CN101479979A - 通信系统中的自适应编码和信道分配 - Google Patents

Abstract

一种在通信系统中传输数据的方法，所述通信系统包括第一台和第二台，所述方法包括步骤：对数据进行编码；根据数据是如何编码的，将已编码数据分配给不同质量的信道；在所述所分配信道上将所述已编码数据从所述第一台传输至所述第二台。

Description

通信系统中的自适应编码和信道分配

技术领域

本发明涉及通信系统，并且更具体但非排他地，涉及使用低密度奇偶校验码的OFDM系统。

背景技术

蜂窝特性的无线通信系统是公知的，其中基站形式的网络实体负责与一个或多个小区或者扇区中的用户设备通信。当用户设备从一个小区或者扇区移动到另一小区或者扇区时，切换技术确保了通信没有丢失，因为责任被传递给了不同的基站。存在多种不同的技术用于处理在基站和用户设备之间传输的信号，并且使用的精确切换技术取决于这些系统。

一种用于处理多载波传输的技术是正交频分复用(OFDM)。正交频分复用(OFDM)提供的优点是利用高频谱效率来改进分组数据服务的下行链路系统容量、覆盖以及数据率，这归因于几乎矩形的频谱占用以及使用快速傅立叶变换(FFT)的低成本实现。其已被用于移动无线信道、高比特率数字订户线路(HDSL)、非对称数字订户线路(ADSL)、数字广播以及IEEE 802.11n中的无线局域网(WLAN)和IEEE802.16e中的全球互通微波存取技术(WIMAX)上的宽带数据通信。OFDM将整个带宽划分成并行的独立子载波，以传输并行的数据流。相对长的符号持续时间以及保护间隔提供了对符号间干扰(ISI)的更强的免疫能力。近来，用于3GPP(第三代合作伙伴计划)标准论坛中UMTS移动无线系统的演进的空中接口得到了相当的关注。

诸如OFDM的通信系统使用编码来增强有噪声信道上通信的可靠性。一个这种纠错码系统使用低密度奇偶校验(LDPC)码。

低密度奇偶校验(LDPC)码是线性块码的一类，其对于大数据集传输以及存储信道提供接近极限的性能。已经证明，这些码在其纠错性能方面是Turbo码的有力竞争者。而且，相比Turbo码，LDPC码展现出了渐进式的更好性能，并且还允许性能和解码复杂性之间的更好平衡。也即，LDPC码无限紧密地接近理想值，诸如其在接近香农(Shannon)极限(信道的理论最大信息传输率)时的渐近行为。

可以通过两偶图(bipartite graph)来表示LDPC码。对于(N，K)LDPC码，两偶图包括N个、变量节点(表示码字的位)、N-K个、校验位(对应于奇偶校验公式)以及这两类节点之间特定数目的边。术语节点的“度(degree)”是连接到该节点的边的数目。如果所有变量节点具有相同的度j，并且所有校验节点具有相同的度k，这称为“规则”LDPC码。否则，如果变量节点或者校验节点具有不同的度，则该码称为“不规则”LDPC码。

最近的研究已经证明，通过使用消息传递解码算法(也称为置信传播(BP)算法)，对于各种信道(例如，加性高斯白噪声(AWGN)、二进删除信道(BEC)、二进制对称信道(BSC))，可以开发出接近香农极限的不规则LDPC码。这些通常分别描述为与可变和校验边多边形的集合 $\mathrm{\λ}\left(x\right)=\underset{i=2}{\overset{d_i}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i{x}^{i-1}$ 以及 $\mathrm{\ρ}\left(x\right)=\underset{j=2}{\overset{d_r}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_j{x}^{j-1},$ 其中λ_i和ρ_j是连接到度分别为i＝2，3，...，d_l和j＝2，3，...，d_r的变量节点和校验节点的所有边的部分。由此，基于边集合设计的一些随机不规则LDPC构造具有在失真率为0.05dB的香农极限内的误码率(BER)中测量的纠错能力。

LDPC码的其他优点包括低复杂性，完全的并行化解码器以及可检测的解码误差。

V.Mannoni等在IEEE PIMRC 2002上提出了一种优化LDPC码的结构以用于在频率选择性衰落的信道上传输的方法。根据该方法，使用差分进化优化算法。尽管该方法改进了系统性能，其在动态环境中是无法实践的。此外，发射机必须通过穷举操作来重新优化算法，以找到最优的度属性。

因此，本发明实施方式的目的是优化OFDM系统中的LDPC码的优点。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种在包括第一台和第二台的通信系统中传输数据的方法，该方法包括步骤：编码数据；根据数据是如何编码的来将已编码数据分配给不同质量的信道；在所分配的信道上将已编码数据从第一台传输至第二台。

根据本发明的第二方面，提供一种在通信系统中传输数据的方法，包括步骤：根据数据是如何编码的，在不同质量的信道上传输数据。

根据本发明第三方面，提供一种发射机，其包括：编码器，用于编码数据；接收装置，用于接收信道信息；信道分配装置，用于根据所述信道信息将数据分配给不同质量的信道；以及发射装置，用于在所分配的信道上发射数据。

根据本发明的第四方面，提供一种接收机，其包括：接收装置，用于接收数据；发射装置，用于发射所述接收到的数据的信道信息；排序装置，用于根据信道信息来将数据重新排序为数据被编码的顺序；以及解码装置，用于解码数据。

根据本发明的第五方面，提供一种通信系统，其包括第一台和第二台，其中所述第一台被配置为：编码数据，并根据数据如何编码而在不同质量的信道上将已编码的数据传输给第二台，并且其中，所述第二台被配置为：确定信道信息，根据该信道信息将已编码数据排序为该数据被编码的顺序，以及解码数据。

根据本发明的第六方面，提供一种通信系统，其包括第一台和第二台，所述第一台被配置为：根据从所述第二台接收到的信道信息来将已编码数据从第一顺序排序为第二顺序，以及将数据传输至第二台；并且所述第二台被配置为根据从信道信息得出的排序信息来将数据从第二顺序排序为第一顺序。

附图说明

为了更好地理解本发明以及示出如何实践本发明，现在将通过示例的方式来参考附图，其中：

图1是蜂窝无线通信系统的示意图；

图2是示出了用户设备、基站和无线网络控制器之间的通信的示意图；

图3是传统OFDM收发机的框图；

图4是根据本发明实施方式的OFDM收发机的框图；

图5(a)和图5(b)是示出了排序之后子载波中的度分布的实例的图示；

图6是示出了实现本发明的OFDM系统的误码率(BER)性能的图示；

图7是示出了量化对CSI反馈信令的影响的图示；

图8是示出了根据本发明实施方式的方法步骤的流程图。

具体实施方式

图1示出了蜂窝无线通信网络，其7个小区C1...C7被示为“蜂巢”结构。每个小区被示为由基站BS来管理，其中基站BS负责处理与位于该小区内的用户设备(UE)的通信。尽管在图1中每个小区示出了一个基站，但很容易理解，其他蜂窝配置也是可能的，例如一个基站控制三个小区。而且，其他配置是可能的，包括划分为扇区的网络，或者每个小区被划分为扇区的网络。用户设备UE1经由具有上行链路和下行链路的无线信道2来与基站BS通信。基站BS负责处理将被传送至用户设备UE的信号，这将在下文进行更为详细的描述。

图2是示出了与基站通信的用户设备、并且还示出了以本领域内的已知方法来控制多个基站的操作的无线网络控制器RNC的框图。用户设备UE包括天线3，其连接至收发机4。基站也具有天线7，其连接至收发机10。无线网络控制器RNC连接至基站BS，并且连接至由虚线图示表示的其他基站。

现在参考图3，来描述传统的OFDM收发机结构。图3示出了基站BS的收发机10的发射机部分，以及用户设备UE的收发机4的接收机部分。容易理解，所描述的发射机部分和接收机部分可以存在于BS和UE二者中。

图3示出了传统OFDM收发机的框图。信息位在LDPC编码器22处被编码，并作为码字输出。通过MQAM(M阶正交调幅)映射器24将码字的位影射到OFDM符号Sk上。在S/P块26处的串并转换之后，在块28处由N点IFFT(快速傅立叶逆变换)将复数的符号调制到子载波中。继而每T_c秒对OFMD符号进行采样，并将其从并行转换为串行。块添加CP 30继而在OFDM符号之间插入循环前缀(CP)。继而将输出上变频至载波频率并且发射。通过多个子载波来传输符号。所传输的符号在时域中可以表示为：

$S_n=\sqrt{E\left(s\right)}/\sqrt{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}S\left(k\right)\mathrm{exp\; j}\left(\frac{2\mathrm{\πkn}}{N}\right),$          n＝0，1，...，N-1

其中E(s)是每个符号的能量。N是子载波的数目，j是-1的平方根，并且k是子载波索引。

离散时间接收信号可以写为：

$y_n=s_n\⊗h_n+n_n,$  n＝0，1，...，N-1

其中s_n是所传输的符号。h_n是信道冲激响应，并且n_n是加性高斯白噪声(AWGN)。

在上述传统OFDM收发机中，假设信道冲激响应在OFDM符号周期期间是不可改变的。在块36处，移除CP，并将信号从串行转换为并行。在块38处通过N点FFT(快速傅立叶变换)操作对信号进行处理之后，频域信号可以写为：

Y_k＝S_k.H_k+N_k，k＝0，1，...，N-1其中H_k是信道频域响应，并且N_k是第k个子载波处的AWGN。

可以根据信道状态信息(CSI)估计来通过单抽头均衡器44对频域接收信号Y_k进行均衡。信号继而由MQMA解映射块46从符号级别解映射到位级别，并最终由LDPC解码器48使用BP算法来解码。

现在将参考图4，其示出了根据本发明实施方式的收发机结构的框图。使用相同的参考标号来标识图3中示出的组件。再次，图4示出了基站BS中的收发机10的发射机部分以及用户设备UE中的收发机4的接收机部分。描述可以适用于基站BS和用户设备UE二者中的收发机。

如图4所示，收发机进一步包括发射机中的分段块50和排序块52，以及接收机中的合成器块58和解码器块56。

在发射机K_c处，由LDPC编码器将信息位编码为N_c个编码位X_kc，k_c＝1，2，...，N_c，码率为：

R＝K_c/N_c

已编码位作为码字从编码器输出。通常，输出的LDPC码字过长而无法在单个OFDM符号中传输。在这种情况下，需要将LDPC码字分段为子块，以便将编码位映射到OFDM符号上。根据本发明的一个实施方式，子块包含1024个已编码位。

由编码器编码的每个位具有特定的度。根据本发明的实施方式，LDPC编码的位可以具有2、3或者9度。码字中每类度的比例称为该码字的度分布。

在本发明的一个实施方式中，如果码字中的位序列将要在不止一个OFDM符号中传输，分段块50执行内部交织功能，以确保每个子块中位的度分布与整个码字中位的度分布相同。交织操作是本领域已知的，将不在此进一步描述。

在分段块50，将码字分段为大小如下的子块：

N·log₂M

其中N是子载波数目，并且M是调制星座大小。根据本发明的实施方式，可以使用任意类型的调制。通常，在3GPP LTE(第三代合作伙伴计划的长期演进)系统中，根据带宽，N从128到1024有效，而M可以从用于BPSK的2变化至用于64QAM的6。

由此

N_c＝a·N·log₂M

其中α是子块的数目。

继而在将α个块在MQAM映射器块24处映射到N个符号Sk，k＝0，1，...N-1上之前，将其输入到排序块52。

应当注意，尽管在此实施方式中将符号的数目设置为与子载波的数目相等，但是在本发明的其他实施方式中，符号的数目可以不等于子载波的数目。例如，在本发明的另一实施方式中，一些子载波可以用作虚拟载波或是由其他用户使用。

如图4所示，从用户设备UE的接收机中的信道估计单元42将信道状态信息(CSI)54馈送回基站BS的发射机。可以在反馈信道上提供该信息。

在本发明的备选实施方式中，可以在发射机处确定信道信息。在此实施方式中，可以使用其他信道估计方法，例如在时分双工(TDD)系统中，可以在相互的(reciprocal)上行链路和下行链路通信中提供CSI信息。CSI可以包括每个路径的完全信道信息，时延以及功率谱，或者信道的频率响应以及信道衰减信息。

根据本发明的实施方式，当子块输入到排序块52中时，按照其度以及信道状态信息(CSI)中包含的每个子载波的信道衰减对每个子块中的已编码位进行排序。

排序块52使用CSI来确定每个子载波的信道衰减，并且根据其度来对已编码位进行排序，从而使得当最终将这些位调制到子载波上时，将具有较高可变度的子载波分配给具有较低衰减的子载波。

继而将已排序的位输入到MQAM映射器24中，在此将这些位映射至符号Sk。

如本领域内已知，OFDM符号在多个子载波上传输。根据本发明的实施方式，在块28处通过IFFT操作将符号调制到子载波上。作为在排序块52处对每个子块中的位进行排序的结果，在频域中对较高和较低调制的位进行了分段，从而将包含具有较高可变度的位的已调制符号分配给具有较低衰减的子载波。反之，将包含具有较低可变度的位的已调制符号(此后称为具有较低可变度的符号)分配给具有较大衰减的子载波。

在将符号调制到子载波上之后，在进行上变频和传输之前，添加循环前缀(CP)。

应当注意，本发明的实施方式尤其适合(然而并不限于)准静态衰落环境，因为当信道不是变化很快时，无需频繁传输CSI信息。

当在用户设备UE的接收机处接收到信号时，在块34处将信号从模拟信号转换为数字信号。在块36处移除CP。此后，在块38处通过FFT操作将信号处理为频域信号。

在均衡器44处，根据信道估计块42提供给均衡器的信道状态信息(CSI)估计，对频域接收信号进行均衡。还通过反馈信号将CSI提供给发射机，以用于重新排序。在本发明的实施方式中，应用反馈信号的量化，以降低信令开销。发明人已经使用仿真示出，由量化引起的性能损失是可以忽略的。

继而将信号输入MQAM解映射块46，其中将信号从符号级别解映射到子块级别。继而将编码的块输入到解排序块56，其中使用信道估计块42所提供的CSI来将编码的块重新排序为其原始顺序。

合成器58执行与发射机中的分段块50相反的操作。由此，当整个码字在不止一个OFDM块中传输时，在合成器58处将经过重新排序的编码位合成为完整的码字，此后在LDPC解码器48处进行解码。

图8是示出了根据本发明实施方式的一般性方法步骤的流程图。

在步骤S1，在第一台处对数据进行编码。编码可以对数据的不同位进行不同编码，例如，已编码的位可以具有如前所述的可变度。

在步骤S2，根据数据是如何被编码的，将编码的数据分配给不同质量的信道。

在步骤S3，在所分配的信道上将编码的数据从第一台传输给第二台。

下面的表1概括了根据本发明实施方式的排序LDPC编码的OFDM系统的性能。系统是在具有完善信道估计的准静态频率选择性衰落信道中仿真和评估的。LDPC码的奇偶校验矩阵是根据渐进式边增长(Progressive Edge Growth，PEG)方法(如X.Y.HU，E.Eleftheriou，和D.M.Arnold，“Regular and irregular progressive edge-growth Tannergraphs”，IEEE Trans.Inform.Theory，vol.5，no.1，pp.376-398，2005年一月中所述)生成的，并且码是通过具有100次迭代的BP解码算法来解码的。

表1

现在参考图5，其示出了实现本发明的仿真的进一步结果。图5(a)和图5(b)是示出了排序之后子载波中的度分布的实例的图示。图5(a)示出了频域中的实时信道冲激响应。图5(b)是在所有子载波中的排序操作之后传输的符号的度分布。

图6是示出了实现本发明的、具有QPSK调制(M＝4)并且N_c＝512的OFDM系统的误码率(BER)性能的图示。应当注意，与传统的收发机系统相比，根据本发明的系统具有大约1.5dB的改进性能。

图7是示出了量化对CSI反馈信令的影响的图示。可以看到，所提出的方案对于CSI反馈误差是鲁棒的。一般地，量化位ω的数目应当满足如下条件：2^ω≥δ(d_v)，其中δ(d_v)是LDPC码的列权重。例如，δ(d_v)＝4表示ω＝是足够的。已经示出，通过仅采用2-3个量化位来表示反馈CSI，与在没有量化的情况下使用理想反馈信号相比，性能损失是可以忽略的。

从上面的结果可以看到，本发明的实施方式显著地改进了OFDM系统的误码率(BER)性能。

应当意识到，还可以与其他类型的编码(诸如Zigzag编码)相关地来使用本发明的实施方式。在zigzag编码的情况中，奇偶性zigzag编码的位可以调制到高度衰减的子载波上，而系统化zigzag编码的位可以调制到较少衰减的子载波上。

应当意识到，本发明的实施方式可以在诸如贝尔实验室分层空时(BLAST)天线系统的其他类型通信系统中使用。根据此实施方式，可以将具有较高的度的编码位置于较少衰减的天线上。

本发明的实施方式可以适用于任何编码方案，由此一个已编码位对解码过程的贡献不同于另一已编码位。

本发明的实施方式还可以适用于任何编码方案，由此一个已编码位在被解码时比另一已编码位对误差更具鲁棒性。

本发明的上述实施方式中的所需数据处理功能可以由硬件或者软件来实现。可以在发射机中以及接收机中提供的控制器中提供所有所需处理，或者控制功能可以是独立的。可以使用经过适当适配的计算机程序代码来实现实施方式(当其载入计算机时)。用于提供操作的计算机代码产品可以存储于并借助诸如载波盘、卡或者带的载波介质来提供。在控制节点中可以为实现提供适当的软件。

申请人强调以下事实：本发明可以包括在此隐含或者明确公开的任何特征或者特征组合或者其任何归纳，而不限制任何权利要求的范围。根据上述描述，对于本领域技术人员易见的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。

Claims (30)

1.一种在通信系统中传输数据的方法，所述通信系统包括第一台和第二台，所述方法包括步骤：

对数据进行编码；

根据数据是如何编码的，将已编码数据分配给不同质量的信道；

在所分配信道上将已编码数据从所述第一台传输至所述第二台。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据从所述第二台传输的接收到的信道信息来确定信道质量。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，将具有较高可变度的已编码数据分配给具有较高质量的信道。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第二台中对数据进行排序，使得按照所述数据的编码顺序来对所述数据进行解码。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，通过根据所述信道信息将已编码数据排序为信道分配顺序，来将已编码数据分配到信道上。

6.根据权利要求4和5所述的方法，其中，根据信道信息，在所述第二台处将所述数据从信道分配顺序重新排序为其被编码的顺序。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述信道信息是在所述第二台处确定的。

8.根据权利要求2所述的方法，其中，将所述信道信息从所述第二台传输至所述第一台。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，通过LDPC编码器来对所述数据进行编码。

10.根据权利要求5所述的方法，其中，已编码数据的所述信道分配顺序还根据LDPC码的度来确定。

11.根据权利要求2所述的方法，其中，所述信道信息与每个子载波的信道衰减相关。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，以所述信道分配顺序来分配所述数据，使得具有较高可变度的已编码数据分配给具有较小衰减的子载波。

13.根据权利要求5所述的方法，其中，确定所述信道分配顺序包括步骤：

确定每个信道的衰减；

以所述信道分配顺序对已编码数据进行排序，使得具有较高可变度的所述数据分配给具有较少衰减的子载波。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，在以所述信道分配顺序对所述数据进行排序之前，将已编码数据分段为数据块。

15.一种在通信系统中传输数据的方法，包括步骤：根据数据是如何被编码的，在不同质量的信道上传输所述数据。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，将具有较高可变度的已编码数据调制到较高质量的信道上。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，将具有较低可变度的已编码数据调制到较低质量的信道上。

18.一种发射机，包括：

编码装置，用于对数据进行编码，

接收装置，用于接收信道信息，

信道分配装置，用于根据所述信道信息将数据分配到不同质量的信道中，以及

发射装置，用于在所述所分配的信道上发射数据。

19.根据权利要求18所述的发射机，其中，所述信道分配装置根据所述数据是如何被编码的来分配所述数据。

20.根据权利要求18所述的发射机，其中，所述发射装置通过将数据排序为信道分配顺序来将数据分配给不同质量的信道。

21.根据权利要求18所述的发射机，其中，所述发射机还包括分段装置，其被配置为在以所述信道分配顺序对所述数据进行排序之前，将所述数据分段为数据块。

22.一种接收机，包括：

接收装置，用于接收数据；

发射装置，用于发射针对所述接收数据的信道信息，

排序装置，用于根据所述信道信息来将数据重新排序为所述数据被编码的顺序；以及

解码装置，用于对所述数据进行解码。

23.根据权利要求22所述的接收机，其中，所述接收机还包括用于确定所述信道信息的装置。

24.一种发射机，包括：

编码器，用于对数据进行编码，

接收机，用于接收信道信息，

信道分配器，用于根据所述信道信息来将数据分配到不同质量的信道中，以及

发射机，用于在所述分配的信道上发射数据。

25.一种接收机，包括：

接收机，用于接收数据；

发射机，用于发射针对所述接收数据的信道信息，

选择器，用于根据所述信道信息将数据重新排序为所述数据被编码的顺序；以及

解码器，用于对所述数据进行解码。

26.一种收发机，包括根据权利要求18和24所述的发射机，以及根据权利要求22和25所述的接收机。

27.一种通信系统，包括第一台和第二台，其中所述第一台被配置为：

对数据进行编码；以及

根据所述数据是如何编码的，在不同质量的信道上将已编码数据传输给所述第二台；并且其中所述第二台被配置为：

确定信道信息；

根据所述信道信息将已编码数据排序为所述数据被编码的顺序，以及

对所述数据进行解码。

28.根据权利要求27所述的通信系统，其中，所述第二台进一步被配置为将信道信息传输给所述第一台。

29.一种通信系统，包括第一台和第二台，所述第一台被配置为：根据从所述第二台接收到的信道信息将已编码数据从第一顺序排序为第二顺序，以及将所述数据传输给所述第二台；以及

所述第二台被配置为根据从所述信道信息得出的排序信息来将所述数据从所述第二顺序排序为所述第一顺序。

30.一种计算机程序，包括程序代码装置，当所述程序在计算机上或者处理器上运行时，所述程序代码装置适于执行权利要求1到17任一项所述的任意步骤。

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