CN101971588A - 用于多副载波联合预编码的技术 - Google Patents

Abstract

一种用于执行多副载波联合调制(MSJM)预编码的方法(400)。该方法包括：把输入信息比特编组为比特块(S410)；把比特块转换成比特向量(S420)；把每个比特向量映射到码元向量(S430)；以及把码元向量调制到数据副载波中(S440)。

Description

用于多副载波联合预编码的技术

本申请要求在2008年3月10日提交的美国临时申请No.61/035,142和在2009年3月4日提交的美国临时申请No.61/157,230的权益。

本发明总的涉及正交频分复用(OFDM)通信系统，更具体地，涉及由这样的系统执行的预编码技术。

WiMedia标准定义了基于正交频分复用(OFDM)传输的媒体接入控制(MAC)层和物理(PHY)层的技术规范。WiMedia标准使得能以低功耗以高达480Mbps的速率进行短距离多媒体文件传送。所述标准运行在UWB频谱中3.1GHz到10.6GHz之间的频带上。然而，WiMedia标准速率的最高数据速率不能满足未来的、诸如HDTV无线连接性那样的无线多媒体应用。正在做出努力以将数据速率提高到1Gpbs和更高。

为此，设想在未来的高数据速率无线系统中使用弱(或非信道)信道编码和更高阶的码元星座技术。例如，如果使用3/4卷积码连同16QAM调制，则WiMedia PHY传送速率可以提高到960Mbps。然而，为了保证良好的性能，需要对所发送的OFDM码元进行预编码。

为了避免损失从OFDM传输的特性得到的频率分集增益，需要预编码技术。具体地，对于弱信道码，OFDM不能有效地充分利用频率分集。所以，信道性能几乎由具有最低信号噪声比(SNR)的最差副载波确定。这限制了由常规的OFDM无线系统承载的高数据速率应用的数量。

为了克服这个问题，在相关的技术中已讨论了几种预编码技术。通常，预编码技术是基于把发送码元联合调制到多副载波上。这允许即使在这些副载波的某一些处在深衰落时，接收机也能恢复发送码元。预编码技术的例子可以在以下文献中找到：“OFDM or single-carrier blocktransmissions？”，其由Z.Wang、X.Ma和G.B.Giannakis发表在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和G.B.Giannakis发表在Third IEEE SignalProcessing Workshop on Signal Processing Advances in WirelessCommunications，Taoyuan，Taiwan，2001年3月20-23日。

预编码典型地由被耦合到发射机的IFFT OFDM调制器的输入的预编码器电路和被耦合到接收机的FFT OFDM解调器的输出的预译码器电路执行。精心设计的复预编码器(complex precoder)可以有效地充分利用由多径信道提供的频率分集。然而，实施复预编码器增加了发射机和接收机的复杂性，因为它需要更复杂的译码和码元映射技术。例如，使用双载波调制(DCM)作为预编码器需要用16QAM码元星座替换QPSK码元星座。

而且，为了保证在高数据速率模式下的完全的频率分集(即，2阶分集)，需要更高的星座(例如，256QAM)。例如，如果使用DCM来联合调制使用16QAM星座而形成的两个信息码元s(i)和s(i+50)，则2阶频率分集将如下地得到：

$R=\frac{1}{\sqrt{17}}\left[\begin{array}{cc}4& 1\\ 1& -4\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}x\left(i\right)\\ x(i+50)\end{array}\right]=R*\left[\begin{array}{c}s\left(i\right)\\ s(i+50)\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{17}}\left[\begin{array}{cc}4& 1\\ 1& -4\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}s\left(i\right)\\ s(i+50)\end{array}\right].$

信息码元s(i)和s(i+50)是使用16QAM星座而形成的。然而，预编码操作把码元星座扩展到256QAM，即，预编码的码元x(i)和x(i+50)的星座是256QAM。

实施和设计具有这样的高星座的接收机和发射机而不影响分集增益和信道的总体性能，是不可行的。高的星座是常规的预编码技术的副产品，常规的预编码技术联合预编码仅仅两个码元以达到2阶分集。

所以，提供一种用于达到2阶频率分集而同时使得星座的尺寸最小化的高效预编码技术是有利的。

本发明的某些实施例包括用于执行多副载波联合调制(MSJM)预编码的方法。该方法包括：把输入信息比特编组为比特块；把比特块转换成比特向量；把每个比特向量映射到码元向量；以及把码元向量调制到数据副载波中。

本发明的某些实施例还包括在其上存储有用于执行多副载波联合调制(MSJM)预编码的计算机可执行代码的计算机可读介质。该计算机可执行代码使得计算机执行以下过程：把输入信息比特编组为比特块；把比特块转换成比特向量；把每个比特向量映射到码元向量；以及把码元向量调制到数据副载波中。

本发明的某些实施例还包括用于执行多副载波联合调制(MSJM)预编码的正交频分复用(OFDM)发射机。该OFDM发射机包括：第一串并(S/P)转换器，用于把比特块转换成比特向量；预编码器，用于把每个比特向量映射到码元向量；以及第二S/P转换器，用于编组码元向量，并把码元向量映射到数据副载波中。

被看作为本发明的主题在申请书结束处在权利要求中具体地指出和清楚地要求。从结合附图做出的以下的详细说明中，将明白本发明的上述的和其它的特征和优点。

图1是按照本发明的一个实施例的OFDM通信系统的框图；

图2是显示码元向量的预编码的示例性查找表；

图3是显示多副载波联合调制(MSJM)预编码的仿真结果的曲线图；以及

图4是描绘用于执行按照本发明实施例实施的MSJM预编码的示例性方法的流程图。

重要的是指出：本发明公开的实施例仅仅是这里的新颖教导的许多有利用法的例子。一般而言，在本申请的申请书中做出的叙述并不必然地限制任何的各种不同的所要求的发明。而且，某些叙述可能适用于某些创造性特征，但并不适用于其它的创造性特征。一般而言，除非另外指出，否则单数单元可以是多数，且不失去一般性地反之亦然。在附图中，在几个视图上的同样的数字是指同样的部分。

图1显示被使用来描述本发明的原理的、基于OFDM的无线系统100的非限制的和示例性的框图。系统100联合预编码数量为m(m＞2)的副载波，以达到2阶频率分集，而同时保持小的星座尺寸。系统100可以是按照无线通信标准运行的任何类型的基于OFDM的无线系统，所述无线通信标准包括但不限于：WiMedia UWB版本1.0、1.5和2.0，IEEE 802.11n，WiMax等等。

系统100包括通过无线介质通信的发射机110和接收机120。发射机110包括串并(S/P)转换器111和113、预编码器112和OFDM调制器114。接收机120包括OFDM解调器121、并串(P/S)转换器122和预译码器123。系统100还包括发射天线130和接收天线140。

按照本发明的原理，优选地在输入信息比特被编码和交织之后，把它们划分成比特块。每个比特块包括n*g个比特，其中“n”是可用的数据副载波的数量，“g”是每个副载波要发送的比特的数量。S/P转换器111把每个比特块转换成k个比特向量。例如，第q个比特块的第i个比特向量可被表示为如下：

${\stackrel{\→}{b}}_{q,i}=[b_{q,i}\left(0\right),b_{q,i}\left(1\right),...,b_{q,i}(m*g-1)]$

数字“k”是数据副载波的数量除以联合预编码的副载波的数量，即，n/m。每个比特向量包括数量为m*g的比特。

在本发明的优选实施例中，预编码器112利用查找表来把每个比特向量映射到码元向量。码元向量包括m个码元，以及对应于第q个比特块的第i个比特向量的码元向量可被如下表示：

${\stackrel{\→}{s}}_{q,i}=[s_{q,i}\left(i_1\right),s_{q,i}\left(i_2\right),...,s_{q,i}\left(i_m\right)]$

当利用查找表时，比特向量

的值被用作为表格索引，用来检索码元向量的值。查找表的大小是2^m+g乘以m。为了达到2阶分集，需要数量2^m+g，因为对于任何两个不同的比特向量，它们的对应的码元向量至少有两个码元是不同的。生成查找表的各种实施例在下面详细地描述。

通过S/P转换器113将码元向量编组在一起并映射到“n”个数据副载波中。码元s_q，i(i_e)，e＝1，...m在第q个OFDM码元的第i_e个数据副载波上被发送。OFDM调制器114执行IFFT操作，以生成时域发送信号，然后该时域发送信号通过发射天线130被发送。

时域发送信号在接收机120处被接收，并通过由OFDM解调器121执行的FFT操作被转换成频域信号。然后，多个m码元向量：被P/S转换器122输出，其中r_q，i(i_e)是第q个OFDM码元的第i_e个数据副载波的接收信号，以及“T”表示矩阵转置操作。预译码器123使用以下方程生成信息比特：

${\stackrel{\→}{r}}_{q,i}=\mathrm{diag}\left\{{\stackrel{\→}{s}}_{s,i}\right\}*{\stackrel{\→}{h}}_i+{\stackrel{\→}{N}}_{q,i}---\left(1\right)$

其中是m×m对角矩阵，其第e个对角元素等于s_q，i(i_e)，e＝1，...m，向量是接收的码元向量。

是信道参数向量，其中h(i_e)，e＝1，..，m，指示第i_e个数据副载波的信道参数，以及

是加性高斯白噪声(AWGN)向量。

按照本发明的优选实施例，预译码可被简化。在本实施例中，接收机120(从m个副载波中)选择具有最高信号噪声比的至少m-1个副载波。各个被选择的副载波的码元索引(symbol indices)被分开地预译码。由于预编码技术具有2阶分集，所以预译码的m-1个索引足以恢复比特向量。这大大地减小预译码过程的复杂性。

下面是描述本发明所公开的预编码技术的非限制性例子。在以下的例子中，联合预编码的副载波的数量“m”是3，可用的数据副载波的数量“n”是102，以及每个副载波要发送的比特的数量“g”是4。输入信息比特被编组为比特块，每个块包括102*4＝408比特。然后，生成34(102/3＝34)个比特向量，每个向量包括12(4*3＝12)个比特。该比特向量是：

${\stackrel{\→}{b}}_{q,i}=[b_{q,i}\left(0\right),b_{q,i}\left(1\right),...,b_{q,i}\left(11\right)],i=\mathrm{0,1},...,33.$

因为输入比特向量

具有12比特，所以预编码所需要的码字的数量是2¹²＝64²。因此，为达到2阶分集，对于码元s_q(i)的最小星座尺寸是64。因而，与其它常规的技术相比较，按照本发明的预编码技术使星座尺寸增加2的幂(例如，从16QAM到64QAM)，其它常规的技术，比如DCM，使星座尺寸增加至少4的幂(例如，从16QAM到256QAM)。

预编码器112把每个比特向量

映射到码元向量

其中所有的三个码元都是来自64-QAM星座。码元s_q(i)、s_q(i+34)和s_q(i+68)分别在第q个OFDM码元的第i个、第i+34个和第i+68个数据副载波上发送。如上所述，映射是通过使用查找表执行的。在这个例中，查找表包括2¹²(或64²)行和3列。图2是按照本发明的一个实施例生成的查找表的例子。值c₁、c₂和c₃是在码元向量的s_q(i)、s_q(i+34)和s_q(i+68)中的码元的值。为了生成查找表，通过对于c₁使用[b_q，i(0)，b_q，i(1)，...，b_q，i(5)]的值

和对于c₂使用[b_q，i(6)，b_q，i(7)，...，b_q，i(11)]的值

来计算c₁和c₂列的值。

按照本发明的一个实施例，通过使用64阶的任意拉丁2-超立方(Latin2-hypercube或64×64拉丁方矩阵)来确定对于c₃的映射值。v阶的拉丁z-超立方是z维阵列，其中每行是码元0，1，...，v-1的置换(permutation)。拉丁矩阵是1×1方矩阵，其单元包含“1”个不同的码元(从0到(1-1))，其中在任何行或列中没有码元出现一次以上。具体地，c₃列的第d个元素，其中d-1＝x*64+y，0≤x，y≤63，是64×64拉丁方矩阵的第(x+1，y+1)个元素。作为例子，以下的拉丁矩阵可被使用来映射c₃的值：

$M=\left[\begin{array}{ccccc}0& 63& 62& ...& 1\\ 63& 62& 61& ...& 0\\ 62& 61& 60& ...& 63\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ 1& 0& 63& ...& 2\end{array}\right]$

这个矩阵允许通过使用非二进制运算来表达c₃的值，即，c₃＝mod(64-c₂-c₁，64)。图2上显示的c₃值是通过使用这个模-64运算而进行计算的。所述预编码允许达到2阶分集，因为查找表的任何两个不同的行包括不同的至少两个码元。

应当指出，任何类型的(特殊的或非特殊的)拉丁矩阵都可以被使用来确定码元的值。还应当指出，利用可具有不同性能的不同预编码技术可导致不同的拉丁矩阵和不同的码元星座标注(constellationlabelling)(即，在码元索引与码元星座上的点之间的映射)。这允许选择星座标注和拉丁方矩阵来使得系统的性能最佳化。

在另一个实施例中，c₃值可以按照如下定义的二进制运算而被确定：

[p_q，i(0)，p_q，i(1)，...，p_q，i(5)]＝[b_q，i(0)，b_q，i(1)，...，b_q，i(11)]*G，

其中G等于：

$G=\left(\begin{array}{cccccc}1& 1& 0& 1& 0& 0\\ 1& 0& 1& 0& 1& 0\\ 1& 1& 0& 1& 1& 1\\ 0& 1& 1& 0& 0& 1\\ 1& 1& 0& 0& 0& 1\\ 1& 0& 0& 1& 0& 1\\ 0& 0& 1& 0& 1& 1\\ 0& 1& 0& 1& 0& 1\\ 1& 1& 1& 0& 1& 1\\ 1& 0& 0& 1& 1& 0\\ 1& 0& 0& 0& 1& 1\\ 1& 0& 1& 0& 0& 1\end{array}\right)$

以及c₃列的值可以通过使用[p_q，i(0)，p_q，i(1)，...，p_q，i(5)]的值而计算为

当完成比特向量到码元向量的映射时，所有的34个输出码元向量

i＝0，1，...，33被编组在一起，并被映射到102个数据副载波上。

图3显示了说明按照本发明的一个实施例实施的预编码技术的性能的仿真结果。在仿真中，使用102个数据副载波。预编码(“MSJM预编码”)是在所有数据副载波信道是i.i.d瑞利衰落信道的假设下通过使用预定义的拉丁矩阵和格雷QAM标注的组合而完成的。正如可以注意到的，MSJM译码(相对于MSJM预编码)的增益(由曲线310指示)优于利用16QAM的常规DCM预编码的增益(如曲线320所指示的)。使用简化的预编码/预译码技术导致低于MSJM预编码的增益性能(如曲线330所指示的)。然而，预译码是不太复杂的。应意识到，本创造性技术具有良好的性能-复杂度折衷。

图4显示了描述用于执行按照本发明实施例实施的多副载波联合调制(MSJM)预编码的方法的非限制性流程图400。在S410，输入信息比特被编组为比特块，每个比特块包括数量为n*g的比特。参数“n”是可用的副载波的数量，“g”是每个载波要发送的比特的数量。在S420，比特块被转换成比特向量。比特向量的数量等于数据副载波的数量除以联合预编码的副载波的数量，即，n/m。在S430，每个比特向量被映射到包括数量为m的码元的码元向量。在优选实施例中，映射是通过使用具有2^g+m行和m列的查找表而被执行的。

为了构建查找表，首先生成包括Q^m-1行和m列的表格。参数Q是星座尺寸，它被确定为是满足以下的方程的最小整数尺寸：

log₂Q≥m*g/(m-1).

头‘m-1’列的值通过使用以上详细提及的技术之一而被设置。然后，把阶数为Q的拉丁(m-1)-超立方(按行)插入到最后的(m)列。构建查找表的最后步骤包括从Q^m-1×m的表格中选择2^g+m个不同的行。

在S440，码元向量被调制到“n”个数据副载波上并被发送。应意识到，MSJM预编码使得能够提高数据传输速率，具有改进的增益性能和最小码元星座扩展。

以上的详细说明阐述了本发明可以采取的许多形式中的几种形式。打算让以上的详细说明被理解为本发明可以采取的所选择形式的举例说明，而不是对本发明的定义的限制。打算仅仅由包括所有等同物的权利要求来定义本发明的范围。

最优选地，本发明的原理被实施为硬件、固件和软件的组合。而且，软件优选地被实施为在程序存储单元或计算机可读介质上有形地体现的应用程序。该应用程序可被上载到包括任何适当的体系结构的机器，并被该机器执行。优选地，该机器被实施在具有硬件的计算机平台上，所述硬件诸如是一个或多个中央处理单元(“CPU”)、存储器和输入/输出接口。该计算机平台还可包括操作系统和微指令代码。这里描述的各种过程和功能可以是微指令代码的一部分或是应用程序的一部分，或者是它们的任何组合，其可以由CPU执行，而不管这样的计算机或处理器是否明显地示出。另外，各种其它外围设备可被连接到该计算机平台，诸如是附加的数据存储单元和打印单元。

Claims (15)

1.一种用于执行多副载波联合调制(MSJM)预编码的方法(400)，包括：

把输入信息比特编组为比特块(S410)；

把比特块转换成比特向量(S420)；

把每个比特向量映射到码元向量(S430)；以及

把码元向量调制到数据副载波中(S440)。

2.权利要求1的方法，其中每个码元向量包括数量为m的码元，其中m等于联合预编码的副载波的数量。

3.权利要求2的方法，其中每个比特向量包括数量为m*g的比特，其中g是每个副载波要发送的比特的数量。

4.权利要求3的方法，其中调制码元需要的最小星座尺寸是在比特向量内的比特数量的函数。

5.权利要求4的方法，其中把每个比特向量映射到码元向量是使用查找表来执行的，其中查找表中的行的数量等于星座尺寸的(m-1)次幂，以及查找表中的列的数量等于码元向量中码元的数量。

6.权利要求5的方法，还包括通过以下方式生成查找表：

生成表格，其中表格的行和列的数量等于查找表的行和列的数量；

通过设置表格中头m-1列中的值，而确定对于码元向量中头m-1个码元的映射值；

把拉丁(m-1)超立方按行插入到表格的最后列；以及

选择具有不同值的行来构建查找表，其中查找表中任何两个不同的行包括不同的至少两个码元。

7.权利要求6的方法，其中使用以下至少之一来确定头m-1列的值，即：比特向量的比特的值、二进制运算、非二进制运算和星座标注。

8.一种在其上存储有用于执行多副载波联合调制(MSJM)预编码的计算机可执行代码的计算机可读介质，包括：

把输入信息比特编组为比特块(S410)；

把比特块转换成比特向量(S420)；

把每个比特向量映射到码元向量(S430)；以及

把码元向量调制到数据副载波中(S440)。

9.一种用于执行多副载波联合调制(MSJM)预编码的正交频分复用(OFDM)发射机(110)，包括：

第一串并(S/P)转换器(111)，用于把比特块转换成比特向量；

预编码器(112)，用于把每个比特向量映射到码元向量；以及

第二S/P转换器(113)，用于编组码元向量和把码元向量映射到数据副载波中。

10.权利要求9的OFDM发射机，还包括OFDM调制器(114)，用于生成要通过无线介质发送的时域信号。

11.权利要求9的OFDM发射机，其中每个码元向量包括数量为m的码元，其中m等于联合预编码的副载波的数量。

12.权利要求11的OFDM发射机，其中每个比特向量包括数量为m*g的比特，其中g是每个副载波要发送的比特的数量。

13.权利要求12的OFDM发射机，其中把每个比特向量映射到码元向量是使用查找表来执行的。

14.权利要求13的OFDM发射机，其中查找表的任何两个不同的行包括不同的至少两个码元。

15.权利要求14的OFDM发射机，其中通过使用以下至少之一来确定查找表中的列的值，即：拉丁超立方、拉丁矩阵、比特向量的比特的值、二进制运算、非二进制运算和星座标注。

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