用于多进多出系统的比特交织器 |
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| 申请号 | CN200580000075.9 | 申请日 | 2005-06-16 | 公开(公告)号 | CN1778048A | 公开(公告)日 | 2006-05-24 |
| 申请人 | 株式会社东芝; | 发明人 | 达林·P.·麦克纳马拉; | ||||
| 摘要 | 描述了一种用于多进多出(MIMO)发射的交织器，其用在发射机设备中用于产生一个用于发射到MIMO信道中的多天线输出。发射设备包括用于产生以第一配置发射的编码比特 块 的数据源，而且该交织器可操作来把比特改序成第二配置，并可操作来把改序后的数据传递到调制装置，调制装置把第二配置中的比特调制成用于发射的OFDM 帧 。交织装置包括映射装置，用于向描述第一配置中的比特 位置 的第一数值应用一个映射函数。映射装置可操作来产生用于描述第二位置中的比特位置的第二数值，第二数值和第一数值之间的关系基于第一数值和与数据块中的比特数互质的因数的乘积。还描述了一种专用于MIMO发射的交织数据的方法，以及接收机、这类接收机的去交织器和接收交织数据的方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.用于产生发射到信道中的多天线输出的发射机设备，所述设 备包括：数据源，用于产生用于以第一配置发射的编码比特块；交织 装置，用于把比特改序成第二配置；和调制装置，用于把所述第二配 置中的比特调制成用于发射的OFDM帧；交织装置包括映射装置，用 于向描述所述第一配置中的比特位置的第一数值应用一个映射函数， 所述映射装置可操作来产生用于描述所述第二位置中的所述比特位 置的第二数值，第二数值和所述第一数值之间的关系基于第一数值和 与所述数据块中的比特数互质的因数的乘积。 |
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| 说明书全文 | 技术领域本发明涉及一个多进多出(MIMO)通信系统。更确切地说，本 发明涉及一个用于多进多出通信系统的比特交织器(bit interleaver)。 背景技术采用前向纠错(FEC)码的通信系统的性能可以通过比特交织来 改善。比特交织包括创建一个编码比特流的排列(permutation)，因此 在信道上的发射过程中，彼此相邻的比特在离开编码器时被尽可能宽 地分隔(在不同的域中)。其动机是通信信道(特别是无线信道)上的差错 以猝发(burst)为单位而出现，并且如果差错分布在编码序列各处， 则FEC码的有效性可以被极大地提高。当被接收的数据流在进入FEC 解码器之前被去交织时，将发生(解码之前的)任何检测差错的分发。 在比特交织器的一个理论仿真中，比特交织器执行的交织操作往 往被设置为纯粹随机的编码序列排列，为每个被发射的块生成新的排 列。纯粹随机交织器的一个问题在于：虽然它平均起来在很多现实中 产生一个优良的排列，但是它有时也可能产生一个不良的排列，其中， 从编码器输出的许多连续比特在进行排列之后仍然彼此相邻(或接 近)。纯粹随机交织器的第二个问题在于：实际上不可能对随机交织的 信号进行去交织(de-interleave)，这是因为无法向接收机通知被应 用到比特流上的交织排列。 因此，交织器的操作实际上通常将由一个规定排列模式产生的数 学定义来管理。在IEEE标准802.11a中公开了由一种考虑到可预测去 交织的算法来管理其操作的交织器的一个例子。802.11a无线局域网 (LAN)标准规定了一种比特交织器，其向OFDM发射的子载波分配 比特，以使得连续比特被分配给OFDM发射的每第三个子载波，并分 配给具有交替可靠性的星座(constellation)比特位置。 在正交调幅(QAM)和相关的编码技术中，一个可用码元的星座被 定义，从而使得可靠性可以取决于使用中的码元而变化是可能的。图 3说明了一个众所周知的QAM星座(16QAM星座)的图形。在这个图形 中，点绘出了与它们的同相(I)和正交(Q)分量相关的码元。在这个星 座中存在16个码元，而且这些码元被映射到二进制数b0b1b2b3的 0000(二进制)和1111(二进制)之间的值。 在一般情况下，对于每个码元传送M比特的一个被表示为矢量 [b0，b1，…，bM-1]的星座来说，正被成功接收的比特的可靠性可以根据它 在该矢量内的位置而变化。每个比特位置的可靠性都取决于精确的比 特到码元的(bit-to-symbol)映射。可靠性取决于码元之间的欧几里 德距离(如图3的正交分量相对同相分量的图上所绘制的)和码元是否 表示具有公共值比特的比特向量。例如，某个被发射的码元在许多情 况下很可能被误检测为其中一个它最接近的码元。如果所有的邻近码 元在一个特定的比特位置中都表示相同的比特值，则这个比特位置将 比不同比特值的情况下更加可靠。 在图3说明的分配中，比特映射产生具有相等可靠性的b0和b2， 以及具有相等可靠性的b1和b3。区别b0＝0或b0＝1的过程是确定所接 收信号的同相分量为正还是为负。类似地，区别b2＝0或b2＝1的过程 是确定所接收信号的正交分量为正还为负。另一方面，确定b1或b3的 值的过程分别基于同相或正交分量的幅度。 因而，在相同比特位置中不断发射的信息可能导致那个特定信息 不断地缺乏可靠性。此外，把比特序列调换到具有相同可靠性级别的 比特位置的交织过程可能不如不进行调换的交织器运行得好。因而， 所希望的是提供一个能够调换将被发射的数据中的比特的交织过程， 从而可以改善这个问题。 不同结构的块去交织器的一个特征是需要在去交织发生之前缓 存等于交织块大小的数目的比特。必须被缓存的比特数影响解码等待 时间(latency)，因为当接收机等待被交织块中的所有比特都被接收 的时候，在解码中存在一个延迟。在802.11a标准中说明的交织器被设 计来最小化这个等待时间。为了达成这个目的，802.11a交织器被设计 成这么一个块大小，其大小等于在每个OFDM码元中被传送的编码比 特数。因为802.11a系统还考虑了自适应调制和编码，所以每个OFDM 码元的编码比特数随着所选星座的改变而变化。用于这类系统的交织 器定义因此必须能够应付这个变化的块大小，以及每个码元的变化的 比特数。 802.11a交织器需要每个OFDM码元的编码比特数NCBPS和每个 子载波的比特数NBPSC，并将它们作为输入参数。该标准引用如下： ″所有的编码数据比特都应该由一个块交织器来交织，块交织器 具有对应于单个OFDM码元中的比特数(NCBPS)的块大小。交织器由一 个两级(two-step)排列来定义。第一个排列确保相邻的编码比特被 映射到不相邻的子载波上。第二个排列确保相邻的编码比特被交替地 映射到星座的较低和较高有效(significant)比特上，并且从而避免 低可靠性(LSB)的比特的长期存在(long run)。″ ″在第一个排列之前，编码比特的标引(index)应该由k来表示； i应该是在第一个排列后和第二个排列前的标引；而j应该是第二个排 列之后而刚好在调制映射之前的标引。″ ″第一个排列由以下规则来定义： i＝(NCBPS/16)(kmod16)+floor(k/16) k＝0，1，…，NCBPS-1″ ″函数floor(.)表示不超过该参数的最大整数。″ ″第二个排列由以下规则来定义： j＝s×floor(i/s)+(i+NCBPS-floor(16×i/NCBPS))mods i＝0，1，…，BCBPS-1″ ″s的值由每个子载波的编码比特数(NBPSC)根据下式来确定： s＝max(NBPSC/2，1)。″ 交织器的精确定义(和当它们随后在信道上传送时的比特位置) 取决于这种方式，其中，比特随后被处理并分配给子载波或码元内的 比特位置。在802.11a的情况下，基于图1中示意说明的发射机如上所 述设计交织器。发射机10包括FEC编码器12，其把编码数据送到可以 根据上述算法来操作的交织器14。交织器14把交织比特流输出到比特 到码元(bit-to-symbol)映射器16，然后映射器16把码元输出到OFDM 调制器18，OFDM调制器18产生并输出OFDM码元到一个适当的天线 来进入信道。 在这个例子中，从FEC编码器输出的比特在NBPSC个块中被交织， 然后将NBPSC个连续比特群分配给单个码元的比特位置b0到BNBPSC-1， 这些码元最后跨越携带OFDM码元子载波的数据被依次分配。图2示 出了一个为使用16QAM调制的系统的单个OFDM码元所产生的比特 分配的例子。可以看出，相邻比特被分配给每第三个子载波而且它们 在比特位置b0和b1之间或b2和b3之间交替。 现在所希望的是发展利用多进多出(MIMO)技术并包括一个交 织器在内的系统。然而，当多天线发射被采用时不适于直接使用如上 所述的交织器。 因而，本发明的一个目的是提供一个在多进多出发射机中使用的 交织器。本发明的又一个目的是提供一个在多进多出接收机中使用的 去交织器。 发明内容根据本发明的第一方面，多天线发射机包括一个用于交织编码数 据的交织器，交织器可操作来把空时数据块中已知的多个可用位置的 给定标引位置的一个比特映射到该块上的一个交织位置，交织器可操 作来在早先参考的标引位置上应用一个模操作(modulo operation)， 以便于导出稍后参考的标引位置，并把该比特分配到稍后的标引位 置。 模操作可以包括通过把原始标引位置乘以一个固定整数值来确 定它的其中一个输入，该固定整数值与交织器块中的比特数互质 (co-prime)。模操作另外还可以包括把第二个固定整数值与第一个 操作结果相加。第二个固定整数值可能与第一个值不同。模操作的模 数优选地等于交织器块中的比特数。 根据本发明的第二方面，用于多天线发射机的交织器包括：装置， 用于把一个标记(reference)输入到交织器块的比特的标引乘以交织 器块中的比特数的互质；装置，用于把产生的乘积限制到标记交织位 置中的比特的标引的一组有效值中的一个，从而为交织器块中的比特 提供一个修正标引；和装置，用于向对应于修正标引的交织器块中的 一个位置分配该比特。 根据本发明的第三方面，一种发射信号的方法包括一个交织步 骤，其中，交织器块中的比特被重新分配位置，交织步骤包括向交织 器块中的比特的标引，应用和一个与交织器块中的比特数互质的因数 的乘法，和应用一个模函数以确保产生的乘积在对应于交织器块中的 可能标引位置数的值的范围之内。 模操作优选地应用于交织器块中的比特数。 根据本发明的第四方面，一种处理多进多出发射数据的方法包括 一个交织步骤，其中，交织器块中的比特被重新分配位置，交织步骤 包括向输入到交织器块中的比特的标引，应用和一个与交织器块中的 比特数互质的因数的乘法，应用一个模函数以确保产生的乘积在对应 于交织器块中的可能标引位置数的值的范围之内，和根据产生的修正 标引把比特重新分配到交织器块。 本发明的第五方面提供了用于产生向多进多出信道中发射的多 天线输出的发射机设备，该设备包括：数据源，产生用于以第一配置 发射的编码比特块；交织装置，用于把比特改序(permute)成第二 配置；和用于把第二配置中的比特调制成用于发射的OFDM帧的装 置；交织装置包括映射装置，用于向描述第一配置中的比特位置的第 一数值应用一个映射函数，映射装置可操作来产生用于描述第二位置 中的比特位置的第二数值，第二数值和第一数值之间的关系基于第一 数值和与数据块中的比特数互质的因数的乘积。 映射装置可操作来执行一个映射函数以确定第二数值。 替换地，映射装置可操作来从已存储的准备好的第二数值组中检 索一个第二数值。该存储组被存储在一个查找表中。 发射机可操作来根据从多个可用的发射模式中选择的一个模式 来发射数据。每个模式都能够发射OFDM码元中的对应比特数。在那 种情况下，该设备可以包括对应的多个查找表，每个查找表都存储一 组准备好的第二数值。 映射装置可操作来向第二数值应用一个模操作，以使得第二数值 在用于描述第二位置的允许值的范围内。 根据本发明的第六方面，一个用于接收由根据本发明任何先前方 面的发射机所发射的多进多出发射的接收设备，包括能够去交织在多 进多出发射上接收的数据的去交织装置，该去交织装置可操作来把用 于标识所接收数据块中的比特位置的第二数值映射回第一数值，第一 数值用于标识发射设备产生的块中的比特位置。 去交织装置可以包括一个已存储的第一数值组，基于由第二数值 标识的位置中的比特，去交织装置可操作来从该存储组中选择一个数 值。去交织装置可以包括一个其中存储了被存储组的查找表。 去交织装置可以包括多个分别对应一个发射模式的查找表，每个 查找表存储用于在去交织装置的使用中基于所接收数据被接收的发 射模式和对应于所接收数据块中的比特位置的第二数值从中选择第 一数值的各组第一数值。 可以提供这样一个通信系统，其包括一个根据本发明任何方面的 发射机设备和一个被适当配置的接收机。 本发明的第七方面提供了一种产生用于向多进多出信道中发射 的多天线输出的方法，该方法包括：产生用于以第一配置发射的比特 块；把比特改序成第二配置；和把第二配置中的比特调制成用于发射 的OFDM帧；改序步骤包括：把描述第一配置中的比特位置的第一数 值映射到描述第二位置中的比特位置的第二数值，其中，第二数值和 第一数值之间的关系基于第一数值和与数据块中的比特数互质的一 个因数的乘积。 映射步骤可以包括执行一个映射函数来确定第二数值。 映射步骤可以包括从已存储的准备好的第二数值组中检索得到 一个第二数值。存储组被存储在一个查找表中。 在一个可操作来根据所选择的多个可用发射模式之一来发射数 据的发射机中，每个发射模式都能够发射OFDM码元中对应的编码比 特数，该方法可以包括选择对应的多个查找表中的一个，每个查找表 都存储了一组准备好的第二数值。 映射步骤可以包括向第二数值应用一个模操作，以使得第二数值 在用于描述第二位置的允许值的范围内。 本发明的第八方面提供了一种用于接收由根据本发明第七方面 的发射方法所发射的多进多出发射的方法，包括去交织在多进多出发 射上接收到的数据，去交织步骤包括把用于标识所接收数据块中比特 位置的第二数值映射到用于标识由这种发射方法产生的块中的比特 位置的第一数值。 去交织步骤可以包括根据由第二数值所标识的位置中的比特来 选择已存储的第一数值组中的一个。所存储组被存储在一个查找表 中。 去交织步骤优选地包括从多个查找表中选择一个查找表，每个查 找表分别对应一个发射模式并根据所接收数据被接收的发射模式来 存储第一数值的各个组；并且根据对应于所接收数据块中的比特位置 的第二数值，从所选择的查找表中确定一个对应于用该发射方法产生 的第一配置中的比特位置的第一数值。 通过对下列全都根据本发明各方面的发射机、发射机中的交织 器、用于和发射机一起使用的接收机、和接收机中的去交织器的具体 实施例的下列描述，本发明的其它方面、优选特征和优点将变得明显， 并将现在参考附图来对它们进行说明。 附图说明图1是一个示例性的发射机数据处理器的示意图，它包括本领域 中已知的一个交织器； 图2是一个示出数据分配的图，其使用了根据图1中说明的例子的 一个交织器； 图3是一个示出用于举例说明本发明领域的16QAM星座的图； 图4是一个通信系统的示意图，它包括根据本发明具体实施例的 一个具有交织器的发射机和一个具有对应的去交织器的接收机； 图5是一个在图4中说明的发射机的发射机数据处理器的示意图， 它包括一个交织器； 图6是一个在图5中说明的交织器中执行的交织数据处理的流程 图；和 图7是一个示出数据分配结果的图，其使用了图4中说明的根据本 发明实施例的交织器。 具体实施方式正如在图4中所说明的，根据本发明具体实施例的多进多出 (MIMO)数据通信系统100包括发射机装置112和接收机装置114。 应当理解，在多数环境中无线通信装置都配备有发射机和接收机 的组合设施，但是为了这个例子的清楚起见，这些装置被描述为单向 通信装置。 发射机装置112包括一个数据源116，其向发射数据处理器118提 供数据(包括信息比特)。发射数据处理器118处理由数据源116向其输 入的数据，并向包括多个发射天线128的发射机天线阵126给出一个多 路复用信号。在这个被举例说明的例子中提供了两个发射天线128。 发射数据处理器118在图5中被进一步地详细描述。处理器118包 括FEC编码器160和信道交织器162。比特到码元映射器164把交织的 比特流映射到码元，码元被传递到一个空时编码器166，编码器166把 输入的一个或多个码元编码为多个编码码元以用于从多个天线进行 发射。 被编码的发射信号经由在发射天线阵126和接收机装置114的对 应接收天线阵140之间定义的多进多出信道130进行传送。接收天线阵 140包括多个接收天线142，其向接收机装置114的空时(和/或频率)解 码器144提供多个输入。在这个具体的实施例中，接收天线阵140包括 两个接收天线142。 接收机114包括一个OFDM空时(ST)解码器144，其从接收天线接 收信号并输出被检测的比特流或一些替代形式的比特表示流(比如软 比特信息，例如每个比特的对数概数率(log-likelihood ratio))。这 些比特或其表示在一个根据本发明具体实施例的去交织器146中被去 交织，然后被输入FEC解码器148。去交织操作采用关于由发射机112 的交织器162应用的比特标引排列的知识，以便于引导比特排序的反 向排列。这意味着输入到FEC解码器148的比特或其表示的顺序与被 FEC编码器160输出的比特顺序相同。 现在将参考图6的流程图来描述信道交织器162的操作。在信道交 织器162接收到数据块时，执行在此描述的处理。该处理确保所有的 编码数据比特都被交织器162交织，交织器162具有一个对应于输入到 空时块编码器的比特数的块大小，从而在每个携带子载波的数据 NBPSTB上都产生单个空时代码块。 该处理确保相邻的编码比特用使它们落入不同的、且通常分隔很 宽的子载波上的这样一种方式来被映射到码元内的不同比特位置上， 以及映射到已编码空时块内的不同位置上。所希望的是空时块内的不 同位置导致比特从不同的天线发射。 在第一步骤S1-2中，建立一个循环以便于对块中每个比特都执行 后面的步骤。然后，在步骤S1-4中，确定每个空时块的比特数NBPSTB： NBPSTB＝bits_symb*N_subs*N_st_symb 其中： bits_symb＝每码元比特数(例如在16QAM情况下等于4) N_subs＝携带子载波的数据的数量(例如48) N_st_symb＝到一个空时块的输入码元的数量 例如，如果空时编码器被设置用于空间多路复用发射，则 N_st_symb是发射天线的数量。如果它被设置用于Alamouti编码，则 N_st_symb等于2，而对于从单个天线的常规发射来说N_st_symb等于 1。 可以采用各种替换的空时编码器，并且特别地，N_st_symb没有 必要等于发射天线的数量。 然后在步骤S1-6中，将NBPSTB乘以一个固定的整数值，因为它可 以取决于NBPSTB的取值范围而被选择(具体是bits_symb、N_subs或 N_st_symb可取的不同值)，所以它是执行相关的。α必须在1≤α≤NBPSTB 的范围内，而且α和NBPSTB还必须互质(co-prime)(也被称为互为质数 (relatively prime))。两个整数互质的要求是它们除1以外没有共同的正 因数(约数(divisor))。这个要求确保输入到交织器的所有比特在输 出序列中都被分配到一个唯一的位置。 选择α的设计相关值，以便对于NBPSTB的所有需要值来说，由交 织器产生的比特排列把连续输入的比特安置在不同的子载波上、不同 的码元比特位置上以及空时编码块中的码元上。 在步骤S1-8中，产生的乘积要经历一个模操作，其基数等于每个 空时块的比特数NBPSTB。这个操作的结果是新的标引i，它然后在步骤 S1-10中被用来向该比特重新分配从交织器输出的块中的一个新位 置。 因此，标引i可以表示为： i＝α*kmod N BPSTB k＝0，1，…，NBPSTB-1 其中，k是应用这个算法之前的比特标引。 因为NBPSTB往往能够取若干个值，所以这对于挑选质数α很有用， 明显地确保这个质数不是NBPSTB将要取的任何值的约数。α能选择的 适当值的例子是23或37；然而，应当理解也可以选择很多的其它值。 对输入空时块的比特进行这个操作的结果是把空时块内的比特 重新分配到在两个天线上输出的OFDM码元的子载波。图7说明了对 具有两个发射天线的系统的重新分配，为了清楚起见已经省去了48个 携带子载波和采用表的16QAM部分的数据，但是管理交织处理的原 则可以被确定。例如，可以看出，比特数10在天线2、子载波42、比 特位置b1上；比特数11在天线1、子载波47、比特位置b2上；而比特 数12在天线2、子载波3、比特位置b3上。 尽管已经通过一个具体的实施例说明了本发明，其中在该实施例 中确定空时块中的比特方案排列的处理根据需要在发射过程中被执 行，然而提供一组可由发射机参考的查找表来把比特直接从未交织位 置映射到交织位置也是可能的。此外，这组查找表可以提供给一个被 配置来接收此类交织信号的接收机，查找表能够被反向参考来把交织 比特映射回它们的未交织位置。 在一个发射机能够用很多不同的发射模式来进行发射的情况中， 其中在单个OFDM码元中可传送的(transportable)比特数是变化的， 假定给出了OFDM码元中容纳的比特数量，则查找表应当被提供用于 允许从中选择适当的查找表以用于将被执行的交织。 应当理解，这个交织器的很多执行过程是可能的，其中，发射机 的结构被改变或者交织器的参数被变更。可以设想，这些修改将产生 不同的编码比特排列，但是交织器的总性能源于在本发明中提供了一 个计算上相对简单的交织器这个事实。 应当理解，IEEE802.11a标准的交织器总是使比特以恰好相同的 方式被分配给子载波，即被分配给每第三个子载波。这确保相邻的编 码比特总是正好具有相同的间隔。虽然互质交织器没有显示出这个特 征，但是通过适当地选择α可以确保相邻的编码比特总是具有一个最 小间隔(例如按照它们之间的子载波数)。在大多数情况下，互质交织 器在相邻的编码比特之间产生的间隔要大于用802.11a交织器获得的 间隔。 应当理解，向现有的标引和与每个空时块的比特数互质的因数的 乘积应用的模操作可以放在另一个整数值加法之前，这将起到将空时 块内的所有比特都移动一个预定量的作用。从而，由交织器162执行 的上述交织操作是： i＝(α*k)mod NBPSTB 在替换方案中，这可以被替换成： i＝(α*k+β)modNBPSTB 其作用是将把所有改序后的比特位置移动β个位置。 应当理解，虽然上述的发射机和接收机被具体地配置来根据本发 明进行操作，但是通用发射机或通用接收机可以被配置来用引入由计 算机设备运行的适当软件的方法来进行操作。为此，本发明的一个方 面包括一个用计算机可读形式存储计算机可执行指令的产品，它在使 用中使具有适当配置的硬件元件的计算机实质上根据由已描述的实 施例来举例的本发明而进行操作。该产品可以包括诸如光盘、磁存储 介质或任何其它技术的存储介质之类的存储介质，诸如可移动的 ROM单元或诸如存储卡之类的其它存储装置之类的有源元件，或者 可以包括一个诸如可以在下载中接收的信号，该信号承载了定义这类 计算机可读指令以建立计算机可执行程序产品的数据。 该产品还可以包括一个专用集成电路，当这个专用集成电路被安 装在适当配置的通用装置上时，它使得这个产生的系统可以根据由所 描述实施例来举例的本发明的任何方面进行操作。 附加权利要求中所要求的保护范围基于本说明书并参考附图来 确定，而本发明的具体实施例的特征不应当被看作是对权利要求的特 征范围的限制。 |
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