TW200952408A - Techniques for multiple-subcarrier joint precoding - Google Patents

Description

200952408 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大致上係關於正交分頻多工（OFDM)通信系統， 且更特定言之，關於藉由此等系統執行的預編碼技術。 本申請案主張2008年3月10曰申請之美國臨時申請案第 _ 61/035，142號之權利。 ^ 【先前技術】

WiMedia標準定義基於正交分頻多工（OFDM)傳輸之一媒 ® 體存取控制（MAC)層與一實體（PHY)層之規範。該WiMedia 標準使短程多媒體檔在低功率消耗下以至多480 Mbps之速 率傳輸。該標準在超寬頻（UWB)頻譜中操作於3.1 GHz與 10.6 GHz之間的一頻帶中。然而，該WiMedia標準速率的 最高資料速率不能滿足未來無線多媒體應用，諸如HDTV 無線連接性。業界正努力將資料速率增加至1 Gpbs及以 上。 為此，已設想將弱（或非通道）通道編碼及更高階符號星 參 座圖（constellation)技術用於未來高資料速率無線系統。例 如，如果使用一 ％迴旋碼和16QAM調變，WiMedia PHY傳 . 輸速率可增加至960 Mbps。然而，需要預編碼所傳輸的 OFDM符號以確保良好的性能。 需要預編碼技術以避免因為OFDM傳輸特徵之頻率分集 增益結果的損耗。明確言之，以一弱通道碼，該OFDM不 能有效地使用該頻率分集。因此，通道性能幾乎是由最差 的次載波決定，該最差的次載波具有最小的信號雜訊比 139056.doc 200952408 (SNR)。此限制由一習知OFDM無線系統攜載的高資料速 率應用之數量。 為克服此問題，在先前技術中已討論若干預編碼技術。 一般而言，預編碼技術係基於將傳輸符號聯合地調變於多 重次載波上。此允許一接收器甚至在此等次載波之一些處 於嚴重衰落時亦可恢復傳輸符號。在2004年3月由Z. Wang，X. Ma及G. B. Giannakis發表在IEEE通信會刊，第 52卷，第380-394頁的「OFDM或單載波塊傳輸？（OFDM or single-carrier block transmissions?)」，及 2001 年 3 月 20至 23 日由Z. Wang及G. B. Giannakis在台灣，桃園，於第三屆 IEEE關於無線通信中信號處理進展之信號處理研討會中發 表之「抗無線通道衰落之線性預編碼或編碼的OFDM (Linearly Precoded or Coded OFDM against Wireless Channel Fades)」中可找到用於預編碼技術之實例。 預編碼通常係藉由耦合至一傳輸器之一 IFFT OFDM調變 器之一輸入的一預編碼器電路，及藉由耦合至一接收器之 一 FFT OFDM解調器之輸出的一預解碼器電路執行。一設 計良好的複雜之預編碼器可有效地使用藉由多路徑通道提 供的頻率分集。然而，實施一複雜之預編碼器增加傳輸器 與接收器的複雜性，因為其需要更精密的解碼及符號映射 技術。例如，使用雙載波調變（DCM)作為一預編碼器，需 要將QPSK符號星座圖替代為16QAM符號星座圖。 此外，為保證高資料速率模式中的全部頻率分集（亦 即，2階分集），需要一更高星座圖（例如，256QAM)。例 139056.doc 200952408 如，如果一 DCM用於聯合調變使用16QAM星座圖形成的 兩個資訊符號s(i)及s(i+50)，達成如下的一二階頻率分 集： 4 4 1 ' _1 -4 χ(0 —P幸 ^(0 1 •4 1 ' ^(0 x(i + 50) 一 Λ /0 + 50) 1 -4 s(i + 50) 資訊符號s(i)及s(i + 50)係使用一 16QAM星座圖形成。然

而’預編碼操作將該符號星座圖擴展至256QAM，亦即經 預編碼之符號x(i)及x(i+50)的星座圖是256qAM。 實施及設計具有如此一高星座圖的接收器及傳輸器而不 影響分集增益及通道總性能是不切實際的。該高星座圖是 僅聯合預編碼兩個符號以達成二階分集之習知預編碼技術 的一副產品。

因此有利的是提供—有效預編碼技術以達成—二階頻率 分集同時最小化星座圖的大小。 【發明内容】 本發明的特定實施例包含 變（MSJM)預編碼之一方法 元分組成位元塊；將該等位 位元向量之每—者映射至— 成資料次載波。 用於執行一多重次載波聯合調 >該方法包括：將輪入資訊位 兀塊轉變成位元向量；將該等 符號向量；及將符號向量調變 本發明的特定實施例亦 存於其上之用於執行一多 包含—電腦可讀媒體，其具有儲 重次载波聯合調變（MSJM)預編 139056.doc 200952408 =電:::執行碼。該電腦可執行碼引起-電腦執行下列 认位元分組成位域；將料位元塊轉變 成位向量；脾^ ^ 量·及… 之母—者映射至-符號向 量，及將符就向量調變成資料次載波。 本發明的特定實施例也包含用於執行—多重次載波聯合 調變（msjm)預編碼的—正交分頻多ι(_μ)傳輪器。該 OFDM傳輸器包括用於將位元塊轉換成位元向量之一第二 串列轉並列（S/P)轉換器；用於將該等位元向量之每一者映 射到一符號向量之-預編碼器；^於分組符號向量及映 射該等符號向量到資料次載波之-第二S/P轉換器。 視為本發明的標的係在本說明書結尾於請求項中特別指 出且明確主張。結合附隨圖式從以下詳細描述中將瞭解: 發明之前述及其他特徵及優點。 【實施方式】 重要的是注意，由本發明揭示的實施例僅僅是本文創新 教示之許多有利用途的實例…般而言，在本申請案之說 明書中做出的陳述未必限制各種主張之發明之任一者。此 外，一些陳述可應用於一些發明特徵而不可應用於其他 者。一般而言，除非另有指示，單數元件可以是複數且反 之亦然而不失一般性。在圖式中，貫穿若干視圖之相同數 子表不相同部分。 圖1顯不用於描述本發明之原理的一基於〇?£)1^無線系統 100的一非限制及例示性方塊圖。該系統1〇〇聯合預編碼 m(m>2)個次載波以達成—二階頻率分集，同時維持—小的 139056.doc 200952408 星座圖大小。该系統1 〇〇可為根據無線通信標準，包含（但 不限於 mMediaUWB 版本 u、i 5及2〇、IEEE 8〇2 Un、

WiMax等等操作的任何類型之基於〇FDM無線系統。 該系統1〇〇包括透過一無線媒體通信的一傳輸器ιι〇及一 . 接收器120。傳輸器110包含_列轉並列（S/P)轉換器ill及 113、一預編碼器112及一 _Μ調變器ιΐ4。該接收器12〇 •&含—〇FDM解調器121、—並列轉串列（m)轉換器122及 一預編碼器123。該系㈣亦包括-傳輸天線130及一接 @ 收天線140。 根據本發明之原理，輸人資訊位元，較佳言之在其等經 編碼及交錯後被分割成位元塊。每個位元塊包含^位 ^其中「n」係可用資料:域波的數量且「g」係每次載 波待傳輸之位元的數吾 q/P絲祕 匕町數里S/P轉換|5ηι將每個位元塊轉換 為k個位元向量。例如，第q個位元塊之第i個位元向量可 表示為如下： ❿ (〇)人,⑴，···，〜,(w * g —曰」係寅料_人載波之數量除以經聯合預編碼次載波 之數量，亦即，η/m。每個位元向量包含m*g個位元。 在本發明之-較佳實施财，該預編Μ112利用—查 2表以將每個位元向量映射至一符號向量。一符號向量包 3m個符號，且對應於個 -^ 號向量可表示為如下： ……向量的符 (h)， (Ζ·2 )，.··，%，,(〜）] 139056.doc 200952408 當利用一查找表時，位元向量&的值係被用作表索引以 檢索符號向量的值。該查找表的大小為〇1乘2„14。需要一 數字2m g以對於任意兩個不同位元向量達成一二階分集， 其等對應符號向量&，,.有至少兩個符號不相同。下面詳細描 述產生查找表的多種實施例。 符號向量係藉由s/ρ轉換器U3組合在一起及映射到

「π」個資料次載波。符號Sqi(ie)(e=1，…，在第q個OFDM 符號之第16個資料次載波上傳輸。〇FDM調變器114執行一 IFFT運算以產生一時域傳輸信號，該信號接着透過傳輸天 線130傳輸。 %域傳輸信號係在接收器12〇接收，且透過由〇FDM解調 器121執行的一 FFT運算轉換成一頻域信號。接着，由p/s 轉換器122輸出m個符號向量：二,〜龙,疋，其中 YJU係第q個OFDM符號之第ie個資料次載波的所接收信 號’且「T」表示矩陣轉置運算。預解瑪器ι23使用下列等 式產生資訊位元： rq,, = diag {sqi}*h. + Nqi (i) 其中也係一 mXm對角矩陣，且第e個對角元素等於 Sq’i(ie)(e = l，...，m)，向量係一接收的符號向量， 啦)，··紙γ係一通道參數向量，其中h(ie)(e=i,，⑷ 表示第ie個資料次載波的通道參數，且係一加成性白 高斯（Gaussian)雜訊（AWGN)向量。 根據本發明的一較佳實施例，可簡單化預編碼。在此實 施例中，接收器120(從m個次載波）選擇具有最高信號雜訊 139056.doc 200952408 比的至y m-1個次載波。各自選定之次載波的符號索引係 分別被預解碼。因為預編碼技術具有一二階分集，經預解 碼的m-1個索引係足夠用以恢復位元向量。此顯著地減少 預解碼處理的複雜性。 下列係描述由本發明揭示之預編碼技術之非限制實例。 在下列實例中，經聯合預編碼次載波的數量rm」係3，可 用資料次載波的數量「nj係1〇2，且每一次載波待傳輸位 0 元的數量「g」係4。輸入資訊位元被分組成位元塊，每個 塊包含102*4=408個位元。接着，產生34(102/3 = 34)個位元 向量’每個向量包含12(4*3 = 12)個位元。該等位元向量 係： 由於輸入位元向量&，，具有12個位元，預編碼所需之碼字 之數量係212 = 642。因此，對於符號用以達成二階分集 之最小星座圖大小係64。因此，與其他習知技術相比較而 ❹ 言，根據本發明之預編碼技術將星座圖大小增加2的冪次 (例如，16QAM至64QAM)，諸如DCM將星座圖大小增加至 少4的冪次（例如，16QAM至256QAM)。 預編碼器112將每個位元向量映射至一符號向量 • \,/=[^(〇，\(，+ 34)，~(，_ + 68)]，其中所有三個符號係來自一 64- QAM星座圖。符號、\〇· + 34)及·sW + 68)係分別地在第q 個OFDM符號之第i個、第（i + 34)個及第（i+68)個資料次載波 上傳輸。如上文提及，映射係使用一查找表執行。在此實 139056.doc 200952408 例中’該表包含212(或642)列及3行。圖2係根據本發明之 實施例產生的一查找表之一貫例。值c i、及q係符 號向量内sq(i)、Sq(i + 34)& sq(i + 68)中之符號的值。為產 生查找表，將值内，,⑼人,(1)，..人(5)] ( ΣΜ·/)2/)用於c!及值 )=〇 田》 [〜⑹也⑺，·.人，(叩（实〜力· + 6^ 值。 根據本發明之一實施例，用於q的映射值係使用料階之 任何拉丁 2-超立方（或一 64x64拉丁方陣）決定。一v階之拉 丁 z-超立方係一 z維陣列，其中每列係符號〇....... 之排列。一拉丁矩陣係一「1x1」方陣，其各單元含有 「I」個不同的符號（自0至（ι_υ)，其中在任何列或行 中符號僅出現一次。明確言之，q行之第d個元素（其 中 d-l=x*64+y，〇分，063)係-64χ64拉丁方陣之第（χ+1 , y+l)個元素。作為一實例，下列拉丁矩陣可用於映射。之 值： 0 63 62 ... Γ 63 62 61 ... 〇 Μ 62 61 60 ... 63 L1 〇 63 ... 2 此矩陣允許使用一非二元運算表示q之值，亦即， c3=m〇~d(64-C2-Cl，64)。圖2中顯示〜值係使用此以64為模 之運算計算。該預編碼允許達成二階分集，因為該查找表 之任意兩個不同列包含至少兩個不同之符號。 應注意任何類型（特殊或非特殊）拉丁矩陣可用於決定符 139056.doc 10· 200952408 號的值。應進一步注意，用不同的預編碼技術可導致不同 的拉丁矩陣及不同的符號星座圖標記（亦即，符號索引與 符號星座圖上之點之間的映射），其可具有不同性能。此 允許選擇星座圖標記及__拉丁方陣以最優化系統之性能。 在另一實施例中，q值可根據如下定義的一二元運算決 定：

[pqj ^Xpq,t (1),..., pqi (5)] = [bqJ (0),δ9. (1),...,,.(11)] * 其中G等於： '110 10 0、 1 〇 1 0 1 〇 1 1 〇 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 ο 1 G = 1 〇 Ο 1 Ο 1 0 〇 1 Ο 1 1 0 1 〇 1 Ο 1 1110 11 1 Ο Ο 1 1 〇 1 〇 Ο Ο 1 1

0 1 0 0

J 且可使用[心(0)，ρ (1)，...,户⑸] (Σ，,ω2ν ’化（）]之值計算C3行的值為 备將位元向量映射到 〜现问置完成時，所有34個輸出 ^ ~133心合在—起並被映射在1G2個資料 次載波上。 圖3顯示證實根據本發 ^ .. 乃的—貫施例實施的預編碼技術 之性忐之模擬結果。在 $ 、擬中，使用102個資料次載波。 这預編碼（「MSJM預編碼 ^」）係在假定所有資料次載波通 139056.doc -11· 200952408 道為i.i.d雷利（Rayleigh)衰落通道下，使用一預定義拉丁矩 陣及一格雷QAM標記之一組合而完成。如可能注意到的， (相對於該MSJM預編碼之）MSJM解碼的增益（由一曲線310 指示）比以16QAM之習知DCM預編碼的增益（如由一曲線 320指不）更好。使用簡單化預編碼/預解碼技術導致比 MSJM預編碼更低的增益性能（如由一曲線33〇指示）。然而 該預解碼比較不複雜。應瞭解本發明技術在性能_複雜性 上具有一良好的權衡。 圖4顯示一非限制流程圖4〇〇，該流程圖4〇〇描述用於執 行根據本發明之一實施例實施的一多重次載波聯合調變 (MSJM)預編碼之方法。在S41〇，輸入資訊位元被分組成 位兀塊，其等之每一者包含n*g個位元。參數「η」係可用 次載波之數量，且「g」係每一次載波待傳輸之位元之數 ΐ。在S420，位元塊被轉換成位元向量。位元向量之數量 係等於資料次載波之數量除以經聯合預編碼之次載波的數 量，亦即n/m。在S430，每個位元向量被映射至包含瓜個 符號的一符號向量。在一較佳實施例中，該映射係使用具 有2g m列及m行的一查找表執行。 為構建查找表，首先產生包含列及〇行的一表。參 數Q係星座圖大小且係被決定為滿足以下等式之最小整數 大小： 丨㈣"％-丨）。 前m-i」行之值係使用上面詳細提及之技術之一者設 139056.doc 200952408 定。接着一 Q階拉丁（m-l)超立方被插入（以列方式）最後（m) 行。在構建查找表中最後步驟包含從該表中選出 2g<tm個不同列。 在S440，符號向量係被調變於r n」個資料次載波上並 被傳輸。應瞭解MSJM預編碼能夠以改良之增益性能及最 小之符號星座圖擴展而增加傳輸的資料速率。 ❹

前面的詳細描述已闞明本發明可採取之很多形式中的一 些。期望將前面的詳細描述理解為本發明可採取之選定形 式之說明且不作為本發明的定義之限制。唯有請求項（包 含所有等效物）係供以定義本發明之範圍。 最佳而言，本發明之原理係作為硬體、韌體及軟體之一 組合實施。此外，該軟體較佳地係實施為被有形地具體化 於-程式儲存單元或電腦可讀媒體上的一應用程式。此應 用，式可被上載至包括任何適當結構之一機器，並藉由該 機器執行。較佳而言，該機器係實施於一具有硬體諸如一 個或多個中央處理單元(「CPU」）、一記憶體及輸入/輸出 介面之—電腦平台上。該電腦平台也可包含一作業系統及 微心v石馬。本文描述的多種處理及功能可為微指令瑪之部 分或者應用程式之部分，或者其等任—組合，其可藉由一 cpu執行’無論該電腦或處理以否經明確地顯示。另 外:可將多種其他週邊單元連接至該電腦平台，諸如一附 加資料儲存單元及一列印單元。 【圖式簡單說明】 圖Η系根據本發明的一實施例之一 〇FDM通信系統之一方 139056.doc -13- 200952408 塊圖， 圖2係顯示符號向量的預編碼之一例示性查找表； 圖3係顯示多重次載波聯合調變（MSJM)預編碼之模擬結 果的一圖表；及 圖4係描述用於執行根據本發明的一實施例實施的MSJM 預編碼之一例示性方法的一流程圖。 【主要元件符號說明】 100 系統 110 傳輸器 111 串列轉並列轉換器 112 預編碼器 113 串列轉並列轉換器 114 OFDM調變器 120 接收器 121 OFDM解調器 122 並列轉串列轉換器 123 預解碼器 130 傳輸天線 140 接收天線 310 曲線 320 曲線 330 曲線 400 流程圖 139056.doc -14-

Claims (1)

1. 200952408 七、申請專利範圍： 1. 一種用於執行一多重次載波聯合調變（MSJM)預編碼之方 法（400) ’該方法包括： 將輸入資訊位元分組成位元塊（S4丨; 將該等位元塊轉換成位元向量（S420); 將該等位元向量之每一者映射至一符號向量（S43〇);及 將符號向量調變成資料次載波（S440)。 2'如叫求項1之方法，其中每個符號向量包含m個符號，其 中m等於經聯合預编碼之次載波的數量。 3.如請求項2之方法，其中每個位元向量包含m*g個位元， 其中g係每一次載波待傳輸位元之數量。 4·，明求項3之方法，其中一最小星座圖大小要求該等符 號之調變係一位元向量内之位元數量的一函數。 5·如請求項4之方法，其中該等位元向量之每一者至該符 號向量的該映射係使用一查找表執行，其中該查找表中 φ 列之數量等於該星座圖大小的（m-1)冪次，且該查找表中 行之數量等於一符號向量中符號之數量。 °月求項5之方法，其進一步包括藉由以下產生該查找 .表： 產生一表，其中該表之列與行之數量等於該查找表之 列與行之數量； 2由設定該表中前m-1行中之值決定用於該符號向量 中月〗《1-1個符號之映射值； 以列方式插入一拉丁（m-Ι)超立方於該表之最後行；及 139056.doc 200952408

   ’其中在該查找 至少一者決定：一 以下之 -元運鼻、非二 ί匕s至少兩個不同之符號。 t ’其中前m-l行之該等值係使用 位元向量之位元值、二元運算 元運算及一星座圖標記。 8. 種其上儲存有用於執行一多重次載波聯合調變（MSjm) 預編碼之電腦可執行碼的電腦可讀媒體，其包括： 將輸入資訊位元分組成位元塊（S4丨〇); 將該等位元塊轉換成位元向量（S42〇); 將該等位元向量之每一者映射至一符號向量（843〇);及 將符號向量調變成資料次載波（S44〇)。 9. 一種用於執行一多重次載波聯合調變（MSJM)預編碼之正 交分頻多工（OFDM)傳輸器（no)，其包括： 一第一串列轉並列（S/P)轉換器（111)，其用於將位元塊 轉換成位元向量； 一預編碼器（112)，其用於將該等位元向量之每一者映 射至一符號向量；及 一第二S/P轉換器（113)，其用於分組符號向量及將該 等符號向量映射至資料次載波。 10. 如請求項9之OFDM傳輸器，其進一步包括一 OFDM調變 器（114) ’該〇fdM調變器用於產生將透過一無線媒體傳 輸之一時域信號。 11·如請求項9之OFDM傳輸器，其中每個符號向量包含m個 符说，其中rn係等於經聯合預編瑪之次載波之數量。 139056.doc 200952408 m*g 12.如請求項11之OFDM傳輸器，其中每個位元向量包括 個位元’其中g係每一次載波待傳輸位元之數量。 13.如請求項I2之OFDM傳輸器，其中該等位元向量之每— 者至一符號向量的映射係使用一查找表執行。 M·如請求項13之_傳輸器’其中該查找表之任意兩個 不同列包含至少兩個不同之符號。 I5·如請求項14之OFDM傳輸器 使用以下之至少一者決定 陣、一位元向量之位元值、 星座圖標記。 ，其中該查找表中行之值係 :一拉丁超立方、一拉丁矩 一元運算、非二元運算及一

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