CN1268268A - 数字传输系统中传输信道上估算业务质量的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

在用于数字传输系统中传输信道上估算业务质量的方法上,为了信道编码用软判决输出信号,在发射机方面在快速编码器中进行快速编码,而在接收机方面在快速译码器中进行快速译码。业务质量从快速译码器上的软判决输出信号的方差确定。当在接收机方面采用MAP符号估算器时,则由快速译码器的软判决输出信号的方差σLLR 2确定,借助从方差σLLR 2中计算位差错率作为业务质量的尺度。在本发明方法和装置中使用RCPTC作为快速码。

Description

数字传输系统中传输信道上估算业务质量的方法和装置
本发明涉及用于在数字传输系统中传输信道上估算业务质量的一种方法和一种装置，其中为了信道编码，用软判决输出信号在发射机方面在快速编码器(Turbo-Codierer)中进行快速编码，而在接收机方面在快速译码器Turbo-Decodierer)中进行快速译码。
在P.Jung著的“Comparison of Turbo-Code Decoders Appliedto Short Frame Transmission System(应用于短帧传输系统的快速码译码器的比较)”，IEEE Journal on Selected Areas inCommunications(IEEE通信选择领域杂志)，卷14(1996)530-537页中分析研究数字传输系统用快速码的应用，在此对于传输线段中的快速码既分析研究编码器，也分析研究译码器。快速码的译码基于采用软输入/软输出译码器，要么在采用MAP(最大后验)符号估算器，要么在采用MAP序列估算器，例如具有先验软输出维特比算法(APRI-SOVA)的估算器的条件下，可以实现这些软输入/软输出译码器。在此文献中阐述四种不同的译码装置和它们的处理某些差错率的能力。此外分析研究在不同应用情况下这些译码器的效率。确认了快速码和它们的迭代译码是预防包差错的一种有效措施。
在ICC‘95，西雅图，华盛顿，1995年6月18-22日，D。Divsalar和F.Pollara著的“Turbo Code for BCS Application(BCS应用的快速码)”中建议快速码，以便实现直至接近所谓仙农极限(Shannon-Grenze)的差错校正。为此应采用比较简单的分量码和大的交识器。在此文献中快速码用多重码在编码器中生成而在合适的译码器中译码。由Berrou等人在1993年引入快速码(请参阅C.Berrou，A.Glavieux和P.Thitimayshima著的“Near Shannonlimit area correction coding：Turbo codes(接近仙农极限区校正编码：快速码)”1993年IEE国际通信会议会议录，1064-1070页)。用这种方法一方面可以实现很好的差错校正。
从ETT欧洲电信学报，卷6，第5期，1995年9-10月，CatherineDouillard及其他人著的“Iterative Correction of IntersymbolInterference：Turbo-Equalization(符号间干涉的迭代校正：快速均衡)”中公开了一种所谓的快速校正，用此快速校正应排除在通过卷积码保护的数字传输系统上的符号间干涉的不利效应。接收机实施两个相继的软输出判决，由符号检测器和信道译码器经迭代过程实现这些软输出判决。在每次迭代时，如在快速编码时那样，采用在下次迭代时的来自检测器和译码器的非本征性信息。现实展示，用快速校正可以克服在多路信道上的符号间干涉效应。
在M.Nasshan等人所著“在JD-CDMA移动无线系统中天线分集和快速码应用的新结果”第五届个人，室内和移动无线通信(PIMRC’94)中，在ICCC无绳计算机网络/WCN地区会议上，海牙，荷兰，卷2，1994年9月18-23日，524-528页；指出，在JD(结合检测)-CDMA移动无线系统中借助长时间对快速译码器的软判决输出信号的方差(σ2 LLR)的平均可以求得系统特性的估算。
未来的传输系统，例如欧洲的UMTS(通用移动电信糸统)要求具有达2Mbit/s载波数据速率的大量共存载波业务的以灵活方式的支持，在此谋求最好可能的频谱效率。在ACTS(先进通信技术和业务)项目AC090 FRAMES(未来无线电宽带多址接入糸统)中已开发一种MA(多址接入)图表，此图表称为FRAMES多址接入(FMA)，并且满足UMTS的要求。FMA作为第三代的，包括广泛范围应用领域，载波业务和不同过程的传输系统，必须满足UMTS无线电接口标准的现今和未来的发展。FMA包括两种作业方式，即具有和不具有扩展的及与GSM(全球移动通信糸统)兼容性的WB-TDMA(宽带时分多址)和WB-CDMA(宽带码分多址)。虽然这里主要考察按FMA的系统，亦可以计入具有多重接入方法，例如FDMA(频分多址)或MC-CDMA(多载波码分多址)的传输系统，或已提及的传输系统的组合。
从快速码的高效率方面是希望在数字传输系统上采用这些快速码的。然而例如在FMA上的多种要求使得有必要的是，即在采用这样的快速码时注意，通过差错校正码的传输不过多地使数据传输增加负担。
基于本发明的任务在于，估算一个传输信道的业务质量，而不必进行附加的工作量。
为此按本发明开始提及的方法的特证在于，从快速译码器上的软判决输出信号的方差中确定业务质量。
对业务质量的概念在此理解为以下的内容。对于不同的业务适用一定的QoS准则(QoS＝Quality of Service＝业务质量)，并且在FRAMES范围内对于不同载波业务己制订了QoS准则的定义。QoS准则的一个重要的组成部分是载波数据速率R。QoS准则也包括最大允许差错率Pb G，或与最大失效概率Pout G结合的包损失率P1 G。在功率交换的(leistungsvermittelt)业务情况下，瞬时位差错率Pb超出Pb G的概率P{Pb＞Pb G}必须不大于Pout G，就是说
Pr{Pb＞Pb G}＜Pout G。
在语音传输时Pb G等于10-3，而Pout G等于0.05。在包业务上，对于瞬时包损失率P1适用相似的条件：
Pr{P1＞P1 G}＜Pout G。
除了针对Pr的准则外还有在QoS准则的范围内的其它的条件。这里却主要考察直接与差错校正码(ECC)的选择有关的QoS参数Pb G，P1 G和Pout G。在ECC上，多重接入方法，调制和包参数主要决定编码速率Rc。换言之，编码速率Rc与是否满足或不满足某种业务用的QoS准则的问题有直接的关联。
显然，与QoS准则相结合确定业务质量是重要的，其中根据本发明方法这种确定是可能的，不需进行附加的工作量，因为在接收机方面没有附加的信息可以确定方差。
在接收机方面在其上采用软输入/软输出符号估算器，或软输入/软输出序列估算器的一种方法上，当从快速译码器的软判决输出信号的方差σ2中确定业务质量时是有利的，在此有利地从方差σ2中计算位差错率作为业务质量的尺度。
在接收机方面采用MAP符号估算器或MAP序列估算器的一种方法上，当从快速译码器的软判决输出信号的方差σ2 LLR中确定业务质量时是有利的。
在接收机方面在其上采用用于序列估算的维特比算法的一种方法上，当从快速译码器的软判决输出信号的方差σ2 VIT中确定业务质量时是有利的。
由于按本发明的方法是既在MAP估算器上，也在通过维特比算法的估算上可采用的，实际上没有针对用于符号和序列估算的最重要方法的限制。尽管在以下的专门说明中仅在与MAP符号估算器的关联中证明此推论，这一点也适用。
此外，在本发明方法中当使用一种RCPTC(Rate CompatibelPunctured Turbo Code速率兼容的打点加快码)作为快速码是有利的。如根据详细说明可以清楚的了解到，这样一种码是特别灵活的，并适用于本发明的目的。这种RCPTC使得从固定ECC决策向灵活ECC决策成为可能，其中后一种是与时间上变化的要求协调一致的，所以一种灵活的链路层控制和媒体接入控制是可能的。
在数字传输系统中的传输信道上估算业务质量的一种装置，具有一个发射机方面的快速编码器和具有一个在接收机方面的给出软判决输出信号的快速译码器，用于实施本发明方法是通过一种计算装置为特征的，此计算装置由快速译码器的软判决输出信号的方差计算业务质量。
本发明装置的一种有利的结构的特征在于，快速编码器具有两个并联的RSC编码器，一个交织器，此交织器串接在两个RSC编码器之一的前面，和具有一个打点/复用器装置，给此装置输送RSC编码器的有序的序列和编码的序列，以及快速译码器具有两个RSC译码器、在第一RSC译码器的一个输出端和第二RSC译码器的一个输入端之间的一个快速码交织器和具有在第二RSC译码器的一个输出端与第一RSC译码器的一个输入端之间的一个快速码解交织器。快速编码器和快速译码器的这种装置展示了一种简单的、对大多数应用情况对这两种组成部分足够的解决方案，所产生的RCPTC适合于所有的要求。
本发明装置的一种有利结构的特征在于，打点/复用装置实行按所谓的Berrou打点方式的一种打点，其中只对非有序信息打点。这种打点方式在较小的信/噪比时是有利的。
本发明装置的另一种有利的结构的特征在于，打点/复用装置实行按所谓的UKL打点方式的一种打点，其中不仅对有序的而且也对非有序的信息打点。这种打点方式在较高的信/噪比和从而在位差错率为10-4时是有利的。
最后，本发明装置的一种有利的结构的特征在于，在考虑与此相联系的时间延迟和译码结果的改善的情况下，优化在快速编码器中译码迭代的次数。
根据本发明方法的一种有利结构，为了打点使用所谓的Berrou打点方式，此种方式只对非有序信息打点。
根据本发明方法的另一种有利的结构，为了打点使用所谓的UKL打点方式，此种方式既对有序的也对非有序的信息打点。
根据本发明方法的另一种有利的结构，在考虑与此相联系的时间延迟和译码结果的改善的情况下，优化译码迭代的次数。
这两种所谓的打点方式和译码迭代次数的优化以有利的方式可以用于，以较大的可靠性在传输信道上实行业务质量的估算。
现在借助于附图说明本发明的实施例。所示的：
图1为快速编码器的方框图；
图2为RSC编码器的方框图，正如在按图1的快速编码器中采用此RSC编码器那样；
图3为快速译码器的方框图；
图4为取决于快速译码时迭代次数，对于在AWGN信道上的RCPTC效率的示意图；
图5为在快速译码上不同迭代次数时的，瑞利信道上的RCPTC效率示意图；
图6为取决于不同编码速率的，AWGN信道上的RCPTC效率示意图；
图7为取决于不同编码速率的，瑞利信道上的RCPTC效率示意图；
图8为在不同编码速率时的，AWGN信道上的RCPTC效率示意图；
图9为在不同编码速率时的，瑞利信道上的RCPTC效率示意图；
图10为在第二译码器输出端上的位差错率BER和方差σ2 LLR之间的关系的示意图；
图11为在有差错或正确译码的包上，与信噪比关系中的方差σ2 LLR的示意图。
鉴于硬件的经济采用，ECC电路应是尽可能通用地可采用的，而ECC配置通过软件控制应允许高度的灵活性。这里采用的RCPTC使这成为可能，因为它具有必要的灵活性。用图1中所示的快速编码器2可以生成RCPTC。快速编码器2具有Ne＝2个二进制的，递归的有序卷积编码器4，6(RSC)，这些具有例如在3和5之间的小约束长度的卷积编码器是在采用快速交识器8的条件下并连的。将输入序列u输送给编码器4(RSC，码1)，和经快速码交织器8输送到编码器6(RSC，码2)上，以及输送给打点/复用器装置10。打点/复用器装置从编码器4获得一个其它的输入端C1，而从编码器6获得一个其它的输入端C2。打点/复用器装置10的输出端是输出序列b。
在快速编码器2上，最小的码率Rc，min等于1/(Ne+1)＝1/3。借助于采用附加的RSC编码器时，可以进一步降低最小的编码速率Rc，min。
将具有有限持续时间的二进制输入序列u输入编码器4中，并且在编码器的输出端上产生具有同一有限持续时间的，像u的冗余序列C1。将在交识之后表示序列u的序列uI输入编码器6中。编码器6中的编码产生冗余序列C2。打点和复用冗余序列C1与C2和序列u，以便形成输出序列b。快速编码器是一种有序的编码器，在此u是含有在b中的有序信息的基础。
在编码器4实例上的图2中表示了可用于编码器4和6的RSC编码器。作为有序信息的序列u在编码器4的输入端上等待处理。序列u经综合网络12到达延迟级14和到达其它的综合网络16。延迟级14的输出信号到达一个第二延迟级18上和综合网络12上。第二延迟级18的输出信号到达加法级12上和加法级16上。然后加法级的输出端是冗余序列C1。
在这种编码器的选择时硬件费用起作用，应尽可能低地维持此硬件费用。出于此原因，在FRAMES范围内采用的两个RSC编码器是完全一致的，并且有为3的约束长度。尽管这些RSC编码器只具有四种状态，在低的信噪比Eb/No值时这些RSC编码器展示良好的效率。因此在低信噪比时，具有这些RSC编码器的RCPTC的效率是有利的。
快速编码器2的输出序列b经传输信道和解调器到达具有RSC编码器24和一个第二RSC译码器26的RSC快速译码器22(图3)。在译码器24的输出端和译码器26的输入端之间安排了快速码交识器28。在译码器26的输出端和译码器24的输入端之间安排了快速码交识器30。译码器24，26是一种软输入/软输出译码器。
解调器(未展示)提供包含在u中的有序信息Un的估算值Xn，以及已由编码器4或6生成的，所传输冗余位的估算值Y1，n  和Y2，n。这两个译码器24，26需要由瞬时的信号幅度和噪声方差组成的信道状态信息(CSI＝Channal State Information)。在处理CSI时译码器24，26中的每一个处理有序信息，冗余和先验信息Le1，n和Le2，n，由此生成然后在后继的译码器上用作为先验知识的非本征性信息Le2，n和Le1，n。译码是迭代的，而随着每次迭代改善译码的结果。改善的程度却随着进一步的迭代逐渐下降。在迭代的某个次数之后将快速译码器22的输出信号输送入检测器(未表示)中，正如这在这类传输系统上通常的那样。
为了使RCPTC的采用与存在的业务要求适配，人们可以设想，适配RSC编码器，这却会导致硬件费用方面不受欢迎的外加负担。交织器大小与专门业务的适配本身是已知的，并且在采用RCPTC时由于交识器的灵活性也是一个问题。
此外在考虑整个编码复杂性的条件下，可以按照QoS准则调节在译码时的迭代次数。在接收机上具备了为了利用快速码的这种性能的两种可能性。对于规定的QoS准则可以随着上升的信噪比Eb/No提高迭代次数。在衰落信道上，例如在传输信道上这是特别有利的。另一方面也可随着时间上改变的QoS准则变化迭代次数。只有在采用快速码，尤其在采用RCPTC时具备了译码迭代次数的可调节性。
改善用RCPTC的系统中效率的一种其它可能性在于调节打点，使得可以准备就绪具有变化的巡码率Rc，min＜＝Rc＜＝Rc，max的RCPTC，由此可以变化在不变的快速码交识器和RSC编码译码器上的编码性能。
对于打点原则上有序列u，C1与C2供支配。当通过打点完全抑制序列中的两个时，假设最大的码率Rc，max＝1。在此情况下编码性能取决于，打点序列中的哪些。当例如完全打点冗余序列C1与C2时，在此仅不改变地让序列u通过，ECC是不可获得的，并且在衰落信道上的接收机上，时间分集增益是不可实现的。在此情况下快速译码器降低到一种简单的阈值检测器。
当通过打点完全抑制冗余序列C1与C2中的两个时，在此仅第二冗余序列与序列u一起可以通过，快速编码器变为一种常规的RSC编码器。快速译码器降低到为了实施半迭代而实现的一种常规的RSC译码器。在此情况下基于非本征信息的先验知识是不存在的。按QoS准则不同，编码速率Rc可以在1/2和1之间变化。由于Ne＝2有效，RSC编码器可以基于两种不同的码，并且借助于不改变编码速率Rc地抑制某个冗余序列C1或C2，可以变化QoS准则和编码复杂性。
上述可能性却妨碍当传输两个冗余序列C1与C2的位时，仅供支配的一种快速码作业，如果，并且适用：
un#u1，n
式中un和u1，n是包含在u或u1中的。在此情况下适用：
Rc，min＜＝Rc＜1。
当不进行打点时，实现最小的编码速率Rc，min＝1/(Ne+1)。在此情况下，按QoS准则和传输信道状态不同，要么实现常规的RSC译码，要么实现快速译码，在此传输应用上的两个因素在时间上变化。
在真正的快速码作业时以下的方案是可能的。不打点序列u，部分地打点冗余序列C1与C2在此情况下作为RSC码的或作为快速码的作业是可能的。译码迭代次数是可调节的，而编码速率可以位于1/3和1之间。这种打点方式称为Berrou打点。
一种另可选择的可能性在于，部分地打点序列u和冗余序列C1与C2。在此情况下用RSC码的作业是不可能的，而是只有用快速码的作业是可能的。译码迭代次数是可调节的，而编码速率可以位于1/3和1之间。这种打点方式称为UKL打点(UKL＝UniversityKaiserslautern凯泽斯劳滕大学)。最后还可以考察不进行打点的情况。在此情况下用RSC码和快速码的作业是可能的。译码迭代次数是可调节的，而编码速率位于1/3和1附近。
在RCPTC上的有利特征在于自适应地改变编码速率Rc的可能性，在此在ARQ时可以传输必要的信息，不必传输整个编码的包。信息的，平衡编码速率中差值的附加部分的传输是足够的。
在已说明于RCPTC情况下编码适配的可能性之后，在采用RCPTC时现在借助于模拟来说明适配可能性对系统效率的影响。
图4在示图中展示RCPTC的效率，在此示图中表示了对于经AWGN信道的语音传输用的信噪比Eb/No的位差错率BER。包大小曾是150位，而编码速率约＝1/3。语音传输用的载波数据速率为8＝kbit/s。将未编码的传输作为基准线来表示。此模拟的参数是在1和5之间变化的译码迭代次数。在第一次译码迭代之后，为实现＜10-3的位差错率所必要的最小信噪比约等于3.5db。在第二次译码迭代之后，大约较少1.3db是必要的。下一次译码迭代使得0.2db的增益成为可能。下一次迭代使得少于0.1db的增益成为可能。在第五次译码迭代之后，对于少于10-3的位差错率所必要的最小信噪比约等于1.8db。因此可以看出，效率的改善随着增长的迭代变得更少。相比之下，具有约束长度为9的一个常规NSC码要求约1.9db，以便实现＜10-3的同一位差错率。即便在像150位这样小的包大小上，RCPTC因此是比常规的码稍为更有效率的。
图5在示图中展示RCPTC的效率，在此示图中表示了对于在载波数据速率为144 kbit/s时的，在包大小为672位时的，在码率约为1/2时的，和在完全经受交识的瑞利衰落信道上的窄带ISDN用的信噪比EB/No的位差错率BER。模拟参数又是译码迭代的次数。在四次译码迭代之后，少于10-3的位差错率要求为3.8db的最小信噪比。在10次迭代之后只有约3.4db是必要的。具有像四次译码迭代的相似译码复杂性的一个常规NSC码具有约束长度8，并且要求较高达1.1db的信噪比。
图6至9展示对于在采用RCPTC时的效率的示意图，在此相对于信噪比EB/No标出了位差错率BER或帧差错率FER。图6展示对于在包大小为672位时的，在10次译码迭代时的，和在AWGN信道上的信噪比的位差错率。图7展示对于在包大小为672位时的，在10次译码迭代时的，和在完全经受交识的瑞利信道上的信噪比的位差错率。图8展示对于在包大小为672位时的，在10次译码迭代时的，和在AWGN信道上的信噪比的帧差错率FER。图9展示对干在包大小为672位时的，在10次译码迭代时的，和在完全经受交识的瑞利衰落信道上的信噪比的帧差错率。在图6至9的示图中应用两种不同的打点方法，即上面已提及的Berrou打点和UKL打点。可以看出，在信噪比的较小值时Berrou打点具有较好的效率，而在高信噪比时，和因此在＜10-3的位差错率时，UKL打点是有利的。交叉点朝着在增长着的编码速率时的较低位差错率方向移动。
图10中展示了对于在第二译码器输出端上的，对数似然比(LLR＝Log-Likelihood Ratio)的方差的位差错率，在此假设一个RCPTC，一个为372位的包大小，10次译码迭代，和一个AWGN信道。从此图中可以看出，编码速率对于位差错率和方差σLLR 2之间的关系没有影响，因为这两个数值具有与信噪比EB/No的相似的依赖关系。因此当σLLR 2是己知时，可以容易地进行位差错率的估算，估算的结果可以用作为一种行动用的基础，例如用作为适配译码迭代次数用的，或适配用于改善传输质量的编码速率用的，或在ARQ情况下用于请求重新发送有差错地编码的包的基础。
最后图11展示在采用具有包大小为600位的，码率约为5/9的，10次译码迭代的，和一个AWGN信道的RCPTC情况下，与信噪比EB/No相比，在第二译码器输出端上的对数似然比LLR的方差σLLR 2。RCPTC曾是为64kbit/s的载波业务设计的。从图11中得出，像在与图10的关联中的类似考虑也适用于方差σLLR 2与包差错出现的依赖关系。在有差错地译码的包上，σLLR 2总是大于在正确译码的包的情况下的σLLR 2。因此当对于刚刚检验过的包的信噪比EB/No和σLLR 2为已知时，可以容易地生成和为了控制目的采用的与包差错概率有关的软判决变量。
尽管本说明主要涉及本发明在数字移动无线电上的应用，本发明不局限于此，而且可以普遍地以所述的优点采用在数字传输系统上，例如在功率连接的系统上，光学传输系统(红外和激光传输系统)上，卫星无线电系统上，深空间传输系统上，定向无线电传输系统上，和无线电广播传输系统(数字无线电或电视)上。

Claims (14)

1.用于在数字传输系统中传输信道上估算业务质量的方法，其中为了信道编码用软判决输出信号，在发射机方面在快速编码器中进行快速编码，而在接收机方面在快速译码器中进行快速译码，其特征在于，由快速译码器上的软判决输出信号的方差确定业务质量。
2.按权利要求1的方法，在此在接收机方面采用一个软输入/软输出符号估算器，或软输入/软输出序列估算器，其特征在于，从快速译码器的软判决输出信号的方差σ2中确定业务质量。
3.按权利要求2的方法，其特征在于，从方差σ2中计算位差错率作为业务质量的尺度。
4.按权利要求2的方法，在此在接收机方面采用一个MAP符号估算器，或一个MAP序列估算器，其特征在于，从快速译码器的软判决输出信号的方差σLLR 2中确定业务质量。
5.按权利要求2的方法，在此在接收机方面采用一种维特比算法用于序列估算，其特征在于，从快速译码器的软判决输出信号的方差σVIT 2中确定业务质量。
6.按以上权利要求之一的方法，其特征在于，采用一种所谓的Berrou打点用于打点，在此Berrou打点上只打点非有序信息。
7.按权利要求1至5之一的方法，其特征在于，采用所谓的UKL打点用于打点，在此UKL打点上既打点有序信息，也打点非有序信息。
8.按以上权利要求之一的方法，其特征在于，在考虑与此相联系的、改善译码结果的时间延迟的情况下，优化译码迭代的次数。
9.按以上权利要求之一方法，其特征在于，一种RCPTC用作快速码。
10.用于在数字传输系统中传输信道上估算业务质量的装置，具有一个发射机方面的快速编码器和一个接收机方面的快速译码器，该译码器给出软判决输出信号，为了实施以上权利要求之一的方法，其特征在于一种计算装置，此装置从快速译码器(22)的软判决输出信号的方差计算业务质量。
11.按权利要求10的装置，其特征在于，快速编码器(2)具有两个并联的RSC编码器(4，6)、一个串接在RSC编码器(6)之一前面的交织器(8)和一个打点/复用器装置(10)，RSC编码器(4，6)的有序的序列和编码的序列输送给谝装置(10)，以及快速译码器(22)具有两个RSC译码器(24，26)、一个在第一RSC译码器(24)的一个输出端和第二RSC译码器(26)的一个输入端之间的快速码交织器(28)和一个在第二RSC译码器(26)的一个输出端和第一RSC译码器(24)的一个输入端之间的快速码解交织器(30)。
12.按权利要求11的装置，其特征在于，打点/复用器装置(10)实行按所谓的Berrou打点方式的打点，其中只对非有序信息打点。
13.按权利要求11的装置，其特征在于，打点/复用器装置(10)按UKL打点方式打点，其中既对有序的也对非有序的信息打点。
14.按权利要求10的装置，其特征在于，在考虑与此相联系的、改善译码结果的时间延迟情况下，优化译码迭代的次数。
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