DE69732634T2

DE69732634T2 - Verfahren zur bestimmung der qualität einer verbindung und empfänger

Info

Publication number: DE69732634T2
Application number: DE69732634T
Authority: DE
Inventors: Olli Piirainen
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1996-08-09
Filing date: 1997-08-11
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2017-08-12
Also published as: NO990568D0; FI101845B1; AU728649B2; EP0916196B1; AU3851797A; US20030123578A1; DE69732634D1; CN1227682A; FI963137A0; EP0916196A1; US6748035B2; JP2001501787A; WO1998007240A1; FI101845B; FI963137A; ATE290271T1; NO990568L

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schätzen von Verbindungsqualität in einem Empfänger eines Funksystems, wobei das Verfahren ein Decodieren eines empfangenen Signals mit einem Viterbi-Decodierer durch Verwendung eines Trellis-Diagramms mit einer Gruppe von Zustandspunkten aufweist, wobei von jedem Punkt des Diagramms ein Übergang zu zwei Punkten in der nächsten Spalte möglich ist und für die Übergänge Zustandsübergangswerte berechnet werden, und geht von der EP-A-0 430 413 aus.
STAND DER TECHNIK
Bei einem zellularen Funksystem ändert sich fortlaufend die Qualität der Verbindung zwischen einer Basisstation und einem Teilnehmerendgerät. Diese Änderung wird durch Störungen auf dem Funkpfad und die Dämpfung von Funkwellen als eine Funktion der Distanz verursacht. Bewegt sich ein Teilnehmerendgerät zum Beispiel weiter von der Basisstation weg, erhöht sich die Dämpfung auf der Verbindung zwischen dem Teilnehmerendgerät und der Basisstation. Oft wird ein Versuch unternommen, diese Dämpfung mittels einer Leistungssteuerung zu kompensieren.
Eine Leistungsmessung alleine wird jedoch nicht als ein die Verbindungsqualität angebender Parameter ausreichen. Eine bei digitalen zellularen Funksystemen häufig eingesetzte Variable zum Ausdrücken von Verbindungsqualität ist die Bitfehlerrate (BER: "Bit Error Rate"), die die Anzahl von fehlerhaft empfangenen Bits im Vergleich zu allen empfangenen Bits darstellt. Beim zellularen GSM-Funksystem messen zum Beispiel die Basisstation und das Teilnehmerendgerät fortlaufend die BER auf der Verbindung zwischen ihnen. Die Messergebnisse werden an eine Basisstationssteuerung übermittelt, die auf Grundlage der Messungen gegebenenfalls die Entscheidung trifft, die Verbindung zu einem Kanal weiterzureichen, der eine bessere Verbindungsqualität bietet.
Es ist notwendig, die Verbindungsqualität so genau wie möglich zu messen, um in der Lage zu sein, die Ressourcen des zellularen Funksystems optimal zu nutzen, und um die Anzahl schlechter Verbindungen zu minimieren. Folglich beträgt die Messdauer für die BER-Messung beim GSM-System 480 Millisekunden, was bei einem Vollratenkanal 104 TDMA-Zeitschlitzen und bei einem Halbratenkanal 52 TDMA-Zeitschlitzen entspricht.
Es ist vorbekannt, die BER eines Kanals als sogenannte Pseudober-Messung zu schätzen. Bei diesem Verfahren wird die BER geschätzt, indem das Signal am Ausgang des vom Empfänger beinhalteten Kanaldecodierers erneut codiert wird, und indem die Anzahl richtiger Bits gezählt wird. Dieses Verfahren ist jedoch nicht das bestmögliche, weil es nicht sichergestellt ist, dass der Kanaldecodierer ein fehlerhaftes Bit immer korrigiert. Der Kanaldecodierer kann auch ein richtiges Bit in ein unrichtiges Bit ändern. Zusätzlich hängt die Genauigkeit des Verfahrens von der Länge der verarbeiteten Bitfolge ab. Die Bitfolge, d.h. die Messdauer, sollte lang genug sein, damit die BER auch dann korrekt erfasst werden kann, wenn fehlerhafte Bits selten im Kanal vorkommen. Beim GSM- System ist dies insbesondere bei einem Halbratenkanal ein Problem, bei dem die Anzahl von Bits geringer ist als bei einem Vollratenkanal. Des Weiteren ist es schwierig, das Pseudober-Verfahren mit einem Signalprozessor durchzuführen.
Die US-5144644 und die EP-430413 offenbaren Trellis-Decodierungsverfahren unter Verwendung weicher Entscheidungen.
Ein weiteres Verfahren gemäß dem Stand der Technik zum Schätzen der BER besteht darin, sie aus der bekannten Trainingssequenz jedes Verkehrkanals während der Messdauer zu berechnen. Da beim GSM-System 26 Bits in der Trainingssequenz vorhanden sind und ein Halbratenkanal während der Messdauer 52 Rahmen auf jedem Verkehrskanal aufweist, gibt es folglich nur 52·26 bekannte Bits, aus denen die BER zu berechnen ist. Dies ist zu wenig, um eine BER-Schätzung ausreichend genau zu berechnen.
KENNZEICHEN DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Schätzen der Qualität einer Verbindung zu implementieren, das einfach und genau ist und keine schwierige Berechnung erfordert. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Empfänger zu implementieren, in dem eine Überwachung der Verbindungsqualität in Zusammenhang mit dem Decodierungsprozess einfach zu implementieren ist.
Dies wird durch ein Verfahren des in der Einleitung dargelegten Typs erreicht, das gekennzeichnet ist durch ein Berechnen der Höchstwerte für die beiden Übergänge der Punkte in der Spalte in jeder Spalte des Trellis- Diagramms, und durch Bestimmen des Absolutwerts der Differenz der berechneten Höchstwerte, Bestimmen einer Summe der Absolutwerte über mehrere Spalten des Trellis-Diagramms, und Verwenden der Summe bei Bestimmung der Verbindungsqualität.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Empfänger in einem Funksystem, wobei der Empfänger eine Einrichtung zum Decodieren eines empfangenen Signals mittels des Viterbi-Verfahrens mit Hilfe eines Trellis-Diagramms mit einer Gruppe von Zustandspunkten und eine Einrichtung zum Berechnen von Zustandsübergangswerten für die beiden möglichen Übergänge in jedem Punkt des Diagramms aufweist. Der Empfänger gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass er aufweist: eine Einrichtung zum Berechnen der Höchstwerte für die beiden Übergänge der Punkte in der Spalte in jeder Spalte des Trellis-Diagramms, Bestimmen des Absolutwerts der Differenz der berechneten Höchstwerte, Bestimmen einer Summe der Absolutwerte über mehrere Spalten des Trellis-Diagramms, und eine Einrichtung zum Schätzen von Verbindungsqualität durch Verwendung der Summe.
Die erfinderische Lösung stellt etliche Vorteile bereit. Sie kann auf eine einfache Art und Weise implementiert werden, z.B. mit einer ASIC-Schaltung, und sie erfordert keinen Speicher. Wenn sie in Zusammenhang mit Viterbi-Logik implementiert wird, kann die notwendige Berechnung parallel zu einer Durchführung des Viterbi-Verfahrens ausgeführt werden. Ferner ist das erfinderische Verfahren sogar noch genauer als die vorbekannten Verfahren.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Beispiele gemäß den zugehörigen Zeichnungen ausführlicher beschreiben, bei denen zeigen:
1 ein Beispiel eines Funksystems, bei dem die Erfindung angewandt werden kann,
2 ein Beispiel des Aufbaus des Empfängers gemäß der Erfindung, und
3 ein Beispiel eines in einem Viterbi-Decodierer verwendeten Trellis-Diagramms.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Das Verfahren und der Empfänger gemäß der Erfindung können bei jedem digitalen Funksystem angewandt werden. 1 zeigt beispielhaft die wesentlichen Teile des Aufbaus eines typischen zellularen Funksystems. Das System weist eine Basisstation 100 und eine Gruppe von üblicherweise mobilen Teilnehmerendgeräten 102 bis 104 auf, die jeweils eine Zweiwege-Verbindung 106 bis 108 zu der Basisstation 100 aufweisen. Die Basisstation 100 leitet die Verbindungen der Endgeräte 102 bis 104 an weitere Teile des Systems und an das Festnetz weiter.
Im Folgenden wird ein Beispiel des Aufbaus des erfinderischen Empfängers untersucht, der mittels des Blockschaltbilds gemäß 2 dargestellt ist. Der Empfänger weist eine Antenne 200 auf, die ein auf Funkfrequenzteile 202 anzuwendendes Signal empfängt. Die Funkfrequenzteile setzen das empfangene Signal in eine Zwischenfrequenz um. Das umgesetzte Signal 204 wird weiter auf eine Abtasteinrichtung 206 angewandt, in der das Signal von analoger in digitale Form gewandelt wird. Das digitalisierte Signal 208 wird weiter auf einen Entzerrer 210 angewandt. Im Entzerrer wird die Verzerrung korrigiert, die vom Übertragungskanal, d.h. vom Funkpfad, an dem Signal verursacht wurde. Vom Entzerrer wird das Signal an eine Entschachtelungseinrichtung 212 geliefert, die die an der Sendestufe verschachtelten Bits entschachtelt. Eine Verschachtelung wird bei digitalen Übermittlungssystemen allgemein verwendet. Es sollte beachtet werden, dass das Verfahren gemäß der Erfindung auch auf Systeme angewandt werden kann, bei denen keine Verschachtelung eingesetzt wird. Alle vorstehend erwähnten Empfängerkomponenten können auf Arten implementiert werden, die einem Fachmann bekannt sind.
Die von der Entschachtelungseinrichtung 212 empfangenen Symbole werden an einen Faltungsdecodierer 214 geliefert, der aus den Symbolen harten Entscheidungen trifft. Am Ausgang des Decodierers 214 sind ein decodiertes Signalbündel 216 und Informationen 218 über die Zuverlässigkeit der Entscheidung vorhanden. Der Faltungsdecodierer ist üblicherweise mit Hilfe des Viterbi-Algorithmus implementiert. Beim Viterbi-Algorithmus kann eine weiche Entscheidung verwendet werden, obwohl dies was die Erfindung betrifft nicht wesentlich bzw. notwendig ist.
Im Folgenden wird der Arbeitsablauf des Viterbi-Algorithmus untersucht. 3 stellt ein typisches Trellis-Diagramm dar, das in Zusammenhang mit dem Viterbi-Algorithmus verwendet wird. Beim Auflösen des Viterbi-Algorithmus verläuft der Prozess im Trellis-Diagramm von links nach rechts. Die Größe Des Trellis-Diagramms ist so bestimmt, dass es N Reihen aufweist, wobei N die Anzahl möglicher Zustände ist, und M + 1 Spalten aufweist, wobei M die Anzahl von Bits darstellt. In jeden Punkt des Diagramms kann über zwei unterschiedliche Wege eingetreten werden, d.h. von zwei Punkten in der vorhergehenden Spalte.
Daher gibt es zwei mögliche Übergänge zu jedem Punkt. Der erste Übergang Tr1 stellt einen Übergang von Bit 1 dar und der andere denjenigen von Bit 0. Die Übergänge werden gebildet, indem die Metrik (F) des Übergangs des momentanen Empfangsbits zu dem kumulativen Metrikwert cum(.) hinzu addiert wird. Tr0(j) = cum(2·j) + F(2·j); Tr1(j) = cum(2·j + 1) + F(2·j + 1).
Die Werte Tr0(j) und Tr1(j), die mit den vorstehenden Formeln berechnet werden, stellen den Logarithmus der Wahrscheinlichkeit des Pfads durch den Trellis dar, der an diesem bestimmten Punkt j endet. Die kumulative Metrik cum in einem Trellis-Punkt kann angesehen werden, den Logarithmus für die Wahrscheinlichkeit des Pfads durch den Trellis darzustellen, der an dem fraglichen Punkt in der vorhergehenden Spalte endet. Die F-Werte stellen den Logarithmus der Wahrscheinlichkeit des momentanen Bitübergangs unter Berücksichtigung des Zustands des Trellis (d.h. der vorhergehenden Bits) dar. Der höchste Wert eines Zustandsübergangs in jedem Punkt entspricht den Zustandsübergängen der nächsten Spalte, wenn die kumulative Metrik des fraglichen Punkts berechnet wird.
Wenn sie mit den vorstehenden Formeln berechnet werden, können Metrikwerte erhalten werden, die die Metrik bei Berechnung des Trellis maximieren. Der Trellis kann auch durch Minimierung der Fehlerwahrscheinlichkeit implementiert werden. Dies wird bei diesem Beispiel nicht beschrieben, aber die Erfindung ist auch darauf anwendbar.
Im Folgenden wird das erfinderische Verfahren zum Bestimmen von Verbindungsqualität mit Hilfe der vorstehenden Zustandsübergangswerte beschrieben. Die Zustandsübergangswerte Tr0 und Tr1 werden in jedem Punkt des Trellis-Diagramms berechnet. Das Trellis-Diagramm wird Spalte für Spalte untersucht. In jeder Spalte werden Höchstwerte Tr0_max und Tr1_max für die Zustandsübergangswerte Tr0 und Tr1 der Spaltenpunkte definiert. Mit anderen Worten wird nach dem wahrscheinlichsten Pfadende für Bitwert 1 in dem Punkt in der fraglichen Spalte und entsprechend dem wahrscheinlichsten Pfadende für Bitwert 0 gesucht. Auf diese Art und Weise ist es möglich, die Zuverlässigkeit der zwischen den Bits 0 und 1 getroffenen Entscheidung zu schätzen, indem der Absolutwert der Differenz der Höchstwerte berechnet wird: d = |Tr1max – Tr0max|.
Die vorstehende Variable steht mit einem Bit in Zusammenhang, und daher ist ihre Zuverlässigkeit nicht die bestmögliche. Ein zuverlässigerer Wert kann erhalten werden, indem die Summe des Absolutwerts über mehrere Spalten, d.h. Bits, definiert wird, und indem bei Bestimmung der Verbindungsqualität diese Summe verwendet wird. Dies kann wie folgt dargestellt werden:
wobei gilt j = Zustandsnummer, j = 0, 1 ..., N – 1,
st = Startbitnummer (Spaltennummer),
Ende = Endbitnummer (Spaltennummer).
Mit Hilfe einer auf diese Weise berechneten Zahl ist es möglich, die Zuverlässigkeit des empfangenen Signalrahmens auf eine zuverlässige Art und Weise zu schätzen.
Im Folgenden wird der Aufbau des erfinderischen Empfängers untersucht, wie er mittels des Blockschaltbilds gemäß 2 dargestellt ist. Der erfinderische Empfänger umfasst eine Einrichtung 214 zum Berechnen der Höchstwerte Tr0_max und Tr1_max für die beiden Übergänge der Punkte in der Spalte in jeder Spalte des Trellis-Diagramms, zum Definieren des Absolutwerts der Differenz der berechneten Höchstwerte, und zum Verwenden des Absolutwerts bei Bestimmung der Verbindungsqualität. Unter Verwendung des bestimmten Absolutwerts erfasst die Einrichtung (214) mögliche Rahmen schlechten Signals und, um ein zuverlässigeres Ergebnis zu erhalten, definiert den Absolutwert über mehr als eine Spalte und verwendet diese Summe bei Bestimmung der Verbindungsqualität.
Bei einer Lösung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Berechnung im Faltungsdecodierer 214 in Zusammenhang mit Berechnung von Viterbi durchgeführt. Der erfinderische Faltungsdecodierer kann auf vorteilhafte Weise anhand von Software mit der Hilfe eines Signal- oder eines Universalprozessors oder separater Komponenten implementiert werden.
Obwohl die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf das Beispiel gemäß den zugehörigen Zeichnungen beschrieben ist, ist es offensichtlich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern innerhalb der erfinderischen Idee gemäß der Ansprüche auf viele Arten variieren kann.

Claims

Verfahren zum Schätzen von Verbindungsqualität in einem Empfänger eines Funksystems, wobei das Verfahren ein Decodieren eines empfangenen Signals mit einem Viterbi-Decodierer durch Verwendung eines Trellis-Diagramms mit einer Gruppe von Zustandspunkten aufweist, wobei von jedem Punkt des Diagramms ein Übergang zu zwei Punkten in der nächsten Spalte möglich ist und für die Übergänge Zustandsübergangswerte (Tr0, Tr1) berechnet werden, sowie ein Berechnen der Höchstwerte (Tr0_max, Tr1_max) für die beiden Übergänge der Punkte in der Spalte in jeder Spalte des Trellis-Diagramms aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte: Bestimmen des Absolutwerts der Differenz der berechneten Höchstwerte (Tr0_max, Tr1_max), Bestimmen einer Summe der Absolutwerte (Tr0_max, Tr1_max) über mehrere Spalten des Trellis-Diagramms, und Verwenden der Summe bei Bestimmung der Verbindungsqualität.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mögliche Rahmen schlechten Signals mit Hilfe des bestimmten Absolutwerts erfasst werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die möglichen Zustandsübergänge (Tr0, Tr1) in jedem Punkt den Bitalternativen 0 und 1 entsprechen, und dass bei Bestimmung der Differenz der berechneten Höchstwerte der Höchstwert (Tr0_max) der Bitalternativen 0 von dem Höchstwert (Tr1_max) der Bitalternativen 1 subtrahiert wird.
Empfänger in einem Funksystem, wobei der Empfänger eine Einrichtung (214) zum Decodieren eines empfangenen Signals mittels des Viterbi-Verfahrens mit Hilfe eines Trellis-Diagramms mit einer Gruppe von Zustandspunkten und eine Einrichtung (214) zum Berechnen von Zustandsübergangswerten (Tr0, Tr1) für die beiden möglichen Übergänge in jedem Punkt des Diagramms sowie zum Berechnen der Höchstwerte (Tr0_max, Tr1_max) für die beiden Übergänge der Punkte in der Spalte in jeder Spalte des Trellis-Diagramms aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Einrichtung (214) aufweist zum Bestimmen des Absolutwerts der Differenz der berechneten Höchstwerte (Tr0_max, Tr1_max), Bestimmen einer Summe der Absolutwerte (Tr0_max, Tr1_max) über mehrere Spalten des Trellis-Diagramms, und Schätzen von Verbindungsqualität durch Verwendung der Summe.
Empfänger gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Einrichtung (214) zum Erfassen möglicher Rahmen schlechten Signals mit Hilfe des bestimmten Absolutwerts aufweist.