用于对无线通信系统进行多层成形的系统、方法和计算机可读介质的制作方法

专利名称：用于对无线通信系统进行多层成形的系统、方法和计算机可读介质的制作方法
用于对无线通信系统进行多层成形的系统、方法和计算机
可读介质
背景技术：
超宽带(UWB)包括具有高于500MHz或大于中心频率25%的带宽的技术。由于各 种计算和媒体系统中适应USB的设备的激增，当前兴趣在于对具有UWB的传输速率的串行 技术(例如通用串行总线(USB))的无线版本的开发。 在数字通信中，通过设计对应于单个消息的一组唯一的信号来发送二进制数据。 将无线信道的通信性能的最后极限称为信道容量。对于给定的信噪比(SNR)，信道容量提供 了可以可靠地获得的最高数据速率。反过来，对于给定的数据速率，其提供了可靠通信的最 小SNR。 结合数字调制使用的纠错码广泛用于在无线信道上提供稳健的通信。这些无线系 统中的发射机在传输以前将冗余附加到数据上。然后采用编码信号对模拟载波进行调制并 通过信道发送。接收机对数据进行解调并在存在信道损害(impairment)的情况下使用数 据流中的冗余来对数据进行解码。 信号成形(signal shaping)是将所发送信号概率分布改变为接近于所考虑信道 的理想分布的过程。大多数通信系统通常受高斯噪声损害。对于这种类型的损害，所发送 信号的分布理想地应该是高斯的。 通信系统仅可以通过结合纠错编码和信号成形才能达到信道容量。即使是实际上 不存在的最优纠错码，在不采用信号成形的情况下也无法比容量的1.53dB更为接近。包 括比特交织的编码调制、格栅(trellis)编码调制、多层码、低密度奇偶校验(LDPC)码和 turbo码的实际的编码技术，其界限则与容量相距更远。


根据下面的详细说明并通过阅读附图，本公开的各个方面将得到最佳理解，其 中 图1是示例性系统的示意图，其中根据实施例可以从发送设备将二进制数据以比 特组的形式发送给接收设备； 图2示例性星座标记的示意图，其示出了将数字比特转换成模拟信号；
图3是示例性32-QAM星座的示意图； 图4是根据实施例实现的类型映射编码功能的过程流示意图； 图5是调制器的示意图，其根据实施例将比特映射到M-PAM信号的块； 图6A-6D是4-PAM的平均能量对于速率的示例图，其中的块长度分别为n = 4，8，
16禾口 32 ; 图7A-7D是6-PAM的平均能量对于速率的示例图，其中的块长度分别为n = 4，8， 16禾口 32 ; 图8是调制器的框图，其根据实施例利用ECC编码器将比特映射到M-PAM信号块；
图9是根据实施例实现的基线WiMedia UWB系统的示意图；以及
4
图10是描述根据实施例实现的分裂算法的过程的流程图。
具体实施例方式
应当理解的是，下面的公开提供了许多不同的实施例或实例，用于实现各个实施例的不同特征。下面描述组件和配置的特定实例以简化本公开。当然，这些仅仅是实例而不是要进行限制。另外，本公开在各个实例中可以重复附图标记和/或文字。该重复的目的是为了简单和清楚，其本身并不表示所讨论各个实施例和/或结构之间的关系。
图1是示例性系统100的示意图，根据实施例，其中可以从发送设备110(例如传输数据的计算机、无线电调谐器和/或DVD播放器)将二进制数据以比特组的形式发送到接收设备120(例如打印机、扬声器和/或电视机)。数据可以提供信息，例如数据文件、音频信号和/或多媒体信号。数据通过无线信道进行提供，例如超宽带(UWB)信道和/或无线局域网(WLAN)信道。在一些实施例中，无线信道可类似于一种通常所称的无线USB，如WiMedia联盟所定义。WiMedia—般指的是在个域网中的设备之间提供无线多媒体连接以及互操作的方法。参见w丽.wimedia. org,其内容通过弓I用并入本申请。然而，本领域技术人员会理解，本说明和实施例并不限于UWB、WLAN或无线USB技术，而是具有普遍的适用性。
为了发送一组m个比特，选择M = 2m个唯一的信号来创建每个m比特的数据模式和信号之间的一对一的映射。图2是示例性星座200标记(labeling)的示意图，其示出了数字比特到模拟信号的转换。该信号星座具有M二4个点210-216，每个能够传送信息的m=2个比特消息220-226。 设计大小为M的信号组的普通方法是选择基带信号并采用奇数对基带信号进行
縮放，即，±1， ±3，... ， 士(M-1)。这称作M元(或者多层)脉冲幅度调制(M-PAM)信号星
座。M-PAM表示n = 1维信号组。M-PAM的数据速率是每维m = log2(M)个比特。平均的
信号功率是每维但2-1)/3，峰值功率是(M-l)2。因此，星座200的对应于消息220和226的
峰值功率为9。应当注意，将数据速率增加1比特会要求最大幅度(M-l)大约加倍，以及平
均和峰值功率近似增加为4倍。S卩，功率遵循每比特"6dB"的规则。 出于举例的目的，本公开将考虑下面的n二 l维的信号星座 2-PAM : {-1，+1}， 4-PAM : {-3，-1，+1，+3}， 6-PAM : {-5， -3， _1， +1， +3， +5}以及 8-PAM : {—7， _5， _3， _1， +1， +3， +5， +7} 应当注意，2-PAM、4-PAM和8-PAM可以分别以值为1、2和3的每信号消息比特速率进行发送，其功率为1、5和21。没有直接将二进制信息映射到6-PAM的方法，因为log2(6)=2. 585不是整数。这是由本申请公开的映射机制所解决的一种可能的缺点。
直接M-PAM信号组的另一限制在于其使用比以给定速率进行发送所需要的更多的平均功率。这里的原因涉及采用随机数据，直接M-PAM采用相等的概率来使用所有M个层。对数据进行平均功率上更为有效的编码将对概率进行偏移使低幅度信号相比于大幅度信号更为有利。当编码器对概率进行偏移来节省平均功率时，则称该编码获得了 "成形"。
n = 2维中的信号设计在本领域中是公知的，通常称为正交脉冲幅度调制(QAM)。QAM对于带通信号是有用的，所述带通信号具有与正弦和余弦波的正交性有关的自然的2维描述。 当比特数m = log2 (M)是偶数时，使用一对L_PAM信号来创建M-QAM星座，其中M=L2。在此情形下，QAM的比特率和功率(每维)与PAM相同。当比特数是奇数时，M-QAM星座比简单的PAM更值得注意。针对奇数个比特的情况，设计M-QAM星座的通常方法是找出使L2 > M的L的最小值并将角落附近的点"删除"，例如当m = 5， M = 32则L = 6。因此，将32-QAM定义为6-PAM幅度的所有的去除了4个角落的对({(±6， ±6)})的对的子集(36-4 = 32)，如图3中32-QAM星座图300的示意图所示。 在高维度中对信号星座的映射的设计是所期望的但又具挑战性的概念。益处包括，例如，结合非2的幂的基本星座(如6-PAM)、能够以精细的速率分辨率来改变传输速率(如，具有很小速率增量的可变速率编码器)、以及提供数据速率和传输功率之间有效的折衷。 在概念上，对于固定选择的PAM大小M以及给定的速率R《logjM)，最优的块编码方案如下进行。对于M-PAM的每个元素，将权重(weight)或代价(cost)定义为幅度的平方。对于6-PAM，权重是
5Tg"fl/(M)「-5 -3 -1 +1 +3 +5、259 1 1 9 25乂 对于块长度为n的向量，向量的权重定义为组件的权重的和。例如，对于块长度n二4，向量X二 (-3，+l，+5，-l)的权重为36 = 9+1+25+1。然后，通过选择2n'K个最小权重的向量来构建块长度为n的码字集。该使得平均功率最小化。类型映射可用于以计算上经济的方式生成该码字集。随着块长度增加，平均能量收敛到可能的最小值。
对于固定的字母表M-PAM，速率R和最小平均功率Pmin之间的限制性折衷的特征由下面的参数描述来表述。对于参数A >0的每个值，速率和最小平均功率由下式给出
* = Pmi .log2W + log2(C)， P^,丄SH: 其中常数 c=S;r|v| 以及，集合V是M-PAM星座。每个字母v G V的限制概率由下式给定 iV(V)二丄r卜12c 在更高维度下设计此类映射的困难通过指数方式增加信号组来实现。如果需要每维度R比特的速率，则n维中需要的信号数量是2n'K。对于小的维度n (例如，n = 2 (QAM))，可以采用查找表来实现映射。然而，对于大的维度n，该表的大小将变得不切实际。因此，虽然在维度n = 2下每维度2. 5比特的速率R需要32个QAM信号，但对于n = 16维，信号的数量为1， 099， 511， 627， 776 = 240 " 1012。 根据本申请公开的实施例，提供了对给定的字母表大小和块长度来进行最优的信号成形的机制，该机制相比于当前的启发式方法(例如格栅成形，其仅提供了选择最优成形码字的高概率)在计算上经济。换言之，本申请描述的实施例并不只是对用于成形的最
6佳码字的近似选择，更确切地说，本申请描述的机制提供了对最优成形码字选择的保证。
考虑字母表(或者集合)A二 {&1，&2，...^}，其具有1^= lAl个元素。块长度为n
的向量组An有Ln二 |A|n= | A" |个元素。可根据"类型"将长度为!!的向量进行分类或划
分成子集。 向量X G An的类型由以下形式的计数向量来描述
Count (X) = (n" n2， ， nL) 其中ni对字母表A中的第一字母(a》出现的次数进行计数，n2对第二字母(a2)出现的次数进行计数，等等。对于每个计数，O《ni《！1，并且111+112+. . . +化=n。
给定的计数向量(ni， n2， . . . ， nj定义了该类型的子集A^ : T(n"ri2，…，nL)三{X G An | Count (X) = (n" n2
给定类型的向量的数量由下面的多项式给出
nL)} , w2,…，& )| = M我"! ， "2,…， )=
其中n的阶乘为n ! = n (n_l) ! ，0 ! =1。给定字母表大小为L和块长度n的类型的数量由以下二项式给出
C工一l + w)！
(丄一l)!"! 举例来说，考虑具有3个元素、块长度n = 4的集合A = {+1， +3， +5}(注该集合表示6-PAM信号星座的"幅度")。存在81 = 34个长度为4的向量。存在15 =Mult(2，4)=720/(2 48)种类型。可能的计数向量以及元素数量由以下各行给出

+ 1
43
2
1
0
3
2
1
0
2
1
0
100
+3
0
1
2
3
4
0
1
2
3
0
1
2
0
10
+5
0000
0
111
1
22
2
3
3
4
#
1
4
6
4
1
4
12
12
4
6
12
6
4
4
1
例如，考虑下面的类型(4，0，0)、 (3，1，0)和(2，2，0)，其中每种类型可用的向:
7为 T(4，0，0) = {(+1，+1，+1，+1}， T(3，l'0) = {(+1，+1，+1，+3) ， (+1，+1，+3，+1)， ， (+1， +3， +1， +1) (+3， +1， +1， +1)}， T(2，2'0) = {(+1， +1， +3， +3) ， (+1， +3， +1， +3) ， (1. 1) (+1， +3， +3， +1) ， (+3， +1， +1， +3)， (+3，+1，+3，+1) ， (+3，+3，+1，+1， )}， 类型的一种有用的属性涉及字母表，其具有应用到符号的权重函数。令Wt(s)表示符号s G A的权重，则(Wl， w2， . ， wL) = (Wt (a》，Wt (a2) ， . ， Wt (aL))为A的符号L个权重。具有权重函数的字母表引起向量上权重函数的变化。
例如，向量上的平均权重附鹏(X)=丄(附O》+附02)+...+附(x")) (1.2) 或者，最大权重 Wt隨(X) = max {Xi | 1《i《n} (1. 3) 像这样的权重函数在相同类型中保持不变。事实上，权重是计数向量的函数 附譜(X)=丄(".+ ", W2 +…+ & . 或者，最大权重 Wt隨(X) = max (w丄| i > 0} 其中Count (X) = n2， ， nL)。 类型映射的一个组成部分是从整数到给定类型的向量的映射。针对给定集合A和块长度n，考虑类型集和T(rvri2，…，nj。该集合中存在P三Mult (&， n2，... ， 个向量。对该集合的枚举将是从0和P-l之间的整数到集合T (ni， n2，...，化)中向量的映射。
由于对整数0， 1，2， . . . ， P-l进行了排序，基于对向量集合进行"排序"的概念，存在许多方法来实现枚举。 一旦对向量定义了顺序，则存在与整数自然的对应。这种枚举的一个实例基于向量的"词典"排序。 为了定义词典顺序，先对字母表A的符号进行排序(例如，ai <a2 < <^)，并将向量X = xn—p xn—2， . . ， x。)的位置从最高符号(MSS， Most SignificantSymbol)到最低符号(LSS， Least Significant Symbol)(例如从左到右)进行排序。这给出了An中所有的向量的顺序。 为了比较两个向量X和Y，对第一个MSS xn—工和yn—工进行比较
如果Xn—! <yn—p则X〈Y;
如果Xn—! >yn—p则X〉Y; 否则、—1=yn—1; 接着过程继续进行到对第二符号xn—2和yn—2进行比较。对该步骤进行重复，直到确定了X〈Y或者X〉 Y，或者对LSS进行比较并且得到x。 = y。，在该情形下X = Y。
对集合An的所有向量进行排序得到了对每个子集(包括类型集合)的向量的排序。举例来说，前面列出的类型(4，0，0)、 (3，1，0)和(2，2，0)的示例性集合中的向量处于
8词典顺序。 考虑整数m，O《m〈P，以及在词典顺序下确定第m个向X G T(ni，n2，... ，nj的值的问题。定义 Xn三(xn—" xn—2， xn—3，…，x。) ( = X) Xn—!三(xn—2， xn—3，…，x0) X丄三(x0). 先确定MSS xn—丄。如果Xn—i二a"则Xn—^T(n「l，n2，... ，nL)并且0《m < Mult (n「l，n2，... ，nj。因此，通过测试是否m〈Mult(n「l，n2，... ，nJ，可以推断出Xn—! 二a!或者Xn—i> A。在前一情形下，确定了 xn—p过程针对向量Xn—! G T(nrl， n2，...，化)继续进行。
在后一情形下，过程对m进行更新m —m-Mult(ni-l， n2， . . . ， nj，并考虑是否0《m< Mult(ni，n2-1， ， nL)。如果是，则xn—! = a2，且过程针对Xn—! G T(ni，n2_l， ，化)继续进行。否则xn—! > a2，过程对m进行更新m — m-Mult (&， n2_l，...，化)，并考虑是
否Xn-1 = a3° 该递归步骤将最终确定MSS xn—p然后是第二符号x『^一直到LSS x。已知。这是因为诸如下面的等式P = Mult(n丄，n2，…，nL) = Mult (n「1， n2， ...，nL) +Mult(n1， n2_l，…，nL) +11111(1^， n2， ...，nL_l) 其中为了一致性，如果Mult()函数的一个或多个参数为负，则值为O。
综上，考虑字母表A和块长度n。类型映射器包括编码功能，其将长度为kmax比特U"log2(lAl))的二进制信息映射到An中的向量。映射器还具有互补的解码功能，其作为编码器的逆向功能将An中的向量映射到k^个比特。对于每个比特模式B = (btaax—p
bkmax-2， ， bp b0):TMdec(TMenc(B)) =B 使用基2展开(base-2expansion) ， k比特的块与0和2k_l间的整数i之间的对应可以表示为 i = b。+b丄 2+b2 4+...bk—i 2k—1 因此，类型映射器也是映射，其对于每个值k， 0《k《kmax将整数i， 0《i < 2k映
射到An中的向量。 在概念上，关于二进制块，在应用编码功能TM,(i) eTM,(B)以前，采用(kmax-k)个0对长度为k的块进行填充(bkmaxl = bkmax—2 = bk = 0)。 类型映射编码器具有类型排序属性，其对于给定编码器以特定方式对An的类型进行排序 I\ < T2 TM. (2. 1) 其中M《Mult(lA卜l， n)。
9
编码器具有的 一 属性为，如果两个整数i < j满足TM,(i) G Tl并且TM c(j) G Tm，则或者1\ = Tm(即，1 = m)，或者1\ < Tm(即，1 < m)。 对类型的排序使得编码和解码功能的计算变得切合实际，还提供优化属性，例如成形、速率与能量的折衷等。 图4示出了根据实施例实现的类型映射编码功能400的流程示意图。编码功能
400可以以两个步骤的过程来执行，例如，由类型确定过程412和类型元素选择过程414所
表示。可将k-比特的输入提交给零填充过程410，然后，可由类型确定过程412对编码向量
的类型进行确定。然后，可由类型元素选择过程414来选择所确定类型的特定成员，该过程
涉及对该类型的枚举。例如，根据实施例可以应用基于词典顺序的枚举。 类型的确定可以按照类型排序的累积分布来进行描述。 基于该顺序(式2. l)，定义 S。 = 0， S,S。+lTj S2二S,lT丄 ! ! SM = SM—HTmI《|A|n 注意O = S。 < S丄 < < SM《lA广并且2k隨《SM+1。
为了确定给定输入i的类型，针对索引1来解下列不等式
S丄—^i〈S丄 表达式的解蕴含着TM,(i) G 1\。 一旦找出了这一点，则将剩余的整数j = i-Sh工映射到特定类型(注意0《j < 11\ I)。 对于给定输入i，一种确定索引1的方法是顺序地对1 = 1，2等等进行测试。可以通过应用搜索算法来实现更为有效的方法，例如二分搜索。 如果需要高速的操作，可以以流水线架构来实现两步编码过程。在基本情况下，同时可以操作两个计算单元。例如，当第一单元在确定编码器输入当前值的类型时，枚举器确定在前一时期其类型已确定的先前编码器输入的向量。 如果需要，进一步的流水线操作是可能的，这通过单个的步骤流水线化来实现，因为这两个步骤都非常适用于流水线化。例如，类型确定的顺序和二分搜索以及对类型的枚举自然地采用可以流水线化的步骤来进行处理。 解码功能与编码器的两步骤过程类似。解码器输入的类型确定可以通过计算计数函数(ni， n2， . . . ， nj来进行。 一旦确定了 1\(以及对应的值Sp》，就找出类型枚举器的逆j并将其合并以生成i = j+Sh1Q解码器还可以以与编码器功能流水线化类似的方式进行流水线化。 类型映射器的设计涉及选择基本参数、符号集A、块长度n以及最大二进制输入长度k^。 一旦对需要的类型进行了选择并排序(如式2. 1中)，就指定了类型选择(例如，二分搜索)以及类型枚举(例如，词典枚举)的方法。给出速率分辨率为分数l/n，同时最大速率由k^/n来确定。较不基本的属性，例如成形以及能量对比与速率，通过对类型进行排序来确定。 例如，根据实施例，为了使成形增益最大化，对类型进行排序以使平均能量最小化。事实上，前面描述的概念性成形方法可以通过类型映射来实现。进一步，对其进行排序以使向量权重最小化的类型对于每个速率值k/n是均一地最优的，其中0《k《kmax。因此，人们不需要针对每个二进制输入长度值k来设计唯一的编码器/解码器对。对于给定的块长度n， 一个类型_映射对对于每个k是最优的。 给定具有权重函数Wt(a) > 0， a G A的字母表A，类型可以通过平均权重或最大权重或其组合来进行排序。例如，对于小的G > 0，权重函数
Wt e (X)三Wtave (X) + G Wtmax (X) 将使成形增益最大化，但根据实施例将基于最大权重而打破"平分(tie)"。这通常将产生唯一的类型排序。 举例来说，考虑针对平均功率进行优化的类型映射器。图5是调制器500的示意图，其根据实施例将比特映射到M-PAM信号块。作为针对平均功率优化的类型映射的实例，考虑采用M-PAM进行调制，其中M为偶数。调制器500将提供给解复用模块510的k+n个比特映射到M-PAM星座图514所输出的n个M-PAM信号的块，其中，类型映射器处理的比特数量0《k《n log2 (M/2)。编码的速率是每个符号k/n+1个比特。 类型映射器512的字母表是M/2大小的M-PAM信号星座+1， +3， . . . ， +(M_1)。权重函数为幅度平分。为了对n+k个比特进行编码，对k进行类型映射以生成n个幅度，以及，剩余的n个消息比特用于选择M-PAM信号的符号± ，从而生成M-PAM星座映射514。
图6A-6D是4-PAM的平均能量与速率的示例图，其中的块长度分别为n = 4，8， 16和32。结果可以与较低的曲线进行比较，其中后者示出了渐近的(即，大的n)性能。值得注意的是，类型映射对于相对中等的块长度表现非常好。进一步，可以看出速率分辨率如何随较大的块长度而得到精化。 图7A-7D是6-PAM的平均能量与速率的示例图，其中的块长度分别为n = 4，8， 16和32。在此情形下，由于6不是2的幂，最大速率因取整作用对logj3)的影响减少而对于较长的块长度略有改进。如所见的，类型映射提供了采用非2的幂的信号星座的有效地在信道上发送二进制数据的方法。 类型映射与前向错误控制(FEC)互补，其中前向错误控制是基于错误控制编码(ECC)的信号编码方法。存在将类型映射器用在通信系统中的许多方法。
FEC的一种常见实现称为格栅编码。在经典的Ungerboeck类型格栅编码中，将信号星座分成相同大小的子集或陪集(coset)。 ECC编码器用于对一些消息数据进行编码，产生陪集选择的序列。其他消息数据用于在ECC编码器确定的陪集中挑选元素。该其他数据有时称为未编码信息，因为它们未由ECC编码器进行编码。 图8是调制器800的框图，其根据实施例利用ECC编码器814来将比特映射到M-PAM信号块。调制器800接收提供给解复用模块810的K+m个比特。类型映射器812与格栅编码器814进行组合，陪集元素由类型映射器输出来选择。在该情形下，"未编码"比特由类型映射器812进行编码，如图8中所示，其示出了编码器以每符号(k+m) /n个比特的速率进行操作。 在将类型映射到PAM的前面描述中，将M-PAM星座分成两个集合，每个大小为M/2。这两个集合是正数点{+1， +3， ... ， +(M-1)}(这些还表示幅度)，以及负数点{-1， -3， ， -(M-l)}。
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ECC，例如二进制巻积码(BCC)，可用于选择每个符号的集合(S卩，正负号)，从而得 到如图8示出的格栅编码结构。然而，该部分将不如Ungerboeck 2路划分那样有用
MPAMq = {+1，-3，+5，-7， ...} = {i | i = 4 j+1}
MPAMi = {-1，+3，-5，+7， ...} = {i | i = 4 j_l} 采用该划分，具有良好汉明(Hamming)距离的BCC，结合类型映射器，将生成具有 类型映射的编码器益处的信号(诸如成形、速率分辨率、非2的幂的星座)，以及BCC的稳 健的纠错能力。 在2路划分的M-PAM实例中，每个陪集具有相同大小，并且可以将每个陪集的幅度 设置为1-1的对应。该可以转换成使成形最大化的最优方案，同时提供稳健的错误控制，说 明了类型映射和格栅编码是如何完全互补的。 基于WiMedia的UWB系统结合正交频分复用(OFDM)使用BCC来提供可靠的通 信。将发送的信号定义成使得在FFT中有128个频率段(bin)。在这些中，100个音频带 (tone)用于携带信息，12个用于导频信息，10个作为保护音频带，6个为不携带信息的空 音频带。在FFT之后，对于OF匿符号在传输之前采用37个零采样进行填充。OF匿符号时 长为312. 5ns，表示单个OF匿符号占据的带宽是528MHz。基于WiMedia的UWB系统以各 种不同的载波频率进行操作。这些系统另外还可在分组传输过程中根据时间频率码(TFC) 在多个载波频率之间"跳跃"。底层的BCC是速率为1/3的母码，其在不同程度上进行删除 (puncturing)，并在6个OFDM符号上进行交织，来生成从53. 3Mbps到480Mbps的数据速率。
图9是根据实施例实现的基线WiMedia UWB系统900的示意图。在一个实施例中， 类型映射器可在基于WiMedia的UWB系统900的结构中进行使用。 在示出的实例中，数据通过扰码器910，该扰码器910将二进制信息"白化"，使得 0和1具有相同的概率以及对FEC的输入看起来是随机的。然后，数据使用Reed-Solomon 外部码(RS编码器)912进行编码，然后根据RS交织器914中定义的结构进行交织。然 后，由分路器916对交织器914的输出进行处理，其中该分路器916将一些数据发送给BCC 918("编码"数据)，将剩余的发送给奇偶生成模块924，然后再到类型映射器926("成形" 数据)。奇偶生成模块924将单个奇偶比特添加到来自成形数据的每组(k-1)个比特，生成 到类型映射器926的k比特的输入，从而生成n个符号的输出。类型映射器926的输出发 送给音频带交织器928，后者对符号在OFDM符号上进行安排。编码数据由BCC 918进行编 码并根据LSB交织器920定义的模式进行交织。两个交织器920、928的输出都由PAM调制 模块922进行处理，生成PAM符号流。将PAM符号的对映射到QAM星座点930。 QAM星座点 根据基于速率的调整功能932来进行调整(scale)，生成具有正确平均功率的星座点。星座 点由FFT 934进行处理，由零填充模块936进行填充，然后传递到无线电模块938，该无线电 模块938根据优化的TFC在一个或多个载波频率上发送数据。 存在许多参数和系统设计问题，对它们进行联合考虑来构建高性能、计算上经济 以及稳健的通信系统，例如OF匿数据音频带选择、类型映射器参数、PAM调制、基于速率的 调整、RS编码器参数、RS交织器设计、分路器、奇偶添加、音频带交织器、优化TFC以及LSB 交织器。 根据实施例可以将OF匿数据音频带选择考虑为用于提高系统数据吞吐量的参 数。在实现中，基于WiMedia的系统中的"保护音频带"可用作另外的数据音频带。采用该方式，总的数据音频带数可以从100增加的110。 根据实施例，可以将类型映射器参数考虑为系统设计参数。在该实现中，类型映射 器的字母表包括3个元素，A二 {1，3，5}。这些是6-PAM星座的"幅度"。将块长度选择成n =16。对于每个块，产生153个不同的类型以及316(约四千三百万)唯一的消息。这些类 型根据平均功率进行排序，来提供最大成形增益。 根据实施例，可以将PAM调制考虑为系统设计参数。所使用的PAM调制与类型映 射器参数密切关联。在该实施例中，类型映射器输出是6-PAM星座的幅度。BCC编码器输出 用于根据前面描述的Ungerboeck 2路集合划分来对这些幅度的"符号"进行调制。
根据实施例，可以将基于速率的调整考虑为系统设计参数。对类型映射器进行优 化来使用最小平均功率，并因此有益地比外部的星座点更频繁地使用最内部的星座点。因 此，可以要求基于速率的调整模块来确保来自发射机的平均功率处于需要的水平。对于类 型映射器的每个速率k，有相对应的调整因子来确保平均功率是相同的，就如同采用相同的 频率来使用所有星座点那样。 根据实施例，可以将RS编码器参数考虑为系统设计参数。扩展的Reed-Solomon 外部码是提供额外的系统健壮性的有力方法。灵活的设计使系统能够在GF(256)上选择 8 (256， 240)、或12 (256， 232)、或16 (256， 224)纠错码，从而允许纠错能力和系统吞吐量之 间的进行折衷。 根据实施例，可以将RS交织器设计考虑为系统设计参数。使用块交织器试图在交 织器深度内在所有码字上均匀地分布错误，从而使错误概率最小化。为了辅助系统延迟适 应于基于WiMedia的UWB系统的框架，可以将交织器深度设置为例如2个码字。
根据实施例，可以将分路器考虑为系统设计参数。分路器算法的目的是将数据分 配给类型映射器和BCC编码器二者，其方式使得在编码以后，两个并行路径之间的数据量 对应于相同数量的调制后的星座点。数据在该两个路径之间的平衡是重要的，因为其将使 用的填充数据的量最小化并帮助将系统吞吐量最大化。根据实施例，可由分裂算法来考虑 若干约束中的一个或多个。在实现中，分路器"即时地"将数据在两个路径之间进行划分， 而不需要存储器。因为在类型映射器中有大量的速率灵活性以及对于BCC有许多删除的可 能性，分路器能够支持两个数据路径之间任意的数据比。逆组合算法(即，从两个数据路径 重建出单个数据流的分路器的逆操作)与在接收机数据路径上紧随其后的Reed Solomon 解交织器和解码器具有大量的交互。分路器和组合器操作的方式为不破坏RS解交织器的 属性。 本申请中的BCCRate包括进行删除后BCC的速率，typeM即Rate包括消息比特的
数量除以类型映射器块长度。图io是示出了根据实施例实现的分裂算法的处理的流程
图1000。先调用分裂算法(步骤1002)，然后可将fractionBCC变量设置为BCCRate除以 BCCRate与类型映射速率(typeMapRate)的和得到的商(步骤1004)。然后可将clocklnc 变量设置为fractionBCC值的乘法逆元(multiplicative inverse)(步骤1006)。然后将 clocksLeft变量初始化为零(步骤1008)。然后可由分裂算法接收数据单元(步骤1010)， 并可以进行估计来确定clocksLeft值是否小于l(步骤1012)。在clocksLeft值不小于 1的情况下，可将数据单元发送给MSB路径(步骤1014)，可将clocksLeft值递减(步骤 1016)。然后可以进行估计，来确定另一数据单元是否可用以便进行处理(步骤1022)。
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再返回步骤1012，在clocksLeft值小于1的情形下，可将数据单元在可选数据路 径上进行发送，例如本实例中的LSB路径(步骤1018)。然后可将clocksLeft值递增(步 骤1020)，并根据步骤1022，进行估计来确定另一数据单元是否可用以便进行处理。在还有 另一数据单元需进行处理的情形下，分裂算法可根据步骤1010来接收数据单元。或者，如 果没有数据单元要进行处理，则分裂算法周期可以结束(步骤1024)。 所描述的实现处理了所有的约束并可以处理BCC和typeM即数据路径之间任意比 例的数据。由于将每个数据单元以流的方式传输给分路器，对数据单元发送到哪个路径进 行确定。可以不要求缓冲操作，因为操作是按照"每个数据单元"为基础进行的。数据单元 的比特宽度是任意的。其可以是比特、半字节(nibble)、字节或者任何其他的比特宽度。为 了处理第三个约束并优化系统性能，可将数据单元的宽度进行约束(tie)或者以其他方式 与Reed-Solomon交织器的深度进行关联。例如，如果RS交织器的深度为W个码字，并对字 节进行操作(即GF(256))，则选择分路器来对W字节的数据单元进行操作。在该分路器实 施例中，w = 2。该结构确保打破BCC路径或ty印M即路径上的W字节错误的突发，并在解 码以前将其解交织成为W个单独的RS码字。这改进了 RS解码器的性能并确保了 RS解交 织器将W字节错误的突发打破，并针对所有的分裂比得以保留。 可以附加地将奇偶比特添加到每个类型映射的数据块。将单个比特添加到每个块 以确保整个块的奇偶性要么是偶数，要么是奇数。这稍微减少了系统的吞吐量，但允许接收 机识别错误地具有奇数个比特的块。采用该方式，接收机能够使用RS解码器的删除解码能 力，并在最好的情形下使解码器可以纠正的错误数倍增。 PAM幅度可以与LSB解码器的输出根据与它们从类型映射器输出相同的顺序进行 组合。然后将生成的PAM符号映射到QAM星座点并随后使用OF匿进行调制。采用该方式， 将PAM幅度以成对的方式在频率子载波上进行了映射。即，n个PAM幅度的块中的每个块 在n/2个子载波上进行扩频(spread)。在纯高斯信道中，没有任何单个子载波支配着性能， 因为每个表现出相同的SNR并从而具有相同的符号-错误概率。然而，在无线通信系统中， 频率选择性衰落是常见现象。在这种信道中，不同子载波之间的SNR可以差异很大。例如， 假如有个子载波具有非常差的SNR并产生解码错误。在前面的映射中，该子载波将在每个 0FDM符号中产生解码错误。在实施例中，该问题通过在类型映射器之后增加交织器来解决， 其中类型映射器的输出将与LSB交织器进行结合来生成PAM符号。将交织器的模式选择成 使得来自类型映射器的单组PAM幅度受单个子载波影响。在WiMedia跳频模式下要注意， 其中信号根据特定的TFC在3个信道上进行扩频。在跳频模式下，交织器确保每组PAM幅 度受单个信道上的单个子载波影响。例如，在3个频带跳频TFC中(其中信号在3个信道 上扩频)以及采用typeM即块长度为n = 16， 24个0F匿符号的交织器深度确保每个块仅 受3个信道中的1个信道的1个子载波影响。虽然这是有可能的，但这会在编码和解码路 径上增加很大的缓冲需求，这将增加实现成本和功耗。这还增加了延迟。这些影响都是所 不希望的。 根据实施例，当使用下述的"优化的TFC"时，将交织器深度减少到8个0F匿符号。 结合优化的TFC，该交织器保持了每个typeMap的块仅受来自单个信道的单个子载波影响 的属性。 在对超宽带(UWB)系统的应用中，频率跳频模式允许发射机发送更多的功率，而不违反各国规定范围中的功率限制。然而，如前面所述，现有的WiMedia规范的跳频模式在 结合需要的音频带交织器来使用时，将产生大的交织器深度，其增加了编码/解码延迟和 功耗。因此，根据实施例实现了新的跳频模式。 将本实施例的跳频模式应用到分组的净荷部分。PHY前同步码和分组的报头部分
仍采用标准WiMedia跳频模式中的一种来发送。这对于不支持本实施例的TFC跳频模式的
WiMedia设备具有向后兼容的支持。TFC跳频模式由下面的序列来定义 1.在信道0上发送n/2个0F匿符号，然后 2.在信道1上发送n/2个0F匿符号，然后 3.在信道2上发送n/2个0F匿符号 4.从步骤1进行重复直到净荷末尾为止。 该跳频模式将PAM幅度的交织块保持在3个子带中的一个上。在应用到WiMedia 无线通信规范的实施例中，前面定义中n的值为16。因此，跳频模式在该情形下为24个 OFDM符号长，这支持音频带交织器深度为8个OFDM符号。 本实施例的BCC比特交织模式仅使用WiMedia交织模式的最后两个阶段，而没有 第一阶段。第一阶段是符号交织，其将比特在6个连续的0F匿上进行置换，以利用带上的 频率分集。第二阶段是OFmi符号间音频带交织器，其提供了针对窄带干扰的健壮性。第三 阶段是OFDM符号间循环移位器，其支持更好地使用频率分集。仅使用后2个阶段显著地减 少了实施例的解码延迟，而不影响性能。 图10的流程图示出了串行的过程，以助于理解公开的实施例，但并不必然表示操
作是串行执行的。在各个实施例中，图io中描述的处理步骤可以以各种顺序来执行，并且
所描述步骤中的一个或多个步骤可以与其他步骤并行执行。另外，可以排除图10中一些处 理步骤的执行，而不背离本申请公开的实施例。说明性的框图和流程图描述了过程步骤或 模块，其可以表示模块、段或者代码的一部分，其包括一个或多个可执行指令，用于实现过 程中特定逻辑功能或步骤。虽然特定的实例示出了特定处理步骤或过程，许多可选的实现 是可能的，并可以通过简单的设计选项来实现。基于如功能、目的、符合标准、现有结构、用 户界面设计等考虑， 一些过程步骤可以以与本申请特定描述不同的顺序来执行。
本发明的各个方面可以在软件、硬件、固件或其组合中实现。系统的各个元素，不 管是单独的还是组合的，可以实现为计算机程序产品，其以可感知的的方式包含在计算机 可读存储设备中，由处理单元来执行。本发明实施例的各个步骤可以由计算机处理器来执 行，该计算机处理器执行以可感知的方式包含在计算机可读介质中的程序，通过对输入进 行操作而生成输出来执行功能。举例来说，计算机可读介质可以是存储器、可传输介质 (例如紧致盘、软盘或软磁盘)，使得实现本发明各个方面的计算机程序可被加载到计算机 中。计算机程序不局限于任何特定实施例，并可以例如实现在操作系统、应用程序、前台或 后台进程、驱动程序、网络栈或其任意组合中，并在单个计算机处理器或多个计算机处理器 上执行。另外，本发明实施例的各个步骤可以提供在计算机可读介质(例如存储器)上生 成、产生、接收到或者以其他方式实现的一个或多个数据结构。 尽管已经详细描述了本公开的实施例，本领域技术人员将理解他们可以对本发明 进行各种变化、替代或修改，而不背离本公开的精神和范围。
1权利要求
一种对数字信息进行编码和解码的方法，包括下列步骤根据类型在字母表上将向量划分成子集，其中，多个类型中的每一个分别指定用于该相应类型的所述字母表的符号计数；基于所述划分的结果来确定信号组的类型；以及将整数按照词典方式映射到给定类型的向量。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述数字信息是通过无线网络提供的，所述无线 网络在基于WiMedia的OFDM系统中使用保护音频带来增加系统吞吐量。
3. 根据权利要求1所述的方法，还包括提供Reed-Solomon编码器，用于平衡纠错能力与吞吐量。
4. 根据权利要求1所述的方法，还包括 提供分路器架构，用于允许多个数据路径之间任意的数据比。
5. 根据权利要求4所述的方法，还包括 利用外部码交织器；以及对所述分路器的数据单元宽度进行优化，以保持所述外部码交织器的属性。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述数字信息是在多种类型的映射的数据块中 提供的，所述方法还包括将奇偶性添加到每种类型的映射的数据块以提高系统健壮性。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述数字信息是在多种类型的映射的数据块中 提供的，所述方法还包括提供音频带交织器设计，所述音频带交织器设计将类型映射块映射到单个信道的单个 数据音频带上。
8. —种计算机可读介质，其具有由处理系统执行的计算机可执行指令，所述计算机可 执行指令用于对数字信息进行编码和解码，所述计算机可执行指令包括用于根据类型在字母表上将向量划分成子集的指令，其中，多个类型中的每一个分别 指定用于该相应类型的所述字母表的符号计数；用于基于所述划分的结果来确定信号组的类型的指令；以及 用于将整数按照词典方式映射到给定类型的向量的指令。
9. 根据权利要求8所述的计算机可读介质，其中，所述数字信息是通过无线网络提供 的，所述无线网络在基于WiMedia的OFDM系统中使用保护音频带来增加系统吞吐量。
10. 根据权利要求8所述的计算机可读介质，还包括将Reed-Solomon编码器用于平 衡纠错能力与吞吐量的指令。
11. 根据权利要求8所述的计算机可读介质，还包括用于提供分路器架构来允许多个 数据路径之间任意的数据比的指令。
12. 根据权利要求11所述的计算机可读介质，还包括 用于利用外部码交织器的指令；以及用于对所述分路器的数据单元宽度进行优化以保持所述外部码交织器的属性的指令。
13. 根据权利要求8所述的计算机可读介质，其中，所述数字信息是在多种类型的映射 的数据块中提供的，所述计算机可读介质还包括用于将奇偶性添加到每种类型的映射的数 据块以提高系统健壮性的指令。
14. 根据权利要求8所述的计算机可读介质，其中，所述数字信息是在多种类型的映射 的数据块中提供的，所述计算机可读介质还包括用于提供音频带交织器设计的指令，所述 音频带交织器设计将类型映射块映射到单个信道的单个数据音频带上。
15. —种用于对无线网络上的数字信息进行编码的发射机，包括 用于根据类型在字母表上将向量划分成子集的模块，其中，多个类型中的每一个分别指定用于该相应类型的所述字母表的每个字符的计数；用于基于所述划分的结果来确定信号组的类型的模块；以及 用于将符号按照词典方式映射到给定类型的向量的模块。
16. —种用于对无线网络上提供的数字信息进行解码的接收机，包括 用于根据类型在字母表上将向量合并为子集的模块；以及 用于将整数解映射到给定类型的向量的模块。
全文摘要
提供了对信道上的数字信息进行编码和解码的系统、方法和计算机可读介质。对类型映射进行利用，并且类型映射基于在字母表上将向量划分成“类型”并使用枚举来进行编码和解码过程。类型映射允许任意大小的信号字母表以及数据率灵活的编码。提供了最优速率与信噪比之间的折衷，并且作为可在通信产品中利用的前向错误控制的补充来工作。
文档编号H04J11/00GK101785222SQ200880014701
公开日2010年7月21日 申请日期2008年5月2日 优先权日2007年5月4日
发明者B·C·约瑟夫, C·黑加德, S·N·艾哈迈德 申请人:高通股份有限公司