CN1886926B - 用于计算接收信号误码率的方法和设备 - Google Patents

Abstract

在数字无线电电信系统中估计无线电信道误码率(BER)的系统和方法，其中turbo解码器的软输出被用作为查找表的指针或者索引，该查找表包含在接收帧的数据字段中的某一个比特的按比特的BER。量化器量化接收的数据帧，被量化的比特对开关进行操作，来选择适当查找表。通过累加和缩放计算一定量比特的平均BER。可能会发生解码的比特误差，但是由于被提交到后验概率估计，可以避免通常会在低SNR时发生的系统误差。

Description

用于计算接收信号误码率的方法和设备

技术领域

本发明涉及无线电电信系统，尤其涉及在数字无线电电信系统中估计无线电信道误码率的系统和方法。

背景技术

从发送器向接收器传播的电磁信号受到传输信道不理想性的影响。当电磁信号从发射天线向接收天线行进时，它遭遇到的传输信道因经受了在不同的固定和不固定物体上的反射而导致所谓多路径衰落，以及由于各种因素产生的噪声，例如背景噪声、发射机和接收机部件中引入的噪声、大气传输条件引入的噪声和由于其他发射机在干扰载波频率上运行引入的干扰。

由于这种不理想的传输信道，导致接收天线接收的信号典型地与发送器发射的信号不同。因此，应用通过检错差编码和/或纠错编码来检测和可能地校正比特误差的技术。

为确保发送信息和接收信息以预定的概率相同，接收机应该有方法在接收信息包含误差时推导(以预定的概率)。此外，如果检测到误差，需要一种获得校正信息的机制。

实现上述期望的第一机制是反馈(返回)误差检测，其中每个字符或者帧只包括在出现误差时足以使接收机进行检测的附加信息，但不能反馈误差的位置。通常重传控制方案被用于请求再次发送该信息得拷贝。第一机制是本领域技术人员公知的技术，这里不再进一步描述。

使用的第二机制是所谓的前向纠错(FEC)编码，其中每个传送的字符或者帧包含附加(冗余)信息以便在出现误差时使接收机不仅能进行检测，而且能够确定误差在接收的字符或者帧中的位置。然后通过反转这些比特获得正确的信息。因为这些前向纠错(FEC)编码技术，例如代数编码或者分组编码、卷积编码、级联编码和turbo编码是本领域技术人员的公知技术，这里不再进一步解释。

上述编码器典型地位于发射站，而解码器典型地位于数字传输系统的接收站。解码器使用编码器附加的冗余信息来检测和校正由通信信道的不利影响引起的比特误差。

turbo代码的最佳解码常常是一件很复杂的任务，需要大量的时间周期而且通常不能在线解码。已经开发了迭代解码技术来克服这个问题。接收机不是立即确定接收的比特是0或者是1，而是分配给每个比特一个数值，该数值是一种表示这个比特是1或者是0的概率的多级刻度。一种称为对数似然比(LLR：log-likelihood ratio)概率的普通刻度(common scale)使用在一定范围，例如{-32，31}内的整数表示每个比特。值31表示传送的比特是0的概率很高，值-32表示传送的比特是1的概率很高。值0指示逻辑比特值不确定。用多级刻度表示的数值被称作是“软数据”，通常由解码器(用于根据之前的迭代执行迭代解码)解码接收机读取的软数据时使用。在解码有多种分量的代码的迭代解码期间，解码器使用其中一个代码的解码结果来改进第二种代码的解码。当使用并行编码器时(如在turbo编码中)，为此目的通常使用两个对应的并行解码器。这种迭代解码执行多次迭代直至认为软数据接近地表示发送数据。

概率研究在已知这个事件一定量信息的情况下其出现的可能性。在某个事件的概率已经发生时尤其清楚。x被发送的概率是p(x)，概率是指在已知该事件一定量信息的情况下发送x。通常不仅涉及已接收x的噪声版本，还有关于编码方案、传输链路，等等的信息。

在某些情形下，在解码接收消息之前可以获得所传送消息的一些信息。其可能包含指示某些消息比其它的消息更可能发生的信息或者来自其它传送序列的信息。这被称作“先验信息”，与其相关的是先验概率。同样，当包括先验信息概率和通过解码得到的信息时，后验概率的概念是已知的。

turbo代码有两个编码序列。通过解码其中一个序列开始解码以便得到信息序列的第一估计。然后将这个估计用作在解码第二编码序列时的先验信息。这要求解码器能使用软判定输入并且能产生软输出。上述turbo解码器包含软输入-软输出(SISO)解码器，这些解码器协同工作，并使用对数最大后验概率(Log-MAP)算法实施。每个解码器产生的后验信息被另一个解码器当作先验信息使用。

turbo代码的两个最普通的解码策略是基于MAP或者后验概率(APP)算法和软输出维特比算法(SOVA)。不考虑其中使用的算法，turbo码解码器要求使用有相同算法、并且以迭代方式运行的两个组成解码器。这些方法提供表示已接收比特的后验对数似然比的软输出。

在典型的解码操作中，第一解码器根据从第一组成编码器接收的数据产生统计信息。然后将这个信息馈送到第二解码器，第二解码器一起处理该信息和从第二组成编码器接收的数据。解码之后将被改进和更新的统计信息馈送到第一解码器，再次开始处理。这个处理进行多次迭代，典型地是对每个数据块进行6-10次迭代，在此之后产生实际的数据估计。

在维特比算法的一种变型中，接收的编码比特不仅仅通过他们的比特极性表征，还通过表示“ONE-ness”或者“ZERO-ness”程度的量值或者数量测量表征。当一个强的接收符号匹配本地预测符号时，该路径的置信因数被显著地提高，而弱的接收符号只能较少程度地提高置信因数。接收符号不匹配本地预测符号将减少对应路径的置信因数，减少的量由不匹配的接收符号的强度确定。这通常被称为软解码，而与硬解码相对。

尽管使用检错与纠错技术，但即使接收机已经执行了纠错之后信道质量仍然会使一些接收的信息比特出错。依赖于应用情况，可以容许每个时间单位内一定量的比特误差，例如信息比特表示蜂窝式电话呼叫携带的语音信息。在这种情况下，误差可以引起声音质量恶化，但尽管如此听众仍能可接受地识别从这个误差比特流复制的声音。然而在一个特殊的水平或者超过这个水平，因为音频失真使得接收的语音很难理解，故误码率变得不能接受。在电信传输中，误码率(BER)是指有误差的比特相对于在传输中接收的比特总数的百分比。

在许多无线电通信系统中，当BER变得大到不能提供可接受的服务时采取的动作包括重传信息(例如，重传被错误接收的比特块)，和/或采取措施以减少后续传输中的BER。一种减少BER的简单方法是提高发射机使用的发射功率电平，使得在任何情况下接收机仍然有可靠的信号。然而，在基于小区的移动通信系统中，增强一个小区中的信号强度将导致附近小区的干扰增加，最后导致那些小区中的BER增加。因此有利的是能处理有最低可能载波干扰(C/I)比，或者最低可能信噪比(SNR)的信号，这样可以使发送机和接收机设备使用较低功率，从而减少了手机的尺寸和功率需求，可能提高整个数字无线电电信系统的容量。

有很多估计误码率的方案。一种技术是估计载波噪声比(C/N)，然后将C/N比映射为误码率或信号质量范围。这种方案非常适合模拟无线电系统。然而，这种方案的一个问题是在低C/N比时性能很差。

一种用于产生BER估计的已知方法主要由重新编码被校正的接收信号、比较重新编码的信号与未校正的信号、根据重新编码的和已接收的比特图案之间的差异计算误码率。在专利GB 2305083中举例说明了这种进行误码率计算的重新编码方法的实例。

然后，因为不能保证信道解码器总是校正错误比特，它同样可将正确比特改为错误比特，利用不正确的信号重新编码这种可能部分正确的信号将导致错误计算出来的BER。换句话说，只有解码器成功地解码所有已接收比特，即当BER低到纠错码足以校正任何误差的时候，这个方法工作效果最佳。

在专利申请WO 01/99386中举例说明了重新编码和比较方案的改进版本，该专利试图克服专利GB 2305083的缺点。这种改进的重新编码和比较方法基本上与专利GB 2305083相同，除了只对在信道解码器之后通过循环冗余校验(CRC)的帧进行重新编码和比较。也就是说，在输出被重新编码和与未校正的信号比较之前，对信道解码器的输出执行CRC。改进的重新编码和比较方案提供比常规方法更好的性能。然而，改进的重新编码和比较方案只用在使用CRC比特进行检错的情况下。因此，不可能一直使用改进的重新编码和比较方案。另一个缺点是：改进的重新编码和比较方案跳过CRC失败的帧。在一个测量周期内也许不会剩余足够的帧来估计信号的BER。在这种情况下，必须增加测量周期和/或帧的数目，这并不总是可能的。

因此，本发明的目的是通过提供一种用于在高概率值下计算表示为SER的传输质量的方法或系统来处理上述问题，BER表示错误比特数除以发送的、接收的或者在某一规定周期处理的比特的总数。

发明内容

本发明的目的是提供一种在电信信系统中对接收信息进行BER估计的改进系统和方法。

本发明的又一个目的是提供一种在使用turbo编码进行比特纠错的电信系统中用于通信信道的误码率测量的方法。

本发明的又一个目的是提供以低计算负荷执行改进的误码率估计的系统和方法，在一个误差率范围内，特别是在低信噪比范围内提供这种估计。

本发明的又一个目的是根据接收数据帧的每个比特对于BER的贡献，提供平均BER估计，所述接收数据帧被发射站进行turbo编码、进一步处理以及最后在通信信道上发送。

接收站对接收的数据帧执行一系列操作，例如下变换、过滤、解调、去复用和turbo解码。

解码器产生软输出S5，S5表示数据帧中的接收比特是逻辑1或者逻辑0的似然性。按照本发明，似然值被映射到查找表，该查找表是从许多查找表中选择出来，其对于每个似然值的范围来说包含了每个接收数据帧比特对于所估计的BER的相应贡献。在一个实施例中，解码器是turbo解码器。

量化器量化接收的数据帧，量化的比特操作一个开关，来选择适合的查找表输出。这些按比特的BER估计可以在一个选定的采样窗口上求平均值以获得平均误码率估计。

可能发生解码比特误差，但由于他们经过了后验误码率估计，从而可以避免通常在低信噪比时发生的系统误差。

本发明提供通过利用查找表确定误码率估计的系统和方法，它导致低的电路复杂性并且减少接收机的负载。其对例如移动终端这样的移动类型接收机特别有利，因为这种接收机必须经常在电池电源的持续时间操作并且只有有限的存储器。

附图说明

图形以图解和说明的方式显示了依照本发明的优选实施例。

具体实施方式

现在将参考显示本发明优选实施例的附图更充分地描述本发明。

在数字通信系统、更准确地在数字通信系统的接收站中使用本发明的误码率(BER)计算方法和系统。

如本领域技术人员所公知的，接收站包括接收机(没有显示)、解调器(没有显示)、去复用器101和解码器102。解调器(没有显示)产生由软比特S1组成的数据流。去复用器将这个流分成软系统输入S2和一个或多个软奇偶输入S3、S4。流S2、S3和S4被输入到解码器102。

解码器102接收到完整的数据块后就处理输入并产生软输出S5，S5表示数据帧中的接收比特是逻辑1或者逻辑0的似然性。解码器102的软输出S5被用作查找表104和105的指针。当接收的数据帧比特有逻辑值0时，对每个似然值L的范围来说，查找表104包括每个接收的数据帧比特对于BER的相应贡献。当接收的数据帧比特有逻辑值1时，对每个似然值L的范围来说，查找表105包括每个接收的数据帧比特对于BER的相应贡献。对于表104，这可以表示为[1+L(n)]^-1，表105表示为[1-(1+L(n))^-1]。

被编码的软系统输入S2还耦合到软-硬量化器103，量化器将软判定整数值转换为硬判定逻辑二进制值S6。量化比特S6操作一个开关106，如果量化比特为1，开关106选择表104的输出S7，如果量化比特S6为0，开关106选择表105的输出S8。开关和选择可以用公式表示：

如果S6＝1，S9＝Pr(n)

如果S6＝0，S9＝[1-Pr(n)]

Pr(n)表示发送比特等于0的后验概率。

所选择的输出S7、S8作为输入S9被输入到一个累加和缩放设备107以获得估计的平均BER S10。

对于获得的似然值(软输出)，每个表包含如在示例性表1和2中指出的对应的BER贡献。如本领域的技术人员公知的那样，查找表基于概率值，如等式：

$\mathrm{Pr}\left(n\right)=\frac{L\left(n\right)}{L\left(n\right)+1}$

其中Pr(n)表示发送比特等于0的后验概率，L(n)是输出比特n的似然比，应用于MAP解码器。

对于log-map解码器、Max-log解码器和SOVA解码器来说，表104的内容为(1+e^Λ)^-1，表105的内容为1-(1+e^Λ)^-1。如本领域的技术人员公知的那样，查找表基于概率值，如等式：

$\mathrm{Pr}\left(n\right)=\frac{e^{\mathrm{\Λ}\left(n\right)}}{e^{\mathrm{\Λ}\left(n\right)}+1}$

其中Λ为对数似然比。

虽然在附图中举例说明并且在上述详细描述中记载了本发明的系统、方法和装置的优选实施例，但是应该理解本发明不局限于已公开的实施例，而是可以在不偏离如下文的权利要求阐述和定义的本发明的精神下进行重排、改进和置换。

观测的似然值L(软输出)		根据[1+L(n)]-1的BER贡献
			从	到
0	0.066667				0
		0.066667	0.230769	0.125
0.230769	0.454545				0.25
		0.454545	0.777778	0.375
0.777778	1.285714				0.5
		1.285714	2.2	0.625
2.2	4.333333				0.75
		4.333333	15	0.875
15	无穷大				1

表1：用于MAP解码的查找表的示例性内容。本领域的技术人员清楚可以通过改进查找表，可以使得从表查找到BER测量结果的量化影响作用任意的小。

表2：关于LOG-MAP、MAX-LOG-MAP和SOVA解码的查找表中的示例性内容。本领域的技术人员清楚可以通过改进查找表使得表的查找对BER测量结果的量化影响贡献任意的小。

Claims (14)

1.一种用于在数字通信系统中确定比特的误码率的系统，包括：

-发射站；

-具有解码器(102)的接收站；

-所述发射站被安排用于向接收站发送比特序列；

-所述接收站被安排用于接收所述比特序列；

-所述解码器(102)被安排用于解码已接收的比特序列中的一个或者多个比特；

-多个查找表(104、105)，被安排成包含与软输出值范围相关的预定误码率；

其特征在于，该系统还包括：

-量化器，被安排用于量化已接收的比特；

-开关(106)，被安排用于选择所述多个查找表(104、105)中的一个查找表的表示误码率贡献的输出(S7、S8)，所述选择基于量化比特(S6)；

-所述解码器(102)的软输出(S5)，被安排作为所述多个查找表(104、105)的索引，用于检索对于已接收的比特序列的误码率的误码率贡献；

-累加与缩放设备(107)，被安排用于累加和平均按比特的误码率。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述解码器是turbo解码器。

3.如权利要求1所述的系统，其中被所述解码器用于解码已接收的比特序列中的一个或者多个比特的解码算法是最大后验概率算法(MAP)。

4.如权利要求1所述的系统，其中被所述解码器用于解码已接收的比特序列中的一个或者多个比特的解码算法是对数最大后验概率算法(LOG-MAP)。

5.如权利要求1所述的系统，其中被所述解码器用于解码已接收的比特序列中的一个或者多个比特的解码算法是最大对数最大后验概率算法(MAX-LOG-MAP)。 

6.如权利要求1所述的系统，其中被所述解码器用于解码已接收的比特序列中的一个或者多个比特的解码算法是软输出维特比算法(SOVA)。

7.一种被安排用于确定已发送的比特序列中比特的误码率的接收站系统，包括：

-解码器(102)，被安排用于解码已接收的比特序列中的一个或者多个比特；

-多个查找表(104、105)，被安排成包含与软输出值范围相关的预定误码率；

其特征在于，该系统还包括：

-量化器，被安排用于量化已接收的比特；

-开关(106)，被安排用于选择所述多个查找表(104、105)中的一个查找表的表示误码率贡献的输出(S7、S8)，所述选择基于量化比特(S6)；

-所述解码器(102)的软输出(S5)，被安排作为所述多个查找表(104、105)的索引，用于检索对于已接收的比特序列的误码率的误码率贡献；

-累加与缩放设备(107)，被安排用于累加和平均按比特的误码率。

8.如权利要求7所述的接收站系统，其中所述接收站系统是无线通信系统中的移动单元。

9.一种用于在数字通信系统中确定比特的误码率的方法，其中该数字通信系统包括发射站和具有解码器(102)的接收站，该方法包括步骤：

-由所述发射站向所述接收站发送比特序列；

-由所述接收站接收所述比特序列；

-由所述解码器(102)解码已接收的比特序列中的一个比特，

其特征在于，该方法还包括步骤：

-由量化器量化已接收的比特；

-由开关(106)选择多个查找表(104、105)中一个查找表的输出(S7、S8)，所述选择基于量化比特(S6)；

-通过所述解码器(102)的软输出(S5)索引所选择的查找表(104、 105)，以获得已接收的比特序列的按比特的误码率；

-通过累加及缩放设备(107)累加和平均已接收的比特序列的按比特的误码率，产生估计的平均误码率(S10)。

10.如权利要求9所述的方法，其中被所述解码器用于解码已接收的比特序列中的一个比特的解码方法是turbo解码。

11.如权利要求9所述的方法，其中被所述解码器用于解码已接收的比特序列中的一个比特的解码算法是最大后验概率算法(MAP)。

12.如权利要求9所述的方法，其中被所述解码器用于解码已接收的比特序列中的一个比特的解码算法是对数最大后验概率算法(LOG-MAP)。

13.如权利要求9所述的方法，其中被所述解码器用于解码已接收的比特序列中的一个比特的解码算法是最大对数最大后验概率算法(MAX-LOG-MAP)。

14.如权利要求9所述的方法，其中被所述解码器用于解码已接收的比特序列中的一个比特的解码算法是软输出维特比算法(SOVA)。 

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