UMB 系统链路级仿真性能分析

1、UMB 系统链路级仿真性能分析    摘 要：Ultra Mobile Broadband (UMB)系统，即超移动宽带系统，是高通(Qualcomm)支持的第四代无线技术1。UMB 系统是以OFDMA 技术为基础、专门针对无线移动环境和实时应用优化的移动无线宽带系统，它继承了EV-DO 系统的自适应编码调制、HARQ 以及QoS控制机制，结合了CDMA、TDM、QOFDMA（准OFDMA）、LDPC 等其他先进技术，引入了基于MIMO、SDMA 和Beamforming 等多天线技术2。本文将着重关注UMB 系统链路级的部分物理层技术，并给出一定条件下

2、的AWGN 信道链路级误包率仿真结果。关键词：UMB；链路级；AWGN 信道；仿真中图分类号：TN929.5331引言UMB 是CDMA2000 系列标准的演进升级版本，可升级至20MHz 的带宽，可在现有或新分配的频段中部署。UMB 能够带来更大的带宽、频段和波段选择范围，以及网络的可升级性和灵活性2。UMB 系统具有以下的关键特点3：1、高数据速率：在20MHz 带宽的移动环境中，峰值的上行和下行速率分别为75Mbps和288Mbps；2、增强的数据容量：能够在各种环境下同时传输高质量的语音和宽带数据，包括静止、慢速步行以及超过300 公里每小时的高速移动环境；3、低时延：以平均14.3m

3、s 的延时用最小的抖动来支持VoIP、push-to-talk 以及其他对时延敏感的业务；4、增强的VoIP 支持：在20MHz 带宽的移动环境下，支持每个扇区高达1000 个同时发起的VoIP 呼叫，并且不影响当前的数据传输容量；5、大覆盖范围：大的广域网覆盖等同于现有的蜂窝网结构，可以使任何覆盖区域之间无缝连接，并平滑的解决热点地区的应用；6、完美的移动性支持：在UMB 的各个方面设计中都考虑了无缝接续，以提供稳定的移动性支持；7、融合接入网：支持部署一种基于IP 的无线接入网融合接入网，它由3GPP2 设计以支持多种接入技术和增强网络性能，例如需要低时延更少节点的高QoS 业务；8、组播

4、：支持高速传送丰富的多媒体内容的组播功能；9、部署灵活：能够在1.25MHz 到20MHz 范围内灵活分配带宽，以150KHz 间隔增加信道带宽的方式进行。它适用于450MHz、700MHz、850MHz、1700MHz、1900MHz、1700/2100MHz、1900/2100MHz、2500MHz 的频段。基于IP 的UMB 无线接入网同样也保持了与电路交换网络间的互联互动；10、设备利用率高：多模式、多频率支持的UMB 设备将有利于现有的第三代CDMA系统网络设备的选择，能够获得因规模的扩大而得到的经济成本节约；11、强大的生态系统：UMB 将基于现有的第三代CDMA 客户和经验丰富的

5、供应商组成-2-的生态系统，以实现规模经济效益。下面给出CDMA2000 技术空中接口的演进图：图1 CDMA2000 空中接口技术演进Fig1 Evolution of CDMA2000 air interface technology可以看出，UMB 系统具有全新的空中接口，使用的技术与以前的几代系统有很大不同，同时数据速率有很大的提高。在我国正在全面上3G 的阶段，了解UMB 有助于TD-SCDMA的后续演进发展，同时对我们自主研发4G 系统可以有很好的借鉴和参考。故本文分为两大部分，第一部分重点讨论UMB系统的几个关键的物理层技术；第二部分则着重于物理层的这些技术在AWGN信道下性能仿

6、真的结果。2UMB 物理层部分关键技术42.1 去冗余比特反转交织4,6Pruned Bit Reversal Interleaver (PBRI)是交织方法的一种，这种交织的特点在于，交织前把数据输入后，对将要进行交织的数据补齐比特位，以满足比特的位数是2 的幂次，然后把这些补齐后的数据按普通的交织方法进行交织，以行的顺序输入列的顺序输出5，当输出的数据按数据流排好后并不及时发出去，还要做最后一步，将开始阶段用于补齐的比特位删除，并把后续的比特位前移至删除后空出的位置上，这样整理完毕后数据才开始输出。以4-bit 去冗余反转交织为例，具体过程见下图：图2 4-bit 去冗余反转交织过程6Fi

7、g2 Pruned 4-bit reveral interleaver-3-2.2 Tail-biting 编码方案4,7在UMB 中，使用的编码类型并没有太大的变化，基本是卷积码、级联码、Turbo 码和LDPC 码。但是在这些编码技术中却增加了一项很独特的技术Tail-biting。Tail-biting 可以理解为咬去尾比特，在这暂时称为去尾比特。以卷积码为例，来看看去尾比特技术的特点。编码的参数设置如下：1、生成多项式分别为：012557663711ggg = = = 2、码率R 为1/33、约束长度K 为9图3 K=9，R=1/3 的卷积编码器4Fig3 Convolutional

8、encoder K=9, R=1/3码率1/3 的Tail-biting 卷积码生成步骤如下：1、让X0、X1、XN-1 表示N 个输入比特；2、将最后8 个比特附加在N 个比特前面形成新的序列：（XN-8、XN-7、XN-1、X0、X1、XN-1）进入码率为1/3 的普通卷积编码器（如上图），让Y 表示进过编码之后的3(N+8)个比特数据；3、则Tail-biting 编码输出为Y 序列的后3N 个比特：比特Y24、Y25、Y3N+23。去尾比特的编码方案与普通的编码方案对比有比较明显的优势，下面给出在F-SCCH 条件下的仿真对比图7：-4-图4 F-SCCH 仿真结果7Fig4 Simu

9、lation result of F-SCCH去尾比特编码把数据序列的后一些比特置于原始数据序列之前，这样在进行卷积编码时，首先对置前的尾比特进行卷积处理，然后再把原始数据序列卷积。这样在译码器端，使用维特比译码时，由于有先前的尾比特卷积处理，使得译码过程中各译码支路都趋于稳定的概率值，提高了译码的可靠度，故比一般的编码方案有更好的译码效果。2.3 分层调制技术4UMB 中的分层调制是两种调制方案的叠加。对于广播和组播业务，一般由一个QPSK的附加层与另一个QPSK 或者16QAM 基础层叠加组成。新调制方式的能量比介于基础层与附加层之间。附加层的星座点需要逆时针的旋转一定角度。下面以QPSK

10、 附加层与QPSK 基础层叠加组成的调制方案为例。每个调制符号包含4比特：s3,s2,s1,s0，其中s2 和s0 来自基础层星座点，s3 和s1 来自附加层的星座点。图5 分层调制的信号星座点: QPSK 与QPSK 调制叠加4Fig5 Signal Constellation for Layered Modulation with a QPSK Base Layer and a QPSK Enhancement Layer-5-采用分层调制技术，可以将两路分配不同能量的信号分别调制到基础层和附加层上。一路信号可以传输很远的距离，一路只能传输较近的距离。距离基站较近的用户，可以接收到两路信号

11、，具有很好的接收效果，而距离基站很远的用户能接收到较强的那路信号，接收质量仅仅略低一点。这样可以基本保证在建设较小的基站同时又可以覆盖较大的物理范围，并保证远近的用户都可以接收高品质的服务。这种调制方式的应用可以大大降低网络建设成本，促进对网络的投资8。3AWGN 信道下的仿真首先给出物理层仿真的系统框图：图6 编码与调制系统框图4Fig6 Coding and modulation structure仿真条件如下：AWGN 信道，带宽在10MHz，FFT 点数为1024 个，OFDM 子载波间隔为9.6KHz，取24 比特的CRC 校验，采用普通非分层的调制方式，采用去冗余比特反转交织、Ta

12、il-biting 编码方案，并且仅以前向链路数据信道为例进行仿真。给出前向数据信道数据包格式的表格：表1 前向数据信道数据包格式9Tab.1 Forward link packet formats and parameters24168861 2 3 4 5 6+ 1 2 3 4 5 6+0 0.330 2 2 2 2 2 2 16 - Conv. 48 256 512 768 1024 1280 15361 0.670 2 2 2 2 2 2 56 - Conv. 88 256 512 768 1024 1280 15362 0.940 2 2 2 2 2 2 96 - Conv. 128

13、 256 512 768 1024 1280 15363 1.500 4 3 3 3 3 3 168 - Turbo 198 512 896 1280 1664 2048 24324 2.000 4 3 3 3 3 3 232 - Turbo 262 512 896 1280 1664 2048 24325 2.500 6 4 4 3 3 3 296 6 Turbo 326 768 1280 1792 2176 2560 29446 3.000 6 4 4 4 4 4 360 7 Turbo 390 768 1280 1792 2304 2816 33287 3.500 6 4 4 4 4 4

14、 424 8 Turbo 454 768 1280 1792 2304 2816 33288 4.000 6 6 4 4 4 4 488 9 Turbo 518 768 1536 2048 2560 3072 35849 4.500 6 6 4 4 4 4 552 10 Turbo 582 768 1536 2048 2560 3072 358410 5.000 6 6 4 4 4 4 616 11 Turbo 646 768 1536 2048 2560 3072 358411 6.000 6 6 4 4 4 4 744 12 Turbo 774 768 1536 2048 2560 307

15、2 358412 7.000 6 6 6 4 4 4 872 13 Turbo 902 768 1536 2304 2816 3328 384013 8.000 6 6 6 4 4 4 1000 14 Turbo 1030 768 1536 2304 2816 3328 384014 9.500 6 6 6 6 4 4 1192 - Turbo 1222 768 1536 2304 3072 3584 4096# of CRC bitsTotal # of encoded bits to betransmitted at each transmission# of termination bi

16、ts of turbo encoding# of termination bits of conv. Encoding# of OFDM symbols in a PHY Frame# of usable hop-portsPacketformatindexSpectralefficiencyon 1sttransmissionModulation order foreach transmissionMAC packet size(including MACheader, nonextendedENCtypePHY packetsize (incl. CRC& terminationb

17、its)correspondingto reverse        link packetformat index说明：表中灰色部分的数字表示传输次数，如3 表示正常传输一次，重传两次；彩色部分的数字表示单个调制符号包含的比特数，如4 表示16QAM 的调制方式。-6-在使用卷积码的条件下，具体实现框图为：图7 使用卷积码的框图9Fig7 Coding and modulation structure with convolutional encoding在数据包格式为PF=0 的情况下，得出以下误包率仿真曲线图

18、（每条曲线的仿真点数不少于一万个）：图8 PF 为0 的前向链路误包率仿真曲线Fig8 AWGN PER performances of FL PF ID of 0说明：图中曲线的标号05 分别对应表1 中传输次数的16。在使用Turbo 码的条件下，具体实现框图为：图9 使用Turbo 码的框图9Fig9 Coding and modulation structure with turbo encoding-7-在PF=3 的情况下，得出以下误包率仿真曲线（每条曲线的仿真点数不少于一万个）：图10 PF 为3 的前向链路误包率仿真曲线Fig10 AWGN PER performances o

19、f FL PF ID of 3以上AWGN 信道下的仿真均在MATLAB R2007b 的版本上实现。4结论本文着重描述了UMB 系统中物理层的几个关键技术和算法。这些算法是实现UMB 系统具有高数据传输率，稳定的性能，对各种移动环境的适应性的基础。去冗余比特反转交织技术，是一种高效的交织技术，具有良好的改造信道条件的性能，对抵抗衰落的传播环境有很好的效果。Tail-biting 编码方案是一种比较新颖的编码方案，它充分考虑了维特比译码过程中译码支路的概率稳定性，巧妙的将数据的尾部置于前端，起到提前引导稳定概率分布的作用，增强了维特比译码的正确概率，提高了系统的可靠性。分层调制技术虽然很早就有

20、人提出过，但是使用在商用移动通信系统中，UMB 是第一个。它的好处是能够使运营商以较小的基站覆盖更大的面积，实现低成本高效率高质量的业务服务。本文的另外一块就是在AWGN 信道下，对这些技术应用在链路级中的效果进行仿真。分别通过使用Tail-biting 的卷积码和Turbo 码对系统的误包率仿真。由两张仿真图可以看出，在AWGN 信道下系统具有良好的误包率性能。在卷积码的条件下，一般只需要6dB 可以将误包率降至10-3 以下，重传后可以提升38dB 的性能。在Turbo 码的条件下，更是只需要2.5dB 左右即可将误包率降到10-3 以下，重传可以提升410dB 的性能。可见，UMB 系统

21、在传输性能上具有很高的可靠性。通过对更高数据格式的误包率仿真，在更高级调制方式的条件下，系统不仅具有巨大的数据传输容量，而且还能保持低的误包率、高可靠性等性能指标，重传的性能提升可以达到至少10dB 以上，最高超过20dB。作为第四代移动通信标准的候选技术之一，UMB 具有很大的技术优势，同时与现有的第三代CDMA2000 系统具有良好的兼容性，并且是全球第一个基于IP 的移动宽带标准3。可以说，UMB 是未来移动通信的发展方向。虽然目前UMB 系统还存在一些不足，例如还没有真正完全达到4G 的数据速率标准：1Gbps；没有完全将OFDMA 融入系统中，并未发挥OFDMA 的全部作用等等。但是

22、，随着后续对标准的演进和完善，以及更多先进的物理-8-层技术的应用，相信以后UMB 会成为4G 最有力的竞争者之一。参考文献1 佚名. UMB 无线技术前景遭质疑EB/OL. 国际电子商情, 2008.1.42 李瀛寰. UMB:超移动宽带并行6 大应用EB/OL. 中国计算机报, 2007.7.93 李群. 超移动宽带技术(UMB)规范发布EB/OL. 比特网, 2007.9.284 3GPP2. Physical Layer for Ultra Mobile Broadband (UMB) Air Interface Specification. C.S0084-001-0 S.Augus

23、t 2007.5 吴伟陵,牛凯编著. 移动通信原理M. 北京: 电子工业出版社, 2005.1: 174 -1766 Qualcomm incorporated. Pruned Bit Reversal Interleaver. PCT/US2005/047623 S. IPN: WO 2006/069392.29 June 2006.7 Via Telecom. F-SCCH and R-ODCCH Performance Improvement. C30-20070326-014 S. 26 March 2007.8 赛文. 高通无线通讯技术(中国)公司业务发展经理陈岗EB/OL. 赛迪网, 2006.8.109 KDDI corporation. Preliminary Results of UMB PER Performances in the AWGN channel.C30-20070827-017 S. 27 August 2007.UMB Systems Link Level Simulation Performances AnalysisTu Ming, Zhang Xin, Yang DachengBeijing University of Posts and Telecommunications, School of Information and Com