CN101133558A - 发射数据的方法、接收数据的方法、发射器、接收器和计算机程序产品 - Google Patents

Abstract

描述了一种发射包括多个比特的数据的方法，其中该数据被映射到多个调制符号，每个调制符号包括至少一个较高有效比特和至少一个较低有效比特，至少一个奇偶校验比特针对所述多个比特而生成，并且所述多个比特被映射到多个调制符号的较高有效比特，而至少一个奇偶校验比特被映射到多个调制符号的至少一个较低有效比特。

Description

发射数据的方法、接收数据的方法、发射器、接收器和计算机程序产品

技术领域

本发明涉及一种发射数据的方法、接收数据的方法、发射器、接收器和计算机程序产品。

背景技术

在通信系统中，使用检测并纠正传输期间发生的错误的方法来提高可靠性。一种可能性是使用[1]中所描述的低密度奇偶校验码(LDPC)，其是目前吸引了许多关注的容量逼近编码方案。与同样是容量逼近码的Turbo码相比较，LDPC码在大的块大小的情况下有更好的性能，尽管其解码复杂性小于Turbo码的解码复杂性。

LDPC的另一个商业优点是LDPC专利已经期满，因此，公司可以使用LDPC而不必支付知识产权的费用。

在[2]中描述了LDPC编码器与M-ary(M元)调制器一起使用(称为LDPC编码调制)，其提供了高的功率和带宽效率。M-ary调制器例如根据Gray映射将每log₂M个LDPC编码比特映射到一个星座(constellation)符号。此映射不在传输中引入任何等待时间，这不同于比特交织编码调制(BICM)中的比特交织。通过LDPC码的最优设计，LDPC编码调制可以接近编码调制的容量极限。

LDPC码和LDPC编码调制已被广泛引入下一代无线通信系统，以便于以高数据速率进行可靠和高效的传输。与正交幅度调制(QAM)和MIMO-OFDM(多输入多输出-正交频分复用)相结合，LDPC在高吞吐量(HT)无线局域接入网(WLAN)中已表现出优于Turbo码。它还是在对IEEE 802.11n标准的提议中的任选HT模式的有竞争力的候选者。LDPC码还已被提议用于也需要高阶调制的宽带无线接入(BWA)的标准IEEE 802.16。还有许多关于将LDPC设计到超宽带(UWB)无线通信中的提议，其中有可能在QAM UWB系统中使用LDPC。

在应用卷积码或Turbo码的传统比特交织编码调制(BICM)方案中，为了将编码比特置换到不同符号中的不同位置，在编码器和调制器之间的比特交织器是必需的。

在IEEE802.11a标准中，比特交织器通过如下步骤处理两步置换：

步骤1：

将相邻的编码比特映射到非相邻的调制符号上，以避免由单个符号和信道相关性引入的突发错误。

当N表示码字大小时，第一置换被定义为

i＝(N/d)(k mod d)+floor(k/d)，k＝0，1，K，N-1，    (1)

其中d是交织深度，floor(.)表示不超过该参数的最大整数。

步骤2：

将相邻的编码比特交替地映射到星座的较高有效比特(MSB)和较低有效比特(LSB)，以避免具有低可靠性的LSB的长期运转。

第二置换被定义为

j＝s×floor(i/s)+(i+N-floor(d×i/N))mod s，

                                                   (2)

i＝0，1，K，N-1

其中 $s=\max (\frac{{\log }_{2}M}{2},1),$ 由调制阶M确定。

下面描述两种供LDPC编码调制使用的方法。

第一种方法是使用如上所述根据802.11a的比特交织器来置换LDPC编码比特，参考[2]。

第二种方法是将LDPC码字直接映射到M-ary符号中。这在下面解释。

(N，K)LDPC码由其奇偶校验矩阵H＝[H ₁ H ₂]给出，其中K和N分别是(待被编码的)信息比特的数目和LDPC编码比特的数目。生成矩阵由下式给出：

$\underset{\‾}{G}=\left[\begin{array}{cc}\underset{\‾}{I}& {\underset{\‾}{H}}_1^T\end{array}{\underset{\‾}{H}}_2^{-T}\right]---\left(3\right)$

其中I _k×k是生成码字的系统比特的单位矩阵。基于G的码字是

$\underset{\‾}{c}=\underset{\‾}{\mathrm{uG}}=\left[\begin{array}{cc}\underset{\‾}{u}& {\underset{\‾}{\mathrm{uH}}}_1^T\end{array}{\underset{\‾}{H}}_2^{-T}\right]=\left[\begin{array}{cc}\underset{\‾}{u}& \underset{\‾}{p}\end{array}\right],---\left(4\right)$

其中u是信息序列(用户数据比特向量)。码字c由系统比特向量u和奇偶校验比特向量p构成。

根据第二种方法，来自码字c的连续log₂M个比特被直接映射到M-ary星座符号中。

使用第一种方法，即使用比特交织器不是最优的，这是因为与传统的BICM相比，在LDPC编码调制中不需要比特交织器。这是LDPC编码调制优于传统编码调制的优点。

此外，第一种方法的缺点是：将IEEE 802.11a中所使用的置换规则应用于LDPC编码调制不是最优的。这是因为，在相移键控(PSK)和QAM中，根据等式(2)的第二置换将相邻的编码比特交替地映射到较高有效比特(MSB)和较低有效比特(LSB)，这仅合适于非系统码，如根据IEEE 802.11a使用的卷积码(见[3])。

第二种方法具有类似的缺点。当来自码字c的连续编码比特被直接映射到PSK或QAM符号中时，系统比特和奇偶校验比特被均匀地放置到MSB和LSB中。

在[4]中，给出的研究结果显示，Turbo码当系统和奇偶校验比特被分配不同的功率电平时比当相等的功率被分配给整个码字时性能更好。对于大的块大小，当系统比特比奇偶校验比特保护得好时实现较好的性能，并且此效应随着块大小的增大而变得更强。对LDPC码中的不等错误保护的研究主要集中于LDPC码字的构造(参考[5]、[6])。已发现，通常可变节点度(node degree)越大，解码后的平均透辐射能力越强。然而，这个结论仅适用于不规则LDPC码。

本发明的一个目的是提高LDPC编码调制方法的性能。

该目的通过具有根据独立权利要求的特征的发射数据的方法、接收数据的方法、发射器、接收器和计算机程序产品来实现。

发明内容

提供了一种发射包括多个比特的数据的方法，其中该数据被映射到多个调制符号，每个调制符号包括至少一个较高有效比特和至少一个较低有效比特，至少一个奇偶校验比特针对所述多个比特而生成，并且所述多个比特被映射到多个调制符号的较高有效比特，而奇偶校验比特被映射到多个调制符号的较低有效比特。

此外，提供了一种根据上述发射数据的方法的发射器和计算机程序产品。

此外，提供了一种接收包括多个比特的数据的方法，其中多个调制符号被接收，每个调制符号包括至少一个较高有效比特和至少一个较低有效比特，用于所述多个比特的至少一个奇偶校验比特从多个调制符号的至少一个较低有效比特中被提取，并且所述多个比特从多个调制符号中被提取。

此外，提供了一种根据上述接收数据的方法的接收器和计算机程序产品。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的通信系统。

图2示出了根据本发明实施例的调制所对应的比特块。

图3示出了说明本发明实施例的性能的图。

图4示出了说明本发明实施例的性能的图。

具体实施方式

说明性地，数据比特(在LDPC(低密度奇偶校验)编码情况下为系统比特)被映射到调制符号的较高有效比特(MSB)，而奇偶校验比特被映射到调制符号的较低有效比特(LSB)。

下面将表明，这种不等错误保护(UEP)方案性能优于传统的方法，特别是当其应用于LDPC PSK或QAM(正交幅度调制)时。性能增益与通过增大LDPC的帧大小而引入的增益相当，有时甚至比其更显著，与使用本发明相比，增大LDPC的帧大小增大了编码器和解码器的复杂性和存储器成本。

与上述两种现有技术方法(方法1：使用根据IEEE 802.11a的比特交织器；方法2：将LDPC码字直接映射到M-ary符号)相比，使用本发明不牺牲发射速率，并且不向发射器和接收器引入额外等待时间和额外处理负担。使得数据比特被映射到MSB而奇偶校验比特被映射到LSB的多个数据比特和奇偶校验比特的排序可以被预设计并且可以被嵌入到生成矩阵和奇偶校验矩阵的生成中，如下面针对LDPC示出的那样。

本发明实施例可体现自从属权利要求。围绕发射数据的方法描述的实施例类似地对发射器、接收数据的方法、接收器和计算机程序产品有效。

多个调制符号可以使用至少一个通信信道来发送。特别而言，本发明适用于MIMO(多输入多输出)系统，例如MIMO OFDM(正交频分复用)系统。

例如，至少一个载波信号根据多个调制符号来被调制。

在一个实施例中，至少一个奇偶校验比特根据多个比特的LDPC编码来生成。

数据可以根据正交幅度调制、例如使用Gray映射的16QAM或64QAM来被映射到多个调制符号。特别而言，本发明可以被应用于使用LDPC编码QAM调制的所有通信系统。当使用相移键控(PSK)例如8PSK、16PSK等以及存在有较高有效比特和较低有效比特的其它调制方案时，也可以应用本发明。

可以基于如下事实来领会本发明：已发现，即使LDPC码具有相等的可变节点度，当与奇偶校验比特被高度保护或者系统比特和奇偶校验比特被同等地保护的情形相比，系统比特被高度保护时，LDPC码提供更好的性能。

在M-ary调制系统中，分配给MSB的比特比分配给LSB的那些比特具有更好的比特错误率(BER)性能，或者等价地，MSB中的比特比LSB中的比特经历更高的SNR。

下面参考附图对本发明的说明性实施例进行解释。

图1示出了根据本发明实施例的通信系统100。

通信系统100包括发射器101和接收器102。

发射器101包括LDPC编码器103和M-ary调制器104。待由发射器101经由通信信道106发送到接收器102的数据以第一比特流105的形式被供给到LDPC编码器103。LDPC编码器103对第一比特流105执行LDPC编码，以生成LDPC编码比特流109。LDPC编码比特流109的LDPC编码比特被组合成长度为N的码字，并通过M-ary调制器104被映射到M-ary星座符号中。在这个实施例中应用了Gray映射，因为它优于反Gray映射、集分割映射(set partitioning mapping)等。

星座符号经由通信信道106被发射到接收器。

接收器102包括软解调器107，软解调器107基于最大似然准则针对每个发射的比特生成比特度量，且以这种方式生成的软比特度量值被供给到迭代LDPC解码器108。LDPC解码器108应用和积消息传递(sum-product message-passing)算法来以第二比特流110的形式生成接收数据。

下面更详细地解释第一比特流105的LDPC编码以及LDPC编码比特流109到星座符号的映射。

LDPC编码器103将第一比特流105的每K个比特映射到长度为N的码字c。这意味着LDPC编码器103实施(N，K)LDPC码。该LDPC码由其奇偶校验矩阵H＝[H ₁ H ₂]给出。生成矩阵由下式给出：

$\underset{\‾}{G}=\left[\begin{array}{cc}\underset{\‾}{I}& {\underset{\‾}{H}}_1^T\end{array}{\underset{\‾}{H}}_2^{-T}\right]---\left(5\right)$

其中I _k×k是生成码字的系统比特的单位矩阵。基于G的码字c由下式给出：

$\underset{\‾}{c}=\underset{\‾}{\mathrm{uG}}=\left[\begin{array}{cc}\underset{\‾}{u}& {\underset{\‾}{\mathrm{uH}}}_1^T\end{array}{\underset{\‾}{H}}_2^{-T}\right]=\left[\begin{array}{cc}\underset{\‾}{u}& \underset{\‾}{p}\end{array}\right],---\left(6\right)$

其中u是被映射到码字c的K个比特的向量，也被称为系统比特向量。码字c由系统比特向量u和被称为奇偶校验比特向量的向量p构成。

为LDPC编码比特流109的一部分的码字c被映射到

个星座符号。此映射对应于图2中示出的比特块形式的布置。

图2示出了根据本发明实施例的调制所对应的比特块200。

块200的高度201，即块200的行202的数目为 $s=\max (\frac{{\log }_{2}M}{2},1).$ M是调制阶，例如对于8PSK，M＝8；对于16QAM，M＝16；对于64QAM，M＝64。

块200的宽度203，即块200的列204的数目为N/s。这意味着块200包括N比特。因此，块200可以恰好容纳码字c的比特。

块200的每个奇数列，即第一列、第三列等对应于I(同相)分量。块200的每个偶数列，即第二列、第四列等对应于Q(正交)分量。块200的每两列被映射到一个星座符号。例如，块200的第一列和第二列被映射到一个星座符号，其中第一列指定I分量而第二列指定Q分量。

在另一个实施例中，块200的前一半的列中的每一列，即第一列、第二列等直到第

列对应于I(同相)分量。块200的后一半的列中的每一列，即第列、第

列等直到第

列对应于Q(正交)分量。例如，块200的第一列和第

列被映射到一个星座符号，其中第一列指定I分量而第

列指定Q分量。

所述列以如下方式被映射到星座符号，即块200的上部行对应于I分量和Q分量的较高有效比特(MSB)，而块200的较低行对应于I分量和Q分量的较低有效比特(LSB)。例如，在16QAM的情况下，第一列在第一行中容纳I分量的较高有效比特，而在第二行中容纳I分量的较低有效比特。

码字c以行方向被写到块200。这意味着码字c的第一比特对应于块200的第一列的第一行中的比特，码字c的第二比特对应于第二列的第一行中的比特，...，码字c的第N/s+1比特对应于第一列的第二行中的比特，等等。

假设输入到M-ary调制器104的比特缺省地以列方向被写到块200，即第一个

从上到下写入第一列，第二个

从上到下写入第二列，等等，以行方向(而不是列方向)写码字c对应于由下式给出的码字c到码字

的置换：

$\underset{\‾}{\overset{~}{c}}=\underset{\‾}{u\tilde{G}}---\left(7\right)$

其中经修改的生成矩阵

由下式给出：

$\underset{\‾}{\overset{~}{G}}=\underset{\‾}{G}\underset{\‾}{P}.---\left(8\right)$

矩阵P＝[p_i，j]是根据码字c的置换的置换矩阵。它由下式给出：当i＝θ且j＝μ时，P_i，j＝1；否则，P_i，j＝0              (9)

其中θ＝0，1，...，N-1，并且μ＝N/s×(θ mod s)+floor(θ/s)，θ＝0，1，...，N-1。

这意味着码字

以列方向被写到块200，这等价于以行方向写码字c。

这意味着在LDPC码中，码字c的置换等价于将生成矩阵G修改为 $\underset{\‾}{\overset{~}{G}}=\underset{\‾}{G}\underset{\‾}{P},$ 其中P是置换矩阵。对应的奇偶校验矩阵是 $\underset{\‾}{\overset{~}{H}}=\underset{\‾}{\overset{.}{H}}{\underset{\‾}{P}}^T.$

和可以分别被预设计并存储在发射器和接收器中。因此，置换设计(或等价的，矩阵P的优化)不引入任何等待时间并且不增大处理复杂性。

码字c的系统比特被写到MSB并因此被高度保护。这导致了高性能。

为了验证上述UEP(不等错误保护)置换方案导致了高性能，在独立Rayleigh衰落信道上的16QAM和64QAM的情况下，将其性能与上述LDPC编码调制的两种现有技术方法(方法1：使用根据IEEE 802.11a的比特交织器；方法2：LDPC码字到M-ary符号的直接映射)的性能进行比较。

一种有实践意义的可高效编码不规则LDPC码，即偏微分(PD)LDPC码被应用于仿真。使用了1/2速率PD-LDPC(2304，1152)。在这种情况下，H ₂是低双对角矩阵(low-dual-diagonal matrix)，H ₁具有列权重6，并用渐进边增长(progressive edge-growth)(PEG)方法来设计。

利用Gray映射的16QAM和64QAM的星座遵循IEEE 802.11a(见[3])。在接收器处，基于最大似然准则生成的比特度量被传递到应用和积消息传递算法的迭代LDPC解码器中。迭代的最大数目被设置为40。图3示出了结果。

图3示出了说明本发明实施例的性能的图。

第一个图301示出了针对64QAM的比特错误率(BER)和帧错误率(FER)性能。第二个图302示出了针对16QAM的比特错误率(BER)和帧错误率(FER)性能。

在图301、302中，BER和FER从下向上，即朝相应的y轴303的方向增长。码率与码字大小的比率从左向右，即朝相应的x轴304的方向增长，并且以dB给出。

从表1中针对16QAM和64QAM的总结中可以看出所建议置换所实现的超过两种现有技术方法的性能增益。在16QAM中，方法1和方法2具有相似的性能，而在64QAM中，方法2性能优于方法1。

增益(dB)		16QAM	64QAM
				UEP对方法1	BER@10-4	0.24	0.62
FER@10-2	0.26	0.45
			UEP对方法2		BER@10-4	0.24	0.48
FER@10-2	0.26	0.57

表1

此外，针对为HT WLAN(高吞吐量无线局域网)系统设计的2×2空分复用(SM)MIMO-OFDM(多输入多输出正交频分复用)系统，给出了所建议置换与方法2的性能的比较。由于在上面可看出，在Rayleigh衰落信道上的64QAM中，方法2性能优于方法1，所以所建议置换仅与方法2相比较。

一种实际的IEEE 802.11n信道模型被用于检查，并且接收器考虑实际频率偏移估算、相位补偿和信道估算(包括SNR估算)。表2中给出了仿真参数，图4中示出了结果。

LDPC码	列权重为{6，2，1}的1/2速率PD-LDPC(2304，1152)；用于多个空间流的单个编码器。
		调制	利用Gray映射的64QAM
OFDM大小	128
		数据子载波数目	96
空间流数目	2
		多个天线	Tx：2  Rx：2
IEEE 802.11n信道模型	信道B，信道E
		包大小	1012比特

表2

图4示出了说明本发明实施例的性能的图。

第一个图401示出了针对信道B的比特错误率(BER)和帧错误率(FER)性能。第二个图402示出了针对信道E的比特错误率(BER)和帧错误率(FER)性能。

与上面相似，在图401、402中，BER和FER从下向上，即朝相应的y轴403的方向增长。码率与码字大小的比率从左向右，即朝相应的x轴404的方向增长，并且以dB给出。

针对信道B和信道E，所建议置换超过方法2的BER增益在BER＝10^-4分别是1.5dB和1.1dB，且针对信道B和信道E，PER增益在PER＝10^-2分别是0.46dB和0.67dB。

仿真进一步示出，所建议UEP映射超过直接映射(方法2)的PER性能增益随LDPC的列权重的增大而增大。然而，较高列权重并不总是导致较好的PER性能，这里存在一个折衷。增大列权重导致较大的自由距离。另一方面，其还增大短围(short girth)的可能性和数量。

通过仿真，还可以看出，LDPC码字到具有不相等SNR的信道中的不同分配导致不相同的性能。例如，在具有不同SNR的两个信道的情况下，有益的是，系统比特被高度保护，即将所有系统比特分配到具有较高SNR的信道中并将所有奇偶校验比特分配到具有较低SNR的信道中。

在此文献中，引用了以下出版物：

[1]R.G.Gallager，Low-Density Parity-Check Codes.Cambridge，MA：MIT Press，1963

[2]J.Hou，P.H.Siegel，L.B.Milstein，and H.D.Pfister，″Capacity-approaching bandwidth-efficient coded modulationschemes based on low-density parity-check codes，″IEEE Trans.Inform.Theory，vol.49，no.9，pp.2141-2155，Sept.2003.

[3]IEEE 802.11a wireless LAN medium access control andphysical layer specifications：high-speed physical layer inthe 5GHz band.IEEE std 802.11a-1999，Sep.1999

[4]A.H.S.Mohammadi，A.K.Khandani，″On unequal errorprotection on turbo-encoder output bits，″Electronics Lett.，vol.33，no.4，pp.273-274，Feb.1997

[5]V.Kumar，O.Milenkovic，″On unequal error protectionLDPC codes based on Plotkin-type Construction″，IEEE GlobeCom2004，Dallas，TX，Nov.2004

[6]X.Tang，M.-S.Alouini，A.J.Goldsmith，″Effect ofchannel estimation error on M-QAM BER performance in Rayleigh；fading″，IEEE Trans.Commun.，vol.47，no.12，pp.1856-1864，Dec.1999

Claims (10)

1.一种发射包括多个比特的数据的方法，其中：

-将所述数据映射到多个调制符号，每个调制符号包括至少一个较高有效比特和至少一个较低有效比特；

-针对所述多个比特生成至少一个奇偶校验比特；

-将所述多个比特映射到所述多个调制符号的较高有效比特，并且所述至少一个奇偶校验比特被映射到所述多个调制符号的至少一个较低有效比特。

2.根据权利要求1所述的方法，其中使用至少一个通信信道来发射所述多个调制符号。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中根据所述多个调制符号来调制至少一个载波信号。

4.根据权利要求1至3中任何一项所述的方法，其中根据所述多个比特的LDPC编码来生成所述至少一个奇偶检验比特。

5.根据权利要求1至4中任何一项所述的方法，其中根据正交幅度调制来将所述数据映射到所述多个调制符号。

6.一种发射数据的发射器，所述数据包括多个比特，其中：

-所述发射器包括适于将所述数据映射到多个调制符号的映射单元，每个调制符号包括至少一个较高有效比特和至少一个较低有效比特；

-所述发射器包括适于针对所述多个比特生成至少一个奇偶校验比特的生成单元；并且

-所述映射单元适于将所述多个比特映射到所述多个调制符号的较高有效比特，并且适于将所述至少一个奇偶校验比特映射到所述多个调制符号的至少一个较低有效比特。

7.一种计算机程序产品，其当被计算机执行时使所述计算机执行一种发射包括多个比特的数据的方法，其中：

-将所述数据映射到多个调制符号，每个调制符号包括至少一个较高有效比特和至少一个较低有效比特；

-针对所述多个比特而生成至少一个奇偶校验比特；

-将所述多个比特映射到所述多个调制符号的较高有效比特，并且所述至少一个奇偶校验比特被映射到所述多个调制符号的至少一个较低有效比特。

8.一种接收包括多个比特的数据的方法，其中：

-接收多个调制符号，每个调制符号包括至少一个较高有效比特和至少一个较低有效比特；

-从所述多个调制符号的至少一个较低有效比特中提取用于所述多个比特的至少一个奇偶校验比特；

-从所述多个调制符号中提取所述多个比特。

9.一种接收数据的接收器，所述数据包括多个比特，其中所述接收器包括：

-接收单元，适于接收多个调制符号，每个调制符号包括至少一个较高有效比特和至少一个较低有效比特；

-第一提取单元，适于从所述多个调制符号的至少一个较低有效比特中提取用于所述多个比特的至少一个奇偶校验比特；

-第二提取单元，适于从所述多个调制符号中提取所述多个比特。

10.一种计算机程序产品，当其被计算机执行时使所述计算机执行一种接收包括多个比特的数据的方法，其中：

-接收多个调制符号，每个调制符号包括至少一个较高有效比特和至少一个较低有效比特；

-从所述多个调制符号的至少一个较低有效比特中提取用于所述多个比特的至少一个奇偶校验比特；

-从所述多个调制符号中提取所述多个比特。

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