TD-SCDMA傳輸信道編碼復用與解碼解復用的仿真 ?

劉先攀， 金燕華

（電子科技大學空天科學技術(shù)研究院, 四川成都 611731）

0 引言

WCDMA、CDMA2000和 TD-SCDMA是第三代移動通信的三大主流標準，其中TDSCDMA[1]是我國首次提出的國際移動通信標準，在物理層核心技術(shù)上擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。TDSCDMA標準采用了時分雙工、智能天線、聯(lián)合檢測、上行同步等諸多關(guān)鍵技術(shù)，具有不需要成對頻帶、靈活性強、適于非對稱數(shù)據(jù)業(yè)務、理論最大頻譜效率高、軟件升級容易及系統(tǒng)成本低等優(yōu)點[2]。因此，對TD-SCDMA的研究具有非常重要的理論意義和實際應用價值[3]。

從3GPP通過的幾個標準（一個 FDD，兩個TDD）來看，它們的不同之處主要體現(xiàn)在物理層[4]，而其上層（層2，層3）除涉及物理層部分的內(nèi)容外，其他則基本相同。物理層是OSI參考模型的最底層，主要任務是為上層提供數(shù)據(jù)傳輸服務以及完成其他一些基本過程。圖1描述了TD-SCDMA系統(tǒng)的空中接口。

圖1 無線接口協(xié)議結(jié)構(gòu)

物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層及網(wǎng)絡層的RRC子層連接，向MAC層提供不同的傳輸信道。傳輸信道定義了信息是如何在空中接口傳輸?shù)摹楸ＷC高層的信息數(shù)據(jù)在無線信道上可靠的傳輸，需要對來自MAC和高層的數(shù)據(jù)流(傳輸快和傳輸快集)進行編碼/復用后在無線鏈路上發(fā)送，并且將無線鏈路上接收到的數(shù)據(jù)進行解碼/解復用再送給MAC子層和高層。

本文首先簡要介紹了物理信道的結(jié)構(gòu)；然后介紹了上行鏈路物理層[5-6]的傳輸信道編碼復用和解碼解復用技術(shù)；最后對編碼復用以及解碼解復用過程建立仿真模型。在MATLAB中對TDSCDMA上行鏈路物理層傳輸信道編碼復用和解碼解復用過程進行了仿真。

1 物理信道

TD-SCDMA的物理信道[7]采用4層結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)幀、無線幀、子幀和時隙。依據(jù)不同的資源分配方案，子幀或時隙碼的配置結(jié)構(gòu)可能有所不同。所有物理信道在每個時隙中需要有符號保護。時隙用于在時域和碼域上區(qū)分不同的用戶信號，它具有TDMA特性。物理信道的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 物理信道結(jié) 構(gòu)

3GPP定義的一個TDMA幀長度為10 ms。TD-SCDMA系統(tǒng)為了實現(xiàn)快速功率控制和定時提前校準以及對一些新技術(shù)的支持，將一個10 ms的幀分成兩個結(jié)構(gòu)完全相同的子幀，每個子幀的時長為5 ms。子幀結(jié)構(gòu)如圖3所示，每一子幀又分成7個常規(guī)時隙和3個特殊時隙DwPTS(下行導頻時隙)、GP（保護間隔）、UpPTS(上行導頻時隙)。在這7個常規(guī)時隙中TS0總是分配給下行鏈路,而TS1總是分配給上行鏈路。上行鏈路的時隙和下行鏈路的時隙之間由一個轉(zhuǎn)換點分開。

圖3 系統(tǒng)子幀結(jié)構(gòu)

TDD模式下的物理信道是一個突發(fā)，在分配到的無線幀中的特定時隙發(fā)射。時隙結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括兩個長度分別為352chip的數(shù)據(jù)域、一個長度為144chip的訓練序列域和一個長度為16chip的保護間隔。

圖4 常規(guī)時隙結(jié)構(gòu)

2 信道編碼與復用

TD-SCDMA系統(tǒng)物理層傳輸信道編碼/復用過程[8-9]主要包括CRC校驗、傳輸塊級連和碼塊分割、信道編碼、無線幀均衡、第一次交織、無線幀分割、速率匹配、傳輸信道復用、物理信道分割、第二次交織、子幀分割、傳輸信道到物理信道的映射等步驟。整個過程處理的數(shù)據(jù)是以傳輸時間間隔TTI為周期、按數(shù)據(jù)類型分類的傳輸塊。經(jīng)過處理后，數(shù)據(jù)成為以5 ms無線子幀為結(jié)構(gòu)，存儲在不同時隙物理信道上的比特序列，再經(jīng)過加擾、擴頻和調(diào)制發(fā)送出去。

TD-SCDMA中的信道編碼復用分上行鏈路與下行鏈路兩種情況，上行鏈路編碼復用是指數(shù)據(jù)在用戶設備端編碼后發(fā)往基站側(cè)，下行鏈路編碼復用是指數(shù)據(jù)在基站側(cè)編碼后發(fā)往用戶端。上、下行鏈路的處理過程有所不同，但總的來說基本上是一致的。這里以上行鏈路的情況為例進行分析。上行鏈路傳輸信道編碼/復用過程的的具體步驟如圖5所示，圖中每個方框代表數(shù)據(jù)的處理流程。

傳輸信道的解碼解復用執(zhí)行與編碼復用相反的過程，這里不再仔細討論。

圖5 傳輸信道編碼與復用結(jié)構(gòu)

3 編碼復用與解碼解復用的仿真

對于每個傳輸時間間隔TTI，物理層以傳輸塊集的形式接收來自MAC子層的數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流在物理層經(jīng)過基帶處理后，在無線鏈路上提供傳輸服務。這里以信息速率12.2Kb/s的上行鏈路為例來進行仿真，每個TTI為20ms,流程圖如圖6所示，圖中框圖內(nèi)的數(shù)字為比特流。

圖6 12.2Kb/s上行鏈路流程圖

首先，在一個TTI內(nèi)數(shù)據(jù)流先經(jīng)過附加CRC校驗，在數(shù)據(jù)流末尾添加16 bit的校驗位。然后進行卷積編碼，在編碼前附加8bit的尾比特。卷積編碼結(jié)束進行第一次交織。然后將一個20 ms的數(shù)據(jù)進行無線幀分割，分割為兩個10 ms的無線幀。物理信道，映射過后的數(shù)據(jù)經(jīng)過擴頻和加擾，然后被調(diào)制到射頻段發(fā)射出去。在接收段實行相同的逆過程，首先進行解調(diào)、解擾和解擴，然后送去譯碼和解復用。整個譯碼解復用過程就是編碼復用的相反處理，基本和編碼復用相同，在仿真模型中有具體實現(xiàn)過程可以參照，在此不作詳細介紹。圖7為仿真模型，發(fā)射部分為編碼復用過程；接收部分為解碼解復用過程；信道部分為擴頻、調(diào)制、加擾等過程，用高斯信道代替。圖8和圖9位發(fā)射和接收部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖7 編碼復用與解碼解復用仿真模型

圖8 編碼復用內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖9 解碼解復用內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于本文研究的是TD-SCDMA編碼復用與解碼解復用，在仿真模型中省去了擴頻調(diào)制和無線信道以及相應的解調(diào)、解擴部分，而是信息序列編碼復用之后通過高斯信道直接送去完成相對應的解碼解復用操作，以得到理論上的還原序列。論文中利用MATLAB中的誤比特率計算模塊來計算原始信息序列和還原序列的誤比特率。文中將原始信息序列和還原序列同時輸入到誤比特率計算模塊，在一段仿真時間過后模塊將顯示出誤比特率、誤比特個數(shù)和總比特數(shù)。仿真時間設置為1 s,在這1 s的時間內(nèi)共12440比特，從圖10誤比特率計算結(jié)果可以看出協(xié)議規(guī)定的編碼復用及其譯碼解復用過程在理想傳輸信道情況下是正確和有效的。

圖10 仿真結(jié)果——誤比特率

4 結(jié)論

本文是在對TD-SCDMA上行鏈路協(xié)議理論研究[10]的基礎(chǔ)上，運用MATLAB建立上行鏈路模型并仿真?zhèn)鬏斝诺谰幋a復用與解碼解復用部分，在理想的情況下，得到誤比特率為零，數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼復用和解碼解復用后可以無差錯的恢復出來，驗證了TD-SCDMA標準實現(xiàn)編碼復用與譯碼解復用的流程的正確性。

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