TWI822722B - 建構極化碼的方法、通信方法以及通信裝置 - Google Patents

建構極化碼的方法、通信方法以及通信裝置 Download PDF

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Abstract

一種為多輸入多輸出（MIMO）通道建構極化碼的方法。所述方法可進行以下操作：基於多輸入多輸出通道資訊而產生相互獨立的多個單輸入單輸出（SISO）通道；定義所述極化碼的通道；將所述極化碼的所述通道中的每一者分配給所述多個單輸入單輸出通道中的一者；估測藉由對所述多個單輸入單輸出通道應用極化變換而組合得到的組合通道的品質；以及基於所估測的所述品質而排列未凍結位元及凍結位元。

Description

建構極化碼的方法、通信方法以及通信裝置 [相關申請案的交叉參考]
本申請案主張於2018年1月30日在韓國智慧財產局提出申請的韓國專利申請案第10-2018-0011406號的權利，所述韓國專利申請案的揭露內容全文併入本案供參考。
本揭露內容大體而言是有關於在藉由有雜訊的通道進行的資料通信中的通道編碼以減少通信錯誤。更具體而言，本揭露內容是有關於一種對多輸入多輸出(MIMO)通道利用極化碼的設備及方法。
通道編碼可藉由添加冗餘來提高資料通信的可靠性。被稱為「極化編碼」的一種相對新的通道編碼方法是使用包含極化碼的一類塊碼(block code)來形成極化虛擬「位元通道」的編碼技術。位元通道被分為「良好通道」及「不良通道」，在「良好通道」中資料可以高的可靠性傳送，而「不良通道」是可靠性低的通道。極化編碼方法可使用低編碼/解碼複雜度來實質上達成向農容量(Shannon capacity)(可以任意小的錯誤機率達成的最高資訊 速率)。另外，可使用多輸入多輸出(multiple input multiple output，MIMO)來提高通道的容量及可靠性。因此，在整合了極化編碼與MIMO的系統中，可期望在MIMO通道中對極化碼進行高效應用。
本發明揭露為多輸入多輸出(MIMO)通道建構及使用極化碼的設備及方法。
根據本發明概念的態樣，提供一種為多輸入多輸出(MIMO)通道建構極化碼的方法。所述方法包括：基於多輸入多輸出通道資訊而產生相互獨立的多個單輸入單輸出(SISO)通道；由至少一個處理器執行包括以下的操作：定義所述極化碼的通道，並將所述極化碼的所述通道中的每一者分配給所述多個單輸入單輸出通道中的一者；估測藉由對所述多個單輸入單輸出通道應用極化變換而組合得到的組合通道的品質；以及基於所估測的所述品質而排列未凍結位元及凍結位元。
根據本發明概念的另一態樣，提供一種經由多輸入多輸出(MIMO)通道進行的通信方法，所述通信方法包括：由至少一個處理器執行包括以下的操作：獲得多輸入多輸出通道資訊；基於所述多輸入多輸出通道資訊建構極化碼；以及根據所述極化碼實行編碼或解碼，其中所述建構所述極化碼包括將所述極化碼的N個通道中的每一者分配給所述多輸入多輸出通道的r個層中的一者，其中N及r是正整數。
根據本發明概念的另一態樣，提供一種經由多輸入多輸 出(MIMO)通道進行通信的通信裝置，所述通信裝置包括：極化碼建構器電路，被配置成基於多輸入多輸出通道資訊而建構極化碼；編碼器電路，被配置成藉由基於所述極化碼對K位元源資料進行極化編碼而產生N位元碼資料；以及交錯器電路，被配置成藉由基於所述極化碼對所述碼資料進行交錯而產生交錯資料，所述交錯資料包括與所述多輸入多輸出通道的r個層對應的r個群組，其中K、N及r分別為正整數。
非暫態電腦可讀取記錄媒體可儲存指令，所述指令在由至少一個處理器執行時實施建構極化碼的方法或者綜上所述的通信方法。
10:資料通信系統/系統
20、30、40:系統
21:第一無線通信裝置
22:第二無線通信裝置
23:MIMO通道
31:主機
32:儲存裝置
33:介面
41:終端
42:伺服器
43_1、43_2、43_3:TCP路徑
50:通信裝置
51:應用專用積體電路(ASIC)
53:應用專用指令集處理器(ASIP)
55:記憶體
57:主處理器
59:主記憶體
100、100':傳送器
110、110':極化碼建構器
112:通道分解器
114:通道組合器
130、130':編碼器
150、150':交錯器
150_1~150_N/4:切換塊/第一切換塊~第(N/4)切換塊
170:層映射器
190:預編碼器
200:接收器
300:多輸入多輸出(MIMO)通道
CSI:通道狀態資訊
D_ENC:經編碼資料
D_INT:交錯資料
D_MAP:映射資料
D_SRC:K位元源資料/源資料
D81:MIMO通道資訊
H:通道矩陣
h11、h21~hqp:元素
K:資訊位元的數目
N:碼字元的位元數目/碼字元的長度/位元的數目
R:編碼速率
RX1:第一輸入端子/輸入端子
RX2:第二輸入端子/輸入端子
RXq:第q輸入端子/輸入端子
S200、S400、S400'、S400"、S420、S420'、S422、S424、S440、S440'、S460、S460'、S462、S480、S480'、S482、S484、S610、S620、S640、S820、S840:操作
TX1:第一輸出端子/輸出端子
TX2:第二輸出端子/輸出端子
TX3:第三輸出端子/輸出端子
TX4:第四輸出端子/輸出端子
TXp:第p輸出端子/輸出端子
x1、x2~xp:傳送訊號
x1、x2、x3、x4~xN-3、xN-2、xN-1、xN:經編碼資料
y1、y2、y3、y4~yq:接收訊號
u1、u2、u3、u4、u5、u6、u7、u8、u9、u10、u11、u12、u13、u14、u15、u16:輸入位元/位元
W':組合通道/通道
W1、W2:SISO通道/BMS通道/
W3、W4:SISO通道/通道
WC:組合通道
Figure 108102310-A0305-02-0031-38
、
Figure 108102310-A0305-02-0031-39
、
Figure 108102310-A0305-02-0031-40
、
Figure 108102310-A0305-02-0031-41
:通道/組合通道
Figure 108102310-A0305-02-0031-42
、
Figure 108102310-A0305-02-0031-43
、
Figure 108102310-A0305-02-0031-44
、
Figure 108102310-A0305-02-0031-45
:組合通道
Σ:新通道矩陣
結合附圖閱讀以下詳細說明，將更清楚地理解本發明概念的實施例，在附圖中相同的參考字符表示相同的元件或功能，其中：圖1是示出根據實施例的通信系統的方塊圖。
圖2是示出根據實施例的圖1所示極化碼建構器的實例的方塊圖。
圖3是示出根據實施例的極化變換的基本塊(basic block)的圖。
圖4是示出根據實施例的極化變換的實例的圖。
圖5是示出根據實施例的極化變換的實例的圖。
圖6是示出根據實施例的極化變換的實例的圖。
圖7是示出根據實施例的圖1所示傳送器的實例的方塊圖。
圖8是根據實施例的一種通信方法的流程圖。
圖9是根據實施例的圖8所示示例性操作S400的流程圖。
圖10是根據實施例的圖8所示示例性操作S400的流程圖。
圖11是根據實施例的圖9所示示例性操作S480的流程圖。
圖12A、圖12B及圖12C是示出根據實施例的系統的各個實例的相應的方塊圖。
圖13是根據實施例的通信裝置的方塊圖。
圖1是示出根據實施例的資料通信系統10的方塊圖，資料通信系統10包括傳送器100及接收器200。傳送器100與接收器200可經由多輸入多輸出(MIMO)通道300而與彼此進行通信。在以下說明中，除非另有規定，否則表示數目或索引的變數是正整數。
系統10可為可自藉由MIMO通道300進行的基於MIMO的訊號交換受益的任何通信系統。在一些實施例中，作為非限制性實例，系統10可為無線通信系統，例如第五代(5th generation，5G)無線系統、長期演進(long term evolution，LTE)系統或無線保真(WiFi)系統。在其他實施例中，系統10可為有線通信系統，例如儲存系統及網路系統。在下文中，將主要參照無線通信系統作為實例來闡述系統10。
傳送器100可包括極化碼建構器110、編碼器130、交錯 器150、層映射器170、預編碼器190以及可分別輸出傳送訊號{x 1,...,x p }的第一輸出端子TX1至第p輸出端子TXp。接收器200可經由第一輸入端子RX1至第q輸入端子RXq接收q個接收訊號{y1,...,yq}。當系統10是無線通信系統時，第一輸出端子TX1至第p輸出端子TXp中的每一者可為調變器及天線(或者可對所有輸出端子使用單個調變器)；且第一輸入端子RX1至第q輸入端子RXq可分別為解調器及天線(或者可對所有輸入端子使用單個解調器)。傳送器100可包括p個輸出端子TX1至TXp，且接收器200可包括q個輸入端子RX1至RXq。MIMO通道300可被表示為包括h11至hqp作為元素(總共(q×p)個元素)的通道矩陣H。第一輸出端子TX1至第p輸出端子TXp的數目p與第一輸入端子RX1至第q輸入端子RXq的數目q中較小的數目可被稱為MIMO通道300的秩(rank)。換言之，MIMO通道300的秩可被定義為r=min(p,q)，且MIMO通道300可被陳述為包括r個層。
極化碼建構器110可為MIMO通道300建構極化碼，其中極化碼具有多個「位元通道」。舉例而言，極化碼建構器110可獲得關於MIMO通道300的資訊且可基於此種MIMO通道資訊而建構極化碼。如以下參照圖2及後續各圖所述，極化碼建構器110可將MIMO通道300劃分成多個單輸入單輸出(single input single output，SISO)通道，且可將極化碼的各別的位元通道分配給所述多個SISO通道中相應的SISO通道。此種方式可無需使用分別與第一輸出端子TX1至第p輸出端子TXp對應的多個編碼器或者分 別與第一輸入端子RX1至第q輸入端子RXq對應的多個解碼器來對MIMO通道300應用極化碼。因此，可減少原本會用來對MIMO通道300應用極化碼的資源(例如，電力、硬體資源等)，且可在MIMO通道300中(虛擬地)建構用於減小位元錯誤率(bit error rate，BER)的極化碼。極化碼建構器110可根據所建構的極化碼來控制編碼器130及交錯器150。示例性極化碼建構器110的詳細情況將在以下參照圖3及其他圖進行闡述。
編碼器130可藉由使用由極化碼建構器110建構的極化碼對K位元源資料D_SRC進行編碼來產生N位元碼字元(即，經編碼資料D_ENC)。極化碼可基於通道極化，所述通道極化將在輸入級處觀察到的位元通道定義為被極化成分別表示高可靠性通道及低可靠性通道的良好位元通道及不良位元通道。(在下文中，極化碼的位元通道可被互換地稱為極化碼的次通道(sub-channel)或僅被稱為通道。)因此，在極化碼中，源資料D_SRC的資訊位元(即，未凍結位元(unfrozen bit))可被分配給良好位元通道，而在傳送器100及接收器200雙方具有已知值的凍結位元(frozen bit)可被分配給不良位元通道。因此，所述N個位元中的所述K個位元可為「未凍結」位元，而其餘的位元可為「凍結」位元。編碼速率(code rate)可被定義為R=K/N，其中編碼速率R可為預定義的並被提供至極化碼建構器110。
交錯器150可基於由極化碼建構器110建構的極化碼對經編碼資料D_ENC進行交錯以產生交錯資料D_INT，交錯資料 D_INT包括分別與MIMO通道300的所述r個層對應的r個群組。如隨後參照圖6等所述，極化碼建構器110可基於SISO通道的狀態將極化碼通道中的每一者分配給SISO通道中的一者，且交錯器150可根據極化碼建構器110的分配的結果而自經編碼資料D_ENC產生交錯資料D_INT。因此，如圖1所示，可產生包括r個群組的交錯資料D_INT，所述r個群組中的每一者具有N/r個位元。交錯器150的實例將在以下參照圖7進行闡述。
層映射器170可產生映射資料D_MAP以使由交錯器150提供的交錯資料D_INT分佈到第一輸出端子TX1至第p輸出端子TXp或者分佈到多個層。(如前面所述，第一輸出端子TX1至第p輸出端子TXp中的每一者可為調變器及天線，在此種情形中，任何輸出端子TXi均可被視為「層」的至少一部分。作為另外一種選擇，調變器可包含於預編碼器190中以使任何輸出端子TXi可僅為天線。)在一些實施例中，層映射器170可使交錯資料D_INT的位元均勻地分佈。預編碼器190可對由層映射器170提供的映射資料D_MAP應用藉由通道矩陣H的奇異值分解(singular value decomposition，SVD)產生的預編碼矩陣，以使傳送訊號{x 1,...,x p }分別被提供至第一輸出端子TX1至第p輸出端子TXp。
接收器200可實行與傳送器100對應的操作以對經由第一輸入端子RX1至第q輸入端子RXq接收的接收訊號{y1,...,yq}進行處理。舉例而言，可對經由輸入端子RX1至RXq接收的接收訊號{y1,...,yq}應用藉由實行通道矩陣H的SVD而產生的接收矩 陣。接下來，接收器200的層解映射器(未示出)可實行由傳送器100的層映射器170實行的操作的反向操作且解交錯器(未示出)可藉由實行由傳送器100的交錯器150實行的操作的反向操作來對由層解映射器提供的資料的位元進行重新排列。解碼器(未示出)可藉由根據極化碼對由解交錯器提供的N位元資料進行解碼來產生所估測的K位元資訊位元。在一些實施例中，圖1所示傳送器100可經由MIMO通道300自接收器200接收訊號，且為此，傳送器100可包括額外的組件以對所接收的訊號進行處理。本揭露的示例性實施例將在以下主要參照傳送器100來闡述，但應注意，該些實施例的概念亦相似地適用於接收器200。
圖2是示出根據實施例的圖1所示示例性極化碼建構器110的方塊圖。如以上參照圖1所述，圖2所示極化碼建構器110可為圖1所示MIMO通道300建構極化碼，且可根據所建構的極化碼來控制編碼器130及交錯器150。如圖2所示，極化碼建構器110可包括通道分解器112及通道組合器114。
通道分解器112可接收通道狀態資訊CSI作為通道資訊。通道狀態資訊CSI可由傳送器100與接收器200以各種方式共享。舉例而言，接收器200可基於自傳送器100接收的訊號來估測通道狀態，自所估測的通道狀態產生通道狀態資訊CSI，並將所產生的通道狀態資訊CSI提供至傳送器100。在一些實施例中，傳送器100與接收器200可共享至少一個索引，其中索引可指示由傳送器100與接收器200共享的表中所包括的多個項中的一個 項。
通道分解器112可基於通道狀態資訊CSI而自MIMO通道300產生多個互相獨立的SISO通道。
在圖1中，通道矩陣H可為q×p矩陣且在以下藉由通道矩陣H的SVD被表示為方程式1。
[方程式1]H=UΣVH
在方程式1中，V及U可形成單範正交集(orthonormal set)，V可被稱為預編碼矩陣，且UH可被稱為接收矩陣。Σ可為以特徵值(即，通道矩陣H的{λ1,...,λr})作為對角線元素(diagonal element)的對角矩陣。如以上參照圖1所述，當對傳送器100應用預編碼矩陣V且對接收器200應用接收矩陣UH時，MIMO通道300可由新通道矩陣Σ表示。由於新通道矩陣Σ是對角矩陣，因此，在接收器200中的各個接收訊號{y 1,...,y q }之間可不存在干擾。因此，MIMO通道300可被分解成r個SISO通道{W 1,...,W r }。接收訊號{y 1,...,y q }的品質可根據新通道矩陣Σ的特徵值{λ 1,...,λ r}而定。換言之，各個SISO通道的訊雜比(signal to noise ratio，SNR)可與特徵值{λ 1,...,λ r}成比例。由於特徵值{λ 1,...,λ r}在新通道矩陣Σ中以遞降次序排序(即，(λ 1
Figure 108102310-A0305-02-0011-19
λ 2
Figure 108102310-A0305-02-0011-20
…
Figure 108102310-A0305-02-0011-21
λ r ))，因此所述r個SISO通道{W 1,...,W r }可分別具有呈遞降次序(SNR 1
Figure 108102310-A0305-02-0011-22
SNR 2…
Figure 108102310-A0305-02-0011-23
SNR r )的品質(例如，SNR)。如隨後所述，可使用關於每一SISO通道的品質的資訊來建構極化碼。
通道組合器114可自通道分解器112接收新通道矩陣Σ，且可接收表示極化碼的量值的碼字元(codeword)的位元數目N。通道組合器114可自碼字元的位元數目N產生N×N極化變換矩陣。通道組合器114可藉由對由自通道分解器112提供的新通道矩陣Σ表示的r個SISO通道{W 1,...,W r }進行組合來產生組合通道W C 。組合通道W C 可具有未凍結位元的索引及凍結位元的索引。
在一些實施例中，通道組合器114可估測組合通道的品質。舉例而言，通道組合器114可使用巴塔恰裏雅參數(Bhattacharyya parameter)作為指示SISO通道{W 1,...,W r }的品質的值。在具有位元變換機率W(y | x)的二元輸入無記憶系統(binary input memoryless symmetric，BMS)通道(其中 X 及 Y 分別指示輸入資料集合及輸出資料集合)中，巴塔恰裏雅參數Z(W)可被定義為以下方程式2。
Figure 108102310-A0305-02-0012-1
換言之，巴塔恰裏雅參數可指示BMS通道中出現位元錯誤的最大機率。當通道的SNR是C SNR 時，加性高斯白雜訊(additive white Gaussian noise，AWGN)通道中的巴塔恰裏雅參數可被表達為以下方程式3。
[方程式3]Z(W)=exp(-C SNR )
換言之，當通道的品質較高時(即，當SNR較高時)， 巴塔恰裏雅參數Z(W)可具有較低的值。
當碼字元的長度N是2n(亦即，N=2n)時，在進行通道組合時可存在極化的n個階段。在j
Figure 108102310-A0305-02-0013-24
{0,1,...,n-1}表示極化的階段且
Figure 108102310-A0305-02-0013-4
表示第j階段中的第i個通道的巴塔恰裏雅參數的條件下，可能
Figure 108102310-A0305-02-0013-3
，且巴塔恰裏雅參數可被表示為以下方程式4。
Figure 108102310-A0305-02-0013-2
通道組合器114的操作的實例將在以下參照圖3、圖4及圖5進行闡述。
圖3是示出根據實施例的極化變換的基本塊的圖。如圖3所示，極化變換的基本塊可涉及兩個BMS通道{W 1,W 2}，且所述兩個BMS通道{W 1,W 2}可藉由應用以下方程式5中的阿爾坎極化核(Arikan polarization kernel)F而被變換成二元輸入通道
Figure 108102310-A0305-02-0013-25
。
Figure 108102310-A0305-02-0013-5
在圖3所示極化變換中，巴塔恰裏雅參數可如以下方程式6中所述進行計算。
Figure 108102310-A0305-02-0013-6
Figure 108102310-A0305-02-0014-7
如下文進一步闡釋，可將極化碼的通道分別分配給SISO通道，且當對通道進行組合時，可在對通道進行組合的過程中使用自SISO通道的巴塔恰裏雅參數計算得到的巴塔恰裏雅參數。
在一些實施例中，可將所述r個SISO通道分組成r/2對SISO通道，且可藉由根據極化變換對被分組的SISO通道進行組合來產生組合通道W'。因此，通道W'可表示在log2 r個階段處自所述r個SISO通道組合得到的通道。接著，採用已對SISO通道進行組合相同的方式，可在log2N-log2r個階段處對通道W'的相同副本進行組合。舉例而言，當N是r的倍數時，可對通道W'的
Figure 108102310-A0305-02-0014-17
個副本進行組合。通道組合的實例將在以下進行闡述。
圖4是示出根據本揭露實施例的極化變換的實例的圖。圖4示出在4×4 MIMO通道(即，在此種情形中，N=4且n=2)中建構4位元極化碼的實例。
MIMO通道可被圖2所示通道分解器112分解成例如四個互相獨立的SISO通道{W 1,W 2,W 3,W 4}。因此，藉由方程式6進行的極化變換可在兩個階段(log24=2)處實行。如圖4所示，在第一階段處，可將兩對SISO通道{W 1,W 2}及{W 3,W 4}變換成兩對組合通道
Figure 108102310-A0305-02-0014-26
及
Figure 108102310-A0305-02-0014-27
。在第二階段處，可將兩對通道
Figure 108102310-A0305-02-0014-28
及
Figure 108102310-A0305-02-0014-29
變換成兩對組合通道
Figure 108102310-A0305-02-0014-30
及
Figure 108102310-A0305-02-0014-31
。最終，可產生其中
Figure 108102310-A0305-02-0014-10
的組合通道W'。如以上參照圖3所述，可在(n-2)個階段處對通道W'的2n-2個相同的副本進行組合。當在 n個階段處完成極化變換時，與K個最低巴塔恰裏雅參數對應的索引可被分配給未凍結位元，而其餘的(N-K)個索引可被分配給凍結位元。
圖5是示出根據本揭露實施例的極化變換的實例的圖。此實例示出當在4×4 MIMO通道中碼字元的位元的數目是16(即，r=4、N=16且n=4)時建構極化碼。另外，圖5示出當以通道品質的遞降次序對SISO通道進行排序時，且當SISO通道分別具有12.5分貝、5.8分貝、2.4分貝及-3.37分貝的SNR(其中負的SNR表示較訊號功率多的雜訊功率)時，在對數域中在每一階段處計算的巴塔恰裏雅參數。
在圖5中，對巴塔恰裏雅參數的計算可自右側傳播至左側。如圖中所示，在第一階段中，可藉由組成四個SISO通道{W 1,W 2,W 3 ,W 4}來計算巴塔恰裏雅參數。接下來，在第二階段中，可自在第一階段中組合得到的通道的四個副本計算得到巴塔恰裏雅參數。因此，可對與極化碼的輸入位元{u1,u2,...,u16}對應的十六個通道計算巴塔恰裏雅參數。
可基於巴塔恰裏雅參數來排列極化碼的未凍結位元及凍結位元。換言之，可將每一凍結位元分配給與具有相對較高的值的巴塔恰裏雅參數對應的通道，且可將每一未凍結位元分配給與具有相對較低的值的巴塔恰裏雅參數對應的通道。舉例而言，當編碼速率為約0.5時(換言之，當對八個位元的未凍結位元以及八個位元的凍結位元進行排列時)，可將所述八個凍結位元分配給與 具有最大值的八個巴塔恰裏雅參數對應的位元{u1,u2,u3,u4,u5,u9,u10,u11}。因此，凍結位元可具有索引{1,2,3,4,5,9,10,11}。另外，可將8個位元的未凍結位元(或資訊位元)分配給與具有最小值的八個巴塔恰裏雅參數對應的位元{u6,u7,u8,u12,u13,u14,u15,u16}。因此，未凍結位元可具有索引{6,7,8,12,13,14,15,16}。換言之，在圖1中，可將K位元源資料D_SRC的位元分配給N個位元中與具有最低值的K個巴塔恰裏雅參數對應的位元，且極化碼建構器110可向編碼器130提供被分配源資料D_SRC的位元的索引。
圖6是示出根據本揭露實施例的極化變換的實例的圖。所述實例示出4×4 MIMO通道(即，N=4且n=2)中的4個位元的極化碼且不同於圖4所示實例，可產生自SISO通道{W 1,W 2,W 3,W 4}中的兩對通道{W 1,W 4}與{W 2,W 3}組合得到的通道。
如以上參照圖5所述，在根據極化變換組成通道的過程中，巴塔恰裏雅參數可根據欲被組合的通道而定。舉例而言，在圖5所示第一階段中，可根據SISO通道{W 1,W 2,W 3,W 4}的組合產生巴塔恰裏雅參數的不同值。換言之，巴塔恰裏雅參數可根據將SISO通道{W 1,W 2,W 3,W 4}分組成兩對(即，SISO通道{W 1,W 2,W 3,W 4}的劃分)的結果而被確定成不同的。
可自r個SISO通道{W 1,W 2,...,W r }獲得r/2個對。在將參數L定義為以SISO通道的對的所有可能組合作為元素的集合的條件下，可如以下方程式7中一樣計算L的元素的數目。
Figure 108102310-A0305-02-0017-11
舉例而言，當將4×4 MIMO通道分解成四個SISO通道{W 1,W 2,W 3,W 4}時， L 可如以下方程式8所示具有三個元素。
[方程式8] L ={{(W 1,W 2),(W 3,W 4)},{(W 1,W 3),(W 2,W 4)},{(W 1,W 4),(W 2,W 3)}}
相似地，在8×8 MIMO通道中，可能| L |=105，且在16×16 MIMO通道中，可能| L |=2027025。將SISO通道的最佳配對表示為 L 的元素的參數πopt可使具有大小r的塊的塊錯誤率
Figure 108102310-A0305-02-0017-13
的上限最小化。πopt表示為以下方程式9。
Figure 108102310-A0305-02-0017-12
當慮及MIMO通道的改變以及即時通信時，在基於方程式9的所有情形中藉由計算巴塔恰裏雅參數來確定SISO通道的最佳配對可能具有挑戰性。此問題可如以下方程式10一樣確定性地解決。
Figure 108102310-A0305-02-0017-14
根據方程式10，在極化碼的第一階段中，可將最高品質的SISO通道與最低品質的SISO通道進行配對，且可將第二高品 質的SISO通道與第二低品質的SISO通道進行配對。換言之，可將所述r個SISO通道分組成r/2個對以使每一對的索引之和是(r+1)。舉例而言，以遞降次序排序的四個SISO通道{W 1,W 2,W 3,W 4}的最佳配對可被表示為以下方程式11。
[方程式11]πopt={(W 1,W 4),(W 2,W 3)}
因此，如圖6所示，在第一階段中，可將SISO通道的兩個對{W 1,W 4}及{W 2,W 3}變換成兩對組合通道
Figure 108102310-A0305-02-0018-32
及
Figure 108102310-A0305-02-0018-33
。在第二階段中，可將SISO通道中的兩個對
Figure 108102310-A0305-02-0018-34
及
Figure 108102310-A0305-02-0018-35
變換成兩對組合通道
Figure 108102310-A0305-02-0018-36
及
Figure 108102310-A0305-02-0018-37
。最終，可產生組合通道
Figure 108102310-A0305-02-0018-16
圖7是示出傳送器100'的方塊圖，傳送器100'是根據實施例的圖1所示傳送器100的實例。傳送器100'包括四個輸出端子TX1至TX4、極化碼建構器110'、編碼器130'及基於方程式10操作的交錯器150'以及圖1所示傳送器100的其他組件(例如，層映射器170、預編碼器190，未在圖7中示出)。如以上參照圖1所述，圖7所示交錯器150'可藉由對自編碼器130'接收到的經編碼資料{x 1,x 2,...,x N }進行交錯來產生包括四個群組的交錯資料。
如以上參照圖6所述，可基於方程式10來將SISO通道分組成多個對，且可應用極化變換作為被分組的SISO通道的對的函數。交錯器150'可被配置成根據方程式10而使極化碼的通道對應於SISO通道。舉例而言，如圖7所示，交錯器150'可包括N/4 個(或第一至第(N/4))切換塊150_1至150_N/4，且第一切換塊150_1至第(N/4)切換塊150_N/4中的每一者可接收經編碼資料中的4位元資料。第一切換塊150_1至第(N/4)切換塊150_N/4中的每一者可在極化碼建構器110'的控制下將所接收的資料的位元路由至所述四個層中的一個層。舉例而言，第一切換塊150_1可接收{x 1,x 2,x 3,x 4}，且可如圖6所示被配置成使{x 1,x 2,x 3,x 4}與{W 1,W 2,W 3,W 4}根據方程式11進行交錯。
圖8是根據實施例的一種通信方法的流程圖。具體而言，圖8所示通信方法可包括根據實施例為MIMO通道建構極化碼的操作S400。舉例而言，圖8所示操作可由圖1所示傳送器100及/或接收器200來實行；由此將參照圖1來闡述圖8所示方法。
可獲得MIMO通道資訊(S200)。舉例而言，圖1所示接收器200可基於自傳送器100接收的訊號來估測MIMO通道的狀態。傳送器100亦可自接收器200接收關於由接收器200估測的MIMO通道300的狀態的資訊。因此，傳送器100與接收器200可共享MIMO通道資訊。應注意，獲取MIMO通道資訊的方式並非僅限於上述實例。
可為MIMO通道建構極化碼(S400)。舉例而言，可將MIMO通道分解成所述多個互相獨立的SISO通道，且可將極化碼的通道中的每一者分配給所述多個SISO通道中的一者。(操作S400的實例將在此後參照圖9及圖10來進行闡述。)
當使用在操作S400中產生的極化碼來處理欲被傳送的資 料(S610輸出是)時，可接著實行編碼操作S620。所述編碼可涉及接收由在操作S400中產生的極化碼提供的未凍結位元及凍結位元的索引。欲被傳送的資料的位元可以未凍結位元排列，且預定的固定值的位元可以凍結位元排列。可藉由對未凍結位元及凍結位元應用極化碼來產生經編碼資料。接下來，可應用預編碼矩陣(S640)。舉例而言，可藉由對自在操作S200中獲得的MIMO通道資訊提取的通道矩陣實行SVD來獲得預編碼矩陣，且可對經編碼資料應用預編碼矩陣。
當使用在操作S400中建構的極化碼來處理所接收的資料(S610輸出否)時，可接著實行應用接收矩陣的操作S820。舉例而言，可藉由對自在操作S200中獲得的MIMO通道資訊提取的通道矩陣實行SVD來獲得接收矩陣。接收矩陣可應用於經由MIMO通道接收的資料。接下來，可實行解碼(S840)。基於自在操作S400中建構的極化碼提供的未凍結位元及凍結位元的索引，可區分經解碼資料的凍結位元及未凍結位元。
圖9是繪示根據實施例的圖8所示操作S400的實例的流程圖。如以上參照圖8所述，可在圖9所示操作S400'中實行對MIMO通道建構極化碼。如圖9所示，操作S400'可包括多個操作S420、S440、S460及S480。舉例而言，操作S400'可由圖2的極化碼建構器110來實行。
可產生SISO通道(S420)。舉例而言，可藉由對自MIMO通道資訊D81提取的通道矩陣實行SVD來產生r個SISO通道。 操作S420的實例將在以下參照圖10進行闡述。
可將極化碼的通道分配給SISO通道(S440)。舉例而言，當碼字元的長度是N時，可將極化碼的N個通道中的每一者分配給在操作S420中產生的所述r個SISO通道中的一者。因此，如在圖5所示第一階段中的r=4的情形中所示，可確定r個SISO通道的位置，且r個SISO通道的位置可重複。另外，如以上參照圖6所述，可對r個SISO通道進行配對以減小位元錯誤率。
可對SISO通道應用極化變換(S460)。舉例而言，如以上參照圖5所述，可產生自r個SISO通道組合得到的通道，且接著可對組合通道的副本進行組合。在通道的組合過程中，可對組合通道的品質進行估測。操作S460的實例將在以下參照圖10進行闡述。
可對未凍結位元及凍結位元進行排列(S480)。舉例而言，可根據與位元中的每一者對應的通道的品質及編碼速率來排列未凍結位元及凍結位元。因此，可將未凍結位元及凍結位元分別分配給良好通道及不良通道。操作S480的實例將在以下參照圖11進行闡述。
圖10是根據實施例的圖8所示示例性操作S400的流程圖。具體而言，圖10所示操作S400"可為圖9所示操作S420及S460的實例且可包括操作S420'及S460'。為簡明起見省略與針對圖9的說明重複的針對圖10的說明。
可產生SISO通道(S420')，其中操作S420'可包括操作 S422及S424。可在操作S422中提取通道矩陣且可在操作S424中獲得對角矩陣。當MIMO通道的秩是r時，通道矩陣可為r×r矩陣且對角矩陣可通過對通道矩陣實行SVD來獲得。因此，可獲得r個SISO通道。可將極化碼的通道分配給SISO通道(S440')。
可對SISO通道應用極化變換(S460')。如圖10所示，操作S460'可包括操作S462，在操作S462中可計算巴塔恰裏雅參數。如以上參照方程式2等所述，巴塔恰裏雅參數可具有將SISO通道的品質表示為出現位元錯誤的最大機率的值。如圖5所示，在極化變換的過程中，可計算組合通道的巴塔恰裏雅參數，且最終，可計算與極化碼的輸入位元中的每一者對應的巴塔恰裏雅參數。最後，可對未凍結位元及凍結位元進行排列(S480')。
圖11是示例性操作S480'的流程圖，示例性操作S480'是根據實施例的圖9所示操作S480的實例。如以上參照圖9所述，可在操作S480中實行對未凍結位元及凍結位元進行排列的操作。如圖11所示，操作S480'可包括操作S482及S484。
可確定凍結位元的數目(S482)。舉例而言，可獲得極化碼的碼字元的位元的數目N、編碼速率R、及資訊位元的數目K中的至少兩者。因此，可確定凍結位元的數目(即，N-K)及未凍結位元的數目(即，K)。
可根據巴塔恰裏雅參數來排列凍結位元(S484)。可計算在極化變換過程中組合得到的通道的巴塔恰裏雅參數以使得凍結位元被分配給低品質(即，具有最高值巴塔恰裏雅參數)的通道。 因此，可將未凍結位元(即，資訊位元)分配給高品質(即，具有最低值巴塔恰裏雅參數)的通道。
圖12A、圖12B及圖12C是示出根據實施例的系統20、30及40的各個實例的方塊圖。圖12A、圖12B及圖12C所示系統20、30及40中的每一者中所包括的兩個實體可經由MIMO通道單向地及/或雙向地進行通信，且可建構極化碼並使用極化碼來根據上述本揭露的示例性實施例進行通信。
參照圖12A，系統20可為無線通信系統。第一無線通信裝置21及第二無線通信裝置22可分別包括多個天線，且可使用MIMO通道23的極化碼來與彼此進行通信。舉例而言，第一無線通信裝置21可為基地台，所述基地台是與使用者裝備及/或另一基地台進行通信的固定台。第一無線通信裝置21的實例可包括節點B、演進節點B(evolved Node B，eNB)、扇區(sector)、站點(site)、基地收發器系統(base transceiver system，BTS)、存取點(access point，AP)、中繼節點(relay node)、遠端無線電頭(remote radio head，RRH)、無線電單元(radio unit，RU)、小區(small cell)等。另外，第二無線通信裝置22可為固定的或隨著使用者裝備行動，且可與基地台進行通信以傳送及接收資料及/或控制資訊。第二無線通信裝置22的實例可包括終端裝備、行動台(mobile station，MS)、行動終端(mobile terminal，MT)、使用者終端(user terminal，UT)、用戶台(subscriber station，SS)、手持式裝置等等。
參照圖12B，系統30可為儲存系統且可包括主機31、儲存裝置32及介面33。作為非限制性實例，主機31可為處理器或包括處理器的計算系統，且可經由介面33向儲存裝置32傳送對寫入、讀取、擦除等的請求。作為非限制性實例，儲存裝置32可包括半導體記憶體裝置(例如，快閃記憶體、固態驅動機(solid state drive，SSD)及記憶卡(memory card))，且可包括與半導體記憶體裝置不同的儲存媒體(例如，硬碟驅動機(hard disk drive，HDD)及光碟)。儲存裝置32可實行與主機31的請求對應的操作且可經由介面33對主機31提供響應。
介面33可被建模為MIMO通道。舉例而言，可經由介面33並列地傳送對寫入資料及讀取資料的多個請求，且由於多個請求具有此種方向性質，因此介面33可被建模為MIMO通道且可使用根據實施例建構的極化碼。
參照圖12C，系統40可為網路系統且可包括終端41及伺服器42。根據示例性實施例的極化碼建構方法可應用於應用層前向錯誤修正(application layer forward error correction，AL-FEC)。舉例而言，系統40可根據作為多路徑傳輸協定(multi-path transport protocol)的多路徑傳送控制協定(transmission control protocol，TCP)(multi-path TCP，MPTCP)操作，且終端41與伺服器42可同時經由多條TCP路徑43_1、43_2及43_3傳送及接收資料，其中所述多條TCP路徑43_1、43_2及43_3可被建模為MIMO通道。當將極化碼建構的效能最佳化時， 可將AL-FEC建模為擦除通道。
可使用根據實施例的建構極化碼的方法以及圖12A、圖12B及圖12C所示實例來改善位元交錯編碼調變(bit-interleaved coded modulation，BICM)方法的效能。BICM方法可向被映射到調變符號的位元提供不等錯誤保護(unequal error protection，UEP)，且因此可被視為虛擬MIMO通道。
根據上述實施例的建構及使用極化碼的設備及方法可無需使用分別與第一輸出端子TX1至第p輸出端子TXp對應的多個編碼器或者分別與第一輸入端子RX1至第q輸入端子RXq對應的多個解碼器來在傳送方對MIMO通道300應用極化碼且在接收方對極化碼進行解碼。因此，可減少將原本會用來對MIMO通道300應用極化碼以及用來準確地接收經由MIMO通道300傳送的資料的硬體及處理資源，且相較於傳統技術而言在整個過程中可耗費更少電力。
圖13是根據實施例的通信裝置50的方塊圖。如圖13所示，通信裝置50可包括應用專用積體電路(application specific integrated circuit，ASIC)51、應用專用指令集處理器(application specific instruction set processor，ASIP)53、記憶體55、主處理器57及主記憶體59。ASIC 51、ASIP 53及主處理器57中的兩者或更多者可與彼此進行通信。另外，ASIC 51、ASIP 53、記憶體55、主處理器57及主記憶體59中的至少兩者可嵌置在一個晶片中。
ASIP 53可為特定應用定制的積體電路(integrated circuit，IC)，可支援特定應用的專用指令集，且可執行指令集中所包括的指令。記憶體55可與ASIP 53進行通信，且可作為非揮發性儲存器來儲存欲由ASIP 53執行的多個指令。舉例而言，作為非限制性實例，記憶體55可包括可由ASIP 53存取的任何類型的記憶體(例如，隨機存取記憶體(random access memory，RAM)、唯讀記憶體(read only memory，ROM)、磁帶(tape)、磁碟、光碟、揮發性記憶體及其組合)。
主處理器57可藉由執行多個指令來控制通信裝置50。舉例而言，主處理器57可控制ASIC 51及ASIP 53，且可處理經由MIMO通道接收的資料或者可處理對通信裝置50的使用者輸入。主記憶體59可與主處理器57進行通信且可作為非暫態儲存裝置儲存由主處理器57執行的多個指令。舉例而言，作為非限制性實例，主記憶體59可包括可由ASIP 53存取的任何類型的記憶體，例如，RAM、ROM、磁帶、磁碟、光碟、揮發性記憶體及其組合。
根據上述實施例的建構極化碼的方法可由圖13所示通信裝置50中所包括的組件中的至少一者或實質上全部組件來實行。在一些實施例中，建構極化碼的上述方法的操作中的至少一者或實質上全部操作可被實施為儲存於記憶體55中的多個指令。在一些實施例中，ASIP 53可藉由執行儲存於記憶體55中的多個指令來實行建構極化碼的方法的操作中的至少一者或實質上全部操作。在一些實施例中，建構極化碼的方法的操作中的至少一者或 實質上全部操作可被實施於藉由邏輯合成等設計的硬體塊中且包含於ASIC 51中。在一些實施例中，建構極化碼的方法的操作中的至少一者或實質上全部操作可被實施為儲存於主記憶體59中的多個指令且可由主處理器57藉由執行儲存於主記憶體59中的所述多個指令來實行。
用於操縱、產生及/或處理資料及訊號的上述組件中的任一者(例如，上述編碼器、預編碼器、極化碼建構器、交錯器、層映射器、通道分解器及通道組合器中的任意者)可由電子電路系統(例如，專用硬體電路或處理器或者通用處理器)構成，所述電子電路系統執行自記憶體讀取的指令以運行常式來施行元件的功能。上述組件中的各個組件可被實施為在不同階段處執行指令以依序地或使用並列處理來施行組件的功能的同一處理器的部分。藉由使用並列處理，組件中的各個組件可被實施為並列處理器的相應的處理元件。作為另外一種選擇，所述各種組件可被實施為多個不同的處理器的部分。舉例而言，藉由基於硬體電路系統的此種組成，上述編碼器、極化碼建構器、交錯器、層映射器、預編碼器、通道分解器及通道組合器作為另外一種選擇可分別被稱為編碼器電路、極化碼建構器電路、交錯器電路、層映射器電路、預編碼器電路、通道分解器電路及通道組合器電路、電路系統、處理元件、處理器、計算硬體等。
如上所述，已在圖式及說明書中揭露了實施例。儘管在本文中已參照具體用語闡述了實施例，然而應理解所述具體用語 僅用於闡述本發明概念的技術理念而並非對申請專利範圍中所界定的本發明概念的範圍進行限制。另外，儘管已參照本發明概念的實施例具體示出並闡述了本發明概念，然而應理解，在不背離由以下申請專利範圍界定的本發明概念的精神及範圍的條件下可對其作出形式及細節上的各種變化。
S400'、S420、S440、S460、S480‧‧‧操作
D81‧‧‧MIMO通道資訊

Claims (10)

  1. 一種為多輸入多輸出（MIMO）通道建構極化碼的方法，所述方法包括： 基於多輸入多輸出通道資訊而產生相互獨立的多個單輸入單輸出（SISO）通道； 由至少一個處理器執行包括以下的操作： 定義所述極化碼的通道，並將所述極化碼的所述通道中的每一者分配給所述多個單輸入單輸出通道中的一者； 估測藉由對所述多個單輸入單輸出通道應用極化變換而組合得到的組合通道的品質；以及 基於所估測的所述品質而排列未凍結位元及凍結位元。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中產生所述多個單輸入單輸出通道包括：由所述至少一個處理器執行包括以下的操作：提取包含於所述多輸入多輸出通道資訊中的通道矩陣；以及基於奇異值分解而自所述通道矩陣獲得以特徵值作為對角線元素的對角矩陣。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中估測所述組合通道的所述品質包括：基於所述特徵值而計算所述組合通道中的每一組合通道的巴塔恰裏雅參數。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述分配包括將所述多個單輸入單輸出通道分組成至少一個對，且估測所述組合通道的所述品質包括對被分組的所述多個單輸入單輸出通道應用所述極化變換。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的方法，其中所述分組包括基於大小與所述單輸入單輸出通道的數目對應的區塊的錯誤率來進行分組。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的方法，其中所述多個單輸入單輸出通道是r個單輸入單輸出通道，其中r是整數，且所述多個單輸入單輸出通道以遞降次序分別具有所述品質的第一個索引至第r個索引，且在r是偶數的條件下，所述分組包括將所述多個單輸入單輸出通道分組成r/2個對而使得每一個對的索引之和為(r+1)。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中排列所述未凍結位元及所述凍結位元包括：根據編碼速率確定所述未凍結位元的數目及所述凍結位元的數目，並以所估測的所述品質的遞降次序依序排列所述未凍結位元及所述凍結位元。
  8. 一種經由多輸入多輸出（MIMO）通道進行的通信方法，所述通信方法包括： 由至少一個處理器執行包括以下的操作： 獲得多輸入多輸出通道資訊； 基於所述多輸入多輸出通道資訊建構極化碼；以及 根據所述極化碼實行編碼或解碼， 其中建構所述極化碼包括將所述極化碼的N個通道中的每一者分配給所述多輸入多輸出通道的r個層中的一者，其中N及r是正整數。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的通信方法，其中建構所述極化碼更包括基於自所述多輸入多輸出通道資訊提取的通道矩陣而產生相互獨立的r個單輸入單輸出（SISO）通道，且所述分配包括將所述極化碼的多個通道中的每一者分配給所述r個單輸入單輸出通道中的一者。
  10. 一種經由多輸入多輸出（MIMO）通道進行通信的通信裝置，所述通信裝置包括： 極化碼建構器電路，被配置成基於多輸入多輸出通道資訊而建構極化碼； 編碼器電路，被配置成藉由基於所述極化碼對K位元源資料進行極化編碼而產生N位元碼資料，其中K及N是正整數；以及 交錯器電路，被配置成藉由基於所述極化碼對所述碼資料進行交錯而產生交錯資料，所述交錯資料包括與所述多輸入多輸出通道的r個層對應的r個群組，其中r是正整數。
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