一種適用MBMS業(yè)務(wù)的改進(jìn)型分層調(diào)制方案*

張永棠，黃中友

(1.廣東東軟學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，廣東 佛山 528225;2.南昌工程學(xué)院 江西省協(xié)同感知與先進(jìn)計(jì)算技術(shù)研究所，南昌 330003)

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一種適用MBMS業(yè)務(wù)的改進(jìn)型分層調(diào)制方案*

張永棠**1，2，黃中友1

(1.廣東東軟學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，廣東 佛山 528225;2.南昌工程學(xué)院 江西省協(xié)同感知與先進(jìn)計(jì)算技術(shù)研究所，南昌 330003)

分層調(diào)制技術(shù)是多媒體廣播多播服務(wù)(MBMS)系統(tǒng)中一項(xiàng)重要關(guān)鍵技術(shù)。普通分層調(diào)制因?yàn)榛緦雍驮鰪?qiáng)層之間的相互干擾，導(dǎo)致分層調(diào)制的誤碼率上升。提出了一種改進(jìn)型分層調(diào)制，將基本層數(shù)據(jù)和增強(qiáng)層數(shù)據(jù)的星座圖旋轉(zhuǎn)，并且將調(diào)制信號(hào)的同相部分與正交部分進(jìn)行交織。在不改變發(fā)送裝置的條件下，通過搜索旋轉(zhuǎn)最佳角度，獲得信號(hào)空間增益。仿真結(jié)果表明，星座圖旋轉(zhuǎn)后的增強(qiáng)層信號(hào)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的增強(qiáng)層信號(hào)，采用近似方法求解旋轉(zhuǎn)角度最優(yōu)值是便捷有效的,并且在0°～45°的角度范圍內(nèi)，改變基本層和增強(qiáng)層的旋轉(zhuǎn)角度可以獲得的不同的誤符率，為進(jìn)一步推導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)角度的最優(yōu)值提供了依據(jù)。

多媒體廣播多播服務(wù)(MBMS)；分層調(diào)制；星座旋轉(zhuǎn)；矩陣旋轉(zhuǎn)；交織技術(shù)

1 引 言

多廣播多媒體業(yè)務(wù)是第三代合作伙伴計(jì)劃(The 3rd Generation Partnership Project，3GPP) R6版本中定義的一項(xiàng)重要業(yè)務(wù)類型，它可以充分利用已有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，提供如手機(jī)電視等多媒體業(yè)務(wù)[1-2]。在3GPP R10版本中，還繼續(xù)討論多媒體廣播多播服務(wù)(Multimedia Broadcast Multicast Service，MBMS)業(yè)務(wù)。MBMS業(yè)務(wù)利用一個(gè)共同信道向多個(gè)用戶傳送高速數(shù)據(jù)流，即多用戶在同一個(gè)時(shí)刻內(nèi)接收到相同的業(yè)務(wù)，因而MBMS業(yè)務(wù)能高效的使用網(wǎng)絡(luò)資源和無線空中接口資源。

分層調(diào)制是一種高效的傳輸方式，它把具有高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流和具有低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流復(fù)用在相同的時(shí)頻資源中[3][4]。使用分層調(diào)制技術(shù)后，擁有好的接收環(huán)境、接收信號(hào)與干擾加噪聲比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)較高的用戶如小區(qū)中心用戶，不僅可以解調(diào)出基本層數(shù)據(jù)流，還可以解調(diào)出增強(qiáng)層數(shù)據(jù)流，接收條件差的用戶如小區(qū)邊緣用戶則只能解調(diào)出基本層數(shù)據(jù)流。

文獻(xiàn)[2]提出將優(yōu)先級(jí)高的廣播通信信息置于基本層，優(yōu)先級(jí)低的置于加強(qiáng)層，通過不均等的保護(hù)方法，保證接收機(jī)接收到正確的信息。這種不同信息給予不同保護(hù)的分層調(diào)制技術(shù)在20世紀(jì)90年代的廣播通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]提出了分層調(diào)制信號(hào)在高斯白噪聲信道下面的理論性能表達(dá)式。文獻(xiàn)[4]對(duì)常規(guī)的分層調(diào)制方式形成的信號(hào)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)優(yōu)化。此外，在文獻(xiàn)[5]將分層調(diào)制應(yīng)用到了寬帶視屏數(shù)據(jù)的傳輸上，提高了系統(tǒng)的傳輸性能。采用分層調(diào)制技術(shù)后，運(yùn)營(yíng)商不需要更改設(shè)備就能滿足用戶對(duì)不同服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，Qos)業(yè)務(wù)的要求，節(jié)約了設(shè)備改造的花費(fèi)，因而分層調(diào)制在數(shù)字視頻廣播(Digital Video Broadcasting，DVB)[5]、數(shù)字多媒體廣播(Digital Multimedia Broadcasting，DMB)[6]中已經(jīng)得到了運(yùn)用，目前歐洲的和美國(guó)的都采用了基于的分層調(diào)制[4]。

然而，現(xiàn)有的分層調(diào)制方法沒有采用交織技術(shù)，使得信號(hào)的同相分量和正交分量在經(jīng)歷相同的信道衰落后，星座圖上的信號(hào)點(diǎn)間的歐式距離減小，從而導(dǎo)致傳輸信號(hào)的誤符號(hào)率上升[6-7]。本文研究的改進(jìn)型分層調(diào)制，采用星座圖旋轉(zhuǎn)和同相分量與正交分量交織的技術(shù)，使經(jīng)歷衰落信道的信號(hào)星座圖上的最小歐式距離增大，獲得信號(hào)空間分集[8]，在不更改發(fā)送和接收設(shè)置的基礎(chǔ)上，降低信號(hào)誤符號(hào)率。

2 改進(jìn)型分層調(diào)制系統(tǒng)

改進(jìn)型分層調(diào)制系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)框圖如圖1所示。

(a)調(diào)制

(b)解調(diào)圖1 改進(jìn)型分層調(diào)制系統(tǒng)Fig.1 Improved hierarchical modulation system

經(jīng)過信源編碼之后，基本層數(shù)據(jù)可以表示為

(1)

同時(shí)，增強(qiáng)層數(shù)據(jù)可以表示為

(2)

如圖2和圖3分別為普通和改進(jìn)型正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)分層調(diào)制星座圖。假設(shè)基本層數(shù)據(jù)采用QPSK調(diào)制，增強(qiáng)層數(shù)據(jù)采用QPSK調(diào)制。圖2和圖3中“○”表示基本層數(shù)據(jù)流，“●”表示增強(qiáng)層數(shù)據(jù)流。星座圖里基本層數(shù)據(jù)的最小歐式距離和增強(qiáng)層數(shù)據(jù)的最小歐式距離分別為2α和2β。當(dāng)基本層數(shù)據(jù)和增強(qiáng)層數(shù)據(jù)的最小歐式距離滿足關(guān)系α=2β時(shí)，則分層調(diào)制變?yōu)?6種符號(hào)的正交幅度調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)。

圖2 普通QPSK分層調(diào)制星座圖Fig.2 Hierarchical modulation constellation of common QPSK

圖3 改進(jìn)型QPSK分層調(diào)制星座圖Fig.3 Hierarchical modulation constellation of improved QPSK

在單根天線系統(tǒng)里，可以通過將已調(diào)制好的N個(gè)信號(hào)乘以一個(gè)N×N預(yù)編碼矩陣，獲得信號(hào)分集增益[9]。預(yù)編碼后的符號(hào)進(jìn)行一定深度的交織，經(jīng)過衰落信道后，信號(hào)的同相分量和正交分量經(jīng)歷不同的信道衰落，從而使得符號(hào)的最小歐式距離比普通QPSK的符號(hào)歐式距離大，并且獲得了同相和正交分量的分集增益。

3 改進(jìn)型分層調(diào)制算法設(shè)計(jì)

3.1 基本層數(shù)據(jù)流調(diào)制

(3)

當(dāng)θ=0，基本層數(shù)據(jù)流采用的是一般QPSK調(diào)制；當(dāng)0≤θ≤π/4，基本層數(shù)據(jù)流采用的是旋轉(zhuǎn)QPSK調(diào)制，旋轉(zhuǎn)角度以最大化符號(hào)錯(cuò)誤概率為目標(biāo)求出最優(yōu)值。

3.2 增強(qiáng)層數(shù)據(jù)流調(diào)制

(4)

當(dāng)N=2時(shí)，

(5)

當(dāng)N=3時(shí)，

a2+b2+c2=1,ab+bc+ac=0;

(6)

當(dāng)N=4時(shí)，

(7)

M1、M2需滿足N=2時(shí)的矩陣要求。

3.3 交織

將經(jīng)過旋轉(zhuǎn)調(diào)制后的基本層信號(hào)和增強(qiáng)層信號(hào)進(jìn)行疊加，得到分層調(diào)制信號(hào)

T=VR+ZR。

(8)

由于基站發(fā)送天線為1根，為了獲得信號(hào)空間分集增益，提高信號(hào)抗衰落能力，將調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行一次交織。將相鄰的兩個(gè)調(diào)制符號(hào)實(shí)部與虛部互換，即符號(hào)

(9)

式中：TIi、TQi分別是調(diào)制符號(hào)的同相分量和正交分量。進(jìn)行符號(hào)交織后，

(10)

接收到的信號(hào)為

(11)

其中:Ri是第i個(gè)時(shí)刻的接收信號(hào)；hi是第i個(gè)時(shí)刻的信號(hào)衰落信道，服從瑞利分布；n是信道噪聲，服從高斯分布。因?yàn)橥粫r(shí)刻的調(diào)制信號(hào)同相分量和正交分量經(jīng)歷的信道衰落不一樣，信道衰落彼此之間獨(dú)立，因而信號(hào)接收端接收到的信號(hào)可以獲得分集增益。

在接收端，通過信號(hào)導(dǎo)頻獲得完美信道狀態(tài)信息hi、hi+1，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行均衡:

(12)

(13)

再進(jìn)行解交織，得到

(14)

4 最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度求解

求解最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)角度是提升該改進(jìn)分層調(diào)制方案MBMS業(yè)務(wù)性能的關(guān)鍵，但是在已有文獻(xiàn)中，幾乎沒有相關(guān)的論述。為此，我們下面求解最優(yōu)的星座圖旋轉(zhuǎn)角度。

要求旋轉(zhuǎn)角度θ的最優(yōu)值，就是要尋找一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度θ，使得總的符號(hào)錯(cuò)誤率最小，因此，其數(shù)學(xué)模型可以表示為

(15)

式中：i表示星座圖上第i個(gè)星座點(diǎn)，si、si′分別為第i個(gè)星座發(fā)送符號(hào)總數(shù)和發(fā)送錯(cuò)誤的符號(hào)數(shù)，J為罰函數(shù),p(si→si′)是接收端解調(diào)后計(jì)算出的成對(duì)誤符號(hào)率。

(16)

從圖4中可以看出，2β為增強(qiáng)層任意兩點(diǎn)間的最小歐式距離，為了討論方便，這里取2β=2,則式(15)可以表示為

(17)

但是,通過式(17)中J對(duì)θ的求導(dǎo)計(jì)算量特別大，復(fù)雜度非常高，求解θ的最優(yōu)值比較繁瑣，因此，本文提出采用近似的方法求解θ的最優(yōu)值。

在瑞利信道中，由多列相互正交的子信號(hào)合成的信號(hào)，當(dāng)采用最大似然檢測(cè)合并時(shí)，發(fā)送信號(hào)的成對(duì)誤符號(hào)率的上界為

(18)

(19)

因此，QPSK調(diào)制的增強(qiáng)層成對(duì)誤符號(hào)率的上界為

(20)

(21)

其中:

(22)

將式(22)代入罰函數(shù)式(17)，有

(23)

由此可以看出，罰函數(shù)J是旋轉(zhuǎn)角度θ的函數(shù)，最佳的旋轉(zhuǎn)角θopt使得J值為最小值。因此，我們可以采用最速下降法搜索θopt的數(shù)值解:

(24)

式中：ω是下降步長(zhǎng)。因?yàn)榱P函數(shù)J是一個(gè)一維函數(shù)，所以對(duì)于任意一個(gè)給定的初值θ0，搜索算法均會(huì)收斂到一個(gè)最優(yōu)值。

對(duì)式(23)罰函數(shù)J求導(dǎo)得

(25)

其中:

(26)

θ的搜索步驟如下：

(3)若‖μ‖≤ε，則停止計(jì)算;否則，從θk出發(fā)，沿μ進(jìn)行一維搜索，求ωk，使得

(4)令θk+1=θk+ωμk，置k=k+1，轉(zhuǎn)至第2步。

5 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)分層調(diào)制方案的可行性,我們以QPSK/QPSK分層調(diào)制(即M為4×4維的矩陣)為例，增強(qiáng)層星座點(diǎn)最小歐式距離，選用的信道為H=[0.04,0.05,0.07,0.21,0.5,0.72,0.36,0,0.21,0.03,0.07]。在Matlab仿真平臺(tái)上，將發(fā)射段基本層和增強(qiáng)層的功率比系數(shù)設(shè)為η=3，信道編碼采用了低密度奇偶校驗(yàn)(LowDensityParityCheck，LDPC)碼，交織方式采用行列交織。QPSK調(diào)制的罰函數(shù)J與旋轉(zhuǎn)角度θ的關(guān)系仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同γ值對(duì)最佳角度θ的影響Fig.4 Effect of different γ values on the best angle θ

由圖中可以看出，罰函數(shù)J以是一個(gè)對(duì)稱函數(shù)，以θ=45°為對(duì)稱中心。對(duì)于同一個(gè)γ取，有兩個(gè)θ角可以讓罰函數(shù)取到最小值。但文中規(guī)定θ的取值范圍為0≤θ≤π/4，兩個(gè)罰函數(shù)的最低點(diǎn)以45°為軸對(duì)稱，所以實(shí)際上相當(dāng)于存在一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度的最優(yōu)解。當(dāng)γ取不同值時(shí)，可以看到，罰函數(shù)J均在同一個(gè)位置取得最小值，所對(duì)應(yīng)的最佳旋轉(zhuǎn)角度為θopt=30.3°。由圖中我們也可以看到，γ的取值對(duì)最佳旋轉(zhuǎn)角度的影響不大。

在瑞利信道條件下，改進(jìn)后的旋轉(zhuǎn)型QPSK調(diào)制與傳統(tǒng)型QPSK調(diào)制誤碼率的對(duì)比如圖5所示。

圖5 改進(jìn)型與傳統(tǒng)QPSK調(diào)制誤碼率比較Fig.5 SER comparison between improved and traditional QPSK modulation

從圖中可以看出,在瑞利信道下，改進(jìn)后的旋轉(zhuǎn)型QPSK調(diào)制的誤碼率小于傳統(tǒng)型QPSK調(diào)制的誤碼率。這是因?yàn)樾D(zhuǎn)型的QPSK信號(hào)的正交分量與同相分量經(jīng)過交織后，在傳輸過程中經(jīng)歷的瑞利衰落不一樣，獲得了信號(hào)增益，從而使得誤比特率降低。

為了驗(yàn)證本文提出的旋轉(zhuǎn)角度近似最優(yōu)求解方法的有效性，在瑞利信道下，我們對(duì)旋轉(zhuǎn)型分層調(diào)制的增強(qiáng)層與傳統(tǒng)型分層調(diào)制的增強(qiáng)層仿真和理論平均誤碼率進(jìn)行了多次隨機(jī)驗(yàn)證,結(jié)果如圖6所示。通過圖6(a)、(b)兩圖比較可知，由仿真得到的旋轉(zhuǎn)情況下QPSK/QPSK增強(qiáng)層的平均誤碼率和理論值是接近的，證明了公式推導(dǎo)的正確性。而且在每個(gè)圖中，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后得到的增強(qiáng)層平均誤碼率要比傳統(tǒng)QPSK/QPSK增強(qiáng)層的平均誤碼率低，不同的旋轉(zhuǎn)角度帶來的誤比特率降低程度不一樣，旋轉(zhuǎn)30.3°得到的增強(qiáng)層誤碼率性能要優(yōu)于旋轉(zhuǎn)10°時(shí)的增強(qiáng)層性能。通過蒙特卡洛得出當(dāng)增強(qiáng)層旋轉(zhuǎn)30.3°時(shí)，增強(qiáng)層的誤比特性能較其他旋轉(zhuǎn)角度的誤比特率優(yōu)，這與本文對(duì)旋轉(zhuǎn)角度最優(yōu)值的分析結(jié)果一致。

(a)誤碼率理論值

(b)采用近似方法求解圖6 最優(yōu)角度求解驗(yàn)證Fig.6 Verification of solving the optimal angle

6 結(jié)束語

由于普通的分層調(diào)制信號(hào)同相分量和正交分量都經(jīng)歷相同的信道衰落，導(dǎo)致星座圖上接收信號(hào)間的歐式距離減小。為了解決此問題，我們提出了適應(yīng)于MBMS業(yè)務(wù)的一種分層調(diào)制方案。該分層調(diào)制方案將基本層數(shù)據(jù)星座圖與增強(qiáng)層數(shù)據(jù)流星座圖均旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，并將調(diào)制后的信號(hào)同相分量與正交分量進(jìn)行交織，使信號(hào)的同相分量與正交分量經(jīng)歷不同的信道衰落，從而獲得信號(hào)空間增益，降低信號(hào)的誤碼率，并且不同旋轉(zhuǎn)角度所獲得的誤碼率不一樣?？紤]到公式求解最佳角度的復(fù)雜性，我們提出了采用近似方法對(duì)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行求解，實(shí)驗(yàn)證明，該求解方法與理論計(jì)算值非常接近，有一定的參考價(jià)值。未來我們將進(jìn)一步推導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)角度的最優(yōu)值。

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An Improved Hierarchical Modulation Scheme for MBMS Systems

ZHANG Yongtang1，2,HUANG Zhongyou1

(1.Department of Computer Science and Technology,Guangdong Neusoft Institute,Foshan 528225,China；2.Institute of Cooperative Sensing and Advanced Computing Technology,Nanchang Technology Institute,Nanchang 330003,China)

Hierarchical modulation is an important key technology in multimedia broadcast multicast service(MBMS) system. Generic layered modulation interference between the base layer and the enhancement layer,results in the increase of hierarchical modulation error rate. This paper proposes an improved hierarchical modulation. Firstly,the constellation of data in basic layer and enhancement layer is rotated,and then the phase modulation signals and their orthogonal part are woven. Finally,the signal space gain is obtained by optimal rotation angle searching with the same transmitting device. Simulated experimental results show that the constellation signal of the enhancement layer after rotation is superior to that of traditional enhancement layer. It is simple and effective to solve the optimal rotation angle with the use of approximate method. In addition,different character error rates can be got by changing the rotation angle between the basic and enhancement layer within 0o～45o,which provides a basis support for further obtaining the optimal rotation angle.

multimedia broadcast multicast service(MBMS);hierarchical modulation;constellation rotation;matrix rotation；interleaving technique

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.07.007

張永棠，黃中友.一種適用MBMS業(yè)務(wù)的改進(jìn)型分層調(diào)制方案[J].電訊技術(shù)，2017,57(7):772-777.[ZHANG Yongtang,HUANG Zhongyou.An improved hierarchical modulation scheme for MBMS systems[J].Telecommunication Engineering,2017,57(7):772-777.]

2016-09-18；

2017-05-16 Received date:2016-09-18；Revised date：2017-05-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61363047);佛山市科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2016AG100382)

TN914.3

A

1001-893X(2017)07-0772-06

張永棠(1981—)，男，江西南昌人，2005年于華中師范大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為廣東東軟學(xué)院副教授、南昌工程學(xué)院碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ偶盁o線傳感器網(wǎng)絡(luò);

Email：2968840682@qq.com

黃中友(1976—)，男，江西宜春人，2009年于華中科技大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為廣東東軟學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)樾畔⑼ㄐ虐踩?/p>

Email：huzhyo@163.com

**通信作者：2968840682@qq.com Corresponding author：2968840682@qq.com