專利名稱：在多輸入、多輸出通信系統(tǒng)中對多數(shù)據(jù)流進行編碼的方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及多輸入、多輸出通信系統(tǒng)，尤其涉及經由多發(fā)射天線來發(fā)送多數(shù)據(jù)流的系統(tǒng)。
背景技術：
多輸入、多輸出(MIMO)無線通信系統(tǒng)，也就是在發(fā)射機和接收機都具有多天線的系統(tǒng)，其容量可以隨著天線的數(shù)量而呈線性增長，這在1998年3月的《無線個人通信》(Wireless Personal Commun.)第6卷第315頁-第335頁中G.J.Foschini和M.J.Gans所著的為“在衰落環(huán)境中使用多天線時無線通信的限制”(On the limits of wirelesscommunications in a fading environment when using multipleantennas)的文章中，以及在1999年11月至12月的《歐洲電信事務》(European Transactions on Telecommunications)第10卷第585頁-第595頁中Telatar所著的標題為“多天線高斯信道的容量”(Capacityof multi-antenna Gaussian channels)等文章中都有所描述。
決定MIMO系統(tǒng)性能的一個重要因素是用來對數(shù)據(jù)進行編碼的糾錯碼。對于單輸入、單輸出(SISO)系統(tǒng)來說，達到接近容量糾錯碼是公知的，例如低密度奇偶校驗碼(LDPC)，這在R.G.Gallager編寫的、1963年Cambridge，MA，MIT出版社的“Low-DensityParity-Check Codes”書中，在1999年3月的IEEE Trans.Inform.Theory的第45卷第399頁-第431頁中D.J.C.MacKay所著的“基于極稀疏矩陣的有效糾錯碼”(Good error-correcting codes based onvery spare matrices)的文章中，以及在2001年11月的IEEE Trans.Inform.Theory的第47卷2711頁-2736第頁中Y.Kou，S.Lin和M.P.C.Fossorier的“基于有限幾何學的低密度奇偶校驗碼重新發(fā)現(xiàn)和新的結果”(Low-density parity-check codes based on finite geometriesa rediscovery and new results)的文章中都有所描述。這些類型的接近容量糾錯碼由于其固有的可平行性而非常適合在集成電路中使用。
非常接近于眾所周知的香農(Shannon)極限的不規(guī)則碼也是公知的，這在2001年2月的IEEE Commun.Lett.的第5卷第58頁-第60頁中S.Y.Chung、G.D.Forney Jr.、T.J.Richardson和R.Urbanke所著的“在香農(Shannon)極限的0.0045dB內的低密度奇偶校驗碼的設計”(On the design of low-density parity-check codes within0.0045dB of the Shannon limit)的文章中，在2001年2月出版的IEEE Trans.Inform.Theory的第47卷第619頁-第637頁中T.J.Richardson、M.A.Shokrollahi和R.L.Urbanke的“容量到達不規(guī)則低密度奇偶校驗碼的設計”(Design of capacity-approachingirregular low-density parity-check codes)的文章中，以及在2001年2月的IEEE Trans.Inform.Theory的第47卷第585頁-第598頁中M.G.Luby、M.Mitzenmacher、M.A.Shokrollahi和D.A.Spielman的“使用不規(guī)則圖表的改進型低密度奇偶校驗碼”(Improvedlow-density parity-check codes using irregular graphs)的文章中都有所描述。
MIMO系統(tǒng)中有關直接迭代解碼的問題是從接收的信號矢量中提取后驗概率比特，所述接收的信號矢量是發(fā)送的所有信號的疊加。推導后驗概率需要對所有可能的信號組合進行窮盡的查找。
對于采用64位正交幅度調制(QAM)的4×4MIMO系統(tǒng)來說，可能的組合數(shù)是644個，這個數(shù)量是不可能進行實時查找的。列表譯碼法可以極大地降低復雜性。但是，這需要一個龐大的列表來達到可接受的高階調制系統(tǒng)的性能。
可以使用分層時空結構，例如使用V-BLAST的系統(tǒng)，這在1996年8月的Bell Labs Technical Journal的第41頁-第59頁中G.J.Foschini的“在使用多元天線的衰落環(huán)境下無線通信的分層時空結構”(Layered space-time architecture for wireless communication in afading environment when using multi-element antennas)的文章里有所描述。在那篇文章中，每個天線都用于獨立發(fā)送編碼數(shù)據(jù)流(多個層)。可以通過線性處理成空未解碼層(null undecoded layer)以及判決反饋來對所述數(shù)據(jù)流進行有效的解碼，以消除前面解碼層的干擾。問題是會存在誤差傳播。
被解碼的第一層通常具有低信噪比(SNR)，這是由于根據(jù)強制歸零(zero-forcing)或最小均方誤差(MMSE)準則置零(nulling)的信號功率損耗。通過減去錯誤解碼層的重建信號來消除干擾只會增加干擾，使得對后續(xù)層進行成功的解碼的可能性減少。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種對無線信號進行編碼和解碼的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)使用在連續(xù)層之間具有相關性的時空傳輸?shù)姆謱咏Y構。
我們從后來要進行編碼的多個層中提取信息來改善當前層的檢測性能，而不是將輸入數(shù)據(jù)分路分解成單個數(shù)據(jù)流并對每個數(shù)據(jù)流獨立進行編碼，這樣減少了判決反饋干擾消除檢測器中的誤差傳播。
一種對多輸入、多輸出通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流進行編碼的方法。在發(fā)射機中，將輸入比特流編碼成在多個層中的碼字b。對每個層都進行調制。
將準分塊對角、低密度奇偶校驗碼應用到各個層上，所述準分塊對角、低密度奇偶校驗碼是矩陣H，矩陣H包括對于每個子碼的一行分塊和對于每個層的一行分塊，以使得對于任何有效的碼字，Hb＝0。
然后將各個層轉發(fā)給發(fā)射天線，作為發(fā)送信號x。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的多輸入、多輸出無線通信系統(tǒng)的框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的準分塊對角LDPC時空碼結構的框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的解碼器的框圖；以及圖4是本發(fā)明所用的Tanner圖的框圖。
具體實施例方式
系統(tǒng)結構發(fā)射機圖1表示使用二進制、準分塊對角、低密度奇偶校驗碼(QBD-LDPC)的奇偶校驗矩陣結構200的多輸入、多輸出(MIMO)系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括發(fā)射機101和接收機102。發(fā)射機101包括4個(Nt)發(fā)射天線110，接收機有4個(Nr)接收天線120。
發(fā)射機包括編碼器130。編碼器從輸入比特流10中在多個層11中中產生碼字b。將每個層傳送給相應的調制器140。這里給每個編碼層一個調制器140。在該例中，調制是根據(jù)64QAM進行的。
將矩陣H200形式的準分塊對角、低密度奇偶校驗碼應用到每個層。矩陣H200的結構將在后面參照圖2進行詳細的描述。
在應用了矩陣H200后，可以使每個層通過反向快速傅立葉變換(IFFT)160，對每個層都有一個變換。然后，將各個層轉發(fā)給發(fā)射天線110以形成發(fā)送信號x。要注意的是，與每個層相對應的輸出信號都被進行了置換，以便經由不同的發(fā)射天線來發(fā)送層的不同部分。所述置換是為了保證所有層平均來說都具有相似的信道條件。要理解的是，上面建議的結構并不只局限于OFDM系統(tǒng)。
信道通過信道103將信號x發(fā)送給Nr個接收機天線120。在信道中，發(fā)送信號經歷白高斯噪聲。
接收機在接收機102中，對接收信號y的每個層都應用FFT 170，然后應用矩陣H 200。然后對信號進行解碼300，產生與輸入比特流相對應的輸出比特流20。
準分塊對角、低密度奇偶校驗碼(QBD-LDPC)圖2表示根據(jù)本發(fā)明的準分塊對角LDPC時空碼結構200。在圖2中，行表示4個子碼1-4，列表示4個相應的層1-4。
整個矩陣200表示為H，并且任何有效的二進制碼字b都滿足下面的方程式Hb＝0每個層的碼字b都具有相同的長度。但是，不同層的碼字的碼率是不一樣的。這意味著信息比特的數(shù)量是不同的。所述碼率根據(jù)各個層的檢測順序而增長，因為在置零后，檢測的第一層與后來檢測的層相比具有最差的信道質量。
沿著矩陣H 200的主對角線201的分塊表示與每個層對應的校驗矩陣Hi。沿著主對角線201下面的對角線202的分塊表示連接矩陣Ci。連接矩陣Ci鏈接兩個連續(xù)層層i和層i+1，作為層的子碼間的信息交換。對于所有其它分塊，連接矩陣Ci都是碼字。
在實際應用中，矩陣H 200可以作為Tanner圖來實施，其具有如下所述的節(jié)點和消息傳遞。所述Tanner圖是眾所周知的，盡管Tanner圖還未用于根據(jù)本發(fā)明的二進制、準分塊對角、低密度奇偶校驗碼。
按照從第一層1到最后一層4的順序對各個層進行解碼，并且在檢測級i，下一層i+1也根據(jù)連接矩陣Ci對前一層i的解碼起作用。
具有更高的度(degree)的比特或變量節(jié)點趨向于會聚(converge)得更快，這是公知的，這在2001年2月的IEEE Trans.Inform.Theory的第47卷第657頁-第670頁中Chung等人的“對使用高斯近似法的低密度奇偶校驗碼的和積解碼分析”(Analysis of sum-productdecoding of low-density parity-check codes using a Gaussianapproximation)的文章中有所描述。這還促進了不規(guī)則LDPC的設計，因為較快會聚的比特使得更容易對剩余比特進行解碼。
這就促使我們使用本發(fā)明的連接矩陣Ci。這些矩陣可看成是向在層i中的比特增加度，以便更好地保護這些比特。換句話說，當對層i進行解碼時，矩陣Hi、Hi+1和Ci形成一個較小的子碼，其中在當前級只對具有較高度的與矩陣Hi相關的比特進行解碼。隨后再對層i+1進行解碼，這樣在消除了來自層i中的干擾后具有更好的信號質量，并且具有更多的保護，因為層i+2也對解碼起作用。
編碼在發(fā)射機101中，在130對輸入比特流10進行編碼。每個層的每個碼字的長度是n。層i的奇偶校驗比特的數(shù)量是ri。輸入信息比特的(n-ri)×1矢量表示為ui。第一層的編碼是直接的。
通過執(zhí)行高斯消除法，我們得到W1H1＝(P1I1)，其中矩陣W1是對矩陣H1執(zhí)行高斯消除后的r1×r1階的滿秩矩陣，矩陣P1是r1×(n-r1)階的矩陣，矩陣I1是r1×r1階的單位矩陣。這種結構對應于碼是系統(tǒng)的事實。然后，通過下面的方程式來形成層1的碼字b1=(P1u1)Tu1TT]]>對于層i(i＞1)來說，通過執(zhí)行高斯消除，我們得到WiHi＝(PiIi)，并且通過下面的方程式來形成層i的碼字bi=(Piui+WiCi-1bi-1)TuiT]]>其中矩陣Wi是ri×ri階的矩陣。
在采用非碼字連接矩陣Ci-1編碼的過程中，層i-1的部分信息被注入到下一個層i的碼字中。
解碼圖3表示解碼器300的詳細內容。在接收機102中，通過信道103接收的信號y 301是所有經過信道失真的發(fā)送信號的疊加y＝Gx+n，其中y是一個Nr×1階的接收信號矢量，x是一個Nt×1階的發(fā)送信號矢量，矩陣G是一個Nr×Nt階的考慮了置換的等效信道響應矩陣，n是Nr×1階的具有每維方差為N0/2的碼字均值白高斯信道噪聲矢量。
為了簡單起見，我們在下面的總結中沒有明確指定副載波或時間索引，其中發(fā)射和接收天線的數(shù)量分別是Nt和Nr。在不喪失普遍性的前提下，我們假設矢量x的第i個元素(表示為xi)是第i層的信號，所述第i層與矩陣G的第i列(表示為矢量gi)相對應。
假設我們現(xiàn)在對層i進行解碼。要注意的是，層i的解碼器和層i+1的解碼器都是活動的。
線性處理所述解碼使用根據(jù)下面的方程式的線性處理zj=wjHy,j=i,i+1,]]>其中根據(jù)置零310來確定Nr×1階單位范數(shù)(unit-norm)加權矢量wj，并且該矢量置零未解碼層的信號，所述置零310也就是根據(jù)強制歸零或MMSE準則的置零。
干擾消除根據(jù)下面的方程式來執(zhí)行干擾消除320z~j=zj-Σi<jwjHgix^i,j=i,i+1,]]>其中 是用于判決反饋302的解碼層的重建信號303。
在線性處理和干擾消除后，各個層在各級被解碼340成一維碼。
按照下式定義對數(shù)似然比(LLR)L(b)=Δln(p(b=1)p(b=0)),]]>其中p表示碼字b的概率。
則，來自解調器330的軟信息，也就是假設的碼字是Lzb(bk)=lnΣb:bk=1p(z|b)eΣi∈VkLbz(bi)Σb:bk=0p(z|b)eΣi∈VkLbz(bi),j=i,i+1,]]>
其中b是映射到接收信號xj，Vk＝{l|l≠k and xi＝1}的碼字，并且p(z|b)=1πN0e-1N0|z~j-wjHgj-xj|2,j=i,i+1,]]>用于強制歸零置零。
然后將來自解調器330的軟輸出發(fā)送給和積解碼器340。
Tanner圖如圖4所示，準分塊對角、低密度奇偶校驗碼，也就是矩陣H 200可以表示成Tanner圖400的形式，其包括碼字或變量節(jié)點bk402、校驗節(jié)點ck401和觀察節(jié)點403。每個碼字節(jié)點處的更新消息304是Lbc(bk,ci)=Lzb(bk)+Σcj∈Ω(bk)cj≠ciLcb(bk,cj),]]>其中Ω(bk)表示是每個碼字bk節(jié)點的相鄰節(jié)點的一組節(jié)點。每個校驗節(jié)點處的更新消息是Lcb(bk,ci)=L(Σbj∈Ω(ci)\bkbj),]]>例如，這可以通過任意節(jié)點a和b之間的前向-后向處理來有效地實現(xiàn)，如下所示L(a+b)=lneL(a)+eL(b)l+eL(a)+L(b),]]>或者通過2001年11月的《GLOBECOM2001》中第2卷第25頁-第29頁中Hu等人的“用于對LDPC碼進行解碼的和積算法的有效實現(xiàn)”(Efficient implementations of the sum-product algorithm fordecoding LDPC codes)的文章中所描述處理來實施。
要注意的是，消息傳遞304是在層i和層i+1之間進行的，同樣也在每個層內進行。
然后，傳送給軟解調器作為先驗信息的消息是Lbz(bk)=Σcj∈Ω(bk)Lcb(bk,cj)]]>
用于假設性判決303的LLR是LLR(bk)=Lzb(bk)+Σcj∈Ω(bk)Lcb(bk,cj)=Lzb(bk)+Lbz(bk)]]>盡管已經通過優(yōu)選實施例來描述本發(fā)明，但是要理解的是，在本發(fā)明的精神的范圍內可以作出各種其它的調整和修改。所以，附加的權利要求的目的就在于覆蓋在本發(fā)明的精神和范圍內提出的所有這樣的變換和修改。
權利要求
1.一種用于對多輸入、多輸出通信系統(tǒng)中的多數(shù)據(jù)流進行編碼的方法，包括在發(fā)射機中將輸入比特流編碼成在多個層中的碼字b；對每個層進行調制；對每個層應用準分塊對角、低密度奇偶校驗碼，所述準分塊對角、奇偶校驗碼是矩陣H，所述矩陣H包括對于每個子碼的一行分塊和對于每個層的一行分塊，以使得對于任何有效的碼字，Hb＝0；以及將所述多個層轉發(fā)到多個發(fā)射天線，作為發(fā)送信號x。
2.如權利要求1所述的方法，其中每個層的碼字b具有相同的長度，并且對于不同層，碼字的碼率是不一樣的，其中每層的每個碼字b的長度是n，層i的奇偶校驗比特的數(shù)量是ri。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述碼率根據(jù)在接收機中各個層的檢測順序而增長。
4.如權利要求1所述的方法，其中沿著所述矩陣H的主對角線的分塊表示與各層對應的校驗矩陣Hi，其中沿著主對角線下面的對角線的分塊表示連接矩陣Ci，所述連接矩陣Ci鏈接兩個連續(xù)層層i和層i+1，作為層的子碼之間的信息交換，其中所有其它分塊都表示為零的連接矩陣Ci。
5.如權利要求4所述的方法，其中按照從第一層到最后一層的順序在接收機中對所述層進行解碼，并且在檢測級i，下一層i+1也根據(jù)所述連接校驗矩陣Ci對上一層i的解碼起作用。
6.如權利要求1所述的方法，還包括接收所述多個層作為接收信號y；對每個層應用準分塊對角、低密度奇偶校驗碼；以及對每個層進行解碼以產生與所述輸入比特流相對應的輸出比特流。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述接收信號y是y＝Gx+n，其中所述接收信號y是一個Nr×1階的矢量，其中Nr是接收天線的數(shù)量，矩陣G是一個Nr×Nt階的等效信道響應矩陣，其中Nt是發(fā)射天線的數(shù)量，n是Nr×1階的具有每維的方差為N0/2的零均值的白高斯信道噪聲矢量，其中表示為xi的矢量x的第i個元素，是與第i層相對應的接收信號，所述第i層與表示為矢量gi的矩陣G的第i列相對應，其中根據(jù)下式利用線性處理來進行解碼zj=wjHy,j=i,i+1,]]>其中Nr×1階單位范數(shù)加權矢量wj將未解碼層的信號置零。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述置零是由強制歸零來確定的。
9.如權利要求7所述的方法，其中所述置零是由最小均方誤差準則來確定的。
10.如權利要求7所述的方法，還包括根據(jù)下式來消除所述接收信號中的干擾z~j=zj-Σi<jwjHgix^i,j=i,i+1,]]>其中i是用于判決反饋的解碼層。
11.如權利要求7所述的方法，還包括按照下式定義對數(shù)似然比L(b)=Δln(p(b=1)p(b=0)),]]>其中p表示特定碼字b的概率，以及根據(jù)下式解調碼字bLzb(bk)=Σb:bk=1p(z|b)eΣt∈vkLbz(bi)Σb:bk=0p(z|b)eΣt∈vkLbz(bi),j=i,i=1,]]>其中b是映射到接收信號xj，Vk＝{l|l≠k且xi＝1}的碼字，并且p(z/b)=1πN0e-1N0|z~j-wjHgjxj|2,j=i,i+1,]]>用于置零。
12.如權利要求11所述的方法，還包括將所述準分塊對角、低密度奇偶校驗碼表示成Tanner圖的形式，所述Tanner圖包括碼字節(jié)點bk和校驗節(jié)點ck，其中在每個碼字節(jié)點bk處的更新消息是Lbc(bk,ci)=Lzb(bk)+Σcj∈Ω(bk)cj=ciLcb(bk,cj),]]>其中Ω(bk)表示與各碼字bk節(jié)點相鄰的一組節(jié)點，在每個校驗節(jié)點處的更新消息是Lcb(bk,ci)=L(Σbjbj∈Ω(ci)\bk).]]>
13.如權利要求12所述的方法，還包括將所述更新消息實現(xiàn)為和積解碼器。
14.如權利要求13所述的方法，其中所述和積解碼器使用如下的前向-后向處理L(a+b)=lneL(a)+eL(b)1+eL(a)+L(b).]]>
全文摘要
一種對多輸入、多輸出通信系統(tǒng)中的多數(shù)據(jù)流進行編碼的方法。在發(fā)射機中，在多個層中將輸入比特流編碼成碼字b。對每個層進行調制。對每個層應用準分塊對角、低密度奇偶校驗碼，所述準分塊對角、低密度奇偶校驗碼是矩陣H，矩陣H包括對于每個子碼的一行分塊和對于每個層的一行分塊，使得對于任何有效的碼字，Hb＝0。然后將多個層轉發(fā)給多個發(fā)射天線作為發(fā)送信號x。
文檔編號H04L1/00GK1778063SQ20058000022
公開日2006年5月24日 申請日期2005年5月25日 優(yōu)先權日2004年5月28日
發(fā)明者安德瑞斯·F·毛利茨, 顧大慶, 張錦云, 杜健烜(音譯), 李燁 申請人:三菱電機株式會社