 2005
-
[4] Mathematik-Online-Lexikon:
Belegungsstruktur einer Matrix, http://mo.mathematik. uni-stuttgart. de/inhalt/aussage/aussage543/