專利名稱：在使用低密度奇偶校驗碼的通信系統中發送和接收數據的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及無線通信系統，且更具體地，本發明涉及一種在使用低密度奇偶校驗 (LDPC)碼的通信系統中發送和接收數據的裝置和方法。
背景技術：
一般，在通信系統中，數據發送/接收過程能夠被概括為在發送側的源端產生的 數據在經歷源編碼、信道編碼、交織和調制之后在信道上被無線發送，以及在接收側接收無 線發送的信號之后，接收側對接收的信號執行解調、解交織、信道解碼和源解碼。然而，在通信系統中，由于各種噪聲、衰落現象和在不同發送信道中和之間的碼元 間干擾(ISI)，信號失真發生。在要求高數據吞吐量和高可靠性的高速數字通信系統中，諸 如下一代移動通信，數字廣播和便攜因特網，用于應對由于噪聲、衰落和ISI造成的信號失 真的技術是不可缺少的。信道編碼和交織是用來減少在使發送信號失真的噪聲衰落和ISI 的影響的典型的技術。交織是通過將期望的發送比特的受破壞部分分布于多個位置而非將受破壞部分 集中于單個位置來最小化數據發送損失且增加信道編碼效果，如下面更充分描述的。失真 比特的集中在本領域熟知為突發錯誤，這是當信號經過衰落信道時頻繁發生的，而在多個 位置上分布受破壞部分被用來減少發送流中突發錯誤的發生。信道編碼被廣泛地用作一種允許接收側檢查由噪聲、衰落和ISI造成的信號失真 的方法，以及用于有效地恢復失真的信號，由此增加通信的可靠性。用于信道編碼的代碼叫 做糾錯碼(ECC)，這是因為它們使得接收側能夠糾正檢測到的錯誤。正在開展對于各種類型 的糾錯碼的深入研究。公知的糾錯碼包括塊碼、卷積碼、turbo碼和LDPC碼。由于本發明專注于使用LDPC 碼的通信系統，故提供LDPC碼的簡要描述。盡管LDPC碼不能保證信號的完好發送，但是LDPC碼被公知為能夠最小化信息損 失概率的代碼。在二十世紀六十年代首次提出的LDPC碼是首個能夠按接近于在香農信道 編碼理論中公知的最大數據速率(即香農極限)的速率發送信號的信道編碼代碼。因為 二十世紀六十年代的技術水平還沒有發展到足以實現LDPC碼，所以LDPC碼基本上無法使 用。然而，隨著由于以后的信息理論和技術的進步在1996年前后LDPC碼被重新發現，正在 進行對LDPC碼的下述特性的研究該特性展示出即便LDPC碼使用迭代解碼，其復雜度也沒 有顯著增加，以及也正在進行對產生LDPC碼的方法的研究。LDPC碼和turbo碼一道被推薦 為對下一代移動通信系統有用的非常優秀的糾錯碼。LDPC碼通常使用圖形表示法來表示，以及它的許多特征能夠使用基于圖形理論、 代數學和概率理論的方法來分析。一般，信道代碼的圖形模型對代碼的描述是有用的，以及 如果關于每個編碼比特的信息對應于圖形的頂點并且在編碼比特之間的關系對應于圖形 中的邊，各頂點可以被認為是通過所述邊交換預定消息的通信網絡，這使得可以導出一種自然解碼算法。例如，從可以被當作一種圖形的格子導出的解碼算法可以包括眾所周知的 Viterbi算法和Bahl、Cocke、Jelinek和Raviv(BCJR)算法。由于此類代碼在本領域眾所 周知，故這里不需提供它們的討論。LDPC碼一般定義為奇偶校驗矩陣，以及能夠使用雙向圖形表示，一般稱為Tarmer 圖形。雙向圖形意味著構成圖形的頂點被劃分為兩種不同的類型，以及對于LDPC碼，兩種 不同類型的頂點是變量節點和校驗節點。變量節點一一對應于編碼的比特。參考圖1和2，示出LDPC碼的示范圖形表示的說明。圖1是說明LDPC碼的奇偶校驗矩陣H1的圖。在圖1，考慮包括4行和8列的LDPC 碼的奇偶校驗矩陣。圖1的矩陣表示用于產生長度為8的碼字的LDPC碼，這是因為它具有 8列。也即，所述列對應于8個編碼的比特。雖然，這里示出的列數是長度為8，但是本領域 的技術人員應該認識到列的數目可以增加或減少而不會改變本發明的范圍。圖2說明LDPC碼的奇偶校驗矩陣H1的圖形表示。也即，圖2是說明對應于圖1的 奇偶校驗矩陣H1的Tarmer圖形。參考圖2，LDPC碼的Tarmer圖形由8個變量節點X1 (202)、 X2 (204)、X3 (206)、X4 (208)、X5 (210)、X6 (212)、X7 (214)和 X8 (216)以及 4 個校驗節點 218、 220,222和224構成。這里，LDPC碼的奇偶校驗矩H1的第i列和第j行分別對應于變量節 點Xi和第j校驗節點。在如圖2所示的Tanner圖形上，在LDPC碼的奇偶校驗矩H1的第i 列和第j行交叉的點的值1或者非零值表明變量節點Xi和第j校驗節點之間存在邊。在LDPC碼的Tarmer圖形中，變量節點和校驗節點的度是指連接到相應節點的邊 的數目，以及所述度等于與LDPC碼的奇偶校驗矩陣中的相應節點關聯的列或行中的非零 項的數目。例如，在圖 2，變量節點 X1 (202)、X2 (204)、X3 (206)、X4 (208)、X5 (210)、X6 (212)、 X7 (214)和X8 (216)的度分別是4、3、3、3、2、2、2和2，而校驗節點218、220、222和224的度 分別是6、5、5和5。此外，對應于圖2的變量節點的圖1的奇偶校驗矩陣H1的列中的非零 項的數目按照順序與度4、3、3、3、2、2、2和2相一致，而對應于圖2的校驗節點的圖1的奇 偶校驗矩陣H1的行中的非零項的數目按照順序與度6、5、5和5相一致。如上所述，在Tarmer圖形上，編碼的比特是和奇偶校驗矩的列一一對應的，以及 和變量節點一一對應。此外，和編碼比特一一對應的變量節點的度被稱為編碼比特的度。對于LDPC碼，公知的是較高的度的碼字比特在解碼性能上勝過較低的度的碼字 比特。這是因為與較低的度的變量節點比較，較高的度的變量節點通過迭代解碼獲得更多 的信息，這有益于解碼性能的提高。到目前為止已經描述了 LDPC碼。現在將對信號星座進行描述，其中對于所述信號 星座應用正交幅度調制(QAM)，QAM是在通信系統中通常使用的高階調制方案。QAM調制碼 元由實部和虛部構成，以及通過所述實部和虛部的有區別的大小和符號可以形成各種調制 碼元。為了找出QAM的特性，將與四相移鍵控(QPSK)調制一起來描述QAM。圖3A是關于一般QPSK調制方案的信號星座的示意圖。在星座中，％確定實部的 符號，而Y1確定虛部的符號。也即，當Yc1 = 0，實部的符號是正(+)，而當K= 1，實部的符 號是負(_)。此外，當7工=0，虛部的符號是正(+)，而當yi = 1，虛部的符號是負(_)。由 于％和Y1是分別指示實部和虛部的符號的符號指示比特，它們在錯誤發生概率上相同。因 此，對于QPSK調制，對應于一個調制信號的(y(l，yi)的構成比特在可靠性上相同。對于y^ 和yu，第二索引“q”表示調制信號構成比特的第q輸出。
圖3B是關于一般16-QAM調制方案的信號星座的示意圖。對應于一個調制信號的 (y0, y” y2，y3)的構成比特具有以下定義。構成比特％和y2分別確定實部的符號和大小， 而構成比特和y3分別確定虛部的符號和大小。換句話說，y0和Y1確定信號的實部和虛 部的符號，而y2和y3確定信號的實部和虛部的大小。由于區分調制信號的符號比區分大小 容易，所以y2和y3的錯誤發生概率高于I0和yi的錯誤發生概率。因此，構成比特的無錯誤 概率或可靠性是R(y0) = R(Y1) > R(y2) = R(Y3)。這里，R(y)表示構成比特yk的可靠性， 其中k = 0-3。不同于QPSK調制信號，QAM調制信號(九，y1; y2，y3)具有構成比特在可靠性 上不相同的特性。在16-QAM調制中，其中4比特構成信號，2比特確定確定信號的實部和虛部的符 號，以及僅需要2比特來表示信號的實部和虛部的大小，從而(％，Y1, y2, y3)的階和每個構 成比特的作用發生改變。圖3C是關于一般64-QAM調制方案的信號星座的示意圖。在這種情況下，(y0, Y1, y2，y3，y4，y5)的構成比特對應于一個調制信號，其中比特％、y2和y4確定實部的符號和大 小，而比特n和y5確定虛部的符號和大小。這里，％和yi分別確定實部和虛部的符號， 而72，73，74和75分別確定實部和虛部的大小。由于區分調制信號的符號比區分大小容易， 所以I0和Y1的可靠性高于i2, y3，y4和J5的可靠性。例如，根據調制碼元的大小是大于還 是小于4來確定y2和y3，而y4和y5根據調制碼元的大小是否接近于4或0 (以2為中心) 來確定，或者根據調制碼元的大小是否接近于4或8(以6為中心)來確定。因此，y2和y3 的確定范圍是4，而y4和y5的確定范圍是2。因此，y2和y3的可靠性高于y4和y5的可靠 性。總之，調制信號的構成比特的無錯誤概率或可靠性是R(yQ) =R(Y1) > R(y2) =R(Y3) > R(y4) = R(y5)。在64-QAM調制中，其中6比特構成信號，2比特確定信號的實部和虛部的符號，以 及4比特表示信號的實部和虛部的大小。因此調制信號(％，Y1, y2，y3, y4，y5)的階和構成 比特的作用發生改變。即便對于256-QAM或更高的信號星座，調制信號構成比特的作用和 可靠性按照如上相同的方式改變。也即，如果一個調制信號被定義為(％，Y1, i2，y3，y4，y5， y6，y7)，貝丨J R(y0) = R(Y1) > R(y2) = R(y3) > R(y4) = R(y5) > R(y6) = R(y7)。然而，傳統上，當使用LDPC碼的通信系統執行交織/解交織時，系統使用任意的 交織/解交織方案，而不管LDPC碼或高階調制信號的構成比特的可靠性特性，或者僅考慮 LDPC碼的變量節點或校驗節點的度時使用交織/解交織方案，由此無法最小化在信道上傳 輸的信號的失真。此外，由于在調制信號中兩個連續構成比特y2i和y2i+1的可靠性相同，所 以系統將這兩個比特識別為一個比特組而非將它們識別為用于實部和虛部的兩個單獨比 特。識別上的局限阻止了 LDPC碼的性能的最大化。
發明內容
本發明的一方面提供一種用于在使用LDPC碼字的通信系統中減少信號失真的發 送/接收裝置和方法。另外，本發明提供一種交織裝置和方法，用于在使用LDPC碼字的通信系統中改善 LDPC碼字的性能。另外，本發明提供一種用于映射調制信號構成比特的裝置和方法，以便在使用LDPC碼字的通信系統中改善LDPC碼字的性能。根據本發明的一方面，提供一種在使用低密度奇偶校驗(LDPC)矩陣的通信系統 中發送數據的方法。該方法包括通過編碼信息數據比特產生LDPC碼字；交織LDPC碼字； 將交織的LDPC碼字映射到調制信號，以及通過將LDPC碼字比特分別映射到構成調制信號 的比特中的對應于實部的比特和對應于虛部的比特來產生映射信號；通過高階調制該映射 信號產生調制信號；射頻(RF)處理該調制信號，以及經由發送天線發送經RF處理的信號。根據本發明的另一方面，提供一種在使用低密度奇偶校驗(LDPC)矩陣的通信系 統中發送數據的裝置。該裝置包括編碼器，用于編碼信息數據比特并且輸出LDPC碼字； 交織器，交織LDPC碼字；比特映射器，用于將交織的LDPC碼字映射到調制信號，以及通過將 LDPC碼字比特分別映射到構成調制信號的比特中的對應于實部的比特和對應于虛部的比 特來輸出映射信號；調制器，用于高階調制該映射信號并且輸出調制信號；和射頻(RF)處 理器，用于RF處理該調制信號以及經由發送天線發送經RF處理的信號。根據本發明的再一方面，提供一種在使用低密度奇偶校驗(LDPC)矩陣的通信系 統中接收數據的方法。該方法包括射頻(RF)處理經過接收天線接收的信號；通過解調經 RF處理的信號產生解調信號；將映射到解調信號的LDPC碼字解映射，以及通過將LDPC碼 字比特分別解映射到構成解調信號的比特中的對應于實部的比特和對應于虛部的比特來 產生解映射信號；解交織經解映射的LDPC碼字；以及解碼經解交織的LDPC碼字。根據本發明的再一方面，提供一種在使用低密度奇偶校驗(LDPC)矩陣的通信系 統中接收數據的裝置。該裝置包括射頻(RF)處理器，用于RF處理經過接收天線接收的信 號；解調器，用于解調經RF處理的信號并且輸出解調信號；比特解映射器，由于將映射到解 調信號的LDPC碼字解映射，以及通過將LDPC碼字比特分別解映射到構成解調信號的比特 中的對應于實部的比特和對應于虛部的比特來輸出解映射信號；解交織器，用于解交織經 比特解映射的LDPC碼字；和解碼器，解碼經解交織的LDPC碼字。
從下面結合附圖進行的詳細描述，本發明的以上和其它方面、特征和優點將變得 更加清楚，在附圖中圖1是說明LDPC碼的示范性奇偶校驗矩陣H1的圖；圖2是LDPC碼的示范性奇偶校驗矩陣H1的圖形表示；圖3A是關于一般QPSK調制方案的傳統信號星座的示意圖；圖3B是關于一般16-QAM調制方案的傳統信號星座的示意圖；圖3C是關于一般64-QAM調制方案的傳統信號星座的示意圖；圖4是說明根據本發明的實施例的使用LDPC碼的通信系統的結構的圖；圖5是說明根據本發明的實施例的交織器和比特映射器的結構的圖；圖6A和6B是說明根據本發明的實施例的交織器的操作的圖；圖7A和7B是說明根據本發明的實施例的交織和比特映射方法的圖；和圖8是說明基于根據本發明的實施例的數據傳輸方案的性能改善的圖。
具體實施例方式現在將參照附圖詳細說明本發明的實施例。在以下說明中，為了清楚和簡潔，省略 對在此并入的公知功能和配置的詳細說明。這里使用的術語根據在本發明中的功能來定義 并且可以根據用戶、操作者的意圖或通常的實踐而變化。因此，術語的定義應該根據貫穿說 明的內容來做出。圖4是說明根據本發明的實施例的使用LDPC碼的通信系統的結構的圖。參考圖 4，現在將說明根據本發明的實施例的使用LDPC碼的通信系統的結構。根據本發明的發送器400包括編碼器411、交織器413、比特映射到星座或信號星 座比特映射器(以下簡稱為“比特映射器”)415、以及調制器417。根據本發明的接收器450包括解調器457、信號星座比特解映射器(以下簡稱為 “比特解映射器”)455、解交織器453和解碼器451。在首先參考圖4簡要地描述本發明的發送器和接收器的操作之后，將參考圖5描 述關于本發明的交織器413和比特映射器415的結構和操作的更詳細的信息。按照圖4所示的通信系統，當信息數據比特流i被輸入到發送器400時，編碼器 411使用預定的方案編碼該信息數據比特流i，并且產生碼字X。該碼字χ表示具有錯誤編 碼代碼類型碼或具有加密類型碼或它們的組合的數據比特流的編碼。由于編碼器411是 LDPC編碼器，由編碼器411產生的碼字是輸入數據比特流i的LDPC碼字或其表達。交織器413使用預定方案交織從編碼器411輸出的LDPC碼字X，并且輸出經交織 的LDPC碼字b。根據如下進一步詳細描述的交織方案來執行交織器413的交織操作。比特映射器415使用預定方案對從交織器413輸出的比特(即，經交織的LDPC碼 字b)執行信號星座比特映射。比特映射器415根據依據本發明原理的映射方案執行映射。 該映射方案根據LDPC碼字b的度特性將輸入比特映射為構成調制碼元的比特，如下面進一 步詳細描述的。調制器417使用預定方案調制從比特映射器415輸出的信號，并且經由發送天線 (ANT)發送經調制的信號。本發明的交織器413和比特映射器415執行交織和比特映射以便在調制器417調 制經交織的LDPC碼字b時最小化比特錯誤率(BER)或碼字錯誤率(或幀錯誤率(FER))，由 此提高性能。這里，交織器413和比特映射器415被以這樣的方式設計在作為交織器的輸入信 號的碼字比特和作為比特映射器的輸出信號的調制信號構成比特之間的關系滿足以下準 則。為了說明這里所述的準則，假定LDPC碼字的比特數目是N并且使用256-QAM調制。然 而，本領域的技術人員應該理解可以改變調制方案而不改變本發明的范圍。依據本發明的原理，LDPC碼字按照度的降序順序排列，并且被劃分為多個組。在 所示的示例中，將組的數目選擇為8。但是應該認識到該數目可以增加或減少而不改變本 發明的范圍。因此，LDPC碼字可被表達為碼字c = [G0, G1, G2, G3, G4, G5, G6, G7]，其中G0 =，G1 — [CN/8+lCN/8+2CN/8+3‘ · · C2N/8]和 ^7 — [C7N/8+l C7N/8+2 C7N/8+3' · · °準則1)將在LDPC碼字比特當中屬于最高的度的組Gtl的那些比特映射到在調制 信號構成比特中的最高可靠性的比特％或yi。準則2)將在LDPC碼字比特當中屬于G1的那N/8個比特映射到在調制信號構成比特中的中等可靠性的比特y5或y4。準則3)將在LDPC碼字比特當中屬于G2的那N/8個比特映射到在調制信號構成 比特中的最低可靠性的比特y6或y7。準則4)將在LDPC碼字比特當中屬于G3的那N/8個比特映射到在調制信號構成 比特中的最低可靠性的比特77或76。如果在準則3)中將屬于G2 WLDPC碼字比特映射到 y6，則準則4)將屬于G3的LDPC碼字比特映射到y7，如果在準則3)中將屬于G2的LDPC碼 字比特映射到y7，則將屬于G3的LDPC碼字比特映射到y6。準則5)將在LDPC碼字比特當中屬于剩余組(G4，G5, G6和G7)的比特映射到沒有 被準則1)到準則4)映射到G0, G1, G2和G3的調制信號構成比特。現在將詳細說明其中根據以上準則映射比特的方法。準則1)的示例將對應于按照度的降序順序排列的碼字c = [C1 C2 C3. . . cN]中的 [C1 C2 C3... cN/8]的~8個比特映射到在調制信號構成比特當中的最高可靠性的比特。例 如，所述N/8個比特被映射到在調制信號構成碼元中的最高可靠性的比特loo準則2)的示例將對應于c = [cN/8+1
CN/8+2 CN/8+3' · · C2N/8 ]的N/8個比特映射到在調
制信號構成比特當中的中等可靠性的比特。例如，當256QAM被用作調制方案時，所述N/8 個比特被映射到比特y5。準則3)的示例將對應于c = [c2N/8+1
C2N/8+2 C2N/8+3' · · C3N/8 ]的N/8個比特映射到在
調制信號構成比特當中的最低可靠性的比特。例如，當256QAM被用作調制方案時，所述N/8 個比特被映射到比特y6。準則4)的示例將對應于c = [c3N/8+1 C3N/8+2 C3N/8+3' · · C4N/8 ]的N/8個比特映射到在
調制信號構成比特當中的最低可靠性的比特。例如，當256QAM被用作調制方案時，所述N/8 比特被映射到比特y7。當如上所述建立在LDPC碼字比特和調制信號構成比特之間的關系時，可以改善 LDPC碼字的解碼性能。與現有方案比較，以上準則的關鍵特征在于將構成調制信號的兩個以 上的比特劃分為實部和虛部，即便它們在可靠性上相同也是如此，將它們當成不同的比特。雖然傳統技術通過僅簡單區分基于度的糾錯能力和基于調制信號構成比特的可 靠性來找到優秀的映射方法，但是本發明包括一種映射方法，將即使具有相同可靠性的比 特再劃分為實部和虛部。下面將詳細描述為何應用以上準則的映射方案能夠獲得優越的性 能的原因。在LDPC碼字中，較高的度的比特能夠獲得比較低的度的比特優越的性能。因此， 即使較高的度的比特被映射到具有較低可靠性的調制信號構成比特，它們在解碼過程中能 夠被充分地恢復為原始信號。然而，當在碼字比特中較高的度的比特的比率較高時，在解碼 過程中較高的度的比特的影響增加。因此，由于許多較高的度的比特被映射到較低的可靠 性比特，對較低可靠性的比特的影響能力意外地增加。因此，適當地將具有較高可靠性的調 制信號構成比特和具有較低的可靠性的調制信號構成比特混合映射到較高的度的編碼比 特將有助于性能的改善，而非將具有較低的可靠性的調制信號構成比特映射到全部較高的 度的編碼比特。此外，對于LDPC碼字的較低的度的比特，能夠通過將較低的度的比特映射到具有 較高的可靠性的調制信號構成比特來改善它們的性能，盡管在解碼過程中它們的糾錯能力較低。然而，如果將全部較低的度的碼字比特映射到較高的可靠性的調制信號構成比特，將 全部較高的度的碼字比特映射到較低的可靠性的調制信號構成比特，則造成對較低可靠性 比特的影響能力增加。此外，如果僅將較低的可靠性的調制信號構成比特映射到較低的度 的碼字比特，則較低的度的碼字比特的糾錯能力遭受顯著退化，這導致錯誤流。優選地，較 低的度的碼字比特被映射到中等可靠性調制信號構成比特。為了在如上所述執行映射時獲得高質量的性能，當較高的度的碼字比特的數目相 對較大時該映射方法能夠被適當地應用。同時，接收器450接收從發送器400發送的信號，并且經過發送器400的逆過程輸 出信號。也即，在接收器450經過接收天線ANT接收的信號被傳遞到解調器457。解調器 457使用對應于發送器400的調制器417的調制方案的解調方案解調接收的信號，并且輸 出經解調的信號到比特解映射器455。比特解映射器455根據在發送器400的比特映射器 415中執行的映射方案來對從解調器457輸出的信號進行比特解映射，然后將產生的信號 輸出到解交織器453。解交織器453根據在發送器400的交織器413應用的交織方案來解 交織從比特解映射器455輸出的信號，以及將產生的信號輸出到解碼器451。解碼器451使 用對應于在發送器400的編碼器411應用的編碼方案的解碼方案解碼經解交織的信號，恢 復最終的信息數據比特。同時，在圖4中，從調制器417輸出的信號在用于射頻(RF)信號發送處理的單獨 的RF發送器(未示出)中經歷RF處理之后經由發送天線來發送。類似地，在接收天線接 收的信號在用于RF信號接收處理的RF接收器(未示出)中經歷RF處理之后被輸入到解 調器457。本發明的發送器其特征為使用高階調制方案的不均等可靠性特性的交織器413 和比特映射器415，而本發明的接收器其特征為使用高階調制方案的不均等可靠性特性的 解交織器453和比特解映射器455。參考圖5，現在將詳細說明依據本發明原理的交織器和比特映射器的操作。圖5是 說明根據本發明的實施例的交織器和比特映射器的結構的框圖。如圖5所示，圖4的比特映射器415包括解復用器(DEMUX) 521。圖5所示的映射 方案使用256-QAM調制信號。當編碼信號χ被輸入到交織器501時，交織器501交織編碼信號，并且輸出信號 b。經交織的信號b被輸入到解復用器521，在其中其被分離為多個流。也即，例如對于 256-QAM，經交織的信號b被分離為8個流。換句話說，在根據對應的調制方案被交織之后， 經過圖5的結構接收的信號被解復用為多個流。解復用器521通過將接收的流Ov bi; b2...)分離為多個流來產生調制信號構成 比特，并且在本發明中，確定經交織的碼字比特構成調制信號構成比特的哪些是重要的。首 先，LDPC碼字比特Xtl，X1, ... , xN_2，Xn^1被輸入到交織器501。全面考慮對于每個調制信號 的比特映射方案、對于LDPC碼的每個比特的度分布、以及信號星座的每個比特的可靠性來 確定交織方案。以下將給出它們的詳細說明。交織器501的輸出比特bQ，b” . . bN_2，Iv1被輸入到解復用器521，其中它們被解復 用成構成調制信號的比特。也即，對于256-QAM，由于調制信號由8比特組成，解復用器521 的輸入比特被解復用為8比特。這里，根據在連續接收的8比特b0, bi; b2，b3，b4，b5，· b6，b7和構成信號的比特y。，γ2, y3，y4，y5，y6，y7之間的映射關系確定該比特映射方法。現在將 做出根據本發明的交織方案和比特映射方法的詳細說明。本發明提出的交織器和比特映射 器按照上述準則設計。能夠理解在圖5中，在作為解復用器521的輸出信號的調制信號構成比特％，Y1, I2, y3，y4, y5, y6, y7中的yQ，y2，y4，y6構成實部，而y3，y5, y7構成虛部。現在將做出根據 本發明的實施例的交織器的設計過程的說明。根據本發明的交織器的設計過程遵循以下步
馬聚ο步驟1 確定交織器的列的數目以便其等于在調制碼元中使用的比特的數目，即 調制信號構成比特的數目。步驟2 通過將碼字的長度除以在步驟1確定的列的數目確定的值被確定為交織 器行的數目。步驟3 =LDPC碼字比特被逐列寫入尺寸確定的交織器。步驟4 從其中碼字比特被寫入的每列讀取一個比特。表1示出對于其中碼字的長度是16200和64800的示范情況的基于每個調制方案 的交織器的行和列的尺寸，。表 1 參考圖6A和6B，現在將做出對于特定調制方案的交織器的操作和設計的說明。在 以下說明中，假定LDPC矩陣按照較高的度的行的順序來連續排列。這樣排序的原因已經在 前面描述了，因為對應于LDPC矩陣的變量節點的碼字比特的度越高，則解碼性能越優。因 此，考慮到降序排列的LDPC矩陣產生的碼字的對應比特也被降序排列，并且降序排列的碼 字比特表示比特的解碼性能的順序。圖6A和6B是說明根據本發明的實施例的交織器的操作的圖。假定圖6A和6B的 交織器使用256-QAM調制并且LDPC碼字的長度是64800。將根據4個步驟描述交織器的設 計和操作。參考步驟1，形成8列，其數目等于在256-QAM中使用的調制信號構成比特的數目。 在步驟2，交織器行的數目被確定為64800/8 = 8100。在步驟3，LDPC碼字比特被順序地寫 入每列。當在每列的寫入完成時，在下一列的寫入如圖所示被執行。在這種情況下，在每列 中寫入的比特的數目是8100，這是上面計算的行的數目。在步驟4，從每列逐個順序讀取比 特。在圖6A中，從列數目1的第一比特到列數目8的第一比特中順序讀取比特，然后，從列 數目1的第二比特到列數目8的第二比特中順序讀取比特。該過程重復8100次，即等于交 織器行的數目。
經過以上過程，LDPC碼字被交織。此外，為了額外增加交織性能，甚至在每列中能 夠執行任意交織。如果在相鄰碼字比特之間存在相關，則它們能夠經歷交織以便對于突發 錯誤更加魯棒。目前已經描述了交織方案。現在將進行本發明提出的比特映射方案的說明。下面 描述的比特映射方案，基于在LDPC碼字的交織讀取期間一行的讀取，將最高的度的碼字比 特映射到調制信號構成比特中的最高可靠性比特中的一個，然后，將第二最高的度的碼字 比特映射到調制信號構成比特中的較低可靠性比特中的一個，由此最小化總的BER。在圖6A和6B中描述的交織器的輸出值中，從列數目1中讀取的碼字比特被分配 給調制信號構成比特中的最高可靠性比特，而從列#3和列#4中讀取的碼字比特被分配給 調制信號構成比特中的最低可靠性比特。當交織器考慮從如圖6A(右側)所示的列數目1 的比特到列數目8的比特順序讀取比特時，在表2中說明該方案的實施例，其中交織器的輸 出比特被分配給根據256QAM調制的調制信號構成比特。表 2 在上面，當碼字比特的數目是N時，交織器的輸出比特被表示為b = b0, bi; b2，b3， b4，b5，b6，. . .，bN。此外，在調制信號構成比特中的第k個讀取的調制信號構成比特被表示 為yQ,k。對于256QAM，第k個讀取的調制信號構成比特被表示為(yQ,k，yljk, y2,k，y3,k，y4,k， y5,k' y6,k' y7,k)，其中 k = 0，1，· · ·，N/8-i。從表2中能夠理解對應于k到b7的比特滿足上述的全部準則1-4。在表2的256QAM中，調制信號由8比特組成，最高可靠性調制信號構成比特的數目是2，中等可靠性 調制信號構成比特的數目是4，而最低可靠性調制信號構成比特是2。因此，對于256QAM，存 在可以根據本發明的設計準則構造的各種可能的交織器。也即，在原理上與表2所示的兩 種方法相同(即，〈256QAM-方法1>和〈256QAM-方法2>)的交織器的修改在表3示出。表 3
〈256QAM-方法1，修改〉
b8k+Q映射到yi,k b8k+1映射到y4,k b8k+2映射到y7,k b8k+3映射到y6,k
b8k+4映射到yQ,k b8k+5映射到y5,k b8k+6映射到y3,k b8k+7映射到y2,k
b8k+。映射到yi,k b8k+1映射到y4,k b8k+2映射到y7,k b8k+3映射到y6,k
b8k+4映射到yQ,k b8k+5映射到y3,k b8k+6映射到y5,k b8k+7映射到y2,k
〈256QAM-方法2，修改〉為了更好的理解，將參考圖7A和7B描述根據本發明的依據交織和比特映射方案
的信號的寫/讀。圖7A和7B是說明根據本發明的另一實施例的交織和比特映射方法的圖。為了說 明本發明的實施例，調制方案選擇為256-QAM而碼字的長度是24比特，交織器的列的尺寸 選擇為8，而行的尺寸選擇為3。假定比特映射方法與表2描述的一個(即，〈256QAM-方法 1 類似。從LDPC編碼器輸出的碼字表不為χ = [x0,X11
X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X20，X21，X22，X23」， 而碼字比特的度是[8，8，8，8，8 ，3 j 3 j 3 j 3 j
3，3，3，2，2，2，2，2，2，2，2，2，2，2，2]。當碼字比特被逐列寫入交織器501時，X0, X1, X2被寫 入列 #1 ；X3, x4, X5 被寫入列 #2 ；x6, x7, X8 被寫入列 #3 ；x9, x10, X11 被寫入列 #4 ；x12, x13, X14 被 寫入列#5 ；x15, x16, X17被寫入列#6 ；x18, x19, X20被寫入列#7 ；而x21，x22，X23被寫入列#8。從 每一列逐行讀取的比特，即，在經歷交織之后被輸出的信號是b = [b0, b1 b2，b3，b4，b5，b6，
b7] — [x0 X3 X12 ‘ X18' 0
當b被輸入到解復用器521時，由于它經歷根據映射準則的映射，故y = y0,0,yi,0,
又2，0，又3，0，又4，0，又5，0，又6，0，又7，0 — b0，b4，hQ, b7，b5，J b2，b3 — X0, X12 Xi8，x21 ‘ X15' X3' X6' X90 也
即，映射到最高可靠性的符號確定比特yu和Y1,。的碼字比特是&和x12。此外，映射到最 低可靠性的大小確定比特Itl和y7’0的碼字比特是X6和χ9。在至此所述的交織和比特映射方案中，以列數目1到列數目8的方向讀取交織器 501的輸出，并且據此經歷比特映射。此類交織方案和比特映射方案被分別定義為“前向交 織”和“前向比特映射”。雖然這里將前向方向定義為從列數目1到列數目8的方向，但是 需要時，前向方向能夠定義為從列數目8到列數目1的方向。然而，交織器501并非總是要按照圖6Α所示的前向方向讀取碼字比特。因此，如 果交織器501按照圖6Β所示的順序讀取碼字比特，即，按照圖6Α(右側)的相對方向或相 反方向，則比特映射器560的映射方案能夠改變為表4所示的方案。此類方案被定義為“反 向交織”和“反向比特映射”。表 4 在圖7B示出根據圖6B所示的反向交織的反向比特映射方案的映射的示例。圖7B的輸出如下。y = y0j0, ylj0, y2,0，y3,0，y4,0，y5,0，y6,0，y7j0= b7, b3, b17 b0, b2, b6, b5, b4
— Xq, X12J x18，X21，Xi5' x3' X6' X9在本發明中，說明了構成交織器和解復用器的比特映射器并且參考來描述這里的 過程。然而，除了由硬件實現外，映射器和交織器能夠由軟件實現，如在其中基于以上映射 方案的交織器存儲在存儲器中的情況下。在一些情況中，比特映射器能夠利用將碼字比特 直接映射到調制信號構成比特的方案實現。現在將進行在數據發送期間通過本發明的交織和比特映射方案帶來的性能改進 的說明。圖8是說明基于根據本發明的實施例的數據發送方案的性能改進的圖。在圖8所 示是關于具有長度=64800的LDPC碼字的BER。該仿真結果是在使用256-QAM調制信號時 的AWGN信道中獲得的。虛線表示使用隨機方案設計的交織器的FER，而實線表示在使用根 據本發明的交織器和比特映射方案時的FER。能夠理解本發明能夠獲得在BER = 0. 001的 大約0. OSdB的性能增益。再參考圖4，至此已經描述在發送器400中的交織方案和比特映射方案。現在將 進行在接收器450中使用的解交織和比特解映射方案的描述。由于這對本領域的技術人員 顯然的是，接收器450在結構上對應于發送器400，因此將給出解交織方案和解比特映射方 案的簡要說明。也即，在接收器450的解調器457對接收的信號執行高階解調，并且輸出調 制信號構成比特，以及信號星座比特解映射器455比特解映射輸出的調制信號構成比特， 并且輸出經解映射的信號。在這種情況中使用的解映射方法對應于發送器400的比特映射 方案。也即，解映射方法將調制信號構成比特中的兩個較高可靠性比特解映射為較高的度 的LDPC碼字比特和較低的度的LDPC碼字，以及將兩個較低可靠性比特解映射為較高的度 的LDPC碼字和較低的度的LDPC碼字比特。由于比特解映射器455對應于發送器400的比 特映射器415，故比特解映射器455由復用器(未示出)組成。經比特解映射的輸出信號被輸入到解交織器453。解交織器453的尺寸和發送器 400的交織器413的尺寸相等。如果經過比特解映射的信號被逐行地順序寫入解交織器 453，并且它們按照前向方向(從行數目1開始讀取)逐列被讀取，則解交織的LDPC碼字比 特被輸出。輸出的LDPC碼字被輸入到解碼器451，在此它們被解碼。如果發送器400的交 織是反向交織，則接收器的解交織也是反向解交織。根據本發明的上述方法能夠在硬件中實現或者實現為軟件或計算機代碼，計算機 代碼能夠存儲在記錄介質中或者通過網絡下載，所述記錄介質諸如CD R0M、RAM、軟盤、硬盤 或磁-光盤，從而這里所述的方法能夠通過此類軟件使用通用計算機、或者專用處理器執 行，或者在諸如ASIC或FPGA的可編程或專用硬件中執行。如在本技術領域中所理解的， 所述計算機、處理器或可編程硬件包括如RAM、ROMA、閃存等的存儲器組件，當由計算機、處 理器或實現這里所述的處理方法的硬件訪問和執行時，它們可以存儲或接收軟件或計算機 代碼。從前述說明中顯然的，使用本發明能夠改善使用LDPC碼字編碼方案的通信系統的 性能。此外，這里公開的方案的使用改善了 LDPC碼的解碼性能。具體地，本發明提高在構 成LDPC碼的比特中具有較低糾錯能力的比特的可靠性。此外，本發明增強無線信道環境的 鏈路性能，其中在無線信道環境中，存在較大概率的是鏈路性能將由于噪聲、衰落現象和 ISI而降低，由此有助于提高數據發送/接收的可靠性。此外，根據本發明，LDPC碼的可靠 發送/接收降低了在整個通信系統中信號的錯誤概率，這使得能夠進行高速通信。
盡管已經參考本發明的具體優選實施例示出和描述了本發明，但是本領域技術人 員將理解在不背離由所附權利要求限定的本發明的精神和范圍的情況下，可以在其中進 行形式和細節上的各種改變。
權利要求
一種在使用低密度奇偶校驗(LDPC)矩陣的通信系統中發送數據的方法，該方法包括通過編碼信息數據比特產生LDPC碼字；交織所述LDPC碼字；將經交織的LDPC碼字映射到被表示具有實部和虛部的調制信號，以及通過將所述LDPC碼字比特分別映射到構成調制信號的比特當中的對應于所述實部的比特和對應于所述虛部的比特來產生映射信號；通過高階調制該映射信號產生調制信號；射頻(RF)處理該調制信號，以及經由發送天線發送經RF處理的信號。
2.如權利要求1所述的方法，其中，交織步驟包括 將交織列的數目確定為等于構成調制信號的比特的數目；通過將LDPC碼字比特的數目除以所確定的交織列的數目來確定交織行的數目； 在交織器中逐列寫入所述LDPC碼字比特；以及 逐行從其中寫入LDPC碼字比特的每列中讀取一個比特。
3.如權利要求2所述的方法，其中，LDPC碼字比特按照以下中的一個來排列在經歷交 織之前的從較高的度的比特起的降序順序，以及從較低的度的比特起的升序順序。
4.如權利要求1所述的方法，其中，產生映射信號的步驟包括將具有不同的度的LDPC碼字比特映射到對應于所述實部的調制信號構成比特以及對 應于所述虛部的調制信號構成比特，這兩個比特具有相同的可靠性。
5.如權利要求1所述的方法，其中，產生映射信號的步驟包括當較高的度的LDPC碼字比特被映射到調制信號構成比特中較高的可靠性比特中的一 個時，將較低的度的碼字比特映射到具有和經映射的調制信號構成比特相同的可靠性的調 制信號構成比特。
6.如權利要求1所述的方法，其中，產生映射信號的步驟包括當LDPC碼字比特的數目是N且使用256-元正交幅度調制(256-QAM)調制時，將LDPC 碼字比特按照度的降序順序劃分為8個組；將屬于第一組的LDPC碼字比特映射到對應于調制信號構成比特中的虛部和實部中的 一個的最高可靠性的比特；將屬于第二組的LDPC碼字比特映射到對應于調制信號構成比特中的虛部和實部中的 一個的中等可靠性的比特；將屬于第三組的LDPC碼字比特映射到對應于調制信號構成比特中的虛部和實部中的 一個的最低可靠性的比特；將屬于第四組的LDPC碼字比特映射到具有和第三組所映射到的比特相同的可靠性的 剩余比特；以及將屬于第五到第八組的LDPC碼字比特映射到沒有被映射到第一到第四組的剩余的調 制信號構成比特。
7. 一種在使用低密度奇偶校驗(LDPC)矩陣的通信系統中發送數據的裝置，該裝置包括編碼器，用于編碼信息數據比特并且輸出LDPC碼字； 交織器，用于交織所述LDPC碼字；比特映射器，用于將經交織的LDPC碼字映射到調制信號，以及通過將LDPC碼字比特分 別映射到構成調制信號的比特中的對應于實部的比特和對應于虛部的比特來輸出映射信 號；調制器，用于高階調制該映射信號并且輸出調制信號；和射頻(RF)處理器，用于RF處理該調制信號以及經由發送天線發送經RF處理的信號。
8.如權利要求7所述的裝置，其中，所述交織器 將交織列的數目確定為等于構成調制信號的比特的數目；確定通過將LDPC碼字比特的數目除以所確定的交織列的數目獲得的值，所述值表示 交織行的數目；在交織器中逐列寫入LDPC碼字比特；以及 逐行從其中寫入LDPC碼字比特的每列中讀取一個比特。
9.如權 利要求8所述的裝置，其中，所述LDPC碼字比特按照以下中選擇的一種方式來 排列在經歷交織之前的從較高的度的比特起的降序順序，以及從較低的度的比特起的升序順序。
10.如權利要求7所述的裝置，其中，所述比特映射器將具有不同的度的LDPC碼字比特 映射到對應于所述調制信號的實部的調制信號構成比特以及對應于所述調制信號的虛部 的調制信號構成比特，這兩個比特具有相同的可靠性。
11.如權利要求7所述的裝置，其中，當較高的度的LDPC碼字比特被映射到調制信號構 成比特中較高的可靠性比特中的一個時，所述比特映射器將較低的度的碼字比特映射到具 有和經映射的調制信號構成比特相同的可靠性的調制信號構成比特。
12.如權利要求7所述的裝置，其中，所述比特映射器包括當LDPC碼字比特的數目是N且使用256-元正交幅度調制(256-QAM)調制時，將LDPC 碼字比特按照度的降序順序劃分為8個組；將屬于第一組的LDPC碼字比特映射到對應于調制信號構成比特中的虛部和實部中的 一個的最高可靠性的比特；將屬于第二組的LDPC碼字比特映射到對應于調制信號構成比特中的虛部和實部中的 一個的中等可靠性的比特；將屬于第三組的LDPC碼字比特映射到對應于調制信號構成比特中的虛部和實部中的 一個的最低可靠性的比特；將屬于第四組的LDPC碼字比特映射到具有和第三組所映射到的比特相同的可靠性的 剩余比特；以及將屬于第五到第八組的LDPC碼字比特映射到沒有被映射到第一到第四組的剩余的調 制信號構成比特。
13.一種在使用低密度奇偶校驗(LDPC)矩陣的通信系統中接收數據的方法，該方法包括處理經過接收天線接收的信號； 通過解調經處理的信號產生解調信號；將映射到解調信號的LDPC碼字解映射，以及通過將LDPC碼字比特分別解映射到構成 解調信號的比特中的對應于實部的比特和對應于虛部的比特來產生經解映射的信號； 解交織所述經解映射的LDPC碼字；以及 解碼經解交織的LDPC碼字。
14.一種在使用低密度奇偶校驗(LDPC)矩陣的通信系統中接收數據的裝置，該裝置包括射頻(RF)處理器，用于RF處理通過接收天線接收的信號； 解調器，用于解調經RF處理的信號并且輸出解調信號；比特解映射器，用于將映射到解調信號的LDPC碼字解映射，以及通過將LDPC碼字比特 分別解映射到構成解調信號的比特中的對應于實部的比特和對應于虛部的比特來輸出經 解映射的信號；解交織器，用于解交織經比特解映射的LDPC碼字；和 解碼器，用于解碼經解交織的LDPC碼字。
15.一種在使用低密度奇偶校驗(LDPC)矩陣的通信系統中發送數據的裝置，該裝置包括與存儲器通信的處理器，該存儲器包括代碼，當代碼被處理器訪問時使得處理器接收信息數據比特的輸入數據流；通過編碼所述接收的信息數據比特來產生LDPC碼字；交織LDPC碼字；將經交織的LDPC碼字映射到被表示為具有實部和虛部的調制信號，以及通過將LDPC 碼字比特分別映射到構成調制信號的比特中的對應于所述實部的比特和對應于所述虛部 的比特來產生映射信號；通過高階調制該映射信號產生調制信號；和 向發送器提供所述經高階調制的映射信號。
16.如權利要求15所述的裝置，其中在交織所述LDPC碼字中，所述處理器 將交織列的數目確定為等于構成調制信號的比特的數目；通過將LDPC碼字比特的數目除以所確定的交織列的數目確定交織行的數目； 在交織器中逐列寫入LDPC碼字比特；以及 逐行從其中寫入LDPC碼字比特的每列中讀取一個比特。
17.如權利要求16所述的裝置，其中，所述LDPC碼字比特按照以下一個來排列在經 歷交織之前的從較高的度的比特起的降序順序，以及從較低的度的比特起的升序順序。
18.如權利要求15所述的裝置，其中，在產生映射信號中，所述處理器將具有不同的 度的LDPC碼字比特映射到對應于所述實部的調制信號構成比特以及對應于所述虛部的調 制信號構成比特，這兩個比特具有相同的可靠性。
19.如權利要求15所述的裝置，其中產生映射信號包括當較高的度的LDPC碼字比特被映射到調制信號構成比特中較高可靠性的比特中的一 個時，將較低的度的碼字比特映射到具有和經映射的調制信號構成比特相同的可靠性的調 制信號構成比特。
20.如權利要求15所述的裝置，其中在產生映射信號中，所述處理器當LDPC碼字比特的數目是N且使用256-元正交幅度調制(256-QAM)調制時，將LDPC 碼字比特按照度的降序順序劃分為8個組；將屬于第一組的所述LDPC碼字比特映射到對應于調制信號構成比特中的虛部和實部 中的一個的最高可靠性的比特；將屬于第二組的所述LDPC碼字比特映射到對應于調制信號構成比特中的虛部和實部 中的一個的中等可靠性的比特；將屬于第三組的所述LDPC碼字比特映射到對應于調制信號構成比特中的虛部和實部 中的一個的最低可靠性的比特；將屬于第四組的所述LDPC碼字比特映射到具有和第三組所映射到的比特相同的可靠 性的剩余比特；以及將屬于第五到第八組的所述LDPC碼字比特映射到沒有被映射到第一到第四組的剩余 的調制信號構成比特。
全文摘要
一種在使用低密度奇偶校驗(LDPC)矩陣的通信系統中發送數據的方法。該方法包括通過編碼信息數據比特產生LDPC碼字；交織LDPC碼字；將交織的LDPC碼字映射到調制信號，以及通過將LDPC碼字比特分別映射到構成調制信號的比特中的對應于所述調制信號的實部的比特和對應于虛部的比特來產生映射信號；通過高階調制該映射信號產生調制信號以及射頻(RF)處理該調制信號，以及經由發送天線發送經RF處理的信號。
文檔編號H04L1/00GK101911566SQ200880124313
公開日2010年12月8日 申請日期2008年11月7日 優先權日2007年11月8日
發明者安碩基, 尹圣烈, 明世澔, 李學周, 梁景喆, 梁賢九, 鄭鴻實, 都永煜, 金宰烈 申請人:三星電子株式會社;浦項工科大學校產學協力團