專利名稱：用于部分相干系統(tǒng)的編碼調(diào)制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于數(shù)字通信系統(tǒng)中進(jìn)行編碼調(diào)制的信號(hào)構(gòu)象，尤其是使用格形編碼調(diào)制和多發(fā)送天線的無(wú)線系統(tǒng)。
背景數(shù)字通信需要通過(guò)調(diào)制載波信號(hào)發(fā)送一個(gè)比特序列到載波上來(lái)假定離散的信號(hào)值，或者構(gòu)象點(diǎn)。雖然有效構(gòu)象點(diǎn)數(shù)量的增加使得在給定的帶寬上產(chǎn)生增加的數(shù)據(jù)速率，但因?yàn)橛诰哂休^少點(diǎn)的構(gòu)象相比，鄰近的構(gòu)象點(diǎn)彼此更為接近，因此數(shù)據(jù)速率的增長(zhǎng)增加必然導(dǎo)致解碼器上錯(cuò)誤頻率的增加?？紤]到解碼器使用最大似然或者其它概率算法來(lái)正確地決定已經(jīng)被接收的構(gòu)象點(diǎn)是哪一個(gè)構(gòu)象點(diǎn)，錯(cuò)誤率增加是固有特性。網(wǎng)格編碼調(diào)制(TCM)是一種編碼技術(shù)，其中調(diào)制和編碼通過(guò)限制鄰近構(gòu)象點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換，在某種意義上被結(jié)合在一起而減少錯(cuò)誤率。在這里被提及的TCM包括任何將多層/相位調(diào)制信號(hào)裝置與網(wǎng)格編碼方案結(jié)合在一起的系統(tǒng)，或者任何使用存儲(chǔ)器的編碼系統(tǒng)(例如卷積碼)。一個(gè)多層/相位調(diào)制信號(hào)裝置通過(guò)一個(gè)構(gòu)象(不同于二進(jìn)制)來(lái)描述，該構(gòu)象包括多振幅，多相位或者它們的多種結(jié)合。一個(gè)平面例子在附

圖1A中展示，一個(gè)16-ary QAM信號(hào)構(gòu)象。
在一個(gè)非編碼系統(tǒng)，鄰近構(gòu)象點(diǎn)之間的最小距離僅僅是Euclidean距離。TCM系統(tǒng)的一個(gè)基本概念是鄰近構(gòu)象點(diǎn)之間不允許轉(zhuǎn)換。TCM系統(tǒng)僅允許在非鄰近點(diǎn)之間轉(zhuǎn)換，從而使允許轉(zhuǎn)換的點(diǎn)之間的最小Euclidean距離，術(shù)語(yǔ)稱為自由(free)Euclidean距離，大于兩個(gè)最接近點(diǎn)之間的Euclidean距離。因此TCM系統(tǒng)能夠增加編碼增益而不用增加帶寬、功率、或者誤碼率。
附圖1A-1D的現(xiàn)有技術(shù)模塊圖是指導(dǎo)性的。附圖1A的16-ary QAM信號(hào)構(gòu)象12通過(guò)一系列集合劃分被分成相互排斥的子集，優(yōu)選的是直到每個(gè)子集僅包括2個(gè)點(diǎn)。假設(shè)附圖1A中鄰近的點(diǎn)被距離d分開(kāi)，在附圖1B中的第一集合劃分產(chǎn)生兩個(gè)子集14和16，其中鄰近的節(jié)點(diǎn)被距離 分開(kāi)。在第一子集14和第二子集16之間的轉(zhuǎn)換是不允許的，因此，和附圖1B非編碼構(gòu)象相比較，自由Euclidean距離隨著集合劃分而增加。在附圖1C中顯示了第二集合劃分，其中附圖1B的每個(gè)子集14、16被分成2個(gè)相互排斥的集合，其中兩點(diǎn)之間最小自由Euclidean距離被增加到2d。附圖1D中描述的第三集合劃分進(jìn)一步分割在8個(gè)子集中的構(gòu)象點(diǎn)，其中點(diǎn)之間的最小自由Euclidean距離被增加到 假設(shè)d＝1，僅被分配了兩個(gè)點(diǎn)的子集每個(gè)產(chǎn)生2.828的自由Euclidean距離。允許轉(zhuǎn)換距離的增加使得TCM可以增加編碼增益(或者減少誤碼率)而不需要增加信道帶寬或功率。
另外，通常假設(shè)接收器具有用于編碼和構(gòu)象設(shè)計(jì)的信道狀態(tài)的完備知識(shí)，尤其是無(wú)線系統(tǒng)。在一個(gè)慢衰減信道中，將多個(gè)符號(hào)間隔的衰減系數(shù)近似保持常數(shù)，發(fā)送器可以發(fā)送訓(xùn)練信號(hào)使接收器精確估計(jì)衰減系數(shù)。如果這樣，就可以放心的假設(shè)在接收器里有完備的信道狀態(tài)信息，并使用根據(jù)這種假設(shè)設(shè)計(jì)的編碼和構(gòu)象。這在術(shù)語(yǔ)上稱為相干通信系統(tǒng)。在許多實(shí)際情況中，由于發(fā)送序列長(zhǎng)度有限在信道估計(jì)中存在一些誤差。為了在信道估計(jì)中維持一個(gè)具有誤差的給定數(shù)據(jù)速率，快速衰減信道需求較短的訓(xùn)練序列，導(dǎo)致了不可靠的信道估計(jì)。通過(guò)對(duì)相同的性能評(píng)估要求較長(zhǎng)的訓(xùn)練序列，多發(fā)送天線解決了這個(gè)問(wèn)題。因此，通常假設(shè)在接收器設(shè)計(jì)最佳編碼/構(gòu)象時(shí)知道信道參數(shù)在實(shí)際中并不總是有效的。在所出現(xiàn)的信道估計(jì)誤差(部分相干系統(tǒng))時(shí)，使用估計(jì)誤差統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)的編碼和構(gòu)象比在接收器中使用完備的信道狀態(tài)信息設(shè)計(jì)的更讓人滿意。
發(fā)明概述和前面描述的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)使用在接收器中不假設(shè)有完備的信道狀態(tài)信息的信號(hào)構(gòu)象來(lái)改進(jìn)TCM，從而增加了允許轉(zhuǎn)換之間的距離。同樣的，和現(xiàn)有技術(shù)TCM系統(tǒng)相比，本發(fā)明允許對(duì)于給定的帶寬和信號(hào)功率增加編碼增益，而不增加誤碼率。當(dāng)用在MIMO系統(tǒng)時(shí)，本發(fā)明特別有優(yōu)勢(shì)，雖然優(yōu)勢(shì)可以通過(guò)本發(fā)明的使用實(shí)現(xiàn)，但也可以通過(guò)在系統(tǒng)中使用一個(gè)信號(hào)發(fā)送和信號(hào)接收天線實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明可以包含在一個(gè)計(jì)算機(jī)可讀媒體上或里，比如一個(gè)只讀存儲(chǔ)器，一個(gè)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器，SRAM，閃存存儲(chǔ)器，和其它各種各樣的存儲(chǔ)器?？梢允请娍勺x的，光可讀的，磁可讀的，或者是它們的組合。本發(fā)明在這里不局限于任何特定的媒體類型或計(jì)算機(jī)讀取程序。
本發(fā)明涉及到在數(shù)字通信中使用的信號(hào)構(gòu)象。一種調(diào)制數(shù)字通信的方法是網(wǎng)格編碼調(diào)制，在一個(gè)具體實(shí)施例中，本發(fā)明希望一種用來(lái)編碼多比特的方法。該方法包括選擇信號(hào)構(gòu)象中至少兩個(gè)相互排斥的子集中的一個(gè)和在所選子集中基于多比特的一個(gè)點(diǎn)，使用載波調(diào)制被選擇點(diǎn)。在那種方式中，獎(jiǎng)符號(hào)按照被選擇的構(gòu)象點(diǎn)進(jìn)行傳送。被選擇的子集包括至少兩個(gè)構(gòu)象點(diǎn)，他們被基于條件分布的距離彼此分開(kāi)。同樣在這里被使用的相互排斥子集是沒(méi)有公共構(gòu)象點(diǎn)的子集。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，這個(gè)交互子集距離是Kullback-Leibler距離。此外，多輸入比特優(yōu)選的由m＝k1+k2比特組成，其中k1比特被編碼為n比特，n比特被用來(lái)選擇2n子集中的一個(gè)，k2比特用來(lái)選擇被選擇子集中的一個(gè)點(diǎn)。變量m，k1，k2是非零整數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一個(gè)用來(lái)發(fā)送一系列輸入比特的發(fā)送器。發(fā)送器包括編碼器，映射表，和用來(lái)存放至少一個(gè)信號(hào)構(gòu)象的計(jì)算機(jī)可讀媒體。編碼器有一個(gè)用來(lái)接收多輸入比特的輸入。映射表的輸入耦合至編碼器的輸出。存儲(chǔ)媒體耦合至映射表，它選擇一個(gè)信號(hào)構(gòu)象子集和在所選擇子集中基于多輸入比特的一個(gè)點(diǎn)。被選擇的子集包括至少兩個(gè)構(gòu)象點(diǎn)，他們被基于條件分布的距離彼此分開(kāi)。優(yōu)選的，距離是最大化的最小Kullback-Leibler距離。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1A-ID是在不同分區(qū)層上現(xiàn)有的16點(diǎn)QAM信號(hào)構(gòu)象，其中圖1A是完整的構(gòu)象，圖1B-1D的每一個(gè)描述了連續(xù)分區(qū)圖1A到更小更多的子集。
圖2是依照本發(fā)明把一個(gè)4層(4圈)信號(hào)構(gòu)象劃分到8子集(A-A’，B-B’，等)的示意圖，每個(gè)子集定義為被條件分布的距離分開(kāi)的兩個(gè)點(diǎn)。
圖3是根據(jù)本發(fā)明使用了信號(hào)構(gòu)象的收發(fā)器結(jié)構(gòu)圖。
圖4是將3比特輸入與圖2的信號(hào)構(gòu)象的唯一點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)格編碼器的結(jié)構(gòu)圖。
圖5是圖2的信號(hào)構(gòu)象的網(wǎng)格編碼示意圖。
圖6(a)是使用根據(jù)本發(fā)明的3b/s/Hz網(wǎng)格編碼部分相干調(diào)制的非編碼8點(diǎn)和16點(diǎn)部分相干構(gòu)象的性能比較圖，信道估計(jì)方差為σE2=0.01.]]>圖6(b)是一個(gè)和圖6(a)相似的圖，但是比較的是使用根據(jù)本發(fā)明的相應(yīng)部分相干構(gòu)象的非編碼和網(wǎng)格編碼16QAM的性能。
圖7(a)-(b)是分別和圖6(a)-(b)相似的圖，但是信道估計(jì)方差為
σE2=0.05.]]>詳細(xì)描述本發(fā)明建立在國(guó)際專利申請(qǐng)PCT/IB03/02088中詳述的成果之上，申請(qǐng)由美國(guó)受理局在2003年5月29日建檔，標(biāo)題為“為在接收器中不完備的信道狀態(tài)信息建立構(gòu)象的方法和裝置”(METHOD AND APPARATUS TOESTABLISH CONSTELLATIONS FOR IMPERFECT CHANNEL STATEINFORMATION AT A RECEIVER)。該成果描述了信號(hào)構(gòu)象其中獨(dú)立的構(gòu)象點(diǎn)被由條件分布決定的距離所分開(kāi)，比如Kullback-Leibler(KL)距離。本發(fā)明還建立在美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)朳XX/XXX，XXX]，在2003年6月25日建檔，標(biāo)題為“用于多載波系統(tǒng)的信號(hào)構(gòu)象”(SIGNAL CONSTELLATIONS FOR MULTI-CARRIER SYSTEMS)之上，詳述了部分相干信號(hào)構(gòu)象特別適用于多路徑通信系統(tǒng)。所有上述相關(guān)申請(qǐng)?jiān)谶@里作為參考相結(jié)合。
在這里使用的部分相干系統(tǒng)是一個(gè)通信系統(tǒng)，其中的接收器沒(méi)有信道狀態(tài)信息(CSI)的準(zhǔn)確知識(shí)，并且部分相干構(gòu)象是假設(shè)在接收器中有較少CSI完備知識(shí)的信號(hào)構(gòu)象?；跅l件分布的距離是在點(diǎn)或?qū)嶓w之間的距離，其中至少一點(diǎn)的位置由基于點(diǎn)的可能位置的統(tǒng)計(jì)所決定，例如概率密度。一個(gè)或所有點(diǎn)的分布可以通過(guò)這種統(tǒng)計(jì)測(cè)量來(lái)決定，它們之間的距離是基于條件分布的距離。通過(guò)概率密度指定信號(hào)構(gòu)象點(diǎn)的位置，信道衰減統(tǒng)計(jì)被直接和信號(hào)構(gòu)象相結(jié)合。相反地，指定點(diǎn)基于嚴(yán)格的Euclidean間隔是隱含了假設(shè)在接收機(jī)有完備的CSI(相干系統(tǒng))。
用于此處目的條件分布之間的優(yōu)選距離是Kullback-Leibler(KL)距離，同樣有時(shí)稱為相關(guān)熵。通常，兩個(gè)密度f(wàn)和g之間的KL距離D(f‖g)被定義為D(f||g)=∫flogfg]]>如果f的支持集被包含在g的支持集中，距離D(f‖g)僅是有限的。連續(xù)的， 被設(shè)置等于零。在條件分布中許多不同類型的距離函數(shù)適于信號(hào)構(gòu)象設(shè)計(jì)，例如KL距離，Chernoff距離，J-divergence，Bhattacharyya距離，Kolmogorov距離，和其它各種名字的。
如上邊簡(jiǎn)略提到的申請(qǐng)，對(duì)于部分相關(guān)系統(tǒng)的信號(hào)構(gòu)象可以通過(guò)距離來(lái)分割構(gòu)象點(diǎn)得到優(yōu)化，這個(gè)距離不是Euclidean，而是條件分布間的距離。信道衰減統(tǒng)計(jì)被用來(lái)編碼附加信息到時(shí)空矩陣信號(hào)構(gòu)象作為構(gòu)象點(diǎn)的振幅變化。在條件分布中距離的特別優(yōu)勢(shì)尺寸是Kullback-Leibler距離。因?yàn)榍懊娴墓ぷ鞑灰蕾嚱邮掌髦型陚涞男诺罓顟B(tài)信息，現(xiàn)有技術(shù)假設(shè)引入錯(cuò)誤不通過(guò)通信系統(tǒng)傳播，因此更精確的信號(hào)構(gòu)象和現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)象相比可以減少誤碼率。宣稱在較復(fù)雜信道和多信道上有優(yōu)勢(shì)，例如系統(tǒng)使用多發(fā)送天線。在實(shí)際的系統(tǒng)中，在前面申請(qǐng)中所描述的部分相關(guān)構(gòu)象當(dāng)使用合適的外部碼時(shí)更加有優(yōu)勢(shì)。在本例中外部碼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則不同于已存在的Euclidean或者Hamming距離所基于的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
通過(guò)下面的數(shù)學(xué)公式的詳述，發(fā)明者發(fā)現(xiàn)KL距離有一個(gè)附加特性，該特性和Euclidean距離在相干系統(tǒng)和現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)象中的一些表現(xiàn)有些相似。在被接收的分布中KL距離對(duì)應(yīng)于兩個(gè)碼字，碼字范圍覆蓋若干個(gè)相干間隔，KL距離是在那些相干間隔中KL距離的總和。這個(gè)附加的特性和通過(guò)集合劃分的映射相結(jié)合，用來(lái)在平穩(wěn)衰減環(huán)境中為部分相干系統(tǒng)設(shè)計(jì)網(wǎng)格編碼調(diào)制方案。集合劃分的映射在下面詳述，特別是和G.Ungerboeck在“CHANNEL CODINGWITH MULTILEVEL/PHASE SIGNALS”中涉及的網(wǎng)格編碼調(diào)制相結(jié)合，文章在IEEE Transactions on Information Theory，第IT-28卷，第55-67頁(yè)，1982年1月出版，在這里合并做為參考。和傳統(tǒng)TCM基于Euclidean距離集合劃分不同，本發(fā)明的部分相干編碼調(diào)制基于KL距離集合劃分。在下面顯示的僅僅是信道估計(jì)誤差百分比的平均值，本發(fā)明的編碼調(diào)制實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了顯著的性能增益，超過(guò)了傳統(tǒng)構(gòu)象和網(wǎng)格編碼調(diào)制方案。
系統(tǒng)模型假設(shè)數(shù)據(jù)塊B，每個(gè)長(zhǎng)度為T的信號(hào)間隔(這里T是信道的相干間隔)。將尺寸為T×M(這里M是發(fā)送天線數(shù))的B信號(hào)矩陣堆積成發(fā)送矩陣S的形式。類似的，接收信號(hào)被集中到T×BN的矩陣X中，這里N是接收天線數(shù)。根據(jù)這些假設(shè)，接收矩陣可以根據(jù)發(fā)送矩陣，信道矩陣，附加噪聲，使用下面的表達(dá)式表示X＝SH+W [1]其中
X＝X1…XB， W＝W1…WB，[2]和 [3]這里b＝1，...，B。輸入項(xiàng)W假設(shè)為復(fù)合了來(lái)自分布CN(0，1)的高斯分布隨機(jī)變數(shù)的獨(dú)立回路。同樣，隨著塊衰減假設(shè)信道具有相干間隔T，非零輸入項(xiàng)H也是復(fù)合了來(lái)自分布CN(0，1)的高斯分布隨機(jī)變數(shù)的獨(dú)立回路，這些獨(dú)立假設(shè)產(chǎn)生p(X|S,H)=Πb=1p(Xb|Sb,Hb).]]>[4]相似的定義TM×TN信道估計(jì)對(duì)角矩陣， 和同樣在接收器的估計(jì)誤差這里b＝1，...，B，因此 產(chǎn)生 非零輸入項(xiàng) 和 被假設(shè)為復(fù)合了高斯分布隨機(jī)變數(shù)的獨(dú)立零值回路。每個(gè)信道系數(shù)的估計(jì)方差δE2也同樣被假設(shè)，導(dǎo)致對(duì)于非零輸入項(xiàng) 的CN(0，σE2)分布和對(duì)于輸入項(xiàng) 的CN(0，(1-σE2))分布。通過(guò)設(shè)置σE2等于0或者1，這個(gè)模型分別的減少相干和非相干系統(tǒng)模型。
使用上面對(duì)矩陣 和 的分布產(chǎn)生p(X|S,H^)=EH~{P(X|S,H^,H~}...[8]]]>=Πb=1Bexp{-tr[(IT+σE2SbSbH)-1(Xb-SbH^b)(Xb-SbH^b)H]}πTNdetN(IT+σE2SbSbH)···[9]]]>最大似然(ML)解碼將找到將給定的接收矩陣和信道估計(jì)的上述表達(dá)式最大化的信號(hào)矩陣。對(duì)等式[9]取對(duì)數(shù)，和忽略公共項(xiàng)，對(duì)數(shù)似然函數(shù)是 由于和中的每項(xiàng)依賴被發(fā)送的矩陣僅僅在一個(gè)相干間隔中，解碼器可以使用維特比算法。
編碼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則按照Stein的理論，可達(dá)到的最好誤差指數(shù)使用假設(shè)檢驗(yàn)通過(guò)對(duì)應(yīng)于假設(shè)分布的Kullback-Leibler(KL)距離給予。雖然可達(dá)到的最好誤差指數(shù)通過(guò)監(jiān)測(cè)器實(shí)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)器有較高偏差有利于假設(shè)優(yōu)于ML監(jiān)測(cè)器，ML監(jiān)測(cè)器的執(zhí)行也和分布的KL距離相關(guān)。因此，請(qǐng)參考前面的相似專利申請(qǐng)，Kullback-Leibler(KL)距離被用來(lái)作為執(zhí)行準(zhǔn)則。使用前面的等式[9]和兩個(gè)乘積分布的KL距離是獨(dú)立分布的KL距離的總和這一事實(shí)，兩個(gè)條件分布 和 的KL距離通過(guò)下式給出D(pi||pj)=Σb=1Db(Hb),...[11]]]>其中Db(H^b)=Ntr{(IT+σE2SibSibH)(IT+σE2SjbSjbH)-1}-NT]]>-Nlndet{(IT+σE2SibSibH)(IT+σE2SjbSjbH)-1}]]>+tr{(IT+σE2SjbSjbH)-1(Sib-Sjb)H^bH^bH(Sib-Sjb)H}.]]>[12](為了符號(hào)的簡(jiǎn)化，信號(hào)矩陣Si和Sj不包括在函數(shù)Db的參數(shù)中。)從上面明顯看出，這些KL距離依賴于 不能直接作為設(shè)計(jì)量度。發(fā)現(xiàn)從期望的KL距離可以導(dǎo)出設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是有利的，按照Stein的理論，N是漸進(jìn)的，從Sj到Si的錯(cuò)誤是成對(duì)的誤差概率，被設(shè)計(jì)用于最大化誤差概率的指數(shù)衰退速率的最好假設(shè)檢驗(yàn)可以被大致給出 為了得到希望的KL距離，我們發(fā)現(xiàn)等式[13]所希望的值和 的分布有關(guān)，它是一個(gè)乘積分布 因此， =Πb=1Bexp(-D‾b(pi||pj))...[19]]]>=exp(-Σb=1BD‾b(pi||pj))...[20]]]>其中，D‾b(pi||pj)=Ntr{(IT+σE2SibSibH)(IT+σE2SjbSjbH)-1}-NT]]>-Nlndet{(IT+σE2SibSibH)(IT+σE2SjbSjbH)-1}]]>+Nlndet{IM+(1-σE2)(Sib-Sjb)H(IT+σE2SjbSjbH)-1(Sib-Sjb)}]]>[21]根據(jù)上面的等式[20]，給出所希望的KL距離D‾(pi||pj)=Σb=1BD‾b(pi||pj)...[22]]]>如前面所示的那樣，如同Euclidean幾何學(xué)，KL距離被附加到塊衰減中。因此編碼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是最大化KL距離和的最小值(獨(dú)立KL距離和對(duì)應(yīng)于碼字中不同信號(hào)矩陣)。在AWGN信道中相關(guān)的編碼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則有些相似，在AWGN信道中設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是最大化Euclidean 距離和的最小值。那些被用于在AWGN信道中設(shè)計(jì)編碼調(diào)制方案的相似技術(shù)也能被用于對(duì)非相干和部分相干系統(tǒng)設(shè)計(jì)較好的外部碼。
部分相干編碼調(diào)制如上所示，希望的KL距離附加特性和Euclidean距離附加特性相似，它被網(wǎng)格編碼調(diào)制(TCM)方案設(shè)計(jì)用于AWGN信道有效帶寬的網(wǎng)格編碼。編碼調(diào)制考慮到調(diào)制做為編碼整體的一部分來(lái)實(shí)現(xiàn)在一對(duì)碼字之間的最小有效Euclidean距離的增加。這樣聯(lián)合編碼和調(diào)制實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要方面是使用有效的映射方法，通常涉及通過(guò)集合劃分做為映射方法。
在通過(guò)集合劃分的映射方法中，信號(hào)設(shè)置被劃分到多個(gè)相對(duì)較大的最小內(nèi)子集正方形Euclidean距離的子集，同時(shí)最小交互子集距離和做為初始信號(hào)設(shè)置的最小距離是相同的。例如，一個(gè)L=2n+k2]]>構(gòu)象，信號(hào)點(diǎn)可以被分區(qū)到2n個(gè)子集，每個(gè)子集包括2k2個(gè)點(diǎn)。每個(gè)m＝k1+k2信息比特塊被劃分成兩組k1和k2比特。第一組被編碼成n比特，而第二組留下不被編碼。然后，用來(lái)自于編碼器的n比特來(lái)選擇2n個(gè)可能子集中的一個(gè)，同時(shí)k2非編碼比特用來(lái)選擇所選子集2k2個(gè)點(diǎn)中的一個(gè)。原則上，塊編碼或者傳統(tǒng)編碼可以被用在編碼調(diào)制方案的結(jié)構(gòu)中。然而，因?yàn)檩^簡(jiǎn)單的軟判決執(zhí)行對(duì)傳統(tǒng)編碼和通常的網(wǎng)格編碼(由于可獲得維特比算法)進(jìn)行解碼，大部分編碼調(diào)制方案使用網(wǎng)格編碼做為子編碼器。在本例中，全部碼(包括被編碼的和非編碼的比特)可以被平行發(fā)送的網(wǎng)格編碼描述。這些平行發(fā)送對(duì)應(yīng)于同樣的編碼輸入比特，但不同于非編碼比特，因此輸出結(jié)果來(lái)自于相同的子集。
對(duì)于一個(gè)網(wǎng)格編碼調(diào)制方案，在碼字中最小Euclidean距離等于下面兩個(gè)量中的最小值a)最小內(nèi)子集Euclidean距離(由于平行發(fā)送)，和b)在組成碼的網(wǎng)格編碼中最小距離，通常涉及做為碼的自由Euclidean距離。
執(zhí)行集合劃分的目的是最大化第一量，然而，組成編碼的網(wǎng)格被設(shè)計(jì)用來(lái)最大化第二量。隨著適當(dāng)?shù)募蟿澐趾途W(wǎng)格碼設(shè)計(jì)，碼的全部最小距離可以足夠大到克服構(gòu)象擴(kuò)張引起的損失(由于在碼中有冗余)，提供有效的編碼增益。
當(dāng)接收器被假設(shè)有完備的信道狀態(tài)信息時(shí)，已開(kāi)發(fā)出快速衰減情況中用于編碼調(diào)制的類似技術(shù)，?？匆粋€(gè)例子，D.Divsalar和M.K.Simon的“THE DESIGNOF TRELLIS CODED MPSK FOR FADING CHANNELSPERFOMANCECRITERIA”，IEEE Transactions on Communications，第36卷，第9期，第1004-1012頁(yè)，1988年9月出版；和“THE DESIGN OF TRELLIS CODED MPSK FORFADING CHANNELSSET PARTITIONING FOR OPTIMUM CODEDESIGN”，IEEE Transactions on Communications，第36卷，第9期，第1013-1021頁(yè)，1988年9月出版。在這些方法中的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是最大化符號(hào)的Hamming距離和在一對(duì)碼字中最小乘積Euclidean距離。因此，集合劃分和網(wǎng)格設(shè)計(jì)被執(zhí)行用來(lái)最大化最短誤差事件路徑長(zhǎng)度和沿這條路徑的Euclidean距離的乘積。
本發(fā)明擴(kuò)展到在AWGN信道中傳統(tǒng)網(wǎng)格編碼調(diào)制來(lái)為部分相干構(gòu)象設(shè)計(jì)較好的外部碼。本發(fā)明和傳統(tǒng)TCM編碼方法之間的主要不同是，在本方案中設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是最大化對(duì)應(yīng)于一對(duì)碼字的條件概率之間的最小距離(優(yōu)選的是KL距離)，相反在TCM中是Euclidean距離。因此，集合劃分和網(wǎng)格編碼設(shè)計(jì)在構(gòu)象點(diǎn)之間由基于KL距離替代了Euclidean距離。圖2是與參考圖1A-1D所描述的現(xiàn)有構(gòu)象劃分相比較的一個(gè)例子。圖2是為信道估計(jì)方差0.01和信噪比(SNR)每比特20dB設(shè)計(jì)的一個(gè)4層16點(diǎn)構(gòu)象。圖2的構(gòu)象定義了4層18，20，22，24，每層定義4點(diǎn)在同心圈上(層24的圈僅僅描述了部分)。旋轉(zhuǎn)環(huán)形層18，20，22，24來(lái)得到較大的最小KL距離。構(gòu)象被分區(qū)為8個(gè)子集，每個(gè)子集包含2點(diǎn)(A和A′，B和B′，C和C′，等)，通過(guò)附加的參考值和相同的圖像標(biāo)記來(lái)識(shí)別。執(zhí)行分區(qū)的目的是用于最大化在同一子集中每對(duì)點(diǎn)的最小KL距離，內(nèi)子集KL距離。該距離在圖2中示為點(diǎn)A和A′之間的dKL。對(duì)于一個(gè)被優(yōu)化的設(shè)計(jì)構(gòu)象，距離dKL在所有內(nèi)子集點(diǎn)中是常數(shù)。同時(shí)圖2的距離dKL是Euclidean，這在Euclidean空間圖示構(gòu)象點(diǎn)時(shí)有簡(jiǎn)單的限制。在每比特20dB的SNR時(shí)，在整個(gè)構(gòu)象中鄰近點(diǎn)之間的初始最小KL距離是大約3.8971，但是在被分區(qū)的構(gòu)象中最小內(nèi)子集距離是5.5361。即使在來(lái)自于這個(gè)分區(qū)的最小內(nèi)子集KL距離的增加不是象在傳統(tǒng)TCM方案中內(nèi)子集Euclidean距離那樣有意義(見(jiàn)前面的附圖1A-1D的描述)，相似的結(jié)果顯示按照最大化最小內(nèi)子集KL距離的分區(qū)提供一個(gè)實(shí)質(zhì)的編碼增益。
對(duì)于每個(gè)3比特信息塊，2比特使用8進(jìn)制轉(zhuǎn)換函數(shù)[142；430]16狀態(tài)2/3速率卷積編碼來(lái)編碼，來(lái)產(chǎn)生3編碼比特。3編碼比特于是被用來(lái)選擇構(gòu)象8個(gè)子集中的一個(gè)，保留的非編碼比特被用來(lái)從被選擇子集中選擇一點(diǎn)。
圖3是一個(gè)用于說(shuō)明目的的使用了本發(fā)明的收發(fā)器結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明可以被嵌入到和圖示實(shí)質(zhì)上不同電路的發(fā)送器，接收器，或者收發(fā)器中。附圖3包括發(fā)送器側(cè)26和接收器側(cè)28。m＝k1+k2多比特被輸入到網(wǎng)格編碼器30中，網(wǎng)格編碼器30映射k1以k1/(k1+1)的速率輸入到n編碼比特。網(wǎng)格編碼器30典型地由多個(gè)移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)，它可以使網(wǎng)格編碼器30合并存儲(chǔ)函數(shù)所希望的比特，這個(gè)比特是預(yù)先被輸入的，多個(gè)適當(dāng)?shù)哪?加法器(XOR門)處理能夠僅允許通常在網(wǎng)格編碼圖(見(jiàn)附圖5)所描述的發(fā)送。網(wǎng)格編碼器30輸出n編碼比特和k2非編碼比特到符號(hào)映射表34，映射表中相關(guān)比特組指定一時(shí)空信號(hào)構(gòu)象存儲(chǔ)在存有圖2的構(gòu)象的存儲(chǔ)器36中，例如電的或者光學(xué)只讀存儲(chǔ)器。被映射符號(hào)在塊交織器32中被交織，它打亂了比一個(gè)信號(hào)間隔更長(zhǎng)的連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤，然后在脈沖整形濾波器38中整形，分離到相位I和積分Q組件，在相位旋轉(zhuǎn)器40上面的轉(zhuǎn)換到一個(gè)中間頻率。導(dǎo)頻音被加在一個(gè)加法器42上來(lái)幫助在接收器側(cè)28的信道識(shí)別，由加法器42結(jié)合的信號(hào)被轉(zhuǎn)換到射頻，在移動(dòng)無(wú)線信道48上發(fā)射44。噪音46被加到信道48的信號(hào)上，信道48被假設(shè)為快速衰減由于本發(fā)明在接收器28不知道的快速衰減信道中更加有效，但更好的是必須估計(jì)信道參數(shù)。
來(lái)自于快速衰減信道48的信號(hào)被接收50，并分離到導(dǎo)頻音抽取器52和解相位旋轉(zhuǎn)器54。信號(hào)符號(hào)通過(guò)軟判決處理被分別量化56，58，解交織60和在網(wǎng)格解碼器62中的維特比算法用于相關(guān)的解交織符號(hào)到信號(hào)構(gòu)象的多個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)被存儲(chǔ)在和前面討論過(guò)得相似的存儲(chǔ)器36中。甚至獲得了信道狀態(tài)信息(CSI)，信道48的快速衰減特性確保了接收器28必須對(duì)信道參數(shù)做出一些估計(jì)。為了這個(gè)目的，快速衰減信道參考信道的參數(shù)變化作為足夠快速的時(shí)間函數(shù)假設(shè)在接收機(jī)完備的信道狀態(tài)信息是無(wú)效時(shí)，就是說(shuō)假設(shè)導(dǎo)致了不可接收的誤碼時(shí)。
來(lái)自于圖3的網(wǎng)格編碼器30的結(jié)構(gòu)圖在圖4中被詳述?？梢岳斫饩W(wǎng)格編碼器30可以使用移位寄存器64和模加法器(沒(méi)有顯示出來(lái))在編碼塊66內(nèi)的多種排列，來(lái)允許或者阻止從信號(hào)構(gòu)象的一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)的可靠發(fā)送。因此附圖4的描述僅作為一個(gè)例子。一個(gè)m＝k1+k2比特塊被輸入到網(wǎng)格編碼器30中。k1比特在這個(gè)例子中是兩比特，k1，1和k1，2，它們被輸入到編碼塊66中，輸出n＝k1+1＝3被編碼比特。k2比特在這個(gè)實(shí)施例里經(jīng)過(guò)網(wǎng)格編碼器30沒(méi)有改變。n編碼比特選擇信號(hào)構(gòu)象中2n個(gè)相互排斥子集中唯一的一個(gè)。例如提及的附圖2的信號(hào)構(gòu)象，附圖4的結(jié)構(gòu)圖顯示了n＝0，0，0選擇子集A，和k2比特在子集A中選擇0或者1，n＝1，0，1選擇子集F和k2比特在子集F中選擇0或者1。n和k2的選擇被顯示在附圖4的圖表中。
在另一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于輸入的3比特塊中，k2不僅需要一個(gè)比特，k2可以表示通過(guò)網(wǎng)格編碼器30沒(méi)有被改變的2個(gè)比特。在這種情況下，保持k1比特是一個(gè)通過(guò)編碼塊66的信號(hào)比特，并被編碼到2被編碼比特。4比特，2個(gè)被編碼，2個(gè)沒(méi)有編碼，從構(gòu)象的2n+k2=16]]>個(gè)點(diǎn)中唯一的選擇一個(gè)點(diǎn)。無(wú)論如何在這種情況下，每個(gè)構(gòu)象子集定義4個(gè)要優(yōu)于2個(gè)點(diǎn)，因?yàn)閗1比特從2n=2k1+1=4]]>相互排斥的子集中選擇子集，和k2比特在那個(gè)子集中的2k2=4]]>個(gè)點(diǎn)中選擇一個(gè)點(diǎn)。構(gòu)象點(diǎn)之間的有效距離是最大化的，因此誤碼是最小化的，每個(gè)子集只有兩個(gè)點(diǎn)，所以優(yōu)選的k2是一個(gè)比特。
圖5是采用了容易讀的結(jié)構(gòu)描述了一個(gè)網(wǎng)格編碼圖對(duì)于圖2中構(gòu)象的例子和附圖4的結(jié)構(gòu)圖允許和不允許發(fā)送的狀態(tài)。左邊的編號(hào)是各種輸出符號(hào)，每一個(gè)描述了3輸出比特。左邊4個(gè)一組的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于來(lái)自相關(guān)狀態(tài)所允許的4個(gè)發(fā)送。
圖6(a)比較了根據(jù)本發(fā)明的3b/s/Hz網(wǎng)格編碼部分相干調(diào)制的非編碼8點(diǎn)和16點(diǎn)部分相干構(gòu)象的性能。在非編碼8點(diǎn)(圖中的線102)和16點(diǎn)(圖中的線104)構(gòu)象性能之間有穩(wěn)定的差距是由于構(gòu)象擴(kuò)張引起的損失。由于本發(fā)明(圖中的線106)的編碼方案使得性能提高超過(guò)了損失，同時(shí)在同樣的譜效率下提供實(shí)質(zhì)增益超過(guò)了非編碼方案。
圖6(b)比較非編碼和使用相應(yīng)部分相干設(shè)計(jì)(最佳的在圖例中標(biāo)注)的網(wǎng)格編碼16QAM在σE2=0.01]]>時(shí)性能。用于16QAM構(gòu)象的編碼調(diào)制方案(圖中的線108，110)被設(shè)計(jì)假設(shè)在接收器中有完備的信道狀態(tài)信息，就象前面所討論的在現(xiàn)有技術(shù)中的特征。網(wǎng)格編碼部分相關(guān)方案(圖中的線112，114)被基于KL距離設(shè)計(jì)。明顯的，部分相關(guān)設(shè)計(jì)使得在所有編碼(114和110的比較)和非編碼(112和108比較)系統(tǒng)中改進(jìn)了性能。
圖7(a)-(b)顯示了當(dāng)信道估計(jì)方差σE2=0.05]]>時(shí)方案的結(jié)果。和傳統(tǒng)的方法的編碼增益和性能比較在圖7(a)和(b)中給出。在圖7(a)-(b)方案的例子中性能改進(jìn)超過(guò)了非編碼和網(wǎng)格編碼16QAM，甚至比在附圖6(a)-(b)中的更有意義。通常，隨著信道估計(jì)方差增加，較大的性能增益可以通過(guò)使用部分相干設(shè)計(jì)獲得。
已經(jīng)被圖示和描述的這些，現(xiàn)在認(rèn)為是所要求的發(fā)明的較好實(shí)施例，可以想到對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行許多改變和改進(jìn)。在附加的權(quán)利要求中將覆蓋所有那些落入本發(fā)明權(quán)利要求精神和范圍內(nèi)的改變和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種用于多比特編碼的方法，包括基于多比特，在信號(hào)構(gòu)象的至少兩個(gè)相互排斥的子集中選擇一個(gè)子集并在所選擇子集中選擇一個(gè)點(diǎn)；和使用載波調(diào)制被選擇的點(diǎn)，其中，被選擇的子集包括至少兩個(gè)被基于條件分布的距離分開(kāi)的構(gòu)象點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中基于條件分布的距離是Kullback-Leibler距離和所希望的Kullback-Leibler距離中的一個(gè)。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中在信號(hào)構(gòu)象中選擇中選擇一個(gè)子集并在所選的子集中選擇一個(gè)點(diǎn)包括，基于m＝k1+k2多比特，使用k1比特來(lái)選擇所述子集和k2比特用來(lái)選擇所述子集中的點(diǎn)，其中m，k1，k2是非零整數(shù)。
4.如權(quán)利要求3的方法，其中使用k1比特來(lái)選擇所述子集包括，編碼k1比特到n編碼比特，和使用n編碼比特選擇2n相互排斥子集中的一個(gè)，其中n比k1大。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中k2＝1和n＝k1+1。
6.如權(quán)利要求5的方法，其中n從包括3，4，5的集合中選擇，其中當(dāng)n＝3時(shí)，k1比特使用2/3卷積編碼進(jìn)行編碼，當(dāng)n＝4時(shí)，k1比特使用3/4卷積編碼進(jìn)行編碼，和當(dāng)n＝5時(shí)k1比特使用4/5卷積編碼進(jìn)行編碼。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中構(gòu)象點(diǎn)定義同心環(huán)，分布在一個(gè)環(huán)上的每個(gè)點(diǎn)和在那個(gè)環(huán)上的其它點(diǎn)來(lái)自于不同子集。
8.如權(quán)利要求7的方法，其中分布在一個(gè)環(huán)上的每個(gè)點(diǎn)與在該環(huán)上的其它點(diǎn)以及在鄰近的環(huán)上的其它點(diǎn)來(lái)自于不同子集。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中n＝3，并且每個(gè)子集定義2個(gè)點(diǎn)。
10.如權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括發(fā)送載波，通過(guò)一個(gè)衰減信道接收載波，和使用維特比算法解碼符號(hào)。
11.一種用來(lái)發(fā)送一系列輸入比特的發(fā)送器，包括編碼器，具有接收多輸入比特的輸入端；映射器，具有耦合至編碼器輸出的輸入端；和計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)媒體，耦合至映射器，用來(lái)存儲(chǔ)至少一個(gè)信號(hào)構(gòu)象，其中映射器選擇所述信號(hào)構(gòu)象中的一個(gè)子集和基于多輸入比特在所選子集中選擇一個(gè)點(diǎn)，所述被選擇子集包括至少兩個(gè)構(gòu)象點(diǎn)，從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)以基于條件分布的距離隔開(kāi)。
12.如權(quán)利要求11的發(fā)送器，其中基于條件分布的距離是Kullback-Leibler距離和所希望的Kullback-Leibler距離中的一個(gè)。
13.如權(quán)利要求11的發(fā)送器，其中多輸入比特包括m＝k1+k2比特，使用k1比特來(lái)選擇所述子集，k2比特來(lái)選擇所述子集中的點(diǎn)，其中m，k1，k2是非零整數(shù)。
14.如權(quán)利要求13的發(fā)送器，其中編碼器將k1比特編碼成n編碼比特，映射器使用n編碼比特選擇2n相互排斥子集中的一個(gè)，其中n比k1大。
15.如權(quán)利要求14的發(fā)送器，其中k2＝1和n＝k1+1。
16.如權(quán)利要求15的發(fā)送器，其中n從包括3，4，5的集合中選擇，其中當(dāng)n＝3時(shí)，k1比特使用2/3卷積編碼進(jìn)行編碼，當(dāng)n＝4時(shí)，k1比特使用3/4卷積編碼進(jìn)行編碼，和當(dāng)n＝5時(shí)，k1比特使用4/5卷積編碼進(jìn)行編碼。。
17.如權(quán)利要求11的發(fā)送器，其中構(gòu)象點(diǎn)定義同心環(huán)，分布在一個(gè)環(huán)上的每個(gè)點(diǎn)和在該環(huán)上的其它點(diǎn)來(lái)自于不同子集。
18.如權(quán)利要求17的發(fā)送器，其中分布在一個(gè)環(huán)上的每個(gè)點(diǎn)和在該環(huán)上的其它點(diǎn)以及在鄰近的環(huán)上的每個(gè)其它點(diǎn)來(lái)自于不同子集。
19.如權(quán)利要求18的發(fā)送器，其中n＝3，每個(gè)子集定義2個(gè)點(diǎn)。
20.如權(quán)利要求12的發(fā)送器進(jìn)一步包括接收器，所述接收器使用維特比算法將接收到的符號(hào)解碼成子集和根據(jù)構(gòu)象的子集中的點(diǎn)。
21.一種用來(lái)編碼m＝k1+k2多輸入比特的方法，包括基于k1輸入比特選擇一個(gè)信號(hào)構(gòu)象子集；基于k2輸入比特選擇在所選子集中的一個(gè)點(diǎn)，其中在所選子集中至少有兩點(diǎn)被基于在所述兩點(diǎn)中的至少一個(gè)點(diǎn)的條件分布的距離分開(kāi)；和使用載波調(diào)制被選擇點(diǎn)，其中m，k1，k2是非零整數(shù)，至少k1和k2中的一個(gè)比1大。
22.如權(quán)利要求21的方法，其中基于k1輸入比特來(lái)選擇信號(hào)構(gòu)象的一個(gè)子集包括，編碼k1輸入比特到n編碼比特和使用n編碼比特選擇2n子集中的一個(gè)，其中n是大于k1的整數(shù)，來(lái)源于k1比特和先前的多輸入比特。
23.如權(quán)利要求22的方法，其中每個(gè)子集包含2個(gè)點(diǎn)，信號(hào)構(gòu)象由2m+1點(diǎn)組成。
全文摘要
在快速衰減信道中用于網(wǎng)格(trellis)編碼調(diào)制的信號(hào)構(gòu)象被優(yōu)化，快速衰減信道的接收器不具有信道參數(shù)的完備知識(shí)。尤其是，信號(hào)構(gòu)象被劃分成文檔編號(hào)H04L1/00GK1890883SQ200480028740
公開(kāi)日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2004年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月2日
發(fā)明者M·J·博蘭, B·阿張 申請(qǐng)人:諾基亞有限公司