CN1863182B

CN1863182B - 移动通信系统中提高信号传输速率的方法

Info

Publication number: CN1863182B
Application number: CN2005101074145A
Authority: CN
Inventors: 李少明
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: CN1863182A

Abstract

本发明涉及移动通信技术，公开了一种移动通信系统中提高信号传输速率的方法，使得空中接口的信号传输速率得到提高。本发明中，使用接近高斯分布的非均匀QAM星座图进行信号调制和解调。非均匀QAM星座图可通过“MonteCarlo”方法仿真获得，仿真过程中使用了至少一个符合高斯分布的随机数序列。对于CDMA20001x EV-DO系统的单载波前向业务信道，可以使用(6144，1，64)的分组格式提高单载波的前向峰值速率。

Description

移动通信系统中提高信号传输速率的方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术，特别涉及移动通信中的信号调制技术。

背景技术

随着移动通信的日益普及，仅仅提供移动话音通信已经不能满足人们获取信息的需要，移动数据通信业务因其可以提供办公、娱乐、与他人进行跨越地域界限的交流，而显现出巨大的生命力和发展前景。

第三代(3rd Generation，简称“3G”)移动通信技术之一：码分多址2000(Code Division Multiple Access2000，简称“CDMA2000”)版本数据优化演进(Evolution Data Optimized，简称“EV-DO”)技术正是在这样的市场需求推动下应运而生的。

CDMA20001x EV-DO标准最早起源于高通(Qualcomm)公司的高数据率(HighData Rate，简称“HDR”)技术，后经过不断地完善和实验，在2000年3月份以CDMA20001x EV-DO的名称向第三代移动通信合作伙伴项目2(3rd Generation Partnership Project2，简称“3GPP2”)提交了正式的技术方案。1xEV的意思是Evolution，表示是对CDMA20001x标准的演进发展，DO的意思开始是Data Only，后来改为Data Optimized，表示EV-DO技术是对CDMA20001X在数据业务上增强。在1x EV-DO技术中，单扇区载频1.2288Mcps码片速率下，能够支持的最大峰值速率达到2.4Mbps。在版本A中，峰值速率又提高至3.072Mbps。

正交调幅(QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION，简称“QAM”)是1xEV-DO系统中一项十分重要的技术。

QAM技术是一种将两种调幅信号汇合到一个信道的方法，因此会双倍扩展有效带宽。正交调幅被用于脉冲调幅，特别是在无线网络应用。

正交调幅信号有两个相通频率的载波，但是相位相差90度。一个信号叫I信号，另一个信号叫Q信号。从数学角度讲，一个信号可以表示成正弦，另一个表示成余弦。两种被调制的载波在发射时已被混和。到达目的地后，载波被分离，数据被分别提取然后和原始调制信息相混和。

或者，也可以说QAM技术是一种正交幅度数字调制方式，利用一定的映射关系，将输入的信号映射到星座图中。图1示出16QAM的调制映射关系。

如图所示，每输入一组符号序列，通过16QAM映射成一对复数调制符号。举例来说，若输入的一组符号序列为“0000”，则被映射成(3A，3A)，16QAM的具体映射关系可参见表1。

表1

0	0	0	0	3A	3A
						0	0	0	1	3A	A
0	0	1	1	3A	-A
						0	0	1	0	3A	-3A
0	1	0	0	A	3A

0	1	0	1	A	A
						0	1	1	1	A	-A
0	1	1	0	A	-3A
						1	1	0	0	-A	3A
1	1	0	1	-A	A
						1	1	1	1	-A	-A
1	1	1	0	-A	-3A
						1	0	0	0	-3A	3A
1	0	0	1	-3A	A
						1	0	1	1	-3A	-A
1	0	1	0	-3A	-3A

本领域的一般技术人员可以了解，由此可以引申出更高阶的调制，比如64QAM，128QAM等调制技术。高阶调制需要更好的信道条件，同时能够提高单位时间内传输信息的速率。

下面介绍目前1x EV-DO系统中，前向链路的实现方案。目前，前向链路传输的分组格式为(5120，1，16)，5120表示分组长度为5120比特，1表示该分组要在1个时隙中传完，其中，1个时隙＝1.667ms。在目前的1xEV-DO系统中，传输以上格式的分组包时，采用的调制方式为16QAM、均匀星座图调制。在这种情况下，前向链路传输速率达到最大峰值速率，即前向链路速率达到3.072Mbps。

在实际应用中，上述方案存在以下问题：根据目前1x EV-DO系统中前向链路的实现方案，5MHz的带宽所能够支持的最大前向峰值速率未达到要求。

造成这种情况的主要原因在于，在多载波DO的需求中提出，在5MHz的带宽上，多载波DO系统向前链路峰值速率至少应该达到14.4BPS。然而，如果按照目前1x EV-DO系统前向链路的实现方式，由于没有改变单载波上前向链路的峰值速率，在5MHz的带宽上只可以提供4个1.2288Mcps的载波。

在这种情况下，能够支持的最大前向峰值速率仅仅为3.072Mbps×4＝12.288Mbps，因此，无法达到需求所要求的最低峰值速率14.4Mbps。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种移动通信系统中提高信号传输速率的方法，使得空中接口的信号传输速率得到提高。

为实现上述目的，本发明提供了一种移动通信系统中提高信号传输速率的方法，包含以下步骤：

发送方使用接近高斯分布的正交调幅非均匀星座图调制需要从空中接口发送的信号；

接收方使用所述正交调幅非均匀星座图解调从空中接口收到的信号；

其中，所述正交调幅非均匀星座图中的点坐标预先通过仿真产生，所述仿真采用“Monte Carlo”方法实现，在该仿真过程中使用了至少一个符合高斯分布的随机数序列。

其中，正交调幅非均匀星座图为64阶或更高阶。

此外在所述方法中，所述仿真进一步包含以下步骤：

将数轴上的指定区间等分为K个小区间，将高斯分布的随机数序列中各个数字按其值划归相应的小区间，统计落入各个小区间的随机数序列数字的数目，再逐步累加进一步得到各个小区间的累计分布CDF[i]，i＝0，1，..，K-1；

根据该累计分布，查表得到d_i，满足

CDF[d_i]＝(2*i-1)*1/2ⁿ，i＝1，2，...，2^(n-1)

其中n满足2²ⁿ＝M，M为所述正交调幅非均匀星座图的阶数；

对d_i，进行归一化，使得：

Σ_{i = 1}^{2^{(n - 1)}} d_{i}^{2} = 2^{n - 2}

M阶非均匀正交调幅星座图中各点坐标为：

s_m，l＝±d_m±jd_l m，l＝1，...，2^n-1。

此外在所述方法中，所述数轴上的区间为[0，L]，其中L≥3；

所述高斯分布的随机数序列的均值为0，方差为0.5。

此外在所述方法中，所述移动通信系统为第三代移动通信系统。

此外，所述方法可应用于码分多址20001xEV-DO系统的单载波前向业务信道。

此外在所述方法中，所述前向业务信道传输的分组格式可采用(6144，1，64)。

通过比较可以发现，本发明的技术方案与现有技术的主要区别在于，使用接近高斯分布的非均匀QAM星座图进行信号调制和解调。非均匀QAM星座图可通过“Monte Carlo”方法仿真获得，仿真过程中使用了至少一个符合高斯分布的随机数序列。对于CDMA20001x EV-DO系统的单载波前向业务信道，可以使用(6144，1，64)的分组格式提高单载波的前向峰值速率。

这种技术方案上的区别，带来了较为明显的有益效果，即使用了本发明提出的非均匀QAM星座图后，使得信号分布更加符合高斯分布，而在高斯分布下的输入信号可以使得信道容量达到理论极限：Shannon界。所以可以有效地提高空中接口的速率。使用均匀和非均匀QAM星座图进行调制后，不同参数下传输性能的仿真计算结果参见图3，在实施方式中将对该图作进一步的分析。

本发明提出的“Monte Carlo”仿真方法实现简单，可以方便地产生接近高斯分布的非均匀QAM星座图，便于推广和应用。

使用基于64阶非均匀QAM星座图的(6144，1，64)的分组格式后，可以使EV-DO系统单载波的前向峰值速率提高到3.686Mbps。在多载波EV-DO系统中，5MHz的带宽上前向峰值速率至少可达到14.4Mbps(4×3.6＝14.4Mbps)，并且比传统的均匀调制功率效率性能提高。而且调制、解调方法完全等同传统均匀调制，没有增加任何复杂性。

附图说明

图1是16QAM的调制映射关系示意图；

图2是根据本发明一个实施方式的分布非均匀的64QAM星座图；

图3是采用64QAM调制时，均匀和非均匀调制方式在附加高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，简称“AWGN”)下的性能比较曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

总的来说，本发明的要点在于，在第三代移动通信系统中，通过接近高斯(Gaussian)分布的非均匀QAM星座图进行信号调制和解调，使得输入信号的分布更加符合高斯分布，使信道容量达到理论极限，从而有效地提高空中接口的速率。

根据本发明的一个实施例的移动通信系统中提高信号传输速率的方法应用于CDMA20001x EV-DO系统的单载波前向业务信道。

在该实施例中，发送方使用正交调幅非均匀星座图对需要从空中接口发送的信号进行调制，并发送给接收方，接收方收到后，使用正交调幅非均匀星座图，对从空中接口收到的信号进行解调。

具体地说，在此过程中，前向业务信道传输的分组格式可采用(6144，1，64)，其中，6144表示分组长度为6144比特，1表示该分组需要在1个时隙内传完。换句话说，即1个时隙内传输6144比特，在这种情况下，前向链路传输速率达到最大分组速率为3.686Mbps。在本发明中，要支持该分组格式的传输，必须采用64QAM调制或更高阶的调制。需要指出的是，在本实施例中，虽然将前向业务信道传输的分组格式改变为(6144，1，64)，但不改变原有编码方式、编码速率以及信道交织等处理。

为了达到进一步的效果，本实施例中可以采用接近高斯分布非均匀的64QAM星座图。参见图2。

本领域的一般技术人员能够理解，相对于一般的64QAM均匀星座图，由于非均匀星座图可以使信号分布更加符合高斯分布，而在高斯分布下的输入信号可以使信道容量达到理论极限：Shannon界，因此，采用非均匀的64QAM星座图能够更好的改善峰值速率。

下面进一步说明本实施例中通过“Monte Carlo”(蒙特卡罗)仿真方法，获得接近高斯分布的非均匀正方M-QAM星座图坐标点的获得方法。

1：求n，使得2²ⁿ＝M；例如，对于本实施例中64阶的QAM，M为64，可以计算得到n＝3。

2：将[0，3]区间划分为10000个小区间，对应x_i＝0.0003*i；产生均值为0，方差为0.5，独立同分布的高斯分布随机数序列(例如10000000个)，对随机数落入的小区间进行累加计数，得到各个小区间的累计分布CDF[i]，i＝0，1，..，10000-1。

本发明所称的随机数落入小区间是指该随机数的值在小区间所设定的范围之内，例如，对于小区间[a，b]，如果随机数的值为c，且a≤c≤b，则认为该随机数落在该小区间内。

本发明所称的累计分布CDF[i]是指将所有落入第1个到第i个小区间中的随机数的数目累加。例如，有10个随机数落在第1个小区间内，则CDF[1]＝10；有15个随机数落入第2个小区间内，则CDF[2]＝10+15＝25；有18个随机数落在第3个小区间内，则CDF[3]＝10+15+18＝43；......；依此类推。

本领域的普通技术人员可以知道，这里的许多参数是可以根据需要调整的，例如，如果希望结果与高斯分布更接近，可以取比[0，3]更大的区间(如[0，4])，划分的小区间的数目也可以更多些，高斯分布随机数序列可以更长些。不过这样调整会产生更多的计算量，本实施例中的这些参数已经可以得到比较好的结果。

3：根据CDF，查表得到d_i，满足CDF[d_i]＝(2*i-1)*1/2ⁿ，i＝1，2，...，2^(n-1) 4：对di，进行归一化，使得：

Σ_{i = 1}^{2^{(n - 1)}} d_{i}^{2} = 2^{n - 2}

5：非均匀正方M-QAM星座图坐标点为：

s_m，l＝±d_m±jd_l m，l＝1，...，2^n-1

图3是采用64QAM调制时，均匀和非均匀调制方式在AWGN下的性能比较(仿真结果)。其中从左至右的曲线依次代表：(3072，1，8PSK)；(6144，2，64)，分布非均匀的64QAM星座图；(6144，2，64)，分布均匀的64QAM星座图；(6144，1，64)，分布非均匀的64QAM星座图；(6144，1，64)，分布均匀的64QAM星座图；(7168，1，64)，Qualcomm提供的数据(分布均匀的64QAM星座图)；(8192，1，64)，Qualcomm提供的数据(分布均匀的64QAM星座图)。

通过比较图3中各条曲线可以得出以下结论：

首先，在1个时隙内，如果传输的分组越长则速率越高。但另一方面，这对信道条件的要求就越高，对应图3则是要求的信噪比Ec/Nt越大。比如(8192，1，64)就比(6144，1，64)要求的信噪比Ec/Nt大。而信道条件要求越高，系统越难实现，有些情况下是基本不可能实现的。

其次，对于同一分组长度，分1个时隙和2个时隙分别传输，对信道条件要求不一样，速率也是不一样的。具体地说，传输时隙越多则速率越低，但这对信道条件要求较低，所以在实际传输中经常遇到多时隙传输。

第三，对于同样的分组传输格式，采用均匀星座图和非均匀星座图性能不一样。在同样条件下，采用非均匀调制星座图时能得到更好的性能。在(6144，1，64)速率和AWGN条件下，非均匀调制比均匀调制有0.3dB的增益。

综上考虑，本技术方案建议采用分组传输格式为(6144，1，64)，64QAM 非均匀星座图调制，使得EV-DO系统单载波的前向峰值速率提高到3.686Mbps。

由此可见，在本实施例中，使用了接近高斯分布的非均匀QAM星座图进行信号调制和解调，使得输入信号的分布更加符合高斯分布，由此使得信道容量达到理论极限：Shannon界，所以可以有效地提高空中接口的速率。并且，非均匀QAM星座图可通过“Monte Carlo”方法仿真获得，在仿真过程中使用了至少一个符合高斯分布的随机数序列。这种仿真方法实现简单，可以方便地产生接近高斯分布的非均匀QAM星座图，便于推广和应用。另外，在本方面的一个实施例中，对于CDMA200EV-DO系统的单载波前向业务信道，使用了(6144，1，64)的分组格式，由此可以使EV-DO系统单载波的前向峰值速率提高到3.686Mbps。在多载波EV-DO系统中，5MHz的带宽上前向峰值速率至少可达到14.4Mbps，并且比传统的均匀调制功率效率性能提高。而且调制、解调方法完全等同传统均匀调制，没有增加任何复杂性。有效的实现了本发明的提高空中接口的信号传输速率的目的。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种移动通信系统中提高信号传输速率的方法，其特征在于，包含以下步骤：

2.根据权利要求1所述的移动通信系统中提高信号传输速率的方法，其特征在于，正交调幅非均匀星座图为64阶或更高阶。

3.根据权利要求1或2所述的移动通信系统中提高信号传输速率的方法，其特征在于，所述仿真进一步包含以下步骤：

将数轴上的指定区间等分为K个小区间，将高斯分布的随机数序列中各个数字按其值划归相应的小区间，统计落入各个小区间的随机数序列数字的数目，再逐步累加进一步得到各个小区间的累计分布CDF[i]，i＝0，1，..，K-1；根据该累计分布，查表得到d_i，满足

CDF[d_i]＝(2*i-1)*1/2ⁿ，i＝1，2，...，2^(n-1)

其中n满足2²ⁿ＝M，M为所述正交调幅非均匀星座图的阶数；对d_i，进行归一化，使得：

Σ_{i = 1}^{2^{(n - 1)}} d_{i}^{2} = 2^{n - 2}

M阶非均匀正交调幅星座图中各点坐标为：

s_m，l＝±d_m±jd_l m，l＝1，...，2^n-1。

4.根据权利要求3所述的移动通信系统中提高信号传输速率的方法，其特征在于，所述数轴上的区间为[0，L]，其中L≥3；

所述高斯分布的随机数序列的均值为0，方差为0.5。

5.根据权利要求1所述的移动通信系统中提高信号传输速率的方法，其特征在于，所述移动通信系统为第三代移动通信系统。

6.根据权利要求5所述的移动通信系统中提高信号传输速率的方法，其特征在于，所述方法应用于码分多址20001x EV-DO系统的单载波前向业务信道。

7.根据权利要求6所述的移动通信系统中提高信号传输速率的方法，其特征在于，所述前向业务信道传输的分组格式采用(6144，1，64)。