CN101228755A - 用于多信道传输的预编码器矩阵 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于针对例如M－QAM(M＞4)调制OFDM系统使用预编码器在利用多信道传输的发射机中预编码的方法。本发明描述了一种适合于尤其在以高数据速率(480Mbps以上)为目标的同时例如在MB－OFDM UWB系统中使用的新预编码方法。这可以涉及发送16－QAM符号而不是4－QAM符号。也可以针对3G和4G系统的将来发展将该方法用于一些将来的无线LAN(局域网)。

Description

用于多信道传输的预编码器矩阵

技术领域

本发明涉及多信道通信并且更具体地涉及在利用多信道传输的发射机中的预编码。

背景技术

使用OFDM或者CDMA(码分多址)波形的块传输已经在当前系统中变得普遍并且被积极地考虑用于将来的UWB系统。例如在DVB-T(数字视频广播-地面)和WiFi(无线保真)中使用OFDM并且它也已经被考虑用于4G无线系统。多代码CDMA传输被用于3G(WCDMA和CDMA02000)系统中。这些系统有利有弊。

在OFDM中，通过多个较低速率的子载波传输单个高速数据流，这使系统针对多径衰落和码间干扰具有鲁棒性，因为符号持续时间因较低速率的并行子载波而增加。然而，付出的代价是由于通过可能经历深度衰落的单个平坦子信道传输各符号这一事实而失去多径分集。因此，这使OFDM系统的性能降级。

另外，OFDM具有高PAR(峰值与平均值之比)并且只要外部编码速率为高(例如在3/4以上)时性能就饱和。然而，OFDM接收机很简单并且可以通过FFT变换来最优地加以检测(假设使用循环前缀或者零填充并且理想地估计信道)。另一方面，CDMA使符号能量分布于多个频率仓并且因此具有比使用恰当接收机而提供的OFDM更好的性能。

OFDM系统的性能可以通过使用Z.Liu、Y.Xin和G.B.Giannakis(这里以刘等人来指代)在IEEE Trans.On Communications 2003年3月第51卷第3期第416-427页的″Linear Constellation Precoding forOFDM with Maximum Multipath Diversity and Coding Gains″中介绍的组线性星座预编码(GLCP)来改进，其中他们利用OFDM子信道的相关结构并且执行将相关子信道的集合拆分成较少相关信道的子集的最优子载波分组。在各子载波子集内，线性星座预编码器(复数的并且可能非单元式)被设计用以最大化分集和编码增益。刘等人声称他们的GLCP设计就调制QAM(正交幅度调制)、PAM(脉冲幅度调制)、BPSK(二进制频移键控)和QPSK(四进制频移键控)而言适用于任何K(组数)。他们的2×2(即K＝2)和4×4(即K＝4)预编码矩阵分别具有如下范特蒙德形式：

$P=\frac{1}{\mathrm{\α}}\left[\begin{array}{cc}1& e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{4}}\\ 1& e^{-j\frac{5\mathrm{\π}}{4}}\end{array}\right]---\left(1\right),$

以及

$P=\frac{1}{\mathrm{\α}}\left[\begin{array}{cccc}1& e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{8}}& {\left(e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{8}}\right)}^2& {\left(e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{8}}\right)}^3\\ 1& e^{-j\frac{5\mathrm{\π}}{8}}& {\left(e^{-j\frac{5\mathrm{\π}}{8}}\right)}^2& {\left(e^{-j\frac{5\mathrm{\π}}{8}}\right)}^3\\ 1& e^{-j\frac{9\mathrm{\π}}{8}}& {\left(e^{-j\frac{9\mathrm{\π}}{8}}\right)}^2& {\left(e^{-j\frac{9\mathrm{\π}}{8}}\right)}^3\\ 1& e^{-j\frac{13\mathrm{\π}}{8}}& {\left(e^{-j\frac{13\mathrm{\π}}{8}}\right)}^2& {\left(e^{-j\frac{13\mathrm{\π}}{8}}\right)}^3\end{array}\right]---\left(2\right),$

其中α是标准化因子。

预编码方案在文献中已经有广泛研究(例如见A.Hottinen和O.Tirkkonen的″Precoder Designs for High Rate Space-Time Block Codes″，信息科学和系统会议，普林斯顿大学，2004年3月17-19日以及其中的参考文献，关于使用借助多天线传输技术的预编码方案；以及X.Giraud，E.Boutillon和J.C.Belfiore，″Algebraic Tools to BuildModulation Schemes for Fading Channels″，IEEE Trans.on InformationTheory，1997年5月第43卷第3期第938-952页)。在多频带OFDM(MB-OFDM)超宽带(UWB)系统的物理层规范中已经采用的一种简单预编码矩阵描述如下：

$P=\frac{1}{\mathrm{\α}}\left[\begin{array}{cc}1& 2\\ 2& -1\end{array}\right]---\left(3\right).$

以QPSK星座给出输入矢量，利用等式(3)所给出的预编码矩阵，输出星座为16-QAM。

当前MB-OFDM UWB提供了强制数据净荷速率53.3Mbps、106.7Mbps和200Mbps以及非强制速率80Mbps、160Mbps、320Mbps、400Mbps和480Mbps。对于320Mbps和较高的速率，使用双载波调制(DCM)技术将信息位映射成多维星座。这与上文使用(3)中的预编码矩阵说明的如出一辙。使用DCM技术的结果是扩展星座集16-QAM而无任何葛莱映射(Gray mapping)。一种增加当前MB-OFDM UWB系统的数据速率的方式是使用较高阶的调制，如16-QAM。高级编码方案如LDPC(低密度奇偶校验)或者Z字形编码可以用来改进较高阶调制MB-OFDM UWB的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种例如在M-QAM(M＞4)调制MB-OFDM系统中利用多信道传输的发射机中的预编码方法。

根据本发明的第一方面，一种用于在利用多信道传输的发射机中对数据流线性地预编码的方法包括以下步骤：将数据流提供给发射机的预编码器；以及通过预编码器执行对数据流的预编码，其中通过预编码矩阵W＝UI来描述预编码器，其中U是给定如下的k×n矩阵：

$U=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& ...& a_{1k}\\ a_{11}& a_{22}& ...& a_{2k}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_{n1}& a_{n2}& ...& a_{\mathrm{nk}}\end{array}\right]---\left(C1\right),$

或者U是通过如下方式生成的又一矩阵：以不同次序排列等式C1所给定的矩阵的行或者列；或者将等式C1所给定的矩阵的行或者列与非零实数或者复数相乘，其中k和n大于2，矩阵U的所有元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的各元素是实数或者复数，是克罗内克尔积，而I是m×m单位矩阵，其中m≥1，其中：元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的至少两个元素或者该又一矩阵的至少两个元素具有不同幅度，而U和该又一矩阵不是范特蒙德(Vandermonde)矩阵。

另外根据本发明的第一方面，n可以等于k而矩阵U可以是方矩阵。

另外根据本发明的第一方面，m可以相等，于是W＝U。

另外再根据本发明的第一方面，k和n可以等于4而矩阵U可以通过如下所述的等式6、7、8或者9来给定。

另外再根据本发明的第一方面，可以通过使用多维星座和一个波形或者使用多维星座与多个正交波形组合来映射传入数据流的信息位从而生成数据流。另外，可以使用逆快速傅立叶变换(IFFT)矩阵的列、不同时间瞬间、不同正交扩频码或者不同小波的预定标准来限定正交波形。

另外再根据本发明的第一方面，可以通过使用正交幅度调制(QAM)格式映射M个星座点来生成数据流，其中M＞4。另外，可以通过映射传入数据流的log₂M个信息位来生成数据流的星座点。

另外再根据本发明的第一方面，可以通过正交频分复用(OFDM)系统来支持多信道传输。另外，m可以等于逆快速傅立叶变换(IFFT)的大小除以k。

根据本发明的第二方面，一种计算机程序产品包括：计算机可读存储结构，该计算机可读存储结构在其上实施用于由计算机处理器执行的计算机程序代码，该计算机程序代码的特征在于它包括用于在由发射机的任何部件或者部件组合执行时执行本发明第一方面的方法的步骤的指令。

根据本发明的第三方面，一种利用多信道传输的发射机包括：映射块，用于提供数据流；以及线性预编码器，用于执行对数据流的预编码，其中通过预编码矩阵W＝UI来描述预编码器，其中U是给定如下的k×n矩阵：

$U=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& ...& a_{1k}\\ a_{11}& a_{22}& ...& a_{2k}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_{n1}& a_{n2}& ...& a_{\mathrm{nk}}\end{array}\right]---\left(C1\right),$

或者U是通过如下方式生成的又一矩阵：以不同次序排列等式C1所给定的矩阵的行或者列；或者将等式C1所给定的矩阵的行或者列与非零实数或者复数相乘，其中k和n大于2，矩阵U的所有元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的各元素是实数或者复数，是克罗内克尔积，而I是m×m单位矩阵，其中m≥1，其中：元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的至少两个元素或者该又一矩阵的至少两个元素具有不同幅度，而U和该又一矩阵不是范特蒙德矩阵。

另外根据本发明的第三方面，n可以等于k而矩阵U可以是方矩阵。

另外根据本发明的第三方面，m可以相等，于是W＝U。

另外再根据本发明的第三方面，k和n可以等于4而矩阵U可以通过如下所述的等式6、7、8或者9来给定。

另外再根据本发明的第三方面，可以通过使用多维星座和一个波形或者使用多维星座与多个正交波形组合来映射传入数据流的信息位从而生成数据流。另外，可以使用逆快速傅立叶变换(IFFT)矩阵的列、不同时间瞬间、不同正交扩频码或者不同小波的预定标准来限定正交波形。

另外再根据本发明的第三方面，可以通过使用正交幅度调制(QAM)格式映射M个星座点来生成数据流，其中M＞4。另外，可以通过映射传入数据流的log₂M个信息位来生成数据流的星座点。

另外再根据本发明的第三方面，可以通过正交频分复用(OFDM)系统来支持多信道传输。另外，m可以等于逆快速傅立叶变换(IFFT)的大小除以k。

根据本发明的第四方面，一种利用多信道传输的系统，包括：发射机，用于提供多径信号；以及接收机，响应于多径信号，用于生成估计数据信号，其中发射机包括：线性预编码器，用于执行对数据流的预编码，其中通过预编码矩阵W＝UI来描述预编码器，其中U是给定如下的k×n矩阵：

$U=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& ...& a_{1k}\\ a_{11}& a_{22}& ...& a_{2k}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_{n1}& a_{n2}& ...& a_{\mathrm{nk}}\end{array}\right]---\left(C1\right),$

或者U是通过如下方式生成的又一矩阵：以不同次序排列等式C1所给定的矩阵的行或者列；或者将等式C1所给定的矩阵的行或者列与非零实数或者复数相乘，其中k和n大于2，矩阵U的所有元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的各元素是实数或者复数，是克罗内克尔积，而I是m×m单位矩阵，其中m≥1，其中：元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的至少两个元素或者又一矩阵的至少两个元素具有不同幅度，而U和又一矩阵不是范特蒙德矩阵，其中预编码数据流还用于通过发射机生成多径信号。

另外根据本发明的第四方面，发射机还可以包括：映射块，用于通过将传入数据流的log₂M个信息位映射到映射块来提供数据流。

根据本发明的第五方面，一种利用多信道传输的电子设备，包括：发射机，用于提供多径信号，该发射机包括：映射块，用于通过将传入数据流的log₂M个信息位映射到映射块来提供数据流；以及线性预编码器，用于执行对数据流的预编码，其中通过预编码矩阵W＝UI来描述预编码器，其中U是给定如下的k×n矩阵：

$U=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& ...& a_{1k}\\ a_{11}& a_{22}& ...& a_{2k}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_{n1}& a_{n2}& ...& a_{\mathrm{nk}}\end{array}\right]---\left(C1\right),$

或者U是通过如下方式生成的又一矩阵：以不同次序排列等式C1所给定的矩阵的行或者列；或者将等式C1所给定的矩阵的行或者列与非零实数或者复数相乘，其中k和n大于2，矩阵U的所有元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的各元素是实数或者复数，是克罗内克尔积，而I是m×m单位矩阵，其中m≥1，其中：元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的至少两个元素或者又一矩阵的至少两个元素具有不同幅度，而U和又一矩阵不是范特蒙德矩阵，其中预编码数据流还用于通过发射机生成多径信号。

根据本发明的第五方面，一种能够利用多信道传输对数据流进行线性地预编码的集成电路，包括：映射块，用于提供数据流；以及线性预编码器，用于执行对数据流的预编码，其中通过预编码矩阵W＝UI来描述预编码器，其中U是给定如下的k×n矩阵：

$U=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& ...& a_{1k}\\ a_{11}& a_{22}& ...& a_{2k}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_{n1}& a_{n2}& ...& a_{\mathrm{nk}}\end{array}\right]---\left(C1\right),$

或者U是通过如下方式生成的又一矩阵：以不同次序排列等式C1所给定的矩阵的行或者列；或者将等式C1所给定的矩阵的行或者列与非零实数或者复数相乘，其中k和n大于2，矩阵U的所有元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的各元素是实数或者复数，是克罗内克尔积，而I是m×m单位矩阵，其中m≥1，其中：元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的至少两个元素或者又一矩阵的至少两个元素具有不同幅度，而U和又一矩阵不是范特蒙德矩阵。

附图说明

为了更好地理解本发明的性质和目的，现在结合附图对以下具体描述进行参照，在附图中

图1是借助使用OFDM系统的预编码器的多信道传输的框图；

图2是展示了16-QAM调制MB-OFDM UWB系统中不同预编码器的性能比较的曲线图。

具体实施方式

本发明提供一种在利用例如在M-QAM(M＞4)调制OFDM系统中使用预编码器的多信道传输的发射机中的新预编码方法。本发明描述的预编码可以应用于基于OFDM、CDMA等的各种系统。另外，它可以应用于包括(但不限于)QAM、PAM、BPSK、QPSK等的各种调制格式。另外，利用线性预编码的发射机可以是比如电子通信设备、便携电子设备、无线设备、移动终端、移动电话等电子设备的一部分。

如现有技术中已知的，可以经由对发送数据的线性预编码通过星座旋转来改善高速率和高分集(HDHR)方案的性能。然而，预编码器常常被仅设计用来保证完全分集(或者某一分集次序)。与预编码性能相关联的编码增益影响整体系统性能并且也应当随同高速率和高分集系统参数一起优化。这正是本发明的主要目的。

本发明描述了一种适合于尤其在以高数据速率(480Mbps以上)为目标的同时例如在M-QAM调制MB-OFDM UWB系统中使用的新预编码方法。

这可以涉及发送16-QAM符号而不是4-QAM符号。也可以针对3G和4G系统的将来演进将该方法用于一些将来的无线LAN(局域网)。

根据本发明的一个实施例，对传入数据流执行预编码的线性预编码器通过如下预编码矩阵来描述：

W＝UI    (4)，

其中U是给定如下的k×n矩阵：

$U=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& ...& a_{1k}\\ a_{11}& a_{22}& ...& a_{2k}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_{n1}& a_{n2}& ...& a_{\mathrm{nk}}\end{array}\right]---\left(5\right),$

其中k和n大于2，所述矩阵U的各元素a₁₁，a₁₂，...a_nk是实数或者复数，是克罗内克尔积，而I是m×m单位矩阵，其中m≥1(对于m＝1，W＝U)，其中所述元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的至少两个元素具有不同幅度，而U不是范特蒙德矩阵。为求简洁而省略等式(4)中的标准化。

复数可以具有优选为零的实分量。

另外，根据本发明的一个实施例，矩阵U可以是通过如下方式生成的又一矩阵：

a)通过以不同次序排列等式5所给定的矩阵的行或者列；或者

b)将等式5所给定的矩阵的行或者列与非零实数或者复数相乘，

从而该又一矩阵的至少两个元素同样具有不同幅度，而该又一矩阵不是范特蒙德矩阵。

另外，根据本发明的一个实施例，可以通过使用例如正交幅度调制(QAM)格式映射M个星座点(星座字母)来生成向线性预编码器提供的数据流，其中M＞4。然后通过该映射所生成的Log₂M位来描述数据流的星座点，即映射块获得传入数据流的Log₂M信息位作为输入而将它们映射成星座点。

重要的实际情况(例如对于16-QAM调制)是当通过等式5描述的矩阵U是方矩阵，即k＝n时。

根据本发明的实施例，可以通过k＝n＝4的如下矩阵来给出等式5所描述的矩阵U：

$U=(U_1\⊗U_2)=\left[\begin{array}{cccc}1& 4& 1& 4\\ 4& -1& 4& -1\\ 1& 4& -1& -4\\ 4& -1& -4& 1\end{array}\right]---\left(6\right),$

其中 $U_1=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]$ 和 $U_2=\left[\begin{array}{cc}1& 4\\ 4& -1\end{array}\right];$

$U=(U_1\⊗U_2)=\left[\begin{array}{cccc}1& 2& 1& 2\\ 2& -1& 2& -1\\ 1& 2& -1& -2\\ 2& -1& -2& 1\end{array}\right]---\left(7\right)$

其中 $U_1=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]$ 和 $U_2=\left[\begin{array}{cc}1& 2\\ 2& -1\end{array}\right]$

$U=(U_1\⊗U_2)=\left[\begin{array}{cccc}1& -2& 2j& -4j\\ 2& 1& 4j& 2j\\ 2j& -4j& -1& 2\\ 4j& 2j& -2& -1\end{array}\right]---\left(8\right)$

其中 $U_1=\left[\begin{array}{cc}1& 2j\\ 2j& -1\end{array}\right]$ 和 $U_2=\left[\begin{array}{cc}1& -2\\ 2& 1\end{array}\right];$ 或者

$U=(U_1\⊗U_2)=\left[\begin{array}{cccc}1& -2& -2& 4\\ 2& -1& -4& -2\\ 2& -4& -1& 2\\ 4& 2& -2& 1\end{array}\right]---\left(9\right)$

其中 $U_1=\left[\begin{array}{cc}1& -2\\ 2& -1\end{array}\right]$ 和 $U_2=\left[\begin{array}{cc}1& -2\\ 2& 1\end{array}\right].$

图1示出了根据本发明一个实施例的多信道传输的框图的示例，其中线性预编码器18容纳于OFDM系统10的发射机12中，该OFDM系统10包括发射机12和接收机22。

根据如上所述的本发明实施例，在发射机12侧，传出数据流30由编码器14编码、然后提供(编码信号32)到映射块16，该映射块使用的M个星座点和例如M＞4的正交幅度调制(QAM)格式(例如16-QAM)将编码信号32映射成数据流34。在映射之后，线性预编码器18处理映射数据(数据流34)的连续块并且生成预编码信号36(使用等式4-9所给出的预编码器矩阵)，然后使用OFDM调制器20来调制预编码信号36，该OFDM调制器20执行逆快速傅立叶变换(IFFT)以便生成多径信号38。预编码器18可以由硬件、软件或硬件和软件二者来实现。另外，线性预编码器18、映射块16和发射机12的其它块可以集成于一个芯片(集成电路)上。接收机22侧的信号处理是常规的，包括OFDM解调器24的解调、解映射块25的解映射和解码器26的解码。

根据本发明的一个实施例，就图1中所示OFDM系统的例子而言单位矩阵I的大小可以确定为逆快速傅立叶变换(IFFT)的大小除以k所得之比率(对于情况k＝n，即矩阵U为方矩阵)。例如，如果IFFT的大小为8而K＝4，则单位矩阵I的大小(m)为m＝8/4＝2。然后，如果例如通过等式6来描述矩阵U，则使用等式4来给出预编码矩阵W如下：

$W=\left[\begin{array}{cccccccc}1& 0& 4& 0& 1& 0& 4& 0\\ 0& 1& 0& 4& 0& 1& 0& 4\\ 4& 0& -1& 0& 4& 0& -1& 0\\ 0& 4& 0& -1& 0& 4& 0& -1\\ 1& 0& 4& 0& -1& 0& -4& 0\\ 0& 1& 0& 4& 0& -1& 0& -4\\ 4& 0& -1& 0& -4& 0& 1& 0\\ 0& 4& 0& -1& 0& -4& 0& 1\end{array}\right]---\left(10\right).$

整个预编码OFDM矩阵(包括块18和20)可以表示如下：

F＝F_aW    (11)，

其中W由等式4给出而F_a是块20的d维矩阵(d＞1)IFFT矩阵。在现有技术的系统中，等式4的预编码矩阵可以描述为(见A.Hottinen和O.Tirkkonen，″Precoder Designs for High Rate Space-TimeBlock Codes″，信息科学和系统会议，普林斯顿大学，2004年3月17-19日，这里称为Hottinen等人)：

$W=U\⊗I=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\μ}& \mathrm{\υ}\\ -{\mathrm{\υ}}^{*}& {\mathrm{\μ}}^{*}\end{array}\right]\⊗I---\left(12\right)$

等式12中的矩阵U在各行/列中具有仅两个非零系数以便使PAR(峰值与平均值之比)增加最小化以及实现对简易接收机的使用。在前述出版物中，在多天线发射机系统中使用预编码矩阵。

根据本发明的另一实施例，UWB系统中的预编码可以执行如下。当使用4QAM输入字母时，矩阵U的参数值在当前UWB系统中为 $(\mathrm{\μ},\mathrm{\ν})=(\sqrt{0.8},\sqrt{0.2}).$ 然后，以QPSK坐标星座给定输入矢量，预编码器(利用2个子载波)的各输出坐标具有16-QAM星座[2，1，4]。

在16-QAM输入的情况下，为4QAM调制而限定的预编码矩阵不再最优而只能实现很有限的增益。任何在仅两个子载波之间混合符号的预编码矩阵似乎给予不充分的性能增益。然而，利用混合四个或者更多子载波的预编码器或者其它正交信道资源可实现显著增益。这些增益足够高以便为例如MB-OFDM 1Gbps UWB链路提供实质性的性能改进。

根据本发明的一个实施例，使用由4-QAM输入限定的2×2预编码器作为用于16-QAM的组成预编码器。这允许系统设计者在16QAM情况下也使用相同或者相似的发射机构建块。实际上，如果矩阵U描述了当前MB-OFDM UWB线性预编码器，则一个可能扩展可以表述如下：

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{F}_{1}U{x}_1\\ F_{2}U{x}_2\end{array}\right]+2j\left[\begin{array}{c}{F}_{1}U{x}_2\\ F_{2}U{x}_1\end{array}\right]---\left(13\right),$

其中使用子载波f₁和f₂(由矩阵F₁的列指定)来传输矢量y₁，而使用子载波f₃和f₄(由矩阵F₂指定)来传输矢量y₂，并且x₁和x₂对应于预编码器输入。这里为求简明而省略标准化。因此，信号分布于一般为任意子载波频率但是优选为相互等距的四个子载波。因此，上述子载波索引下标1，2，3和4在这里被标注用来表达使用四个不同子载波而在实践中实际下标可以不同。

当前UWB规范通过等式13的求和中的第一项来表示，而这与4-QAM输入一起使用。在16-QAM输入的情况下，这一实施例将求和的第二项与传输信号相加但是使用与如在当前规范中那样的相同矩阵U。因此，可以实质上以相同传输资源来实施针对16-QAM输入的概念。从子载波部分加以抽象，可以通过预编码矩阵将上述预编码器建模为：

W＝(U₁U₂)I    (14)，

其中I是如上所述m≥1的m×m单位矩阵(见等式4)并且U＝(U₁U₂)，这使等式14变成等式4的形式。对于矩阵U₁和U₂的限制与通过等式5描述的矩阵U相同，即矩阵U₁和U₂的至少两个元素具有不同幅度而矩阵U₁和U₂不是范特蒙德矩阵。

注意到出于本发明的目的，上文讨论的子载波f₁、f₂、f₃和f₄可以在更广的意义上解释为基于使用例如逆快速傅立叶变换(IFFT)矩阵的列、不同时间瞬间、不同正交扩频码或者不同小波(频率)的预定标准限定的正交波形。因此，通过使用与多个正交波形相组合的多维星座映射传入数据流的位来生成用于预编码的数据流。

还注意到如果以k＞n来限定等式4的矩形预编码矩阵，则需要通过使用总共k个子载波(或者上文讨论的正交波形)、使用基本上不同的正交传输资源来传输输入符号，如使用k个时隙、k个扩频码或者其组合。例如，如果可以用k＝k1+k2来给定子载波的组合，则k1为类型一的正交传输资源(例如时间隙)的数目，k2为类型二的正交传输资源(例如扩频码)的数目。

因此，根据上述本发明实施例，可以使用两个相似组成预编码器的克罗内克尔积来构建线性预编码器。当在MB-OFDM UWB系统中使用时，所述预编码方法可以分别利用现有预编码方法，因此它在现有发射机中实施起来相当简易。

图2示出了通过仿真来展示不同预编码器的性能比较的曲线图的示例。该仿真呈现了作为信噪比的函数的块错误率，并且在编码速率为7/8时使用16-QAM调制和Z字形代码在利用大小为128的IFFT的CM1(信道模型1)环境中针对MB-OFDM UWB系统执行仿真。该曲线图示出了没有预编码的曲线56、按照刘等人现有技术的曲线54、用于等式7所述矩阵U的曲线52和用于等式6所述矩阵U的曲线50。从图2中可见，最好的增益性能具有根据本发明生成的曲线50。

如上所述，本发明提供一种方法以及包括提供用于执行该方法的步骤的功能性的各种模块的对应设备。这些模块可以实施为硬件或者可以实施为用于由计算机处理器执行的软件或者固件。具体而言，在固件或者软件的情况下，本发明可以作为计算机程序产品来提供，该计算机程序产品包括在其上实施用于由计算机处理器执行的计算机程序代码(即软件或者固件)的计算机可读存储结构。

将理解上述布置仅用于说明本发明原理的应用。在不脱离本发明范围的情况下本领域技术人员可以构思许多修改和替代布置，而所附权利要求书旨在于覆盖这样的修改和布置。

Claims (31)

1.一种用于在利用多信道传输的发射机中对数据流进行线性地预编码的方法，包括以下步骤：

将所述数据流提供给所述发射机的预编码器；以及

通过所述预编码器执行对所述数据流的所述预编码，其中通过以下预编码矩阵来描述所述预编码器：

W＝UI，

其中U是给定如下的k×n矩阵：

$U=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& ...& a_{1k}\\ a_{11}& a_{22}& ...& a_{2k}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_{n1}& a_{n2}& ...& a_{\mathrm{nk}}\end{array}\right]---\left(C1\right),$

或者U是通过如下方式生成的又一矩阵：

以不同次序排列等式C1所给定的矩阵的行或者列；或者

将等式C1所给定的矩阵的所述行或者所述列与非零实数或者复数相乘，

其中k和n大于2，所述矩阵U的所有元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的各元素是实数或者复数，是克罗内克尔积，而I是m×m单位矩阵，其中m≥1，其中：

所述元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的至少两个元素或者所述又一矩阵的至少两个元素具有不同幅度，而U和所述又一矩阵不是范特蒙德矩阵。

2.根据权利要求1所述的方法，其中n＝k并且所述矩阵U是方矩阵。

3.根据权利要求1所述的方法，其中m＝1并且W＝U。

4.根据权利要求1所述的方法，其中k＝n＝4并且：

$U=(U_1\⊗U_2)=\left[\begin{array}{cccc}1& 4& 1& 4\\ 4& -1& 4& -1\\ 1& 4& -1& -4\\ 4& -1& -4& 1\end{array}\right],$

其中 $U_1=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]$ 和 $U_2=\left[\begin{array}{cc}1& 4\\ 4& -1\end{array}\right].$

5.根据权利要求1所述的方法，其中k＝n＝4并且：

$U=(U_1\⊗U_2)=\left[\begin{array}{cccc}1& 2& 1& 2\\ 2& -1& 2& -1\\ 1& 2& -1& -2\\ 2& -1& -2& 1\end{array}\right],$

其中 $U_1=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]$ 和 $U_2=\left[\begin{array}{cc}1& 2\\ 2& -1\end{array}\right].$

6.根据权利要求1所述的方法，其中k＝n＝4并且：

$U=(U_1\⊗U_2)=\left[\begin{array}{cccc}1& -2& 2j& -4j\\ 2& 1& 4j& 2j\\ 2j& -4j& -1& 2\\ 4j& 2j& -2& -1\end{array}\right],$

其中 $U_1=\left[\begin{array}{cc}1& 2j\\ 2j& -1\end{array}\right]$ 和 $U_2=\left[\begin{array}{cc}1& -2\\ 2& 1\end{array}\right].$

7.根据权利要求1所述的方法，其中k＝n＝4并且：

$U=(U_1\⊗U_2)=\left[\begin{array}{cccc}1& -2& -2& 4\\ 2& -1& -4& -2\\ 2& -4& -1& 2\\ 4& 2& -2& 1\end{array}\right],$

其中 $U_1=\left[\begin{array}{cc}1& -2\\ 2& -1\end{array}\right]$ 和 $U_2=\left[\begin{array}{cc}1& -2\\ 2& 1\end{array}\right].$

8.根据权利要求1所述的方法，其中通过使用多维星座和一个波形或者使用所述多维星座与多个正交波形组合来映射传入数据流的信息位从而生成所述数据流。

9.根据权利要求8所述的方法，其中使用逆快速傅立叶变换(IFFT)矩阵的列、不同时间瞬间、不同正交扩频码或者不同小波的预定标准来限定所述正交波形。

10.根据权利要求1所述的方法，其中通过使用正交幅度调制(QAM)格式映射M个星座点来生成所述数据流，其中M＞4。

11.根据权利要求10所述的方法，其中通过映射传入数据流的log₂M个信息位来生成所述数据流的星座点。

12.根据权利要求1所述的方法，其中通过正交频分复用(OFDM)系统来支持所述多信道传输。

13.根据权利要求12所述的方法，其中m等于逆快速傅立叶变换(IFFT)的大小除以k。

14.一种计算机程序产品，包括：计算机可读存储结构，该计算机可读存储结构在其上实施用于由计算机处理器执行的计算机程序代码，所述计算机程序代码的特征在于它包括用于在由所述发射机的任何部件或者部件组合执行时执行根据权利要求1所述的方法的步骤的指令。

15.一种利用多信道传输的发射机，包括：

映射块，用于提供数据流；以及

线性预编码器，用于执行对所述数据流的预编码，其中通过以下预编码矩阵来描述所述预编码器：

W＝UI，

其中U是给定如下的k×n矩阵：

$U=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& ...& a_{1k}\\ a_{11}& a_{22}& ...& a_{2k}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_{n1}& a_{n2}& ...& a_{\mathrm{nk}}\end{array}\right]---\left(C1\right),$

或者U是通过如下方式生成的又一矩阵：

以不同次序排列等式C1所给定的矩阵的行或者列；或者

将等式C1所给定的矩阵的所述行或者所述列与非零实数或者复数相乘，

其中k和n大于2，所述矩阵U的所有元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的各元素是实数或者复数，是克罗内克尔积，而I是m×m单位矩阵，其中m≥1，其中：

所述元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的至少两个元素或者所述又一矩阵的至少两个元素具有不同幅度，而U和所述又一矩阵不是范特蒙德矩阵。

16.根据权利要求15所述的发射机，其中n＝k并且所述矩阵U是方矩阵。

17.根据权利要求15所述的发射机，其中m＝1并且W＝U。

18.根据权利要求15所述的发射机，其中k＝n＝4并且：

$U=(U_1\⊗U_2)=\left[\begin{array}{cccc}1& 4& 1& 4\\ 4& -1& 4& -1\\ 1& 4& -1& -4\\ 4& -1& -4& 1\end{array}\right],$

其中 $U_1=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]$ 和 $U_2=\left[\begin{array}{cc}1& 4\\ 4& -1\end{array}\right].$

19.根据权利要求15所述的发射机，其中k＝n＝4并且：

$U=(U_1\⊗U_2)=\left[\begin{array}{cccc}1& 2& 1& 2\\ 2& -1& 2& -1\\ 1& 2& -1& -2\\ 2& -1& -2& 1\end{array}\right],$

其中 $U_1=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]$ 和 $U_2=\left[\begin{array}{cc}1& 2\\ 2& -1\end{array}\right].$

20.根据权利要求15所述的发射机，其中k＝n＝4并且：

$U=(U_1\⊗U_2)=\left[\begin{array}{cccc}1& -2& 2j& -4j\\ 2& 1& 4j& 2j\\ 2j& -4j& -1& 2\\ 4j& 2j& -2& -1\end{array}\right],$

其中 $U_1=\left[\begin{array}{cc}1& 2j\\ 2j& -1\end{array}\right]$ 和 $U_2=\left[\begin{array}{cc}1& -2\\ 2& 1\end{array}\right].$

21.根据权利要求15所述的发射机，其中k＝n＝4并且：

$U=(U_1\⊗U_2)=\left[\begin{array}{cccc}1& -2& -2& 4\\ 2& -1& -4& -2\\ 2& -4& -1& 2\\ 4& 2& -2& 1\end{array}\right],$

其中 $U_1=\left[\begin{array}{cc}1& -2\\ 2& -1\end{array}\right]$ 和 $U_2=\left[\begin{array}{cc}1& -2\\ 2& 1\end{array}\right].$

22.根据权利要求15所述的发射机，其中所述映射块通过使用多维星座和一个波形或者使用所述多维星座与多个正交波形组合来映射传入数据流的信息位从而生成所述数据流。

23.根据权利要求22所述的发射机，其中使用逆快速傅立叶变换(IFFT)矩阵的列、不同时间瞬间、不同正交扩频码或者不同小波的预定标准来限定所述正交波形。

24.根据权利要求15所述的发射机，其中所述映射块通过使用正交幅度调制(QAM)格式映射M个星座点来生成所述发射机数据流，其中M＞4。

25.根据权利要求24所述的发射机，其中通过将传入数据流的log₂M个信息位映射到所述映射块来生成所述数据流的星座点。

26.根据权利要求1所述的发射机，其中通过正交频分复用(OFDM)系统来支持所述多信道传输，并且所述发射机包括用于执行快速逆傅立叶变换(IFFT)的OFDM调制器。

27.根据权利要求26所述的发射机，其中m等于逆快速傅立叶变换(IFFT)的大小除以k。

28.一种利用多信道传输的系统，包括：

发射机，用于提供多径信号；以及

接收机，用于响应于所述多径信号，生成估计数据信号，其中所述发射机包括：

线性预编码器，用于执行对所述数据流的预编码，其中通过以下预编码矩阵来描述所述预编码器：

W＝UI，

其中U是给定如下的k×n矩阵：

$U=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& ...& a_{1k}\\ a_{11}& a_{22}& ...& a_{2k}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_{n1}& a_{n2}& ...& a_{\mathrm{nk}}\end{array}\right]---\left(C1\right),$

或者U是通过如下方式生成的又一矩阵：

以不同次序排列等式C1所给定的矩阵的行或者列；或者

将等式C1所给定的矩阵的所述行或者所述列与非零实数或者复数相乘，

其中k和n大于2，所述矩阵U的所有元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的各元素是实数或者复数，是克罗内克尔积，而I是m×m单位矩阵，其中m≥1，其中：

所述元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的至少两个元素或者所述又一矩阵的至少两个元素具有不同幅度，而U和所述又一矩阵不是范特蒙德矩阵，

其中所述预编码数据流还用于通过所述发射机生成所述多径信号。

29.根据权利要求28所述的系统，其中所述发射机还包括：

映射块，用于通过将传入数据流的log₂M个信息位映射到所述映射块来提供所述数据流。

30.一种利用多信道传输的电子设备，包括：

发射机，用于提供多径信号，所述发射机包括：

映射块，用于通过将传入数据流的log₂M个信息位映射到所述映射块来提供所述数据流；以及

线性预编码器，用于执行对所述数据流的预编码，其中通过以下预编码矩阵来描述所述预编码器：

W＝UI，

其中U是给定如下的k×n矩阵：

$U=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& ...& a_{1k}\\ a_{11}& a_{22}& ...& a_{2k}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_{n1}& a_{n2}& ...& a_{\mathrm{nk}}\end{array}\right]---\left(C1\right),$

或者U是通过如下方式生成的又一矩阵：

以不同次序排列等式C1所给定的矩阵的行或者列；或者

将等式C1所给定的矩阵的所述行或者所述列与非零实数或者复数相乘，

其中k和n大于2，所述矩阵U的所有元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的各元素是实数或者复数，是克罗内克尔积，而I是m×m单位矩阵，其中m≥1，其中：

所述元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的至少两个元素或者所述又一矩阵的至少两个元素具有不同幅度，而U和所述又一矩阵不是范特蒙德矩阵，

其中所述预编码数据流还用于通过所述发射机生成所述多径信号。

31.一种能够利用多信道传输对数据流进行线性地预编码的集成电路，包括：

映射块，用于提供数据流；以及

线性预编码器，用于执行对所述数据流的预编码，其中通过以下预编码矩阵来描述所述预编码器：

W＝UI，

其中U是给定如下的k×n矩阵：

$U=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& ...& a_{1k}\\ a_{11}& a_{22}& ...& a_{2k}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_{n1}& a_{n2}& ...& a_{\mathrm{nk}}\end{array}\right]---\left(C1\right),$

或者U是通过如下方式生成的又一矩阵：

以不同次序排列等式C1所给定的矩阵的行或者列；或者

将等式C1所给定的矩阵的所述行或者所述列与非零实数或者复数相乘，

其中k和n大于2，所述矩阵U的所有元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的各元素是实数或者复数，是克罗内克尔积，而I是m×m单位矩阵，其中m≥1，其中：

所述元素a₁₁，a₁₂，...a_nk中的至少两个元素或者所述又一矩阵的至少两个元素具有不同幅度，而U和所述又一矩阵不是范特蒙德矩阵。

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