（信号与信息处理专业论文）hsdpa中amc的仿真研究.pdf

h s d p a 中a m c 的仿真研究 摘要 本文是对h s d p a 仿真项目的a m c 仿真部分的总结，仿真是根据3 g p p 的 协议以及相关论文在v i s u a lc + + 开发环境下进行的。本文首先介绍了h s d p a 的 技术背景和自适应编码调制的基本原理，然后按照3 g p p 建议中给出的a m c 发 送流程介绍了a m c 发送部分中添加c r c 尾比特，信道编码，h a r q ，h s d s c h 交织，1 6 q a m 比特重排，星座映射以及扩频等模块的原理。接着阐述了a m c 仿真的过程，介绍了总体仿真步骤；a m c 发送模块的仿真实现，包括发送模块 仿真步骤，调制的实现，信号能量归一化的过程；a m c 接收模块的仿真实现， 包括接收模块仿真步骤，解扰和解扩的过程，r a k e 接收的过程，m p i c 的实现。 对各种仿真结果进行了分析，尤其是对在衰落信道下1 6 q a m 的解调方法和在多 径衰落信道下多码传输时采用多径干扰删除( m p i c ) 技术提高吞吐量进行了一定 的研究。给出了高斯信道条件下各种m c s 的误帧率性能曲线，比较了1 6 q a m 比特重排对吞吐量的改善，多径衰落信道条件下，各种m c s 单码道和多码道， 不使用和使用m p i c 的吞吐量，分析了m p i c 的各种参数对吞吐量的影响，还给 出了使用自适应编码调制后的吞吐量性能结果。结果表明自适应编码调制可以充 分利用各种编码调制方案在不同信道条件下最大化系统的吞吐量性能，并通过采 用m p i c 技术使得采用高阶调制进行多码传输时可以大大改善吞吐量性能。相信 本文对进一步地研究h s d p a 有一定的参考价值。 关键词：高速下行分组接人( h s d p a ) ，自适应编码调制( a m c ) ，多径干 扰删除( m p i c ) ，吞吐量 r e s e a r c ha n ds i m u l a n 0 no fa m ci nh s d p a a b s t r a c t t h i sp a p e ri st l l er e p o r to ft l es i m u l a t i o no fa m c ，ap a r to ft h eh s d p a s i m u l a t i o np r o j e c t w h i c hi sd o n ew i t hr e f e r e n c et ot h e3 g p ps p e c i f i c a t i o n sa n ds o m e r e l e v a n tp a p e r s t h i sp a p e rb e g i n sw i t l lt h et e c h n i c a lb a c k g r o u n do fh s d p aa n dt h e b a s i cp r i c i p l eo fa m cw h i c ha r ef o l l o w e db yt h ep r o c e s s i n go ft h es e n d i n gp a r to f a m ci n c l u d i n gc r c ，c h a n n e lc o d i n g ，h h r q ，h s d s c hi n t e r l e a v i n g ，16 q a mb i t r e a l t a n g e m e n t c o n s t e l l a t i o n m a p p i n g a n d s p r e a d m o d u l a t i o nu n d e rt h e r e c o m m e n d a t i o no f 3 g p ea t i e rt h a tt h ep r o c e d u r eo f a m cs i m u l a t i o ni si n t r o d u c e d i n c l u d i n gt h em a i ns i m u l a t i o ns t e p s ，s i m u l a t i o ns t e p so fa m cs e n d i n gp a r ta n d r e c e i v i n gp a r tr e s p e c t i v e l y , i m p l e m e n t a t i o no fm a j o rm o d u l e so fa m cs e n d i n gp a r t a n dr e c e i v i n gp a r tr e s p e c t i v e l y 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ei n t r o d u c e da n da n a l i z e di n d e t a i li nt h i sp a p e ls o m es t u d i e so nt h ed e m o d u l a t i o nm e t h o df o r1 6q a mi nf a d i n g c h a n n e la n dm p i ct e c h n i q u ef o rh i g hl e v e lm o d u l a t i o nw i t hm u l t i c o d et r a n s m i s s i o n i nm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e lt oi m p r o v et h r o u g h p u ta r em a d e t h ef r a m ee r r o r r a t e p e r f o r m a n c eo fd i f i e r e n tm c su n d e rg a u s sc h a n n e l ，t h r o u g h p u to fd i f f e r e n tm c s u n d e rd i f f e r e n tf a d i n gc h a n n e lc o n d i t i o n s ，w i t hs i n g l ec o d ea n dm u l t i c o d e ，w i t ha n d w i t h o u tm p i c ，w i t ha d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n ga r eg i v e n t h ei m p r o m e n to f t h r o u g h p u tb yu s i n g1 6 q a mb “r e a r r a n g e m e n ti si l l u s t r a t e da n dt h ee f f e c to ft h e m p i cp a r a n a e t e r so nt h et h r o u g h p u ti sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tw i t ha i v i ct h e s y s t e m t h r o u g h p u tp e r f o m l a n c ec a nb em a x i m i z e db ye m p l o y i n ga p p r o p r i a t e m o d u l a t i o na n dc o d i n gs c h e m eu n d e rd i f i e r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n sa n dt h es y s t e m t h r o u g h p u tp e r f o r m a n c ec a l lb eg r e a t l yi m p r o v e db ye m p l o y i n gm p i cf o rh i g hl e v e l m o d u l a t i o ns c h e m ew i t hm u l t i e o d et r a n s m i s s i o n t h i sp a d e rc a nb ear e f e r e n c ef o r f u r t h e rs t u d yo fh s d p a k e yw o r d s ：h i g hs p e e dd o w n l i n k p a c k e ta c c e s s ( h s d p a ) ，a d a p t i v e m o d u l a t i o na n dc o d i n g ( a m c ) ，m u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ec a n c e l l e r ( m p i c ) ，t h r o u g h p u t 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他入已经发表或撰写过酌研究成果，也不包含为获得北京部电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 绎啦一醐：巡写l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 菲保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书， 本人签名 导师签名 日期 日期耋盘 知女! ；。gq 北京邮电大学硕士沦文h s d p a 中a v i c 的仿真研究 第一章绪论 从2 0 0 4 年4 月份到9 月份参加北京邮电大学信息理论与技术教研中心的 h s d p a 的仿真工作，属于a m c 和h a r q 小组，目的是跟踪先进技术，学习通 信系统研究的方法。h s d p a 是w c d m a 向4 g 演进的一个阶段，目的是提高吞 吐量，减小时延和达到更高的峰值速率。h s d p a 是应用到u t r a n ( u n i v e r s a l t e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 中用来提供非常高速的下行分组接人的，它使 用的信道是h s d s c h ( 高速下共享信遭) ，使用的技术包括a d a p t i v em o d u l a t i o n a n dc o d i n g ( a m c ) ，h y b r i da r q ( h a r q ) ，m i m oa n t e n n ap r o c e s s i n g 和f a s tc e l l s e l e c t i o n ( f c s ) 等 1 。h s d p a 有f d d 和t d d 两种方式，我们仿真的是f d d 的 方式。 本章将介绍h s d p a 的技术背景，a m c 的背景和特点以及h s d p a 中采用的 其它关键技术，并给出本课题的内容和目标，最后是本文的结构。 1 1h s d p a 的技术背景 3 g 是当前通信业的一太热点。3g 的特点之一就是其业务在上下行将会呈 现出很大的不对称性。对f d d 来说，则非常需要能有效地支持不对称业务的一种 技术。达就需要在现有3 g 技术基础上采用新技术。已经写入3 g p p 技术规范的 。高速下行分组接入( h s d p a ) 技术可以实现高达1 0 8 m 的高速下行数据，其中 有很多令人瞩目的技术很可能就在未来4g 的系统中得到应用。而且随着网络发 展，h s d p a 也很有可能提前到现有版本中实现。 h s d p a 技术是一种为多用户提供高速下行数据业务的技术。此技术特别适 合于多媒体、i a t e m e t 等大量下载信息的业务。在传输较高速率的业务数据时， 通过在特定时隙中使用较高调制方式( 8 p s k 、1 6 q a m 、甚至6 4 q a m ) 来进行 传输。大量研究表明，采用若干新技术可使空中下行速率达到4 0 m b i t s 以上。 目前国际上对h s d p a 技术的研究正在进行中，它是3 g p pw g l 的一个研究热点 【2 。 使用h s d p a 增强技术的w c d m a 在未来提供的业务是非常丰富的。用户可 北京邮电大学硕十| 仑文h s d p a 中a m c 的仿真研充 以通过移动终端享受宽带话音和可视电话及视频会议电话等多媒体业务； e - m a i l 、电子商务等与移动网络相结合来实现移动办公的数据业务；未来信息教 育业务也将有很好的应用前景，并给用户提供更加灵活和个性化的业务。 1 1 1 数据速率的考虑 g p r s 的理论峰值数据传输速率是1 7 2 k b s ，而实际上只有2 0 4 0 k b s 。 目前的w c d m a 标准在移动环境中的数据传输速率能达到3 8 4 k b s ，在静止 环境中能达到2 m b s ，即使是受到传输环境等外界因素的影响，单用户平均速率 至少也能达到2 0 0 3 0 0 k b s ，支持高速的分组交换和电路交换，并能提供许多基 于因特网且有不同服务质量( q o s ) 的业务，充分满足了i m t 2 0 0 0 关于第三代 移动通信的要求，因而成为当今研究的热点 3 1 。w c d m a 在移动通信网络中可 实现同时传输多个具有不同服务质量要求的高性能比特流数据业务，然而，对于 诸如下载或流媒体类业务，需要系统提供更高的传输速率和更少的延迟，由此引 发了数据传输率与系统容量之间的矛盾，所以在第三代移动通信网络中采用增强 型技术成为必然。为了满足这种要求，w c d m a 从这方面对空中接口做了改进， 引入了h s d p a 技术，使之可以支持高达1 0 8 m b p s 的峰值速率。 1 1 2 上下行不对称业务 高速下行分组接入( h s d p a ) 是3 g p p 在r5 协议中为了满足上下行高 速数据业务不对称的需求而提出的一种新技术。在上下行流量不对称的数据业务 环境下，如网页浏览、视频点播等业务，h s d p a 具有极强的实用性。 1 1 3h s d p a 对w c d m a 的改进【4 l 在w c d m ar 9 9 中，下行链路的功率控制的动态范围大约是2 0 d b ，而上行 链路的功控动态范围可达7 0 d b 。这主要是由于下行链路的功率受限于小区内于 拢( 并行码道上的用户间干扰) ，同时也意味着当用户靠近n o d e b 时，基站的 发射功率会有所降低但不可能在短时间内大幅度下降。使用a m c 后，对于靠近 n o d e b 的用户，充分利用现有的信道条件，使用高阶的调制方案和较高的编码速 率，来最大化下行链路的数据吞吐量。 北京邮电大学硕士沧文 h s d p a 中a m c 的仿真研究 w c d m a 从r 5 开始引人h s d p a ，其目的是为了适应未来大量的移动数据 业务而在无线接口增加下行链路的数据传输速率。引入h s d p a 后，无线部分的 总体结构虽与r 9 9 基本一致，但仍存在部分差异。 在r 9 9 中，所有的传输信道部是在r n c 端终止，因此数据的重传功能也就 相应位于r n c 端，为了支持h s d p a ，m a c 层的功能得到了增强，在m a c 层 新增了m a c h s 实体，位于n o d e b ，负责h a r q 操作以及相应的调度，提高了 重传的速度，减少了数据传输的时延。为了支持h s d p a ，在物理层引入以下三 种新的信道： ( 1 ) h s d s c h ( h i g hs p e e dd o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l ) 信道，下行链路， 负责传输用户数据。 ( 2 ) h s s c c h ( h i g hs p e e ds h a r e dc o n t r o lc h a n n e l ) ，下行链路，负责传 输对h s d s c h 信道解码所必须的控制信息的物理层控制信道。 ( 3 ) h s d p c c h ( u p l i n kh i g hs p e e dd e d i c a t e dp h y s i c a lc o n t r o lc h a n n e l ) ， 上行链路，负责传输必要的控制信息，主要是对a r q 的响应以及下 行链路质量的反馈信息。 h s d s c h 信道的共享方式有两种，最基本的方式是时分复用，即按不同的 时间段分给不同的用户使用，这样h s d s c h 信道码每次只分配给一个用户使用。 另一种就是码分复用，在资源有限的情况下，同一时刻，多个用户可以同时传输 数据。 h s d s c h 与r 9 9 中的d s c h 信道类似，均为下行共享信道。h s - d s c h 以 传输时间间隔t t i 为单位分配给用户使用。为了减小时延，增加调度进程的粒度 以及更及时她跟踪时变无线信道的特征，h s d s c h 采用了2 m s 的t t i ，而r 9 9 中的t t i 最小为1 0 m s 。具体h s d s c h 和d s c h 的区别如表1 一l 所示。 1 2 自适应编码调制( a m c ) 我们已经非常熟悉根据变化的信道条件来改变传输参数可以改善系统性能， 比如快速功控就是一种能够提供可靠通信同时提高系统容量的技术。这种改变传 输参数来补偿信道变化的过程通常被称为链路自适应。链路自适应技术里的另一 种就是自适应编码调制( a m c ) 。 北京邮电大学硕士论文h s d p a 中a m c 的仿真研究 表1 1 h s d s c h 和d s c h 的比较 项目 h s d s c hd s c h 信道 扩频因子固定为1 6按帧可变 调制方式 q p s k 1 6 q a m q p s k 信道编码t u r b o 码t u r b o 码和卷积码 t t i2 m s 最小1 0 m s h a r q在l 1 层进行包合并在r l c 层 功率控制固定的慢速功控基于随路的d p c h ，快速功控 传输信道复用否是 自适应编码调制是h s d p a 采用的关键技术之一。在h s d p a 中，不同的编 码调制方式组合成5 种编码调制方案( m c s ) 供系统根据信道情况进行选择， 以充分利用不同的m c s 在不同的信道条件下最大化系统的吞吐量。 a m c 的原理就是在系统允许的范围内根据用户无线信道的瞬时变化情况改 变编码和调制方式，从而最大限度地提高用户的数据传输速率。信道的变化情况 可以从接收方的反馈信息里得到。在某一个时间段内，从用户的信道条件来说， 在使用a m c 的系统里，处在有利位置比如离基站近或存在视距链路的用户被分 配使用高阶的调制方式和高的码率，比如6 4 q a m3 4 码率的t u r b o 码，来提高数 据传输速率；而处在不利位置比如处在小区边界或信道深衰落的用户则被分配使 用低阶的调制方式和低的码率，比女i q p s k1 2 码率的t u r b o 码，来确保通信质量 【1 。而对于一个用户来说，在不同的时间段根据信道的变化情况来自适应地选 择编码调制方式也必将实现高效的数据传输。否则，若在开始传输时采用高阶的 m c s ，则当信道条件差时，误帧率非常高导致吞吐量非常小；若在开始传输采 用低阶的m c s ，则当信道条件好时不能达到更高的吞吐量，造成信道条件的浪 费 5 】。 a m c 的主要优点在于：处于有利位置的用户可以获得更高的速据速率，这 样也就提高了小区的平均吞吐量；由于使用的是基于编码调制方案的链路自适应 4 北京邮电大学硪士沧文h s d p a 中a m c 的仿真研究 而不是调节发送功率这样可以减小于扰的变化。采用自适应编码调制技术可以使 下行分组数据传输率高达10 8m b i d s 。但是自适应编码调制的缺点就是对信道 质量的测量误差和时延很敏感。 由于自适应编码调制在提高数据传输速率和频谱利用率方面有很强的优势， 因此自适应编码调制技术将成为目前和未来移动通信系统中的关键技术之一。 1 3h s d p a 采用的其它关键技术 h s d p a 所采用的其它关键技术包括：混合自动请求重传( h a r q ) ，多人多 出天线处理( m i m oa n t e n n a p r o c e s s i n g ) ，空时编码技术( s t c ) ，快速小区选 择( f c s ) 等。关于各种技术的详细介绍可参看参考文献 1 。 1 4 本课题具体内容和目标 本课题( a m c 仿真) 是h s d p a 仿真课题的一部分。具体内容是根据3 g p p 的协议以及相关论文在v i s u a lc + + 开发环境下，仿真出不同信道环境下，单码道 和多码道，不使用和使用m p i c 的吞吐量，以及使用自适应编码调制后的吞吐量。 目标是跟踪和研究移动通信的先进技术，通过仿真学习研究通信系统的过程。 1 5 论文结构 本文分为以下几个部分：第二章是a m c 的原理概述，介绍了h s d p a 中引 入的新的物理信道h s p d s c h 的特点，然后按照a m c 发送的流程详细介绍了 a m c 发送的各个部分的原理。第三章是实现部分，说明了a m c 仿真的总体步 骤，a m c 发送模块和接收模块的仿真实现过程。第四章是仿真结果和分析，主 要是分析了不同信道条件下的吞吐量性能，以及采用m p i c 后的性能改善情况。 第五章是总结，并说明了需要改进的工作。最后是参考文献。 北京邮电大学顼士i 仑文 h s d p a 中a m c 的仿真研究 第二章a m c 原理概述 本章首先介绍在仿真中使用到的物理信道的特点，因为信道的属性是通信标 准的重要特点，然后分别介绍了a m c 的发送原理，高斯信道和瑞利信道的特点， 这部分内容是后面仿真的基础。 2 1 高速下行共享物理信道( 1 i s p d s c h ) 6 】 在h s d p a 中引进了一种新的物理信道高速下行共享物理信( h s p d s c h ) 。 高速下行共享物理信道是用来承载高速下行共享信道的信息的。高速下行共 享物理信道使用固定的扩频因子1 6 ，一个高速下行共享物理信道使用为发送高 速下行共享信道而保留的信道化码集合中的一个信道化码。允许多码传输，即可 以根据u e 的处理能力在一个子帧中为它分配多个信道化码。允许多个u e 通过 码分复用的方式在一个h s d s c ht t i 里同时使用h s p d s c h 。高速下行共享物 理信道的子帧和时隙结构如图2 1 所示： 图2 1 高速下行共享物理信道的子帧和时隙结构 一个高速下行共享物理信道可以使用q p s k 或1 6 q a m 调制，图中的m 是 每个调制符号对应的比特数，即q p s k 调制时m = 2 ，1 6 q a m 调制时m = 4 。时隙 结构如表2 1 所示： 表2 1 高速下行共享物理信道的时隙结构 时隙格式埘信道比特速信道符号速扩频因子每子帧比 每时隙比 率( k b p s )率( k s p s ) 特数特数 o ( q p s k ) 4 8 02 4 01 69 6 03 2 0 1 ( 1 6 q a m ) 9 6 02 4 0 1 61 9 2 06 4 0 所有物理层相关的信息都是在和高速下行共享物理信道相关联的高速共享 6 北京邮电大学顾十睦文 h s d p a 中a m c 的仿真研究 控制信道中传送的，也就是说高速下行共享物理信道不传送任何物理层的信息。 2 2a m c 发送原理 a m c 的发送过程主要是参照参考文献 7 ( 3 g p pt r 2 5 8 5 8 ) 。h s d p a 的发 送框图如图2 2 所示。业务数据流需要经过添加c r c 校验尾比特用来在接收方 检错，以决定是否请求重传。在h s d p a 中使用的是t u r b o 码，t u r b o 码的最大 码块长度为z = 5 11 4 ，在信道编码之前，需要进行码块分割，信道编码后再将各 个码块级联起来。信道编码后的数据需要经过速率匹配来适合所分配的物理信道 可容纳的数据量，这样就可以将数据分配到各个物理信道，也就是物理信道分割 和映射的过程。在每个物理信道内分别进行交织，以减小突发错误的影响。如果 采用1 6 q a m 调制，在不同的重传次数时调整映射比特的顺序，可以改善误比特 率性能。在h s d p a 中，采用了两种调制方式：q p s k 和1 6 q a m ，经过交织后， 将比特按照所需要的调制方式映射成符号，然后扩频，就可以发送到无线信道了。 本节将按照发送框图中的发送顺序依次介绍各个部分的原理。 2 2 1a m c 的原理 在仿真中实现的自适应编码调制是一种比较简单的方式，也就是，在信道衰 落特性保持不变的条件下，适应的对象只是信噪比，也就是根据信噪比选择合适 的编码调制方式。 在h s d p a 中共有5 种m c s 如表2 2 所示： 表2 2 h s d p a 中使用的m c s m c s 调制方式 编码速率 1 q p s k l 4 2 q p s k l 2 q p s k 3 4 4 1 6 q a m 1 2 5 1 6 q a m 3 4 北京邮电大学颐士论文h s d p a 中a m c 的仿真研究 、l i 添加c r c 尾比特f l 码块分割 i 1 1 蔷逼骊惜和屿i 块级联 l h a r q ( 速率匹配) i 物理信道分割和映射 li n s 一。s c n 交织lh s - d s c n 交织l 0l 1 6 q a m 比特重排1 6 q a i 比特重排导频数据 lll 星座映射lf 星座映射f 星座映射 1丰扩频 扩频 扩频 lil + l 乘扰码l 图2 2h s d p a 发送框图 8 北京邮电大学硕十i 皂文h s d p a 中a m c 的仿真研究 如图2 3 所示，首先根据各种m c s 仿真的结果决定m c s 改变的门限值 制定一个表，然后在仿真中根据当前的信噪比和m c sf q 限值表，选择m c s 。 m c s i m c s 2。m c s 3m c s 4m c s 5 t h r lt h r 2 t h r 3 t h r 4 信噪比 图2 3 自适应编码调制门限值表 2 2 2 添加c r c 尾比特 对发送的原始比特流以子帧( t t i ) 为单位加上c r c 尾比特。使用的生成 多项式是参考文献 8 】中规定的2 4 阶多项式： g ( d ) = d 2 4 + d 2 3 + d 6 + d 5 + d + l ；( 2 1 ) 添加c r c 尾比特的除法电路的实现形式如图2 4 所示。除法电路由移位 寄存器和模2 加法器构成，在时钟的作用下，每一个时钟周期输入一个比特，同 时该比特输出，当所有的比特输入完时在寄存器中的值即是相应的余式，此时开 关倒向寄存器一侧，将c r c 尾比特加到数据中。 彰 l 回拓回钿拓匝滟至正 输入比特流 图2 4 h s d p a 中的c r c 除法实现原理图 在接收端，将信息比特做同样的处理，得到新的余式，( d ) ，若rr ( d ) = r ( d ) ， 则认为该子帧正确，否则认为该子帧错误。 2 2 3 码块分割f 8 】 码块分割模块是为信道编码服务的，在h s d p a 中使用的是t u r b o 码，t u r b o 码的最大码块长度为z = 5 1 1 4 ，设加上c r c 后的比特长度为l ，如果l z ，则必须 进行码块分割。码块分割后的每一块的长度都相同，用c 来表示分割的块数，k j 匕京邮电大学硕士论文h s d p a 中a m c 的仿真研究 来表示每一块的长度，f 表示填充比特数。如果l 4 0 ，则只分一块，且需要在码 块的开始加4 0 - l 个填充比特。否则如果l 不是c 的倍数，则需要加一些填充比特 在第一块的开始，填充比特总是o 。c = v l z l ，如果l 坝u 需要将经过t u r b o 编码后的各个码块的 比特流级联为串行的比特流。级联的方法是按照码块编号递增的顺序依次将各个 码块编码后的比特输出。若将级联后的比特序列表示为c 。，c ：，c ，c 。，其m e 是编 码后总的比特数目且e = c y ，y 是编码后每个码块的长度，将第i 个码块编码后的 比特序列表示为只，咒一只，彬，则级联后的比特序列和编码后备个码块的比 特序列的关系为： q = y 1 ， 丘= 1 ，2 ， 吼= 扎r 一k = y + ! ，y + 2 2 y 凡 c = y f ( ( c 1 r ) k2 ( c 一1 ) h1 ，( c 一1 ) h2 ，c y ( 2 - 2 ) 2 2 6h a r q ( 速率匹配) 【7 l h a r q 主要完成物理层混合自动请求重传功能。物理层的h a r q 是r e l e a s e 9 9 里的速率匹配的扩展，它的l 乍用是将从信道编码输出的比特流匹配到 h s - d s c h 的物理信道的总比特数。h a r q 受参数r v ( r e d u n d a n c yv e r s i o n ) 的 控制。也就是说，h a r q 的输出比特数依赖于输入比特数，输出比特数和r v 参 数。m 垛q 包括两级速率匹配。第一级除了匹配的目标外，其它的方面和r e l e a s e 9 9 的速率匹配是一样的，它的匹配目标是用户终端可用的软缓冲能力，而不是 在h s d s c h 的个t t i 的物理信道里可容纳的比特数。 重传的模式有3 种：c h a s ec o m b i n a t i o n ，p a r t i a li n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y 和 f u l li n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y 。不同的重传模式对应有不同的速率匹配参数，也就 决定了哪些数据要重传。 2 2 7 物理信道分割和映射【8 1 速率匹配后的数据是串行的比特流，在物理信道分割模块里要把这些串行的 比特流分割为并行的比特支流，每一个支流都将被映射到一个物理信道。在c d m a 北京邮电大学硕士论文h s d p a 中a m c 的仿真研究 系统里物理信道是通过不同的扩频码来区分的。在h s d p a 中，由于扩频因子取 为1 6 ，而公共导频信道的扩频码是0 号w a l s h 码，因此最多可以使用15 - f 物理信道 来传送业务。当物理信道数目大于1 时，需要进行码块分割以将速率匹配后的比 特再分配到各个物理信道。输人到物理信道分割模块的比特序列表示为 一，x ：，工，x 。，其中x 是总的比特数。物理信道数目表示为p 。物理信道分割后 的比特序列表示为l p , l “髓，“ ，z ，其中p 是物理信道号，u 是每个物理信道 y 在一个无线帧中的比特数，即u = - “f ，输人输出比特序列的关系为： “，i = 靴女= 1 ，2 ，u ， “p = n + r p l ，ut = 1 ，2 ，u( 2 3 ) 输入到物理信道映射模块的比特序列表示为：v p , l , v ，v 邸，”州，其中p 是物理信道号，u 是每个物理信道在一个无线帧里的比特数。物理信道映射要使 得在每个物理信道中的比特v 硝要按照k 递增的顺序发送到空中。 2 2 8h s - d s c h 交织1 8 1 交织是为了减弱突发错误的影响而引入的。h s d p a 里的交织如图2 6 所 示。每一个物理信道的比特流都要进行这样的交织。使用q p s k 调制的交织器和 r e l e a s e9 9 里的第二次交织器是样的，交织器的大小是固定的行数r 2 = 3 2 ，列 数c 2 = 3 0 。使用1 6 q a m 调制的物理信道要使用两个完全相同的交织器，大小也 都是r 2xc 2 = 3 2 + 3 0 = 9 6 0 。用t 和k 分别表示第p 个物理信道的进入交织模 块的第k 个比特和第p 个物理信道的从交织模块输出的第k 个比特。从物理信道 分割输出的数据被分到两个交织器，比特k 和u p , k + 1 进入到第一个交织器，比 特m 和u p k + 3 进入到第二个交织器。交织器的输出被两个两个地收集，比特 v pk 和 + 来自第一个交织器，比特v p ，2 和k - 3 来自第二个交织器。这也 使得从第一个交织器输出的比特在1 6 q a m 调制时映射到更加可靠的位置( i l 和 q 1 ) 而从第二个交织器输出的比特映射到不太可靠的位置( i 2 和q 2 ) 。 北京邮电大学硕士沧文 h s d p a 中：u v l c 的仿真研究 u p hu 口k + 3 ( 1 6 q a m ) 图2 6 h s - d s c h 交织器结构图 这里使用的交织是一种块交织。每一个交织器的交织原理是完全一样的， 只以一个为例来说明。令t t p d t l p2 , 1 9 p3 k ，t l p , u 表示第p 个物理信道输入到交织模块 的比特流，u 是物理信道所承载的比特数。交织分为5 步完成。 ( i ) 指定交织矩阵的列数为c 2 = 3 0 ，列号从左到右依次计为0 ，1 ，2 c 2 ( 2 ) 确定交织矩阵的行数r 2 ，使得r 2 是满足u r 2 。c 2 的最小的整数。 行号从上到下依次计为0 ，1 ，2 一r 2 1 。在h s d p a 中将r 2 固定 为r 2 = 3 2 ，因为对q p s k ，每个物理信道在一个t t i 里所承载的比特 数为u = 2 1 5 6 6 0 x 2 x3 = 9 6 0 ，恰好填满一个交织矩阵。 ( 3 ) 将“川“时“ k , u p , u 逐行写入一个r 2 c 2 = 9 6 0 的矩阵，最开始是 将y p t 写入第0 行第0y , j 。写完后交织矩阵形式为： y n l y p ，( c 2 “) m j ，p ，“r 2 一i ) x c 2 十1 ) y p ，2 y ，( c 2 + 2 ) m y p ，( ( r 2 一l k c 2 + 2 ) y p ，3 j ，p ( c 2 + 3 ) m y p ，( ( r 2 一i ) x c 2 + 3 ) k y p ，c 2 k y p ，( 2 。c 2 ) km k y ，( r 2 。c 2 ) 其中 y 肿2 “，一，k - 1 ，2 u 。如果r 2 。c 2 u ，则需要添加填充比特： y “= o 或l ，k = u + 1 ，u + 2 r 2xc 2 。这些填充比特在输出时要去掉。 ( 4 ) 按照由表2 3 确定交织矩阵的列间置换模式( p 2 ( ，) ) ，e x 口一， 对矩阵 实行列间置换。这里p 2 ( j ) 是交织后的第j 列所对应的交织前的列号。 列间交织后的比特表示为y ：。交织后的矩阵形式为 北京邮电大学硕士沦文h s d p a 中a m c 的仿真研究 yp ( r 2 + j y p ，( r 2 + 2 ) m yp 【2 。r 2 ) yp 1 2 。r 2 “) y p ， 2 r 2 + 2 ) m y p o 。r 2 1 k y p ，“c 2 。) x + i k y p ，( ( c 2 一i ) x n + 2 ) km k y ，( c 2 。r 2 ) 表2 3 交织矩阵的列间置换模式 n u m b e ro fc o l u m n sc 2i n t e r - c o l u m np e r m u t a t i o np a t t e m ( 5 ) 输出数据是从进行列间交织后的交织矩阵里逐列读出的。交织后的输 出比特序列表示为。川，”p 2 ，k ，”硝，其中”川对应于去掉填充比特后的下标k 最 小的y ；”v 础对应于去掉填充比特后的下标k 倒数第二个最小的y ：，t 等等。 2 2 91 6 q a m 比特重排【7 】，1 9 】 图2 7 所示为t 6 q a m 的星座图。1 6 q a m 调制在高斯信道下i l 和q 【的误 码率要比i 2 ，q 2 的低( 可以参考4 3 1 中的仿真结果) ，或者说i l 和q l 比i 2 和q 2 更可靠。为了提高1 6 q a m 的性能，h s d p a 采用了两种不同的比特映射技术： 通过重传均衡比特的可靠性和尽量将系统比特映射到具有高可靠性的位置。比特 重排在重传时通过改变四个相邻比特到符号的映射关系平均了各个比特的可靠 性，这样相当于达到时间分集和空间分集的双重效果。比特重排时以4 个比特为 单位的。假定输入到比特重摊模块的四个比特为i t , q l ，i 2 ，q 2 。重排的模式如表2 4 所示。重排模式由参数b 来决定。b = 0 是第一次传送时的模式。b = l 将开始的 两个比特和最后的两个比特交换，将i 2 ，q 2 映射到了更可靠的位置。b = 2 和b = 3 则将符号在i 2 ，q 2 的内部区域和外部区域之间做了交换。在第一次传送时，比特 重排的优势是无法体现的，但可以尽量将系统比特映射到高可靠的位置而将校验 比特映射到较低可靠位置的方法来提高系统性能。 北京邮电大学硕士疋文h s d p a 中- u r i c 的仿真研究 表2 4 1 6 q a m 比特重排模式 b i t r e a r r a n g e m e n t 0 u t p u tb i t 0 p e r a t i o n p a r a m e t e rb s e q u e n c e 0 1 吼0 2 宰： n o n e 1 2 q 2 i 9 1 s w a p p i n gi lw i t hi 2a n dq 1w i t hq 2 x o rw i t h0 0 11 ( e q u i v a l e n tt oi n v e r s i o no ft h el o g i c a lv a l u e so fk 2 i i 吼0 2 宁： a n dq 2 ) - 一 3 2 q 2 f i g is w a p p i n g w i t h a n d 卿w i t hq 2 a n d x o r w i t hd 0 1 1 q 上生 1 0 1 l i d o l 、 o o o 】 0 0 1 】 摹一一 1 0 1 01 0 0 00 0 0 00 0 1 0 一 1 1 1 01 1 0 00 1 0 0o n o i l l l1 1 0 l0 1 0 1o l l i 图2 7 1 6 q a m 星座图 2 2 1 0 星座映射 h s d p a 中的h s d s c h 可以使用两种调制方式：q p s k 或1 6 q a m ，即低阶 调制方式或高阶调制方式。c p i c h 使用固定的q p s k 调制方式，调制和扩频乘 扰码的框图如图2 8 ： 扩频码 物理信道 扩频码 图2 8 调制和扩频乘拢码框图 信道 北京邮电大学硕士论文 h s d p a 中a m c 的仿真研究 对于q p s k 映射，每两个连续的比特分别映射到i 路和q 路，所有编号为 偶数的比特映射到i 路，所有编号为奇数的比特映射到q 路。在每一子帧中第一 个比特编号为o 。对于1 6 q a m ，每四个连续的比特n k ，n k + l ，n k + 2 ，m + 3 ( 其中km o d 4 = o ) 进行串并变换，使得两个比特到i 路( f 尸磁，i 2 = 糯+ 2 ) ，两个比特到q 路( 张 q 2 = b k + 3 ) ，然后按照1 6 q a m 星座映射图映射成1 6 q a m 的符号。 为了保证统计上每个符号的能量为1 ，需要进行符号的能量归一化。下面以 1 6 q a m 为例说明符号能量归一化。假定各个符号发送的概率相同，即1 1 6 ，映 射的目的除了使得各个符号点的相对位置正确外，还要使平均各个符号的能量为 1 ，即实现符号能量归一化。假定0 0 0 0 映射的符号的坐标为( a ，a ) ，则0 0 0 1 映 射的符号的坐标为( a ，3 a ) ，等等。根据各个象限符号相对于原点以及i 轴的对称 性可得各个符号的平均能量为： f 巨= 去x 4 ( 2 2 + 1 0 口2 + t o d 2 + 1 8 。2 ) = 1 0 口2 = 1 ，则口2 j 去。0 3 1 6 2 。 q p s k 的星座图如图2 9 所示： q 0 7 0 7 l 1 0一0 0 0 7 0 7 1 h 0 1 图2 9 q p s k