DE10148998A1 - Parameter estimation for information transmission involves using Kalman filter with at least two mass vectors applied to different filter inputs, a priori signal information for reduced error rate - Google Patents
Parameter estimation for information transmission involves using Kalman filter with at least two mass vectors applied to different filter inputs, a priori signal information for reduced error rateInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Parameterschätzung, die auf der Verwendung eines Kalman- Filters basiert. The invention relates to a method and an arrangement for Parameter estimation based on the use of a Kalman Filters based.
Bei der Übertragung von Information über reale, durch Rauschen und Fading gestörte Kanäle wird die übertragene Information verfälscht und das ursprünglich gesendete Signal, das auch als Parameter betrachtet werden kann, kann empfängerseitig nur noch geschätzt werden. Ziel einer Schätzung ist dabei immer, einen möglichst kleinen Fehler zwischen Schätzwert und Originalwert zu erhalten. Ein Schätzwert und ein Originalwert kann dabei auch als Vektor beschrieben sein. When transferring information through real, through Noise and fading disturbed channels will be transmitted Information is distorted and the signal originally sent, the can also be viewed as a parameter can only be estimated on the receiver side. The goal of an estimate is always, the smallest possible error between the estimated value and Get original value. An estimate and an original value can also be described as a vector.
Ein Ansatz zur Schätzung von Signalen ist die Anwendung eines von Kalman beschrieben Filtermodells. Es modelliert ein System in dem die Werte von Schätzungen der Vergangenheit und Messwerte über das momentan zu schätzende Signal Grundlage für den zu berechnenden Schätzwert sind. One approach to estimating signals is to use a filter model described by Kalman. It models one System in which the values of past and past estimates Measured values based on the signal currently to be estimated for the estimated value to be calculated.
Der Kalman-Filter ist im Sinne des mittleren quadratischen Fehlers optimal. Er hat die Vorteile, verschiedene Kenntnisse wie die statistischen Eigenschaften des Signals und der dazugehörigen Beobachtungs-/Messwerte auszunutzen, und die schnelle Änderung des zu schätzenden Signals (z. B. Sprache) adäquat zu verfolgen. Aufgrund der iterativen Struktur des Kalman-Filters ist dieses Verfahren besonders für Fälle geeignet, in denen Messwerte schrittweise oder iterativ ermittelt werden, wie bei sequentieller Decodierung nachfolgender Sprachrahmen im GSM (Global System for Mobile Communications)- System, oder bei Soft-In/Soft-Out Decodierung und/oder iterativer Decodierung. Ferner erfordert ein Kalman-Filter relativ wenig Speicherplatz. The Kalman filter is in the sense of the middle square Error optimal. He has the advantages of different knowledge like the statistical properties of the signal and the the associated observation / measurement values, and the rapid change of the signal to be estimated (e.g. language) to track adequately. Due to the iterative structure of the Kalman filter, this method is especially for cases suitable in which measured values are gradual or iterative be determined, as in the case of sequential decoding Voice frame in GSM (Global System for Mobile Communications) - System, or with soft-in / soft-out decoding and / or iterative decoding. It also requires a Kalman filter relatively little space.
Gegeben sei das zeitlich diskrete, stochastisch gestörte
zeitvariante System (Systemmodell)
Xk = Φk,k - lXk-1 + Wk (1)
und ein dazugehöriger Messvektor, dessen Elemente
verschiedene Messwerte repräsentieren können.
Zk = HkXk + Vk (2)
wobei Xk den (n, 1)-Zustandsvektor zum Zeitpunkt k, Zk den
(m, 1)-Messvektor, Wk den (n, 1)-Systemstörvektor und Vk den
(m, 1)-Messstörvektor darstellt. Φk,k-1 ist die (n, n)-
Systemmatrix und Hk die (m, n)-Beobachtungs- oder Messmatrix
(die Zahlen in Klammern bezeichnen die Anzahl der Zeilen bzw.
der Spalten). Das Signal Xk und die Störungen Wk und Vk sind
unkorreliert. Die Störungen sind weißes Rauschen und haben
den Mittelwert Null, d. h.
E{Wk} = 0 (3)
E{WkWj T} = Qkδkj (4)
E{Vk} = 0 (5)
E{VkVj T} = Rkδkj (6)
E{VkWj T} = 0 (7)
wobei Qk und Rk die Varianzmatrizen von Wk und Vk sind. T
bedeutet Transposition und δkj das Kronecker-Delta.
Given the time-discrete, stochastically disturbed time variant system (system model)
X k = Φ k, k - l X k-1 + W k (1)
and an associated measurement vector, the elements of which can represent different measurement values.
Z k = H k X k + V k (2)
where X k represents the (n, 1) state vector at time k, Z k the (m, 1) measurement vector, W k the (n, 1) system interference vector and V k the (m, 1) measurement interference vector. Φ k, k-1 is the (n, n) system matrix and H k is the (m, n) observation or measurement matrix (the numbers in brackets indicate the number of rows or columns). The signal X k and the disturbances W k and V k are uncorrelated. The disturbances are white noise and have an average of zero, ie
E {W k } = 0 (3)
E {W k W j T } = Q k δ kj (4)
E {V k } = 0 (5)
E {V k V j T } = R k δ kj (6)
E {V k W j T } = 0 (7)
where Q k and R k are the variance matrices of W k and V k . T means transposition and δ kj the Kronecker delta.
Als Anfangsbedingungen (z. B. Mittelwert ≙0/0 und
Kovarianzmatrix P0/0) ergeben sich
≙0/0 = E{X0} (8)
P0/0 = E{(X0 - ≙0/0)(X0 - ≙0/0)T} (9)
The initial conditions (e.g. mean ≙ 0/0 and covariance matrix P 0/0 ) result
≙ 0/0 = E {X 0 } (8)
P 0/0 = E {(X 0 - ≙ 0/0 ) (X 0 - ≙ 0/0 ) T } (9)
Nach der Kalman-Filter-Theorie (auch bekannt aus [H. W.
Sorenson, "Least-squares estimation: from Gauss to Kalman," IEEE
Spectrum, vol. 7, pp. 63-68, July 1970] ist der lineare,
erwartungstreue Schätzwert minimaler Varianz für den Zustand Xk
(k = 1, 2, . . .) des in (1)-(9) beschriebenen Systems
gegeben durch die rekursive Berechnung der folgenden Gleichungen
(10)-(14). Eine Realisierung eines entsprechenden Kalman-
Filters ist als Blockschaltbild in Fig. 2 dargestellt.
I) Optimale Prädiktionsschätzung (predicted estimate)
≙k|k-1 = Φk,k-1 ≙k-1|k-1 (10)
II) Kovarianz des Prädiktionsfehlers
Pk|k-1 = Φk,k-1Pk-1|k-1Φk,k-1 T + Qk-1 (11)
III) Verstärkungsmatrix
Kk = Pk|k-1Hk T (HkPk|k-1Hk T + Rk)-1 (12)
IV) Optimale Filterungsschätzung (filtered estimate)
≙k|k = ≙k|k-1 + Kk(Zk - Hk ≙k|k-1) (13)
V) Kovarianz des Filterungsfehlers
Pk|k = (1 - KkHk)Pk|k-1 (I ~ Einheitsmatrix) (14)
According to the Kalman filter theory (also known from [HW Sorenson, "Least-squares estimation: from Gauss to Kalman," IEEE Spectrum, vol. 7, pp. 63-68, July 1970], the linear, true-to-expectation value is minimal Variance for the state X k (k = 1, 2,...) Of the system described in (1) - (9) given by the recursive calculation of the following equations (10) - (14). Filters is shown as a block diagram in Fig. 2.
I) Optimal Predicted Estimate
≙ k | k-1 = Φ k, k-1 ≙ k-1 | k-1 (10)
II) Covariance of the prediction error
P k | k-1 = Φ k, k-1 P k-1 | k-1 Φ k, k-1 T + Q k-1 (11)
III) Gain matrix
K k = P k | k-1 H k T (H k P k | k-1 H k T + R k ) -1 (12)
IV) Optimal Filtering Estimate
≙ k | k = ≙ k | k-1 + K k (Z k - H k ≙ k | k-1 ) (13)
V) Covariance of the filtering error
P k | k = (1 - K k H k ) P k | k-1 (I ~ unit matrix) (14)
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Parameterschätzung anzugeben, welche, insbesondere beim Vorliegen mehrerer Messvektoren, eine auf der Verwendung eines Kalman-Filters basierende Parameterschätzung mit gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Qualität ermöglicht. The invention is based on the object of a method and to provide an arrangement for parameter estimation which especially when there are several measurement vectors, one on using a Kalman filter Parameter estimation with improved over the prior art Quality enables.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. This task is characterized by the characteristics of the independent Claims resolved. Advantageous and practical training result from the dependent claims.
Die Erfindung basiert demnach auf dem Gedanken, zur Parameterschätzung mit einem Kalman-Filter zumindest zwei verschiedene Eingangsgrößen, insbesondere Messvektoren, an verschiedenen Stellen des Kalman-Filters zu berücksichtigen. The invention is therefore based on the idea of Parameter estimation with a Kalman filter at least two various input variables, in particular measurement vectors different places of the Kalman filter.
Dadurch kann zur Schätzung auf einfache Weise zusätzliche Information verwendet werden, wodurch die Qualität der Schätzung bei vergleichsweise geringem Mehraufwand erhöht wird. This makes it easy to add additional estimates Information is used, which improves the quality of the Estimation is increased with comparatively little additional effort.
Zur Lösung der Aufgabe ist ferner eine Anordnung zur Parameterschätzung mit Kalman-Filter, welcher beispielsweise durch eine entsprechend programmtechnisch eingerichtete Prozessoreinrichtung realisiert sein kann, angegeben, welche insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer seiner Weiterbildungen eingerichtet sind. To solve the problem is also an arrangement for Parameter estimation with Kalman filter, which can be, for example, by an appropriately programmed Processor device can be realized, specified which in particular for carrying out the method according to the invention or one of his trainings has been set up.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben, zu deren Erläuterung nachstehend aufgelistete Figuren dienen: The invention is more preferred below on the basis of Exemplary embodiments described in more detail to explain them Figures listed below serve:
Fig. 1 Blockschaltbild eines Kalman Filters mit zwei Eingängen; Fig. 1 block diagram of a Kalman filter with two inputs;
Fig. 2 Blockschaltbild eines herkömmlichen Kalman Filters. Fig. 2 block diagram of a conventional Kalman filter.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines gegenüber dem Stand der Technik erweiterten Kalman-Filters. Dieser kann insbesondere dann vorteilhaft Anwendung finden, wenn neben einem Messvektor Zk ein zweiter Messvektor Z'k zur Verfügung steht. Fig. 1 shows a block diagram of an enhanced over the prior art Kalman filter. This can be used advantageously in particular if, in addition to a measurement vector Z k, a second measurement vector Z ' k is available.
Dabei liegt der zweite Messvektor Z'k an einem zweiten Eingang des Kalman-Filters an. Der zusätzliche Messvektor Z'k wird gefiltert, also mit einer Systemmatrix Φk|k bewertet, und dann gewichtet (Gewichtungsfaktor (1-α)/α)) in die Schätzung eingebracht. So werden sowohl Zk als auch Z'k als Eingangsgrößen bzw. als Messvektoren berücksichtigt. Dadurch basiert die Schätzung gegenüber einer Schätzung mit einem herkömmlichen Kalman-Filter mit einem Eingang auf mehr Information, wodurch der Schätzfehler reduziert werden kann. The second measurement vector Z ' k is present at a second input of the Kalman filter. The additional measurement vector Z ' k is filtered, that is to say evaluated with a system matrix Φ k | k , and then weighted (weighting factor (1-α) / α)) is introduced into the estimate. Both Z k and Z ' k are taken into account as input variables or as measurement vectors. As a result, the estimate is based on more information than an estimate with a conventional Kalman filter with one input, which can reduce the estimate error.
Im Folgenden wird der Einsatz eines derartigen erweiterten Kalman-Filters anhand der Schätzung der a priori Information für AMR (Adaptive Multi-Rate) Rahmenbits erläutert. Die Anwendung eines erweiterten Kalman-Filters ist aber nicht auf dieses Beispiel beschränkt, sondern kann bei allen vergleichbaren Schätzproblemen, wie sie beispielsweise im Rahmen eines Equalizers oder eines Mehr-Antennen-Systems auftreten, vorteilhaft erfolgen. In the following, the use of such an expanded Kalman filter based on the estimate of the a priori information for AMR (Adaptive Multi-Rate) frame bits explained. The Application of an extended Kalman filter is not, however this example is limited but can be used in all comparable estimation problems, such as those in the context of a Equalizers or a multi-antenna system occur done advantageously.
Die Bits eines gemäß einem an sich bekannten Adaptive Multi- Rate Sprachcodec codierten Sprachrahmens sind zum Schutz gegen Kanalstörungen faltungscodiert. Zur empfängerseitigen Decodierung werden entsprechende Faltungsdecoder eingesetzt, die den ursprünglichen Sprachrahmen bestmöglich rekonstruieren. Bei einigen - an sich bekannten - Faltungsdecodern, wie dem APRI-SOVA (Soft-Output-Viterbi-Algoritm), wird a priori Wissen (vorab bekanntes Wissen) über die zu decodierenden Bits in deren Metrik einbezogenen, wodurch niedrigere Fehlerraten in der Decodierung erreicht werden können. Wichtige Voraussetzung hierbei ist aber die möglichst genaue Bestimmung der a priori Information, da eine falsche Information zu einer Verschlechterung der Decodierung führen kann. Es handelt sich hierbei also um ein Schätzproblem bei dem der Schätzfehler minimal sein soll. Die Berechnung einer a priori Information, die einem Decoder für Faltungscodes zur Verfügung gestellt werden kann, lässt sich auch durch ein Filtermodell beschreiben. Daher soll diese Schätzung im folgenden mittels eines erweiterten Kalman-Filters bei Verwendung einer zweifachen Decodierung gelöst werden. The bits of an according to a known adaptive multi Rate speech codec coded speech frames are for protection convolutionally coded against channel interference. To the receiver side Corresponding convolutional decoders are used, the best possible the original language framework reconstruct. With some - known per se - convolutional decoders, like the APRI-SOVA (Soft-Output-Viterbi-Algoritm), is a priori Knowledge (previously known knowledge) of those to be decoded Included bits in their metric, making lower Error rates in the decoding can be achieved. Important However, the prerequisite for this is the most accurate possible Determination of the a priori information because of incorrect information deterioration in decoding. It So this is an estimation problem with which the Estimation error should be minimal. Calculating an a priori Information sent to a decoder for convolutional codes Can also be made available through a Describe the filter model. Therefore, this estimate is as follows using an extended Kalman filter when using a double decoding can be solved.
Um das Iterationsmodell des Kalman-Filters auf die Bedürfnisse der Schätzung von Sprachbits anzupassen, werden die folgenden Annahmen gemacht. Zunächst ist die Messgröße gleich der Zustandsgröße nämlich ein m-Wert eines Rahmenbits (ein m- Wert ist hier ein reeler Wert zur Beschreibung eines binären Signalwerts. Er liegt im Intervall [-1; +1]. Neben der binären Information, dass eine 0 oder eine 1 vorliegt (positiver Wert bedeutet 0, negativer Wert bedeutet 1) ist im Betrag bzw. der Amplitude Information über die Sicherheit enthalten, dass dieser Wert richtig empfangen/decodiert wurde.). Die Matrix Hk wird dadurch zur Einheitsmatrix und muss bei Multiplikationen nicht mehr berücksichtigt werden. In order to adapt the iteration model of the Kalman filter to the needs of the estimation of speech bits, the following assumptions are made. First, the measured variable is equal to the state variable, namely an m-value of a frame bit (an m-value here is a real value for describing a binary signal value. It lies in the interval [-1; +1]. In addition to the binary information that a 0 or a 1 is present (positive value means 0, negative value means 1) contains the amount or the amplitude information about the security that this value was received / decoded correctly.). The matrix H k thus becomes the unit matrix and no longer has to be taken into account in the case of multiplications.
Die Fehlermatrizen Qk-1 und Rk können zur Vereinfachung und zur Verringerung der Komplexität als konstante Störung angenommen werden. The error matrices Q k-1 and R k can be assumed to be a constant disturbance in order to simplify and reduce the complexity.
Die letzte unbekannte Größe der Iteration ist die
Systemmatrix Φk,k-1. Die Tatsache, dass überhaupt a priori Information
über das zu decodierende Signal berechnet werden kann, ist
durch die Korrelation, also statistischen Abhängigkeit, der
Rahmenbits begründet. Ein Rahmenbit ist dabei mit Bits des
selben Rahmens oder mit Bits eines früher empfangenen Rahmens
korreliert. Die Systemmatrix ist somit nichts anderes als
eine Kovarianzmatrix der Zustandsgröße und lässt sich zum
Beispiel im 2 × 2 Fall (d. h. es werden zur vereinfachten
Darstellung und zur Verringerung der Komplexität jeweils zwei
Rahmenbits zusammen geschätzt) wie folgt berechnen.
The last unknown size of the iteration is the system matrix Φ k, k-1 . The fact that information about the signal to be decoded can be calculated a priori is due to the correlation, ie statistical dependence, of the frame bits. A frame bit is correlated with bits of the same frame or with bits of a previously received frame. The system matrix is therefore nothing more than a covariance matrix of the state variable and can be calculated, for example, in the 2 × 2 case (ie two frame bits are estimated together to simplify the display and reduce complexity) as follows.
Durch den Einsatz von zwei Decodierungen (zwei
Decodierschritten) können auch zwei Messvektoren Zk und Z'k gewonnen
werden. Beide Messvektoren gehen in das Filtermodell ein. Um
dies zu ermöglichen, wird die erste Gleichung der Iteration
um einen Summanden erweitert.
≙k|k-1 = αΦk,k-1 ≙k-1|k-1 + (1-α)Φk,kZ'k (16)
By using two decodings (two decoding steps), two measurement vectors Z k and Z ' k can also be obtained. Both measurement vectors are included in the filter model. To make this possible, the first iteration equation is extended by a summand.
≙ k | k-1 = αΦ k, k-1 ≙ k-1 | k-1 + (1-α) Φ k, k Z ' k (16)
Zur Nutzung des zweiten Messvektors wird eine zweite
Systemmatrix Φk,k herangezogen. Der Parameter α stellt eine
Gewichtung der beiden Anteile zur Schätzung dar und kann durch
Simulation optimiert werden. Φk,k ist eine Matrix von
Korrelationskoeffizienten, da die Information, die dem Messvektor
Z'k entnommen werden kann, auf der Korrelation der
Messvektorelemente beruht, und berechnet sich im 2 × 2 Fall zu
A second system matrix Φ k, k is used to use the second measurement vector. The parameter α represents a weighting of the two parts for estimation and can be optimized by simulation. Φ k, k is a matrix of correlation coefficients, since the information that can be obtained from the measurement vector Z ' k is based on the correlation of the measurement vector elements, and is calculated in the 2 × 2 case
Es liegen also zwei Messvektoren Zk und Z'k an zwei Eingängen des Kalman-Filters an, das heißt zur Parameterschätzung werden an zwei verschiedenen Stellen des Kalman-Filters zwei verschiedene Messvektoren verwendet. Durch eine spezielle Definition der Systemmatrizen Φk,k und Φk,k-1 wird erreicht, dass sowohl die Korrelation der Rahmenbits zum Vorgängerrahmen (Interrahmenkorrelation) ausgenutzt wird, als auch die Korrelation zu benachbarten Bits im gleichen Rahmen (Intrarahmenkorrelation). Somit wird schließlich ein brauchbarer Schätzwert mit minimiertem Schätzfehler generiert. There are therefore two measurement vectors Z k and Z ' k at two inputs of the Kalman filter, that is to say two different measurement vectors are used at two different locations of the Kalman filter for parameter estimation. A special definition of the system matrices Φ k, k and Φ k, k-1 ensures that both the correlation of the frame bits to the previous frame (interframe correlation) and the correlation to neighboring bits in the same frame (intraframe correlation) are used. In the end, a usable estimate with a minimized estimation error is generated.
Neben den oben erläuterten Ausführungsvarianten der Erfindung liegt eine Vielzahl weiterer Ausführungsvarianten im Rahmen der Erfindung, welche hier nicht weiter beschrieben werden, aber anhand der erläuterten Ausführungsbeispiele einfach in die Praxis umgesetzt werden können. In addition to the embodiment variants of the invention explained above There are a number of other design variants in the frame the invention, which are not further described here, but simply based on the illustrated embodiments in the practice can be implemented.
Claims (5)
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Cited By (1)
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2002
- 2002-10-02 WO PCT/DE2002/003737 patent/WO2003032488A1/en not_active Application Discontinuation
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US6892072B2 (en) | 2002-06-20 | 2005-05-10 | Nec Corporation | Method of optimizing the search for cells in a mobile telecommunication network |
GB2390781B (en) * | 2002-06-20 | 2006-04-19 | Nec Corp | Method of optimizing the search for cells in a mobile telecommunication network |
Also Published As
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WO2003032488A1 (en) | 2003-04-17 |
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