CN102387100A - 一种可用于变带宽系统的信道估计与自适应传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种可用于可变带宽的信道估计与自适应传输方法。该方法中提出一种伪误比特率估计方法，并利用均衡前后的信道状态参数来确定传输速率等级，利用伪误比特率来对传输速率等级进行修正。为了解决可变带宽系统无法准确判断传输速率的问题，本方法采用阶梯式调整传输速率的方式来实现自适应控制，从最低速率开始设置，逐级提升或者降低传输速率。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域的自适应传输技术，尤其涉及基于单载波频域均衡的可变带宽的信道状态估计与自适应传输方法。
背景技术
信道的频率选择性衰落会引起符号间干扰(ISI)，单载波频域均衡(SingleCarrier Frequency Domain Equalization，SC-FDE)技术是克服频率选择性衰落带来的ISI的有效途径，并且具有峰均比低、受频偏小等优点。在SC-FDE中，需要根据不同的信道状态采用不同的符号速率和调制编码方式，这就需要对信道进行估计从而确定传输速率。
在SC-FDE系统中一般采用特殊字(Unique Word，UW)进行信道的传输函数估计，但是一般的特殊字都是作为循环前缀(CP)来进行，长度小于数据帧的长度，在进行均衡的时候需要进行插值运算，会造成一定的误差。因此慢时变信道中可以设计一种UW序列与数据序列等长的帧结构来降低插值造成的估计误差。而对信噪比的估计，由于存在ISI，实际的信噪比发生严重的恶化，单纯依靠平均信噪比无法确定可用的传输速率。文献中提出过利用传输函数的均值和方差来确定传输速率的方法，但是该方法不准确，无法适应不同的信道特点。即使是在均衡后进行信道估计，同样存在估计不准确的问题。
自适应传输一般采用自适应调制编码来改变传输速率，但是在山区等信道中单纯靠改变编码调制方式难以满足大的动态范围，存在着速率的瓶颈，必须调整符号速率来满足信道幅度大范围变化。但是符号速率的改变必然带来传输带宽的改变，这样在某一个带宽下估计的信道状态不再适合其它带宽，因此无法将估计的信噪比直接对应某个传输速率。
发明内容
本发明主要设计一种伪误比特率估计方法及可变带宽系统中的自适应传输方法。该方法针对SC-FDE系统设计，但是同样可以用于扩频等其它宽带无线通信系统。
本发明的目的是这样实现的：一种可用于变带宽系统的信道估计与自适应传输方法，是基于由发信机和收信机组成的系统来实现的，系统的传输速率分为高、低多个档次，每个档次分别对应相应的信噪比要求和误比特率要求，其特征在于包括以下步骤：
(1)开始工作，发送端传输速率设定为Rj，并开始传输信号；
(2)接收端将接收到的单载波信号去除循环前缀后进行傅里叶变换为频域信号，然后对频域信号进行信道估计，利用该信道估计结果对频域信号进行频域均衡，最后对均衡后的信号进行逆傅里叶变换，得到时域信号；时域信号一路转入步骤(3)，另一路转入步骤(4)；
(3)对时域信号进行信噪比估计，得到估计结果S，并根据估计结果S得出该信噪比对应的传输速率Ri；转入步骤(5)；
(4)将时域信号依次进行解调和解码处理，并将解调后数据与解码后的数据进行比较，得到伪误比特率估计值P；转入步骤(5)；
(5)比较步骤(3)中确定的速率Ri与发送端传输速率Rj的关系；如果Ri＜Rj，则将发送端传输速率Rj降低一档速率再进行传输，即速率设置为Rj-1；如果Ri＝Rj，则查看步骤(4)中估计的伪误比特率P是否满足系统要求，如果满足，则保持目前发送端传输速率Rj，否则降低一档速率进行传输，即速率设置为Rj-1；如果Ri＞Rj，则查看步骤(4)中估计的伪误比特率P对发送端传输速率Rj上一级的速率Rj+1是否可以满足要求，如果可以满足，则将发送端传输速率设置为Rj+1，如果不满足，再看是否满足目前的系统要求，如果满足则保持目前的速率Rj，否则降低一档速率进行传输，即速率设置为Rj-1。
其中，步骤(3)中估计结果S对应的传输速率Ri是根据高斯白噪声信道下理论仿真和实测的误比特率曲线求得的。
本发明与现有技术相比有如下有益效果：
1、针对宽带系统中信噪比估计不准确的缺点，本方法中设计了一种伪BER估计方法，利用信道解码前后的数据得到BER估计结果，然后用该估计结果对利用信噪比估计得到的传输速率结果进行修正，这样就克服了单纯靠信噪比门限决定传输速率不准确的问题。
2、针对可变带宽系统中的信道估计结果不适用其它带宽的缺点，本方法中设计了一种阶梯式的速率调整策略。在开始传输的时候，首先设置传输速率为最低速率，然后根据信道估计和BER估计结果进行逐级调整，这样只需根据信道估计结果决定是否需要改变速率即可，而不需要直接对应一定的速率。
附图说明
图1是信号处理流程框图。
图2是慢变信道中的SC-FDE帧结构示意图。
图3是不同多径信道下的仿真性能曲线。
图4是伪BER估计曲线。
图5是自适应控制流程图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明作进一步说明：
一种可用于变带宽系统的信道估计与自适应传输方法，是基于由发信机和收信机组成的系统来实现的，系统的传输速率分为高、低多个档次，每个档次分别对应相应的信噪比要求和误比特率要求。
该系统根据信道的动态范围设置多档速率，每档速率对应于特定的传输带宽(符号速率)、编码方式和调制方式，每档速率所需的接收信噪比或者速率差值比较均匀。例如可以设置1.25M波特、2.5M波特和5M波特三档符号速率，调制方式选用BPSK和QPSK，采用码率1/2、2/3、3/4以及0.9的信道编码。然后根据仿真和实测结果从中选取合适的组合作为最终的速率档，将传输速率分成8档，从低到高分别为R1，R2，…R8，如下所示
R1：1.25M符号速率，BPSK调制，1/2编码效率(速率640kbps)
R2：1.25M符号速率，QPSK调制，1/2编码效率(速率1.25Mbps)
R3：2.5M符号速率，QPSK调制，1/2编码效率(速率2.5Mbps)
R4：2.5M符号速率，QPSK调制，3/4编码效率(速率3.75Mbps)
R5：5M符号速率，QPSK调制，1/2编码效率(速率5Mbps)
R6：5M符号速率，QPSK调制，2/3编码效率(速率6.67Mbps)
R7：5M符号速率，QPSK调制，3/4编码效率(速率7.25Mbps)
R8：5M符号速率，QPSK调制，0.9编码效率(速率9Mbps)
这样在低端速率部分所需信噪比均匀(相差3dB)，而在高端速率部分实际速率差值均匀(1-2Mbps)。另外还要加上一档R0，即终止传输档，如果选择R0则系统停止传输信息。
系统采用主从式的结构，一个主站跟多个从站进行通信，速率自适应控制由主站完成。主站和从站的收发信机的框图如图1所示。对于慢时变的频率选择性信道，信道在较长的时间间隔内基本不变，因此在该间隔内只需要进行一次信道估计就可以得到准确的信道状态值，因此可以设计帧结构如图2所示。K个数据帧组成一个复帧，在复帧中设置一个与数据帧等长的UW帧进行信道估计，这样估计的结果就不需要进行插值，可以提升估计的准确度。假设每个数据帧的长度为N，循环前缀的长度为L，那么该数据帧最大可以抵抗时延为L的符号长度的多径衰落。
(1)开始工作，发送端传输速率设定为Rj，并开始传输信号；
开始工作的时候，主从站都设置为速率Rj进行数据传输，保证二者可以进行握手和信令交互，完成从站注册。
(2)接收端将接收到的单载波信号去除循环前缀后进行傅里叶变换为频域信号，然后对频域信号进行信道估计，利用该信道估计结果对频域信号进行频域均衡，最后对均衡后的信号进行逆傅里叶变换，得到时域信号；时域信号一路转入步骤(3)，另一路转入步骤(4)；
接收端将接收到的单载波信号去除循环前缀后进行傅里叶变换为频域信号，然后对频域信号利用特殊字对传输函数和信噪比进行估计，首先采用最小二乘(LS)算法进行传输函数估计，得到粗略的传输函数估计值
然后将传输函数估计值进行逆离散傅里叶变换(IDFT)转换到时域，得到信道冲激响应的估计值
根据理论计算，整个冲激相应估计值可以分为两部分，前L个符号为冲激响应加上噪声，后N-L个符号为噪声引起。那么就可以对后N-L个符号进行平均得到噪声值然后对前L个符号进行离散傅里叶变换(DFT)得到更加准确的传输函数估计值
利用对接收信号进行频域均衡，最后将均衡后的信号进行逆傅里叶变换到时域。
(3)对时域信号进行信噪比估计，得到估计结果S，并根据估计结果S得出该信噪比对应的传输速率Ri，转入步骤(5)；其中，估计结果S对应的传输速率Ri是根据高斯白噪声信道下理论仿真和实测的误比特率曲线求得的。
频域均衡之后的时域信号基本上可以看作信号经过高斯白噪声信道后的结果，因此可以采用高斯白噪声信道中的盲信噪比估计方法进行信噪比估计，例如EVM算法或者M2M4算法进行估计，然后根据高斯白噪声信道下理论仿真和实测的曲线求得所估计的信噪比对应的传输速率等级。
多径信道下的BER性能如图5所示。图中黑实线为高斯白噪声信道下的BER曲线，红色虚线为均衡前信噪比对应的BER值，蓝色实线为计算的均衡后的信干噪比对应的BER曲线，可见计算的信干噪比可以较好的逼近高斯白噪声下的性能曲线，可以以此进行传输速率等级的判断。但是仍旧存在一定的误差，并且会因信道的不同而不同，必须用伪BER进行修正。
不同的信噪比与速率的对应表格如表1所示。例如信道估计的结果为4dB，介于速率等级R4和R5的最低要求之间，那么就判定当前传输速率为R4。
表1
| 速率等级 | R1 | R2 | R3 | R4 | R5 | R6 | R7 | R8 |
| 信噪比 | -4dB | -1dB | 2dB | 3dB | 5dB | 6dB | 7dB | 8dB |
(4)将时域信号依次进行解调和解码处理，并将解调后数据与解码后的数据进行比较，得到伪误比特率估计值P，转入步骤(5)；
将时域信号依次进行解调和解码处理，并将解调后数据与解码后的数据进行比较，将解码后的数据当作准确值，那么就可以得到一个伪BER值P，该BER值可以近似等同于编码前的BER。伪BER估计的仿真图如图4所示，这里信道为高斯白噪声信道，编码方式为(32，26，4)TPC编码。可见伪BER在信噪比可用区域(例如图4中的3dB以上)与未编码的BER一致，可以根据该BER估计值对传输速率等级进行修正。当前速率等级与相邻速率等级的伪BER如表2所示。可以根据表1得到当前速率与相邻速率的信噪比差值，然后查阅表2得到相邻速率等级的伪BER。
表2
| 相对信噪比 | 0dB | 1dB | 2dB | 3dB | -1dB | -2dB | -3dB |
| 伪BER | 2.0E-4 | 8.9E-5 | 3.5E-5 | 1.7E-5 | 4.1E-4 | 7.8E-4 | 1.4E-3 |
(5)比较步骤(3)中确定的速率Ri与发送端传输速率Rj的关系；如果Ri＜Rj，则将发送端传输速率Rj降低一档速率再进行传输，即速率设置为Rj-1；如果Ri＝Rj，则查看步骤(4)中估计的伪误比特率P是否满足系统要求，如果满足，则保持目前发送端传输速率Rj，否则降低一档速率进行传输，即速率设置为Rj-1；如果Ri＞Rj，则查看步骤(4)中估计的伪误比特率P对发送端传输速率Rj上一级的速率Rj+1是否可以满足要求，如果可以满足，则将发送端传输速率设置为Rj+1，如果不满足，再看是否满足目前的系统要求，如果满足则保持目前的速率Rj，否则降低一档速率进行传输，即速率设置为Rj-1。
如果确定传输速率为R0，则表示目前的信道不适合传输信息，那么下一帧停止发送信息。
假设系统带宽为10MHz，系统的BER要求为10-6，1/2码率的信道编码的编码增益为6dB，2/3码率的信道编码的编码增益为5dB，3/4码率的信道编码的编码增益为4dB，0.9码率信道编码的编码增益为3dB。这样就可以根据高斯白噪声信道下的理论仿真和实测的误比特率曲线得到表1中的信噪比得到对应的速率等级。
Claims (2)
1.一种可用于变带宽系统的信道估计与自适应传输方法，是基于由发信机和收信机组成的系统来实现的，系统的传输速率分为高、低多个档次，每个档次分别对应相应的信噪比要求和误比特率要求，其特征在于包括以下步骤：
(1)开始工作，发送端传输速率设定为Rj，并开始传输信号；
(2)接收端将接收到的单载波信号去除循环前缀后进行傅里叶变换为频域信号，然后对频域信号进行信道估计，利用该信道估计结果对频域信号进行频域均衡，最后对均衡后的信号进行逆傅里叶变换，得到时域信号；时域信号一路转入步骤(3)，另一路转入步骤(4)；
(3)对时域信号进行信噪比估计，得到估计结果S，并根据估计结果S得出该信噪比对应的传输速率Ri；转入步骤(5)；
(4)将时域信号依次进行解调和解码处理，并将解调后数据与解码后的数据进行比较，得到伪误比特率估计值P；转入步骤(5)；
(5)比较步骤(3)中确定的速率Ri与发送端传输速率Rj的关系；如果Ri＜Rj，则将发送端传输速率Rj降低一档速率再进行传输，即速率设置为Rj-1；如果Ri＝Rj，则查看步骤(4)中估计的伪误比特率P是否满足系统要求，如果满足，则保持目前发送端传输速率Rj，否则降低一档速率进行传输，即速率设置为Rj-1；如果Ri＞Rj，则查看步骤(4)中估计的伪误比特率P对发送端传输速率Rj上一级的速率Rj+1是否可以满足要求，如果可以满足，则将发送端传输速率设置为Rj+1，如果不满足，再看是否满足目前的系统要求，如果满足则保持目前的速率Rj，否则降低一档速率进行传输，即速率设置为Rj-1。
2.根据权利要求1所述的一种可用于变带宽系统的信道估计与自适应传输方法，其特征在于：步骤(3)中估计结果S对应的传输速率Ri是根据高斯白噪声信道下理论仿真和实测的误比特率曲线求得的。
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