CN1496609A - 实现加权非二进制重复累加编码和空时编码的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现加权非二进制RA编码和空时编码的方法和设备。被发送的数据被分为多个的帧单元，每个帧包括了mN个比特，每个帧进一步被分成N个块，每个块包括m个比特。将该N个块转换为N个非二进制GF(2^m)元素。这些N个非二进制码元依照重复因子r被重复。将rN个码元和加权系数相乘，该加权系数是GF(2^m)元素而非0。再对这rN个加权后的码元进行交织和累加。得到的rN个累加后的码元被发送到接收机，或者这rN个累加后的码元中的每一个码元在发送前都被去映射为m个比特。这样，信息就能在无线通信系统中得到可靠的传输。

Description

实现加权非二进制重复累加编码和空时编码的方法和设备

技术领域

本发明一般涉及移动通信系统中信道编码器及信道编码方法，该系统在接收端利用多天线来更有效地纠正信道错误，具体地说，是一种用来实现纠错编码的方法和设备，该纠错码能在无线通信系统中实现更可靠的检测和纠正信道错误。

背景技术

在移动通信系统中，发射机在信息数据中加入相应的监督(parity)数据流这样接收机能正确的接收数据信息。这种编码技术可以在发射机的不同编码器中实现，比如：RS编码器，卷积编码器，turbo编码器，以及RS和卷积联合编码器。该联合编码器包括两部分的编码器，并由一个交织器把它们连接在一起。

图1是一个典型的turbo编码器的框图。根据图1，turbo编码器包括：第一成份编码器100，turbo交织器102，第二成份编码器104，和乘法器(MUX)106。在操作中，输入的帧数据流直接输出给MUX 106以及成份编码器100和turbo编码交织器102。第一成份编码器100对帧数据流进行编码，turbo交织器102则对该数据进行交织。第二成份编码器104对交织后的数据进行编码。MUX 106将输入数据流和来自第一编码器100和第二编码器104的输出数据相乘。这里，turbo交织器102对帧数据流的信息比特序列进行排序，并根据交织器的大小产生交织器地址。该turbo交织器102能最大的体现turbo编码性能。

如图1所示，输入1个帧数据流，以1/3编码率工作的turbo编码器就会输出3个帧数据流，它们是1个输入数据流和两个用来纠正输入数据流的监督帧数据流。

如果接收的帧数据流是满秩的，那么在接收端就能获得理想的纠错性能。下面首先介绍秩的定义。

假设输入帧数据流是[110]，turbo编码器的输出是：

$\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 0\\ 1& 0& 1\\ 0& 1& 1\end{array}\right]$

也就是说，第一成份编码器100输出[101]，第二成份编码器104输出[011]。秩是利用矩阵中某列之外的其它列的和或差来决定的。上面矩阵的第三列可以看成是第一和第二列的和。除去第三列，仍然还剩有两列。因此输出帧数据流的秩为2。满秩定义为矩阵的任何1列都不可能通过对其它列进行加法或减法来表示。下面就是一个满秩矩阵的例子。

输出帧数据流： $\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& 0& 1\\ 0& 1& 1\end{array}\right]$

当编码使用二进制码时，输出帧数据流就是满秩的。然而，如果是非二进制的那么就不是满秩的。也就是说，非二进制编码器将一个输入数据流重复预定的次数，那么输出的数据流矩阵中的某一列就能被其它列之和或差来表示。这样，就很难在接收端利用接收的帧数据来恢复本原的帧数据流。因此，对于非二进制码必须使用满秩的纠错码。

发明内容

因此，本发明的目的就是提供满秩的非二进制重复累加(RA)编码器及其编码算法。

本发明的另外目的是提供一个利用满秩非二进制RA(Repeat-Accumulate)编码器的纠错编码器和纠错编码算法，它能通过使接收机在无线通信环境中正确恢复接收数据流来提供高的可靠性。

本发明还有的目的就是提供一种空时编码及其算法，这样能在无线通信环境中获得一致的数据和最大的天线分极。

为了实现上面的和其它的目的，被发送的数据被分为多个的帧单元，每个帧包括了mN个比特，每个帧进一步被分成N个块，每个块包括m个比特。将该N个块转换为N个非二进制GF(2^m)元素。这些N个非二进制码元依照重复因子r被重复。将rN个码元和加权系数相乘，该加权系数是GF(2^m)元素而非0。再对这rN个加权后的码元进行交织和累加。得到的rN个累加后的码元被发送到接收机，或者这rN个累加后的码元中的每一个码元在发送前都被去映射为m个比特。这样，信息就能在无线通信系统中得到可靠的传输。

附图说明

上述目的，以及本发明的特点和优点将在下面结合图示详细描述：

图1是典型turbo编码器的框图；

图2是根据本发明的RA编码器的框图；

图3是根据本发明的时空编码器的实施例框图；

图4是根据本发明的空时编码器的另一种实施例框图；和

图5是根据本发明的空时编码器的第三种实施例框图。

具体实施方式

本发明的优选实施例将在下面结合附图作详细的描述。在下面的描述中，一些众所周知的功能和结构将不再作具体的描述。

高斯近似在估计编码器的特性时是很有用的，这些编码器利用的是诸如RA码或低密度奇偶校验(LDPC)码(见S.Y.Chuang，T.J.Richardson，andL.Urbanke，Analysis of Sum-Product Decoding of Low-DensityParity-Check Codes Using a Gaussian Approximation，IEEE Trans.Inform.Theory，vol.47，pp.657-670，Feb.2001)的联合解码算法。对于高斯近似，非二进制码用二进制来表示。非二进制码元可以是有限域的元素，即Galios域GF(2^m)的元素，并且二进制码元和非二进制码元间的相关性也是基于该有限域理论。这将在本发明的实施例中得以体现。当非二进制码元代替二进制码元通过利用联合解码算法来提高RA码的性能，其中重复的码元是有规律的，并且联合解码算法的奇偶校验矩阵的重复码元是相互独立的。因此，对于非二进制RA码，简单的重复会使联合解码算法的性能下降。奇偶校验矩阵的二进制码元的独立性能通过重复码元的不同表示来消除。简单地说，最有效的方法是运用加权器。加权器能够通过随机的加权输出来增加重复码元间的相关性。这样当联合解码算法应用在解码器中时，解码性能可以得到提高。

图2是根据本发明实现的非二进制RA编码器的框图。参考图2，非二进制RA编码器包括映射器200，重复器202，加权器204，交织器206，编码器208，和去映射器214。映射器200接收这N个块(block)，每个单元包括m个比特，也就是说总共输入的比特数是mN个比特。该帧是发送数据的二进制表示。映射器200将这些输入的二进制数据流转化为非二进制比特流。映射器200可以通过很多种方法实现，在本发明中它是利用伽罗瓦域(GF)实现的。然而很显然二进制-非二进制映射的算法并不限制在基于GF域的方法。

如果m等于3，输入的帧可以表示为二进制比特流u₀，u₁，u₂，...，u_3N-1。映射器200将这3N个比特映射成N个码元，也就是说，将第i(i＝0，...，(3N-1)/3)个包含3个比特的块(u_3i，u_3i+1，u_3i+2)，映射为GF(2^□)元素，U_i。对应于3比特的GF(2^□)元素，U_i称为码元。表1图示说明了在GF(2^□)域中从二进制到非二进制的映射关系。

(表1)

u3i，u3i+1，u3i+2	加	乘
			000	0	0
100	1	1＝a7
			010	a	a
110	1+a	a3
			001	a2	a2
101	1+a2	a6
			011	a+a2	a4
111	1+a+a2	a5

如表1所示，尽管映射器200通过GF加(向量表示)或GF乘将输入数据块映射为非二进制码元，本发明仍将在GF加法域中进行描述。

下面将介绍二进制的GF加法表示，GF加法类同于GF乘法表示。在移动通信系统的GF(2³)域中非二进制码的生成多项式可以定义为：

f(x)＝x³+x+1                      (1)

其中，f(x)是GF(2³)域上的本原(primitive)多项式，并且如果a是GF(2³)域上的本原(primitive)元素(element)，并满足式(2)，

f(a)＝0                        (2)

那么，生成多项式就是a³+a+1＝0(例如，a³＝a+1)。这样任何一个码元都可由1，a，和a²线性组合表示。比如对于a⁴(011)，

     a⁴＝aa³＝a(a+1)＝a²+a

在这种方式下，二进制比特的GF加法表示来源于它们的GF乘法表示，如表1所示。如前所述，将一个3比特数据块(u_3i，u_3i+1，u_3i+2)转换成GF(2³)中的非二进制码元U_i。这样对于N个3比特的二进制数据块来说，经过映射器200后输出的就是码元U₀，U₁，U₂，..，U_N-1。这些输出码元称为码元序列。

将该N个码元提供给重复器202。根据数据率确定一个循环因子(repetition factor)。如果循环因子是r，那么数据率就是r/m(其中m为每一输出码元U所包含的二进制比特数目，也等于发送天线的个数)。为了获得最大数据率，r一般设为m。比如，如果m等于3，那么r就设定为3。

这样，重复器202就将输入的非二进制码元U₀，U₁，U₂，...，U_N-1重复3次，并输出非二进制码元X₀，X₁，X₂，...，X_N-1，它们分别表示，

X_3i＝X_3i+1＝X_3i+2＝U_i，i＝0，1，2，...，N-1           (3)

当输入非二进制码元时，重复器202输出3个相同的非二进制码元，如式(3)所示，它们不是满秩的。为了实现满秩，X₀，X₁，X₂，...，X_N-1被送往加权器204。

加权器204将输入的第i个非二进制码元与作为GF(2³)域中元素的加权系数β_i相乘。在本发明的实施例中，在加权器204中所采用的加权因子的个数等于重复因子r，并且加权系数不等于0。特别的是，加权器204将接收自重复器202的3个相同的非二进制码元分别乘以3个不同的加权因子。在这里使用GF，仅仅是举例。这样，只要能让加权后的非二进制码元是满秩的，那么这种加权系数就可以使用。如果加权后的非二进制码元是Y₀，Y₁，Y₂，...，Y_3N-1，

Y_i＝β_iX_i    i＝0，1，2，...，3N-1               (4)

交织器206基于码元将Y₀，Y₁，Y₂，...，Y_3N-1交织，并输出交织后的码元Z₀，Z₁，Z₂，...，Z_3N-1给编码器208。交织器206的功能是接收的码元序列进行排序。

编码器208是个累加器，包括：加法器210和寄存器212，但是它们都可以用1抽头(one-tap)和2抽头(two-tap)RSC(递归系统卷积)编码器来替代。根据所输入的交织器的输出Z₀，Z₁，Z₂，...，Z_3N-1，编码器208输出C₀，C₁，C₂，...，C_3N-1。

$C_i=\underset{j=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_j--i=\mathrm{0,1,2},...,3N-1---\left(5\right)$

去映射器214将接收自编码器208的每个非二进制码元C₀，C₁，C₂，...，C_3N-1映射为多个二进制比特。因为去映射器214的操作与映射器200的映射顺序是相反的，因此去映射器将每一个GF(2³)中的非二进制码元变换为3个二进制比特。如果映射器200的映射方式改变，那么去映射器214的操作也作相应的变化。去映射器214将GF(2³)的元素C_i映射为二进制码元(c_i1，c_i2，c_i3)。去映射器的输出可通过多天线发送到接收机。

图3，4和5说明了一种高可靠性的时空编码器的实施例结构，它是通过将多个发/收天线和纠错技术结合一起来实现的，这种纠错技术是采用本发明如图2所示的非二进制RA编码器。

图3是根据本发明实现的利用BPSK(二进制相移键控)编码实现的空时编码器的实施例框图。该空时编码器是在图2介绍的RA编码器结构基础上再增加了信号映射器(或比特分配器)312，多个天线314，316和318。从映射器300到去映射器310功能块的操作与图2中从映射器200到去映射器214的操作是一样的。因此，这些操作就不再介绍了。

去映射器310输出3比特二进制码元(c_i1，c_i2，c_i3)至信号映射器312。信号映射器(或比特分配器)312将输入比特(c_i1，c_i2，c_i3)映射成BPSK信号(s_i1，s_i2，s_i3)。BPSK是一种利用已知幅度和相位的载波的相位进行映射的方式。BPSK映射信号(s_i1，s_i2，s_i3)通过天线314，316和318发送至接收机。天线314，316和318的个数和去映射器310输出的映射到非二进制码元上的比特数有关。在本发明中，因为一个比特码元包含3个比特，所以这里使用3个天线来获得高的分极性能。如前所述，数据率r/m被抬高到1。在第i个时段，信号s_i1，s_i2，s_i3分别通过天线314，316和318发送出去。

图4是根据本发明的空时编码器的另外一个实施例的框图。参考图4，发送机将发送信号分为很多的帧，每个帧包括了mnN个比特。每个mnN比特帧进一步被分成nN个块，每个块包括m个比特，其中n是子帧的个数。映射器400将这nN个块映射成非二进制码元，该映射操作与图2说明的映射器200的操作是一样的。

串并转换器(SPC)300将nN个非二进制码元块转换为n个子帧，每个子帧包括N个块。如果这n个子帧表示为U⁽¹⁾，U⁽²⁾，...，U⁽ⁿ⁾，那么第k个子帧包括有N个块，U₀ ^(k)，U₁ ^(k)，...，U_N-1 ^(k)。这第k个子帧U^(k)就是通过SPC 410输入的第k个STC(空时编码)块。

对于输入的第k个子帧U^(k)，第k个STC(空时编码)块通过重复因子为r(≤m)的重复器，加权器，交织器和编码器，输出非二进制码元C^(k)。为了获得最大数据率，就应该使得r＝m。重复器420至424，加权器430至434，交织器440至444，，编码器450至453，以及去映射器460至464，分别与图2所示的对应器件进行相同的操作，并且这n个STC(空时编码)块包含相同的元件。C^(k)包括rN个非二进制码元C₀ ^(k)，C₁ ^(k)，...，C_rN-1 ^(k)。因此，一个子帧就包含rN个非二进制码元。去映射器将这rN个非二进制码元中的每一个码元转换为相应的m个比特。也就是说，去映射器将第k个STC(空时编码)块中的第i个非二进制码元(GF(2^m)域的元素C_i ^(k))转换为m个比特，c_i1 ^(k)，c_i2 ^(k)，...，c_im ^(k)。

将从去映射器460到464输出的比特码元提供给信号映射器470。信号映射器470利用接收自n个去映射器，c_ij ⁽¹⁾，c_ij ⁽²⁾，...，c_ij ⁽ⁿ⁾，的n个比特的信号星座，决定信号s_ij在第i个时间通过第j个天线发送出去。信号码星座是根据n来确定的。如果n等于2，那么码星座映射就是QPSK(四相频移键控)。如果n等于3，那么码星座映射就是8QAM(四相幅度映射)。通过第j个天线发送的信号是s_0j，s_1j，...，s_rj，其中0到r表示发送时间。发射天线480到484的数目等于重复因子。

图5是根据本发明的利用m个天线实现的空时编码的另外一个实施例框图。参考图5，发送机将发送信号分为很多的帧，每个帧包括了2mnN个比特。每个2mnN比特帧进一步被分成2nN个块，每个块包括m个比特。映射器500将这2nN个块映射成非二进制码元，该映射操作与图2说明的映射器200的操作是一样的。

串并转换器510将2nN个非二进制码元块转换为2n个子帧，每个子帧包括N个块。如果这2n个子帧表示为U⁽¹⁾，U⁽²⁾，...，U⁽²ⁿ⁾，那么第k个子帧包括有N个块，U₀ ^(k)，U₁ ^(k)，...，U_N-1 ^(k)。这第k个子帧U^(k)就是SPC510输入的第k个STC(空时编码)块。

对于输入的第k个子帧U^(k)，第k个STC(空时编码)块通过重复因子为r(≤m)的重复器，加权器，交织器和编码器，输出非二进制码元Z^(k)。为了获得最大数据率，就应该使得r＝m。包括2n个STC(空时编码)块的重复器520至526、加权器530至536、交织器540至546、编码器550至556，以及去映射器560至566，分别与图2所示的对应器件进行相同的操作，并且这2n个STC(空时编码)块包含相同的元件。Z^(k)包括rN个非二进制码元Z₀ ^(k)，Z₁ ^(k)，...，Z_rN-1 ^(k)。去映射器将这rN个非二进制码元中的每一个码元转换为具有m个比特的二进制码元。也就是说，去映射器将在第k个STC(空时编码)块中的第i个非二进制码元(z_i ^(k))转换为m个比特，Z_i1 ^(k)，Z_i2 ^(k)，...，Z_im ^(k)。

将输出自去映射器550到552的比特码元Z⁽¹⁾，Z⁽²⁾，...，Z⁽ⁿ⁾提供给第一转换器560，并且将输出自去映射器554至556的比特码元Z⁽ⁿ⁺¹⁾，Z⁽ⁿ⁺²⁾，...，Z⁽²ⁿ⁾提供给第二转换器562。第一转换器560通过对所输入的整数进行模2ⁿ运算，将所接收的比特码元转换为实部码元Y₀ ^R，Y₁ ^R，...，Y_rN-1 ^R。第二转换器562通过对所输入的整数进行模2ⁿ运算，将所接收的比特码元转换为虚部码元Y₀ ^I，Y₁ ^I，...，Y_rN-1 ^I。这样，转换器560和562的功能是将所输入的n比特转换为一个信号。从转换器560和562输出的第i个Y_i ^R和Y_i ^I就可以表示为(Y_i1 ^R，Y_i2 ^R，...，Y_im ^R)和(Y_i1 ^I，Y_i2 ^I，...，Y_im ^I)，其中，

$Y_{\mathrm{ij}}^R=z_{\mathrm{ij}}^{\left(1\right)}+{2z}_{\mathrm{ij}}^{\left(2\right)}+...+2^{n-1}{z}_{\mathrm{ij}}^{\left(n\right)}---\left(6\right)$

$Y_{\mathrm{ij}}^I=z_{\mathrm{ij}}^{(n+1)}+{2z}_{\mathrm{ij}}^{(n+2)}+...+2^{n-1}{z}_{\mathrm{ij}}^{\left(2n\right)}---\left(7\right)$

第一累加器570将实部码元Y₀ ^R，Y₁ ^R，...，Y_rN-1 ^R累加，并输出实部序列C₀ ^R，C₁ ^R，...，C_rN-1 ^R，并且第二累加器572将虚部码元Y₀ ^I，Y₁ ^I，...，Y_rN-1 ^I进行累加，并输出虚部序列C₀ ^I，C₁ ^I，...，C_rN-1 ^I。1抽头或2抽头RSC编码器也能代替累加器570和572来使用。

累加后的码元输入到信号映射器580。信号映射器580通过将累加后的码元(C_i ^R，C_i ^I)映射到码星座上，来确定信号s_ij，该信号s_ij将在第i个时间段通过第j个天线发送出去。通过第j个天线发送的信号是s_0j，s_1j，...，s_(rN-1)j，并且发送天线590到594的个数是与重复因子相同的。如果重复因子是m，那么就需要使用m个天线。

接收机接收发送自这m个天线的信号。如果所接收的信号表示为R₀，R₁，...，R_N-1，那么利用对数似然计算出R_i中(C_i ^R，C_i ^I)的每一个分量的对数似然值，并使用该对数似然值计算出相应码元Z_i ^(k)的初始LLR(对数似然比)。利用初始LLR，利用对组合器，加权器，解交织器和累加器的链接码进行迭代解码，将Z_i ^(k)解码为U₀ ^(k)，U₁ ^(k)，...，U_N-1 ^(k)。

根据本发明，非二进制码元和二进制码元一样是满秩的，这样接收机就能无误的接收发送的数据。N个码元通过重复因子r被重复。这rN个重复的码元利用非0的加权系数进行加权并重新排序，由此被随机化。因此，信道编码的性能得到提高。

rN个加权码元中的每一个都被转换为m个比特。这m个比特分别被分配到m个天线。为了获得最大数据率，r设定为m。这样就能获得最大分极增益，而与交织器的类型无关。

在这里通过参照实施例对本发明作了描述和介绍，这样本领域的技术人员就能理解其中形式和细节上的变化，而这些变化并没有脱离所附权利要求中的精神和形式。

Claims (20)

1.一种利用多天线的移动通信系统包括：

重复器，用来接收非二进制码元，并重复该非二进制码元，其中多个二进制比特由非二进制元素来表示；

加权器，用来将重复的非二进制码元与相应的加权系数相乘；

交织器，用来将加权后的非二进制码元进行交织；和

编码器，用来对交织后的码元进行编码。

2.如权利要求1所述的移动通信系统，还包括了映射器，该映射器是用来将多个二进制比特映射为伽罗瓦域GF2^m上的非二进制元素，其中，m是映射到非二进制元素的二进制比特的个数。

3.如权利要求1所述的移动通信系统，其中，加权器也是将伽罗瓦域GF2^m上的非二进制元素作为加权系数。

4.如权利要求3所述的移动通信系统，其中，加权器所包括的加权系数的个数等于重复数，并且该加权器将相同的重复后的码元乘以不同的加权系数。

5.如权利要求1所述的移动通信系统，其中，编码器包括累加器。

6.如权利要求1所述的移动通信系统，其中，编码器包括递归系统卷积编码器(RSC)。

7.如权利要求5所述的移动通信系统，其中，编码器还包括累加器，用来接收来自交织器的所述非二进制码元，并将该非二进制码元进行顺序累加。

8.如权利要求6所述的移动通信系统，其中，编码器包括1抽头递归系统卷积编码器(RSC)。

9.如权利要求1所述的移动通信系统，还包括去映射器，用来将编码后的码元映射为多个二进制比特。

10.如权利要求1所述的移动通信系统，还包括信号映射器，用来将接收自去映射器的多个二进制码元分别分配到天线上。

11.一种利用多天线的移动通信系统，包括如下步骤：

接收非二进制码元，并重复码元的该非二进制码元，其中多个二进制比特由非二进制元素来表示；

将重复的非二进制码元与相应的加权系数相乘；

将加权后的非二进制码元进行交织；和

对交织后的码元进行编码。

12.如权利要求11所述的移动通信系统，其操作步骤还包括将多个二进制比特映射为伽罗瓦域GF2^m上的非二进制元素，其中，m是映射到非二进制元素的二进制比特的个数。

13.如权利要求11所述的移动通信系统，其中，加权系数是伽罗瓦域GF2^m上的非二进制元素。

14.如权利要求11所述的移动通信系统，其中，加权系数的个数等于重复的次数，并将相同的重复码元乘以不同的加权系数。

15.如权利要求11所述的移动通信系统，其中，编码是通过对交织后的非二进制码元进行递归系统卷积编码(RSC)来实现的。

16.如权利要求11所述的移动通信系统，其中，编码是通过将交织后的二进制码元进行顺序累加来实现的。

17.如权利要求15所述的移动通信系统，其中，递归系统卷积编码器(RSC)是1抽头递归系统卷积编码器(RSC)。

18.如权利要求11所述的移动通信系统，还包括将编码后的非二进制码元映射为多个二进制比特的步骤。

19.如权利要求11所述的移动通信系统，还包括将多个二进制码元分别分配到天线上的步骤。

20.如权利要求14所述的编码方法，其中在加权步骤中，加权系数是GF(2^m)元素，而非0。

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