專利名稱：一種通過發(fā)送高速特征碼估算無線數(shù)據(jù)信道信噪比的方法
一.應(yīng)用領(lǐng)域本發(fā)明專利屬于無線通信領(lǐng)域，是一種通過發(fā)送高速特征序列串來測(cè)量比特誤碼率(BitError Rate，BER)和估算信噪比(Signal to Noise Ratio)的方法，它特別適于便攜式無線設(shè)備估算信噪比。
二.技術(shù)背景根據(jù)香農(nóng)定理C＝H*log2(1+S/N)可知當(dāng)固定信號(hào)帶寬情況下，信噪比越高，信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率越大。因此，信噪比是無線信道的關(guān)鍵參數(shù)，是衡量無線信道質(zhì)量的重要指標(biāo)。在無線通信的許多場(chǎng)合，如自適應(yīng)功率控制、自適應(yīng)速率切換等，都需要知道信噪比，以期能最大限度利用有限的無線資源。理想的信噪比測(cè)量需要區(qū)分噪聲和信號(hào)的能量，但在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是便攜式無線設(shè)備的應(yīng)用中，很難區(qū)分噪聲和信號(hào)。
迄今，業(yè)界專家和學(xué)者對(duì)SNR的精確估算進(jìn)行了大量理論研究，包括①采用純軟件方法，通過測(cè)量幀錯(cuò)誤率(Frame Error Rate，F(xiàn)ER)來估算SNR；②利用訓(xùn)練系列進(jìn)行SNR估計(jì)的方法，如果不用訓(xùn)練序列，其估計(jì)的精度取決于符號(hào)錯(cuò)誤特性；③通過對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度方差矩陣的特征根進(jìn)行分解來得到SNR的估計(jì)值；④通過將接收信號(hào)投影到表征期望信號(hào)的子空間上來估計(jì)SNR；⑤假設(shè)噪聲強(qiáng)度不變，通過測(cè)量接收端信號(hào)強(qiáng)度的值來估算SNR。綜觀以上這些方法，要么很不精確且測(cè)量周期長(zhǎng)(如通過測(cè)量FER測(cè)量SNR的方法)，要么假設(shè)條件過多(如準(zhǔn)確知道發(fā)送信號(hào)的強(qiáng)度)，要么過于復(fù)雜、不適合快速便攜式無線設(shè)備應(yīng)用。
三.發(fā)明概述本發(fā)明專利主要提出了一種基于查表方式的、簡(jiǎn)單的SNR估算方法，因?yàn)樗腔诒聿檎曳椒ǎ乙膊恍枰囟ǖ挠布С?，所以它特別適于便攜式無線設(shè)備估算信噪比。
本專利受如下兩點(diǎn)啟發(fā)①當(dāng)無線調(diào)制方式和傳輸速率確定時(shí)，BER和SNR之間存在一對(duì)一映射關(guān)系，如圖1為IEEE802.11b協(xié)議中BPSK，QPSK和CCK5.5/11等幾種調(diào)制方式和速率的BER/SNR關(guān)系圖，該關(guān)系圖既可由理論推導(dǎo)得出，又可實(shí)測(cè)得出，實(shí)際應(yīng)用中大多采用實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)曲線；②根據(jù)BER/SNR關(guān)系圖可以發(fā)現(xiàn)在SNR相同時(shí)，各個(gè)發(fā)送速率的BER差別很大，如附圖1中在信噪比SNR為5dB時(shí)，2/5.5/11Mbps的誤碼率分別為10-6/10-3/10-2。
因此，本發(fā)明專利提出了如下方式估算SNR通過發(fā)送公知的、無需校驗(yàn)碼的、高速率特征序列串，計(jì)算BER的值，然后查表得出當(dāng)前信道的SNR值，這樣做的原因是(1).速率越高，越容易發(fā)生誤碼，如IEEE 802.11b中以5.5Mbps發(fā)送1000比特的數(shù)據(jù)，出現(xiàn)位錯(cuò)誤的概率為1/1000，也就是很難捕獲到誤碼，而同樣情況下，用11Mbps發(fā)送時(shí)，1000位數(shù)據(jù)中，平均將出現(xiàn)10位誤碼；這一點(diǎn)類似于在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的“壓力實(shí)驗(yàn)”這種方法，即通過設(shè)置苛刻的實(shí)驗(yàn)條件，讓故障更容易表現(xiàn)出來；(2).采用雙方公知的、無需校驗(yàn)碼的序列串時(shí)，可以直接計(jì)算出比特誤碼率；而非公知的序列串卻不能實(shí)現(xiàn)這種效果，即使采用CRC校驗(yàn)碼，也只能定性地指示有錯(cuò)誤發(fā)生，而不能定量地指示出比特誤碼率的程度。
四.


圖1IEEE 802.11b的位誤碼率和信噪比關(guān)系2通用測(cè)試幀參考格式圖3單純測(cè)試幀參考格式圖4單純反饋幀參考格式圖5接收過程流程6發(fā)送過程流程7當(dāng)IEEE 802.11出現(xiàn)包錯(cuò)誤時(shí)，采用該方法測(cè)試SNR的例程五.具體實(shí)施方法BER和SNR的測(cè)量都要是由接收者具體執(zhí)行，然后接收者通過某種方式將測(cè)量結(jié)果反饋給發(fā)送者。該方法的實(shí)施包括兩個(gè)前提條件①發(fā)送者(sender)和接收者(receiver)知道雙方所采用調(diào)制方式在各種發(fā)送速率下的BER/SNR經(jīng)驗(yàn)曲線，以及測(cè)試采用的特征序列串；②在發(fā)送測(cè)試用特征序列串之前，sender能同步receiver，能通知receiver本次發(fā)送特征序列串長(zhǎng)度、速度，以及能向receiver捎帶反饋receiver前次測(cè)試結(jié)果BERformer(如果receiver前次發(fā)送過測(cè)試幀，就正常反饋BERformer；如果receiver前次沒有測(cè)試需求，將該值設(shè)為全1)。
對(duì)于第一個(gè)條件，我們采用①將BER/SNR曲線轉(zhuǎn)換成查找表，作為初始化數(shù)據(jù)存貯在sender和receiver的內(nèi)存中，比如將IEEE 802.11b各種調(diào)制方式的BER/SNR查找表做到驅(qū)動(dòng)程序里；②采用公知的特征序列串，如1010……1010。
對(duì)于第二個(gè)條件，我們可以①采用特定的同步頭，將sender和receiver同步；②在同步之后設(shè)置固定的低速率協(xié)商字段，該字段包括本次測(cè)試采用的特征序列串的長(zhǎng)度(len)和發(fā)送速度(rate)、以及對(duì)方前次測(cè)試結(jié)果BERformer，需要特別指出的是該低速率協(xié)商字段要確保無誤，因此，我們采用CRC對(duì)該字段進(jìn)行校驗(yàn)；③緊接協(xié)商字段之后，才是以rate速率發(fā)送的長(zhǎng)度為len的特征序列串。這種同步和協(xié)商方法現(xiàn)在廣泛采用的、行之有效的方式，如IEEE802.11b中的一種幀格式就是144bit的同步頭，用來指示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和發(fā)送速度的48bit的協(xié)商數(shù)據(jù)頭，這兩者以1Mbps的低速率發(fā)送，后續(xù)才是指定發(fā)送速率的、可變長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。
圖2給出了通用測(cè)試幀的參考模型，根據(jù)需要，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送3種類型的測(cè)試幀1.如果僅需測(cè)試，不需反饋前次測(cè)試結(jié)果，就按需求設(shè)置len和rate，但把BER設(shè)為全1，我們稱之為單純測(cè)試幀，參見圖3，該幀用于發(fā)起測(cè)試、以及發(fā)起者的對(duì)方不要求測(cè)試的情況；2.如果僅需反饋前次測(cè)試，本身不需要測(cè)試BER，就設(shè)置len＝0，rate＝0，BER為前次測(cè)試結(jié)果，我們稱之為單純反饋幀，參見圖4，該幀用于反饋普通測(cè)試幀；3.如果既需要反饋對(duì)方前次測(cè)試結(jié)果，自己還需要測(cè)試BER，就按需求設(shè)置len和rate、將BER設(shè)置為前次測(cè)試結(jié)果，這就是圖2所示的通用測(cè)試幀，該幀既反饋前次結(jié)果，又發(fā)起本身的測(cè)試。
整測(cè)試包括兩個(gè)階段接收階段，和測(cè)試階段；測(cè)試過程相應(yīng)分為兩個(gè)接收和發(fā)送兩個(gè)過程，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都含有這兩個(gè)過程。
圖5是具體的接收過程流程圖，接收過程主要完成接收并分析收到的幀，得到SNR結(jié)果，并為接下來可能的發(fā)送設(shè)置參數(shù)。其中我們指定①sender和receiver雙方支持的最小傳輸速率是Vmin，最大傳輸速率為Vmax；②BERformer是接收幀中捎帶而來的數(shù)據(jù)，是前次特征序列串的誤碼率，BERcur是當(dāng)前接收幀的誤碼率，由計(jì)數(shù)得來；③BERtoobig是誤碼率上限，設(shè)置該值的目的是為了準(zhǔn)確測(cè)量SNR，因?yàn)樘蟮腂ER只能表示當(dāng)前干擾太大、不能用來精確估算SNR，為了進(jìn)一步精確測(cè)量SNR，就需要降低速率來推算SNR，當(dāng)推算出來的SNR波動(dòng)范圍很小、前后兩次測(cè)量值的差值小于測(cè)量精度SNRdlt時(shí)(SNRdlt是SNR測(cè)量精度，該值主要是為了提高測(cè)量精度)，就認(rèn)為測(cè)量準(zhǔn)確了。BERtoobig、SNRdlt、特征序列串長(zhǎng)度len等測(cè)量參數(shù)根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、測(cè)量需求而定，原則上是測(cè)試幀長(zhǎng)度越長(zhǎng)，測(cè)量越準(zhǔn)確，但是測(cè)量時(shí)間也越長(zhǎng)；BERtoobig和SNRdlt反映測(cè)試精度，精度需求越高時(shí)，測(cè)試代價(jià)也越大。
圖6為具體的發(fā)送過程，有兩種情況需要確定初始化速度①無任何背景知識(shí)、首次發(fā)送數(shù)據(jù)包，發(fā)送者估算采取何種速率比較合適，此時(shí)我們?cè)O(shè)置Vtest＝(Vmin+Vmax)/2，BERformer全1；②在某一速率下，幀錯(cuò)誤頻發(fā)，發(fā)送者要通過測(cè)量BER、推算SNR、進(jìn)而找到可用的最大發(fā)送速率，此時(shí)我們?cè)O(shè)置Vtest＝(Verror+Vmax)/2，其中Verror引起幀錯(cuò)誤時(shí)的發(fā)送速率。特別注意的是如果連續(xù)兩次以Vmax為速率測(cè)試SNR時(shí)，BER仍然為0，則不能準(zhǔn)確估計(jì)信噪比，只能認(rèn)為當(dāng)前信道質(zhì)量較好；在連續(xù)以最低速度Vmin發(fā)送特征序列串2次之后，BER仍然大于BERtoolarge，則不能準(zhǔn)確估計(jì)信噪比，只能認(rèn)為當(dāng)前信道質(zhì)量很差。
圖7為當(dāng)IEEE 802.11出現(xiàn)包錯(cuò)誤時(shí)，采用該方法測(cè)試SNR的例程，它主要分兩步①包錯(cuò)誤發(fā)送時(shí)，sender進(jìn)入發(fā)送過程，以高于Verror發(fā)送測(cè)試幀，當(dāng)receiver接收到該幀后，計(jì)算出BERcur，就可以知道前向SNR；②receiver將BERformer＝BERcur，然后發(fā)送通用測(cè)試幀，sender收到該幀后，就可以知道前向和后向兩個(gè)SNR，由于IEEE 802.11要求，Data和ACK速度要一致，所以sender就從前向SNR和后向SNR中選擇較小的一個(gè)，作為選擇下次發(fā)送數(shù)據(jù)速率的依據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種通過發(fā)送高速特征碼估算無線數(shù)據(jù)信道信噪比的方法，其特征在于發(fā)送端向接收端發(fā)送高速特征序列串，接收端計(jì)量比特誤碼率，并向發(fā)送端反饋，發(fā)送端進(jìn)而根據(jù)BER/SNR的經(jīng)驗(yàn)曲線，采用查表法得出信噪比。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于特征序列串為雙方共知，且在特征序列串實(shí)際發(fā)送之前，發(fā)送方和接收方已經(jīng)達(dá)到同步，并且接收方知道序列串長(zhǎng)度和發(fā)送速度。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于發(fā)送方先通過發(fā)送特定同步頭，使雙方同步；緊鄰?fù)筋^的是以固定低速率發(fā)送的、固定長(zhǎng)度的三個(gè)字段速度、長(zhǎng)度、前次測(cè)試比特誤碼率(如果前次沒有進(jìn)行測(cè)試，則前次測(cè)試比特誤碼率字段為全1)，他們分別指示特征序列串的發(fā)送速度和長(zhǎng)度，以及前次測(cè)試的比特誤碼率；接下來的就是已知長(zhǎng)度和發(fā)送速率的特征序列串。
4.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于發(fā)送方可以根據(jù)要求的信噪比精度、以及對(duì)方反饋的比特誤碼率，在下一次發(fā)送序列串時(shí)重新調(diào)整特征序列串的發(fā)送速度。
5.按照權(quán)利要求4的方法，其特征在于如果反饋的比特誤碼率大于BERtoolarge(該值根據(jù)具體無線通訊協(xié)議、以及精度要求而定)，則減小發(fā)送速率Vtest＝(Vtest+Vmin)/2；如果對(duì)方反饋的比特誤碼率為0、或其他情況，則提高發(fā)送速率Vtest＝(Vtest+Vmax)/2，其中Vmax和Vmax雙方支持的最小和最大傳輸速率。
6.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于如果是由于出現(xiàn)了包錯(cuò)誤而測(cè)試信噪比，則特征序列串的初始速度為(Verror+Vmax)/2，其中Verror為發(fā)送錯(cuò)誤時(shí)的傳輸速度。
7.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于如果是首次發(fā)送數(shù)據(jù)前測(cè)試信噪比，則特征序列串的初始速度為(Vmin+Vmax)/2。
8.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于在連續(xù)以最高速度Vmax發(fā)送特征序列串2次之后，BER仍然為0，則不能準(zhǔn)確估計(jì)信噪比，只能認(rèn)為當(dāng)前信道質(zhì)量較好；在連續(xù)以最低速度Vmin發(fā)送特征序列串2次之后，BER仍然大于BERtoolarge，則不能準(zhǔn)確估計(jì)信噪比，只能認(rèn)為當(dāng)前信道質(zhì)量很差。
全文摘要
本發(fā)明專利涉及一種通過發(fā)送高速特征碼估算無線數(shù)據(jù)信道信噪比的方法，它通過發(fā)送高速特征序列串來測(cè)量比特誤碼率(Bit Error Rate)，進(jìn)而根據(jù)BER/SNR(Signal to Noise Ratio)的經(jīng)驗(yàn)曲線，查表得出當(dāng)前信道的SNR；該方法實(shí)施簡(jiǎn)單，不需要特定硬件支持，所以它特別適于便攜式無線設(shè)備估算信噪比。之所以采用這種方法是因?yàn)棰偎俾试礁撸饺菀装l(fā)生誤碼，這一點(diǎn)類似于在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的“壓力實(shí)驗(yàn)”這種方法，即通過設(shè)置苛刻的實(shí)驗(yàn)條件，讓故障更容易表現(xiàn)出來；②采用雙發(fā)公知的、無需校驗(yàn)碼的序列串時(shí)，可以直接計(jì)算出BER。
文檔編號(hào)H04L25/02GK1620051SQ20041007449
公開日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2004年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月17日
發(fā)明者馮彥君 申請(qǐng)人:馮彥君