TWI459771B - 改良式雙載波調變預編碼 - Google Patents

Description

改良式雙載波調變預編碼

本發明一般涉及正交分頻多工(OFDM)通信系統，特別是由此等系統實施的預編碼技術。

本申請案主張2008年4月18日申請之美國臨時申請案第61/046,121號之權利。

WiMedia標準定義了基於正交分頻多工(OFDM)傳輸的媒體存取控制(MAC)層與實體(PHY)層的規格。目前該WiMedia標準使短距離多媒體檔能夠以可達480Mbps的速率而低功率消耗地傳輸。該標準作業在超寬頻(UWB)頻譜的3.1GHz與10.6GHz之間的頻帶中。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，如高清晰度電視(HDTV)無線連接。人們正在努力把資料速率提高到1Gbps及以上。

為此，已經設想在未來高資料速率無線系統中使用弱通道(或非通道)編碼以及更高階調變技術。例如，如果一起使用卷積編碼與16正交振幅調變(QAM)調變方案，則該WiMedia PHY傳輸速率可被提高到960Mbps。然而，需要預編碼該等傳輸的OFDM符號以確保良好性能。

由於該OFDM傳輸的該等特性，該預編碼技術需要避免頻率分集增益的損失。具體而言，對於弱通道編碼，該OFDM不能有效利用頻率分集。因此，該通道性能幾乎是由最差次載波決定，該最差次載波具有最低信雜比(SNR)。這限制了可由習知OFDM無線系統攜帶的高資料速率應用的數目。

為了克服該問題，已經在相關技術中討論一些預編碼技術。一般而言，該等預編碼技術是基於聯合調變發送符號到多個次載波上。這允許接收器恢復發送符號，即使這些次載波的一些是處於深度衰落中亦然。該預編碼通常由一耦合到一發射器的一IFFT OFDM調變器的一輸入的預編碼器電路及由一耦合到一接收器的一FFT OFDM解調器的該輸出的預解碼器電路實施。預編碼技術的實例可在由Z.Wang、X.Ma和G.B.Giannakis 2004年3月出版在IEEE通信匯刊第52卷380-394頁的「OFDM或單載波區塊傳輸？(OFDM or single-carrier block transmissions?)」中以及由Z.Wang和G.B.Giannakis 2001年3月20-23日在臺灣桃園縣出版在Third IEEE Signal Processing Workshop on Signal Processing Advancesin Wireless Communications中的「對無線通道衰落的線性預編碼或編碼OFDM(Linearly Precoded or Coded OFDM against Wireless Channel Fades)」中找到。

WiMedia標準聯盟採用的該預編碼技術是習知雙載波調變(DCM)。這種預編碼技術聯合預編碼兩個符號並在兩個不同次載波上傳輸該等預編碼符號以實現2階頻率分集。為此，符號被乘以一預編碼矩陣R。例如，符號s(i)和s(i+50)的預編碼可描述如下：

其中，該等符號x(i)和x(i+50)是預編碼符號。

該習知DCM預編碼的該等缺點其中之一是：只有當該等符號s(i)和s(i+50)是基於正交相移鍵控(QPSK)星座時才可保證全頻率分集。如果該等符號是更高的星座，例如16正交振幅調變(QAM)，則在大多數情況下不可能實現2階分集。因此，該DCM預編碼降低了該通道的性能。

以下是證明該DCM預編碼技術的該缺點的一個實例。使用如上所示的該預編碼矩陣預編碼兩個不同符號向量。該等預編碼符號x和計算如下：

可以看出，x ₁ 和的該等第一元素是相同的。因此，不會實現2階分集。

本發明的某些實施例包含一種實施雙載波調變(DCM)預編碼的方法。該方法包括產生資料子區塊；獨立地交錯子區塊；經由分組該等交錯子區塊的位元而產生位元向量；把位元向量映射成資料符號；以及使用一么正預編碼矩陣預編碼該等資料符號以產生預編碼符號。

本發明的某些實施例進一步包含一電腦可讀媒體，該電腦可讀媒體具有儲存在其上而使電腦執行實施雙載波調變(DCM)預編碼的該過程的電腦可執行碼。該過程包括產生資料子區塊；獨立地交錯子區塊；經由分組該等交錯子區塊的位元而產生位元向量；把位元向量映射成資料符號；以及使用一么正預編碼矩陣預編碼該等資料符號以產生預編碼符號。

本發明的某些實施例還包含一用於實施雙載波調變(DCM)預編碼的正交分頻多工(OFDM)發射器。該OFDM發射器包括一用於交錯含有編碼輸入資訊位元的子區塊的位元交錯器；一用於從該等交錯子區塊產生位元向量並把該等位元向量映射成資訊符號的星座映射單元，其中該星座映射單元進一步能夠使用一么正預編碼矩陣預編碼該等資訊符號以產生預編碼符號；和一用於把該等預編碼符號分佈到複數個OFDM符號的不同資料次載波中的符號交錯器。

在本發明結尾的該等請求項中特別指出並且嚴格申明了被視為本發明的該主題。本發明的以上及其他特徵及優點從以下結合所附圖式的詳細描述將是顯而易見的。

重要地是注意，本發明揭露的該等實施例在此處只是本發明的該等新穎教示之許多有利使用的實例。一般而言，在本申請案的該規格中作出的聲明並不一定限制該等各種請求發明的任何一個。此外，一些聲明可能適用於一些發明特徵但不適用於其他特徵。一般而言，除非另有說明，為了不失廣義性，單個元件可以是複數，反之亦然。在該等圖式中，相同數字是指貫穿幾個圖的相同部分。

圖1顯示一基於OFDM發射器100的非限制性和示例性方塊圖，該發射器適用於實施按照本發明的一實施例實現的一改良式DCM預編碼技術。該發射器100可以960Mbps及以上的速率傳輸資料，同時保證至少2階頻率分集。

該發射器100包含一編碼器110、一穿刺器120、一位元交錯器130、一星座映射單元140、一符號交錯器150和一OFDM調變器160。按照本發明的該等原理，由該編碼器110編碼輸入資訊位元。然後，使用該穿刺器120，該等編碼位元被穿刺並被分成資料區塊，每個資料區塊包含'm'個位元。每個資料區塊進一步被分成'p'(其中'p'是等於或大於2的整數)個子區塊，每個子區塊包含m/p個位元。

每個子區塊係由該位元交錯器130獨立地交錯。該交錯器130可能是一在WiMedia系統中目前正在使用的舊式交錯器。因此，該交錯器130支持可達480Mbps的資料速率，用於較高資料速率的該等新的交錯參數值(例如，NTDS、NCBP6S、NCBPS、NTint、Ncyc)被定義。在表1中提供了按照本發明的一實施例利用的示例性交錯參數值。

該等交錯子區塊被分成'v'個位元組。每個位元組包含'j'個位元。該星座映射單元140把第i(i=0,1,...,v-1)個位元組的該'p'個交錯子區塊組合到位元向量中，每個位元向量包含'w'個位元。

該等位元向量然後被映射成'n'個符號以在'n'個資料次載波上傳輸。按照本發明的一實施例，一4-位元向量經由使用一Gray映射方案被映射成一含有16QAM星座的符號。具體而言，4-位元向量映射成兩個符號s_k,i 和s_k+50,i 可描述如下：

(b [g (k )+i *200],b [g (k )+1200+i *200],b [g (k )+50+i *200],b [g (k )+1250]+i *200)→s _{k , i}

(b [g (k )+1+i *200,b [g (k )+1201+i *200],b [g (k )+51+i *200],b [g (k )+1251++i *200])→s _{k +50, i}

其中，g(k)可能是一例如2005年7月在該WiMedia多頻帶OFDM實體層規格1.1版本中定義的位元指數函數。

使用該星座映射單元140進一步編碼該等16QAM符號(S_k,i 和S_k+50,i )以產生預編碼符號(X_k,i and X_k+50,i )。該預編碼係使用一預編碼矩陣R實施並可表示為如下：

按照本發明的該等原理，該預編碼矩陣R可定義如下：

該預編碼矩陣R是一么正矩陣，其只包含具有一實數歸一化因數'nrf'的整數元素(即，a、b、c、d是整數)。應明白此處所定義的該預編碼矩陣R的屬性保證簡單實施一預編碼過程(由於該等整數值)，同時保持一發送信號的功率頻譜密度(PSD)特性。

這在UWB系統中是一個非常重要的特徵，因為此等系統需要非常嚴格的PSD要求。此外，由於該預編碼矩陣是一實數矩陣，所以一接收到的信號的I和Q組成部分可被分開解碼。因此，可大大降低由該接收器執行的該解碼過程的複雜性。

以下示例性預編碼矩陣是按照本發明的某些實施例構造。當利用16QAM調變或其他較高階調變方案時，這些矩陣是高效率的。

該符號交錯器150把該等預編碼符號(x)分佈到不同OFDM符號的不同資料次載波中。例如，在第i個OFDM符號的第k個和第(k+50)個資料次載波上傳輸該等預編碼符號X_k,i 和X_k+50,i 。該OFDM調變器160實施IFFT運算以產生時域發射信號，該等信號係經由一天線發射。

應指出，該發射器100能夠根據無線通信標準作業，無線通信標準包含但不限於WiMedia UWB版本1.0,1.5及2.0、IEEE 802.11n、WiMax等。

按照本發明的一實施例，該發射器100實施一16QAM調變方案。在該實施例中，以960Mbps速率發射包含在一6-OFDM區塊中的2400個預編碼位元。因此，每個資料區塊包含2400個位元(即，m=2400)，子區塊數是2(即，p=2)以及每個子區塊中的位元數是1200(即，m/p=1200)。此外，每個子區塊包含6個具有200個位元(即，j=200)的位元組(即，v=6)。該星座映射單元140把第i個(i=0,1,...,5)位元組的兩個(即，p=2)連續交錯子區塊組合到50個位元向量中，每個包含8個(即，w=8)位元。該第i個位元組的第k個位元向量被映射成2個(即，n=2)符號s_k,i 和s_k+50,i ，該等符號被預編碼以產生符號X_k,i 和X_k+50,i ，它們在第i個OFDM符號的第k個和第(k+50)個次載波上傳輸。

圖2顯示證明按照本發明的一實施例實施的該預編碼技術的該性能的模擬結果圖。在該等模擬中，8192個資料位元被預編碼。使用具有上述該等屬性的該么正預編碼矩陣實施該預編碼(標記為「MDCM」)。可以看出，在高資料速率(960Mbps)中，該MDCM預編碼的該增益(由一曲線210表示)比使用16QAM調變時實現的該增益(如由一曲線220表示)更佳。也就是說，為了實現某種程度的訊框錯誤率範圍，該16QAM調變信號的傳輸功率應高於該預編碼信號的傳輸功率。

圖3顯示描述實施一按照本發明的一實施例實施的改良式DCM預編碼的該方法的非限制性流程圖300。在S310，編碼資訊位元被分組成資料區塊，其每個包含'm'個位元。該參數'm'是正在使用的該資料速率和該調變方案的函數。在S320，資料區塊被分成'p'個子區塊，每個子區塊包含'm/p'個位元。在S330，交錯每個子區塊，以及在S340，每個交錯子區塊的該等位元被分組成'v'個位元組。在S350，第i個位元組的該等各自交錯子區塊被組合以產生位元向量。在S360，每個位元向量被映射成一符號。位元向量到符號的該映射可以是任何一對一的映射方案，包含但不限於Gray映射、集分割映射等。在一較佳實施例中，使用Gray映射實施該映射。

在S370，使用一具有上述該等屬性的么正預編碼矩陣預編碼該等符號。具體而言，為了實現2階頻率分集，將在同一OFDM符號的不同次載波上傳輸的兩個符號被乘以該么正預編碼矩陣。在S380，交錯該等預編碼符號，如上所述。此後，在S390，該等預編碼符號全部被調變成該等不同次載波及OFDM符號並且經由一無線媒體發射。

應明白，此處所描述的該改良式DCM預編碼允許提高具有更佳增益性能的傳輸的資料速率，同時降低一預編碼器電路以及該發射器的複雜性。

以上詳細描述已經闡述了本發明可採用的許多形式的一些。這意味著以上詳細描述應理解為說明本發明可採用的選定形式而不是對本發明的該界定之限制。只有該等申請專利範圍(包含所有類似物)意為界定本發明的範圍。

最好地是，以硬體、韌體和軟體的任何組合實施本發明的該等原理。此外，該軟體最好實施作為具體體現在程式儲存單元或電腦可讀媒體上的應用程式。該應用程式可被上傳到一包括任何合適結構的機器並且由其執行。較佳地，在具有硬體(如一或多個中央處理單元(「CPU」)、一記憶體以及輸入/輸出介面)的電腦平臺上實施該機器。該電腦平臺還可包含一作業系統和微指令碼。此處所描述的各種過程和功能可以是該微指令碼的一部分或該應用程式的一部分或其任何組合，其可由一CPU執行，不論此電腦或處理器是否被明確顯示。此外，各種其他週邊單元可被連接到該電腦平臺，如一附加的資料儲存單元和一列印單元。

100．．．基於正交分頻多工發射器

110．．．編碼器

120．．．穿刺器

130．．．位元交錯器

140．．．星座映射單元

150．．．符號交錯器

160．．．正交分頻多工調變器

210．．．曲線

220．．．曲線

300．．．流程圖

圖1是適合實施按照本發明的一實施例實現的該預編碼技術的一發射器的方塊圖；

圖2是顯示按照本發明實現的該預編碼技術的模擬結果圖；

圖3是描述實施一按照本發明的一實施例實施的改良式DCM預編碼的一種示例性方法的流程圖。

100．．．基於正交分頻多工發射器

110．．．編碼器

120．．．穿刺器

130．．．位元交錯器

140．．．星座映射單元

150．．．符號交錯器

160．．．正交分頻多工調變器

Claims (13)

1. 一種實施雙載波調變(dual carrier modulation)(DCM)預編碼之方法，其包括：產生資料子區塊(sub-blocks)(S320)；獨立地交錯該等子區塊(S330)；經由分組該等交錯子區塊之位元而產生位元向量(bit vector)(S350)；把該等位元向量映射至資料符號(S360)；以及使用一預編碼矩陣預編碼該等資料符號以產生預編碼符號(S370)。
2. 根據請求項1之方法，其進一步包括：經由把該等預編碼符號分佈到複數個OFDM符號之不同資料次載波而交錯該等預編碼符號(S380)；以及把該等預編碼符號調變成該複數個OFDM符號之該等資料次載波(S390)。
3. 根據請求項1之方法，其中產生該等資料子區塊進一步包括把編碼之輸入資訊位元分組成資料區塊，其中每個資料區塊中之位元數是一調變方案和一傳輸速率之函數；以及把該等資料區塊分成該複數個子區塊。
4. 根據請求項3之方法，其中該調變方案是至少16QAM。
5. 根據請求項1之方法，其中產生該等位元向量進一步包括把該等交錯子區塊之位元分組成複數個位元組並組合該等交錯子區塊之該各自位元組以產生該等位元向量。
6. 根據請求項1之方法，其中使用Gray映射或集分割映射 至少其中之一實施把該等位元向量映射成該等資料符號。
7. 根據請求項1之方法，其中該預編碼矩陣是一么正矩陣和一實數矩陣，其只包含乘以一實數歸一化因數之整數元素。
8. 根據請求項7之方法，其中該預編碼矩陣具有用於不同調變方案之不同值，其中用於一16QAM調變方案之該預 編碼矩陣是、、、、、和之任一者。
9. 一種電腦可讀媒體，其具有儲存在其上用於實施雙載波調變(DCM)預編碼之電腦可執行碼，包括：產生資料子區塊(S320)；獨立地交錯該等產生之子區塊(S330)；經由分組該等交錯子區塊之位元而產生位元向量(S350)；把該等位元向量映射至資料符號(S360)；以及使用一預編碼矩陣預編碼該等資料符號以產生預編碼符號(S370)。
10. 一種用於實施一雙載波調變(DCM)預編碼之正交分頻多工(orthogonal frequency division multiplexing)(OFDM)發射器(100)，其包括：一位元交錯器(130)，用於交錯含有編碼之輸入資訊位 元之子區塊；一星座(constellation)映射單元(140)，用於從該等交錯子區塊產生位元向量並把該等位元向量映射至資訊符號，其中該星座映射單元進一步能夠使用一預編碼矩陣預編碼該等資訊符號以產生預編碼資訊符號；及一符號交錯器(150)，用於把該等預編碼資訊符號分佈到複數個OFDM符號之不同資料次載波(subcarrier)中。
11. 根據請求項10之OFDM發射器，其進一步包括：一用於編碼該等輸入資訊位元之編碼器(110)；及一用於從該等編碼輸入資訊位元產生該等子區塊之穿刺器(120)。
12. 根據請求項10之OFDM發射器，其中該預編碼矩陣是一么正矩陣和一實數矩陣，其只包含乘以一實數歸一化因數之整數元素。
13. 根據請求項12之OFDM發射器，其中該預編碼矩陣具有用於不同調變方案之不同值，其中用於一16QAM調變方案之該預編碼矩陣是、、、、、和之任一者。