专利名称：降低峰值平均功率比的数据传输方法及装置的制作方法
技术领域：
本文公开的系统及方法是关于降低通信系统的峰值平均功率比(peak toaverage power ratio，PAR)。
背景技术：
通信系统可帮助各种电子装置之间的数据交换，这些电子装置例如是移动台(mobile station，MS)、基站(base station，BS)、存取点、蜂巢式电话、个人数位助理、收音机、个人电脑、笔记型电脑、工作站、全球定位装置、伺服器或其他可用于传输及/或接收数据的装置。通信系统可经由广泛的部署，藉以提供诸如语音、视频、封包数据、信息传递、广播等通信服务。此等系统可使用如正交频分多路复用(orthogonal frequency divisionmultiplexing，OFDM)等多路复用格式、各种空间-时间码，以及多输入多输出(multiple-input and multiple-output，MIMO)系统的空间多路复用。
在多个传输天线上实施的空间-时间码与在OFDM系统中使用的逆傅立叶转换一般会导致高的峰值平均功率比(PAR)，此PAR是一个会与所有多路复用格式相关的量度，而为信号的峰值功率与平均功率的比值。高PAR通常不被接受，这是因为其需要功率放大器(power amplifier，PA)操作在一个比峰值输出功率低得多的平均输出功率。此降低功率的操作是基于以下事实信号中的较大峰值可促使PA操作在高度非线性区中或可能削减掉较大的峰值，其可能造成会降级信号品质的互调制失真(intermodulation distortion)或其他假象波形(artifact)。通过将PA操作在低于其峰值功率的功率(其中操作功率的级别可取决于PAR)下，PA能够处置信号中较大的峰值而不致产生过多的失真。然而，此降低功率的操作将会导致信号中不存在较大峰值时PA的低效操作。因此，有需要降低信号的PAR，使得PA可以在必要时操作在较接近峰值的输出功率下。
在缓衰退的点对点通道(point-to-point channel)上，误差机率与数据速率之间的分集多路复用增益(diversity-multiplexing gain，D-MG)方面存在一种折衷(tradeoff)。然而，当使用多个天线时，达成D-MG折衷的空间-时间码通常会在每一个天线上造成较高的PAR。
星座图成形(constellation shaping)为一种编码技术，其通过在一网点上选择新边界，以自一扩展星座图中选择星座图点。其可以适度的复杂性，在编码增益的顶部提供适度的成形增益。星座图成形的基本想法为产生一个包括多于最小数目的点的星座图，且仅使用最佳化边界内的点来选择新边界，而此新边界与星座图的能量基准所定义的等量度表面相匹配。适当的星座图成形将可降低PAR。
使用星座图成形以降低PAR的方法已由H.Kwok在2001年伊利诺伊大学厄本那-香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的博士论文「Shape uppeak-power reduction via constellation shaping」中提出。Kwok描述一种使用Smith正规形式(Smith Normal Form)矩阵分解的PAR降低方法，而此方法仅适用于OFDM系统。
因此，有需要提供一种适用于不同通信系统的PAR降低方法，这些通信系统包含OFDM系统、空间-时间编码系统、MIMO系统，以及包含这些技术的组合的系统。
发明内容
本发明的一实施例提供一种传输数据的方法，其适用在使用编码格式的通信系统。此方法根据特定处理格式处理数据以提供多个信息符号，并成形所述信息符号的星座图以获得多个成形符号。然后，根据所述编码格式来处理成形符号以获得多个转换信号，使得转换信号的峰值平均功率比(PAR)低于信息符号在处理为转换信号之前未经成形为成形符号的情况下的峰值平均功率比。其中，所述的编码格式可以用x＝Gs，s∈ZN，G∈RN×N的形式来表达，其中x表示转换信号的同构向量，G为N×N可逆生成矩阵且N为大于等于0的整数，s为选自N维整数网点(lattice)ZN的多个信息符号的向量，而R表示实数域。最后，经由通信网络传输所述的转换信号。
本发明的一实施例提供一种接收数据的方法，其适用在使用编码格式的通信系统。此方法接收多个传输信号，其中所接收信号的星座图在传输之前已经成形。接着，在估测器中处理接收信号以获得解码符号，然后再对所述的解码符号进行解成形以获得信息符号。其中，传输信号的星座图在传输之前已先经过处理，使得传输信号的峰值平均功率比低于传输信号在传输之前未经成形的情况下的峰值平均功率比，传输信号符合编码格式，而此编码格式可以用x＝Gs，s∈ZN，G∈RN×N的形式表达。
本发明的实施例提供一种传输数据的装置，其适用在使用编码格式的通信系统。此装置包括处理器、成形单元、编码器及传输器。其中，处理器用以根据特定处理格式来处理数据，而提供多个信息符号。成形单元用以成形所述信息符号的星座图，而获得多个成形符号。编码器用以根据编码格式编码成形符号，以获得多个转换信号，并使得所述转换信号的峰值平均功率比低于信息符号在处理为转换信号之前未经成形为成形符号的情况下的峰值平均功率比。其中，所述编码格式可以用x＝Gs，s∈ZN，G∈RN×N的形式表达。传输器则是用以经由通信网络传输所述转换信号。
本发明的实施例提供一种接收数据的装置，其适用在使用编码格式的通信系统。此装置包括接收器、处理器及解成形单元。其中，接收器用以接收多个传输信号以作为所接收信号，其中传输信号的星座图在传输之前已经成形。处理器用以在估测器中处理接收信号，以获得解码符号。解成形单元则是用以对所述解码符号进行解成形，以获得信息符号。其中，传输信号的星座图在传输之前已先经处理，而使得传输信号的峰值平均功率比低于在传输信号未经成形的情况下的峰值平均功率比。所述传输信号符合一编码格式，而此编码格式可以用x＝Gs，s∈ZN，G∈RN×N的形式表达。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
图1绘示通信系统。
图2绘示用户站及节点的方块图。
图3绘示编码单元。
图4A至4C绘示信号星座图。
图5是根据第一实施例所绘示的成形单元的处理程序。
图6绘示解码单元。
图7是根据第一实施例所绘示的解成形单元的处理程序。
图8是根据第二实施例所绘示的编码单元的处理程序。
图9是根据第二实施例所绘示的解成形单元的处理程序。
图10是根据第三实施例所绘示的编码单元的处理程序。
图11是根据第三实施例所绘示的解成形单元的处理程序。
图12A至12C绘示模拟结果。
图中标号说明如下 100无线通信系统 110节点 120用户站 130系统控制器 200通信系统 202用户站 204节点 206通信网络 208通道 210传输(TX)处理器 212编码单元 214传输器 216存储器装置 218TX天线 220接收(RX)处理器 222解码单元 224接收器 226存储器装置 228RX天线 300方块图 310成形单元 320产生器 600方块图 610估测器 620解成形单元 700、800、900、1000、1100处理程序 520～570成形单元的处理程序的各步骤 710～730解成形单元的处理程序的各步骤 820～870编码单元的处理程序的各步骤 910～930解成形单元的处理程序的各步骤 1020～1060编码单元的处理程序的各步骤 1110～1150解成形单元的处理程序的各步骤
具体实施例方式 此处公开的方法、装置及系统用以在不影响码结构以及不传输额外信息的情况下降低峰值平均功率比，以便修改空间-时间码，从而获得所需的D-MG折衷方案。
图1绘示包括多个节点110及多个用户站120的无线通信系统100。每一个节点110都是可与用户站进行通信的固定站，也可以是基站、存取点等。每一个节点110均可提供一特定地理区域的通信覆盖，且支持位于所述覆盖区域内的用户站120的通信。系统控制器130可耦接至节点110，而提供这些节点的协调及控制。系统控制器130可为单一网络实体或多个网络实体的集合，例如存取网关(Access Gateway，AGW)、无线电网络控制器(RadioNetwork Controller，RNC)等。
用户站120可分散于系统100中，而每一个用户站120可以是固定的或移动的。每一个用户站120亦可以是一个移动台、行动设备、终端机、存取终端机、用户单元或站等。每一个用户站120可为蜂巢式电话、个人数位助理(personal digital assistant，PDA)、无线通信装置、手持装置、无线数据机或笔记型电脑等。用户站120可在任何给定时刻于下行链路及/或上行链路上与零个、一个或者多个节点110进行通信。下行链路(或前向链路)是指自一个节点110至一个用户站120的通信链路；上行链路(或反向链路)则是指自一个用户站120至一个节点110的通信链路。此外，系统100可采用OFDM、MIMO、空间编码或这些格式的组合及/或其他多路复用格式。
图2绘示包括用户站202及节点204的通信系统200的方块图，用户站202及节点204可分别为图1中的用户站120及节点110其中之一者。为了简明起见，图2中仅绘示用于上行链路传输的处理单元。
如图2所示，通信系统200的用户站202及节点204可使用通信网络206以在通道208上发送及/或接收数据。通信网络206可包含一或多种网络类型，诸如广域网络(wide-area network，WAN)、区域网络(local-area network，LAN)、3G网络、微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess，WiMAX)网络、长期进化(Long Term Evolution，LTE)网络、码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)网络、宽频带CDMA(Wideband CDMA，WCDMA)网络或任何其他适当的协定，而能够协助用户站202与节点204之间的通信。通信网络206可以有线及/或无线技术进行操作，且可(但不必需)根据IEEE 802.11、802.11a、802.11b、802.11e、802.11g、802.11h、802.11i、802.11n、802.16、802.16d、802.16e及/或802.16m中定义的协定进行操作。通信系统200的节点间的网络连接可经由以太网络、电话线、蜂巢式通道或任何其他传输媒介来建立。
用户站202可包含传输(TX)处理器210、编码单元212、传输器214、存储器装置216以及TX天线218。节点204可包含接收(RX)处理器220、解码单元222、接收器224、存储器装置226以及RX天线228。
参照用户站202，TX处理器210接收用于传输至节点204的电信数据及信号，并处理(例如，交错、符号映射、调制等)此电信数据、信号及/或导频符号，以提供调制符号。编码单元212对调制符号进行编码，并产生用于传输的转换信号，其可包括自身的处理器。传输器214更进一步处理(例如，转换为类比、放大、滤波及增频转换)转换信号，并产生上行链路信号，此上行链路信号经由TX天线218传输。存储器装置216储存用户站202执行各种处理任务(包含在编码单元212中执行的任务)时所撷取及使用的数据。存储器装置216亦可储存诸如位址、通道208的传输/接收容量等预定值，以及关于通信网络206及节点204的特性的信息。
参照节点204，RX天线228接收来自用户站202的上行链路信号，并将所接收信号提供至接收器224。接收器224即处理(例如，滤波、放大、降频转换及数位化)所接收信号，并提供所接收符号。解码单元222对所接收符号执行符号估计及解码。RX处理器220进一步处理(例如，符号映射、解交错)符号估测值，并提供信息符号。存储器装置226储存自所接收数据撷取的数据及/或节点204执行各种处理任务时所撷取及使用的数据。另外，存储器装置226可储存协助用户站202与节点204之间进行通信的预定值。一般来说，在节点204处由RX处理器220及解码单元222所执行的程序分别与在用户站202处由TX处理器210及编码单元212执行的程序互补。
TX及RX处理器210及220可为媒体存取控制器(medium accesscontroller，MAC)及/或实体层处理电路，而存储器216及226可包含任何或所有形式的非易失性或易失性存储器，例如包括EPROM、RAM、ROM、DRAM、EEPROM及快闪存储器装置等半导体存储器装置；内部硬盘、行动盘等磁盘；磁光盘；以及CD-ROM盘。存储器装置216及226可包含电脑可读储存媒体，其包含用户站202及节点204执行各种处理任务期间可分别在处理器210及220上执行的应用程式、程式码及/或指令。
本发明的一实施例可实践在使用各种编码格式中的任一者的通信系统，而所述编码格式包括如先前描述的达成D-MG折衷的格式。此编码格式可以下述的一般形式(1)来表示 x＝Gs s∈ZN G∈RN×N (1) 其中x表示空间-时间码、OFDM系统中的逆傅立叶转换符号，或是其他类似的转换信号的同构向量；G为N×N可逆生成矩阵(其中N为整数)；s为自N维整数网点ZN选择的信息符号的向量，其中Z表示整数集；R则表示实数域。作为一实例而言，QAM星座图仅为整数网点ZN的转译。
许多编码格式可以用一般形式(1)来表示。举例而言，n×n空间-时间码X可以用长度n的n个向量x(i)来表示(其中i＝1，2，...，n)， x(i)＝G(i)s(i)， s(i)∈Z[i]n，G(i)∈Cn×n 其中Z[i]表示高斯(Gaussian)整数(亦即，a+bi，a，b∈Z)，C表示复数域，s(i)为含有n个信息符号的向量，而G(i)为对应的生成矩阵。每一个s(i)及G(i)的同构表示可通过分离其实部与虚部而表示如下 S′(i)＝[Re((s(i))T)，Im((s(i))T)]T 及 其中vT表示向量v的转置。
由此可知，x′(i)＝G′(i)s′(i)，其中x′(i)、s′(i)及G′(i)分别表示x(i)、s(i)及G(i)的同构表示，此表示式即对应于一般形式(1)。
图3绘示编码单元212的方块图300。成形单元310自TX处理器210或存储器装置216接收信息符号，亦即经历调制的符号。成形单元310对信息符号s执行星座图成形，并将成形符号s′提供至产生器320。在一实施例中，信息符号s为正交调幅(QAM)符号，成形单元310对信息符号s执行成形步骤，而使得转换信号x的星座图的形状实质上为立方形。产生器320可为编码器或IDFT矩阵，其提供转换信号x以用于传输。成形单元310对信息符号s执行星座图成形步骤，而使得转换信号x的峰值平均功率比降低。
星座图一般是由m维的复数网点或M维的实数网点(其中M＝2m)上一有限区域内的多个点的集合所组成。在任何给定的传输数据速率下，信号星座图的边界可用以判定其平均功率及峰值平均功率比。在某天线上传输的符号流的峰值平均功率比可定义为瞬时传输功率与平均传输功率的比值的最大值，PAR的定义可表示如下 PAR≡max PAR(xi) PAR(xi)≡(||xi||)2/(E[||xi||2])， 其中xi为传输信号x的元素，而「||||」表示L2范数。
平均功率及峰值平均功率比根据所选定信号星座图的形状而变化。随着星座图的大小接近无限大，由M维立方体(或立方成形)之内的点所组成的M维星座图可达成数值为3的峰值平均功率比。本发明的实施例公开使用在立方成形中获得的渐近峰值平均功率比值3的实施方式。然而，本领域技术人员可了解，不同的成形方法可以不同方式来改变峰值平均功率比，其中某些方式会比其他方式为佳，这都要视特定编码方法及所要的峰值平均功率比值而定。
图4A绘示信息符号s的信号星座图的例示性立方成形的二维表示。图4B绘示由产生器单元320处理而未由成形单元310处理的信息符号s所得出的星座图x，例如x＝Gs。如图4B所示，星座图x不再是立方形，而且星座图的峰值平均功率比也更高。图4C绘示成形的后转换信号x的星座图，亦即x＝Gs′。如图4C所示，成形单元310将信息符号s转换为s′，因此所获得的星座图x为立方形，而获致数值为3的渐近峰值平均功率比。
经由Hermite正规形式(Hermite Normal Form，HNF)分解的近似立方成形(approximate cubic)。
如图3所示，成形单元310自信息符号s产生成形符号s′，这些成形符号s′随后由产生器320使用，藉以提供转换信号x。成形单元310产生s′以使得自x＝Gs′获得的输出符号x近似为立方形且具有低的峰值平均功率比，而产生器320则产生输出符号x。
图5是根据本发明第一实施例所绘示的成形单元310使用HNF分解来应用近似立方成形的处理程序500。程序500可由如ASIC的成形单元212来执行或可由处理器210来执行。
起初，成形单元310判定编码格式是否可以上述的一般形式(1)来表示(520)。若无法表示，则不执行成形步骤(530)。若编码格式可以一般形式(1)来表示，则成形单元310即会决定一个关系矩阵Q(540)，此Q为界定s与s′之间关系的关系矩阵，其中s′∈s+QZN，而s+QZN为等效点集，亦即傍集(coset)，因此x＝Gs′，其中x具有如以下表示式(2)所示的近似立方形星座图 x＝Gs′，s′∈s+QZN (2) 因此，x∈G(s+QZN) x∈Gs+GQZN 且 其中σ经选择以使σN为可能传输的星座图点的总数，而I则为单位矩阵。
在图5中，成形单元310在成形星座图内选择以上表示式(2)的值s′(540)，此成形星座图的边界为沿Q的行所定义的超平行体(parallelotope)。因此，转换信号x的区域内的信号边界将转译为一个近似超立方体(hypercube)。
Q可经由以下关系判定 Q＝[σ′G-1]，|det(Q)|≥σN 其中[]表示舍入函数，σ′为确保|det(Q)|≥σN的常数，σN为可能传输点的数目，而|det(Q)|为由Q界定的超平行体的体积或等效地为超平行体中的点数目。因为傍集的数目(亦即，|det(Q)|)必须足够大到能支持所欲传输点的数目，因此所选择的σ′值即为确保|det(Q)|≥σN的最小值。在近似立方成形的情况下，Q可选择为非奇异矩阵(nonsingular matrix)。
一旦成形单元310决定了Q(540)，即可索引用于编码的每一个傍集s+QZN。为此，成形单元310即决定s+QZN的傍集首项，以便表示傍集，此s+QZN的傍集首项满足以下的表示式(3) 若si≠sj， 则对于所有si≠sj+Qz (3) 其中si、sj分别为两个不同傍集si+QZN、sj+QZN的傍集首项，以便确保在解调制中没有模棱两可的情形。
在一实例中，当Q＝D＝diag(d1，d2，...，dN)时，傍集首项的集合(表示为S)可选择为 S≡{s＝[s1，s2，...，sN]T|0≤si＜di，i＝1，2，...，N}。
此处，傍集首项s∈S满足表示式(3)，且S含有所有的傍集首项。
如上文所论述，傍集首项的数目等于|det(D)。举例而言， 若则S＝{
T，
T}， 且在S中的傍集首项数目det(D)为2。
在本发明的实施例中，对于Q不等于对角矩阵的情况，Q可分解为 Q＝RV， (4) 其中V为单模矩阵，而R为整数下三角矩阵。HNF定理可建立Q＝RV的分解的存在，此定理是由C.Hermite在「Sur l′introduction des variablescontinues dans la theorie des nombres」(J.Reine Angew.Math.，第191-216页，1851年)中公开，而摘录在以下的定理1及定理2中。
定理1任何N×N可逆整数矩阵Q可分解为Q＝RV，其中V为单模矩阵，而R为整数下三角矩阵。
令rii≠0为R的对角元素，则傍集首项集合S可为 S＝{s|0≤si＜rii} (5) 其中s＝[s1，s2，…，sN]T。
此傍集首项集的有效性可由以下的定理2验证 定理2给定矩阵Q＝RV，公式(5)中定义的集合S包括s+QZN的所有傍集首项。
因此，通过执行Q的HNF分解于下三角矩阵R及单模矩阵V，成形单元310可先从R获得傍集首项，藉以从s+QZN获得傍集首项(550)。
接着，为确保S中的每一个傍集首项包含在由Q的行所包围的超平行体内，成形单元310执行如下列公式(6)所示的模Q运算，以便在传输x＝Gs′之前，将s′置于成形星座图中(560)
s′＝s-Qγ 其中
表示地板函数(floor function)。
可选择的是，成形单元310可转译s′以便最小化x的平均传输功率(570)。最后，一旦决定了s′，则产生器320即基于上述的表示式(2)而取得转换信号x。
图6绘示节点204中解码单元222的方块图600。所接收的符号y经由估测器610处理，以获得s′的估测值。估测器610可使用许多种可用方法，包括(但不限于)最大似然法及球体解调制法。解成形单元620处理s′的估测值以提供信息符号s。
图7是根据本发明第一实施例所绘示的解成形单元620的处理程序。在此实施例中，解成形单元620对已经由HNF分解处理的符号进行解码。首先，解成形单元620自估测器610接收已解码的s′，并判定是否要求及/或需要解成形步骤(710)。若不要求或需要解成形，则不执行解成形步骤(720)。若要求及/或需要解成形，则解成形单元620将使用下列演算法，而基于已解码的s′及ri来判定s，其中ri为整数下三角矩阵R的第i行(730) s1＝s′1 mod r11(s1＝s′1+q1r11) for i＝2:N s′＝s′+qi-1ri-1 si＝s′i mod rii(si＝s′i+qirii) end 其中si为s的第i个元素；qi为模商，而rii为R的第i个对角元素。由于生成矩阵G对于给定的应用程式来说是固定的，所以ri会先计算并储存作为应用程式系统设定的一部分，也因此对于传输器及接收器两者来说是已知的。
此外，s的值也可预先计算，并连同用于获得s的相关演算法一起储存在存储器226的查找表(未绘图)中。若使用查找表，则解成形单元620通过参考查找表即可获得s(730)。
经由整数可逆矩阵映射的近似立方成形。
图8是根据本发明第二实施例所绘示的成形单元310的处理程序800。程序800应用一种使用整数可逆矩阵映射(Integer Reversible Matrix Mapping，IRMM)的近似立方成形。IRMM可避免涉及较大数目的编码计算，这是因为关系矩阵Q中项目的整数限制可以被释放，且非线性映射也可被利用。因此，IRMM可提供有用的编码机制。再者，IRMM能够以2M的形式来表示所得的|det(Q)|，此种形式可以重组所有实际通信系统的星座图中的点的数目。
起初，成形单元310会判定编码格式是否可以上述的一般形式(1)来表示(820)。若无法表示，则不执行成形步骤(830)。
另一方面，若编码格式可以一般形式(1)来表示，则成形单元310将关系矩阵Q计算为G-1(840)，并将|det(Q)|正规化为1(850)。亦即， Q＝G-1，且 |det(Q)|＝1。
通过将|det(Q)|正规化为1，编码单元212可确保关系矩阵Q可由IRMM处理。
IRMM由Hao等人在「Matrix factorizations for reversible integer mapping」(IEEE trans.Signal Processing，第49卷，第2314-2324页，2001年10月)中(下文称为「Hao」)解释，其内容在此以全文引用的方式并入。
如Hao所示，若基于一个可完全转化整数实施的矩阵而存在基本可逆结构，则此矩阵称为基本可逆矩阵(elementary reversible matrix，ERM)。对于具有元素{amn}(含有对角元素jm＝±1)的上三角基本可逆矩阵(triangularelementary reversible matrix，TERM)A，其自输入s至输出y的可逆整数映射定义为y＝[As]，其中 yN＝jNsN m＝1，2，3，...N-1， 且其逆映射为 sN＝yN/jN m＝N-1，N-2，...1. (7) 对于下TERM也可获得类似结果。
单列ERM(single-row ERM，SERM)为另一种可行的ERM，其中对角线上的jm＝±1，而除了一列以外的所有非对角线(off-diagonal)元素均为零。SERM的可逆整数映射如下 for m＝m′ ym＝jmsm，for m≠m′ 其中m′表示所述具有非零值的非对角线元素的列，其逆运算为 sm＝ym/jm，for m＝m′ 若TERM的所有对角元素等于1，则此TERM即称为单位TERM。类似地，对角元素等于1的SERM称为单位SERM。Hao进一步说明若且唯若一个矩阵的行列式为±1，则其即具有「PLUSo」的因子。在PLUSo中，P为可带负号的置换矩阵，L及U分别为单位下TERM及单位上TERM，而So则为m′＝N的单位SERM。
因此，成形单元310可通过将先前获得的关系矩阵Q分解(850)如下来获得整数至整数的可逆映射(860) Q＝PLUSo， (9) 其中P为可带负号的置换矩阵，L及U分别为单位下TERM及单位上TERM，而So为单位SERM。
最后，成形单元310可经由以下演算法而获得符号s′ s′＝[Qs] 或等效地， s′＝P[L[U[S0s]]]，s∈S S′＝{s′|0≤si≤σ} 其中[]表示舍入函数，S为自N维整数网点ZN中选择的信息符号s的星座图，S′为所成形的星座图，而σ为所选择的整数，使得σN等于可能传输的星座图点的总数(870)。
图9是根据本发明第二实施例所绘示的解成形单元620的处理程序900。程序900对已由IRMM处理过的符号进行解码。解成形单元620自估测器610接收已解码的s′，并判定是否要求及/或需要解成形(910)。若不要求或需要解成形，则不执行解成形步骤(920)；若要求及/或需要解成形，则解成形单元620即基于以下的关系式而使用已解码的s′来回复s(930) s＝[S0-1[U-1[L-1P-1(s′)]]]， 其中[U-1v]表示由表示式(7)给定的上三角TERM U对向量v的逆运算，[L-1v]表示下三角TERM L对向量v的逆运算，而[S0-1v]为由表示式(8)给定的SERM S0对向量v的逆运算。
根据本发明的一实施例，当成形以复数表示时，一般形式(1)变为 x＝Gs，s∈(Z[i])N，G∈CN×N(10) 其中舍入函数现个别地作用在实数分量及虚数分量上，而SERM及TERM中对应的jm＝±1则变为±1或±i，其中i为虚数单位。在上述表示式(10)中，逆运算(7)及(8)仍适用。
在此情况下，Q可分解为 Q＝PLDRUS0， (11) 若且唯若det(Q)＝det(DR)≠0(其中det(Q)＝det(DR)≠0(其中DR＝diag(1，1，...，1，eiθ))时，L及U分别为下TERM及上TERM，而P为置换矩阵。若det(Q)＝±1或±i，则可获得Q＝PLUS0的简化因子。亦即，表示式(11)为表示式(9)的通式。
在det(Q)＝eiθ且不等于±1或±i的情况下，复数中的实数及虚数可因式分解为三个单位TERM以实施复数旋转eiθ，其公式如下 上述方程式亦可在Q为傅立叶转换矩阵(例如在OFDM信号)时使用，其中所有系数均采取eiθ的形式。
在一实施例中，程序800中用来获得s′的值及演算法可预先计算并储存于存储器216的查找表(未绘示)中，而程序900中用来获得s的值及演算法也可预先计算并储存于存储器226的查找表(未绘示)中。若使用查找表，则成形单元310即可在程序800中通过参考存储器216中的查找表而获得s′，而解成形单元620也可在程序900中通过参考存储器226中的查找表而获得s。
图10是根据本发明第三实施例所绘示的成形单元310的程序1000，且选择性地应用HNF分解或IRMM。
起初，成形单元310会判定编码格式是否可以上述的一般形式(1)来表示(1020)。若无法表示，则不执行成形步骤(1030)。
若编码格式可以一般形式(1)表示，则成形单元310会判定是否需要进行HNF分解或IRMM(1040)。若需要进行HNF分解，则成形单元310即使用HNF分解来执行程序500中540至570所述的运算，以便获得s′(1050)。另一方面，若需要进行IRMM，则成形单元310即使用IRMM来执行对应于程序800中840至870所述的运算，以便获得s′(1060)。
图11是根据本发明第三实施例所绘示的解成形单元620解码符号的程序1100。起初，解成形单元620会从估测器610接收经解码s′，并判定是否要求及/或需要解成形(1110)。若不要求或需要解成形，则不执行解成形步骤(1120)；若要求及/或需要解成形，则解成形单元620会判定所接收符号是否已经使用HNF分解或IRMM来处理过(1130)。
若解成形单元620判定符号已经使用HNF分解来处理过，则执行对应于程序700中730的运算，以便自s′获得s(1140)；另一方面，若解成形单元620判定已经使用IRMM，则执行对应于程序900中930的运算，以便自s′获得s(1150)。
图12A至12C绘示通过使用106个随机产生的符号达成最佳D-MG折衷的空间-时间码的成形的模拟结果。因为由天线传输的信号具有类似的统计分布，所以可将模拟结果表示为每一个天线i上信号的PAR的平均互补累积密度函数(complementary cumulative density function，CCDF)，其表示如下 CCDF{PAR(xi)，ρ}＝P{PAR(xi)＞ρ}。(12) 其中ρ为横座标上的值。表示式(12)可解释为对于由天线i传输的符号而言，PAR(xi)在任何给定时刻超过值ρ的机率。
在图12A中，一个包括4个传输天线及4个符号持续时间的4×4空间-时间码被设计来达成最佳的D-MG折衷，并用以产生模拟。图12A绘示使用上述的HNF及IRMM近似立方成形方式所求得在4个天线上的平均CCDF{PAR(xi)，ρ}。水平轴是以分贝(dB)为单位来绘示ρ，而垂直轴则绘示平均CCDF{PAR(xi)，ρ}。星座图大小的作用亦包含于模拟之中。如图12A绘示，当星座图大小适当(64QAM)时，HNF成形方法可较IRMM成形方法达成大约额外1.3dB的PAR降低(图12A中表示为「a」)，且其可对未成形方法提供大约2dB的PAR降低(图12A中表示为「b」)。此额外的PAR降低可通过将每个传输点置于一个精确的超平行体(其为一个近似的超立方体)中的HNF成形获得，而IRMM成形则可产生一个精确的立方形星座图，其仅有少数的点在超立方体外部。因此，IRMM成形可产生许多具有较高PAR的点。然而，随着星座图的大小增加，两种方法均会导致近乎相同的PAR降低，且此PAR会接近其在立方成形下的最佳值，意即10log3或约4.78dB，如图12A中所示。
在图12B中，一个包括5个传输天线及5个符号持续时间的5×5空间-时间码被设计来达成最佳的D-MG折衷，并用以产生模拟。图12B的轴与图12A的轴表示相同的量。因为图12B绘示使用HNF及IRMM近似立方成形方式所求得在5个天线上PAR的平均CCDF，所以当与绘示4个天线上PAR的平均CCDF的图12相比时，图12B证明了随着天线数目增加，可达成较大的PAR降低。
最后，图12C绘示具有4或5个传输天线以及4或5个接收天线的通信系统在准静态Rayleigh衰退通道中的讯框错误机率(frame error probability，FEP)，其绘制为平均信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)的函数。可达成最佳D-MG折衷的最佳空间-时间码使用于4×4及5×5通道，而球体解码器则使用于网点解码。如图12C所示，在成形之后所传输的空间-时间码会产生与未经成形所传输的码几乎不可区分的误差效能。亦即，本发明的PAR降低方法并不会影响空间-时间码的效能。
与现存的PAR降低方法相比，本发明公开的方法可显著地降低计算的复杂度。另外，本发明提供的方法适用于任何非奇异生成/调制矩阵，同时可达成较佳的PAR降低。而且，本发明的应用不限于OFDM及空间-时间编码系统，而与本发明一致的实施例可以在编码格式可以一般形式(1)表示的任何系统中实践。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与修改，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种传输数据的方法，适用在使用一编码格式的一通信系统，该方法包括下列步骤
根据一特定处理格式处理一数据以提供多个信息符号；
成形所述信息符号的一星座图以获得多个成形符号；
根据该编码格式处理所述成形符号以获得多个转换信号，使得所述转换信号的一峰值平均功率比(PAR)低于所述信息符号在处理为转换信号之前未经成形为成形符号的情况下的峰值平均功率比，其中所述编码格式可以用x＝Gs，s∈ZN，G∈RN×N的形式表达，其中x代表所述转换信号的一同构向量，G为一N×N可逆生成矩阵且N为大于等于0的整数，s为选自N维整数网点ZN的多个信息符号的向量，而R表示实数域；以及
经由一通信网络传输所述转换信号。
2.如权利要求1所述的传输数据的方法，更包括
执行一近似立方成形于所述信息符号的该星座图。
3.如权利要求2所述的传输数据的方法，其中执行所述近似立方成形包括执行一矩阵分解。
4.如权利要求1所述的传输数据的方法，更包括
提供所述成形符号，使得s′∈s+QZN，其中s′为所述成形符号，而Q为一关系矩阵；以及
提供所述转换信号，使得x＝Gs′。
5.如权利要求2所述的传输数据的方法，更包括
处理所述信息符号，使得
s′＝s-Qγ，
其中s′为所述成形符号，Q为一关系矩阵，而
其中
表示一地板函数。
6.如权利要求5所述的传输数据的方法，其中Q满足关系
Q＝[σ′G-1]、|det(Q)|≥σN，
其中[]表示一舍入函数，σ′为确保|det(Q)|≥σN的一常数，σN为可能传输的星座图点的数目，而|det(Q)|表示Q的行列式的绝对值。
7.如权利要求5所述的传输数据的方法，更包括
将Q分解为
Q＝RV，
其中R为一整数下三角矩阵，而V为一单模矩阵。
8.如权利要求3所述的传输数据的方法，其中执行所述近似立方成形包括执行Hermite正规形式矩阵分解。
9.如权利要求5所述的传输数据的方法，其中Q满足关系其中σ经选择以使得σN为可能传输的星座图点的总数且I为单位矩阵。
10.如权利要求3所述的传输数据的方法，更包括执行非线性映射。
11.如权利要求10所述的传输数据的方法，其中执行非线性映射包括执行整数可逆矩阵映射。
12.如权利要求11所述的传输数据的方法，更包括
处理所述信息符号，使得
s′＝[Qs]，且
Q＝G-1，
其中s′为所述成形符号，Q为一关系矩阵，而[]表示一舍入函数。
13.如权利要求12所述的传输数据的方法，更包括
正规化所述Q的行列式的绝对值为1；以及
分解Q，使得Q＝PLUSo，
其中P为一置换矩阵，L及U分别为一单位下三角基本可逆矩阵及一单位上三角基本可逆矩阵，而So为一单位单列基本可逆矩阵。
14.如权利要求13所述的传输数据的方法，更包括
获得所述成形符号s′，使得s′＝P[L[U[So(s)]]]。
15.如权利要求12所述的传输数据的方法，更包括
分解Q，使得
Q＝PLDRUSo，若det(Q)＝det(DR)≠0，
其中P为一置换矩阵，L及U分别为一单位下三角基本可逆矩阵及一单位上三角基本可逆矩阵，DR＝diag(1，1，...，1，eiθ)，而So为一单位单列基本可逆矩阵。
16.一种接收数据的方法，适用在使用一编码格式的一通信系统，该方法包括下列步骤
接收多个传输信号，其中所接收的该些传输信号的一星座图在传输之前已经成形；
在估测器中处理所接收的该些传输信号，以获得多个解码符号；以及
解成形该些解码符号，以获得多个信息符号，
其中所述传输信号的该星座图在传输之前已经处理，使得所述传输信号的一峰值平均功率比低于所述传输信号在传输之前未经成形的情况下的峰值平均功率比，所述传输信号符合该编码格式，而该编码格式可以用x＝Gs，s∈ZN，G∈RN×N的形式表达，其中x表示所述转换信号在传输之前的一同构向量，G为一N×N可逆生成矩阵且N为大于等于0的整数，s为选自N维整数网点ZN的多个信息符号的向量，而R表示实数域。
17.如权利要求16所述的接收数据的方法，更包括
执行最大似然估计或球体解调制/解码。
18.如权利要求16所述的接收数据的方法，更包括
经由
si＝s′i mod rii(si＝s′i+qirii)及
s′＝s′+qi-1ri-1
获得信息符号s，
其中si为所述信息符号s的第i元素，s′为所述解码符号，rii为一整数下三角矩阵R的第i对角元素，qi为模商，而ri为所述整数下三角矩阵R的第i行。
19.如权利要求16所述的接收数据的方法，更包括
经由
s＝[S0-1[U-1[L-1P-1(s′)]]]
获得信息符号s，
其中P为一置换矩阵，L及U分别为一单位下三角基本可逆矩阵及一单位上三角基本可逆矩阵，So为一单位单列基本可逆矩阵，[U-1v]表示所述上三角基本可逆矩阵U对向量v的逆运算，[L-1v]表示所述下三角基本可逆矩阵L的逆运算，而[S0-1v]为所述单位单列基本可逆矩阵So的逆运算。
20.一种传输数据的装置，适用在使用一编码格式的一通信系统中，所述装置包括
一处理器，根据一特定处理格式处理一数据以提供多个信息符号；
一成形单元，成形所述信息符号的一星座图以获得多个成形符号；
一编码器，根据该编码格式编码所述成形符号以获得多个转换信号，使得所述转换信号的一峰值平均功率比低于所述信息符号在处理为转换信号之前未经成形为成形符号的情况下的峰值平均功率比，其中所述编码格式可以用x＝Gs，s∈ZN，G∈RN×N的形式表达，其中x代表所述转换信号的一同构向量，G为一N×N可逆生成矩阵且N为大于等于0的整数，s为选自N维整数网点ZN的多个信息符号的向量，而R表示实数域；以及
一传输器，经由一通信网络传输所述转换信号。
21.如权利要求20所述的传输数据的装置，更经组态以执行一近似立方成形于所述信息符号的该星座图。
22.如权利要求21所述的传输数据的装置，更经组态以经由一矩阵分解执行所述近似立方成形。
23.如权利要求20所述的传输数据的装置，更经组态以提供所述成形符号，使得s′∈s+QZN，其中s′为所述成形符号，而Q为一关系矩阵，其中所述编码器提供所述转换信号，使得x＝Gs′。
24.如权利要求21所述的传输数据的装置，更经组态以处理所述信息符号，使得
s′＝s-Qγ，
其中s′为所述成形符号，Q为一关系矩阵，而
其中
表示一地板函数。
25.如权利要求24所述的传输数据的装置，其中Q满足关系
Q＝[σ′G-1]、|det(Q)|≥σN，
其中[]表示一舍入函数，σ′为确保|det(Q)|≥σN的一常数，σN为可能传输的星座图点的数目，而|det(Q)|表示Q的行列式的绝对值。
26.如权利要求24所述的传输数据的装置，更经组态以将Q分解为
Q＝RV，
其中R为一整数下三角矩阵，而V为一单模矩阵。
27.如权利要求22所述的传输数据的装置，更经组态以执行Hermite正规形式矩阵分解。
28.如权利要求24所述的传输数据的装置，其中Q满足关系其中σ经选择以使得σN为可能传输的星座图点的总数且I为单位矩阵。
29.如权利要求22所述的传输数据的装置，更经组态以执行非线性映射。
30.如权利要求22所述的传输数据的装置，更经组态以执行整数可逆矩阵映射。
31.如权利要求30所述的传输数据的装置，更经组态以处理所述信息符号，使得
s′＝[Qs]，且
Q＝G-1，
其中s′为所述成形符号，Q为一关系矩阵，而[]表示一舍入函数。
32.如权利要求31所述的传输数据的装置，更经组态以将所述Q的行列式的绝对值正规化为1，并分解Q，使得Q＝PLUSo，
其中P为一置换矩阵，L及U分别为一单位下三角基本可逆矩阵及一单位上三角基本可逆矩阵，且So为一单位单列基本可逆矩阵。
33.如权利要求32所述的传输数据的装置，更经组态以获得所述成形符号s′，使得s′＝P[L[U[So(s)]]]。
34.如权利要求31所述的传输数据的装置，更经组态以分解Q，使得Q＝PLDRUSo，若det(Q)＝det(DR)≠0，
其中P为一置换矩阵，L及U分别为一单位下三角基本可逆矩阵及一单位上三角基本可逆矩阵，DR＝diag(1，1，...，1，eiθ)，而So为一单位单列基本可逆矩阵。
35.一种接收数据的装置，适用在使用一编码格式的一通信系统中，所述装置包括
一接收器，接收多个传输信号作为接收信号，其中所述传输信号的一星座图在传输之前已经成形；
一处理器，在估测器中处理所述接收信号以获得多个解码符号；以及
一解成形单元，解成形该些解码符号，以获得多个信息符号，
其中所述传输信号的该星座图在传输之前已经处理，使得所述传输信号的一峰值平均功率比低于所述传输信号未经成形的情况下的峰值平均功率比，所述传输信号符合该编码格式，而该编码格式可以用x＝Gs，s∈ZN，G∈RN×N的形式表达，其中x表示所述转换信号在传输之前的一同构向量，G为一N×N可逆生成矩阵且N为大于等于0的整数，s为选自N维整数网点ZN的多个信息符号的向量，而R表示实数域。
36.如权利要求35所述的接收数据的装置，更经组态以执行最大似然估计或球体解调制/解码。
37.如权利要求35所述的接收数据的装置，更经组态以经由
si＝s′i mod rii(si＝s′i+qirii)及
s′＝s′+qi-1ri-1
获得信息符号s，
其中si为所述信息符号s的第i元素，s′为所述解码符号，rii为一整数下三角矩阵的第i对角元素，qi为模商，而ri为所述整数下三角矩阵的第i行。
38.如权利要求35所述的接收数据的装置，更经组态以经由
s＝[S0-1[U-1[L-1P-1(s′)]]]
获得信息符号s，
其中P为一置换矩阵，L及U分别为一单位下三角基本可逆矩阵及一单位上三角基本可逆矩阵，So为一单位单列基本可逆矩阵，[U-1v]表示所述上三角基本可逆矩阵U对向量v的逆运算，[L-1v]表示所述下三角基本可逆矩阵L的逆运算，而[S0-1v]为所述单位单列基本可逆矩阵So的逆运算。
全文摘要
一种传输数据的方法，其适用在使用编码格式的通信系统，此方法根据特定处理格式处理数据以提供多个信息符号，并成形所述信息符号的星座图以获得多个成形符号。接着，根据所述编码格式处理所述成形符号以获得多个转换信号，使得所述转换信号的峰值平均功率比(PAR)低于所述信息符号在处理为转换信号之前未经成形为成形符号的情况下的峰值平均功率比。所述的编码格式可以用x＝Gs，s∈ZN，G∈RN×N的形式表达，其中x代表所述转换信号的同构向量，G为N×N可逆生成矩阵，s为多个信息符号的向量，而R表示实数域。最后，经由通信网络传输所述转换信号。
文档编号H04B7/08GK101582754SQ20091013814
公开日2009年11月18日 申请日期2009年5月5日 优先权日2008年5月5日
发明者苏炫荣, 李崇丕 申请人:财团法人工业技术研究院