HRPD 系统调制与编码技术

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1、精品论文推荐HRPD 系统调制与编码技术黄勇，吴交，桑林 北京邮电大学电信工程学院，北京 （100876） E-mail：hybupt摘 要：本文在简要介绍 HRPD 系统链路结构的基础上，着重研究了相应的调制与编码技术。 为了提高传输速率，HRPD 系统中引入了 16QAM 和 64QAM 等高阶调制以及与 Walsh 码相结合的复合调制方式，并采用了 Turbo 编码。文中给出了软解调算法，另外还介绍了 max-log-MAP解调及 log-MAP Turbo 译码这种组合方式。,最后通过在不同信道下 HRPD 系统链路仿真分析了 解调和解码算法的性能。关键词：HRPD，Walsh 码，1

2、6QAM，Turbo 码，LLR中图分类号：TN929.5331. 概述CDMA 技术从 IS 95A 发展成为 IS 95B，再发展至 CDMA 2000 1x，直至 3G 技术的一种HRPD（High Rate Packet Data）技术，也就是所谓的 EV-DO 技术，一直是人们关注的焦点。HRPD 是指在 CDMA 2000 技术基础上发展的具有高速数据业务能力的一种新技术。 目前已经发布 Rev.B 版本，其反向数据信道的 CDMA 信道的调制方式有 BPSK, QPSK 和8PSK 三种，以及与 4 阶 Walsh 码和 2Walsh 码相结合的复合调制方式。因此，调制方式有 Q

3、4, Q2, Q4Q2, E4E2 和 E2 等 5 种，这与 Rev.A 是相同的。与 Rev.A 相比，在原有 QPSK, 8PSK 和 16QAM 的基础上，前向物理层包的调制方式增加了 64QAM，前向 MAC 信道 MACIndex 扩展至 384 个。本文第 2 部分简要介绍了 HRPD 系统发送端链路结构，第 3 部分以 16QAM 为例推导了高 阶调制的软解调算法,另外还说明了 Turbo 解码器如何针对高阶调制的软信息输入做必要的修改, 然后在第 4 部分通过在不同信道下 HRPD 系统链路仿真分析了解调和解码算法的性能。2. 发送端链路结构2.1 前向根据 3GPP2 发布

4、的标准 C.S00241，HRPD 系统共分为 7 层，本文所述技术均是针对物理 层的。其前向链路信道结构如图 1 所示。包括导频(Pilot)信道，媒体接入控制(MAC)信道，业务 (Traffic)信道和控制(Control)信道。这 3 类信道以时分复用的方式组合在一个时隙(slot)内发送， 信道之间采用时分而不是码分也是 HRPD 与 CDMA 2000 的重要区别。图 2 是一个时隙的结构， 一个时隙分为相同的两部分，共占用 1.667ms。一个 HRPD 帧的时长是可变的，依据速率不同 分别使用 116 个时隙。当无业务信息或控制信息发送时，空闲时隙发送导频信道和 MAC 信道

5、信息，如图 2 所示。- 10 -图 1. 前向链路信道结构图 2. 前向链路时隙结构图 3. 反向链路信道结构图 4. 反向链路业务信道时隙结构2.2 反向反向各信道依然是码分复用，包括反向接信道(Access)、前向反馈信道(Forward Feedback)和业务信道(Traffic)，如图 3 所示。反向业务信道的帧周期为 26.667 毫秒。帧的 0 偏位置应该和短 PN 码对齐。每个反向业务 信道帧占 16 个时隙，或者说 4 个子帧，每个子帧占 4 个时隙，每个时隙周期为 1.667 毫秒。每 个时隙包括 2048 个 PN 码片。一个子数据包是反向业务信道传输的最小单位，占用

6、4 个时隙。 一个子帧是能够传输一个子数据包的一组连续时隙。反向业务信道子帧结构如图 4 所示，每个物理层数据包最大可以传 4 个子数据包。当传输 多于一个子包时，每个子包之间要有 3 个子包的时间交错。也就是说每两个子包之间有两个子 帧分开，这样其他数据包的子包就可以在这个空隙中传输。2.3 信道编码和调制在 HRPD 系统中，前反向信道编码均采用码率为 1/3，1/4 或 1/5 的 PCCC (Parallel Concatenated Convolutional Code) Turbo 码。编码器由两个系统递归卷积编码器(RSC)并行级联而 成。其生成矩阵如下 G(D) = 1n0 (

7、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 前向业务信道的调制方式有 QPSK, 8PSK, 16QAM 和 64QAM 四种。由于采用了16QAM 这样的高阶调制方式，加之用时分复用的方式来隔离信道和用户，故而 HRPD 的前向 链路传输数据的峰值速率能够高达数十兆。HRPD 反向链路采用与 Walsh 码相结合的复合调制方式。在反向链路中，信道交织器的输 出送至调制器，然后变成同相和正交的两路调制符号。根据载荷尺寸的不同，调制器可以

8、选择 BPSK,QPSK,或 8-PSK，不过，这些调制方式经过组合之后与普通的调制方式是有区别的。交织 器的输出符号经过数据调制后，再经过 Walsh 码扩频调制，Walsh 码为 2 阶，4 阶或二者都有。 经过组合的调制方式有以下 5 种：B4, Q4, Q2, Q4Q2 和 E4E2。图 5 所示为 Q4Q2 调制，第一路 两个编码符号经 QPSK 调制后，再经 4 阶 Walsh 扩频形成 4 个码片；第二路 4 个编码符号经 QPSK 调制之后与 2 阶 Walsh 码相乘得到 4 个码片，速率与第一路匹配，之后第一路和第二路调制 I, Q 两路分别相加。其他 4 种调制方式与此类

9、似，概不赘述。2W4 =(+)1312W4 =(+)31W2 =(+) 2321W2 =(+) 3图 5. Q4Q2 调制3. 接收端解调译码技术3.1 为何要用软解调如图6，在这个例子里，发送比特为“1111”，即I=1，Q=1；接收到I=2.1，Q=2.1，如果按照 这个接收信号进行译码，显然是错误的，那么如何解决这个问题呢？软信息映射块的目标是把 每个符号的每个比特转换成软信息输出值，而不是进行硬判决，这样就能更准确的译码了。图 6 软信息示例:16QAM 接收信号3.2 软解调与 Turbo 码结合的问题由于Turbo译码需要软输入4，所以采用调制与编码级联方式时，译码器前接的解调器必

10、须 能输出软信息(对数后验概率比)，而不能像传统解调器那样输出硬判决因此在接收端，采用 max-log-MAP解调及log-MAP Turbo译码这种组合方式。但对于后接为软输入二进制译码器的情 形，需要的不是符号级的软输出，而是比特级的软输出。对于高阶调制同Turbo码结合的情形， 因为Turbo码对信噪比有一定的敏感性，所以解调算法不应忽略此信息5，系统中可对译码器输 入的软信息进行限幅来改善。3.3 如何进行软解调经过信道传输之后，接收信号为：r (i) = ch (i) x(i) + n(i) ，其中， ch (i) 为信道乘性干扰，2对于AWGN 信道， ch (i) = 1 ；n(

11、i) 为信道加性干扰，即高斯白噪，实部和虚部功率均为/2 。通过理想信道补偿（本系统仿真中采用均衡和干扰删除）后： y(i) = x(i) + n(i) / ch (i) 。 解调器输入的 LLR 可近似的认为服从高斯分布。 y = yI + jgyQ ，接收信号的实部和虚部是相互独立的，因此可以从一开始就对 I, Q 路分别解调以减小运算复杂度，以下就以 16QAM的 I 路为例进行推导。星座点中的符号逐比特解调，第 i 个接收符号的第 k 个比特的 LLR(对数 似然比)：e( xI ( i ) yI ( i )2 2LLRk(i) = ln =i si ( k ) = 0( xI ( i

12、 ) yI ( i )2 e i si ( k ) =1 2(2)分子将所有第 k 个比特为 0(或 1)的符号的概率加起来；分母将所有第 k 个比特为 1(或 0) 的符号的概率加起来；这些接收符号与发送符号间的欧氏距离呈指数衰减分布；方程的结果表 示第 k 个比特的可靠性值，我们称之为软信息。第 i 个接收符号的第 k 个比特 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 |

13、xI = ai,k Ixc1 ixc1再由 lne x ii maxx ，以及 LLR 可近似的认为服从高斯分布，可得：| (i) |2(b) = ch min | y (i) a |2 min | y (i) a |2(4)i ,k 2as Ias I 1 0这就是 max-log-map 算法下比特软信息。考虑到软判决信息的绝对值与接收信号到判决边界的距离是成正比的，进一步简化可得到：| (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

14、)其中 DI ,k 定义为接收信号同相分量 yI (i) 与 bi ,k 最近判决边界间的距离。图 7 同相分量判决边界示意图如图 2 所示，同相分量的第一个比特(即 k=1)，以 y 轴为判决边界，则信号点到 y 的距离 DI ,1为 yI (i) ；同相分量的第二个比特以图中虚线为判决边界，则有如下关系： yI (i) k = 1DI ,k (i) = | D(i) | 2d k = 2(6)I ,1其中 d 表示 16QAM 星座图的单位长度， bi ,1 为可靠性最好的比特，其判决边界为纵轴，所以 DI ,1 (i) = yI (i) 。最后得到的软判决信息 (bi,k ) 逐比特输入

15、 Turbo 译码器进行译码。比较详尽的逐比特软解调算法分析可以参考文献2，3。4. 仿真分析仿真平台完全按照1搭建，前向链路基带仿真平台如图 8 所示。表 1，2 所示为前、反向 链路基带仿真平台系统参数。图 8 HRPD 前向链路基带仿真平台表 1 前向链路仿真参数-数据速率 1 228.8 kbps时隙 2 时隙 码率1/3 帧长4096 比特调制方式16QAM表 2 反向链路仿真参数- 数据速率 38.4 kbps 时隙4 时隙 码率 1/5帧长 256 比特 调制方式B4组 合调制重复/打孔信 信Turbo 加 道 源编码 扰 交 织判决 Turbo 解 解 交解 重复解 调均衡+

16、PIC统计译码 扰织正交 多径 扩信道频正 交 解 扩AWGN图 9 HRPD 反向链路基带仿真平台仿真选取 AWGN 和 30km/h 的多径衰落信道。前向调制方式为 16QAM，反向调制为文中 介绍的复合方式。由于使用了 Turbo 编码，所以接收端均采用软解调。图 10，11 分别为前、反向仿真结果。前向链路中，AWGN 信道下 3dB 时误包率达到103 ，30km/h 衰落信道下，17dB时接近103 ，因为基站发送功率较大，这个数值是合理的。反向链路中，30km/h 衰落信道下，-11.5dB 时接近103 。通过仿真可以知道，系统采用软解调和 Turbo 解码相结合的 max-l

17、og-map算法，保证在高速通信的情况下，高阶调制能够提高频谱效率，而使用强有力的 Turbo 编码可以保证通信的可靠性。前向1.2288Mbps,2时隙，16QAMAWGN信道30Km/h,衰落信道010-110误包率-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图 10 前向链路仿真结果，AWGN 信道和衰落信道反向 38.4kbps 衰落 信道 010-110-2误包 率10

18、-310-410-14 -13.5 -13 -12.5 -12 -11.5 -11Eb/No dB图 11 反向链路仿真结果，衰落信道5. 总结本文就HRPD系统链路的调制与编码技术做了全面的探讨，对于利用软信息解调与解码的 算法进行了深入的研究，并通过前反向不同信道的仿真说明其性能和使用价值。目前人们对信 息速率的要求越来越高，为提高频谱效率和通信的可靠性，系统设计中运用了更多的高阶调制 和更好的纠错编码技术，如16QAM, 64QAM调制和Turbo码，LDPC码等，为降低误码率，在高 速传输通信系统中多采用均衡，干扰消除，多用户检测等接收端技术，这些技术广泛应用于第3 代的CDMA系统中

19、，此外在B3G, 4G的OFDM, Mc-CDMA和WiMAX等系统中也均有应用，因此 我们的研究有着广泛而实际的意义。参考文献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 f

20、or high order modulation, Xinyu Gu, Kai Niu, Weiling Wu4Turbo 码原理与应用技术，刘东华5高阶调制的软输出算法比较，何燕锋，杨鸿文，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 b

21、rief introduction to the link structure of HRPD system, in this paper, the corresponding modulation and coding techniques are studied. In order to increase the data transmission rate, high order modulation techniques such as 16QAM and 64QAM and compound modulation with Walsh codes are used, besides,

22、 Turbo code is also adopted in this system. The 16QAM which exemplifies high order soft-demodulation algorithm is deduced, furthermore, a necessary modification of Turbo decoder needed to adapt to the input soft information of high order modulation is also presented in this paper. Then the performance of demodulation and decoding algorithms is examined by the simulation of the link of HRPD system on different kinds of channels.Keywords：HRPD，Walsh code，16QAM，Turbo code，LLR