CN1758578A

CN1758578A - 通信系统中的分组差错率估计

Info

Publication number: CN1758578A
Application number: CNA2005101071221A
Authority: CN
Inventors: 毕奇; 崔东哲; 张沁磬
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2025-09-28
Also published as: KR20060051952A; EP1643674A1; JP2006109445A; EP1643674B1; US7889692B2; US20060067242A1; JP5004450B2; DE602005002001T2; DE602005002001D1; CN1758578B; KR101169576B1

Abstract

本发明涉及通信系统中的分组差错率估计。数据通信包括例如当没有足够的数据传输来提供分组差错率的直接测量时有用的分组差错率估计。至少一个导频信道输出提供确定估计分组差错率的基础。一个示例包括使用导频信道的每一码片能量与噪声频谱密度之比。另一示例包括使用来自导频信道的导频码元差错率作为确定业务信道分组差错率的基础。

Description

通信系统中的分组差错率估计

技术领域

本发明通常涉及电信领域。

背景技术

通信系统可以基于硬布线连接、无线信号传输或者这二者的组合。一些系统能够处理话音通信。一些能够处理数据通信。一些能够处理一个以上类型的通信(即语音和数据)。

在数据通信系统中，信息比特通常被组合成为一个帧或者分组格式并被发射到接收机。例如接收到的分组可能由于一个用于发射数据的噪声信道而被丢失或者包括差错。分组差错率(PER)是包含差错的接收分组的百分比。

已知的系统通过计数在一个时间间隔期间的丢失或错误分组数目来直接确定PER。可是在许多情形中，使用直接计数技术充分地确定PER是不可能的。在许多数据传输布置中，传输在信道上不是连续的。数据传输例如倾向于猝发。在没有接收数据分组的寂静时间期间，没什么好计数的并且没有用于确定PER的基础。

直接计数来确定PER未必提供可靠结果的另一情形是在实际的PER很小时。例如，PER可能是大约10^-4或10^-5量级。在一个有限的时间间隔内，接收分组数没有大到足以提供足够信息用于精确地确定PER。

PER是指示信道质量和系统性能的一个重要量度。PER可以通过调整信噪比(SIR)、引入冗余度或者同时通过这两个方法来控制，以便减少分组差错的发生。已知系统被设计来尝试保持PER低于一个选定目标。在服务质量和信号发射功率之间有一个折衷，其典型情况下影响PER目标的选择。

前向纠错(FEC)和自动重发请求(ARQ)是通信系统中的传统差错保护方案。在发射机处，编码器增加冗余度来以奇偶校验位的形式保护信息比特。在接收机处，解码器研究冗余度因此某一数量的差错能够被纠正。一种编码的系统每一接口能够容忍更多信道差错，并且因此能够负担在较低的发射功率操作并且在较高的数据速率发射。对于ARQ，发射机发送分组给接收机。接收机一收到分组就执行差错检测以便确定分组是否有差错。接收机发送一个确认返回给发射机，指示该分组是否被成功接收。如果分组没有被正确地接收，则发射机重发同一分组。否则，发射机从它的缓存器中删除该分组并且处理下一分组。

还有一种FEC和ARQ技术的组合，它被认为是混合式ARQ(HARQ)方案。在HARQ内已知两种特定的技术：Chase合并和递增的冗余度。用低速率FEC码编码原始数据分组。已编码分组然后被分成多个子分组。每个子分组被使用作为传输单位。在Chase合并中，每个子分组与原始编码的分组相同。如果子分组被错误解码，则下一子分组被发射。在接收机处，多个接收到的子分组被最佳合并和解码。对于递增的冗余度，每个子分组不同并且具有初始分组的冗余度信息。如果第一子分组被不正确地解码，则下一子分组被发射。在接收机处，多个接收到的子分组被连接在一起并形成一个用于解码的码字。在一个发射中使用更多子分组在接收机处导致一个具有更多冗余度信息的较长码字。因此，在递增的冗余度技术中的每个传输为了更高的差错纠正能力提供附加冗余度信息。

在无线通信系统中，卷积码和turbo码通常被使用作为FEC码。

编码系统中的PER取决于比特能量与噪声频谱密度之比(Eb/No)、FEC编码率、ARQ方案和分组尺寸。卷积码和turbo码的解码差错概率分析上难以计算。代替获得精确的误差概率，典型地，导出一个界限来反映一个合理的解码性能级别。为了论述的目的，在一个示例中业务信道上的数据传输使用无线通信来发生。具有此性能的一个示例系统是IxEV-DV系统，它是3GPP2定义的第三代CDMA2000标准。

在IxEV-DV系统中的一条反向链路上配置有多个信道。用于发射用户业务的高速数据信道是反向链路分组数据信道(R-PDCH)。典型地，此信道上的传输时间单元被称为一个时隙并且常常具有10毫秒的持续时间。用FEC码编码的一个编码器分组被分成子分组。每个子分组被预定在一个时隙内并被发射。这里有各种不同的编码器分组尺寸。Turbo码已知被使用作为PDCH的FEC码。卷积码已知被用于传统3G1x业务信道，比如基础信道(FCH)和辅助信道(SCH)。典型地，在R-PDCH上的传输速率从6.4KBPS变化直到1.8MBPS并且根据信道状态和移动站处的可用数据被动态地设置。R-PDCH上的不同传输速率是不同编码器尺寸和调制方案的结果。

在一个示例中，混合式ARQ被使用在R-PDCH上来研究时间分集和差错性能改善。

备用链路导频信道(R-PICH)被用来连续地发送导频序列。导频序列是诸如多个二进制数之类的未调制的已知信号序列。在CDMA扩频系统中，导频信号被用来确定多径分量特性并帮助接收信号的相干解调。导频信道上的发射功率例如被使用作为其它信道的参考点。R-PDCH例如在导频信道的发射功率上具有一个固定偏移，通常被称为T2P(业务与导频)比值。

例如在一个CDMA系统中，保持业务信道的PER低于某一个目标是所希望的。在一个示例中，1％的PER保持一个合理的用户数据服务质量。调整一个业务SIR保持PER的控制。例如当PER太高时，目标SIR将被增加。例如当PER太低时，目标SIR将被降低以便减少由一个特定移动站产生的干扰。调整目标SIR以便保持PER低于一个目标门限值有时被称为外环功率控制。内环功率控制根据目标SIR调整发射功率。内环和外环功率控制同时操作以便达到一个优良的系统性能。基站的功率控制部分22负责外环功率控制。

PER值例如被用于外环功率控制。在某些情况下，达到在PDCH(即业务信道)上的PER的直接测量是可能的。可是，有这样的时候，其中没有分组可用并且基站的功率控制部分22不能够直接测量PER。在这样的情况之下，外环功率控制可能被牺牲。

一个另外的考虑是：IxEV-DV中的R-PDCH有为不同应用设计的四个不同模式。例如，增强模式(boost mode)是为延迟敏感的应用所设计。在增强模式中，分组以一个比常规模式的功率设置更高的功率发送。这提高了第一次发射的成功概率并且降低了重发延迟。结果，在HRAQ合并之后的PER在增强模式中通常很小。例如它可以小于.1％。在这样的情况之下，即使当有接收分组可用时也难以直接计算PER。

发明内容

本发明解决了即使当没有足够接收数据使得不可能直接确定PER时确定PER的需要。公开了用于估计PER的几种技术。

一种示例的通信方法，包括：使用一个相关导频信道的至少一个选定输出来确定业务信道的分组差错率。

在一个示例中，选定的输出包括一个导频信道的每一码片能量与噪声频谱密度之比。把导频信道码片能量与噪声比转换为相应的业务信道比特能量与噪声比，然后使用相应的业务信道比特能量与噪声比的矢量表达式提供一个相当的业务信道比特能量与噪声比，其然后用于估计业务信道上的分组差错率。

在另一示例中，选定的输出包括来自导频信道的导频码元差错率。把导频码元差错率转换为一个相应的业务信道比特差错率以及然后确定相应比率的矢量表达式，以确定一个等效的信道比特差错率。然后可以根据等效的业务信道比特差错率确定业务信道分组差错率。

一个示例包括预先确定一个匹配函数(fitting function)，其考虑了在一个给定时间间隔内基于相关导频信道的选定输出的估计分组差错率和实际的分组差错率之间的任何差别。匹配函数可用于根据导频信道输出对随后确定的分组差错率进行任何必需的调整。

本发明的各种特性和优点从如下详细的描述中将对本领域技术人员变得显而易见。伴随详细说明书的附图可以如下被简要描述。

附图说明

图1示意性地说明了一个示例通信系统的选定部分。

图2是概述估计分组差错率的一个示例方法的流程图。

图3是示出估计分组差错率的一个备选方法的流程图。

图4是概述估计分组差错率的另一示例方法的流程图。

具体实施方式

图1示意性地示出了一个通信系统20的选定部分。在这个示例中，用于无线数据通信的基站的功率控制部分设置一个门限值功率电平以便达到一个目标分组差错率(PER)。在一个示例中，门限值是一个信号噪声比(SIR)。移动站23使用门限值来以一种已知方式控制它的发射功率。

接收机部分24以一种已知方式在业务信道上接收来自移动站23的数据分组。接收机部分24还以一种已知方式在导频信道上接收反向链路导频信号。

估计器部分26提供一个估计的PER给功率控制部分22。在一个示例中，估计的PER是基于导频信道的至少一个选定的输出。在一个示例中，选定的输出是导频信道的每一码片能量与噪声频谱密度之比。在另一示例中，选定的输出是来自导频信道的导频码元差错率。即便在业务信道上没有足够的数据传输以启用PER的直接测量时的情况之下，使用导频信道输出来估计用于数据传输的业务信道的PER启用功率控制部分22来设置一个适当的门限值。

在考虑根据导频信道输出估计业务信道PER的一些示例方法之前，考虑确定解码差错概率的示例技术的一些特征是有用的。

卷积码或Turbo码的解码差错概率是特定的编码率、码字长度和信道比特差错率(Pb)的函数。信道比特差错率是比特能量与噪声频谱密度之比(Eb/No)以及调制方案的函数。对于所述的特定码和调制方案，解码差错概率Pe可以被表示成Eb/No的函数：

对于卷积码，

P_e＝f₁(E_b/N₀) (1)

或者，对于Turbo码

P_e＝f₁′(E_b/N₀) (2)。

或者Pe可以被表示成Pb的函数：

对于卷积码，

P_e＝f₂(P_b) (3)

或者对于Turbo码

P_e＝f₂′(P_b) (4)。

事实上难以解析和获取解码差错概率的接近的形式解。相反，典型地，一个上限被用来表示卷积码或Turbo码的性能。在AWGN信道中关于Pe的上界已被研究。说明书依靠AWGN信道的熟知的上界并且使用扩展来包括其它时间变化的信道以及HARQ的结果。

无线衰落信道是随时间变化的。功率控制旨在跟踪信道变化并且波动在目标SIR周围的接收信号强度。另外，因为HARQ，接收分组由在不同时间发射的子分组组成。所有这些因素引起接收分组的Eb/No或者比特差错概率(Pb)变化。AWGN信道的Pe的熟知的分析边界在此方案中不再适用。

因此，包括在考虑变化的Eb/No或Pb情形的同时导出边界在内的对分析的扩展是有用的。在AWGN信道中的一个等效的Eb/No被使用于一个示例中。假定对于一个特定码字和调制方案，Pe是变化的Eb/No或Pb的函数，它由一个L维矢量表示，

P_{e} = g_{1} (\overset{&OverBar;}{(E_{b} / N_{0})}) - - - (5)

或

P_{e} = g_{2} (\overset{&OverBar;}{P_{b}}) - - - (6)

对于AWGN信道，Pe通过等式(1)或(2)表示。等效的Eb/No或Pb被定义为：

P_{e} = f_{1} ((E_{b} / N_{0})_{equ}) = g_{1} (\overset{&OverBar;}{(E_{b} / N_{0})})

(E_{b} / N_{0})_{equ} @ f_{1}^{- 1} (g_{1} (\overset{&OverBar;}{(E_{b} / N_{0})}))

(7)

或

P_{e} = f_{2} ((P_{b})_{equ}) = g_{2} (\overset{&OverBar;}{P_{b}})

(P_{b})_{equ} @ f_{2}^{- 1} (g_{2} (\overset{&OverBar;}{P_{b}}))

(8)

换言之，等效的Eb/No(或Pb)是AWGN信道中的一个等效常数值，其生成的Pe与变化的Eb/No(或Pb)值的相同。这把变化的Eb/No(或Pb)的Pe的分析转换为找到等效的Eb/No或Pb的任务。

由于卷积码和Turbo码的分析不同，所以相应地分别考虑计算两个类型代码的Pe是有益的。

对于卷积码，计算等效Pb或Eb/No的函数被表示为：

{(E_{b} / N_{0})}_{equ_cov} = h_{1} (\overset{&OverBar;}{E_{b} / N_{0}}) - - - (9)

或

{(P_{b})}_{equ_cov} = h_{2} (\overset{&OverBar;}{P_{b}}) - - - (10)

对于Turbo码，计算等效Eb/No或Pb的函数被表示为：

{(E_{b} / N_{0})}_{equ_turbo} = {h_{1}}^{'} (\overset{&OverBar;}{E_{b} / N_{0}}) - - - (11)

或

{(P_{b})}_{equ_turbo} = {h_{2}}^{'} (\overset{&OverBar;}{P_{b}}) - - - (12)

在一个示例中，根据导频信道的每一码片能量与噪声频谱密度之比确定接收导频码元和业务信道的PER之间的关系。参见图2，流程图40概述了这个示例方法。导频信道序列在42处被检测。使用已知技术可以从导频信道中辨别在一个时隙持续时间上的平均的每一码片能量与噪声频谱密度比(Ec/Nt)。在这个示例中，平均的Ec/Nt是选定的导频信道输出，其提供了业务信道PER估计的基础。

在44处确定在一个时隙索引i上的平均的Ec/Nt。在46，储存K个时隙的平均的Ec/Nt，在此K＝4*N并且N是允许一个分组的最大传输数。在一个示例中，N个传输对应于使用HARQ的分组的重发数目。因此，通过使用一个分组的每一个传输来形成一个具有N维的矢量是可能的。

在48，估计业务信道PER开始于第i时隙，在此分组ID j＝0，在此j表示接收到的分组的序列号。在具有重发的示例中，每个分组相互间的到达时间不是常数。在50，估计器部分26读取Ec/Nt的N个值。在52，Ec/Nt的N个值被转换为业务信道上的相应Ec/Nt。在一个示例中，导频信道(PICH)的Walsh码扩展因数和业务或分组数据信道的反向链路(R-PDCH)的Walsh码扩展因数之比是W。在图2中的52，可以使用如下等式完成转换：

(E_c/N_t)^PDCH＝W(E_c/N_t)^PICH (13)

在一个示例中，每一编码器分组有一个最大传输数N。在达到最大传输数之后，一个编码器分组将被声明错了。在一个示例中一个编码分组由N个子分组组成。在这个示例中在图2中的步骤52包括形成一个具有N维的Ec/Nt的矢量表达式，在此，每个元素(Ec/Nt)_n表示第n个子分组的Ec/Nt。假设在第i时隙，已经达到一个特定分组的最大传输数，则该分组的矢量Ec/Nt的N个值可以被表示成：

{(E_{c} / N_{t})}_{n}^{PDCH} = W {(E_{c} / N_{t})}_{i - (N - n - 1) * 4}^{PICH}, n = 0, K, N - 1 - - - (14)

在这个示例中，项(N-n-1)乘以四，由于子分组的重发比最近的子分组传输落后了四个时隙。

接下来，在54，从Ec/Nt矢量中确定业务信道上的等效的Eb/No。在使用卷积码的一个示例中，等式(9)提供等效的Eb/No。在使用turbo码的一个示例中，等式(11)提供等效的Eb/No。

在使用卷积码的示例中，等效的Eb/No然后被使用作为等式(1)的输入参数。对于包括turbo码的示例，等效的Eb/No是上面等式(2)的输入参数。不论发生那种状况，结果计算业务信道上第j个分组的Pe。这在图2中在56处发生。业务信道的估计的PER则是完成上述计算的结果。

在图2的示例中，在58的下一步骤是递增j值并且再一次重复该流程。

同样在图2的示例中，在56处的计算包括使用一个查寻表60，其为不同编码器分组尺寸提供AWGN信道中的Pe和Eb/No之间的关系。在56处的计算还包括在62处使用一个已知的多普勒估计技术。在此示例中的估计被用来在64处对于估计的PER确定一个适当的匹配函数调整。

在一个示例中，从一个把给定时间周期上的直接测量的PER与在同一时间周期上使用刚刚所述的算法估计的PER进行比较的实验分析中确定匹配函数。匹配函数然后有益于后来的调整(如果必要的话)以便使估计的PER更接近期望的那样对应于直接测量的PER。在一个示例中，匹配函数被表示为F(.)，它基于码类型而有所不同。在这样一个示例中，Pe可以被表示成：

P_e＝F(f(E_b/N₀)，c) (15)

在此c是一个常数并且对于不同方案是可以可调的。可以基于诸如多普勒频率、路径分集等等之类的信道状态信息调整c。给出这个描述，本领域技术人员将能选择一个适当的匹配函数以满足他们特定情形的需要。

根据相关导频信道的选定输出估计业务信道的PER的另一示例方法在图3的流程图中被概述。在此示例中，流程图40′包括使用于图2中概述的示例中的大量技术。因此，在图2和3中可找到类似的编号。图2的示例和图3的示例之间的区别是：每一时隙平均的Ec/Nt使用于图2中，但是使用于图3示例中的Ec/Nt变化并且每一时隙具有不同的值。在一个示例中，导频信道为每个功率控制组间隔提供Ec/Nt。在一个示例中，每个时隙占用10毫秒并且每个功率控制组间隔占用1.25毫秒。在这个示例中，对于每个时隙有来自导频信道的八个Ec/Nt值。这些Ec/Nt值的每一个在44′处被聚集并且在46′处被储存。在这个示例中，每一时隙的八个Ec/Nt值被用来形成矢量表达式。即使在第一次发射时就成功接收分组的情形下，则每一时隙的多个导频信道Ec/Nt值担任形成矢量的基础。

代替如在先前所述的示例中发生的那样使用平均值，估计器部分26在50′处应用单独的Ec/Nt值。为了论述的目的，M表示每个时隙中的Ec/Nt值的数目。在这个示例中，估计器部分26计算与来自导频信道的Ec/Nt值对应的业务信道的M个Ec/Nt值。等式(13)被使用于一个示例中。在包括HARQ的示例中，其中最大的N个子分组被组合，则对于编码的分组有M*N个Ec/Nt值。

在52′处，为业务信道确定相应的Ec/Nt矢量。在54′处，确定业务信道的等效的Eb/No。应该注意：在此示例中，因为更多Ec/Nt值被使用，所以存在更多密集的计算。附加的计算和附加的精确度之间的折衷将规定图2中概述的示例和图3中概述的这个示例之间的首选项。给出这个描述，则本领域技术人员将能选择一个最符合他们特定情形的需要的技术。

另一示例在图4中被概述。在此示例中，流程图70包括在72处检测导频信道的选定输出。在这个示例中，选定的输出是导频信道的导频码元差错率。在74，确定平均的码元差错率。在76，储存K个时隙的平均码元差错率。

估计器部分26在78处为j＝0的分组ID的第i个时隙选择一个起始时间。在80，估计器部分26读取导频信道码元差错率的N个值。

在82，估计器部分26把导频码元差错率转换为业务信道的相应的比特差错率Pb。因为与导频信道相比，业务信道有不同调制方案和编码，所以使用这样的转换。在一个示例中，基于调制和编码的已知技术和已知关系被用来执行转换。

在包括HARQ操作的一个示例中，如果报告的导频码元差错率间隔小于总的分组传输时间，则每个子分组有一个不同的Pb。在一个示例中，如果每一时隙，报告的导频码元差错率是1并且有总数为N个的时隙用于传输，则Pb的矢量有N维。

在84，例如使用上面的等式(10)或(12)从N个相应Pb值中确定业务信道的等效Pb。

然后在86处使用等效Pb值来例如利用上面的等式(3)或(4)来确定估计的PER。对于下一分组该流程在88继续。

在图4的示例中，一个查寻表90在86处被用于确定估计的PER，该查寻表90包括对于不同编码器分组尺寸关于相对于Pb的Pe的信息。可能需要的基于多普勒估计94的一个匹配函数92如上所述调整估计的PER。

上面公开的任何一个示例提供基于相应导频信道的至少一个选定输出估计业务信道PER的能力。所公开的一个以上技术可以被同时使用或者它们的组合也是可能的。受益于此说明书的本领域技术人员将了解哪些技术将最符合他们特定情形的需要。类似地，受益于此说明书的本领域技术人员将能使用硬件、软件、固件或者这些的组合来配置一个估计器部分26以便提供一个估计的PER以符合他们特定情形的需要。

前述的说明本质上是可仿效的而不是限制性的。对未偏离本发明本质的所公开示例的那些变化和修改对本领域技术人员来说可能变得显而易见。对本发明给出的合法保护范围只能通过研究如下的权利要求来确定。

Claims

1.一种通信方法，包括：

使用一个相关导频信道的至少一个选定的输出来确定业务信道分组差错率。

2.权利要求1的方法，其中：选定的输出包括导频信道码片能量与噪声比。

3.权利要求2的方法，包括：把导频信道码片能量与噪声比转换为相应的业务信道比特能量与噪声比。

4.权利要求3的方法，包括：确定一个有N维的相应业务信道比的矢量表达式，其中，N是每一编码器分组的最大传输数目，并且一个编码分组具有N个子分组。

5.权利要求4的方法，包括：从矢量表达式中确定等效的业务信道比特能量与噪声比。

6.权利要求5的方法，包括：从等效的业务信道比中确定业务信道分组差错率。

7.权利要求1的方法，其中：选定的输出包括来自导频信道的导频码元差错率。

8.权利要求7的方法，包括：把导频码元差错率转换为相应的业务信道比特差错率。

9.权利要求8的方法，包括：

确定相应的业务信道比特差错率的矢量表达式；和

从矢量表达式中确定等效的业务信道比特差错率。

10.权利要求9的方法，包括：从等效的业务信道比特差错率确定业务信道分组差错率。