CN1465168A - 用于在通信系统中确定调制模式的装置和方法 - Google Patents

用于在通信系统中确定调制模式的装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于在使用可变传输模式的通信系统中确定最佳调制模式和编码率的装置和方法。在通信系统所包括的发射机中，编码器对编码器分组(EP)进行编码，而具有不同调制等级的多个编码器对子分组进行调制，所述子分组是从编码器输出的代码字。选择器通过计算MPR(调制等级乘编码率)并比较MPR与阈值，来选择多个调制器之一，所述MPR是EP长度与有效负载调制符号的数量的比值。

Description

用于在通信系统中确定调制模式的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种使用可变传输模式的通信系统，特别涉及用于确定给定环境中的最佳调制模式和编码率(code rate)的装置和方法。
背景技术
虽然典型的通信系统采用固定传输模式进行数据传输，但是已经开发了可以以可变传输模式传输数据的通信技术。例如，由3GPP2(第3代合作项目2)开发的未来一代的移动通信系统采用了可变传输模式。
L3QS(朗讯科技公司、LSI公司、LG电子和高通公司、三星电子公司)框架提议已经提供了关于6个表中的6个编码器分组(EP)长度(即：384、768、1536、2304、3072和3840比特)的数据率的概要，上述框架提议为用于3GPP2开发的1x EV-DV(1x演进-数据和语音)的标准化的2000年6月的3GPP2TSG-C WG5做出了贡献。设计这些数据率表以便通过支持在每个瞬间发送的多种分组来提高信道传输效率。EP是输入到编码器的分组。必须根据信道条件、数据积累(即：包含有从高层接收的数据的缓冲器的状态)和可用的Walsh码(NAWC)的数量来在6个EP长度中选择合适的EP长度。用于EP长度选择的重要因素之一是调制模式的选择。对于有相同EP长度的分组，可以根据其传输时间和NAWC使用不同调制模式和纠错码的不同编码率。
每个数据率表根据可用的Walsh码(NAWC)的数量和每个子分组的时隙数列出69到111种不同的调制和编码率组合。例如，如果EP长度＝384，NAWC＝28，而时隙数(NOS)＝8，那么调制等级＝2而编码率＝0.017857。如果EP长度＝384，NAWC＝27，和NOS(时隙数)＝8，那么调制等级＝2而编码率＝0.037037。因此，在使用可变传输模式的通信系统的给定环境中，及时选择最佳调制模式和编码率是非常重要的。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种选择自适应调制和编码(AMC)中使用的标准，并提供一种用于基于该标准确定最有效的调制模式和纠错码编码率的装置和方法。
为了实现上述目的和其它目的，提供了一种用于在使用可变传输模式的通信系统中确定最佳调制模式和编码率的装置和方法。在该通信系统的发射机中，编码器对编码器分组(EP)编码，具有不同调制等级的多个调制器调制子分组，其是从编码其输出的代码字(codeword)。选择器通过MPR(调制等级乘码率)，并比较该MPR和阈值，来选择一个调制器，上述MPR是EP长度与有效负载调制符号的数量的比值。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其他目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：
图1说明了当EP长度为384比特时，为达到1％PER所要求的Ec/Nt(dB)关于QPSK、8-PSK和16-QAM中的MPR的三条关系曲线；
图2说明了当EP长度为1536比特时，为达到1％PER所要求的Ec/Nt(dB)关于QPSK、8-PSK和16-QAM中的MPR的三条关系曲线；
图3说明了当EP长度为3072比特时，为达到1％PER所要求的Ec/Nt(dB)关于QPSK、8-PSK和16-QAM中的MPR的三条关系曲线；
图4是说明根据本发明的实施例的调制模式确定过程的流程图；
图5是根据本发明的实施例的调制器选择装置的方框图；以及
图6是根据本发明的实施例的解调器选择装置的方框图。
具体实施方式
下面，参照附图来详细说明本发明的优选实施例。由于对众所周知的功能和结构的描述将会把本发明遮蔽在无关紧要的细节中，所以在下面的描述中，将不详细描述众所周知的功能和结构。
下列描述由对每个数据率和调制模式及编码率之间的关系、确定最佳调制等级的标准以及根据该标准对调制模式(或调制等级)和编码率的选择的分析构成的。根据本发明的实施例，作为用于选择调制模式和编码率的标准，给出MPR(调制等级乘码率)。因此，将描述MPR计算和用于根据MPR选择调制模式及编码率的装置和方法。
一定要注意到术语“调制模式”和“调制等级”被用作同义词。如上所述，“EP”是将在编码器中被编码的分组，而“子分组”是从编码器中输出的代码字(codeword)。子代码产生装置(或准互补Turbo码产生装置)可被用作编码器(见本申请人于2001年10月15日提交的，韩国专利申请号为：No.2001-63518，名称为“Code Generating Apparatus and Method in aCommunication System(通信系统中的代码产生装置和方法)”的文献中的图2)。根据本申请，准互补Turbo码(QCTC)产生装置包括用于对输入信息比特流进行Turbo编码的信道编码器和用于通过打孔和重复从信道编码器接收的码符号来产生子代码的子代码发生器。信道编码器可用R＝1/5的编码率，而子代码产生器可用R＝2/3、1/3或1/6的编码率。前面的编码率叫做母编码率，而后面的编码率叫做子代码编码率。子分组是表示以子代码编码率编码的代码字的术语。当使用Turbo编码器时，子分组是以母编码率编码的代码字。注意，这些术语已经在现有技术中使用了。
MPR的定义
众所周知：由于在使用纠错码的数字通信系统中降低了编码率，所以编码增益的增量提高地很慢。编码增益是因使用纠错码而产生的相关增益，否则可能不能获得该增益。换言之，随着编码率降低，比特误码率(BER)逐渐达到其饱和点。相反，随着编码率提高，编码增益的增量和BER迅速降低。作为本领域中的“香农的信道容量理论”的结果，这是众所周知的。因此，将不详细描述上述特点，并且将表明，本发明是基于已知理论来操作的。
给定相同的信噪比(SNR)，BER随着数字调制中的调制等级的增加或减少在有限范围内变化。特别是，要获得相同的BER，则具有较高调制等级的调制模式要求较高的SNR。因此，如果系统使用预定的调制符号传输速率，可以使用多种调制等级和编码率的组合。
考虑到纠错码和数字调制的特点，在低编码率时，使用低等级的调制模式，例如，使用正交相移键控(QPSK)，比通过采用高等级的调制模式来进一步降低整体编码率更加有效。相反，在高编码率时，使用高等级的调制更好，以便由此来防止误码率的提高。
然而，由于在确定调制等级后才计算编码率以便达到相同的频谱效率，所以在确定调制等级之前，不能确定精确的编码率。因此，根据本发明用频谱效率来定义一个新函数，该频谱效率包括的调制等级和编码率。
对于在前述L3QS框架提议中的6个数据率表，有效负载调制符号的数量是发射机中的NAWC和NOS的函数，表示如下：
            有效负载调制符号的数量
                                              (1)
            ＝1536×(NAWC/32)×NOS
其中，1536(＝(1.2288×106)×(1.25×10-3))是1.2288Mcps每1.25ms时隙中伪噪声(PN)码片(chip)的数量。有效负载调制符号的数量也可以如下计算：
            有效负载调制符号的数量
                                              (2)
            ＝(EP长度)/((调制等级)×(代码率))
当将调制等级和编码率的积定义为MPR时，那么：
            MPR＝(EP长度)/(有效负载调制符号的数量)
                                                     (3)
            ＝(EP大小)/(48×NAWC×NOS)其是公式(2)的特定公式。公式(3)表示当码片速率(chip rate)为1.2288Mcps和时隙长为1.25ms时的MPR。48是1.25ms时隙长度内长度为32位的Walsh码所覆盖的调制符号的数量。这样，48×NAWC是1.25ms时隙长度内调制符号的数量。因此，有效负载调制符号的数量是48×NAWC×NOS。给定最大NAWC(即：32)，有效负载调制符号的数量是EP的传输时间(＝时隙长1.25ms×NOS)和码片速率1.2288Mcps的乘积。
如上所述，MPR是EP长度、NAWC和NOS的函数。如果给定了这些参数，就确定了MPR。然后，当编码率下降时调制等级升高，并且反之亦然。
给定了调制等级，很低的MPR就等价于很低的编码率。例如，QPSK的调制等级是2。当MPR＝0.5时，编码率为1/4(0.5/2)。相反，很高的MPR就等价于很高的编码率。例如，当QPSK中MPR＝3/4时，编码率为2/3(＝(4/3)/2)。因此，当可用诸如QPSK、8-PSK(相移键控)、16-QAM(正交振幅调制)、和64-QAM的多个调制模式时，如果MPR小，就最好采用具有相对低的调制等级的QPSK。如果MPR相对大，那么由于其相对高的调制等级，8-PSK、16-QAM和64-QAM则是最好的。8-PSK、16-QAM和64-QAM的调制等级分别是2、3和4。但是，如果MPR既不高也不低，确定选择哪种调制模式就不易了。不依赖于校正标准而对调制等级的确定可以减少系统的吞吐量。在本发明中，以下列方法来选择调制模式。
首先必须分析每种调制模式中MPR的范围。令调制等级为k，而编码率为R。那么，由于根据公式(2)MPR＝k×R，所以R＝MPR/k。假定定义Rmax为所允许的最大编码率，那么：
          0＜R＝MPR/k≤Rmax                       (4)
当k＝4(16-QAM)且Rmax＝0.8时，
          0＜MPR≤k×Rmax≤4×Rmax               (5)
          0＜MPR≤3.2
调制等级的确定
如公式(3)所示，MPR等于在单个符号中发送的信息比特的数量。那么，MPR反映了频谱效率，并且相同的MPR等价于相同的频谱效率。在此情况下，考虑到调制和编码之间的平衡，必须将调制等级确定为这样的值，该值在相应的操作SNR范围内确保了最低的误码率(BER或PER：误分组率)。如果可以根据MPR来确定最低PER的调制模式，就可以相应地确定调制等级。在本发明中，计算这样的MPR，并根据该MPR来确定调制模式。
为了给L3QS框架提议中的6种EP长度中的每一种确定最有效的调制模式，在表1中规定的环境下进行模拟：
(表1)
    物理信道          AWGN有效负载长度      384、768、1536、2304、3072、3840信道交织器        P-BRO交织器调制等级          QPSK、8-PSK、16-QAM调制映射(mapping) 用于8-PSK、16QAM的系统映射模式母编码率          1/5解码算法          最大LogMAP最大迭代次数      8
参照表1，基于加性白高斯噪声(AWGN)物理信道来进行模拟。如上所述，信道发射机可以包括turbo编码器、子代码发生器和多个具有不同调制等级的调制器。作为示例，调制器是调制等级为2的QPSK调制器、调制等级为3的8-PSK调制器和调制等级为4的16-QAM调制器。母编码率是1/5且信道发射机包括部分比特反序(P-BRO)交织器。用于与信道发射机对应的信道接收机的解码器使用最大LogMAX(最大A后验)算法进行解码。总共进行8次迭代。
在图1、2和3中示出了模拟结果。参照图1，当EP长度＝384时，说明了在QPSK、8-PSK、16-QAM中为达到1％PER所要求的Ec/Nt(dB)与MPR的关系。Ec/Nt(dB)是一种SNR，其表示单位码片能量与噪声功率密度的比值。因此，随着Ec/Nt(dB)的提高，要求更大的功率来实现相同的PER。
如图1所示，所要求Ec/Nt(dB)随MPR提高，并且对于不同的调制模式，Ec/Nt(dB)随MPR的改变而变化的量不同。如果MPR是1.5，QPSK的曲线就位于16-QAM的曲线上。如果MPR小于或等于1.5，QPSK具有最佳性能。如果MPR大于1.5，16-QAM具有最佳性能。在性能上，8-PSK位于QPAK和16-QAM的中间。当MPR为1.5时，QPSK、8-PSK和16-QAM的编码率分别为3/4、1/2和3/8。在MPR为1.5时，这些调制模式有相同的性能，这意味着当一个调制符号发送1.5比特信息时，不管何种调制模式都可以获得相同的系统性能。当NAWC和NOS改变时，仅仅垂直轴上的值改变了，而曲线的趋向不变。
图2说明了当EP长度为1536比特时，有关调制模式的3条曲线，该曲线表示了为达到1％ PER所要求的Ec/Nt(dB)相对于MPR的曲线。该曲线示出了与在EP长度为384比特情况下的曲线(如图1所示)相同的特点。在MPR阈值1.5处这些曲线相交，并且QPSK和16-QAM分别在低于和高于该阈值时具有最好的性能。与图1种的曲线相同，当EP长度为1 536比特时，在MPR为1.5处调制模式的性能被改变。
图3说明了当EP长度为3072比特时，有关调制模式的3条曲线，该曲线表示了为达到1％PER所要求的Ec/Nt(dB)相对于MPR的曲线。类似于当EP长度＝384比特和1536比特时的情况，在MPR＝1.5处，QPSK和16-QAM的性能被颠倒。
从模拟中可以断定：不管EP长度，QPSK和16-QAM分别在低于MPR＝1.5和在或高于MPR＝1.5时有效。不管EP长度，有单个MPR阈值，在该阈值处确定调制等级。然而，在模拟结果中，没有考虑：在实际的地域环境中诸如16-QAM的振幅调制(AM)模式比诸如QPSK和8-PSK的16-QAM PSK调制模式的性能差。如果理论或模拟结果考虑了AM和PSK调制之间的性能差别，那么，MPR阈值可以是与1.5不同的值，且可以有多个MPR阈值存在。因此，可用的调制模式不限于QPSK和16-QAM，而是可以附加使用其他调制模式。
现在，将描述根据从模拟结果中得到的原理来确定调制等级的本发明的
实施例。
实施例
下面，在有两个调制器，即QPSK调制器和16-QAM调制器，的发射机设备环境下描述根据本发明的实施例的调制模式选择操作。然而，不限制调制器的数量。在下面的描述中假定：码片速率是1.22878Mcps，时隙长为1.25ms，而Walsh码长度为32。
图4是说明根据本发明的实施例的调制模式(或调制等级)选择过程。在下文中，用于确定调制模式的装置被称为调制选择器。
参考图4，在步骤411中调制器选择器执行初始化。确切的说，调制器选择器确定EP长度、NAWC和NOS。在步骤413中，调制器选择器通过公式(3)使用上述参数计算MPR。在步骤415中，调制器选择器比较MPR和阈值MPR(MPR_THR)。例如，阈值MPR最好被设为1.5。如果MPR大于阈值，在步骤417中调制器选择器选择16-QAM和16-QAM调制器。另一方面，如果MPR小于或等于阈值，在步骤419中调制器选择器选择QPSK和QPSK调制器。
图5是根据本发明的实施例的调制器选择装置的方框图，该装置执行图4中说明的算法。参考图5，调制器选择器501通过执行图4中说明的步骤411到419来输出指示最佳调制器的选择信号。即，该调制器选择器501使用EP长度、NAWC和NOS来计算MPR，并比较MPR和阈值。如果MPR大于阈值，调制器选择器501就输出第一切换信号(SW＝B)。如果MPR小于或等于阈值，其就输出第二切换信号(SW＝A)。开关503根据从调制器选择器501接收的切换信号进行切换，并将输入数据作为子分组从编码器输出到QPSK调制器505或16-QAM调制器507。QPSK调制器505对数据进行QPSK调制，而16-QAM调制器507对数据进行16-QAM调制。
为了选择具有不同等级的调制器中的一个，以便调制作为从编码器输出的一个代码字的子分组，调制器选择器501通过计算EP长度与有效负载调制符号的数量的比值来获得MPR，并比较该MPR和阈值(MPR_THR)。使用EP的发送时间、NAWC和给定的码片速率来确定有效负载调制符号的数量。如果给定了最大NAWC，那么有效负载调制符号的数量是发送时间和码片速率的乘积。如果MPR大于阈值，就选择有较高调制等级(例如，16-QAM)的调制器。如果MPR小于或等于阈值，就选择有较低调制等级的调制器(例如，QPSK调制器)。
虽然调制器选择器501通过比较MPR和阈值，选择了QPSK和16-QAM之一，但是对本领域技术人员而言很明显，调制器选择器501可以被配置成其选择QPSK、8-PSK和16-QAM之一。例如，设置第一阈值(MP_TH)以选择QPSK或8-PSK，并设置第二阈值(MPR_THRΔ)以选择8-PSK或16-QAM。
由于MPR是调制等级和编码率的乘积，所以在本发明的实施例中也可以确定编码率。即，在计算了MPR和确定了调制等级以选择调制器之一之后，可以获得编码器的编码率。
图6是与图5中说明的调制器对应的解调器选择装置。参考图6，解调器选择器601通过比较使用从发射机接收的EP长度、NAWC和NOS计算的MPR和阈值，来确定发射机中使用的调制模式。具体的说，在步骤611中解调器选择器601确定发射机中所使用的EP长度、NAWC和NOS，并在步骤613中使用这些参数由公式(3)来计算MPR。然后，在步骤615中解调器选择器601比较MPR和发射机中使用的阈值。如果MPR大于阈值，在步骤617中解调器选择器601就输出指示16-QAM解调器607的第一切换信号(SW＝B)，否则，在步骤619中其就输出指示QPSK解调器605的第二切换信号(SW＝A)。开关603根据切换信号切换输入数据，该输入数据是从发射机到QPSK解调器605或16-QAM解调器607的所接收数据。QPSK解调器605对从开关603接收的数据进行QPSK解调，且16-QAM解调器607对从开关603接收的数据进行16-QAM解调。
在上面的描述中，阈值是经验值，例如本发明的实施例中为1.5。在没有目前的可用数据率表的情况下，发射机和接收机也可以使用EP长度、NAWC和NOS确定调制模式。
根据如上所述的本发明，对给定的环境，可以自适应地确定最佳调制模式。因此，可以最大化传输系统的效率。
虽然已经参照其特定优选实施例，示出和描述了本发明，但其只是示例应用。即，虽然在上述实施例中已经描述了QPSK、8-PSK和16-QAM，但是本发明也适用于其它调制模式。因此，本领域的技术人员应该明白，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可在形式和细节上对其做各种改变。

Claims (30)

1.一种有关具有不同调制等级的多个调制器之一的方法，所述调制器对子分组进行调制，所述子分组是从接收编码器分组(EP)的编码器输出的代码字，该方法包括以下步骤：
计算MPR(调制等级乘编码率)，该MPR是EP长度与有效负载调制符号的数量的比值；以及
比较MPR与阈值。
2.如权利要求1所述的方法，其中，有效负载调制符号的数量是由EP的发送时间、可用的Walsh码(NAWC)的数量和预定码片速率确定的。
3.如权利要求2所述的方法，其中，如果给定最大NAWC，那么有效负载调制符号的数量是EP的发送时间与预定编码率的乘积。
4.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：当MPR大于阈值时，在多个调制器中选择具有相对高的调制等级的调制器。
5.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：当MPR小于或等于阈值时，在多个调制器中选择具有相对低的调制等级的调制器。
6.如权利要求1所述的方法，其中设置阈值以便选择QPSK调制器和16-QAM调制器之一。
7.如权利要求6所述的方法，还包括以下步骤：当MPR大于阈值时，选择16-QAM调制器。
8.如权利要求6所述的方法，还包括以下步骤：当MPR小于或等于阈值时，选择QPSK调制器。
9.一种通信系统中的发射机，包括：
编码器，用于对编码器分组(EP)编码；
具有不同调制等级的多个调制器，用于调制子分组，所述子分组是从编码器输出的代码字；
选择器，用于通过计算MPR(调制等级乘编码率)，并比较该MPR和阈值来选择多个调制器中的一个，其中所述MPR是EP长度与有效负载调制符号的数量的比值。
10.如权利要求9所述的发射机，其中，选择器通过EP的发送时间、可用的Walsh码(NAWC)的数量和预定码片速率确定的来确定有效负载调制符号的数量。
11.如权利要求10所述的发射机，其中，如果给定最大NAWC，那么选择器通过计算EP的发送时间与预定码片速率的乘积来确定有效负载调制符号的数量。
12.如权利要求9所述的发射机，其中，当MPR大于阈值时，选择器在多个调制器中选择具有相对高的调制等级的调制器。
13.如权利要求9所述的发射机，其中，当MPR小于或等于阈值时，选择器在多个调制器中选择具有相对低的调制等级的调制器。
14.如权利要求9所述的发射机，其中，多个调制器包括QPSK调制器和16-QAM调制器。
15.如权利要求14所述的发射机，其中，当MPR大于阈值时，选择器选择16-QAM调制器。
16.如权利要求14所述的发射机，其中，当MPR小于或等于阈值时，选择器选择QPSK调制器。
17.一种用于在通信系统中确定调制等级和编码率的方法，所述通信系统具有用于对编码器分组(EP)编码的编码器和用于调制子分组的多个调制器，所述子分组是从编码器输出的代码字，该方法包括以下步骤：
计算MPR(调制等级乘编码率)，该MPR是EP长度与有效负载调制符号的数量的比值；
比较MPR与阈值，并根据比较结果来确定调制等级，以便选择多个调制器之一；以及
根据MPR和调制等级来确定编码器的编码率。
18.如权利要求17所述的方法，其中，有效负载调制符号的数量是可用Walsh码的数量、每个子分组的时隙数和一个时隙长的时间内Walsh码所覆盖的调制符号数量的乘积。
19.如权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：当MPR大于阈值时，在多个调制器中选择具有相对高的调制等级的调制器。
20.如权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：当MPR小于或等于阈值时，在多个调制器中选择具有相对低的调制等级的调制器。
21.如权利要求17所述的方法，其中，设置阈值以便选择QPSK调制器和16-QAM调制器之一。
22.如权利要求21所述的方法，还包括以下步骤：当MPR大于阈值时，选择16-QAM调制器。
23.如权利要求21所述的方法，还包括以下步骤：当MPR小于或等于阈值时，选择QPSK调制器。
24.一种通信系统中的发射机，包括：
编码器，用于对编码器分组(EP)编码；
具有不同调制等级的多个调制器，用于调制子分组，所述子分组是从编码器输出的代码字；
选择器，用于计算MPR(调制等级乘编码率)，比较MPR和阈值、根据比较结果来确定调制等级以便选择多个调制器之一，并根据该MPR和调制等级来确定编码器的编码率，其中所述MPR是EP长度与有效负载调制符号的数量的比值。
25.如权利要求24所述的发射机，其中，选择器通过将可用Walsh码的数量、每个子分组的时隙数和一个时隙长的时间内Walsh码所覆盖的调制符号数量相乘，来确定有效负载调制符号的数量。
26.如权利要求24所述的发射机，其中，当MPR大于阈值时，选择器在多个调制器中选择具有相对高的调制等级的调制器。
27.如权利要求24所述的发射机，其中，当MPR小于或等于阈值时，选择器在多个调制器中选择具有相对低的调制等级的调制器。
28.如权利要求24所述的发射机，其中，多个调制器包括QPSK调制器和16-QAM调制器。
29.如权利要求28所述的发射机，其中，当MPR大于阈值时，选择器选择16-QAM调制器。
30.如权利要求28所述的发射机，其中，当MPR小于或等于阈值时，选择器选择QPSK调制器。
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