UMB系統鏈路級仿真性能分析

涂 明，張 欣，楊大成

（北京郵電大學 信息與通信工程學院，北京 100876）

UMB系統是CDMA2000系列標準的演進升級版本，能夠帶來更大的帶寬、頻段和波段選擇范圍，以及網絡的可升級性和靈活性[1]。UMB系統的主要特點[2]有：高數據速率；增強數據容量；低時延；增強的VoIP支持；完美的移動性支持；設備利用率高。我國正全面進入3G商用階段，了解UMB系統有助于TD-SCDMA的后續演進發展，同時對自主研發4G系統提供借鑒和參考。UMB的第2版協議相對第1版協議有較大改變，因此急需研究改進的新版本的性能。本文利用MATLAB搭建仿真平臺，評估UMB系統的鏈路級性能，同時采用蒙特卡羅仿真方法分析鏈路級傳輸的誤包率，得出系統鏈路級在各信噪比下的衰減速度，從而反映系統傳輸可靠性和數據速率。

1UMB物理層關鍵技術

1.1 去冗余比特反轉交織[3-4]

去冗余比特反轉交織PBRI（Pruned Bit Reversal Interleaver）是交織方法的一種，其特點在于：交織前輸入數據后，對將要進行交織的數據補齊比特位，以滿足比特位數是2的冪次，然后將補齊后的數據按一般的交織方法進行交織，以行的順序輸入，以列的順序輸出[5]，輸出數據按數據流排序后，要先刪去在開始階段用于補齊的比特位，并將后續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據。以4-bit去冗余反轉交織為例，具體過程如圖1所示。

圖1 4-bit去冗余反轉交織過程

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、級聯碼、Turbo碼和LDPC碼。去尾比特技術（Tail-biting）是在這些編碼技術中增加的一項獨特技術。這里以卷積碼為例說明Tail-biting的特點。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 個輸入比特；

2）將最后的8個比特附加在N個比特前面,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）個比特數據；

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

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

圖2 F-SCCH仿真對比結果

去尾比特編碼是將數據序列的尾比特置于原始數據序列之前，這樣在卷積編碼時，首先對尾比特進行卷積處理，然后再對原始數據序列進行卷積。這樣在譯碼器端使用維特比譯碼時，由于有前面的尾比特卷積處理，使得譯碼過程中各譯碼支路都趨于穩定的概率值，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 分層調制技術

UMB系統中的分層調制是兩種調制方案的疊加。廣播和組播業務一般由一個QPSK的附加層與另一個QPSK或16QAM的基礎層疊加組成。疊加所組成的新調制方式的能量介于基礎層與附加層之間。附加層的星座點需要逆時針旋轉一定角度。以QPSK附加層與QPSK基礎層疊加組成的調制方案為例，每個調制符號包含 4 比特：[s3，s2，s1，s0]，其中s2和s0來自基礎層的星座點，s3和s1來自附加層星座點。

采用分層調制技術可將兩路分配不同能量的信號分別調制到基礎層和附加層上。一路信號傳輸距離較遠，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，接收效果較好；距離基站較遠的用戶能接收到兩路信號中較強的那路信號，接收質量僅略低一點。這樣基本保證建設較小的基站同時覆蓋較大的物理范圍，并保證遠近的用戶都能接收到高質量的信號。這種調制方式的應用可大大降低網絡建設成本[7]。

2AWGN信道下的仿真

圖3所示為物理層仿真的系統框圖。

圖3 編碼與調制系統框圖

仿真條件如下：AWGN信道，帶寬在10 MHz，FFT點數為1 024個，OFDM子載波間隔為9.6 kHz,取24 bit的CRC校驗，采用普通非分層的調制方式，采用去冗余比特反轉交織、Tail-biting編碼方案，并僅以前向鏈路數據信道為例進行仿真。圖4是前向數據信道數據包格式[8]。圖4的表格中，以斜紋作為底紋部分的6個數字表示傳輸次數，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字區域表示單個調制符號包含的比特數，如“3”表示 8PSK，“6”表示 64QAM 的調制方式。

圖4 前向數據信道數據包格式

以下AWGN信道下的仿真均在MATLAB R2007b上實現，圖中每條曲線的仿真點數不少于1萬個。在使用卷積碼，數據包格式為PF=0的情況下，誤包率仿真曲線如圖5所示。其中，圖5（a）中曲線的標號0～5分別對應圖4中傳輸次數的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 結論

在AWGN信道下，通過MATLAB仿真平臺對物理層模塊在鏈路級中的效果進行仿真。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，UMB系統的傳輸性能具有較高的可靠性。仿真結果也能從側面反映出UMB的高數據速率。通過對更高數據格式的誤包率仿真，在更高級調制方式的條件下，系統不僅具有巨大的數據傳輸容量，而且還能保持較低的誤包率、高可靠性等性能指標，重傳的性能提升可達至少10 dB以上，最高甚至超過20 dB。

本文只針對UMB在系統AWGN信道下的性能進行評估，要全面評估UMB系統性能，還應考慮系統在衰落信道下的性能。后續研究可針對衰落信道下，UMB系統在兩種編碼時的誤包率。關鍵點在于衰落信道的設計和選擇，應選擇最能體現UMB系統性能和技術優勢的模型來評估。

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

[2]張惠俊.超移動寬帶技術（UMB）規范發布[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.移動通信原理[M].北京：電子工業出版社，2005.

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

[7]賽 文.高通無線通訊技術（中國）公司業務發展經理陳崗[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.