CN1655492B

CN1655492B - 在通信***中进行链路差错预测的方法和装置

Info

Publication number: CN1655492B
Application number: CN2005100082568A
Authority: CN
Inventors: 阿列克谢·阿西赫曼; 阿德里安·J·德林·范韦恩加; 南杜·戈帕拉克里希南; 金宰亨; 艾米纳·绍利亚宁
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2005-02-07
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2025-02-07
Also published as: KR101101719B1; US20050182994A1; KR20060041732A; EP1564924B1; JP4713897B2; CN1655492A; DE602005009414D1; JP2005229615A; EP1564924A1; US7331009B2

Abstract

本发明涉及一种无需解码帧就能精确预测成功恢复在无线链路上接收(编码)信息帧的概率的方法。该方法包括三个步骤，只需使用有关接收信号的有限信息、前向纠错编码以及重传方案。首先，测量每个接收信号的信噪比(SNR)，其中平均SNR是为一起构成帧的多个分段确定的。然后，使用将这些SNR值作为输入的算法并确定所谓的有效SNR。该算法使用合适的凸矢量转换测量的SNR值，随后组合这些产生的值，从而把衰落、多径、其它信号恶化影响计算在内。在第三阶段，使用有效SNR通过使用单个参考曲线的查寻表来确定帧差错率，该曲线描述加性高斯噪声信道上的实际差错控制代码的帧差错率。这能够精确预测宽范围内移动通信信道的性能。

Description

在通信***中进行链路差错预测的方法和装置

技术领域

本发明通常涉及一种通信***，尤其是涉及一种预测成功恢复在通信链路上接收的信息(编码)帧概率的方法。

背景技术

在典型的无线通信会话中，信息在一个或多个链路或信道上传送到移动设备以及从移动设备传送，其中所述信息被分组成片断或帧。帧是在***中的基本定时间隔，同时，帧指的是表示在该基本定时间隔期间传送的用户和控制信息的连续比特序列。帧典型地由一个或多个时隙构成，时隙是信道的单位时间间隔。在一些应用中，帧持续时间和信令速率可以基于信道条件和激活的用户数量等来充分改变。因而，帧可以包括用户和控制信息序列，该信息的长度是由帧持续时间和信令速率确定的。构成帧的接收信号的质量强烈地依赖于在移动台和接收机之间的距离、地形、和其它激活移动用户的动作。例如，移动设备可能突然移动到干扰很快但暂时会降低通信链路质量的地区。各种类型的差错控制编码和(混合)自动重传请求(ARQ)或增量冗余(IR)协议正被使用来使得这些帧相对于信道噪声和干扰更有弹性。在一些应用中，信息使用卷积码或Turbo码进行编码来帮助进行帧差错校正。

链路质量中的变化意味着接收机不能精确地接收一些或所有的传送信号。因此，包含在一个或多个帧中的一些或所有信息可能被降级，因而所使用的差错控制机制和(重传)发射策略有可能恢复传送的信息或者也有可能不能恢复传送的信息。典型地使用差错控制编码来确定编码帧信息是否没有差错。帧差错率(FER)定义为在解码之后仍然包含差错的帧的百分比。在一些应用中，帧差错率典型地为大约1％。

对于给定的差错控制编码和重传(发射)策略来说，当只有有限的有关信号强度和干扰的信息可用时，精确地预测帧差错率是很有用的。这种预测方法具有多种应用：在***设计和开发中快速估计差错控制机制和时序安排，和在实际移动通信***中即时监视链路级性能，以及适应性地为给定(可变的)的信道条件选择合适的差错控制编码、信号功率、调制类型和(重传)发射策略。

这种过程对于即时提供有价值的信息是很有用的，尤其是在实际解码所述帧将引入太多延迟的情况中。如果信道条件在短期时间内变化明显，那么只要延迟足够小就可以立即改编差错控制编码和重传策略。也就是，一旦发现链路差错概率改变，移动设备就可以尝试调整到新情形，该情形选择了不同差错控制编码和重传策略以便获得目标链路差错率。快速精确地估计链路差错概率在开发立即调整到所述的信道条件并提供相对清晰和不中断通信的通信***中是很有用的。

快速精确地估计链路差错概率已经被证明有点问题。为了精确地确定已经产生的链路差错，即，帧解码差错，必须对怀疑存在差错的信息帧进行实质性分析。这种分析典型地涉及解码所述帧来检索和校验所述信息，这需要相当量的计算能力，并会固有地产生延迟。为了保证精确性，这些分析会花费相当多的时间，这可能会使得通信相对迟钝。例如，当传送语音信号时，在接收帧并检测到其产生差错之间的时间上的明显流逝可能使得不可能改编这些方法来改善及时形式的发射。另一方面，如果这些分析很快，但是不严格时，帧可能在实际上可以被校正的情况下被认为是不可校正的。使用不严格的分析，链路差错概率将会相当不可靠，并且对于适应性控制算法来说不可用。

发明内容

本发明目的在于克服，或至少减少上述一个或多个问题的影响。

在本发明的一个实施例中，提供了一种方法。该方法包括接收第一编码信号，和在解码第一编码信号之前，基于第一编码信号的至少一个特性来预测链路差错。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种方法。该方法包括接收第一编码信号，和在解码第一编码信号之前，基于第一编码信号的信噪比预测链路差错。

附图说明

通过下面结合附图的描述可以理解本发明，其中相同参考标记标识相同部件，和其中：

图1是根据本发明一个实施例的通信***的框图；

图2描述了在图1的通信***中所使用的一个基站和接入终端实施例的框图；

图3显示了在加性高斯白噪声(AGWN)信道假设下的给定数量的信息比特和信道编码速率的示例性参考曲线；

图4A和4B显示了两个不同的波形，每一个在帧上具有相同的平均E_b/N_t；

图5显示了被分割成M个片断的帧的格式表示；

图6是显示在混合自动重传请求(H-ARQ)中跟踪(Chase)组合原理的格式框图；

图7是显示在混合自动重传请求(H-ARQ)中增量冗余(IR)原理的格式框图。

虽然本发明允许有各种修改和替换形式，并且已经作为例子以附图来显示并在此对其具体实施例具体进行了描述。但是，应该明白，在此描述具体实施例不是想要限制本发明到特定公开的形式，相反，目的在于覆盖所有落入由所附权利要求书定义的本发明的精神和范围内的修改、等同物及其替代。

具体实施方式

下面公开了本发明示例性的实施例。为了清楚的目的，在该说明书中并没有描述所有的特征和实际实现方式。当然应该理解到，在开发任何这些实际实施例时，必须作出多种具体实现方式来实现开发者的具体目标，例如符合***相关约束和商业相关约束，其可以从一种方式改变为另一种方式。而且，应该理解到，这种开发努力可能是复杂而又耗时的，但是对于享有本公开利益本领域普通技术人员来说，这仍然是一个需要进行的程序。

现在转向附图，尤其是参考图1，显示了根据本发明一个实施例的通信***100。出于显示的目的，图1的通信***100可能是1xEV-DO***，但是应该明白，本发明也可以应用于支持数据和/或语音通信的其它***。通信***100允许一个和多个接入终端120通过一个或多个基站(BTS)130来与数据网络125进行通信，例如因特网。接入终端120可以采用任何种类的设备形式，包括蜂窝电话、个人数字助理(PDA)，膝上型计算机、数字寻呼机、无线卡、和其它任何能够通过BTS130接入数据网络125的设备。

在一个实施例中，多个BTS130可以通过一个或多个连接139连接到无线网络控制器(RNC)138，例如T1/E1线路或电路、ATM电路、电缆、光数字用户线(DSL)等。虽然只显示了单个RNC138，但是本领域技术人员将理解到可以使用多个RNC138连接大量的BTS130。通常，RNC 138工作来控制和协调其所连接的BTS130。RNC 138依次通过连接145连接到控制器(CN)165，该连接可以采用任何种类的形式，例如T1/E1线路或电路、ATM电路、电缆、光数字用户线(DSL)等。

数据网络125可以是分组交换数据网，例如根据互联网协议(IP)的数据网络。在1981年9月出版的题目为“互联网协议(InternetProtocol)”的征求意见(RFC)791中描述了一个IP版本。在其它实施例中也可以使用其它版本的IP，例如IPv6，或其它连接、分组交换标准。在1998年12出版的题目为“互联网协议，版本6(IPv6)规范(Internet Protocol，Version 6(IPv6)Specification)”的RFC2460中描述了IPv6的一个版本。数据网络125在其它实施例中还可以包括其它类型的基于分组的数据网络。这种其它基于分组的数据网络的例子包括异步传输模式(ATM)、帧中继网络等等。

当在此使用时，“数据网络”指的是一个或多个通信网络、信道、链路或路径、和用来在这些网络、信道、链路或路径上路由数据的***或设备(例如路由器)。

应该明白，图1通信***100的配置本质上是示例性的，并且在通信***100的其它实施例中，可以使用更少或额外的元件。例如，在一个实施例中，***100包括提供操作、管理、维护、和提供1xEV-DO网络功能的网络管理***(未示出)。此外，***100可以包括连接在BTS130和路由器140之间用来执行协议转换的一个或多个复用器(未示出)。

除非特别指出，或如从讨论中所显示的那样，诸如“处理”或“计算”或“确定”或“显示”等术语，指的是计算机***、数字数据处理器、数字信号处理器、集成电路(例如，专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA))、或类似电子计算设备的操作和处理，这些设备操作并将在计算机***的寄存器和存储器中表示为物理、电量的数据变换成其它类似表示为在计算机***的存储器或寄存器或其它这样的信息存储器、传输或显示设备内的物理量的数据。

现在参考图2，显示了与示例BTS 130和接入终端120有关的一个示例实施例的功能结构框图。BTS 130包括接口单元200、控制器210、天线215和多个信道：共享信道220、数据信道230、和控制信道240。在显示的实施例中，接口单元200控制在BTS 130和SRNC 138之间的信息流(参见图1)。控制器210通常工作来控制在天线215和所述多个信道220、230、240上的数据和控制信号的发射和接收，并通过接口单元200传输至少部分接收的信息到RNC 138。

接入终端120与BTS130共享某些功能属性。例如，接入终端120包括控制器250、天线255和多个信道：共享信道260、数据信道270、和控制信道280。控制器250通常工作来控制在天线255和所述多个信道260、270、280上的数据和控制信号的发射和接收。

通常，在接入终端120中的信道260、270、280与在基站130中的相应信道220、230、240进行通信。在控制器210、250的操作下，使用信道220、260；230、270；240、280为接入终端120和基站130之间的通信产生控制时间时序安排。例如，接入终端120通常使用共享信道280来请求允许发射数据和/或控制信息到基站130。基站130使用控制信道220通知接入终端120其可以通过数据和控制信道270、280发射到基站130的环境。

下面结合图3到7来更具体描述用来控制在一个或所有这些信道上传送信息时的时序安排和解码过程。下面所描述的过程可以用硬件、软件或它们的组合来实现，并可以在接入终端120和BTS 130中每一个内的控制器210、250中实现。

现在转向预测在信息通过在接入终端120和BTS130之间的无线链路上的信道发射时的差错率的问题，可以采用的方法的一个实施例涉及获取在至少一个帧的调制符号的平均信噪比(E_s/N_t其中E_s代表每个调制符号的能量，N_t代表总的噪声能量)。每个信息比特的平均信噪比(E_b/N_t，其E_b中是每个信息比特的能量)可以通过将平均E_s/N_t乘以每个信息比特的调制符号数(G_s)来确定。此后，可以将E_b/N_t用在如图3所示类型的查寻表或参考曲线来确定帧差错率(FER)。本领域技术人员将理解到，如图3所示的那些多个参考曲线对于精确预测FER来说是必需的。例如，如图3所示，显示了AWGN信道(300)和衰落信道(302)在给定数量的信息比特和给定差错控制编码下的FER曲线。这样，依赖于信道条件，FER曲线可以显示出实质上的不同，并从而可以明显区别出给定(平均)E_b/N_t的FER。信道增益变化越多，性能就越坏。例如，考虑在帧上具有相同平均E_b/N_t的两种情况，如通过图4A和4B所示的波形所表示的那样。在图4A所示的波形中，信道增益不变，而在图4B所示的波形中，信道增益充分地变化，但是两者具有相同的平均E_b/N_t。并且，当信道增益不变时，***将提供更好的性能(例如，更少的差错)，如图4A所示。

在用来预测在接入终端120和BTS 130之间的无线链路上发射信息时可能发生的差错的方法的一个可选实施例中，将帧进行细分并在每个细分上进行分别计算，而不是如上面讨论的那样在整个帧上进行分析，这是很有用的。在一个实现方式中，帧被分成多个分段，例如M个单独的分段，如图5所示。

每个分段具有平均符号能量总噪声功率比E_b/N_t，如下：

{(\frac{E_{s}}{N_{t}})}_{1}, {(\frac{E_{s}}{N_{t}})}_{2}, {(\frac{E_{s}}{N_{t}})}_{3}, \cdot \cdot \cdot, {(\frac{E_{s}}{N_{t}})}_{M} - - - (1)

其中(E_b/N_t)_m代表第m个分段的平均E_b/N_t。由于无线信道条件不稳定，每个分段可能具有不同的E_b/N_t。通常，(E_b/N_t)_m变化越大产生的解码性能越差。或者，换句话说，(E_b/N_t)_m的较大变化意味着通信信道不能顺利地进行。在本发明的示例实施例中，目的是提供一种对由于(E_b/N_t)_m变化而产生的帧平均E_b/N_t进行恶化的方式。即，只要在分段之间存在E_b/N_t变化，那么整个帧就会产生较低的E_b/N_t，从而精确地预测信道的性能。

本发明的一个实施例中，帧的有效平均(E_s/N_t)_F可以使用简单平均来计算，例如

{(\frac{E_{s}}{N_{t}})}_{F} = \frac{1}{M} Σ_{m = 1}^{M} {(\frac{E_{s}}{N_{t}})}_{m} - - - (2)

然而，方程(2)中的简单平均没有考虑帧内的E_s/N_t变化。

使用凸函数f(·)来加权这些分段以便在这些分段之间发生变化时能产生较大的帧E_s/N_t，将是有用的。下面更全面地描述了一个示例性的凸函数。变量C_m定义为：

C_{m} = f (Q \cdot {(\frac{E_{s}}{N_{t}})}_{m}) - - - (3)

其中Q是相关因子。如果Q＝1，则不存在相关因子。

C可以通过平均C_m来获得。

C = \frac{1}{M} \cdot Σ_{m = 1}^{M} C_{m} - - - (4)

以及新的有效(E_s/N_t)_F可以如下来获得：

{(\frac{E_{s}}{N_{t}})}_{F} = \frac{1}{Q} f^{- 1} (C) - - - (5)

其中f^-1(·)是f(·)的反函数。这样，(E_s/N_t)_F在所有(E_s/N_t)_m具有相同值时具有其最大值。

接着可以获得最终有效E_b/N_t用于查寻表中。如果(E_s/N_t)_F作为最终有效E_b/N_t，那么(E_s/N_t)_F可以如下来获得：

{(\frac{E_{b}}{N_{t}})}_{F} = G_{s} \cdot {(\frac{E_{s}}{N_{t}})}_{F} - - - (6)

接着，可以通过将(E_b/N_t)_F应用到AWGN参考曲线来获得FER。

在本发明中可以使用的示例凸函数f(·)可以使用Shannon信道容量公式来获得。信道容量公式依不同调制格式而不同。下面对它们进行描述。

1、高斯信号：

f(x)＝log₂(1+x)和f^-1(y)＝2^y-1(7)

2、BPSK调制

f (u) \approx \{\begin{matrix} a_{1} u^{3} + b_{1} u^{2} + c_{1} u, & ifu \leq 1.6363 \\ 1 - \cdot \exp (a_{2} u^{3} + b_{2} u^{2} + c_{2} u + d_{2}) & if 1.6363 \leq u \leq \infty \end{matrix} - - - (8)

u = \sqrt{8 x}

其中对于第一近似，a₁＝-0.0421061，b₁＝0.209252和c₁＝-0.00640081，和其中对于第二近似，a₂＝0.00181491，b₂＝-0.142675，c₂＝-0.0822054和d₂＝0.0549608作为第二近似。以类似的方式，可以通过使用下面的近似来确定f(u)的反函数：

f^{- 1} (y) \approx \{\begin{matrix} a_{3} y^{2} + b_{3} y + c_{3} \sqrt{y}, & if 0 \leq y \leq 0.3646 \\ a_{4} \ln (b_{4} (y - 1)) + c_{4} y & if 0.3646 \leq y \leq 1 \end{matrix} - - - (9)

其中对于第一近似，a₃＝1.09542，b₃＝0.214217和c₃＝2.33727，和其中对于第二近似，a₄＝-0.706692，b₄＝-0.386013和c₄＝1.75017。

3、QPSK调制

在QPSK情况中，凸函数是从BPSK情况下得出的。这些关系由下面的方程来描述：

f_QPSK(x)＝2·f_BPSK(0.5·x)(10)

任何时候接收信号被解码出现差错，都可以重传附加信号或相同信号。这种物理层重传有时指的是混合自动重传请求(H-ARQ)。在一些应用中，在解码之前，对多个所传送的帧进行组合。有两种基于组合方案的H-ARQ。一个是跟踪(Chase)组合，另一个是增量冗余(IR)。本发明的原理不但可以应用来精确预测在源信号中的链路差错概率，而且可以应用来精确预测在重传信号和/或任何由它们构成的组合中的链路差错概率。类似地，本发明的原理也可以应用来精确预测在作为多个通过不同路径和不同天线(例如，多天线的情形)接收的基本上相同的信号的组合的信号中的链路差错。

跟踪(Chase)组合

在跟踪组合中，重传相同的信号，并接着组合重传的信号来形成单个信号，如图6所示。用A_m，k和N_m，k代表在第m个分段上的第k次发射的每个符号的平均符号幅度和噪声能量。那么，第m个分段的第k次发射的平均符号SNR是其中A_m和N_m代表在跟踪组合之后在第m个分段中的平均信号幅度和噪声变化，可以如下来计算：

A_{m} = Σ_{k = 1}^{K} A_{m, k}, N_{i} = Σ_{k = 1}^{K} N_{m, k} - - - (11)

其中，K是发射的总数。那么，我们使用方程(12)来计算第m个时隙的有效E_s/N_t，其如下来计算：

{(\frac{E_{s}}{N_{t}})}_{i} = \frac{A_{i}^{2}}{N_{i}} - - - (12)

增量冗余(IR)

在IR情况中，如果第一发射被解码出现差错，那么就发送附加奇偶信息以便降低有效信道编码速率。图7显示了组合方案。假设总共有K次发射，每次发射具有h(k)个时隙(其中k＝1，2，...，K)，并且发射符号之间没有重叠，那么，就如同存在L_k个时隙的单个发射那样来应用该方法，其中，

L_{k} = Σ_{k = 1}^{K} h (k)

参考信道编码速率是在所有K次发射之后的有效编码速率。如果有重叠的符号，那么我们就对重叠部分使用跟踪组合度量。

本领域技术人员应该理解到，在此各个实施例中所显示的各种***层、例程、或模块可以是可执行控制单元(例如控制器210、250(见图2))。控制器210、250可以包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、处理器卡(包括一个或多个微处理器或控制器)、或其它控制或计算设备。讨论中所参考的存储设备可以包括一个或多个用来存储数据和指令的机器可读存储介质。该存储介质可以包括不同形式的存储器，包括诸如动态或静态随机访问存储器(DRAM或SRAM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和闪存的半导体存储设备；诸如固定、软盘、可移动盘的磁盘；其它包括磁带的磁介质；和诸如紧凑盘(CD)或数字视频盘(DVD)的光介质。在各种***中构成各种软件层、例程、或模块的指令可以被存储在各自的存储设备中。这些指令当被各自的控制单元210、250执行时能够使得相应***执行编程的操作。

因为上面所讨论的特定实施例只是示例性的，所以对享有在此教导益处的本领域技术人员来说，显而易见，本发明可以被以不同但等同的方式来修改和实施。而且，目的不在于限制于在此所显示的具体构造或设计，而是由下面所描述的权利要求来限制。因此，很明显，上面所公开的特定实施例可以被改变或修改，并且所有这些改变被认为落入本发明的范围和精神之内。

因此，在下面的权利要求书中阐述在此所寻求的保护。

Claims

1.一种通信方法，包括：

接收第一编码信号；

在解码所述第一编码信号之前，基于所述第一编码信号的至少一个特性和在该至少一个特性中的变化来预测链路差错；以及

基于所预测的链路差错请求重传第一编码信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中基于所述第一编码信号的至少一个特性预测链路差错进一步包括基于所述第一编码信号的信噪比预测链路差错。

3.如权利要求2所述的方法，其中基于所述第一编码信号的信噪比预测链路差错进一步包括响应于对信噪比中的变化的检测增加预测出的链路差错的数量。

4.如权利要求2所述的方法，其中基于所述第一编码信号的信噪比预测链路差错进一步包括：

将所述第一编码信号分成多个分段；

确定每个分段的信噪比；和

基于在每个分段内的信噪比的变化，应用加权因子到每个分段内的信噪比。

5.如权利要求4所述的方法，其中基于在每个分段内的信噪比的变化应用加权因子到每个分段内的信噪比进一步包括使用凸函数。

6.如权利要求1所述的方法，其中接收第一编码信号进一步包括接收重传的编码信号。

7.如权利要求1所述的方法，其中接收第一编码信号进一步包括：

接收源编码信号；

接收重传的编码信号；和

组合源编码信号和重传的编码信号来形成所述第一编码信号。

8.如权利要求7所述的方法，其中组合源编码信号和重传编码信号来形成所述第一编码信号进一步包括使用跟踪组合来组合源编码信号和重传编码信号形成所述第一编码信号。

9.如权利要求7所述的方法，其中组合源编码信号和重传编码信号来形成所述第一编码信号进一步包括使用增量冗余来组合源编码信号和重传编码信号形成所述第一编码信号。