改进的双载波调制预编码

摘要

一种用于执行双载波调制(DCM)预编码的方法(300)。该方法包括：生成数据子块(S320)；独立地交织子块(S330)；通过集合所交织的子块的位来生成位向量(S350)；将所述位向量映射到数据符号(S360)；以及使用预编码矩阵对所述数据符号进行预编码以生成预编码符号(S370)。

说明书

本申请要求2008年4月18日提交的美国临时申请No.61/046,121的利益。

本发明总体涉及正交频分复用(OFDM)通信系统，并且更具体地涉及通过这样的系统执行的预编码技术。

WiMedia标准定义了基于正交频分复用(OFDM)传输的媒体访问控制(MAC)层和物理(PHY)层的规范。当前的WiMedia标准允许以高达480Mbps的速率且低功耗地进行短距离多媒体文件传输。所述标准工作在超宽带(UWB)频谱中的3.1GHz与10.6GHz之间的频带中。然而，WiMedia标准速率的最高数据速率不能满足未来无线多媒体应用，比如高清晰度TV(HDTV)无线连接。正在努力将所述数据速率增加到1Gbps及以上。

为此，已经预见到在未来的高数据速率无线系统中使用弱(或无信道)信道编码和更高阶的调制技术。例如，如果使用3/4卷积码连同16QAM调制方案，则WiMedia PHY传输速率可被增加到960Mbps。然而，所传输的OFDM符号的预编码需要保证良好的性能。

所述预编码技术需要用于避免由所述OFDM传输特性造成的频率分集增益的损失。特别地，利用弱信道码，所述OFDM不能有效地使用所述频率分集。因此，所述信道性能几乎由具有最低信噪比(SNR)的最差副载波确定。这限制了可以由常规的OFDM无线系统承载的高数据速率应用的数量。

为了克服这个问题，已经在相关领域中讨论了一些预编码技术。一般地，所述预编码技术基于共同地调制传输符号到多个副载波上。这允许接收器即使在这些副载波中的一些处于深度衰落时也能恢复传输符号。典型地通过耦合到发射器的IFFT OFDM调制器的输入端的预编码器电路以及通过耦合到接收器的FFT OFDM解调器的输出端的预解码器电路来执行所述预编码。预编码技术的实例可以在下文中找到：“OFDM or single-carrier block transmissions？”，by Z.Wang，X.Maand G.B.Giannakis published in IEEE Transactions onCommunications，vol.52，pp.380-394 March 2004；以及“LinearlyPrecoded or Coded OFDM against Wireless Channel Fades，”by Z.Wang，and G.B.Giannakis published in Third IEEE SignalProcessing Workshop on Signal Processing Advances in WirelessCommunications，Taoyuan，Taiwan，March 20-23，2001。

由WiMedia标准团体采用的预编码技术是常规的双载波调制(DCM)。该预编码技术共同地对两个符号进行预编码并且在两个不同的副载波上传输该预编码的符号以实现阶数为2的频率分集。为此，用预编码矩阵R乘以符号。例如，符号s(i)和s(i+50)的预编码可以描述如下：

$R=\frac{1}{\sqrt{5}}\left(\begin{array}{cc}2& 1\\ 1& -2\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}x\left(i\right)\\ x(i+50)\end{array}\right)=R*\left(\begin{array}{c}s\left(i\right)\\ s(i+50)\end{array}\right)=\frac{1}{\sqrt{5}}\left(\begin{array}{cc}2& 1\\ 1& -2\end{array}\right)*\left(\begin{array}{c}s\left(i\right)\\ s(i+50)\end{array}\right).$

其中，符号x(i)和x(i+50)是预编码的符号。

常规的DCM预编码的缺点之一在于，只有当符号s(i)和s(i+50)基于正交相移键控(QPSK)星座时才可以保证完全的频率分集。如果所述符号是更高的星座，例如16相正交幅度调制(QAM)，则在大多数情况下不能实现阶数为2的分集。因此，所述DCM预编码使信道的性能降低。

下面是一个实例，其证实了所述DCM预编码技术的缺点。使用上面所示的预编码矩阵来对两个不同的符号向量和进行预编码。所述预编码的符号x和被计算如下：

$x=\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right)=\frac{1}{\sqrt{50}}\left(\begin{array}{cc}2& 1\\ 1& -2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}3+3j\\ -3-3j\end{array}\right)=\frac{1}{\sqrt{50}}\left(\begin{array}{c}3+3j\\ 9+9j\end{array}\right)$

$\hat{x}=\left(\begin{array}{c}{\hat{x}}_1\\ {\hat{x}}_2\end{array}\right)=\frac{1}{\sqrt{50}}\left(\begin{array}{cc}2& 1\\ 1& -2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}1+j\\ 1+j\end{array}\right)=\frac{1}{\sqrt{50}}\left(\begin{array}{c}3+3j\\ -1-j\end{array}\right)$

可以注意到，x和的第一个元素是相同的。因此，没有实现阶数为2的分集。

本发明的某些实施例包括一种用于执行双载波调制(DCM)预编码的方法。该方法包括：生成数据子块；独立地交织子块；通过集合交织的子块的位来生成位向量；将位向量映射到数据符号；并使用酉预编码矩阵对所述数据符号进行预编码以生成预编码的符号。

本发明的某些实施例进一步包括一种计算机可读介质，其上存储有使得计算机执行完成双载波调制(DCM)预编码过程的计算机可执行代码。所述过程包括：生成数据子块；独立地交织子块；通过集合交织的子块的位来生成位向量；将位向量映射到数据符号；并使用酉预编码矩阵对所述数据符号进行预编码以生成预编码的符号。

本发明的某些实施例还包括用于执行双载波调制(DCM)预编码的正交频分复用(OFDM)发射器。该OFDM发射器包括：比特交织器，用于交织包含编码的输入信息位的子块；星座映射单元，用于从交织的子块生成位向量并将所述位向量映射到信息符号，其中该星座映射单元还能够使用酉预编码矩阵对所述信息符号进行预编码以生成预编码的符号；以及符号交织器，用于将所述预编码的符号分配到多个OFDM符号的不同数据副载波中。

在该说明书完结时，在权利要求中具体指出并清楚地要求保护被视作本发明的主题。本发明的上述和其他特征和优点将根据下面结合附图的详细描述而变得清楚。

图1是适于执行根据本发明实施例实现的预编码技术的发射器的框图；

图2是示出根据本发明实现的预编码技术的仿真结果的曲线图；

图3是描述用于执行根据本发明实施例实现的改进的DCM预编码的示范性方法的流程图。

重要的是，注意到本发明所公开的实施例仅仅是本文中创新教导的许多有利用途的实例。一般地，本申请的说明书中所进行的陈述不一定限制各种要求保护的发明中的任何一个。而且，一些陈述可能适用于一些发明特征而非其他特征。一般地，除非另外指示，单数元件可以是多个且反之亦然，且不失一般性。在附图中，在若干个视图中，相同的数字表示相同的部件。

图1示出适于实现根据本发明实施例实现的改进的DCM预编码技术的基于OFDM的发射器100的非限制性和示范性的框图。发射器100可以以960Mbps及更高的速率传输数据，同时确保阶数至少为2的频率分集。

发射器100包括编码器110、穿孔器120、比特交织器130、星座映射单元140、符号交织器150和OFDM调制器160。根据本发明的原理，输入信息位被编码器110编码。随后，使用穿孔器120，对所编码的位穿孔并将其分割为数据块，每个数据块包括“m”个位。每个数据块进一步被分割为“p”(其中“p”是等于或大于2的整数)个子块，每个子块包括m/p个位。

通过比特交织器130独立地交织每个子块。交织器130可以是当前在WiMedia系统中正被使用的传统交织器。同样，交织器130支持高达480Mbps的数据速率，针对更高速率的交织参数(例如，NTDS、NCBP6S、NCBPS、NTint、Ncyc)的新值被定义。在表1中提供了根据本发明实施例使用的示范性交织参数值。

表1

所交织的子块被分为“v”个位组。每个位组包括“j”个位。星座映射单元140将“p”个交织的子块的第i个(i＝0，1，...，v-1)位组组合为位向量，每个位向量包括数量为“w”的位。

随后，所述位向量被映射到将在“n”个数据副载波上传输的“n”个符号。根据本发明的一个实施例，使用Gray映射方案将4-位向量映射到包括16QAM星座的符号。特别地，4-位向量到两个符号s_k，i和s_k+50，i的映射可被描述如下：

(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)可以是例如在2005年7月的WiMedia多频带OFDM物理层规范版本1.1中定义的位索引函数。

使用所述星座映射单元140进一步对所述16QAM符号(S_k，i和S_k+50，i)预编码，以生成预编码的符号(X_k，i和X_k+50，i)。所述预编码是使用预编码矩阵R来实现的并且可以被表示如下：

$\left(\begin{array}{c}{x}_{k,i}\\ x_{k+50,i}\end{array}\right)=R*\left(\begin{array}{c}{s}_{k,i}\\ s_{k+50,i}\end{array}\right)$

根据本发明的原理，所述预编码矩阵R可被定义如下：

$R=\mathrm{rnf}*\left(\begin{array}{cc}a& b\\ c& d\end{array}\right)$

所述预编码矩阵R是酉矩阵，其仅仅包括整数元素(即，a、b、c、d为整数)和归一化(normalization)实数因子“rnf”。应当理解，如本文所定义的预编码矩阵R的属性确保了预编码过程的简单实现(由于所述整数值)，同时保持了所传输的信号的功率谱密度(PSD)特性。

这在UWB系统中是非常重要的特征，因为这样的系统需要非常严格的PSD要求。此外，由于所述预编码矩阵是实矩阵，所以可以独立地对所接收的信号的I和Q分量进行解码。因此，可以大大降低由所述接收器执行的解码过程的复杂性。

下面的示范性预编码矩阵是根据本发明的某些实施例构造的。当使用16QAM调制或其他更高阶的调制方案时，这些矩阵是非常高效的。

$R_1=\frac{1}{\sqrt{29}}\left(\begin{array}{cc}5& 2\\ 2& -5\end{array}\right)$

$R_2=\frac{1}{\sqrt{34}}\left(\begin{array}{cc}5& 3\\ 3& -5\end{array}\right)$

$R_3=\frac{1}{\sqrt{58}}\left(\begin{array}{cc}7& 3\\ 3& -7\end{array}\right)$

$R_4=\frac{1}{\sqrt{73}}\left(\begin{array}{cc}8& 3\\ 3& -8\end{array}\right)$

$R_5=\frac{1}{\sqrt{305}}\left(\begin{array}{cc}16& 7\\ 7& -16\end{array}\right)$

$R_6=\frac{1}{\sqrt{65}}\left(\begin{array}{cc}7& 4\\ 4& -7\end{array}\right)$

$R_7=\frac{1}{\sqrt{337}}\left(\begin{array}{cc}16& 9\\ 9& -16\end{array}\right)$

符号交织器150将所述预编码的符号(x)分配到不同的OFDM符号的不同数据副载波中。例如，所述预编码的符号X_k，i和X_k+50，i在第i个OFDM符号的第k个和第k+50个数据副载波上被传输。OFDM调制器160执行IFFT操作以生成时域传输信号，其通过天线传输。

应当注意，发射器100能够根据包括但不限于WiMedia UWB版本1.0、1.5和2.0、IEEE 802.11n、WiMax等的无线通信标准操作。

根据本发明的一个实施例，发射器100实现了16QAM调制方案。在该实施例中，6-OFDM块中所包含的数量为2400的预编码的位以960Mbps的速率被传输。因此，每个数据块包括2400个位(即，m＝2400)，子块的数量为2(即，p＝2)，以及每个子块中的位的数量为1200(即，m/p＝1200)。而且，每个子块包括6个位组(即，v＝6)，每个位组具有200个位(即，j＝200)。所述星座映射单元140将两个(即，p＝2)连续交织的子块的第i个(i＝0，1，...，5)位组组合为50个位向量，每个位向量包括数量为8(即，w＝8)的位。第i个位组的第k个位向量被映射到2个(即，n＝2)符号s_k，i和s_k+50，i，其被预编码以生成符号X_k，i和X_k+50，i，这些符号在第i个OFDM符号的第k个和第k+50个副载波上被传输。

图2示出证实根据本发明的一个实施例实现的预编码技术的性能的仿真结果。在所述仿真中，8192个数据位被预编码。使用具有上述属性的所述酉预编码矩阵执行所述预编码(被标记为“MDCM”)。如可以注意到的，在高数据速率(960Mbps)中，由MDCM预编码的曲线210指示的增益比曲线220所指示的使用16QAM调制时实现的增益更好。即，为了获得某个水平的帧差错率，所述16QAM调制的信号的发射功率应当高于所述预编码信号的发射功率。

图3示出描述用于执行根据本发明实施例实现的改进的DCM预编码的方法的非限制性流程图300。在S310中，编码的信息位被集合成数据块，每个数据块包括“m”个位。参数“m”是数据速率和正在使用的调制方案的函数。在S320中，数据块被划分成“p”个子块，每个子块包括“m/p”个位。在S330中，将每个子块交织，并且在S340中，每个交织的子块的位被集合成“v”个位组。在S350中，所交织的子块的相应的第i个位组被组合以生成位向量。在S360中，每个位组被映射到符号。所述位向量到符号的映射可以是任何一对一的映射方案，包括但不限于，Gray映射、集分割映射等等。在优选实施例中，使用Gray映射执行所述映射。

在S370中，使用具有上文中详细描述的属性的酉预编码矩阵对所述符号进行预编码。特别地，为了实现阶数为2的频率分集，用所述酉预编码矩阵乘以将在同一OFDM符号的不同副载波上传输的两个符号。在S380中，如上所述，将所述预编码的符号交织。此后，在S390中，所有预编码的符号被调制到不同的副载波和OFDM符号并通过无线介质传输。

应当理解，本文描述的所述改进的DCM预编码允许增加具有更好的增益性能的数据传输速率，同时降低预编码器电路的复杂性并且因此降低所述发射器的复杂性。

上文的详细描述已经阐明了本发明可以采取的许多形式中的一些。上文的详细描述意欲被理解为对本发明可以采取的选定形式的说明，而不是对本发明的定义的限制。只有权利要求(包括所有等价物)定义了本发明的范围。

最优选地，本发明的原理被实现为硬件、固件和软件的任意组合。而且，所述软件优选地被实现为有形地被收录在程序存储单元或计算机可读介质上的应用程序。所述应用程序可以被上载到包括任何适当的架构的机器或被该机器执行。优选地，所述机器在具有硬件的计算机平台上实现，所述硬件比如一个或多个中央处理单元(“CPU”)、存储器和输入/输出接口。所述计算机平台还可以包括操作系统和微指令代码。本文所描述的各种过程和功能可以是所述微指令代码的一部分或所述应用程序的一部分或可以由CPU执行的其任意组合，无论这样的计算机或处理器是否被明确地示出。此外，各种其他的外围单元可被连接到所述计算机平台，所述外围单元例如附加的数据存储单元和打印单元。