（通信与信息系统专业论文）移动通信系统中的混合arq技术研究.pdf

摘要 在移动通信系统中，多径、阴影、多普勒频移等会严重恶化系统性能，使随机错误 和突发错误并存。如不采取有效措施，势必不能满足数据传输的可靠性要求，亦难以满 足服务质量( q o s ) 的要求，有效的差错控制技术因而成为通信领域致力研究的课题。 混合a r q ( h a r q ) 技术是前向纠错和检错重发方式的结合。这种系统不但具有纠正错 误的能力，而且对超出纠错能力的错误有检测能力。混合a r q 技术于上世纪六十年代 初期首次提出，并在过去几十年里得到了较为全面的研究。3 g p p 和3 g p p 2 己把它作为 下行高速分组数据业务的关键技术之一。本文以第三代移动通信系统作为平台，对混合 a r q 技术做了深入的探讨和研究。 本文首先对3 g p p 2 针对高速下行分组业务提出的标准c d m a 2 0 0 0i xe v - d o 做介绍 和研究，然后以e v - d o 系统为平台，研究各种混合a r q 技术在第三代移动通信系统中 的应用。在讨论了各种传统的混合a r q 技术之后，本文重点研究了两种基于预编码的 混合a r q 技术：一种是基于衰落信道预均衡的混合a r q 方案，本文提出了一种基于 e v - d o 系统的改进型预均衡混合a r q 方案，显著提高了系统高速下行分组业务的性能； 另一种是基于高阶调制的星座图重构的混合a r q 方案。传统的混合a r q 技术都是针对 编码和译码环节设计的，但随着通信系统复杂度的提高，单独依靠改进编译码方式增加 系统的吞吐量是非常困难的。我们从信道均衡和调制的角度出发，将新的混合a r q 方 案应用到e v - d o 系统中，改进了系统的性能。 关键词：混合a r q e v - d o 预均衡星座图重构 r c p t a b s t r a c t o nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h ee f f e c t so fm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e lm a y w e a k e nt h ep e r f o r m a n c e ，a n dl e a di n t ot h ec o e x i s t e n c eo f r a n d o me l r o r sa n db u r s te r r o r s t h e r e l i a b i l i t yo fd a t ac o m m u n i c a t i o n sc a l ln o tb ea c h i e v e di ft h e s ep r o b l e m sc a nn o tb es o l v e d ， a n dt h eq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) c a nn o tb es a t i s f i e de i t h e r h y b r i da r q t e c h n o l o g yi st h e c o m b i n a t i o no f f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) a n da r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) t h i sk i n d o fs y s t e mn o to n l yh a st h ea b i l i t yo fe r r o rc o r r e c t i o n , b u ta l s oh a st h ea b i l i t yo fd e t e c t i n g e r r o r sw h i c hc a nn o tb ec o r r e c t e d h y b r i da r q t e c h n i q u ew a sf i s td e s i g n e di nt h ee a r l yo f 1 9 6 0 sa n dg a i n sc o m p r e h e n s i v er e s e a r c hd u r i n gt h el a t e s tf o u rd e c a d e s 3 g p pa n d3 g p p 2 b o t ht r e a th a r q 嬲a k e yt e c h n i q u eo fh i 曲r a t ed o w n l i n kd a t as e r v i c e s o nt h ep l a t f o r mo f 3 gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h i sp a p e rs t u d i e st h eh y b r i da r q t e c h n i q u e s w ef i r s ti n t r o d u c et h ec d m a 2 0 0 0i xe v - d os y s t e m ，w h i c hi sas p e c i f i c a t i o no f h i g hr a t e p a c k e td a t ac o m m u n i c a t i o n t h e no nt h ep l a t f o r mo fe v - d o ，w es t u d yt h e 印p l i c a t i o no f d i f f e r e n tk i n d so fh y b r i da r qs c h e m e s 砌t h ed i s c u s s i o no ft h ec l a s s i ch a r qs c h e m e s ， w ep a yo u ra t t e n t i o nt ot h eh y b r i da r qs c h e m e sw h i c hi sb a s e do nt h em e t h o do fp r e - c o d e ： o l l es c h e m ei sb a s e do nt h ep r e - e q u a l i z a t i o no fm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l s ，w ep u tf o r w a r da i m p r o v e ds c h e m eo f p r e e q u a l i z a t i o na n de n h a n c et h eh i g hr a t ed o w n l i n kp a c k e td a t as e r v i c e s ； a n dt h eo t h e ri sb a s e do nt h er e a r r a n g e m e n to fc o n s t e l l a t i o ni nm u l t i l e v e lm o d u l a t i o n w e i n t r o d u c et h e s en e ws c h e m e si n t oe v - d os y s t e m ，a n di m p r o v ei t sp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：h y b r i da r q ，e v - d o ，p r e e q u a l i z a t i o n ，c o n s t e l l a t i o n - r e a r r a n g e m e n t ，r c p t l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：垄ji 葺导师签名：狃日期： 第一章绪论 第一章绪论 随着现代科学技术和社会经济的高度发展，通信已成为人类获取信息不可或缺的重要手段，其 中移动通信是发展最为活跃、最为迅速的领域之一移动通信的快速发展，将使人类实现“任何人。 在任何地点，任何时间与任何人进行任何形式的交流” 随着通信技术的发展和人们对通信需求的不断提高，移动通信系统在最近几十年内得到了迅速 的发展。从早期的以f d m a 为核心技术的第一代模拟蜂窝移动通信系统，到现在被广为使用的以 t d m a 和窄带c d m a 技术为主的第二代数字蜂窝移动通信系统，前两代移动通信系统主要是针对 传统话音和低速率数据业务。现在的移动通信系统正向支持高速率数据业务的方向发展，以此为特 点的第三代移动通信系统( 3 g ) 具有其独特的优势。随着3 g 商业化的l 临近，将为我们带来崭新的 沟通方式。 1 1 论文背景 在过去的十几年里，移动通信技术获得了很大的进步。蜂窝移动通信的发展经历了第一代模拟 系统和第二代数字移动系统，目前正在向第三代宽带数字系统的方向发展。 第一代模拟移动通信系统以北美a m p s 、欧洲t a c s 、北欧n m t ，德国c - 4 5 0 以及日本n t t 等系统为代表。由于模拟系统的容量小，频谱利用率低，保密性能差以及不同系统不能兼容等不足， 促使人们研制出以欧洲的g s m 系统、美国l s 一5 4 和i s 9 5 、日本p d c 等系统为代表的第二代数字移 动通信系统。第二代数字移动通信系统能提供数字话音通信，以及电路交换的低速或中速率的数据 通信，改善了第一代系统存在的不足。 由于第二代数字移动通信系统在很多方面仍然没有实现人们最初的目标，比如统一的全球标准； 同时也由于技术的发展和人们对于系统传输能力的要求俞来俞高，几千比特每秒的数据传输能力已 经不能满足某些用户对于高速率数据传输的需要，一些新的技术如i p 等不能有效地实现，这些需要 是高速率移动通信系统发展的市场动力。在此情况下，具有9 - 1 5 0 k b p s 传输能力的通用分组无线电 业务( g p r s ：g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e s ) 系统和其它系统开始出现，并成为向第三代移动通信 系统过渡的中间技术。 随着社会的发展，人们希望移动通信系统能和固定网一样提供将话音、图象、数据等综合在一 起的交互式多媒体业务，这是目前正在营运的第二代系统所不能满足的。因此，人们的目光开始向 第三代移动通信系统转移。 在提交给1 1 u 的关于第三代数字移动通信系统的各种方案中，欧洲提出的基于g s m 的 w c d m a 、北美提出的基于i s - 9 5 的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d - s c d m a 将是主流技术，采用码分 多址的空中接口标准己基本达成共识。 随着数据通信的发展，第三代移动通信把数据业务放在了更加重要的位置，并提出了专门提供 高速下行数据分组业务的技术标准。3 g p p 2 提出的e v - d o 下行高速数据业务可以达到2 4 5 7 6 m b p s ， 而3 g p p 的h s d p a 的下行数据业务更可以达到1 0 8 m b p s 。一些新技术已经或将要被应用到3 g 和 b 3 g 通信系统中i l j ： 自适应调制与编码技术( a m c ) 自适应调制与编码的基本原理是根据信道的变化改变编码和调制的方式，信道的情况可以在接 收端估计并反馈给发送端。在a m c 系统中，当信道条件比较好的时候，可以使用高阶的调制方式 和较高的码率；当终端处在小区边缘，信道比较著时，就使月j 低码率和q p s k 的调制方式。e v - d o 系统一供支持1 2 种不同的编码调制方式，最大限度地提高了传输速率和频谱利用率。 采用a m c 的好处主要有：处于有利位置的用户可以具有更高的数据速率，由此蜂窝平均吞吐 l 东南丈学硕士学位论文 量得到提高；在链路白适应过程中，通过调整调制编码方案而不是调整发射功率的方法可以降低干 扰水平。 混合a r q 技术 h a r q 也是一种链路自适应的技术。和a m c 相比，混合a r q 是一种隐式的自适应技术。h a r q 通过链路层的确认信息决定是否重传数据。混合a r q 有多种实现方案：c h a s e 合并、速率匹配打孔 t u r b o 码和递增冗余等。当译码失败时，递增冗余不是简单的重发整个数据帧，而是发送更多的冗 余信息。 a m c 可以根据u e 的测定或者网络提供的信息条件来灵活地选择适当的m c s ，但需要u e 进 行准确信道测量并且受到相应延迟的影响。h a r q 能够自动地适应信道条件的变化并且对测量误差 和时延不敏感。a m c 和h a r q 二者结合起来可以得到最好的效果a m c 提供粗略的数据速率选 择，而h a r q 可以根据信道条件对数据速率进行较精细的调整。 多输入多输出天线技术( m i m o ) 多入多出( m i m o ) 系统是在发送和接收端同时使用多天线，这样相对于只在发送端使用多个 天线有更多好处。在m i m o 系统中，通过码复用技术可以使峰值吞吐阜得到提高。 采用码复用技术后，分配的信道扰码对用来调制m 个独立的数据流( m 为发送的天线数) 。复 用了相同信道码、扰码的数据必须用空间参数加以区分，这要求在接收端使用至少m 个天线。在理 论上，使用码复用的峰值传输速率是单天线传送的m 倍。通过码复用可以结合码复用技术和一个较 低阶的星座调制如1 6 q a m 来达到一个适中的数据传输速率，而若不采用码复用技术，达到相同的 数据速率可能需要采用6 4 q a m 调制。相对于使用单天线传送加上较高阶的星座调制达到的相同速 率，码复用技术可以降低对信噪比的要求，从而提高整个系统的性能。 1 2 差错控制方式 相对于第二代移动通信系统而言，3 g 系统要求支持话音、图像和数据等多种业务，尤其是多媒 体和高速分组数据业务。为实现高速数据传输，必须采用高效、可靠的通信机制，由此带来的问题 是系统的可靠性受到严重挑战。无线信道上，多径、阴影、多普勒频移等会严重恶化系统性能，使 随机错误和突发错误并存。如不采取有效措施，势必不能满足数据传输的可靠性要求，亦难以满足 服务质量q o s 的要求，有效的筹错控制技术因而成为通信领域致力研究的课题。 在c d m a 的物理层中，使用错误检测和前向纠错技术( f e c ) 。对于一些数据业务，高层协议 使用自动重传请求( a r q ) 方案来重发检测剑错误的数据帧。 在数字通信系统中，常用的差错控制方式主要有三种：前向纠错( 简称f e c ) 、检错重发( 简 称a r q ) 利混合a r q 方式。 1 ) 前向纠错( f e c ) 系统中，发送端经信道编码后可以发出具有纠错能力的码字；接收端译码 后不仅可以发现错误码，而且可以判断错误码的位置并予以自动纠正。然而，前向纠错编码需要附 加较多的冗余码元，影响数据传输效率，同时其编译码设备比较复杂。但是由于不需要反馈信道， 实时性较好。 2 ) 检错重发( a r q ) 方式中，发送端经信道编码后可以发出能够检测出错误的码字；接收端 收到后经检测如果发现传输中有错误，则通过反馈信道把这- n 断结果反馈给发送端。然后，发送 端把前面发出的信息重新传送一次，直到接收端认为已经正确后为止。常用的检错重发系统有三种， 即停发等候重发、返回重发和选择重发。 3 ) 混合a r q ( h a r q ) 方式是前向纠错方式和检错重发方式的结合。这种系统不但具有纠正 错误的能力，而且对超出纠错能力的错误有检测能力。遇到后一种情况时，系统可以通过反馈信道 要求发送端重发一遍。它兼顾了前向纠错系统和检错重发方式的优点，是目前移动通信系统普遍采 用的一种方式。 2 第一章绪论 1 3 论文的主要内容 混合a r q ( h a r q ) 是下一代移动通信系统( 3 g & b e y o n d ) 实现高速数据可靠传输的最有效手 段之一。码分多址( c d m a ) 系统高速分组业务要求误码率达到l 矿，h a r q 技术由于结合了自动 重发请求( a r q ) 的高可靠性和前向纠错( f e c ) 方式的高吞吐量逐渐得到广泛的应用。另一方面， c d m a 系统中的扩频技术本身即具有较强的抑制干扰能力，引入h a r q 后，使系统抗干扰能力大 大增强，可以降低扩频解调所需的信噪比，从而使系统的多址能力得以提高。 本文的主要研究方向是混合a r q 技术在移动通信系统中的应用。在论文的前半部分我们首先 对3 g p p 2 针对高速下行分组业务提出的标准c d m a 2 0 0 0l xe v - d o 做介绍和研究，然后以e v - d o 系统为基础，研究各种混合a r q 技术在第三代移动通信系统中的应用。 第二章我们对e v - d o 标准进行了详细的介绍，包括系统主要参数、信道结构以及详细的基带 处理流程和扩频方式。 第三章中我们研究了e v - d o 系统的一些关键技术：m a c 信道辅助导频做信道估计和高阶调制 中的软信息提取。按照标准建立了仿真平台，并给出了不同条件下的仿真结果。 第四章介绍了混合a r q 技术的发展现状。在这一章中，我们介绍了简单重传的混合i 型a r q ； 采用分级合并、码合并和递增冗余的混合型a r q ；以及使用互补打孔卷积码的混合型a r q 。 并对混合a r q 的最新发展做了介绍。 第五章我们研究了分集合并、使用先验信息改进t u r b o 码译码、码字合并和r c p t 码这四种混 合a r q 方案在e v - d o 系统中的应用，给出了仿真结果。通过对仿真结果的分析。我们讨论了这些 方案对系统性能的改善。 第六章中我们研究了两种最新的混合a r q 技术，它们可以统称为预编码技术。一种是基于衰 落信道预均衡的混合a r q 方案；另一种是基于高阶调制的星座图重构的混合a r q 方案。以往的混 合a r q 技术都是针对编码和译码环节设计的，但随着通信系统复杂度的提高，单独依靠改进编译 码方式增加系统的吞吐量是非常困难的。我们从信道均衡和调制两个角度出发，将新的混合a r q 方案应用到e v - d o 系统中。通过对仿真结果的分析可以看出，这两种方案改善了系统的性能，提 高了通过率。 3 东南大学硕士学位论文 第二章c d m a 2 0 0 0l xe v d o 物理层简介 本论文主要讨论h a r q 技术在移动通信系统中的应用，为了具有针对性，我们选择c d m a 2 0 0 0 l xe v - d o 系统作为平台，以此为基础讨论各种混合a r q 技术的应用。后续章节中各种混合a r q 方案的讨论和仿真都是围绕该系统进行的。在这一章中我们对e v - d o 的物理层进行简单的介绍， 从而提供必要的背景知识。混合a r q 算法在高速下行分组数据业务中具有广阔的应用前景，而 e v - d o 标准正是为了支持高速下行分组业务而制定的，我们以它为平台讨论混合a r q 技术的应用， 既考虑到了算法本身的理论性，同时也兼顾了实际应用的需要。 本章主要参考了3 g p p 2 中关于e v - d o 物理层的技术标准，由于篇幅有限，这里只介绍了和论 文有关的内容，详细的标准可以参考文献【2 】。 2 1 概述 2 1 1e v - d o 的主要参数 c d m a 2 0 0 0l xe v - d o 是一个直序扩频和时分复用相结合的系统。它的码片( c h i p s ) 速率为 1 2 2 8 8 m c h i p s s ，它是c d m a 2 0 0 0 针对高速下行分组数据业务的协议标准，最高数据传输速率可以 达到2 4 5 7 6 m b p s 。 e v - d o 系统包括前向链路和反向链路两部分。这里，前向链路( 又称下行链路) 是指基站发射， 移动台接收；而反向链路( 又称上行链路) 是指移动台发射，基站接收。考虑到数据传输的不对称 性，和c d m a 2 0 0 0l x 相比，e v - d o 的前向链路专门针对数据传输做了很大的改进，提高了数据传 输速率，而反向链路基本延续使用了c d m a 2 0 0 0l x 的结构。在本论文中，我们以前向链路作为平 台，对各种混合a r q 技术进行探讨，对反向链路的结构将不再做介绍。 在e v - d o 系统中，我们将扩频前的数据称为符号( s y m b 0 1 ) ，扩频后的数据称为码片( c h i p ) 。 数据传输的基本单位是帧( p a c k e t ) ，每个帧包含1 0 2 4 4 0 9 6 个b j t 根据不同的数据传输速率，一 个帧可以包含1 1 6 个时隙( s l o t ) ，每个时隙的长度为1 6 7 m s ，包含2 0 4 8 个c h i p 。 2 1 2e v - d o 物理层信道结构 图2 1 给出了e v d o 物理层的信道结构。e v - d o 的前向信道包括：导频( p i l o t ) 信道、媒体接 入控制( m a c ) 信道、传输( t r a f f i c ) 信道和控制( c o n t r 0 1 ) 信道。这四种信道以时分复用的方式 组合在一个时隙( s l o t ) 内发送。 4 第二章c d m a 2 0 0 0i xe v - d o 物理层简介 图2 1e v - d o 物理层信道结构 导频信道主要用于捕获、同步、信道估计及信道质鼍检测。m a c 信道又包括反向激活( r a ) 子信道与反向功率控制( r p c ) 子信道。r a 子信道用于指示接入终端( a t ) 增加或降低传输速 率，r p c 信道则负责对反向链路进行功率控制，调整a t 的功率。控制信道主要负责向a t 发送一 些控制消息，诸如t c a 消息、速率消息等，其功能类似于c d m a 2 0 0 0l x 中的寻呼信道。传输信道主 要负责向a t 发送传输数据。 卜一搿繇十一，惹鬣一 图2 2e v - d o 前向链路时隙结构 导频信道、m a c 信道和传输信道( 或控制信道) 采用时分复用的方式组成一个时隙( s l o t ) ，时 隙结构如图2 2 所示。从时隙结构我们可以看出，e v - d o 在继承了直序扩频特点的同时，采用了时 分复用的方式，我们将在后面的章节中详细讨论采用这种结构的原因和优点。 2 2 导频信道 导频信道结构如图2 3 所示，它是一个未经过调制的信号，主要用于移动台的定时捕获和同步 并用来估计信道系数。导频信道使用w a l s h 码( 嘲6 ) 扩频，并且在接个过程中都以全功率发送。 p i l o tc h a n n e l a 】lo s i r a l s hc o v e r0 + + + + ，+ + + + ，+ + + + ，+ + + 图2 3e v - d o 前向链路导频信道结构 e v - i ：x ) 的导频信道和其他信道采用了时分复用的方式共存于一个时隙中，而c d m a 2 0 0 0l x 的 导频信道和其他信道是以码分方式共存的。和码分导频相比，时分导频不会受到其他信道的干扰， 具有更高的精确度，导频序列长度也相对较短。之所以采用这样的导频结构，是因为为了提高数据 传输的速率，e v - d o 使用了$ p s k 、1 6 q a m 等高阶调制方式，对信道估计的精度有了更高的要求。 5 东南大学硕士学位论文 2 3m a c 信道 m a c 信道如图2 4 所示。m a c 信道包含两个子信道：反向功率控制( 褂，c ：r e v e r s ep o w e r c o n t r 0 1 ) 信道和反向激活( r a ：r e v e r s e a c t i v i t y ) 信道。由于m a c 信道是传输特定用户的特定信 息，因此，m a c 信道需要用分配给用户的w a l s h 码( 和m a c i n d e x 相关) 扩频后再传输。 从m a c 信道的结构可以看出，一个时隙中4 段m a c 序列一共2 5 6 个码片完全由1 个r p c 比 特和1 个r a 比特决定。这样做一方面提高了m a c 信道信息的可靠性；另一方面，r a 比特和r p c 比特分别是用来控制反向信道传输速率和反向信道发送功率的，采用这样的信道结构可以节省掉编 译码的时间，有利于反向信道根据m a c 层的控制信息及时做出反应。同时，采用这种结构还有利 于使用m a c 信道信息辅助导频信道进行信道估计，我们会在后面的章节做详细介绍。 ic h a | l n e lf o r e v e n 砒c i n d e x 口c h a n n e lf o r 图2 4e v - d o 前向链路m a c 信道结构 2 4 传输信道和控制信道 传输( t r a f f i c ) 信道和控制( c o n t r 0 1 ) 信道具有相同的结构，只根据传输信息的不同而加以区 别。传输信道的结构如图2 5 所示。主要包括编码器、加扰、信道交织器、调制、重复打孔、w a l s h 扩频等模块。 图2 5e v - d o 前向链路传输信道结构 6 第二章c d m a 2 0 0 0i xe v - d o 物理层简介 2 4 1t u r b o 码编码器 图2 6e v - d o 传输( t r a f f i c ) 信道编码器结构 i 托h 辩，t m _ 传输信道采用1 3 或l 5 码率的t u r b o 码，它包含两个并行递归系统卷积码编码器，编码器的传 输函数为 g c 妒c - 等d 辑d d ()d 1) 其中d ( d ) = i + d 2 + d 3 ，n o ( d ) = i + d + d 3 ，h i ( d ) = 1 + d + d 2 + d 3 ，编码器结构如图2 6 所 示。数据在送入编码器之前，要去掉6 个尾比特，加上6 个零，目的是使一帧数据编码结束的时候， 2 个递归系统卷积码编码器的移位寄存器回复全零的初始状态。编码器按照x ，k ，i ，x ，k ， 置的顺序输出，再配合相应的打孔模式，得到1 3 和1 ，5 码率的t u r b o 码。经过t u r b o 码编码后的 7 东南大学硕七学位论文 符号和扰码模2 加，使输出的符号随机化，减少其受到信息序列先验概率的影响。 2 4 2 调制 传输信道一共有3 种不同的调制方式( q p s k 、8 p s k 、1 6 q a m ) ，以适应不同数据速率的要求。 对于q p s k ，本文不再赘述。8 p s k 和1 6 q a m 的星座图分别如图2 7 和图2 8 所示。通过高阶的调 制方式，在不改变码片速率的前提下，可以达到更高的数据传输速率。高阶调制方式在提高数据传 输速率的同时，也带来了一些新的问题。首先，不论采用何种调制方式，发送端的平均功率始终保 持不变，调制的阶数越高，星座图上相邻点的距离越小，解调后的信噪比越低；其次，和q p s k 相 比，8 p s k 和1 6 q a m 等调制方式都需要进行软信息提取，我们会在下一章详细讨论这方面内容。 qc m , , a n * j e 。c 倒 o i l 芎- f 1 s ” ，一二 、。s o s ：s 0 0 1 。 一 s i 一sge ： ! 1 1 0 ) , s ! 1 ：- _：曼。气l 图2 7 传输信道8 p s k 调制星座图 o c * d 强 - - a 一m 图2 8 传输信道1 6 q a m 调制星座图 8 t0 瓜 第二章c d m a 2 0 0 0i xe v - d o 物理层简介 2 5 扩频 所谓扩频就是将每个符号( s y m b 0 1 ) 换成若干个码片( c h i p ) 进行传输，每个符号对应的码片 个数称为扩频比。扩频前，要先对物理信道的符号进行映射，映射规则为“0 ”映射成+ 1 ，“l ”映 射成一l ，这样映射以后，模2 加和乘法等效。图2 9 是e v - d o 前向链路扩频的框图。 实际上，前向链路的扩频一共包括两个过程：第一步是用1 6 乘1 6 的w a l s h 矩阵对传输信道的 数据扩频；第二步是用复扰码尸，和巩对信号正交扩频 为： e v - x ) 标准中。复扰码是个长度为2 ”的大m 序列，被称为导频p n 序列。它的特征多项式 b ( x ) = z ”+ x l o + ，+ x 7 + + x 2 + 1 v e ( x ) = x 1 5 + 一2 + 一1 + 一o + 矿+ x 5 + x 4 + x 3 + l 按照上面的特征多项式生成的晟大长度线性反馈移存器序列 ，0 ) ) 和 q ( 聍) 的长度为2 ”一l ，它 可以用下面的线形迭代公式生成： ，( 玎) = l ( n - 1 5 ) 0 ，( 栉一1 3 ) o ，( 珂一9 ) 0 ( n - s ) 0 l ( n - 7 ) o i ( n - 5 ) q ( 以) = q ( n 一1 5 ) f b q ( n 一1 2 ) o q ( n 一1 1 ) o q ( ，l 一1 0 ) o q ( n 一6 ) o q ( n 一5 ) 0 q ( n 一4 ) o q ( n 一3 ) 为了得到长度为2 ”的复扰码序列，在输出序列中1 4 个连续的0 后面加上一个o ，就得到了我们所 要的序列。 c o s ( 2 x f c t ) 2 6 基带滤波器 p n l p n q 图2 9e v - d o 前向链路扩频框图 f o r f m r d i o d u l a t e d | a v e f o z l e v - d o 的基带滤波器如图2 1 0 所示，它是一个4 8 阶的平方根升余弦滤波器。它的冲击相应满 9 东南大学硕士学位论文 足如下条件： m e a ns q u a r ee r r o r = a s ( k r , - r ) - h ( k ) 2 o 0 3 k s o 其中，口和f 用来最小化均方误差，t 等于2 0 3 4 5 1 n s ，为p n 码片长度的一半。 2 7 小结 2 0 魂- 。ls i 蠲 i 嫩盼搿：嚣移纡 螂；彭；：；嚣；搿；髟； ；嚣；磐 ：嚣：；搿 ，t t ，+ ，t ， 二缀 l 凇 珏；搿，i 竹：；嚣符，；嚣；，筇搿；z 缓十一 ；搿；搦；“；韶；：；搿；z ：2 嬲盎磐缓 i 獭 缀 院绥 ；鬈i 黝 翰嗣 ； 幺怒 隧缓 名 臣封象 础謦 麓荔麓髯獭缓缓 缓 o 冬 图2 1 0 基带滤波器 本章简要介绍了e v - d o 前向信道的物理层标准。我们已经看到，不少新技术在e v - d o 物理层 标准中都得剑了支持。例如高阶调制、多用户检测、t u r b o 码等。可以说，e v - d o 是迄今为止对数 据业务支持较好的，技术较为先进的标准。 事实上，e v - d o 系统中的很多细节都是专门针对数据业务设计的。既考虑到了与传统的 c d m a 2 0 0 0i x 在技术上有一定的兼容性，有充分考虑了数据业务的特殊需求，我们在前面已经做了 一些介绍。再如：在传输信道中，保留了w a l s h 码扩频的环节，就是为了继承c d m a 2 0 0 0l x 系统 原有的技术；而时分导频则是根据数据业务的特点所做的改进。 1 0 第三章e v - d o 的关键技术及系统仿真 第三章e v d o 的关键技术及系统仿真 上一章我们简单介绍了e v - d o 物理层的技术标准，在本章中，我们将讨论其中的一些关键技 术，并对e v - d o 系统进行仿真研究。本章的主要内容是e v - d o 系统的信道估计技术、高阶调制的 软信息提取方法，系统仿真的结果与测试标准的比较。通过大量的计算机仿真，我们可以看到不同 算法的差异。 3 1 仿真平台介绍 3 1 1 仿真平台模块介绍 3 1e v - d o 前向链路仿真平台 为了验证各种算法和方案，我们用a n s ic 编写了仿真平台。仿真平台完全按照c d m a 2 0 0 0l x e v - d o 协议标准搭建，如图3 1 所示。发送端各模块的具体定义和功能可以参考第二章的内容。其 他模块的功能如下： 1 )多径衰落信道：信道采用j a k e s 模型生成，具体方法如下纠【4 】 c i ( r ) + ，砘( r ) = g ：【c b ( f ) + ，气o ) 】万( f q ) k = l m 是路径的个数，每条路径用平坦衰落的j a k e s 模型表示； j a k e s 模型定义如下： q ( f ) = 2 c o s ( a ) c o s ( 2 z f d ) + v r 2 c o s ( a ) c o s ( 扬无f ) 】丽石 ，l 白( f ) = 2 艺s i n ( a ) c o s ( 2 z f k t ) + q 互 s i n ( a ) e o s ( 2 万厶r ) 】三而 厶= m a x i m u md o p p l e rf e q u e r l c y = v c f o 东南大学硕士学位论文 五= 厶c o s ( 2 n k l ) 工= 2 ( 2 n + n a = 耳 4 屈= z r k n n = t h en u m b e ro f t e r m si nt h ej a k e sm o d e l 2 ) r a k e 接受机：对多径能母做最大比合并，使接收端信号的能量最大； 3 1 解调模块：由于发送端采用了8 p s k 、1 6 q a m 等高阶调制方式，而t u r b o 码的译码器进行迭代 译码需要输入软信息，冈此解调时涉及到软信息提取得问题，可以采用m a p 、m a x l o g m a p 或l o g m a p 等算法，我们在后面将具体介绍； 4 ) t u r b o 码译码模块：采用m a x - l o g m a p 算法译码。 3 1 2 信噪比的计算 为了统一仿真结果，并方便与测试标准相比较，本章中的仿真结果一律采用e v - d o 测试标准 中规定的方式来表示：信噪比用接收信号每比特能量和有效噪声功率普密度的比( j 6 n t ) 表示；系 统性能用误帧率( p a c k e te r r o rr a t e ) 、误码率( b i te r r o rr a t e ) 和通过率( t h r o u g h p u t ) 表示。 i 。表示a w g n 的功率普密度，i 。表示终端接收到的前向传输信道的功率谱密度，那么e b n t 的计算方式如下【2 】： 单径信道情况下 t r a m c 兰l ：t r a m cc l l i db i t ! 篮 f 一1 一 i 。 两径信道情况下，两径平均功率相同( i 。= i 。1 + i o l 2 ) n 描c 每2t m 伍c _ c h i p _ b m 互五ii 一 1 一生tj 三 i 。2 三径信道情况下，前两径功率相同，第三径功率为第一径的一半( i 。= i 。l + i o l 2 + i ) t r a f f i c 墨：t i t r a f f i c _ c h i p _ b i t j y r 其中t r a f f i cc h i p _ b i t 由系统定义，可以查表得到。 1 2 21 2 甄5 + 耳5 i 。，5i 。，5 第三章e v - d o 的关键技术及系统仿真 3 2e v - d o 的信道估计技术 3 2 1 时分导频和码分导频的比较 在c d m a 2 0 0 0l x 系统中，采用的是码分导频，即通过w a l s h 码将导频和信号分隔开。w a l s h 矩阵的每一行是正交的，因此导频和信号通过w a l s h 码的分隔完全正交，但这只在a w g n 信道下 成立。存在多径干扰的时候w a l s h 码的正交性被破坏，导频和信号之间也就存在相互的干扰。这 样既影响了信道估计的准确程度，也降低了信号的信干比。 e v - d o 采用时隙导频，使导频和信号在时间上分隔开，相互之间没有干扰，增加了信道估计的 准确度，同时缩短了信道估计时所需要的导频长度。 3 2 2 多时隙加权平均算法 + 3 2 多时隙加权平均算法 为了提高信道估计的精度，通常将多个s l o t 的导频加权平均用作信道估计 5 1 。首先对第n 段 导频进行信道估计，得到第i i 段导频的粗略信道估计值5 ( h ) ：设该段导频中第j 个码片解相关后的 值为0 ( 力，则先对一段导频内的所有码片求平均，得到该时隙内信道的粗略估计： 亭( ) = 这里，。= 9 6 再对2 k + 1 个连续时隙的粗略估计值进行加权平均，得到当前时隙的信道估计值 r 口( 饼( 胛+ ，) “珂) = 生f 一 口( ，) ；一 在信道变化比较慢的时候，对多时隙平均法可以取很大的k 值，能有效地抑制信道中的噪声干扰。 取得比较准确的信道估计值。但当信道变化较快时，用较短的加权平均段数，以跟踪上信道的变化 因此需要通过仿真来确定不同信噪比和车速下k 的最优值。 1 3 力砸 窆脚 上 东南大学硕士学位论文 3 - 2 - 3 利用m a c 信道的信息辅助信道估计 上面的算法中我们只使用p i l o t 段进行信道估计，根据e v d o 特有的时隙结构，我们提出了一 种根据m a c 信道信息进行信道估计的方法。在每一个s l o t 中，有4 段相同的6 4 长度的m a c 信息， m a c 信道的产生过程如图3 3 所示。从图中可以看出，m a c 信道的信息仅仅由1 个r p cb i t 和1 个i r ab i t 决定。因此可以预先计算出r p cb i t 和r ab i t 的信息，用来辅助信道估计。用m a c 信道 辅助信道估计的步骤如下： 1 ) 用多段加权平均算法估计出信道系数，求解导频两边的m a c 信道信息，判断r a b i t 和r p c b i t 的值 2 ) 然后利用己知的m a c 信道信息辅助信道估计。由于m a c 信道信息已知，相当于增加了一 段导频，因此使信道估计更加准确。 ic h a n n e lf o r e v e n “c l n d e z 0c h a n n e lf o r 3 2 4 仿真结果和分析 3 3m a c 信道信息的产生过程 仿真平台如3 1 所述。仿真选取了a w g n 信道，就多段加权平均算法段数的不同和是否采用 m a c 信道辅助信道估计进行了比较。解调和t u r b o 码的解码算法一律采用m a x - l o g m a p 算法。仿 真参数如表3 1 所示。 图3 4 是在a w g n 信道下采用不同段数导频进行信道估计的仿真结果。从图中可以看到，信道 估计采用不同长度的导频时，性能有明显的差异。采用的导频长度越长，信道估计越准确，受噪声 的影响越小。 图3 5 是采用m a c 信道辅助信道估计和没有使用m a c 信道辅助信道估计的比较。从图中可以 看出，使用了m a c 信息的信道估计要远远优于没有使用的情况。这也为我们在高车速情况下做出 比较准确的信道估计提供了一条出路。使用了m a c 信息辅助信道估计后，所需要的导频序列的长 度大大减小了。 表3 1 信道估计的仿真参数 数据速率 3 8 4k b p s 时隙帧 1 6s l o t s 帧长1 0 2 4b i t s 调制方式 q p s k 码率i 5 m a ci n d e x 1 1 1 4 第三章e v - d o 的关键技术及系统仿真 1 0 0 1 0 0 1 0 20 0 o 2o 40 6 e b n t 图3 4 不同段数信道估计比较 0 ，20 00 20 40 6 e b n t 图3 5 使用m a c 信道辅助信道估计 1 5 卫嚣jjo上j|_罢毋正 兽砸叱12山；蔷正 东南大学硕士学位论文 3 3e v - d o 解调算法 3 3 1 调制 e v - d o 前向传输信道的调制方式有q p s k 、8 p s k 和1 6 q a m 三种。对于q p s k ，本文不再赘 述。正因为采用了8 p s k 和1 6 q a m 这样的高阶调制方式，加之用时分复用的方式来隔离导频和数 据，e v _ d o 的前向链路才能达到高速传输数据的目的。 jl o o i s 。i 0 1 1 一， ，一 0 1 吖 k啼 。 。 。i 一 。文 。5 0