專利名稱：用于多副載波聯(lián)合預編碼的技術的制作方法
用于多副載波聯(lián)合預編碼的技術本申請要求在2008年3月10日提交的美國臨時申請No. 61/035，142和在2009 年3月4日提交的美國臨時申請No. 61/157，230的權益。本發(fā)明總的涉及正交頻分復用(OFDM)通信系統(tǒng)，更具體地，涉及由這樣的系統(tǒng)執(zhí) 行的預編碼技術。WiMedia標準定義了基于正交頻分復用(OFDM)傳輸?shù)拿襟w接入控制(MAC)層和 物理(PHY)層的技術規(guī)范。WiMedia標準使得能以低功耗以高達480Mbps的速率進行短距 離多媒體文件傳送。所述標準運行在UWB頻譜中3. IGHz到10. 6GHz之間的頻帶上。然而， WiMedia標準速率的最高數(shù)據(jù)速率不能滿足未來的、諸如HDTV無線連接性那樣的無線多媒 體應用。正在做出努力以將數(shù)據(jù)速率提高到IGpbs和更高。為此，設想在未來的高數(shù)據(jù)速率無線系統(tǒng)中使用弱(或非信道)信道編碼和更高 階的碼元星座技術。例如，如果使用3/4卷積碼連同16QAM調(diào)制，則WiMedia PHY傳送速率 可以提高到960Mbps。然而，為了保證良好的性能，需要對所發(fā)送的OFDM碼元進行預編碼。為了避免損失從OFDM傳輸?shù)奶匦缘玫降念l率分集增益，需要預編碼技術。具體 地，對于弱信道碼，OFDM不能有效地充分利用頻率分集。所以，信道性能幾乎由具有最低信 號噪聲比(SNR)的最差副載波確定。這限制了由常規(guī)的OFDM無線系統(tǒng)承載的高數(shù)據(jù)速率 應用的數(shù)量。為了克服這個問題，在相關的技術中已討論了幾種預編碼技術。通常，預編碼技 術是基于把發(fā)送碼元聯(lián)合調(diào)制到多副載波上。這允許即使在這些副載波的某一些處在 深衰落時，接收機也能恢復發(fā)送碼元。預編碼技術的例子可以在以下文獻中找到“0FDM or single-carrier blocktransmissions ？，，，其由 Ζ. Wang、X. Ma 禾口 G. B. Giannakis 發(fā) 表在 IEEETransactions on Communications, vol.52，pp. 380-394，2004 年 3 月；以及 "Linearly Precoded or Coded OFDM against Wireless ChannelFades”，其由 Z. Wang 禾口 G· B· Giannakis 發(fā)表在 Third IEEE SignalProcessing Workshop on Signal Processing Advances in WirelessCommunications, Taoyuan, Taiwan, 2001 年 3 月 20-23 日。預編碼典型地由被耦合到發(fā)射機的IFFT OFDM調(diào)制器的輸入的預編碼器電路和 被耦合到接收機的FFT OFDM解調(diào)器的輸出的預譯碼器電路執(zhí)行。精心設計的復預編碼器 (complex precoder)可以有效地充分利用由多徑信道提供的頻率分集。然而，實施復預編 碼器增加了發(fā)射機和接收機的復雜性，因為它需要更復雜的譯碼和碼元映射技術。例如，使 用雙載波調(diào)制(DCM)作為預編碼器需要用16QAM碼元星座替換QPSK碼元星座。而且，為了保證在高數(shù)據(jù)速率模式下的完全的頻率分集(即，2階分集)，需要更高 的星座(例如，256QAM)。例如，如果使用DCM來聯(lián)合調(diào)制使用16QAM星座而形成的兩個{丨 息碼元s (i)和s (i+50)，則2階頻率分集將如下地得到
‘、.-R
χ( )
χ( + 50)
4 1 “ 1 -4
=R'
‘鄧)“ s(i + 50)
Vn
4
-4
‘s(i)‘ 鄧+ 50)
4
信息碼元s (i)和s (i+50)是使用16QAM星座而形成的。然而，預編碼操作把碼元 星座擴展到256QAM，即，預編碼的碼元χ (i)和χ (i+50)的星座是256QAM。實施和設計具有這樣的高星座的接收機和發(fā)射機而不影響分集增益和信道的總 體性能，是不可行的。高的星座是常規(guī)的預編碼技術的副產(chǎn)品，常規(guī)的預編碼技術聯(lián)合預編 碼僅僅兩個碼元以達到2階分集。所以，提供一種用于達到2階頻率分集而同時使得星座的尺寸最小化的高效預編 碼技術是有利的。本發(fā)明的某些實施例包括用于執(zhí)行多副載波聯(lián)合調(diào)制(MSJM)預編碼的方法。該 方法包括把輸入信息比特編組為比特塊；把比特塊轉(zhuǎn)換成比特向量；把每個比特向量映 射到碼元向量；以及把碼元向量調(diào)制到數(shù)據(jù)副載波中。本發(fā)明的某些實施例還包括在其上存儲有用于執(zhí)行多副載波聯(lián)合調(diào)制(MSJM)預 編碼的計算機可執(zhí)行代碼的計算機可讀介質(zhì)。該計算機可執(zhí)行代碼使得計算機執(zhí)行以下過 程把輸入信息比特編組為比特塊；把比特塊轉(zhuǎn)換成比特向量；把每個比特向量映射到碼 元向量；以及把碼元向量調(diào)制到數(shù)據(jù)副載波中。本發(fā)明的某些實施例還包括用于執(zhí)行多副載波聯(lián)合調(diào)制(MSJM)預編碼的正交頻 分復用(OFDM)發(fā)射機。該OFDM發(fā)射機包括第一串并(S/P)轉(zhuǎn)換器，用于把比特塊轉(zhuǎn)換成 比特向量；預編碼器，用于把每個比特向量映射到碼元向量；以及第二 S/P轉(zhuǎn)換器，用于編 組碼元向量，并把碼元向量映射到數(shù)據(jù)副載波中。被看作為本發(fā)明的主題在申請書結束處在權利要求中具體地指出和清楚地要求。 從結合附圖做出的以下的詳細說明中，將明白本發(fā)明的上述的和其它的特征和優(yōu)點。

圖1是按照本發(fā)明的一個實施例的OFDM通信系統(tǒng)的框圖；圖2是顯示碼元向量的預編碼的示例性查找表；圖3是顯示多副載波聯(lián)合調(diào)制(MSJM)預編碼的仿真結果的曲線圖；以及圖4是描繪用于執(zhí)行按照本發(fā)明實施例實施的MSJM預編碼的示例性方法的流程 圖。重要的是指出本發(fā)明公開的實施例僅僅是這里的新穎教導的許多有利用法的例 子。一般而言，在本申請的申請書中做出的敘述并不必然地限制任何的各種不同的所要求 的發(fā)明。而且，某些敘述可能適用于某些創(chuàng)造性特征，但并不適用于其它的創(chuàng)造性特征。一 般而言，除非另外指出，否則單數(shù)單元可以是多數(shù)，且不失去一般性地反之亦然。在附圖中， 在幾個視圖上的同樣的數(shù)字是指同樣的部分。圖1顯示被使用來描述本發(fā)明的原理的、基于OFDM的無線系統(tǒng)100的非限制的和 示例性的框圖。系統(tǒng)100聯(lián)合預編碼數(shù)量為m(m > 2)的副載波，以達到2階頻率分集，而 同時保持小的星座尺寸。系統(tǒng)100可以是按照無線通信標準運行的任何類型的基于OFDM 的無線系統(tǒng)，所述無線通信標準包括但不限于WiMedia UWB版本1.0、1.5和2.0，IEEE 802. lln, WiMax 等等。系統(tǒng)100包括通過無線介質(zhì)通信的發(fā)射機110和接收機120。發(fā)射機110包括串 并(S/P)轉(zhuǎn)換器111和113、預編碼器112和OFDM調(diào)制器114。接收機120包括OFDM解調(diào) 器121、并串(P/S)轉(zhuǎn)換器122和預譯碼器123。系統(tǒng)100還包括發(fā)射天線130和接收天線 140。
按照本發(fā)明的原理，優(yōu)選地在輸入信息比特被編碼和交織之后，把它們劃分成比 特塊。每個比特塊包括n*g個比特，其中“η”是可用的數(shù)據(jù)副載波的數(shù)量，“g”是每個副載 波要發(fā)送的比特的數(shù)量。S/P轉(zhuǎn)換器111把每個比特塊轉(zhuǎn)換成k個比特向量。例如，第q個 比特塊的第i個比特向量可被表示為如下bq, = [6 ,(0), ，,⑴,…，bqJ(m * g - 1)]數(shù)字“k”是數(shù)據(jù)副載波的數(shù)量除以聯(lián)合預編碼的副載波的數(shù)量，S卩，n/m。每個比 特向量包括數(shù)量為m*g的比特。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，預編碼器112利用查找表來把每個比特向量映射到碼 元向量。碼元向量包括m個碼元，以及對應于第q個比特塊的第i個比特向量的碼元向量 可被如下表示、”=[ ,“乙)，、"(‘、)”··，sq,i Om )]當利用查找表時，比特向量的值被用作為表格索引，用來檢索碼元向量的值。查 找表的大小是2m+g乘以m。為了達到2階分集，需要數(shù)量2m+g，因為對于任何兩個不同的比特 向量，它們的對應的碼元向量I,·至少有兩個碼元是不同的。生成查找表的各種實施例在下 面詳細地描述。通過S/P轉(zhuǎn)換器113將碼元向量編組在一起并映射到“η”個數(shù)據(jù)副載波中。碼元 Sqa(Ie)，e = 1，. . . m在第q個OFDM碼元的第個數(shù)據(jù)副載波上被發(fā)送。OFDM調(diào)制器114 執(zhí)行IFFT操作，以生成時域發(fā)送信號，然后該時域發(fā)送信號通過發(fā)射天線130被發(fā)送。時域發(fā)送信號在接收機120處被接收，并通過由OFDM解調(diào)器121執(zhí)行的FFT操作
被轉(zhuǎn)換成頻域信號。然后，多個m碼元向量^,[ ,辦)， ^)，...H)]、P/S轉(zhuǎn)換 器122輸出，其中！γ 是第q個OFDM碼元的第個數(shù)據(jù)副載波的接收信號，以及“T” 表示矩陣轉(zhuǎn)置操作。預譯碼器123使用以下方程生成信息比特= diag {Sq,}*h! +Nqj (1)其中diag {、}是mXm對角矩陣，其第e個對角元素等于SiJie), e = 1, ...m, 向量。是接收的碼元向量。ζ = [h Ci1), h (i2), ...h (ij ] 1是信道參數(shù)向量，其中h(ie)，e =1，. .，m，指示第個數(shù)據(jù)副載波的信道參數(shù)，以及i^，,.是加性高斯白噪聲(AWGN)向量。按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例，預譯碼可被簡化。在本實施例中，接收機120(從m個 副載波中)選擇具有最高信號噪聲比的至少m-1個副載波。各個被選擇的副載波的碼元索 引(symbol indices)被分開地預譯碼。由于預編碼技術具有2階分集，所以預譯碼的m_l 個索引足以恢復比特向量。這大大地減小預譯碼過程的復雜性。下面是描述本發(fā)明所公開的預編碼技術的非限制性例子。在以下的例子中，聯(lián)合 預編碼的副載波的數(shù)量“III”是3，可用的數(shù)據(jù)副載波的數(shù)量“η”是102，以及每個副載波要 發(fā)送的比特的數(shù)量“g”是4。輸入信息比特被編組為比特塊，每個塊包括102*4 = 408比 特。然后，生成34(102/3 = 34)個比特向量，每個向量包括12 (4*3 = 12)個比特。該比特
向量是bq,=隊,(0)’^1)，...，6 ,(11)], i =0,1’…’33.因為輸入比特向量&具有12比特，所以預編碼所需要的碼字的數(shù)量是212 = 642。因此，為達到2階分集，對于碼元s, (i)的最小星座尺寸是64。因而，與其它常規(guī)的技術相 比較，按照本發(fā)明的預編碼技術使星座尺寸增加2的冪(例如，從16QAM到64QAM)，其它常 規(guī)的技術，比如DCM，使星座尺寸增加至少4的冪(例如，從16QAM到256QAM)。
預編碼器112把每個比特向量&，,_映射到碼元向量 59, = [sq(i), sJi + 34), sq(i+68)]，其中所有的三個碼元都是來自64-QAM星座。碼元 sq(i),sq(i+34)和S(1(i+68)分別在第q個OFDM碼元的第i個、第i+34個和第i+68個數(shù)據(jù) 副載波上發(fā)送。如上所述，映射是通過使用查找表執(zhí)行的。在這個例中，查找表包括212(或 642)行和3列。圖2是按照本發(fā)明的一個實施例生成的查找表的例子。值C1、C2和C3是在 碼元向量的s。(i)、s。(i+34)和s。(i+68)中的碼元的值。為了生成查找表，通過對于C1使
用[Ki (ο)κι)，
，bq, i (5)]的值(1> 力')2;)和對于 C2 使用[bq,, (6)，bq, i (7)， y=o
Ki(Il)]的值(IX,心· + 6)2'_ )來計算C1和C2列的值。 按照本發(fā)明的一個實施例，通過使用64階的任意拉丁 2-超立方 (Latin2-hypercube或64X64拉丁方矩陣)來確定對于C3的映射值。ν階的拉丁 ζ-超立 方是ζ維陣列，其中每行是碼元0，1，. . .，ν-1的置換(permutation)。拉丁矩陣是IX 1方 矩陣，其單元包含“1”個不同的碼元(從0到(1-1))，其中在任何行或列中沒有碼元出現(xiàn)一 次以上。具體地，C3列的第d個元素，其中d-1 = x*64+y，0 ^ x,y ^ 63，是64X64拉丁方 矩陣的第(x+1，y+1)個元素。作為例子，以下的拉丁矩陣可被使用來映射C3的值 M =這個矩陣允許通過使用非二進制運算來表達C3的值，S卩，C3 = mod(64-C2-Cl，64)。 圖2上顯示的C3值是通過使用這個模-64運算而進行計算的。所述預編碼允許達到2階 分集，因為查找表的任何兩個不同的行包括不同的至少兩個碼元。應當指出，任何類型的(特殊的或非特殊的)拉丁矩陣都可以被使用來確定碼元 的值。還應當指出，利用可具有不同性能的不同預編碼技術可導致不同的拉丁矩陣和不同 的碼元星座標注(constellationlabelling)(即，在碼元索引與碼元星座上的點之間的映 射)。這允許選擇星座標注和拉丁方矩陣來使得系統(tǒng)的性能最佳化。在另一個實施例中，C3值可以按照如下定義的二進制運算而被確定[Pqji(O)iPqji(I),... ,Pqji (5)] = [bqji(0),bqji(l),... ,bqji(ll)]*G,其中G等于
06362 ..1636261 ..0626160 ..631063 ..2
G =
10 10 0 10 1 10 11 110 0 10 0 0
0、 0
1
1 1
10 0 10 1 0 0 10 11
10 10 110 1 0 0 11 0 0 0 1 0 10 0
Pci,i(5)]的值而計算為以及C3列的值可以通過使用[Py(O)iPtbi(I),.
(i>w.)。
J=O當完成比特向量到碼元向量的映射時，所有的34個輸出碼元向量 0，i = 0， 1，...，33被編組在一起，并被映射到102個數(shù)據(jù)副載波上。圖3顯示了說明按照本發(fā)明的一個實施例實施的預編碼技術的性能的仿真結果。 在仿真中，使用102個數(shù)據(jù)副載波。預編碼(“MSJM預編碼”)是在所有數(shù)據(jù)副載波信道 是i. i. d瑞利衰落信道的假設下通過使用預定義的拉丁矩陣和格雷QAM標注的組合而完成 的。正如可以注意到的，MSJM譯碼(相對于MSJM預編碼)的增益(由曲線310指示)優(yōu) 于利用16QAM的常規(guī)DCM預編碼的增益(如曲線320所指示的)。使用簡化的預編碼/預 譯碼技術導致低于MSJM預編碼的增益性能(如曲線330所指示的)。然而，預譯碼是不太 復雜的。應意識到，本創(chuàng)造性技術具有良好的性能_復雜度折衷。圖4顯示了描述用于執(zhí)行按照本發(fā)明實施例實施的多副載波聯(lián)合調(diào)制(MSJM)預 編碼的方法的非限制性流程圖400。在S410，輸入信息比特被編組為比特塊，每個比特塊包 括數(shù)量為n*g的比特。參數(shù)“η”是可用的副載波的數(shù)量，“g”是每個載波要發(fā)送的比特的 數(shù)量。在S420，比特塊被轉(zhuǎn)換成比特向量。比特向量的數(shù)量等于數(shù)據(jù)副載波的數(shù)量除以聯(lián) 合預編碼的副載波的數(shù)量，即，n/m。在S430，每個比特向量被映射到包括數(shù)量為m的碼元 的碼元向量。在優(yōu)選實施例中，映射是通過使用具有2g+m行和m列的查找表而被執(zhí)行的。為了構建查找表，首先生成包括Qnrl行和m列的表格。參數(shù)Q是星座尺寸，它被確 定為是滿足以下的方程的最小整數(shù)尺寸Iog2Q 彡 m*g/(m_l).頭‘m-Γ列的值通過使用以上詳細提及的技術之一而被設置。然后，把階數(shù)為Q的 拉丁(m-Ι)-超立方(按行)插入到最后的(m)列。構建查找表的最后步驟包括從(T1Xm 的表格中選擇2g+m個不同的行。在S440，碼元向量被調(diào)制到“η”個數(shù)據(jù)副載波上并被發(fā)送。應意識到，MSJM預編 碼使得能夠提高數(shù)據(jù)傳輸速率，具有改進的增益性能和最小碼元星座擴展。以上的詳細說明闡述了本發(fā)明可以采取的許多形式中的幾種形式。打算讓以上的
8詳細說明被理解為本發(fā)明可以采取的所選擇形式的舉例說明，而不是對本發(fā)明的定義的限 制。打算僅僅由包括所有等同物的權利要求來定義本發(fā)明的范圍。
最優(yōu)選地，本發(fā)明的原理被實施為硬件、固件和軟件的組合。而且，軟件優(yōu)選地被 實施為在程序存儲單元或計算機可讀介質(zhì)上有形地體現(xiàn)的應用程序。該應用程序可被上載 到包括任何適當?shù)捏w系結構的機器，并被該機器執(zhí)行。優(yōu)選地，該機器被實施在具有硬件的 計算機平臺上，所述硬件諸如是一個或多個中央處理單元(“CPU”)、存儲器和輸入/輸出 接口。該計算機平臺還可包括操作系統(tǒng)和微指令代碼。這里描述的各種過程和功能可以是 微指令代碼的一部分或是應用程序的一部分，或者是它們的任何組合，其可以由CPU執(zhí)行， 而不管這樣的計算機或處理器是否明顯地示出。另外，各種其它外圍設備可被連接到該計 算機平臺，諸如是附加的數(shù)據(jù)存儲單元和打印單元。
權利要求
一種用于執(zhí)行多副載波聯(lián)合調(diào)制(MSJM)預編碼的方法(400)，包括把輸入信息比特編組為比特塊(S410)；把比特塊轉(zhuǎn)換成比特向量(S420)；把每個比特向量映射到碼元向量(S430)；以及把碼元向量調(diào)制到數(shù)據(jù)副載波中(S440)。
2.權利要求1的方法，其中每個碼元向量包括數(shù)量為m的碼元，其中m等于聯(lián)合預編碼 的副載波的數(shù)量。
3.權利要求2的方法，其中每個比特向量包括數(shù)量為m*g的比特，其中g是每個副載波 要發(fā)送的比特的數(shù)量。
4.權利要求3的方法，其中調(diào)制碼元需要的最小星座尺寸是在比特向量內(nèi)的比特數(shù)量 的函數(shù)。
5.權利要求4的方法，其中把每個比特向量映射到碼元向量是使用查找表來執(zhí)行的， 其中查找表中的行的數(shù)量等于星座尺寸的(m-Ι)次冪，以及查找表中的列的數(shù)量等于碼元 向量中碼元的數(shù)量。
6.權利要求5的方法，還包括通過以下方式生成查找表生成表格，其中表格的行和列的數(shù)量等于查找表的行和列的數(shù)量；通過設置表格中頭m-Ι列中的值，而確定對于碼元向量中頭m-1個碼元的映射值；把拉丁(m-Ι)超立方按行插入到表格的最后列；以及選擇具有不同值的行來構建查找表，其中查找表中任何兩個不同的行包括不同的至少 兩個碼元。
7.權利要求6的方法，其中使用以下至少之一來確定頭m-Ι列的值，S卩比特向量的比 特的值、二進制運算、非二進制運算和星座標注。
8.一種在其上存儲有用于執(zhí)行多副載波聯(lián)合調(diào)制(MSJM)預編碼的計算機可執(zhí)行代碼 的計算機可讀介質(zhì)，包括把輸入信息比特編組為比特塊(S410)； 把比特塊轉(zhuǎn)換成比特向量(S420)； 把每個比特向量映射到碼元向量(S430)；以及 把碼元向量調(diào)制到數(shù)據(jù)副載波中(S440)。
9.一種用于執(zhí)行多副載波聯(lián)合調(diào)制(MSJM)預編碼的正交頻分復用(OFDM)發(fā)射機 (110)，包括第一串并(S/P)轉(zhuǎn)換器(111)，用于把比特塊轉(zhuǎn)換成比特向量；預編碼器(112)，用于把每個比特向量映射到碼元向量；以及第二 S/P轉(zhuǎn)換器(113)，用于編組碼元向量和把碼元向量映射到數(shù)據(jù)副載波中。
10.權利要求9的OFDM發(fā)射機，還包括OFDM調(diào)制器(114)，用于生成要通過無線介質(zhì) 發(fā)送的時域信號。
11.權利要求9的OFDM發(fā)射機，其中每個碼元向量包括數(shù)量為m的碼元，其中m等于聯(lián) 合預編碼的副載波的數(shù)量。
12.權利要求11的OFDM發(fā)射機，其中每個比特向量包括數(shù)量為m*g的比特，其中g是 每個副載波要發(fā)送的比特的數(shù)量。
13.權利要求12的OFDM發(fā)射機，其中把每個比特向量映射到碼元向量是使用查找表來 執(zhí)行的。
14.權利要求13的OFDM發(fā)射機，其中查找表的任何兩個不同的行包括不同的至少兩個碼元。
15.權利要求14的OFDM發(fā)射機，其中通過使用以下至少之一來確定查找表中的列的 值，即拉丁超立方、拉丁矩陣、比特向量的比特的值、二進制運算、非二進制運算和星座標注。
全文摘要
一種用于執(zhí)行多副載波聯(lián)合調(diào)制(MSJM)預編碼的方法(400)。該方法包括把輸入信息比特編組為比特塊(S410)；把比特塊轉(zhuǎn)換成比特向量(S420)；把每個比特向量映射到碼元向量(S430)；以及把碼元向量調(diào)制到數(shù)據(jù)副載波中(S440)。
文檔編號H04L27/34GK101971588SQ200980108465
公開日2011年2月9日 申請日期2009年3月9日 優(yōu)先權日2008年3月10日
發(fā)明者D·比魯, D·王, Y·尚 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司