陸上集群無線電信道編碼技術

1、陸上集群無線電信道編碼技術摘 要在任何通信系統(tǒng)里主要關心的是信號信息從發(fā)射機到接收機的可靠傳輸。信號通過一個對其有衰減的信道進行傳輸。使信道和噪聲的扭曲效應最小化和在任意給定的時間里使信息通過信道傳輸最大化是很有必要的。信道編碼技術就做到了這點。在這篇論文里我們將討論陸上集群無線電(TETRA)移動通信系統(tǒng)中采用的不同信道編碼技術。目前，在我們中心符合這個標準的基站和移動終端還在開發(fā)中。我們在基站控制器的實現(xiàn)中，使用兩個DSP芯片，其中一個作為發(fā)射機而另一個作為接收機。這些采用德州儀器的TMS320C6416處理器作為主要處理單元。TMS320C6416是目前可用最高性能定點的DSP芯片之一（

2、約4800 MIPS，工作在600 MHz）。它是基于第二代高性能的超長指令字（VLIW）架構，使其成為多渠道、多功能應用的最佳選擇。發(fā)射機側DSP芯片處理突發(fā)脈沖建立，信道編碼，定時同步，功率控制，速率適配等。而接收端的DSP芯片從降頻轉換器模塊中解調(diào)基帶信號并應用于信道解碼，突發(fā)脈沖反編排，類型檢測和檢波。它也處理均衡，多樣性選擇，定時同步和測量功能（BER【誤碼率】，RSSI【接收信號強度指示】等）。處理后的數(shù)據(jù)，要么通過E1標準鏈路傳輸?shù)揭苿咏粨Q中心（MSC），要么通過內(nèi)部的（CPCI【緊湊型PCI】）系統(tǒng)總線傳輸?shù)交究刂破鳎˙SC）。PCI-外圍組件互聯(lián)接口本文介紹了適用于陸上集群

3、無線電(TETRA) 的不同前向糾錯（FEC）方案。這四個編碼塊都是實例解釋，即，塊編碼，RCPC，交織和加擾。根據(jù)性能標準可列出不同的邏輯信道?；緦崿F(xiàn)的方案和各種DSP的功能都進行了簡要的說明。信道編解碼算法已經(jīng)得到充分的開發(fā)，驗證，而且目前正在進行性能評估。關鍵詞：陸上集群無線電（TETRA），信道編碼，移動通信介紹糾錯編碼是包含在一個傳輸系統(tǒng)中用來防止由傳輸介質中引入的誤差。以下3種技術是目前比較普遍的：（1）錯誤隱藏：檢測到的錯誤，損壞的信息將被丟棄。用內(nèi)插法，可能會掩蓋錯誤。 （例如，語音） （2）自動重復請求（ARQ）：如果檢測到錯誤時，發(fā)送器就被要求再次發(fā)送數(shù)據(jù)（例如，分組數(shù)據(jù)

4、，控制數(shù)據(jù)）。 （3）前向糾錯（FEC）：額外的數(shù)據(jù)被添加到消息中，以便接收器可以檢測錯誤并加以改正（例如，有效載荷數(shù)據(jù)）。采用全方位的差錯控制技術來有效地利用空中接口。四個使用的基本階段，都取決于正在發(fā)送的邏輯信道的不同參數(shù)。我們將進一步詳細地闡述在陸上集群無線電（TETRA）中采用的不同前向糾錯（FEC）技術。信道的類型陸上集群無線電（TETRA）采用TDMA（時分多址）方案。在此，多個移動臺使用相同的載波頻率劃分成不同的時隙。在此，一個射頻載波被劃分為4個時隙。一個持續(xù)14.167毫秒的時隙，可以在被發(fā)送的510位信息期間實現(xiàn)36 kbps的調(diào)制率。所有的比特不傳送相同類型的信息（或邏輯

5、）。也就是說，一個特定的時隙中不攜帶單個信息;這些比特被分組為幾個“邏輯通道”）。因此，我們分為不同的邏輯通道：（1）長度為30位的接入分配信道（AACH），是用來指示上行鏈路和下行鏈路時隙的分配（指，誰被授權使用？）。（2）長度為120位的廣播同步信道（BSCH）用于同步時間和加擾。（3）長度為216位的廣播網(wǎng)絡信道（BNCH）用于網(wǎng)絡的移動通知。（4）信令信道（SCH）攜帶著移動的信息。（5）長度為432位的業(yè)務信道（TCH）攜帶著用戶信息（不同的數(shù)據(jù)速率）。陸上集群無線電（TETRA）的前向糾錯編碼陸上集群無線電（TETRA）信令和數(shù)據(jù)信道使用一個前向糾錯和錯誤檢測的4級編碼方案。它們是

6、分塊編碼，卷積編碼，交織和加擾。（圖.1）數(shù)據(jù)位塊編碼器卷積編碼器交織加擾數(shù)據(jù)輸出圖.1陸上集群無線電（TETRA）編碼方案第一階段是塊編碼。這提供錯誤檢測和錯誤報告。沒有誤差校正是指在這個階段。前向糾錯（FEC）是由卷積編碼提供的，它被稱作碼率兼容刪除卷積（RCPC）碼。打孔率因不同的邏輯通道而不同。這提供了不同級別的保護，防止錯誤的發(fā)生。（由'速率'，我們指的是無輸入位至無輸出位的比例）交織則改變了有助于有效傳播差錯的數(shù)據(jù)塊的位置。加擾是隨機化數(shù)據(jù)的一種手段。這確保了可能會影響同步，功率放大等功能的常規(guī)的位模式不會發(fā)生。它也給出了對于虛假接收的防護措施，因為不同的代碼是由每

7、個單元用于加擾的目的而使用的。表1 用于陸上集群無線電（TETRA）編碼步驟AACH STCH BSCH BNCH SCH SCH SCH TCH TCH TCH /HD /HU /F /2.4 /4.8 /7.2塊編碼 y y y y y y y n n n (30, (140, (76, (140. (140, (108, (284,14) 124) 60) 124) 124) 92) 268)RCPC n 2/3 2/3 2/3 2/3 2/3 2/3 148/ 292/ n編碼 432 432交織 n 阻塞 阻塞 阻塞 阻塞 阻塞 阻塞 脈沖串 脈沖串 n 1,4,8 1,4,8加擾

8、y y y y y y y y y y（圖標：y=是，n=否）。話路信道的編碼類似，在這里不再贅述。在陸上集群無線電（TETRA）中，不同的邏輯信道具有不同的編碼策略。（邏輯信道是指一組傳達一個“邏輯”，或指示特定目的的比特）（表1）線性碼詳情這是一種簡單的編碼方法。該代碼是由生成矩陣來定義。碼字是由消息比特與生成矩陣相乘（AND運算）形成的。輸出碼字將包含原始信息比特，例如附加到它額外的奇偶校驗位。這可以表示為： m1 m2 m3 mN * G = m1 m2 m3 mN p1 p2 p3 .pK其中，M1，M2等N個信息比特， G是生成矩陣， P1，P2等K個奇偶校驗位例如：（7，4）漢明

9、碼1000 1100100 1010010 0110001 111G =如消息比特1010，我們用的碼字為1010101 奇偶校驗位的P1是由逐位乘法即 1010 與 1 1 0 1  T，與G第五列，然后加入（XOR）所產(chǎn)生的位。因此，P1 =（1×1）（0×1）（1×0）（0×1）1 0 0 0 = 1。類似地得到其他位。解碼也很容易。當接收到一個碼字，其信息部分和奇偶校驗部分是分離的。我們再一次找到的消息部分的奇偶校驗字?，F(xiàn)在，我們有兩個奇偶校驗字：（1）接收到的奇偶校驗字和（2）從所接收的消息字計算的奇偶校

10、驗字。計算出的奇偶校驗字與所接收的奇偶校驗字進行比較（XOR）。這將是接收到的字的“校驗子”。如果校驗子是零，則接收到的字沒有錯誤。否則，存在錯誤，并且可以用一個查找表來進行校正。循環(huán)碼在循環(huán)碼中，每個碼字是其他碼字的循環(huán)移位。奇偶校驗位被發(fā)現(xiàn)是由生成多項式通過分割移位后的信息比特所得到的余式。該碼字的每一位被認為是一個第（n-1）次多項式的系數(shù)。這些碼被用來檢測所接收的碼字中的錯誤。給出一個例子：碼多項式為g（X）=1+ X2 + X3，給出消息比特=（m0，m1，m2，m3）=（1110）。在此，g0= 1，g1 =0，g2=1，g3=1。編碼器電路在圖2中給出。碼字通過給信息比特附加奇偶

11、校驗位得到。ADDg3g2g1G0SR1SR3ADD SR2ADD信息比特圖2 循環(huán)編碼器在這個圖中，SR是一個移位寄存器，這樣的安排表示為代碼多項式。最初，所有的SR將被重置為'0'狀態(tài)。對于每一個時鐘，該消息比特的一個比特被添加到電路中，其結果是循環(huán)的。根據(jù)不同的多項式系數(shù)，路徑被封閉，得到每個SR的新狀態(tài)。當所有的數(shù)據(jù)位都已經(jīng)輸入時，SR輸出等于奇偶校驗位。這些被讀取并添加到該消息比特中。對于上面的例子中，我們將100作為奇偶校驗位。為了檢測錯誤，同樣的電路用于從接收到的消息比特中生成校驗位。如果這些生成的奇偶校驗位與所接收的奇偶校驗位相匹配，那么就沒有誤差。卷積碼在這段

12、代碼中，當前的輸出比特不僅依賴于當前的輸入而且還與以前的比特（代碼的內(nèi)存）相關。一個簡單的半速率代碼由圖3生成電路相加延遲2延遲1輸入位相加G1輸出位G2輸出位圖3 卷積編碼器生成的多項式為(1) g1(x) = 1+x+x2, and (2) g2(x) = 1+ x2此代碼為每個輸入位產(chǎn)生兩個輸出位。延遲的輸出位被稱為狀態(tài)。這個狀態(tài)為每個取決于輸入位的時鐘假設了一個新值。當前的輸入位作為下一個時鐘狀態(tài)的比特1。當前的比特1作為下一個時鐘狀態(tài)的比特2。兩個位的狀態(tài)可以表示四個狀態(tài)（00，01，10，11）。如果輸入位是0，一個00的當前狀態(tài)就變?yōu)橄乱粋€時鐘00狀態(tài)，并給出一個輸出00。如果輸

13、入位為1，一個00的當前狀態(tài)就變?yōu)橄乱粋€時鐘狀態(tài)10，并給出一個輸出11。這將在下面圖4中表示當前狀態(tài)下一時鐘0輸入/00輸出S0S1S2S0(00)S1(01)S3S2(10)S3(11)1輸入/11輸出圖4。網(wǎng)格（狀態(tài)轉換圖）部分通過形成完整的狀態(tài)轉換圖，可以推斷出該輸出比特。假定第一比特為從S0狀態(tài)開始的。（如圖5）圖5.網(wǎng)格（狀態(tài)轉換圖）010001100101011110當前狀態(tài)下一時鐘0輸入/00輸出S0S1S2S0(00)S1(01)S3S2(10)S3(11)1輸入/11輸出解碼遵循一個相反的過程稱為維特比譯碼。在這里，不僅在初始狀態(tài)，而且最終也將是S0狀態(tài)。該算法可以被解釋為

14、：在任何時刻考慮狀態(tài)。在任何時刻，我們當前的狀態(tài)（S0，S1，S2和S3）和下一狀態(tài)（S0，S1，S2和S3）。假設我們已經(jīng)收到了10的碼字。如果我們考慮下一瞬間的S0狀態(tài)，兩條路徑可以達到的該狀態(tài)（標記為path0，path1）。這在圖6中所示。接受到：10path1,metric=1acc-wt0|k+1acc-wt0|kacc-wt0|k圖.6網(wǎng)格（狀態(tài)轉換圖）解碼部分path0,metric=1當前狀態(tài)下一時鐘0輸入/00輸出S0S1S2S0(00)S1(01)S3S2(10)S3(11)1輸入/11輸出與每個狀態(tài)相關聯(lián)的是一個叫做累計重量的參數(shù)。與每一條路徑相關聯(lián)的是一個叫做路徑度量

15、的參數(shù)。路徑度量只不過是些比特數(shù)，這些比特數(shù)因在那一瞬間接受到的代碼和在網(wǎng)格中生成的輸出路徑之間的不同而不同。例如，00是在上述圖中所產(chǎn)生輸出的路徑0。如果接收到的代碼是10，那么它與規(guī)定路徑輸出相差一個比特。因此，path0的度量值為1。類似地，path1的度量值為1?，F(xiàn)在，我們要計算S0的累積量。因為下一個S0可以通過兩種途徑到達，下一個累積量可以是（以前S0的累積量+ path0的度量值）或（以前S1的累積量 + path1的度量值）。選擇這些當中的最小作為下一個S0的積累量。我們還要保存這些幫助我們達到那個狀態(tài)（無論是0或1）的路徑數(shù)。現(xiàn)在就要像這樣進行來完成網(wǎng)格，在網(wǎng)格中對一個瞬時完

16、成所有狀態(tài)，然后再對所有的瞬時完成。起初，S0的累積量將被設置為0，并且其他狀態(tài)的累積量將被設置為一個較高的值。由于最終狀態(tài)是S0，所以我們追蹤的路徑可以從結束到開始。一旦路徑被這樣確定下來，導致這些路徑的位就可以推斷了（如我們編碼已經(jīng)完成時）（僅僅是摘下從我們向后移動的可以代表狀態(tài)的最高有效位）。圖7顯示了上面例子的網(wǎng)格譯碼（維特比算法）。圖7為編解碼的網(wǎng)格結構圖用于陸上集群無線電（TETRA）中的生成多項式為：4g1(x) = 1+ x + x ;g2(x) = 1 + x2 + x3 + x 4;g3(x) = 1 + x + x2 + x4;g4(x) = 1 + x + x3 + x

17、4 ;因此，每一個輸入數(shù)據(jù)位產(chǎn)生4個輸出位。打孔打孔是去除一些額外的奇偶校驗位的過程。一些錯誤糾正能力將通過打孔而失去。但這個允許權衡的過程是在增加位的數(shù)目，以及由此產(chǎn)生糾正錯誤代碼的能力，并在對比特傳輸?shù)囊笾g進行的。例如，陸上集群無線電（TETRA）就使用四分之一的碼率，這意味著輸入一個比特，將會產(chǎn)生四個輸出比特。如果我們要發(fā)送兩個比特，因此代碼將會產(chǎn)生八個輸出比特。然而，如果一個打孔的2/3被使用時，那么將只有3個生成輸出比特，而不是對兩個輸入比特的8個。在這明確在以下幾點：兩個輸入比特-à 輸出比特為1，2，3，4，5，6，7，8（2/8沒有打孔）兩個輸入比特-à

18、 輸出比特為1，2，5，（有2/3打孔）解碼遵循稍加修改的維特比算法。（當解碼時，丟失的碼位將被替換為無關位）。陸上集群無線電（TETRA）使用2/3，148/432，292/432，8/17和8/18的打孔碼率。交織多徑衰落可以引起接收信號的短期衰損。這些影響一組相鄰比特的被稱為突發(fā)錯誤。當錯誤隨機發(fā)生時，卷積編碼的效果最好。它不能應付突發(fā)錯誤。所以當被發(fā)送時，相鄰的比特被分離并散布在一個塊中。在接收端，它們將被放回原來的位置。位在指數(shù)的變化（順序）將遵循線性代數(shù)方程。例如，一個（120,11）的塊交織（用于廣播同步信道）將輸入帶有i指數(shù)的120比特，并且在輸出相同的120比特處具有j指數(shù)的

19、輸出，使得下式成立 指數(shù) = 1 + ( 指數(shù) * 11) mod 120) 因此交織改變位序，但不會轉化該位。交織可以由一個單一的突發(fā)脈沖（數(shù)據(jù)塊）或經(jīng)過脈沖群（數(shù)據(jù)塊）來完成。脈沖串的使用數(shù)目稱為交織的深度。在陸上集群無線電（TETRA）中，使用的交織深度為1，4，或8。如果交織深度在一個以上，那么它將在發(fā)送和接收產(chǎn)生延遲。加擾在陸上集群無線電（TETRA）中，產(chǎn)生的加擾序列借助于一個32位長的線性反饋移位寄存器單元，采用了30位色代碼。擾碼多項式由下式給出：C(x) = 1 + x1 + x2 + x4 + x7 + x8 + x10 + x11 + x 12 + x16 + x22 +

20、 x23 + x26 +x32顏色代碼形式的30位的移位寄存器的初始值x X30。剩下的兩位（X31和X32）將初始化每個比特“1”。顏色代碼因基站的不同而不同。加擾的比特流將由一個用戶的比特流和由最大長度的反饋移位寄存器生成的隨機序列通過模2加法而生成的。多項式確定對提供位的隨機序列發(fā)生器的移位寄存器。對于解擾，加擾的數(shù)據(jù)流與另一個相同的隨機序列發(fā)生器的輸出進行模2加。（圖8）輸入數(shù)據(jù)隨機序列解擾后寄存器移位寄存器ADDADD加擾后圖8 加擾和解擾過程編碼性能編碼方案的性能依賴于無線信道條件。錯誤數(shù)目和錯誤的定位是依賴于信道的類型。由于較遠的反射器和散射引起的附近移動，在一個基站和移動臺之間

21、可能存在不同的路徑，從而產(chǎn)生一系列不同的振幅和延遲到達的波。當移動臺是移動的，每個路徑將產(chǎn)生一個取決于移動速度的多普勒頻移。累積的效果是信號衰落。有兩種類型的信道被認為是：（1）TU50（典型城市，移動單元以50公里/小時的速度移動）和（2）HT200（丘陵地形，移動單元以200公里/小時的速度移動）。使用的兩個性能參數(shù)是：（1）誤信率（MER）；（2）誤碼率（BER），其定義為：MER=（校正后錯誤接收的消息數(shù)）/（總的傳輸消息數(shù)），表示為一個給定信號干擾比的百分數(shù)。BER =（校正后錯誤接收的位數(shù)）/（總的傳輸位數(shù)），表示為一個給定信號干擾比的百分數(shù)。一個表現(xiàn)為A類移動信號干擾比為19 d

22、b的典型例子在表2中給出。TU50 MER MER MER MER MER MER MER MER MER MER 9% 7% 6% 7% 7% 7% 6.5% 1.2% 2% 4%HT200 MER MER MER MER MER MER MER MER MER MER 16% 9.2% 10% 9.2% 9.2% 9.2% 7.5% 1.3% 3.8% 4% AACH STCH BSCH BNCH SCH SCH SCH TCH TCH TCH /HD/HU/F /2.4/4.8/7.2表2 在陸上集群無線電（TETRA）中使用的編碼性能使用的第三個參數(shù)被稱為未檢出錯誤的消息概率（PUEM

23、）。這無非是說錯誤消息的比例，是對接收信息的總數(shù)，檢測到錯誤的糾正信息。有時，也使用一個稱為塊誤差率（BLER）的參數(shù)。BLER=（校正后錯誤接受的塊數(shù)）/（接受的總塊數(shù)）。DSP的實現(xiàn)在“C”開發(fā)的編碼算法中用DSP模塊實現(xiàn)了陸上集群無線電（TETRA）基站（BS）項目。DSP模塊的特點如下。ØØ在基站里有兩片數(shù)字信號處理（DSP）的芯片；一個用于接收處理（Rx），另一個用于發(fā)射處理(Tx)。接收DSP處理的A / D輸出解碼后的數(shù)據(jù)被傳遞到發(fā)射的DSP，從那里通過對BSC（基站控制器/ L2堆棧）或（主交換中心MSC/L3堆棧）或接收塊（L1堆棧）。Ø

24、6;這兩個DSP芯片是類似的。ØØDSP芯片是基于CPCI總線構成的。ØØDSP選用的是德州儀器（TI）公司的TMS 320c6416型號。ØØ多通道緩沖串行端口（MC BSP）的DSP可以通過外部時鐘同步（來自接收模塊的GPS）。ØØRx DSP通過多通道緩沖串行端口1進行A/D轉換。ØØRx DSP通過多通道緩沖串行端口2與發(fā)射DSP相連。ØØTx DSP通過一個多通道緩沖串行端口1與發(fā)射信號處理器相連。Tx DSP接口與MSC通過一個用E1接口模塊的全雙工串口相連。兩個

25、DSP都可以為了達到通信的目的而使PC（控制器）中斷。該功能框圖如圖9所示。DownConvert ADCClockPATSPGPS/Sync.RF outRS232Tx DSPADCMcBSP1Rx DSPMcBSP2McBSP0From Ant McBSP0E1TransceiverMSC(L3 Stack)BSC(L2 Stack)圖9 基站的功能框圖CPCI-BUS該DSP解調(diào)基帶信號的下變頻模塊和應用于信道解碼，突發(fā)脈沖重新格式化和其他算法對接收到的數(shù)據(jù)。處理后的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)類型要么通過E1鏈路傳遞到MSC，要么通過CPCI總線傳遞到BSC。TX DSP除了具有發(fā)送數(shù)據(jù)的處理任務，

26、還具有E1數(shù)據(jù)格式，速率適配等附加任務。DSP工作在DSP基本輸入輸出系統(tǒng)下和并使用中斷方式來與L2上層協(xié)議進行通信。DSP也實現(xiàn)了L2下層協(xié)議，即信道編碼/解碼，調(diào)制/解調(diào)，突發(fā)脈沖格式/格式修改等。DSP的部分軟件可主要分為兩部分：設備驅動軟件和算法軟件。設備驅動軟件包括DSP的程序，它們使其它設備與DSP相連，并在他們的操作下應用控制。這些主要是Ø DDC驅動軟件Ø 基于DDC設計的濾波器Ø E1芯片接口Ø 同步接口Ø 與上層的接口Ø 與下層的接口Ø 與RTOS的接口在DSP上使用的算法主要是：Ø 接收DSP

27、：Ø 信道解碼Ø 突發(fā)格式修改Ø 突發(fā)檢測Ø 解調(diào)Ø 均衡Ø 多樣性選擇Ø 時間同步Ø 對于BER,RSSI的測量等發(fā)射DSP：Ø 突發(fā)建立Ø 信道編碼Ø 時間同步Ø 功率控制Ø 適配速率（E1 i/f）認真研究其所需的處理能力要求后，決定為達到要求而使用TMS320C6416 DSP。TMS320C64x DSP（包括TMS320C6416器件）是在TMS320C6000DSP平臺里定點DSP中性能最高的一代。該TMS320C6416（C6416）設備是基于第二代高性能，先進的VelociTI.超長指令字（VLIW）架構，由德州儀器（TI）開發(fā)的，使得這些DSP是對于多通道和多功能應用的最佳選擇。該C64x是C6000 DSP平臺代碼兼容的一種。隨著600 MHz的時鐘速率下每秒（MIPS）高達4800萬條指令的性能，C6416器件提供高性價比的解決方案，來應對DS