涂 明，張 欣，楊大成

（北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100876）

UMB系統(tǒng)是CDMA2000系列標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)升級(jí)版本，能夠帶來(lái)更大的帶寬、頻段和波段選擇范圍，以及網(wǎng)絡(luò)的可升級(jí)性和靈活性[1]。UMB系統(tǒng)的主要特點(diǎn)[2]有：高數(shù)據(jù)速率；增強(qiáng)數(shù)據(jù)容量；低時(shí)延；增強(qiáng)的VoIP支持；完美的移動(dòng)性支持；設(shè)備利用率高。我國(guó)正全面進(jìn)入3G商用階段，了解UMB系統(tǒng)有助于TD-SCDMA的后續(xù)演進(jìn)發(fā)展，同時(shí)對(duì)自主研發(fā)4G系統(tǒng)提供借鑒和參考。UMB的第2版協(xié)議相對(duì)第1版協(xié)議有較大改變，因此急需研究改進(jìn)的新版本的性能。本文利用MATLAB搭建仿真平臺(tái)，評(píng)估UMB系統(tǒng)的鏈路級(jí)性能，同時(shí)采用蒙特卡羅仿真方法分析鏈路級(jí)傳輸?shù)恼`包率，得出系統(tǒng)鏈路級(jí)在各信噪比下的衰減速度，從而反映系統(tǒng)傳輸可靠性和數(shù)據(jù)速率。

1UMB物理層關(guān)鍵技術(shù)

1.1 去冗余比特反轉(zhuǎn)交織[3-4]

去冗余比特反轉(zhuǎn)交織PBRI（Pruned Bit Reversal Interleaver）是交織方法的一種，其特點(diǎn)在于：交織前輸入數(shù)據(jù)后，對(duì)將要進(jìn)行交織的數(shù)據(jù)補(bǔ)齊比特位，以滿足比特位數(shù)是2的冪次，然后將補(bǔ)齊后的數(shù)據(jù)按一般的交織方法進(jìn)行交織，以行的順序輸入，以列的順序輸出[5]，輸出數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)流排序后，要先刪去在開始階段用于補(bǔ)齊的比特位，并將后續(xù)的比特位前移至刪除后空出的位置，這樣整理完畢后才開始輸出數(shù)據(jù)。以4-bit去冗余反轉(zhuǎn)交織為例，具體過(guò)程如圖1所示。

圖1 4-bit去冗余反轉(zhuǎn)交織過(guò)程

1.2 去尾比特編碼方案[5-6]

UMB中使用的編碼類型多是卷積碼、級(jí)聯(lián)碼、Turbo碼和LDPC碼。去尾比特技術(shù)（Tail-biting）是在這些編碼技術(shù)中增加的一項(xiàng)獨(dú)特技術(shù)。這里以卷積碼為例說(shuō)明Tail-biting的特點(diǎn)。碼率為1/3的Tail-biting卷積碼生成步驟如下：

1）用 X0，X1，…，XN-1表示 N 個(gè)輸入比特；

2）將最后的8個(gè)比特附加在N個(gè)比特前面,形成新的序列：XN-8，XN-7，…，XN-1，X0，X1，…，XN-1，然后新的序列進(jìn)入碼率為1/3的普通卷積編碼器，用Y表示編碼后的3（N+8）個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)；

3）Tail-biting 編碼 輸 出 Y 序 列 的 后 3N 個(gè)比特 ：Y24，Y25，…，Y3N+23。

Tail-biting編碼方案相比普通編碼方案具有明顯優(yōu)勢(shì)，圖2為在F-SCCH（前向共享控制信道）條件下的仿真對(duì)比。

圖2 F-SCCH仿真對(duì)比結(jié)果

去尾比特編碼是將數(shù)據(jù)序列的尾比特置于原始數(shù)據(jù)序列之前，這樣在卷積編碼時(shí)，首先對(duì)尾比特進(jìn)行卷積處理，然后再對(duì)原始數(shù)據(jù)序列進(jìn)行卷積。這樣在譯碼器端使用維特比譯碼時(shí)，由于有前面的尾比特卷積處理，使得譯碼過(guò)程中各譯碼支路都趨于穩(wěn)定的概率值，提高譯碼的可靠度，因此去尾比特編碼比一般的編碼方案具有更好的譯碼效果。

1.3 分層調(diào)制技術(shù)

UMB系統(tǒng)中的分層調(diào)制是兩種調(diào)制方案的疊加。廣播和組播業(yè)務(wù)一般由一個(gè)QPSK的附加層與另一個(gè)QPSK或16QAM的基礎(chǔ)層疊加組成。疊加所組成的新調(diào)制方式的能量介于基礎(chǔ)層與附加層之間。附加層的星座點(diǎn)需要逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度。以QPSK附加層與QPSK基礎(chǔ)層疊加組成的調(diào)制方案為例，每個(gè)調(diào)制符號(hào)包含 4 比特：[s3，s2，s1，s0]，其中s2和s0來(lái)自基礎(chǔ)層的星座點(diǎn)，s3和s1來(lái)自附加層星座點(diǎn)。

采用分層調(diào)制技術(shù)可將兩路分配不同能量的信號(hào)分別調(diào)制到基礎(chǔ)層和附加層上。一路信號(hào)傳輸距離較遠(yuǎn)，而另一路則只能傳輸較近的距離。距離基站較近的用戶可以接收到兩路信號(hào)，接收效果較好；距離基站較遠(yuǎn)的用戶能接收到兩路信號(hào)中較強(qiáng)的那路信號(hào)，接收質(zhì)量?jī)H略低一點(diǎn)。這樣基本保證建設(shè)較小的基站同時(shí)覆蓋較大的物理范圍，并保證遠(yuǎn)近的用戶都能接收到高質(zhì)量的信號(hào)。這種調(diào)制方式的應(yīng)用可大大降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本[7]。

2AWGN信道下的仿真

圖3所示為物理層仿真的系統(tǒng)框圖。

圖3 編碼與調(diào)制系統(tǒng)框圖

仿真條件如下：AWGN信道，帶寬在10 MHz，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為1 024個(gè)，OFDM子載波間隔為9.6 kHz,取24 bit的CRC校驗(yàn)，采用普通非分層的調(diào)制方式，采用去冗余比特反轉(zhuǎn)交織、Tail-biting編碼方案，并僅以前向鏈路數(shù)據(jù)信道為例進(jìn)行仿真。圖4是前向數(shù)據(jù)信道數(shù)據(jù)包格式[8]。圖4的表格中，以斜紋作為底紋部分的6個(gè)數(shù)字表示傳輸次數(shù)，如“3”表示正常傳輸1次，重傳2次，“6+”表示正常傳輸 1次，重傳至少 5次；表格左邊由不同灰度值顯示的數(shù)字區(qū)域表示單個(gè)調(diào)制符號(hào)包含的比特?cái)?shù)，如“3”表示 8PSK，“6”表示 64QAM 的調(diào)制方式。

圖4 前向數(shù)據(jù)信道數(shù)據(jù)包格式

以下AWGN信道下的仿真均在MATLAB R2007b上實(shí)現(xiàn)，圖中每條曲線的仿真點(diǎn)數(shù)不少于1萬(wàn)個(gè)。在使用卷積碼，數(shù)據(jù)包格式為PF=0的情況下，誤包率仿真曲線如圖5所示。其中，圖5（a）中曲線的標(biāo)號(hào)0～5分別對(duì)應(yīng)圖4中傳輸次數(shù)的1～6。 在使用 Turbo碼、PF=3 的情況下，得到圖 5（b）所示的誤包率仿真曲線。

圖5 前向鏈路誤包率仿真曲線

3 結(jié)論

在AWGN信道下，通過(guò)MATLAB仿真平臺(tái)對(duì)物理層模塊在鏈路級(jí)中的效果進(jìn)行仿真。使用卷積碼的情況下，一般只需6 dB的信噪比即可將誤包率降至10-3以下，重傳后可以提升3～8 dB的性能。而使用Turbo碼，更是只需2.5 dB信噪比就可將誤包率降到10-3以下，重傳可以提升4～10 dB的性能。由此可見(jiàn)，UMB系統(tǒng)的傳輸性能具有較高的可靠性。仿真結(jié)果也能從側(cè)面反映出UMB的高數(shù)據(jù)速率。通過(guò)對(duì)更高數(shù)據(jù)格式的誤包率仿真，在更高級(jí)調(diào)制方式的條件下，系統(tǒng)不僅具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸容量，而且還能保持較低的誤包率、高可靠性等性能指標(biāo)，重傳的性能提升可達(dá)至少10 dB以上，最高甚至超過(guò)20 dB。

本文只針對(duì)UMB在系統(tǒng)AWGN信道下的性能進(jìn)行評(píng)估，要全面評(píng)估UMB系統(tǒng)性能，還應(yīng)考慮系統(tǒng)在衰落信道下的性能。后續(xù)研究可針對(duì)衰落信道下，UMB系統(tǒng)在兩種編碼時(shí)的誤包率。關(guān)鍵點(diǎn)在于衰落信道的設(shè)計(jì)和選擇，應(yīng)選擇最能體現(xiàn)UMB系統(tǒng)性能和技術(shù)優(yōu)勢(shì)的模型來(lái)評(píng)估。

[1]李瀛寰.UMB:超移動(dòng)寬帶并行6大應(yīng)用[EB/OL].2007.http://www.cww.net.cn/3G/html/2007/7/16/007716949398025_1.htm.

[2]張惠俊.超移動(dòng)寬帶技術(shù)（UMB）規(guī)范發(fā)布[EB/OL].2007.http://article.pchome.net/content-460938.html.

[3]3GPP2.Physical layer for ultra mobile broadband（UMB）air interface specification.C.S0084-001-0[S].2007.

[4]Qualcomm incorporated.Pruned bit reversal interleaver.PCT/US2005/047623[S].IPN:WO 2006/069392.2006.

[5]吳偉陵,牛 凱.移動(dòng)通信原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[6]Via Telecom.F-SCCH and R-ODCCH performance improvement.C30-20070326-014[S].2007.

[7]賽 文.高通無(wú)線通訊技術(shù)（中國(guó)）公司業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理陳崗[EB/OL].2006.http://news.ccidnet.com/art/1522/20060810/792063_1.html.

[8]KDDI corporation.Preliminary results of UMB PER performan ces in the AWGN channel.C30-20070827-017[S].2007.