专利名称：一种通过发送高速特征码估算无线数据信道信噪比的方法
一.应用领域本发明专利属于无线通信领域，是一种通过发送高速特征序列串来测量比特误码率(BitError Rate，BER)和估算信噪比(Signal to Noise Ratio)的方法，它特别适于便携式无线设备估算信噪比。
二.技术背景根据香农定理C＝H*log2(1+S/N)可知当固定信号带宽情况下，信噪比越高，信道的最大数据传输速率越大。因此，信噪比是无线信道的关键参数，是衡量无线信道质量的重要指标。在无线通信的许多场合，如自适应功率控制、自适应速率切换等，都需要知道信噪比，以期能最大限度利用有限的无线资源。理想的信噪比测量需要区分噪声和信号的能量，但在实际应用中，尤其是便携式无线设备的应用中，很难区分噪声和信号。
迄今，业界专家和学者对SNR的精确估算进行了大量理论研究，包括①采用纯软件方法，通过测量帧错误率(Frame Error Rate，FER)来估算SNR；②利用训练系列进行SNR估计的方法，如果不用训练序列，其估计的精度取决于符号错误特性；③通过对接收信号强度方差矩阵的特征根进行分解来得到SNR的估计值；④通过将接收信号投影到表征期望信号的子空间上来估计SNR；⑤假设噪声强度不变，通过测量接收端信号强度的值来估算SNR。综观以上这些方法，要么很不精确且测量周期长(如通过测量FER测量SNR的方法)，要么假设条件过多(如准确知道发送信号的强度)，要么过于复杂、不适合快速便携式无线设备应用。
三.发明概述本发明专利主要提出了一种基于查表方式的、简单的SNR估算方法，因为它是基于表查找方法，而且也不需要特定的硬件支持，所以它特别适于便携式无线设备估算信噪比。
本专利受如下两点启发①当无线调制方式和传输速率确定时，BER和SNR之间存在一对一映射关系，如图1为IEEE802.11b协议中BPSK，QPSK和CCK5.5/11等几种调制方式和速率的BER/SNR关系图，该关系图既可由理论推导得出，又可实测得出，实际应用中大多采用实测经验曲线；②根据BER/SNR关系图可以发现在SNR相同时，各个发送速率的BER差别很大，如附图1中在信噪比SNR为5dB时，2/5.5/11Mbps的误码率分别为10-6/10-3/10-2。
因此，本发明专利提出了如下方式估算SNR通过发送公知的、无需校验码的、高速率特征序列串，计算BER的值，然后查表得出当前信道的SNR值，这样做的原因是(1).速率越高，越容易发生误码，如IEEE 802.11b中以5.5Mbps发送1000比特的数据，出现位错误的概率为1/1000，也就是很难捕获到误码，而同样情况下，用11Mbps发送时，1000位数据中，平均将出现10位误码；这一点类似于在各领域广泛应用的“压力实验”这种方法，即通过设置苛刻的实验条件，让故障更容易表现出来；(2).采用双方公知的、无需校验码的序列串时，可以直接计算出比特误码率；而非公知的序列串却不能实现这种效果，即使采用CRC校验码，也只能定性地指示有错误发生，而不能定量地指示出比特误码率的程度。
四.
图1IEEE 802.11b的位误码率和信噪比关系2通用测试帧参考格式图3单纯测试帧参考格式图4单纯反馈帧参考格式图5接收过程流程6发送过程流程7当IEEE 802.11出现包错误时，采用该方法测试SNR的例程五.具体实施方法BER和SNR的测量都要是由接收者具体执行，然后接收者通过某种方式将测量结果反馈给发送者。该方法的实施包括两个前提条件①发送者(sender)和接收者(receiver)知道双方所采用调制方式在各种发送速率下的BER/SNR经验曲线，以及测试采用的特征序列串；②在发送测试用特征序列串之前，sender能同步receiver，能通知receiver本次发送特征序列串长度、速度，以及能向receiver捎带反馈receiver前次测试结果BERformer(如果receiver前次发送过测试帧，就正常反馈BERformer；如果receiver前次没有测试需求，将该值设为全1)。
对于第一个条件，我们采用①将BER/SNR曲线转换成查找表，作为初始化数据存贮在sender和receiver的内存中，比如将IEEE 802.11b各种调制方式的BER/SNR查找表做到驱动程序里；②采用公知的特征序列串，如1010……1010。
对于第二个条件，我们可以①采用特定的同步头，将sender和receiver同步；②在同步之后设置固定的低速率协商字段，该字段包括本次测试采用的特征序列串的长度(len)和发送速度(rate)、以及对方前次测试结果BERformer，需要特别指出的是该低速率协商字段要确保无误，因此，我们采用CRC对该字段进行校验；③紧接协商字段之后，才是以rate速率发送的长度为len的特征序列串。这种同步和协商方法现在广泛采用的、行之有效的方式，如IEEE802.11b中的一种帧格式就是144bit的同步头，用来指示数据长度和发送速度的48bit的协商数据头，这两者以1Mbps的低速率发送，后续才是指定发送速率的、可变长度数据。
图2给出了通用测试帧的参考模型，根据需要，每个节点都可以发送3种类型的测试帧1.如果仅需测试，不需反馈前次测试结果，就按需求设置len和rate，但把BER设为全1，我们称之为单纯测试帧，参见图3，该帧用于发起测试、以及发起者的对方不要求测试的情况；2.如果仅需反馈前次测试，本身不需要测试BER，就设置len＝0，rate＝0，BER为前次测试结果，我们称之为单纯反馈帧，参见图4，该帧用于反馈普通测试帧；3.如果既需要反馈对方前次测试结果，自己还需要测试BER，就按需求设置len和rate、将BER设置为前次测试结果，这就是图2所示的通用测试帧，该帧既反馈前次结果，又发起本身的测试。
整测试包括两个阶段接收阶段，和测试阶段；测试过程相应分为两个接收和发送两个过程，每个节点都含有这两个过程。
图5是具体的接收过程流程图，接收过程主要完成接收并分析收到的帧，得到SNR结果，并为接下来可能的发送设置参数。其中我们指定①sender和receiver双方支持的最小传输速率是Vmin，最大传输速率为Vmax；②BERformer是接收帧中捎带而来的数据，是前次特征序列串的误码率，BERcur是当前接收帧的误码率，由计数得来；③BERtoobig是误码率上限，设置该值的目的是为了准确测量SNR，因为太大的BER只能表示当前干扰太大、不能用来精确估算SNR，为了进一步精确测量SNR，就需要降低速率来推算SNR，当推算出来的SNR波动范围很小、前后两次测量值的差值小于测量精度SNRdlt时(SNRdlt是SNR测量精度，该值主要是为了提高测量精度)，就认为测量准确了。BERtoobig、SNRdlt、特征序列串长度len等测量参数根据具体网络协议、测量需求而定，原则上是测试帧长度越长，测量越准确，但是测量时间也越长；BERtoobig和SNRdlt反映测试精度，精度需求越高时，测试代价也越大。
图6为具体的发送过程，有两种情况需要确定初始化速度①无任何背景知识、首次发送数据包，发送者估算采取何种速率比较合适，此时我们设置Vtest＝(Vmin+Vmax)/2，BERformer全1；②在某一速率下，帧错误频发，发送者要通过测量BER、推算SNR、进而找到可用的最大发送速率，此时我们设置Vtest＝(Verror+Vmax)/2，其中Verror引起帧错误时的发送速率。特别注意的是如果连续两次以Vmax为速率测试SNR时，BER仍然为0，则不能准确估计信噪比，只能认为当前信道质量较好；在连续以最低速度Vmin发送特征序列串2次之后，BER仍然大于BERtoolarge，则不能准确估计信噪比，只能认为当前信道质量很差。
图7为当IEEE 802.11出现包错误时，采用该方法测试SNR的例程，它主要分两步①包错误发送时，sender进入发送过程，以高于Verror发送测试帧，当receiver接收到该帧后，计算出BERcur，就可以知道前向SNR；②receiver将BERformer＝BERcur，然后发送通用测试帧，sender收到该帧后，就可以知道前向和后向两个SNR，由于IEEE 802.11要求，Data和ACK速度要一致，所以sender就从前向SNR和后向SNR中选择较小的一个，作为选择下次发送数据速率的依据。
权利要求
1.一种通过发送高速特征码估算无线数据信道信噪比的方法，其特征在于发送端向接收端发送高速特征序列串，接收端计量比特误码率，并向发送端反馈，发送端进而根据BER/SNR的经验曲线，采用查表法得出信噪比。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于特征序列串为双方共知，且在特征序列串实际发送之前，发送方和接收方已经达到同步，并且接收方知道序列串长度和发送速度。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于发送方先通过发送特定同步头，使双方同步；紧邻同步头的是以固定低速率发送的、固定长度的三个字段速度、长度、前次测试比特误码率(如果前次没有进行测试，则前次测试比特误码率字段为全1)，他们分别指示特征序列串的发送速度和长度，以及前次测试的比特误码率；接下来的就是已知长度和发送速率的特征序列串。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于发送方可以根据要求的信噪比精度、以及对方反馈的比特误码率，在下一次发送序列串时重新调整特征序列串的发送速度。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于如果反馈的比特误码率大于BERtoolarge(该值根据具体无线通讯协议、以及精度要求而定)，则减小发送速率Vtest＝(Vtest+Vmin)/2；如果对方反馈的比特误码率为0、或其他情况，则提高发送速率Vtest＝(Vtest+Vmax)/2，其中Vmax和Vmax双方支持的最小和最大传输速率。
6.按照权利要求1的方法，其特征在于如果是由于出现了包错误而测试信噪比，则特征序列串的初始速度为(Verror+Vmax)/2，其中Verror为发送错误时的传输速度。
7.按照权利要求1的方法，其特征在于如果是首次发送数据前测试信噪比，则特征序列串的初始速度为(Vmin+Vmax)/2。
8.按照权利要求1的方法，其特征在于在连续以最高速度Vmax发送特征序列串2次之后，BER仍然为0，则不能准确估计信噪比，只能认为当前信道质量较好；在连续以最低速度Vmin发送特征序列串2次之后，BER仍然大于BERtoolarge，则不能准确估计信噪比，只能认为当前信道质量很差。
全文摘要
本发明专利涉及一种通过发送高速特征码估算无线数据信道信噪比的方法，它通过发送高速特征序列串来测量比特误码率(Bit Error Rate)，进而根据BER/SNR(Signal to Noise Ratio)的经验曲线，查表得出当前信道的SNR；该方法实施简单，不需要特定硬件支持，所以它特别适于便携式无线设备估算信噪比。之所以采用这种方法是因为①速率越高，越容易发生误码，这一点类似于在各领域广泛应用的“压力实验”这种方法，即通过设置苛刻的实验条件，让故障更容易表现出来；②采用双发公知的、无需校验码的序列串时，可以直接计算出BER。
文档编号H04L25/02GK1620051SQ20041007449
公开日2005年5月25日 申请日期2004年9月17日 优先权日2004年9月17日
发明者冯彦君 申请人:冯彦君