CN1976268A - 可适性调制与编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可适性调制与编码方法，利用不同调制级数和编码率传送数据。首先估测一传输信道的一信噪比；接着提供一服务品质参数，其中该服务品质参数定义了一最大允许延迟和一封包错误率；根据该最大允许延迟决定一重传上限次数，并根据该服务品质参数和该信噪比决定一最佳封包长度；最后根据该最佳封包长度和该重传上限决定最适合该信噪比和该封包错误率的一调制级数和一编码率。通过本发明，由于封包长度、最佳调制级数及编码率都与信噪比有函数关系，因此媒体存取控制层和实体层中的信息可以互相结合以增进传输量。而临界表的建立又可以节省处理器的计算资源。

Description

可适性调制与编码方法

技术领域

本发明是有关于一可适性调制与编码，尤其是有关于跨越媒体存取控制层和实体层的可适性调制与编码方法，以增进系统品质。

背景技术

可适性调制与编码(AMC)为每个使用者在进行调制/编码与平均信道状态的匹配时提供了更多的灵活性。可适性调制与编码使传输信号的能量在一帧期间保持恒定，而调制级数与编码率随着信号品质或信道状态而改变。不同的调制级数下，每一符元传送的位数也不同。当使用QAM64标准时，传送的位数较多，所需要信噪比(SNR)条件也较严苛，以免干扰影响比特错误率(BER)。使用可适性调制与编码的无线系统可根据传输信道的状况，尽量选择条件许可之下的最高调制级数。传输距离较近的目标，可使用较高的调制级数，例如QAM。随着传输距离增加，则渐次选用较低的调制级数。因此可适性调制与编码可以有效克服信号衰减和其它干扰问题。

图1为可适性调制与编码方法所适用的环境示意图。在一使用可适性调制与编码的系统中，靠近发射器100的使用者，使用较高的调制级数和编码率，例如QAM64和R＝3/4卷积码(turbo code)。与发射器100距离越远的使用者，使用的调制级数就越低，例如QAM16，QPSK和BPSK。

实作可适性调制与编码时要克服多项挑战。因为可适性调制与编码对于测量误差与延迟相当敏感，为了选择最适当的调制级数，系统中的排程器(scheduler)必须掌控信道品质的状况。信道测量的误差将使排程器选择错误的编码率，可能导致传送过高的功率而浪费了系统容量，或传送功率过低而增加了区块错误率。信道测量结果的延迟通报，在多变的移动通信环境下，也会使系统降低可靠度。干扰因素也增加了测量误差的可能。

发明内容

为解决上述现有技术中所指出的问题，本发明提供一种可适性调制与编码方法。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的。

一种可适性调制与编码方法，利用不同调制级数和编码率传送数据。首先估测一传输信道的一信噪比；接着提供一服务品质参数，其中该服务品质参数定义了一最大允许延迟和一封包错误率；根据该最大允许延迟决定一重传上限次数，并根据该服务品质参数和该信噪比决定一最佳封包长度；最后根据该最佳封包长度和该重传上限决定最适合该信噪比和该封包错误率的一调制级数和一编码率。

传送前，先根据该最佳封包长度，产生一媒体存取控制封包；接着根据该调制级数和该编码率，产生包含该媒体存取控制封包的一实体层帧。该编码率是用于前向纠错(forward error correction)，使用Reed-Solomon纠错码或低密度检查码(LDPC)算法。该调制级数为BPSK，QPSK，QAM16和QAM64调制标准其中之一。

该可适性调制与编码方法可进一步为每一调制级数计算一信噪比/封包错误率最佳关系式，并将该服务品质参数定义的该封包错误率代入该最佳关系式，建立一临界表，该临界表包含多个区间，各区间定义不同调制级数和编码率适用的信噪比范围。上述决定最适合调制级数和编码率的步骤，即可通过查询该临界表而实现。

其中该最佳封包长度是由下列步骤计算而得。首先，根据该封包错误率计算在该重传上限次数之内传送成功的机率；接着，根据该传送成功的机率，计算每一次传送成功所耗掉的平均时间；最后，计算在该平均时间内的有效传输量，并根据该有效传输量决定该最佳封包长度。

该信噪比/封包错误率最佳关系式可以表示如下：

PER_n(γ)＝1               当0＜γ＜γ_pn

PER_n(γ)＝a_nexp(-g_nγ)         当γ≥γ_pn

其中n为一对应调制级数和编码率的模式指针，γ为该信噪比，而a_n、g_n以及γ_pn为与该模式指针相关的常数。

通过本发明，由于封包长度、最佳调制级数及编码率都与信噪比有函数关系，因此媒体存取控制层和实体层中的信息可以互相结合以增进传输量。而临界表的建立又可以节省处理器的计算资源。

附图说明

图1为使用可适性调制与编码系统的环境示意图；

图2为一跨层可适性调制与编码程序的实施例；

图3为一信噪比与封包错误率的关系转换曲线图；

图4为对应于一确定封包错误率的临界表；以及

图5为该跨层可适性调制与编码方法的流程图。

主要组件符号说明：

100～发射器；                        202～排程器；

204～封包长度与重传上限次数；        206～临界表；

208～调制器；                        210～媒体存取控制层；

212～服务品质参数；                  220～实体层；

302～PER线。

具体实施方式

图2为一跨层可适性调制与编码程序的实施例。通常情况下，多个媒体存取控制封包在媒体存取控制(MAC)层210中形成，并在实体(PHY)层220中进行封装以便传送。在该媒体存取控制层210中，一服务品质参数212定义了各种形成该媒体存取控制封包所必要的信息。举例来说，服务品质参数212中定义了最大允许延迟、总传输量(throughput)、比特错误率(BER)和封包错误率(PER)。一传输信道的信噪比在被估测之后传送至一排程器202，接着在该媒体存取控制层210中计算出最佳封包长度和重传上限次数204。

该重传上限次数的算法是假设最坏状况的延迟等于最大允许延迟，其中最坏状况的延迟表示为：

(R+1)(T_DATA+T_ACK+2T_SIFS)

而最大允许延迟D即可表示为：

D＝(R+1)(T_DATA+T_ACK+2T_SIFS)                 (1)

其中R是重传上限次数，而T_DATA、T_ACK和T_SIFS根据802.11所定义，分别为传送数据(DATA)封包、确收(ACK)封包和短帧间隔(SIFS)所需要的时间。对一N信道解码器而言，最大的缓冲延迟是N×D。假设一帧大小是2000字节，而R等于5，则该最大允许延迟D在使用QAM64的时候约为6.876ms。这个值正好位于非交互式视频串流所容许的范围之内，1至10ms之间。

在排程器202中，该封包长度和重传上限次数204由该服务品质参数212和信噪比计算而得，并被传送至该实体层220中以形成实体层帧。在有限的封包错误率要求下，通过计算最大允许传输量，可决定封包长度。假设欲传送的一封包带有L字节的有效载荷，而传送成功的机率表示为：

P_OK＝(1-P_err，data)(1-P_err，ack)                        (2)

其中P_OK为传送成功的机率，而P_err，data是数据封包错误的机率，而P_err，ack是确收封包错误的机率。则在R次重传上限次数之内传送成功的机率P_SUCC，即为P_OK+P_OK(1-P_OK)+P_OK(1-P_OK)²+......P_OK(1-P_OK)^R-1。

因此，对于所有传送成功的情况下，属于第n次传送成功的机率P_n|SUCC可表示为：

[P_oK(1-P_OK)^n-1]/P_SUCC                             (3)

而该P_n|SUCC所需要耗掉的平均时间则为：

$T_{\mathrm{AV},\mathrm{SUCC}}=P_{n|\mathrm{SUCC}}\underset{i=0}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{iT}}_{\mathrm{bad},i}+T_{\mathrm{good},i})---\left(4\right)$

其中T_bad，i为传送失败后续处理所花的时间，而T_good，i即为传送成功所花的时间。同样的，一传送失败所花的平均时间可表示为：

$T_{\mathrm{AV},\mathrm{FAIL}}=\underset{i=0}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\left(T_{\mathrm{bad},i}\right)---\left(5\right)$

因此，在R次重传上限次数内，传送该L字节所需耗掉的平均时间，即为：

$T_{\mathrm{AV}}=\frac{{1-P}_{\mathrm{SUCC}}}{P_{\mathrm{SUCC}}}(T_{\mathrm{AV},\mathrm{SUCC}}+T_{\mathrm{AV},\mathrm{FAIL}})---\left(6\right)$

而有效的传输量即为：

$\frac{{8\·L}_a\·\frac{K}{N}}{T_{\mathrm{AV}}}---\left(7\right)$

其中L_a为传送一封包所需要的数据总长度，包含L字节的有效载荷、循环冗余检查码(CRC)以及前向纠错码(FEC)。其中K/N代表的是编码率。常数8是用以将单位从字节转换为位。将最坏状况的延迟(R+1)(T_DATA+T_ACK+2T_SIFS)代入T_AV，对应于该编码率的最佳封包长度就可以被计算出来。

在实体层220中，一调制器208根据该封包长度和重传上限次数204选择调制级数。换句话说，最适合当时信噪比和封包错误率的调制级数和编码率，是基于该排程器202所算出的该封包长度和重传上限次数而决定。该编码率是用于一纠错算法，如Reed-Solomon编码或低密度检查码(LDPC)，而该调制级数为BPSK，QPSK，QAM16和QAM64调制标准其中之一。

在该实体层中，为了快速选择该调制级数，可建立一临界表206。该临界表206对应于每一调制级数提供信噪比和封包错误率的最佳关系曲线。当接收到来自于封包长度和重传上限次数204所决定的封包错误率之后，将该封包错误率代入一最佳关系式，即可建立一临界表206。该临界表206包含多个区块，各定义每一调制级数和编码率最适合的信噪比范围。该调制器208接着只需要查该临界表206即可决定所需要的最佳调制级数和编码率。

图3为信噪比和封包错误率的关系转换曲线图。对每一调制级数而言，该信噪比和封包错误率的关系式可表示为：

PER_n(γ)＝1                           0＜γ＜γ_pn

PER_n(γ)＝a_nexp(-g_nγ)             γ≥γ_pn

其中n为与该调制级数和编码率相联系的模式指针，γ为该估测而得的信噪比。而a_n、g_n和γ_pn都为与模式指针相关的常数。在图3中，提供了多条曲线，将空间划分为多个区间，每个区间对应一调制级数。当一既定封包错误率(PER)已定义，一PER线302与所述曲线相交，而产生六个交点A₀到A₅。这些交点A₀到A₅代表在给出确定封包错误率(PER)的情况下，每个调制级数的信噪比范围边界，以及可以参考这些交点A₀到A₅得该临界表206。

图4为对应于一确定封包错误率的临界表。当信噪比低于A₁，代表信道状况极差，不适合通信，因此停止所有调制与编码程序。随着信噪比增加，各种调制级数也渐渐适用，依序为BPSK，QPSK，QAM16和QAM64。由于封包长度、最佳调制级数及编码率都与信噪比有函数关系，因此媒体存取控制层210和实体层220中的信息可以互相结合以增进传输量。该临界表206的建立可以节省处理器的计算资源。

图5为该跨层可适性调制与编码方法的流程图。本可适性调制与编码方法尤其适用于IEEE 802.11 MIMO无线局域网(WLAN)系统。在步骤502中，估测一传输信道的信噪比。信噪比的估测已有许多已知方法。接着由系统提供服务品质参数，定义所需要的品质要求，例如最大允许延迟和封包错误率。在步骤504中，因封包长度和重传上限是该信噪比和最大允许延迟的相关函数，所以可以计算出最佳的媒体存取控制封包长度，以符合该品质要求。在步骤506中，将已确定的封包错误率代入图3所示的曲线函数，以建立一临界表。在步骤508，根据该信噪比和该临界表，决定调制级数和编码率，以产生包含该媒体存取控制封包的一实体层帧。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做一些变动与润饰，因此本发明的保护范围应当以权利要求所界定的为准。

Claims (7)

1.一种可适性调制与编码方法，利用不同调制级数和编码率传送数据，其特征在于，所述方法包含：

估测一传输信道的一信噪比；

提供一服务品质参数，其中该服务品质参数定义了一最大允许延迟和一封包错误率；

根据所述最大允许延迟决定一重传上限次数；

根据所述服务品质参数和所述信噪比决定一最佳封包长度；以及

根据所述最佳封包长度和所述重传上限决定最适合所述信噪比和所述封包错误率的一调制级数和一编码率。

2.如权利要求1所述的可适性调制与编码方法，其特征在于，所述方法更进一步包含：

根据所述最佳封包长度，形成一媒体存取控制封包；

根据所述调制级数和所述编码率，形成包含该媒体存取控制封包的一实体层帧。

3.如权利要求1所述的可适性调制与编码方法，其特征在于，所述编码率是用于前向纠错，使用Reed-Solomon纠错码或低密度检查码算法。

4.如权利要求1所述的可适性调制与编码方法，其特征在于，所述调制级数为BPSK、QPSK、QAM16和QAM64调制标准其中之一。

5.如权利要求1所述的可适性调制与编码方法，其特征在于，所述方法更进一步包含：

为每一调制级数计算一信噪比/封包错误率最佳关系式；

将所述服务品质参数定义的所述封包错误率代入该最佳关系式，以建立一临界表，该临界表包含多个区间，各区间定义不同调制级数和编码率适用的信噪比范围；

其中上述决定最适合调制级数和编码率的步骤，是通过查询该临界表而实现。

6.如权利要求5所述的可适性调制与编码方法，其特征在于，所述最佳封包长度是由下列步骤计算而得：

根据所述封包错误率计算在所述重传上限次数之内传送成功的机率；

根据在所述重传上限次数之内的传送成功的机率，计算每一次传送成功所消耗的平均时间；

计算在所述平均时间内的有效传输量；以及

根据所述有效传输量决定所述最佳封包长度。

7.如权利要求5所述的可适性调制与编码方法，其特征在于，所述信噪比/封包错误率最佳关系式为：

PER_n(γ)＝1               0＜γ＜γ_pn

PER_n(γ)＝a_nexp(-gnγ)  γ≥γ_pn

其中，n为一对应调制级数和编码率的模式指针；γ为信噪比；a_n、g_n和γ_pn为与模式指针相关的常数。

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