肖靖等

摘 要： 在同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，為了進(jìn)一步提高用戶(hù)終端在受到遮擋或其他情況導(dǎo)致信道質(zhì)量惡化時(shí)仍能最大程度地正確接收尋呼的能力，提出一種可用于增強(qiáng)尋呼的邏輯信道突發(fā)改進(jìn)方案。設(shè)計(jì)了一種運(yùn)用RS編碼與擴(kuò)頻技術(shù)的增強(qiáng)尋呼突發(fā)結(jié)構(gòu)，方案以碼元為單位將編碼后的尋呼消息拆分，經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻調(diào)制后發(fā)送，可以糾正隨機(jī)錯(cuò)誤，充分利用了編碼和擴(kuò)頻增益。利用仿真可以看出，與現(xiàn)有方法相比，改進(jìn)方案可以有效地提升尋呼消息的接收性能，降低尋呼消息在高斯信道下的誤碼率。同樣，在更貼近真實(shí)的萊斯衰落信道下的性能也有明顯改善。

關(guān)鍵詞： 衛(wèi)星通信； RS編碼； 增強(qiáng)尋呼； 擴(kuò)頻； 幀結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN927?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）11?0001?04

An improved enhancing paging burst and its simulation verification

XIAO Jing1， PAN Wen2， LI Xin2， ZHAO Ming2， HUANG Lian?fen1

（1. College of Information Science and Technology， Xiamen University， Xiamen 361005， China；

2. Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology， Tsinghua University， Beijing 100084， China）

Abstract： To further improve the correct reception paging ability of user terminal to an extreme extent when the user terminal is covered or channel quality is deteriorated by other situations， an improved scheme of the logical channel burst for enhanced paging is proposed for synchronous orbit satellite communication system. The enhanced paging burst structure is designed by RS coding and spread spectrum （SPSP） technology. The proposed scheme takes code element as the unit and splits the paging message which is transmitted after SPSP modulation， random errors are corrected， and it takes full advantage of coding and SPSP gains. The simulation results show that the improved scheme can effectively enhance the reception performance of the paging message and reduce the error rate in Gauss channel， compared with the conventional method. Similarly， the performance is also significantly improved in RICE fading channel which is most close to the actual situation.

Keywords： satellite communication； RS coding； paging enhancement； SPSP； frame structure

0 引 言

衛(wèi)星通信具有覆蓋廣、不受地理?xiàng)l件和通信距離限制等優(yōu)點(diǎn)，是災(zāi)害應(yīng)急、軍事活動(dòng)、偏遠(yuǎn)地區(qū)的重要通信手段，也是地面移動(dòng)通信的必要補(bǔ)充。衛(wèi)星按其軌道高度可分為同步軌道衛(wèi)星（GEO）和非同步軌道衛(wèi)星（non?GEO）[1]，其中歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）制定了完善的基于GEO衛(wèi)星的GMR系列標(biāo)準(zhǔn)。增強(qiáng)尋呼信道是基于GMR?1衛(wèi)星通信標(biāo)準(zhǔn)的一種邏輯信道，用于當(dāng)?shù)孛嬉苿?dòng)臺(tái)與衛(wèi)星之間的信號(hào)被遮擋或者移動(dòng)臺(tái)進(jìn)入地下時(shí)[2]通信無(wú)法建立的情況。為了通知用戶(hù)移動(dòng)到信號(hào)較強(qiáng)的地方[3]，衛(wèi)星和信關(guān)站可以通過(guò)特殊的增強(qiáng)尋呼信道發(fā)送信息給移動(dòng)臺(tái)。尋呼消息往往利用直接擴(kuò)頻和多進(jìn)制擴(kuò)頻技術(shù)，文獻(xiàn)[4]分別使用BPSK調(diào)制和6PSK調(diào)制，其中6PSK調(diào)制在滿(mǎn)足誤碼率不大于10-5時(shí)，信噪比性能達(dá)到約-5.1 dB。

本文提出一種改進(jìn)的尋呼信道突發(fā)結(jié)構(gòu)和接收算法并編程實(shí)現(xiàn)，該方法利用了較高編碼增益的16進(jìn)制RS編碼，賦予尋呼消息在擴(kuò)頻解調(diào)是出錯(cuò)時(shí)的糾錯(cuò)能力，結(jié)合多進(jìn)制擴(kuò)頻映射調(diào)制技術(shù)，進(jìn)一步提高了增強(qiáng)尋呼的接收性能。最后通過(guò)Matlab平臺(tái)仿真驗(yàn)證了改進(jìn)的增強(qiáng)尋呼的有效性。

1 幀結(jié)構(gòu)

增強(qiáng)尋呼信道可以同時(shí)相互交錯(cuò)地發(fā)送五組尋呼消息，64個(gè)TDMA幀構(gòu)成一個(gè)尋呼循環(huán)，當(dāng)前發(fā)送的具體組數(shù)由系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)決定。系統(tǒng)參數(shù)由5位二進(jìn)制數(shù)組成，這5 b數(shù)據(jù)分別與5組尋呼信息一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)相應(yīng)比特?cái)?shù)據(jù)為1時(shí)，尋呼信息在尋呼循環(huán)開(kāi)始時(shí)發(fā)送。

在可選保留時(shí)隙邏輯信道中，一個(gè)TDMA幀可以包含兩組由108個(gè)符號(hào)組成的增強(qiáng)尋呼突發(fā)。尋呼消息由36 b組成，經(jīng)過(guò)RS編碼增長(zhǎng)到60 b。因?yàn)椴捎昧藬U(kuò)頻調(diào)制，每個(gè)尋呼突發(fā)只能夠傳輸4個(gè)編碼比特。因此，一個(gè)組完整的尋呼消息需要15組增強(qiáng)尋呼突發(fā)，加載到最少8個(gè)TDMA幀中才能傳輸。

設(shè)一個(gè)增強(qiáng)尋呼突發(fā)承載了編號(hào)為0的一組尋呼消息中編號(hào)為1的RS碼元，用B0（1）來(lái)表示。64幀內(nèi)發(fā)送時(shí)隙映射規(guī)則如表1所示。所有增強(qiáng)尋呼突發(fā)均加載在數(shù)據(jù)幀0～9時(shí)隙的范圍內(nèi)。

2 系統(tǒng)模型

增強(qiáng)尋呼突發(fā)的發(fā)送和接收系統(tǒng)模型[5]的發(fā)送端主要由信源編碼、RS編碼、擴(kuò)頻調(diào)制組成。接收端相應(yīng)地由解擴(kuò)解調(diào)、RS硬判決譯碼、信源譯碼等組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)將尋呼數(shù)據(jù)編碼為36 b信息。RS編碼器將36 b信息轉(zhuǎn)化為9位16進(jìn)制碼，RS編碼后碼長(zhǎng)為15，每一位碼元可由4 b的二進(jìn)制符號(hào)表示。

編碼碼字采用16元擴(kuò)頻，即將每個(gè)RS碼元先經(jīng)過(guò)6PSK映射調(diào)制，采用直接重復(fù)6次的方式擴(kuò)頻后形成108個(gè)符號(hào)發(fā)送。信號(hào)的接收部分將在下面的內(nèi)容中介紹。

2.1 RS編碼

本文使用的是能夠糾3個(gè)錯(cuò)誤的16進(jìn)制（15，9，7）RS編碼，如果將連續(xù)的4 b信息視作一個(gè)碼元，那么9個(gè)碼元可以作為一個(gè)輸入碼字，經(jīng)過(guò)RS編碼后得到碼長(zhǎng)為15的一個(gè)在GF（24）上的輸出碼字。GF（24）上所有元素都可以用本原元[α]的指數(shù)冪來(lái)表示，同時(shí)每個(gè)元素也對(duì)應(yīng)一個(gè)多項(xiàng)式的二進(jìn)制系數(shù)，即用4 b來(lái)表示[6]，見(jiàn)表2。

RS輸出碼字生成的多項(xiàng)式可表示為：

其中，[rx]表示[mxxn-k]除以生成多項(xiàng)式[gx]得到的余式[6]。

2.2 擴(kuò)頻調(diào)制

本文采用16元6進(jìn)制正交碼擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，調(diào)制流程如圖2所示。該技術(shù)將經(jīng)過(guò)RS編碼后的尋呼信息轉(zhuǎn)化為16進(jìn)制，把它映射到一組擴(kuò)頻序列上，相對(duì)傳統(tǒng)直接序列擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，該調(diào)制技術(shù)提高了傳輸速率和頻帶利用率[7]。

表3為本文選取的擴(kuò)頻調(diào)制映射規(guī)則[8]，表中的正交擴(kuò)頻序列由18列6進(jìn)制碼組成。

擴(kuò)頻序列中每一列都經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻調(diào)制，即序列每個(gè)元素分別重復(fù)6次，形成長(zhǎng)為108的一組序列。這組序列采用6PSK的基帶調(diào)制[9]，調(diào)制規(guī)則見(jiàn)表4。

這樣，16個(gè)RS碼元就被分別擴(kuò)頻調(diào)制為108個(gè)符號(hào)序列，這16組擴(kuò)頻符號(hào)序列具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性[4]。

2.3 信道模型

2.3.1 AWGN信道

AWGN信道，即加性高斯白噪聲信道，是通信系統(tǒng)仿真中最常用的信道模型，通常也作為衛(wèi)星通信中恒參信道的等效信道[10]。AGWN信道的噪聲幅值服從高斯分布，功率譜密度為常數(shù)，信道模型用下式表示：

在信號(hào)傳輸過(guò)程中，設(shè)信道的輸入為[x（t），]輸出為[y（t），]發(fā)送信號(hào)受到加性噪聲[n（t）]的干擾，[n（t）]為零均值的高斯白噪聲。

2.3.2 RICE信道

RICE信道是一種衛(wèi)星通信中常見(jiàn)的多徑衰落信道，多徑信號(hào)的相位、幅度變化會(huì)影響接收信號(hào)包絡(luò)的起伏。信號(hào)包絡(luò)幅度的衰落變化規(guī)律服從Rice分布，信號(hào)經(jīng)過(guò)RICE衰落信道后，幅度服從Rice分布[11]，其相應(yīng)的概率密度函數(shù)為：

式中：參數(shù)[A]為直射波分量幅度的峰值；[σ2]為信號(hào)中高斯分布分量的方差；[I0]為第一類(lèi)零階修正貝塞爾函數(shù)。萊斯因子[K]為直射信號(hào)的功率與多徑分量方差之比，[K]完全確定了萊斯分布，其表達(dá)式為：

本文選取[K=5，]歸一化的最大多普勒頻率為2e-4，平坦衰落RICE信道模型如圖3所示。

α為符合萊斯分布的信道增益，θ是由多普勒效應(yīng)引起的相位干擾，[n（t）]為服從（0，σ2）分布的高斯白噪聲，信道模型用下式表示：

2.4 接收和解擴(kuò)

信號(hào)經(jīng)過(guò)高斯信道后到達(dá)接收端，將下變頻的長(zhǎng)度為108的串行接收信號(hào)進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，接收端對(duì)接收信號(hào)的處理算法如圖4所示。設(shè)串/并轉(zhuǎn)換后的并行數(shù)據(jù)為Y（m），為了解調(diào)接收信號(hào)，將Y（m）與接收端本地的16組標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)頻符號(hào)作相關(guān)，將會(huì)得到16個(gè)相關(guān)峰。

設(shè)i為標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)頻序列的編號(hào)，Si表示RS碼元為i的長(zhǎng)為108的映射擴(kuò)頻序列的6PSK調(diào)制符號(hào)。例如當(dāng)i為2時(shí)，m表示擴(kuò)頻符號(hào)的序號(hào)，S2（m）可表示為：

設(shè)相關(guān)峰用E來(lái)表示，Y（m）與本地16組長(zhǎng)為108的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)頻序列分別作相關(guān)，相關(guān)峰[Ei]可表示為：

因?yàn)楫?dāng)且僅當(dāng)發(fā)送信號(hào)與其自身相關(guān)時(shí)相關(guān)峰[E]可以取得最大值，即取得最大相關(guān)峰的擴(kuò)頻序列Scorrect與發(fā)送序列相同的概率最高，所以取Scorrect作為最理想的譯碼信息。例如當(dāng)一組相關(guān)峰中Ej最大時(shí)，選取j為這組接收信號(hào)所代表的RS碼元[12]，可表示為：

這樣就完成了單個(gè)RS碼元的解擴(kuò)和解調(diào)。在全部接收、發(fā)送15組擴(kuò)頻信號(hào)后，即可進(jìn)行RS譯碼。

2.5 RS譯碼

RS碼擁有很多成熟的硬判決譯碼算法，與一般線性碼的歩驟[6]基本相同。本文使用基于Berlekamp?Massey算法（BM算法）的硬判決譯碼方法[13]，設(shè)接收的15位RS碼為r（x），譯碼算法框圖如圖5所示。

圖5 BM譯碼算法原理圖

如果求得的錯(cuò)誤圖案中的錯(cuò)誤數(shù)目不大于3，那么包含最小錯(cuò)誤個(gè)數(shù)的錯(cuò)誤圖案對(duì)應(yīng)的解就是正確的解。否則譯碼器將無(wú)法還原信道噪聲導(dǎo)致的誤碼，即譯碼輸出碼字與發(fā)送碼字不一致。

3 性能仿真

在較差的通信條件下，移動(dòng)臺(tái)與衛(wèi)星的同步誤差會(huì)加大，所以假設(shè)移動(dòng)臺(tái)在通信狀況良好時(shí)已經(jīng)同步的情況下進(jìn)行仿真。

圖6分別給出了在AWGN信道和RICE信道下的信噪比與誤碼率關(guān)系的仿真結(jié)果，其中RICE信道模型中的萊斯因子取值為5，即[K=5。]

圖6 信噪比與誤碼率關(guān)系圖

由圖6可以看出，在AWGN信道下經(jīng)過(guò)改進(jìn)的增強(qiáng)尋呼突發(fā)的接收性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)增強(qiáng)尋呼的性能。在誤碼率不大于10-5時(shí)，滿(mǎn)足要求的最小信噪比約為-9.8 dB，性能提高約4.7 dB。在RICE信道中，由于信號(hào)多徑衰落和多普勒效應(yīng)的影響，滿(mǎn)足相應(yīng)誤碼率的最小信噪比約為-5.6 dB，但同樣優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

4 結(jié) 論

由以上可知，本文提出的改進(jìn)方法能更有效地傳輸系統(tǒng)的尋呼消息，改善了移動(dòng)臺(tái)無(wú)法接收尋呼消息的問(wèn)題。在結(jié)合了多進(jìn)制擴(kuò)頻映射調(diào)制技術(shù)后，增強(qiáng)尋呼信道的性能有明顯的提升，從而間接維護(hù)了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

注：本文通訊作者為黃聯(lián)芬。

參考文獻(xiàn)

[1] CHINI P， GIAMBENE G， KOTA S. A comparison framework for MSSs [C]// IEEE Global Telecommunications Conference. [S.l.]： 2008 IEEE， 2008： 1?5.

[2] European Telecommunications Standards Institute. ETSI TS 101 376?1?3： GEO?mobile radio interface specifications [S]. Paris： ETSI， 2011?02?22.

[3] European Telecommunications Standards Institute. ETSI TS 101 376?3?20： GEO? mobile radio interface specifications [S]. Paris： ETSI， 2001?03?20.

[4] GAO Qian， L? Jing， LI Guang?xia. Performance analysis of orthogonal coded modulation based on 6PSK and BPSK in alerting channel for GEO mobile satellite system [C]// 2010 International Conference on Signal Acquisition and Processing. Bangalore： IEEE， 2012： 322?326.

[5] HUANG Yu?zhen， CHENG Yun?peng， ZHANG Yu?ming， et al. Combine non?binary LDPC codes with M?ary orthogonal spread spectrum modulation [C]// 2010 International Conference on Wireless Communications and Signal Processing （WCSP）. Suzhou： IEEE， 2010： 1?4.

[6] LIN Shu， COSTELLO D J. Error control coding [M]. London： Prentice Hall， 2004.

[7] ZHANG Hong?bao， RUTKOWSKI D. Performance analysis of a spread spectrum M?ary orthogonal modulation under multipath fading [C]// 1994 Conference Proceedings on Singapore ICCS. [S.l.]： IEEE， 1994， 2： 602?606.

[8] European Telecommunications Standards Institute. ETSI TS 101 376?5?1： GEO?mobile radio interface specifications [S]. Paris： ETSI， 2012?12?21.

[9] European Telecommunications Standards Institute. ETSI TS 101 376?5?4： GEO?mobile radio interface specifications [S]. Paris： ETSI， 2011?02?22.

[10] 馮戰(zhàn)，鄭海昕，秦銘晨.AWGN與Rayleigh信道下TPC性能仿真研究[J].無(wú)線電工程，2013，43（9）：7?9.

[11] VATTA F， MONTORSI G， BABICH F. Analysis and simulation of turbo codes performance over rice fading channels [C]// 2002 IEEE International Conference on Communications. [S.l.]： IEEE， 2002， 3： 1506?1510.

[12] 胡鳳.M元擴(kuò)頻信號(hào)的RS碼軟判決譯碼算法研究與FPGA設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

[13] 張輔云，葛建華.RS譯碼的BM迭代算法及其FPGA實(shí)現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2003（5）：100?102.