CN1557063A - 接收机中的帧误差率估算 - Google Patents

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Abstract

估算接收帧的帧误差率。纠错解码接收帧。确定纠错解码的帧是否是好帧。纠错编码解码的好帧。根据纠错的好帧和接收帧来估算帧误差率。

Description

接收机中的帧误差率估算
技术领域
本发明涉及估算接收帧的帧误差率(error rate)的方法，更具体地涉及包括纠错编码和解码的这样一种方法。
本发明还涉及帧误差率估算器和包括帧误差率估算器的设备。
这样的方法、估算器和设备在CDMA系统中是特别有用的，在这样的CDMA系统中帧误差率估算是闭环功率控制的一个综合部分，包括内部环路和外部环路。
背景技术
在美国专利No.6,154,659中，披露了码分多址(CDMA)系统中的快速前向链路功率控制。在这样的系统中，无线电话能够通过在反向链路(从无线电话到基站)上给基站发送功率控制消息来帮助基站进行前向链路(从基站到无线电话)上的功率控制。该无线电话收集其误差性能的统计并且利用功率控制消息通知该基站。在这样的系统中，比率Eb/N0或Eb/Nt是数字通信系统性能的标准质量测量。该比率表示接收信号的比特能量-噪声密度。所要求的Eb/Nt越小，对于给定的误差概率，系统调制和检测处理就越有效。相关的度量(metric)是Es/Nt，这是接收信号的符号能量-噪声密度之比。利用Es/Nt＝(Eb/Nt)N使Es/Nt与Eb/Nt相关，其中N是每个符号的比特数。无线电话从基站接收信息。这个信息的形式为数据帧流。这个数据的类型和格式是本技术领域中公知的。无线电话解调该信息。估算Es/Nt。在内部环路中，估算的Es/Nt与目标或设置点(setpoint)Es/Nt进行比较。在逐个帧的基础上调节目标Es/Nt。在外部环路中，以保持由网络操作员设置的所要求的帧误差率的方式来修改该目标。为了修改该目标Es/Nt，确定每个接收帧的质量。如果特定接收帧是好的，则将目标递减一个预定量。如果特定接收帧是坏的，则将该目标递增一个预定量。由网络操作员来设置该预定量。确定这些帧的质量是本技术领域中熟知的。如果估算的Es/Nt小于目标Es/Nt，则无线电话指示基站将功率提高一个预定量。如果估算的Es/Nt大于目标Es/Nt，则无线电话指示基站将功率降低一个预定量。功率改变命令是使用反向功率控制信令信道发送的，这些功率改变命令被穿孔(puncture)在发送给基站的数据流中，或者否则发送给该基站。使用卷积编码器或另一类型的纠错编码器来编码将从基站发送给无线电话的数据，以便在原始数据序列中生成冗余度。这样的冗余度改善接收机上的纠错和信号重建(reconstruction)。该接收机使用它解码接收数据的纠错技术来重建原始用户数据。
3GPP2标准“Physical Layer Standard for CDMA2000 SpreadSpectrum Systems(用于CDMA2000扩频系统的物理层标准)”出版日期为2001年7月13日，Release A，第2-62至2-67页，第2-99至2-105页，第2-125至2-127页，第2-130至2-132页和第2-199至2-200页披露了用于不同无线电配置的反向信道类型，包括信道的前向纠错类型和这样的信道上的卷积或Turbo编码。除了数据之外，在帧中编码帧质量指示符(CRC)，一个帧是该系统中的基本定时间隔。这样的CRC(即，循环冗余码)是产生奇偶校验比特的线性检错码的一个类别。帧质量指示符是应用于CDMA系统中的特定信道的CRC校验。移动站采用内部和外部功率控制环路用于前向信道功率控制，并且使用反向功率控制子信道发送功率控制比特给基站，功率控制比特的值取决于确定的Eb/Nt或Es/Nt的值。移动站解调处理执行与前向CDMA信道上的基站调制处理相反的操作，包括接收帧的纠错解码。
发明内容
本发明的一个目的是提供考虑传送帧的信道的信道状态来估算接收帧的帧误差率的方法。
本发明的另一个目的是提供这样一种方法，其中根据接收的软比特和重新编码的硬比特来确定好帧的帧误差率。
本发明的又一个目的是提供使用至少纠错解码的好帧来估算接收帧的帧误差率的这样的方法。
根据本发明，提供估算接收帧的帧误差率的一种方法，该方法包括：
纠错解码接收帧；
确定纠错解码的帧是否为好帧；
纠错编码好帧；和
根据纠错编码的好帧和接收帧来估算帧误差率。
该方法是基于这样的认识，即，对于帧误差率估算，除了使用坏帧之外，还能够有利地使用好帧，这是因为如果该帧被正确地接收，在纠错解码和相继的帧质量校验之后出现的重新编码的硬(hard)比特与发送的比特完全相同。
在一个实施例中，使用诸如FIR滤波器的N抽头滤波器来滤波好帧和坏帧的帧误差率估算，并且从纠错编码的好帧和接收帧中确定的噪声分布估算用于确定滤波的帧误差率估算的滤波系数。此噪声分布估算考虑在传送这些帧的信道上的信道状态的影响，接收帧代表接收的软比特。
因为典型地具有比坏帧多得多的接收好帧，所以好帧的使用显著地加速帧误差率的估算并提供可靠的和强健的估算方法。而且，因为为了获得好的估算而仅需要相对少的帧，所以这些方法非常适合于快速改变信道状态。
在该帧误差率估算方法的一个实施例中，使用纠错的好帧和接收帧来估算误码率，并且使用如此确定的误码率来估算帧误差率。最好，对于诸如BPSK或QPSK接收机的简单接收机，首先确定这样的误码率(BER)，并且随后最好通过查找表确定对于相应的前向纠错接收机的BER和/或FER，其中该查找表考虑前向纠错接收机的编码增益。这样的间接确定FEC接收机的BER和/或FER比对于FEC接收机直接确定它要简单得多。
在该帧误差率估算方法的一个实施例中，根据纠错解码的坏帧进一步估算帧误差率。虽然典型地应接收比坏帧更多的好帧，但是这样的坏帧仍然有助于帧误差率估算。
为了确定好帧，质量指示符在发送端被包括在编码帧中，这样的帧质量指示符是CRC或者任何其它有用的帧质量指示符。
最好，纠错编码和解码是前向纠错编码和解码，采用卷积编码和维特比解码、Turbo编码和解码或者任何其它有用的编码或解码机制。
在一个实施例中，对于一系列连续接收的帧估算帧误差率，从而对于较旧接收的帧利用减小的滤波系数来N抽头滤波好帧与坏帧的帧误差率估算。用于较旧帧的减小的滤波系数有效地用作包含在接收帧(好帧和坏帧)中的信息的遗忘因子(forgetting factor)。即，最好通过使用N抽头FIR滤波器的这样的N抽头滤波确定在该帧误差率估算方法中哪些帧是重要的。最好，使连续接收帧的视窗(window)提前预定数量的帧，从而利用反映信道状态变化的噪声分布中的机率(chance)来确定预定的帧数量和滤波系数。
在一个实施例中，已经存在于发送路径中的前向纠错编码器还能够用于重新编码解码的硬比特。通过这样的共享使用，对于这样的重新编码，不需要附加硬件。
附图说明
图1示意地表示蜂窝电话系统。
图2表示收发信机的方框图。
图3表示帧结构。
图4表示本发明的一个实施例。
在所有的附图中相同的标号用于相同的特征。
具体实施方式
图1示意地表示数字蜂窝电话系统1，在目前情况下是CDMA系统。系统1包括无线电区域(zone)Z1和Z2，它们分别由无线电基站BS1和BS2覆盖。另外表示出的是无线电区域Z1中的移动无线电站MS。移动无线电站MS具有接收和发送能力，以致能够与无线电基站BS1和BS2建立双向语音和/或数据通信。这样的蜂窝电话系统是本技术领域中熟知的。对接收帧应用纠错编码和解码的本发明可以在这样的移动无线电站MS中实施，但也可以在对接收帧应用纠错编码和解码的任何其它合适类型的系统或设备中实施。原则上，本发明不限于蜂窝或无线系统，而且还可以在有线系统中、在收发信机的接收路径中或在接收机中使用。在给出的示例中，本发明在应用整个系统功率控制的系统中实施，因此移动无线电站帮助无线电基站控制其功率。从而，在从无线电基站至移动无线电站的所谓的前向链路上接收帧的移动无线电站至少根据接收的好帧来估算帧误差率，并且据此在从该移动无线电站到该无线电基站的所谓的反向链路上的消息中命令该基站增加或减小其功率。
图2表示耦合到接收/发送开关20的移动无线电站MS，即具有接收路径Rx和发送路径Tx的收发信机的方框图。接收路径Rx包括耦合到解调器22的无线电前端21。在CDMA系统的情况下，解调器可以包括所谓的瑞克(Rake)接收机，输出所谓的软比特。接收路径Rx和发送路径Tx耦合到处理器23，该处理器执行另外的接收和发送功能并处理数字信号。接收功能包括处理软比特SB和生成功率控制比特PCB，该功率控制比特PCB通过发送路径Tx发送给基站。发送功能包括使用前向差错编码器24的前向差错编码。正如后面所描述的，在发送路径Tx中使用的前向差错编码器24可以在接收路径Rx的帧误差率估算中共享使用。除了这样的共享使用之外，这样的接收路径Rx和发送路径Tx同样是本技术领域中熟知的。
图3表示一系列接收帧中的帧结构PR。帧结构FR包括数据比特30和帧质量指示符31，诸如CRC。帧结构FR可以更复杂并且包括其它类型的信息。为了说明本发明，帧复杂性不是本质的，但是，帧质量指示符31可以是所谓的循环冗余校验CRC，这是通过查找多项式分解(division)的余数(remainder)来生成奇偶校验比特的线性检错码的类别。在接收端，帧质量指示符31用于确定接收帧是好帧还是坏帧。鉴于本发明，可以使用其它合适的帧质量指示符。在发送端，数据比特30进行纠错编码。在接收端，在移动无线电站MS中，根据本发明，应用对应于接收帧的软比特的纠错解码，并且进一步重新编码接收的好帧的硬检测比特，以获得接收帧的噪声分布估算，并且间接地获得接收帧的帧误差率。
图4表示利用处理器23实施的本发明的一个实施例，该处理器23包含用于存储程序和用于存储非易失性数据的非易失性存储器以及用于存储易失性数据的易失性存储器。处理器23可以以专用的逻辑或其它硬件或作为硬件和软件的组合来实施。为了提供功率控制比特，内部环路60包括Eb/Nt估算器40和比较器41，其中估算器40从软比特SB中提供Eb/Nt估算，比较器41比较Eb/Nt估算与Eb/Nt设置点SP，Eb是比特能量，而Nt是接收信号的噪声密度。Eb/Nt设置点或Es/Nt设置点是在逐帧基础上进行调节的，Es是符号能量。如果Eb/Nt估算大于Eb/Nt设置点，该功率控制比特PCB指示无线电基站BS1降低功率。如果Eb/Nt估算小于Eb/Nt设置点，则功率控制比特指示无线电基站提高功率。Eb/Nt设置点是在外部环路61中进行调节的，该外部环路61包括前向纠错解码器42、帧差错校正估算器43、用于比较帧差错估算与由网络操作员设置的帧误差率设置点FER_SP的比较器44A和Eb/Nt设置点调整器44B。根据本发明，该外部环路还包括CRC检验器45，检验接收帧中的CRC并被安排在FEC解码器42的输出流中。CRC测试器46提供接收帧是好的还是坏的指示符GF和BF。在给定的例子中，FER估算器43是有限脉冲响应(FIR)滤波器，处理好帧与坏帧的FER估算。根据本发明，好帧在FEC编码器47中进行重新编码，以便从接收帧中获得硬比特HB。因为该帧被正确地接收，所以重新编码的硬比特决定与在发送端由无线电基站BS1发送的数据比特完全相同。通过比较接收的软比特和重新编码的硬比特，明白无线电基站BS1和移动无线电站MS之间的信道的信道状态的影响。不用FEC编码器47，可以使用发射路径Tx中的FEC编码器24，从而节省硬件。噪声分布估算器48根据接收帧的软比特和硬比特来提供噪声分布估算。用于简单的接收机诸如BPSK或QPSK接收机的检测器49根据软比特和重新编码的硬比特来确定误码率(BER)。FEC解码器50最好通过查找表从检测器49的输出中确定相应的BER和FER，其中该查找表考虑了由FEC解码器50获得的编码增益。FEC估算器43可以处理从FEC解码器50输出的数据。FEC不限于卷积码、卷积编码器和维特比解码器或者Turbo码。可能应用其它适当的码。对于连续帧的数量N，N是整数，对于好帧与坏帧获得FER估算，FER_i，i＝1，2，....，C，C是好帧的数量，而B是坏帧的数量。对于坏帧，FER估算只是1/N。对于好帧，诸如BPSK或QPSK接收机的简单检测器的BER使用软比特和重新编码的硬比特来估算。然后，通过考虑编码增益来获得FEC接收机的BER和FER。因此，获得被滤波的用于好帧与坏帧的FER流。例如，N＝250并且以1坏帧，200好帧，1坏帧和48好帧(B＝2，C＝248)的顺序接收，至FIR滤波器43的输入是：1/N，FER_1，FER_2，...，FER_200，1/N，FER_202，...FER_249。应用N抽头FIR滤波器来确定哪些帧明显有助于FER估算，即更重要的帧。对于较旧帧的递减的滤波系数及时有效地用作相应帧中数据的遗忘因子。N个连续帧的视窗一次被提前M帧，M是整数。利用反映信道状态变化的噪声分布的变化(例如，使用噪声方差)来确定参数M和滤波系数。利用滤波系数k0，k1，k2，...，k249，FIR滤波器运算是k0*1/N+k1*FER_1+....+k200*FER_200+k201*1/N+k202*FER_202+...k249*FER_249。将N帧提前M有效地改变帧流的起始点。
因此本发明具有许多优点。除了使用坏帧之外，使用好帧或正确的帧来直接估算噪声分布和间接估算帧误差率，从而显著地加速FER估算，因为典型地具有的好帧比坏帧多得多。除此之外，还通过应用在FER估算处理过程中使用的帧的遗忘因子来考虑信道状态。而且，在几个帧上平均的信息用于更新FER估算，以便最小化任何单个帧可能具有的不利影响。
本发明可以用于包括帧校验和FEC操作的任何系统中。这样的系统包括CDMA系统、GSM系统、电缆调制解调器系统或任何其它合适的系统。
鉴于前述的情况，本领域的技术人员将清楚，在如所附的权利要求书所定义的本发明的精神和范围内，可以进行各种修改，并因此本发明不限于所提供的示例。单词″包括″不排除在权利要求书中列出之外的其它单元或者步骤的存在。

Claims (22)

1.一种估算接收帧的帧误差率的方法，所述方法包括以下步骤：
纠错解码接收帧；
确定所述纠错解码的帧是否是好帧；
纠错编码所述好帧；和
根据所述纠错编码的好帧和所述接收帧来估算所述帧误差率。
2.根据权利要求1的方法，还包括使用所述接收帧和所述纠错编码的好帧来确定误码率，以及所述帧误差率的所述估算使用所述确定的误码率。
3.根据权利要求2的方法，首先根据不包括纠错解码的较不复杂的解码来进行所述误码率的所述确定，并且随后为了纠错解码进行所述误码率的所述确定，从而根据所述较不复杂的解码使用所述确定的误码率。
4.根据权利要求3的方法，结合考虑所述纠错解码相对于所述较不复杂的解码的编码增益的误码率关系来使用查找表。
5.根据权利要求1的方法，还根据纠错解码的坏帧来估算所述帧误差率。
6.根据权利要求1的方法，根据包括在所述接收帧中的帧质量指示符来执行所述好帧的所述确定。
7.根据权利要求6的方法，其中所述质量指示符是循环冗余校验。
8.根据权利要求1的方法，其中所述纠错解码是前向纠错解码，并且所述纠错编码是前向纠错编码。
9.根据权利要求5的方法，所述帧误差率的所述估算是对多个连续接收的帧进行的，从而N抽头滤波好帧与坏帧的帧误差率估算。
10.根据权利要求9的方法，还包括根据所述纠错编码的好帧和所述接收帧来确定噪声分布估算，并且根据所述噪声分布估算来确定所述N抽头滤波的滤波系数。
11.根据权利要求10的方法，所述滤波系数对于较旧的帧被减小。
12.根据权利要求10的方法，在功率控制比特确定配置的内部环路中使用所述噪声分布估算，其中该配置还包括为所述内部环路提供设置点的一个外部环路。
13.一种帧误差率估算器，用于估算接收帧的帧误差率，所述帧误差率估算器包括：
纠错解码器，用于解码接收帧；
好帧确定器，用于确定所述纠错解码的帧是否是好帧；
纠错编码器，用于编码所述好帧；和
帧率估算器，被配置为根据所述纠错编码的好帧和所述接收帧来估算所述帧误差率。
14.根据权利要求13的帧误差率估算器，还包括用于确定误码率的误码率确定器，所述误码率确定器使用所述接收帧和所述纠错编码的好帧，所述帧误差率估算器被配置为使用所述确定的误码率来估算所述帧误差率。
15.根据权利要求13的帧误差率估算器，还被配置为根据纠错解码的坏帧来估算所述帧误差率。
16.一种帧误差率估算器，用于估算接收帧的帧误差率，所述帧误差率估算器包括：
用于纠错解码接收帧的装置；
用于确定所述纠错解码的帧是否是好帧的装置；
用于编码所述好帧的装置；和
用于根据所述纠错编码的好帧和所述接收帧来估算(43)所述帧误差率的装置。
17.根据权利要求16的帧误差率估算器，还根据纠错解码的坏帧来估算所述帧误差率。
18.根据权利要求17的帧误差率估算器，还包括被配置为通过使用多个连续接收帧之中的好帧和坏帧的帧误差率估算来估算所述帧误差率的N抽头滤波器。
19.根据权利要求18的帧误差率估算器，还包括用于根据所述纠错编码的好帧和所述接收帧来确定所述噪声分布估算的装置，用于根据所述噪声分布估算来确定所述N抽头滤波器的滤波系数的装置。
20.一种设备，包括用于估算接收帧的帧误差率的帧误差率估算器，所述帧误差率估算器包括：
纠错解码器，用于解码接收帧；
好帧确定器，用于确定所述纠错解码的帧是否是好帧；和
纠错编码器，用于编码所述好帧；
所述帧率估算器被配置为根据所述纠错编码的好帧和所述接收帧来估算所述帧误差率。
21.根据权利要求20的设备，所述设备是第一无线设备，被安排为通过空中接口与第二无线设备通信，所述第一无线设备包括接收路径，所述接收路径在外部功率控制比特确定环路中包括所述帧误差率估算器并且在内部环路中还包括能量-噪声估算器，用于估算每比特接收的能量与噪声功率之比，所述帧误差率估算用于调整所述内部环路的设置点。
22.根据权利要求21的设备，所述第一无线设备还包括具有发射机的发送路径，所述发射机被配置为发送所述功率控制比特给所述第二无线设备。
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