HRPD 系統(tǒng)調(diào)制與編碼技術(shù).doc

精品論文推薦hrpd 系統(tǒng)調(diào)制與編碼技術(shù)黃勇，吳交，桑林 北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院，北京 （100876） e-mail：摘 要：本文在簡(jiǎn)要介紹 hrpd 系統(tǒng)鏈路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，著重研究了相應(yīng)的調(diào)制與編碼技術(shù)。 為了提高傳輸速率，hrpd 系統(tǒng)中引入了 16qam 和 64qam 等高階調(diào)制以及與 walsh 碼相結(jié)合的復(fù)合調(diào)制方式，并采用了 turbo 編碼。文中給出了軟解調(diào)算法，另外還介紹了 max-log-map解調(diào)及 log-map turbo 譯碼這種組合方式。,最后通過(guò)在不同信道下 hrpd 系統(tǒng)鏈路仿真分析了 解調(diào)和解碼算法的性能。關(guān)鍵詞：hrpd，walsh 碼，16qam，turbo 碼，llr中圖分類號(hào)：tn929.5331. 概述cdma 技術(shù)從 is 95a 發(fā)展成為 is 95b，再發(fā)展至 cdma 2000 1x，直至 3g 技術(shù)的一種hrpd（high rate packet data）技術(shù)，也就是所謂的 ev-do 技術(shù)，一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。hrpd 是指在 cdma 2000 技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的具有高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力的一種新技術(shù)。 目前已經(jīng)發(fā)布 rev.b 版本，其反向數(shù)據(jù)信道的 cdma 信道的調(diào)制方式有 bpsk, qpsk 和8psk 三種，以及與 4 階 walsh 碼和 2walsh 碼相結(jié)合的復(fù)合調(diào)制方式。因此，調(diào)制方式有 q4, q2, q4q2, e4e2 和 e2 等 5 種，這與 rev.a 是相同的。與 rev.a 相比，在原有 qpsk, 8psk 和 16qam 的基礎(chǔ)上，前向物理層包的調(diào)制方式增加了 64qam，前向 mac 信道 macindex 擴(kuò)展至 384 個(gè)。本文第 2 部分簡(jiǎn)要介紹了 hrpd 系統(tǒng)發(fā)送端鏈路結(jié)構(gòu)，第 3 部分以 16qam 為例推導(dǎo)了高 階調(diào)制的軟解調(diào)算法,另外還說(shuō)明了 turbo 解碼器如何針對(duì)高階調(diào)制的軟信息輸入做必要的修改, 然后在第 4 部分通過(guò)在不同信道下 hrpd 系統(tǒng)鏈路仿真分析了解調(diào)和解碼算法的性能。2. 發(fā)送端鏈路結(jié)構(gòu)2.1 前向根據(jù) 3gpp2 發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn) c.s00241，hrpd 系統(tǒng)共分為 7 層，本文所述技術(shù)均是針對(duì)物理 層的。其前向鏈路信道結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。包括導(dǎo)頻(pilot)信道，媒體接入控制(mac)信道，業(yè)務(wù) (traffic)信道和控制(control)信道。這 3 類信道以時(shí)分復(fù)用的方式組合在一個(gè)時(shí)隙(slot)內(nèi)發(fā)送， 信道之間采用時(shí)分而不是碼分也是 hrpd 與 cdma 2000 的重要區(qū)別。圖 2 是一個(gè)時(shí)隙的結(jié)構(gòu)， 一個(gè)時(shí)隙分為相同的兩部分，共占用 1.667ms。一個(gè) hrpd 幀的時(shí)長(zhǎng)是可變的，依據(jù)速率不同 分別使用 116 個(gè)時(shí)隙。當(dāng)無(wú)業(yè)務(wù)信息或控制信息發(fā)送時(shí)，空閑時(shí)隙發(fā)送導(dǎo)頻信道和 mac 信道 信息，如圖 2 所示。- 10 -圖 1. 前向鏈路信道結(jié)構(gòu)圖 2. 前向鏈路時(shí)隙結(jié)構(gòu)圖 3. 反向鏈路信道結(jié)構(gòu)圖 4. 反向鏈路業(yè)務(wù)信道時(shí)隙結(jié)構(gòu)2.2 反向反向各信道依然是碼分復(fù)用，包括反向接信道(access)、前向反饋信道(forward feedback)和業(yè)務(wù)信道(traffic)，如圖 3 所示。反向業(yè)務(wù)信道的幀周期為 26.667 毫秒。幀的 0 偏位置應(yīng)該和短 pn 碼對(duì)齊。每個(gè)反向業(yè)務(wù) 信道幀占 16 個(gè)時(shí)隙，或者說(shuō) 4 個(gè)子幀，每個(gè)子幀占 4 個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙周期為 1.667 毫秒。每 個(gè)時(shí)隙包括 2048 個(gè) pn 碼片。一個(gè)子數(shù)據(jù)包是反向業(yè)務(wù)信道傳輸?shù)淖钚挝唬加?4 個(gè)時(shí)隙。 一個(gè)子幀是能夠傳輸一個(gè)子數(shù)據(jù)包的一組連續(xù)時(shí)隙。反向業(yè)務(wù)信道子幀結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，每個(gè)物理層數(shù)據(jù)包最大可以傳 4 個(gè)子數(shù)據(jù)包。當(dāng)傳輸 多于一個(gè)子包時(shí)，每個(gè)子包之間要有 3 個(gè)子包的時(shí)間交錯(cuò)。也就是說(shuō)每?jī)蓚€(gè)子包之間有兩個(gè)子 幀分開(kāi)，這樣其他數(shù)據(jù)包的子包就可以在這個(gè)空隙中傳輸。2.3 信道編碼和調(diào)制在 hrpd 系統(tǒng)中，前反向信道編碼均采用碼率為 1/3，1/4 或 1/5 的 pccc (parallel concatenated convolutional code) turbo 碼。編碼器由兩個(gè)系統(tǒng)遞歸卷積編碼器(rsc)并行級(jí)聯(lián)而 成。其生成矩陣如下 g(d) = 1n0 (d)d (d)n1 (d)d (d) (1)其中： d (d) = 1 + d2 + d3 ， n (d) = 1 + d + d3 ， n (d) = 1 + d + d2 + d3 。0 1hrpd 前向業(yè)務(wù)信道的調(diào)制方式有 qpsk, 8psk, 16qam 和 64qam 四種。由于采用了16qam 這樣的高階調(diào)制方式，加之用時(shí)分復(fù)用的方式來(lái)隔離信道和用戶，故而 hrpd 的前向 鏈路傳輸數(shù)據(jù)的峰值速率能夠高達(dá)數(shù)十兆。hrpd 反向鏈路采用與 walsh 碼相結(jié)合的復(fù)合調(diào)制方式。在反向鏈路中，信道交織器的輸 出送至調(diào)制器，然后變成同相和正交的兩路調(diào)制符號(hào)。根據(jù)載荷尺寸的不同，調(diào)制器可以選擇 bpsk,qpsk,或 8-psk，不過(guò)，這些調(diào)制方式經(jīng)過(guò)組合之后與普通的調(diào)制方式是有區(qū)別的。交織 器的輸出符號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)制后，再經(jīng)過(guò) walsh 碼擴(kuò)頻調(diào)制，walsh 碼為 2 階，4 階或二者都有。 經(jīng)過(guò)組合的調(diào)制方式有以下 5 種：b4, q4, q2, q4q2 和 e4e2。圖 5 所示為 q4q2 調(diào)制，第一路 兩個(gè)編碼符號(hào)經(jīng) qpsk 調(diào)制后，再經(jīng) 4 階 walsh 擴(kuò)頻形成 4 個(gè)碼片；第二路 4 個(gè)編碼符號(hào)經(jīng) qpsk 調(diào)制之后與 2 階 walsh 碼相乘得到 4 個(gè)碼片，速率與第一路匹配，之后第一路和第二路調(diào)制 i, q 兩路分別相加。其他 4 種調(diào)制方式與此類似，概不贅述。2w4 =(+)1312w4 =(+)31w2 =(+) 2321w2 =(+) 3圖 5. q4q2 調(diào)制3. 接收端解調(diào)譯碼技術(shù)3.1 為何要用軟解調(diào)如圖6，在這個(gè)例子里，發(fā)送比特為“1111”，即i=1，q=1；接收到i=2.1，q=2.1，如果按照 這個(gè)接收信號(hào)進(jìn)行譯碼，顯然是錯(cuò)誤的，那么如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？軟信息映射塊的目標(biāo)是把 每個(gè)符號(hào)的每個(gè)比特轉(zhuǎn)換成軟信息輸出值，而不是進(jìn)行硬判決，這樣就能更準(zhǔn)確的譯碼了。圖 6 軟信息示例:16qam 接收信號(hào)3.2 軟解調(diào)與 turbo 碼結(jié)合的問(wèn)題由于turbo譯碼需要軟輸入4，所以采用調(diào)制與編碼級(jí)聯(lián)方式時(shí)，譯碼器前接的解調(diào)器必須 能輸出軟信息(對(duì)數(shù)后驗(yàn)概率比)，而不能像傳統(tǒng)解調(diào)器那樣輸出硬判決因此在接收端，采用 max-log-map解調(diào)及l(fā)og-map turbo譯碼這種組合方式。但對(duì)于后接為軟輸入二進(jìn)制譯碼器的情 形，需要的不是符號(hào)級(jí)的軟輸出，而是比特級(jí)的軟輸出。對(duì)于高階調(diào)制同turbo碼結(jié)合的情形， 因?yàn)閠urbo碼對(duì)信噪比有一定的敏感性，所以解調(diào)算法不應(yīng)忽略此信息5，系統(tǒng)中可對(duì)譯碼器輸 入的軟信息進(jìn)行限幅來(lái)改善。3.3 如何進(jìn)行軟解調(diào)經(jīng)過(guò)信道傳輸之后，接收信號(hào)為：r (i) = ch (i) x(i) + n(i) ，其中， ch (i) 為信道乘性干擾，2對(duì)于awgn 信道， ch (i) = 1 ；n(i) 為信道加性干擾，即高斯白噪，實(shí)部和虛部功率均為/2 。通過(guò)理想信道補(bǔ)償（本系統(tǒng)仿真中采用均衡和干擾刪除）后： y(i) = x(i) + n(i) / ch (i) 。 解調(diào)器輸入的 llr 可近似的認(rèn)為服從高斯分布。 y = yi + jgyq ，接收信號(hào)的實(shí)部和虛部是相互獨(dú)立的，因此可以從一開(kāi)始就對(duì) i, q 路分別解調(diào)以減小運(yùn)算復(fù)雜度，以下就以 16qam的 i 路為例進(jìn)行推導(dǎo)。星座點(diǎn)中的符號(hào)逐比特解調(diào)，第 i 個(gè)接收符號(hào)的第 k 個(gè)比特的 llr(對(duì)數(shù) 似然比)：e( xi ( i ) yi ( i )2 2llrk(i) = ln =i si ( k ) = 0( xi ( i ) yi ( i )2 e i si ( k ) =1 2(2)分子將所有第 k 個(gè)比特為 0(或 1)的符號(hào)的概率加起來(lái)；分母將所有第 k 個(gè)比特為 1(或 0) 的符號(hào)的概率加起來(lái)；這些接收符號(hào)與發(fā)送符號(hào)間的歐氏距離呈指數(shù)衰減分布；方程的結(jié)果表 示第 k 個(gè)比特的可靠性值，我們稱之為軟信息。第 i 個(gè)接收符號(hào)的第 k 個(gè)比特 bi ,k 的 llr 表示如下：pxi = a| yipyi | xi = a(b) = ln pbk = 0| yi (i) = ln xc0= ln xc0, 1 k 2, a = x (i)(3)pbk =1| yi (i)pxi = a| yipyi | xi = ai,k ixc1 ixc1再由 lne x ii maxx ，以及 llr 可近似的認(rèn)為服從高斯分布，可得：| (i) |2(b) = ch min | y (i) a |2 min | y (i) a |2(4)i ,k 2as ias i 1 0這就是 max-log-map 算法下比特軟信息?？紤]到軟判決信息的絕對(duì)值與接收信號(hào)到判決邊界的距離是成正比的，進(jìn)一步簡(jiǎn)化可得到：| (i) |2(b ) =i ,k ch 2| di ,k |, yi (i) u0 (i, k )| (i) |2(5)(bi ,k ) = ch 2| di ,k |, yi (i) u1 (i, k )其中 di ,k 定義為接收信號(hào)同相分量 yi (i) 與 bi ,k 最近判決邊界間的距離。圖 7 同相分量判決邊界示意圖如圖 2 所示，同相分量的第一個(gè)比特(即 k=1)，以 y 軸為判決邊界，則信號(hào)點(diǎn)到 y 的距離 di ,1為 yi (i) ；同相分量的第二個(gè)比特以圖中虛線為判決邊界，則有如下關(guān)系： yi (i) k = 1di ,k (i) = | d(i) | 2d k = 2(6)i ,1其中 d 表示 16qam 星座圖的單位長(zhǎng)度， bi ,1 為可靠性最好的比特，其判決邊界為縱軸，所以 di ,1 (i) = yi (i) 。最后得到的軟判決信息 (bi,k ) 逐比特輸入 turbo 譯碼器進(jìn)行譯碼。比較詳盡的逐比特軟解調(diào)算法分析可以參考文獻(xiàn)2，3。4. 仿真分析仿真平臺(tái)完全按照1搭建，前向鏈路基帶仿真平臺(tái)如圖 8 所示。表 1，2 所示為前、反向 鏈路基帶仿真平臺(tái)系統(tǒng)參數(shù)。圖 8 hrpd 前向鏈路基帶仿真平臺(tái)表 1 前向鏈路仿真參數(shù)-數(shù)據(jù)速率 1 228.8 kbps時(shí)隙 2 時(shí)隙 碼率1/3 幀長(zhǎng)4096 比特調(diào)制方式16qam表 2 反向鏈路仿真參數(shù)- 數(shù)據(jù)速率 38.4 kbps 時(shí)隙4 時(shí)隙 碼率 1/5幀長(zhǎng) 256 比特 調(diào)制方式b4組 合調(diào)制重復(fù)/打孔信 信turbo 加 道 源編碼 擾 交 織判決 turbo 解 解 交解 重復(fù)解 調(diào)均衡+ pic統(tǒng)計(jì)譯碼 擾織正交 多徑 擴(kuò)信道頻正 交 解 擴(kuò)awgn圖 9 hrpd 反向鏈路基帶仿真平臺(tái)仿真選取 awgn 和 30km/h 的多徑衰落信道。前向調(diào)制方式為 16qam，反向調(diào)制為文中 介紹的復(fù)合方式。由于使用了 turbo 編碼，所以接收端均采用軟解調(diào)。圖 10，11 分別為前、反向仿真結(jié)果。前向鏈路中，awgn 信道下 3db 時(shí)誤包率達(dá)到103 ，30km/h 衰落信道下，17db時(shí)接近103 ，因?yàn)榛景l(fā)送功率較大，這個(gè)數(shù)值是合理的。反向鏈路中，30km/h 衰落信道下，-11.5db 時(shí)接近103 。通過(guò)仿真可以知道，系統(tǒng)采用軟解調(diào)和 turbo 解碼相結(jié)合的 max-log-map算法，保證在高速通信的情況下，高階調(diào)制能夠提高頻譜效率，而使用強(qiáng)有力的 turbo 編碼可以保證通信的可靠性。前向1.2288mbps,2時(shí)隙，16qamawgn信道30km/h,衰落信道010-110誤包率-210-3102 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18eb/no, db圖 10 前向鏈路仿真結(jié)果，awgn 信道和衰落信道反向 38.4kbps 衰落 信道 010-110-2誤包 率10-310-410-14 -13.5 -13 -12.5 -12 -11.5 -11eb/no db圖 11 反向鏈路仿真結(jié)果，衰落信道5. 總結(jié)本文就hrpd系統(tǒng)鏈路的調(diào)制與編碼技術(shù)做了全面的探討，對(duì)于利用軟信息解調(diào)與解碼的 算法進(jìn)行了深入的研究，并通過(guò)前反向不同信道的仿真說(shuō)明其性能和使用價(jià)值。目前人們對(duì)信 息速率的要求越來(lái)越高，為提高頻譜效率和通信的可靠性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中運(yùn)用了更多的高階調(diào)制 和更好的糾錯(cuò)編碼技術(shù)，如16qam, 64qam調(diào)制和turbo碼，ldpc碼等，為降低誤碼率，在高 速傳輸通信系統(tǒng)中多采用均衡，干擾消除，多用戶檢測(cè)等接收端技術(shù)，這些技術(shù)廣泛應(yīng)用于第3 代的cdma系統(tǒng)中，此外在b3g, 4g的ofdm, mc-cdma和wimax等系統(tǒng)中也均有應(yīng)用，因此 我們的研究有著廣泛而實(shí)際的意義。參考文獻(xiàn)1 3gpp2 c.s0024-b cdma2000 high rate packet data air interface specification, version 2.0 march 2007 2 low complexity bit by bit soft output demodulator, k. fagervik and t.g. jeans3 a novel efficient soft output demodulation algorithm for high order modulation, xinyu gu, kai niu, weiling wu4turbo 碼原理與應(yīng)用技術(shù)，劉東華5高階調(diào)制的軟輸出算法比較，何燕鋒，楊鴻文，郭文彬modulation and coding techniques in hrpd systemhuang yong，wu jiao，sang linschool of telecommunication engineering，beijing university of posts and telecommunications，beijing (100876)abstractbased on a brief introduction to the link structure of hrpd system, in this paper, the corresponding modulatio