CN102104444A - Lte系统中信道质量指示的快速编译码方法 - Google Patents

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CN102104444A CN2010106101987A CN201010610198A CN102104444A CN 102104444 A CN102104444 A CN 102104444A CN 2010106101987 A CN2010106101987 A CN 2010106101987A CN 201010610198 A CN201010610198 A CN 201010610198A CN 102104444 A CN102104444 A CN 102104444A
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陈发堂
何坚龙
李小文
王丹
王华华
刘宇
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Abstract

LTE系统中信道质量指示的快速编译码方法。在LTE系统中，CQI采用了类Reed-Muller码。其编码矩阵是由经典的一阶Reed-Muler码与掩码序列组成。本发明根据编码矩阵的特点，提出了一种快速的译码方法。此方法可以对硬比特进行译码，也可以对软比特信息进行译码。大量的仿真数据表明：在高斯信道环境下，此方法在硬比特译码时，性能可以达到理论上性能最优的全搜索算法；软比特译码时，相对于全搜索算法性能可以提高约2.1dB。由于本发明采用了快速哈达玛变换，因此，此方法运算效率大大提高，大约是全搜索算法的4倍。

Description

LTE系统中信道质量指示的快速编译码方法
技术领域：
本发明涉及LTE技术，具体涉及LTE（Long Term Evolution）长期演进系统中的编译码技术。
背景技术：
在LTE系统中系统协议中信道质量指示CQI（Channel Quality Indicator）采用了里德-穆勒码Reed-Muller码（RM码）的编码方式，但是在协议中并没有给出译码方法。RM码作为一种线性分组码，其最优的译码算法为全搜索算法，但其计算量比较大。因此，本文提出了一种快速的译码方法。
在LTE物理层协议中，CQI采用了两种类Reed-Muller码编码方法，一种是（32，11）编码,如图1所示，另一种是（20，13）编码，如图2所示。其中，CQI在物理上行链路共享信道(Physical Uplink Shared Channel, PUSCH)上采用(32，11)编码，在物理上行链路控制信道（Physical Uplink Control Channel, PUCCH）上采用(20，13)编码。Reed-Muller码（RM码）是一类能纠正多个差错的线性分组码。这类码构造简单，结构特性丰富，可以采用软判决或硬件判决算法的方式来进行译码。在LTE系统中的两种RM码的编码矩阵如表1与表2所示。其中，表1表示（32，11）编码矩阵，表2表示（20，13）编码矩阵。CQI在PUSCH与PUCCH上的编码方式分别为。
在PUSCH上的编码方式为：
          (1)
其中，
Figure 333229DEST_PATH_IMAGE002
表示输入比特，
Figure 988332DEST_PATH_IMAGE003
表示输出比特，
Figure 321224DEST_PATH_IMAGE004
表示编码矩阵，n∈[0…10]，i∈[0…31]。从表1中可以看出，M0是全1序列，M1~M5是由交织后的Walsh码组成，M6~M10是五个基本的掩码序列。
表1 （32，11）RM码基序列
i Mi,0 Mi,1 Mi,2 Mi,3 Mi,4 Mi,5 Mi,6 Mi,7 Mi,8 Mi,9 Mi,10
0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1
1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1
2 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1
3 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1
4 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1
5 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1
6 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1
7 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1
8 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1
9 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1
10 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1
11 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1
12 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1
13 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1
14 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1
15 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1
16 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0
17 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0
18 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0
19 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0
20 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1
21 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1
22 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1
23 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1
24 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0
25 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1
26 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0
27 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0
28 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0
29 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0
30 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
31 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
在PUCCH上的编码方式为：
Figure 571815DEST_PATH_IMAGE005
    (2)
在公式(2)中，表示输入比特，
Figure 536677DEST_PATH_IMAGE007
表示输出比特，
Figure 673260DEST_PATH_IMAGE008
表示编码矩阵，n∈[0…12]，i∈[0…19]。从表2中可以看出，M0是全1序列，M1~M5是由长度为32的Walsh码打掉12个比特而组成，M6~M12是七个基本的掩码序列。
表2 （20，13）RM码基序列
i Mi,0 Mi,1 Mi,2 Mi,3 Mi,4 Mi,5 Mi,6 Mi,7 Mi,8 Mi,9 Mi,10 Mi,11 Mi,12
0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0
1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0
2 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1
3 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1
4 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1
5 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1
6 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1
7 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1
8 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1
9 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1
10 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
11 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1
12 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1
13 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1
14 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1
15 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1
16 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1
17 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1
18 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0
19 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0
发明内容
本发明针对现有技术在LTE系统中系统中信道质量指示CQI译码方法，为全搜索算法，其计算量比较大的缺陷，提出了一种快速的译码方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案为，设计一种LTE系统中CQI的快速编译码方法，对经过判决的双极性码字或软比特信息进行交织处理，获得解交织后的接收码字r，对基本掩码序列经过交织处理，并线性组合产生掩码矢量，掩码矢量分别与获得解交织后的接收码字r相乘消除掩码，得到双极性消除掩码的接收序列rc，在接收端用双极性序列消除掩码的接收序列rc与Hadamard矩阵进行FHT变换得到相关值矩阵；存储比较模块在相关值矩阵中找出绝对值最大的值，记下该最大值的行号与列号，行号对应的二进制为信道质量指示的第2~6比特，列号对应的二进制为信道质量指示的第7~11比特，判决单元根据绝对值最大值的符号对CQI的第1比特进行译码。
与现有技术相比，本发明采用FHT变换计算量小，能实现快速编译码，提高了信道增益。
附图说明
图 1  (32,11)RM编码器结构图；
图 2  (20,13)RM编码器结构图；
图 3A  (32,11)RM译码器结构图；
图 3B  (20,13)RM译码器结构图；
图 4 性能比较示意图；
图 5 本发明译码流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实例对本发明的实施进行具体描述。下面给出基于FHT的译码方法，此方法可以对硬比特信息进行译码，也可以对软比特信息进行译码。但是在对硬比特信息进行译码时，要将硬比特信息{0，1}映射为{+1，-1}方可译码。在对软比特信息进行译码时，对信道输出值或软解调信息直接进行译码。下面给出信道质量指示CQI（Channel Quality Indicator）在物理上行共享信道PUSCH与物理上行控制信道PUCCH上的译码方法。如图5所示为本发明比特译码流程图。具体步骤如下：
Step1： 信道均衡后，对经过判决的双极性码字或软比特信息进行交织处理；
Step2： 对k基本掩码序列经过交织处理，进行线性组合，生成
Figure 342139DEST_PATH_IMAGE009
个掩码矢量，利用该掩码矢量对接收码字进行消除掩码，得到
Figure 771721DEST_PATH_IMAGE009
个长度为32的双极性消除掩码的序列。
Step3： 在接收端用得到的双极性消除掩码的序列与32阶的哈达玛Hadamard矩阵进行快速哈达玛换FHT（Fast Hadamard Tran sformation），得到的相关值矩阵。
Step4： 从相关值矩阵中找出绝对值最大值，确定其行号R和列号C，从而这个最大值的行号R对应的二进制码即为CQI译码输出的第2~6比特，列号C对应的二进制形式即为CQI译码输出的第
Figure 76112DEST_PATH_IMAGE011
比特。
Step5： 判断绝对值最大值的符号对第1比特进行译码输出，即，当符号为正时译为0，为负时译为1。组合第四步 Step4 得到的译码输出比特，得到全部的译码一码输出数据。
实施例一：在PUSCH上的译码算法：
在PUSCH上的(32,11)（11是编码输入信息比特的长度，32是编码输出比特长度）RM译码器结构如图3A所示，其译码过程为：硬判决时，对接收到的码字b i 进行简单的判决处理，建立哈达玛Hadamard矩阵，即：大于0判为1，否则，判为-1，组成由1与-1构成的Hadamard矩阵，对Hadamard矩阵进行快速哈达玛变换FHT处理。
如采用软判决，直接将接收到的码字b i 进行后续的交织处理，同时也对掩码序列进行交织处理，发送端的编码矩阵M由标准的一阶RM码与掩码序列交织之后组成，在接收端对接收到的双极性码字b i 进行相反交织处理，同样，对编码矩阵6~10行的M 6 ~M 10 （协议规定）的五个基本掩码序列也经过相反的交织处理获得基本掩码矢量。
交织处理后的码字与交织后的掩码矢量分别相乘消除掩码，再分别做快速哈达玛变换FHT，掩码M 1 ~M 5 是交织之后的Walsh码，它们的组合正好是32阶Hadamard矩阵的32个行向量；最后进行比较与选择，找出最大相关值，即得到相应的译码信息。
以下详细描述采用硬与软判决译码的步骤：
Step1： 对经过判决的双极性码字或软比特信息进行解交织处理，获得解交织之后的数据。对经过判决（硬判决）之后的双极性码字或软比特信息要进行交织处理，即：输入码字
Figure 599497DEST_PATH_IMAGE012
经过交织处理变换为：
Figure 465559DEST_PATH_IMAGE013
。只有经过这样的交织之后才能正确的FHT。
Step2： 对标准给出的编码矩阵M中五个基本掩码序列经过交织处理，进行线性组合，生成大小为
Figure 644868DEST_PATH_IMAGE014
子空间的掩码矢量。五个基本的掩码序列通过线性组合产生32个掩码矢量，掩码矢量分别与经过处理的双极性接收码字相乘消除掩码，得到32个长度为32的双极性序列。
Step3： 在接收端用上一步得到的双极性序列与32阶的Hadamard矩阵进行FHT，得到32*32的相关值矩阵。
Step4： 在相关值矩阵中找出绝对值最大值，记下该绝对值最大值的行号R与列号C，从而这个最大值的行号C对应的二进制形式即为译码的第2~6比特；最大值的列号C对应的二进制形式即为译码的第7~11比特。
Step5： 由于M 0为全1序列，它对相关值矩阵的影响是改变矩阵中所有值的符号。因此，判断绝对值最大值的符号对第1比特进行译码。即，当符号为正时译为0，为负时译为1。组合第四步得到的后10个译码比特，得到全部11位译码数据，完成PUSCH上CQI数据的译码。
实施例二：在PUCCH上的(20,13)RM译码器结构如图3B所示（虚线表示硬判决），其译码过程为：
硬判决时，接收到的码字b i 进行简单的判决处理，与在PUSCH上的(32,11) RM译码器硬判决类似。如采用软判决，直接将接收到的码字b i 进行后续的交织处理（同(32,11)RM译码）；然后高位添零不齐打孔数据(使长度变为32)，获得的编码矩阵M是由(32,11)RM编码序列去掉一部分比特并且增加两列掩码序列而成。
为了进行FHT，需要输入序列长度为2的幂次，而(20,13)RM译码器的输入为长度20双极性序列，所以在进行交织处理之前，先将编码序列长度扩展到32，即在序列高位添加12个0补齐打孔数据；再进行与(32,11)RM译码一样的交织处理，同时也对掩码序列进行交织处理；交织处理后的码字与交织后的掩码矢量分别相乘消除掩码，再分别进行FHT变换消除掩码的序列，得到相关矩阵，最后对相关矩阵进行比较与选择，找出最大相关值，即得到相应的译码信息。
具体步骤如下：
Step1： 经过判决（硬判决）之后双极性码字或软比特信息要进行交织处理，即：输入码字(
Figure 857675DEST_PATH_IMAGE015
)变换为：
Figure 438829DEST_PATH_IMAGE016
 ( 其中高位添加了12个0，使得长度变为32)得到解交织后的接收码字。
Step2： 对七个基本掩码序列经过交织处理，进行线性组合，生成大小为
Figure 210213DEST_PATH_IMAGE017
子空间的掩码矢量，即产生128个掩码矢量。掩码矢量分别与经过处理的双极性接收码字相乘消除掩码，得到128个长度为32的双极性消除掩码的序列。
Step3： 在接收端用得到的双极性消除掩码序列与32阶的哈达玛Hadamard矩阵进行快速哈达玛换FHT（Fast Hadamard Tran sformation），得到128*32的相关值矩阵。
Step4： 从相关值矩阵中找出绝对值最大值，从而这个最大值的行号R对应的二进制形式即为CQI译码输出的第2~6比特，列号C对应的二进制形式即为CQI译码输出的第7~13比特。
Step5： 判断绝对值最大值的符号对第1比特进行译码，即，当符号为正时译为0，为负时译为1。组合第四步得到的后12个译码比特，得到全部11位CQI的译码数据。
图4是在加性高斯白噪声信道(AWGN)下的仿真结果，横坐标表示信噪比(SNR)，纵坐标表示误码率(BER)。信噪比从0取到8，对每个信噪比随机取了10万块数据进行测试，使得可信度高。从图4中容易看出，在同等情况下，基于快速哈达玛变换的硬判决算法性能（虚线）与全搜索算法（虚线）相同，但前者的运算效率大约是后者的4倍。基于快速哈达玛变换的软判决算法性能（实线）明显优于基于快速哈达玛变换的硬判决算法性能与全搜索算法，并且随着SNR的增加差距越来越大，其运算效率大约也是全搜索算法的4倍。从图也可以看出，软判决算法相对于硬判决提高了约2dB的增益。图4中，带x符号的虚线表示基于FHT算法的(32,11)RM硬判决译码性能曲线，带圆圈符号的实线表示基于FHT算法的(32,11)RM软判决译码性能曲线，带正方形的虚线表示全搜索算法的(32,11)RM译码性能曲线，带下三角形符号的虚线表示基于FHT算法的(20,13)RM硬判决译码性能曲线，带星形符号的实线表示基于FHT算法的(20,13)RM软判决译码性能曲线，带上三角形符号的虚线表示全搜索算法的(20,13)RM译码性能曲线，带左三角形符号的虚线表示基于FHT算法的(32,13)RM硬判决译码性能曲线，带右三角形符号的实线表示基于FHT算法的(32,13)RM软判决译码性能曲线。
另外，在线性分组码，一个重要的参数是码的最小码距，它决定了该码的误差校正能力。(32,11)RM码的最小码距
Figure 876818DEST_PATH_IMAGE018
，(20,13) RM码最小码距
Figure 893316DEST_PATH_IMAGE019
，(32,13) RM码最小码距
Figure 328976DEST_PATH_IMAGE020
。从图4中，容易看出(32,11)RM译码性能曲线（误码率）比(20,13) RM译码的低（相同BER的情况下，前者提高了约4dB的增益），这是因为(20,13) RM码的编码矩阵是(32,13)RM码的编码矩阵打孔得到。通过文献[1]中编码增益公式的计算，(32,11)RM码相对于(32,13)RM码可以提高不大于1dB的编码增益，从图4中可以看出(32,11)RM码相对于(32,13)RM码提高了0.7dB左右，与理论相符。另外在文献[12]讲述了在PUCCH上CQI为了得到编码输出长度20，必须对(32,13)RM码的编码矩阵进行打孔，即打掉12个比特，这样将损失一部分编码增益。从图4中可以看出，(20,13) RM码相对于(32,13)RM码损失了约3dB的编码增益。从而(32,11)RM码相对于(20,13) RM码有了高达约4dB的编码增益。

Claims (8)

1.LTE系统中信道质量指示CQI的快速编译码方法，其特征在于，对经过判决的双极性码字或软比特信息进行交织处理，获得解交织后的接收码字r，对基本掩码序列经过交织处理，并线性组合产生基本掩码矢量，分别与获得解交织后的接收码字r相乘消除掩码，得到接收序列rc，在接收端用接收序列rc与Hadamard矩阵进行FHT变换得到相关值矩阵；存储比较模块在相关值矩阵中找出绝对值最大的值，记下该最大值的行号与列号，行号对应的二进制数值为CQI的第2~6比特，列号对应的二进制数值为CQI的第7~11比特，判决单元根据绝对值最大值的符号对CQI的第1比特进行译码。
2.根据权利要求1所述的快速编译码方法，其特征在于，所述判决包括硬判决和软判决，硬判决时，对接收到的码字进行判决，大于0判为1，否则判为-1，组成由1与-1构成的Hadamard矩阵，对Hadamard矩阵进行快速哈达玛变换FHT处理；如采用软判决，直接将接收到的码字进行交织处理。
3.根据权利要求1所述的快速编译码方法，其特征在于，CQI在PUSCH上的编码方式为：                                                ，n∈[0…10]，i∈[0…31]；在PUCCH上的编码方式为：
Figure 276450DEST_PATH_IMAGE003
，n∈[0…12]，i∈[0…19]，其中，
Figure 355568DEST_PATH_IMAGE004
表示输入比特，
Figure 109897DEST_PATH_IMAGE005
表示输出比特，
Figure 909226DEST_PATH_IMAGE006
表示编码矩阵。
4.根据权利要求1所述的快速编译码方法，其特征在于，利用掩码矢量对接收码字进行消除掩码，得到长度为32的双极性消除掩码的序列。
5.根据权利要求1所述的快速编译码方法，其特征在于，在PUSCH上，发送端的编码矩阵M由标准的一阶RM码与掩码序列交织之后组成，在接收端对接收到的双极性码字b i 进行相反交织处理，对编码矩阵6~10行的M 6 ~M 10 的五个基本掩码序列也经过相反的交织处理获得基本掩码矢量。
6.根据权利要求1所述的快速编译码方法，其特征在于，在PUCCH上，在进行交织处理之前，先将编码序列长度扩展到32，即在序列高位添加12个0补齐打孔数据。
7.根据权利要求5所述的快速编译码方法，其特征在于，对编码矩阵M中五个基本掩码序列经过交织处理并线性组合，产生32个掩码矢量，分别与双极性接收码字相乘消除掩码，得到长度为32的双极性序列，双极性序列与32阶的Hadamard矩阵进行FHT变换，得到32*32的相关值矩阵。
8.根据权利要求6所述的快速编译码方法，其特征在于， 对七个基本掩码序列经过交织处理并线性组合，产生128个掩码矢量，分别与双极性接收码字相乘消除掩码，得到128个长度为32的双极性消除掩码的序列；用双极性消除掩码序列与32阶的哈达玛Hadamard矩阵进行快速哈达玛换FHT，得到128*32的相关值矩阵。
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