СПОСОБ МЯГКОЙ ДЕМОДУЛЯЦИИ ДЛЯ 16-ПОЗИЦИОННОЙ КВАДРАТУРНОЙ АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ В СИСТЕМЕ СВЯЗИ
METHOD OF SOFT DEMODULATION FOR 16-POSITION QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION IN COMMUNICATION SYSTEM

Область техники
Данное изобретение относится к способу мягкой демодуляции, в частности к способу мягкой демодуляции для 16-позиционной квадратурной амплитудной модуляции (16QAM) в системе связи.
Уровень техники
В системах мобильной связи широко используется способ адаптации к состоянию канала под названием Адаптивная Модуляция и Кодирование АМК (АМС). В нем предусматривается адаптивный выбор модуляции и кодирования в канале для адаптации к замираниям в канале, благодаря чему увеличивается емкость системы и повышается качество связи.
В стратегии АМК (АМС) часто применяются следующие способы модуляции:
квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) и 16QAM. По сравнению с QPSK, модуляция 16QAM характеризуется более высокой эффективностью использования полосы частот (в два раза выше, чем у QPSK), но меньшей отдачей мощности. Это означает, что для получения того же Коэффициента Битовых Ошибок КБО (BER), отношение Еb/Nо (мощности каждого бита к плотности мощности шума), необходимое для модуляции 16QAM, должно быть выше аналогичного отношения, необходимого для модуляции QPSK. Другими словами, сигналы 16QAM труднее демодулировать, поскольку точки комбинаций модуляции 16QAM плотнее точек комбинаций модуляции QPSK, и для демодуляции требуется оценивать и фазу, и амплитуду.
На приемной стороне используются два способа демодуляции: демодуляция с принятием жесткого решения и демодуляция с принятием мягкого решения. Суть первого способа состоит в том, что при выполнении демодуляции принимается жесткое решение о двоичной информации, соответствующей входным данным модулятора. Это означает, что на вход декодера поступает двоичная информация после принятия жесткого решения, и для принятия решения о кодовом слове на входе кодера декодер использует известную структуру кодовых слов. Поскольку при каждом жестком решении демодулятор может терять некоторую важную информацию, принятие жесткого решения нельзя считать хорошим способом. Однако при объединении кодирования и модуляции демодулятор не будет посылать в декодер некоторые ошибки. Термин "мягкое решение" обычно означает, что декодер только временно оценивает различные символы, в результате чего некоторая важная для декодера информация теряться не будет. Вообще, для конкретного отношения Eb/No сигнала мягкое решение обеспечивает усиление на 2 дБ больше, чем жесткое решение. Поэтому на практике в большинстве систем используется способ принятия мягкого решения.
При выполнении модуляции QPSK в одном символе переносится информация двух битов, которые ставятся в соответствие ветви I (синфазной) и ветви Q (квадратурной), соответственно. На приемной стороне может быть реализована мягкая демодуляция, поскольку синфазная часть принимаемого символа после удаления несущей ставится в соответствие ветви I, а квадратурная часть - ветви Q. Ветви I и Q соответствуют данным фактических значений двоичных разрядов. После мягкой демодуляции эти данные преобразуются из последовательной формы в параллельную и направляются в декодер для декодирования с принятием мягкого решения. Однако для модуляции 16QAM мягкая демодуляция сложнее, так как при такой модуляции одному символу соответствуют четыре бита, два из которых ставятся в соответствие ветви I, а другие два - ветви Q. Когда на приемной стороне выполняется мягкая демодуляция, синфазная часть принимаемого символа после удаления несущей соответствует одной паре бит, а квадратурная часть - другой паре бит, и амплитуды комбинаций, соответствующие символам, различаются.
На фиг.1 показана базовая блок-схема типовой реализации модуляции, кодирования/демодуляции и декодирования 16QAM. После добавления контрольных разрядов Циклического Избыточного Кода ЦИК (CRC) в передаваемый блок этот блок вводится в модуль турбокодирования для кодирования с обеспечением возможности исправления ошибок (шаг 101). Затем выполняются гибридный автоматический запрос повторения HARQ на физическом уровне (шаг 102) и модуляция в основной полосе 16QAM (шаг 103), после чего осуществляется обработка с расширением спектра (шаг 104), включая каналообразование и скремблирование, сигнал основной полосы модулирует сигнал несущей, и затем модулированный сигнал передается по каналу (шаг 105). После того, как сигнал принят на UE, прежде всего удаляется несущая для получения синфазных сигналов и сигналов со сдвигом на 90 градусов, спектр которых затем сужается (шаг 106). После сужения спектра синфазные символы и символы со сдвигом на 90 градусов направляются в демодулятор 16QAM мягкого решения для мягкой демодуляции (шаг 107). В результате получается информационная последовательность фактических значений мягкого решения , соответствующая переданной последовательности двоичных разрядов . Эта информационная последовательность фактических значений мягкого решения направляется в турбодекодер (шаг 109) для декодирования с исправлением ошибок после выполнения обработки "де-HARQ" на физическом уровне (шаг 108). Наконец, получается принятая двоичная последовательность, соответствующая переданной двоичной последовательности.
В настоящее время для решения данной проблемы часто используется способ вычисления входного сигнала для турбодекодера на основе демодуляции с принятием мягкого решения. Основной принцип этого способа - вычисление Логарифмического Отношения Правдоподобия ЛОП (LLR) каждого бита, соответствующего синфазным и квадратурным компонентам каждой точки комбинации. Это означает, что после мягкой демодуляции информацией является отношение ЛОП (LLR) соответствующего входного бита модулятора. При использовании этого способа может потребоваться оценка отношения мощности несущей к уровню помехи (C/I) для отношения ЛОП (LLR) некоторых битов, и ошибка C/I может оказывать влияние на эффективность мягкой демодуляции. Кроме того, процесс вычисления отношения ЛОП (LLR) относительно сложен, и аппаратные средства трудно реализовать.
Краткое описание изобретения
Технической проблемой, подлежащей устранению в настоящем изобретении, является реализация способа мягкой демодуляции для 16QAM в системе связи с целью обеспечения простой реализации способа мягкой демодуляции 16QAM и стратегии адаптивной модуляции и кодирования.
Для устранения указанной выше технической проблемы в данном изобретении предусмотрено следующее техническое решение:
ave
оценивают принимаемую мощность канала трафика относительно контрольной мощности и отклонение мощности канала трафика от мощности контрольного канала для получения средней мощности P комбинации 16QAM;
удаляют несущую из принимаемых сигналов промежуточной частоты для получения информации I последовательности синфазных символов и информации Q последовательности символов со сдвигом на 90 градусов;
определяют различные сегменты решений и соответствующие кривые решений с некоторой вероятностью ошибки, основанные на отношении взаимного соответствия комбинаций 16QAM между входной двоичной последовательностью  и позицией комбинации в ветвях I и Q, и, на основе этого, оценивают полученную информацию последовательности синфазных символов и информацию последовательности символов со сдвигом на 90 градусов в различных сегментах решений с использованием соответствующих кривых решений для получения информационной последовательности фактических значений мягкого решения .
В данном изобретении полученная последовательность фактических значений  может быть введена в декодер для декодирования с исправлением ошибок с целью получения последовательности принятых битов, соответствующей переданным битам.
Упомянутый выше способ мягкой демодуляции для 16QAM настоящего изобретения объединяет в себе все преимущества мягкого и жесткого решений; алгоритм прост, и способ можно легко реализовать.
Краткое описание фигур
На фиг.1 показана базовая блок-схема типовой реализации модуляции, кодирования/демодуляции и декодирования 16QAM;
На фиг.2 представлены карты комбинаций QPSK и 16QAM;
На фиг.3 иллюстрирован принцип установления взаимного соответствия ветвей I и Q модуляции 16QAM;
На фиг.4 показана секционная диаграмма сегментов сокращенных мягких решений 16QAM;
На фиг.5 приведен алгоритм демодуляции 16QAM с принятием мягкого решения.
Предпочтительная реализация изобретения
Суть настоящего изобретения - применение способа сокращенного мягкого решения (CSD), объединяющего в себе жесткое и мягкое решения, полное использование преимущества мягкого решения, предотвращающего большую степень неопределенности, и преимущества жесткого решения, предотвращающего переоценки, чтобы сделать алгоритм мягкого решения CSD простым и легко реализуемым, а также обеспечить хорошие характеристики.
Ниже приводится подробное описание настоящего изобретения с использованием в качестве примера мягкого решения для 16QAM в системе высокоскоростного пакетного доступа по нисходящему каналу (HSDPA).
HSDPA - это новый способ, предложенный в протоколе R5 проекта 3GPP для удовлетворения потребностей в услуге асимметричной передачи данных по восходящему/нисходящему каналу. Этот способ позволяет устранить конфликт между зоной покрытия и емкостью системы, существенно повысить емкость системы и удовлетворить потребности пользователей в услугах высокоскоростной передачи данных. По сравнению с R99, в способе HSDPA используются Адаптивная Модуляция и Кодирование АМК (АМС) и гибридный автоматический запрос повторения (HARQ) для адаптации к состоянию канала.
В базовом алгоритме мягкого решения CSD 16QAM должен применяться пропорциональный способ сегментов, аналогичный способу взаимного соответствия для основной полосы QPSK, с целью реализации демодуляции с принятием мягкого решения согласно значениям четырех битов  на входе модулятора 16QAM, соответствующих конкретной комбинации, и различным кривым решений с некоторой вероятностью ошибки для упомянутых выше четырех битов. Пропорциональный способ сегментов должен, в частности, применяться для принятия мягкого решения путем разделения различных сегментов решений, соответствующих указанным выше битам  (согласно правилу жесткого решения), с целью получения двоичной информационной последовательности из четырех фактических значений мягкого решения , соответствующей четырем битам на входе модулятора 16QAM.
1
2
1
2
В таблице 1 предлагается взаимное соответствие для модуляции в основной полосе 16QAM в HSDPA. При использовании модуляции 16QAM четыре последовательных двоичных символа  последовательно-параллельно подключаются в виде ιι на ветви I и в виде qq на ветви Q. Затем устанавливается взаимное соответствие согласно принципу взаимного соответствия таблицы 1. Следует отметить, что средняя мощность комбинации, для которой соответствие устанавливается согласно таблице 1, равна единице.
Таблица 1
i1q1i2q2
Ветвь I
Ветвь Q
0000
0,3162
0,3162
0001
0,3162
0,9487
0010
0,9487
0,3162
0011
0,9487
0,9487
0100
0,3162
-0,3162
0101
0,3162
-0,9487
0110
0,9487
-0,3162
0111
0,9487
-0,9487
1000
-0,3162
0,3162
1001
-0,3162
0,9487
1010
-0,9487
0,3162
1011
-0,9487
0,9487
1100
-0,3162
-0,3162
1101
-0,3162
-0,9487
1110
-0,9487
-0,3162
1111
-0,9487
-0,9487
На фиг.2 представлены карты комбинаций QPSK и 16QAM. По этим картам можно легко определить, что точки комбинаций QPSK имеют одинаковые амплитуды и разные фазы, а точки комбинаций 16QAM могут иметь разные амплитуды и разные фазы. Кроме того, точки комбинаций 16QAM расположены плотнее, чем точки комбинаций QPSK. Следовательно, демодуляция, особенно, демодуляция 16QAM с принятием мягкого решения, сложнее.
1
1
1
1
На фиг.3 иллюстрируется принцип установления соответствий таблицы 1. Когда ι или q имеет значение двоичного нуля, привязывается положительный сигнал фактического значения, который должен быть поставлен в соответствие, а когда ι или q имеет значение двоичной единицы, привязывается отрицательный сигнал фактического значения, который должен быть поставлен в соответствие.
2
2
Взаимное соответствие ι или q сложнее.
1
1
2
На фиг.4 на основе фиг.3 иллюстративно представлен принцип алгоритма сокращенной мягкой демодуляции. Поскольку принципы установления взаимного соответствия ι и q одинаковы и принципы установления взаимного соответствия ι и
2
1
2
q также одинаковы, принцип демодуляции с принятием мягкого решения CSD 16QAM будет проиллюстрирован с использованием элементов ι и ι в качестве примеров. Как видно из фиг.4, когда значение информации I синфазных символов положительно, соответствующий элемент  имеет тенденцию распознаваться как равный 0, причем чем больше I, тем выше вероятность правильного решения для ; когда значение I отрицательно, соответствующий элемент  имеет тенденцию распознаваться как равный 1, и чем меньше I, тем выше вероятность правильного решения для . Аналогично, когда значение информации Q символов со сдвигом на 90 градусов положительно, соответствующий элемент  имеет тенденцию распознаваться как равный 0, и чем больше Q, тем выше вероятность правильного решения для ; когда значение Q отрицательно, соответствующий элемент  имеет тенденцию распознаваться как равный 1, и чем меньше Q, тем выше вероятность правильного решения для . Следовательно, когда для принятия мягкого решения применяется пропорциональный алгоритм сегментов, могут быть отражены указанные выше тенденции.
Что касается , когда значение информации I синфазных символов больше 0,9487 или меньше -0,9487, соответствующий элемент  имеет тенденцию распознаваться как равный 1. Когда -0,3162<I<0,3162, соответствующий элемент  имеет тенденцию распознаваться как равный 0. В том случае, когда -0,9487<I<-0,3162 или 0,3162<I<0,9487, то какое значение скорее всего будет присваиваться соответствующему элементу  - значение 1 или 0 - определяется значением I, причем чем больше I стремится к 0, тем выше вероятность правильного распознавания элемента  как равного 0, и чем больше I стремится к 1 или - 1, тем выше вероятность правильного распознавания элемента  как равного 1. Такой же принцип подходит для . В частности, если значение информации Q символов со сдвигом на 90 градусов больше 0,9487 или меньше -0,9487, соответствующий элемент  имеет тенденцию распознаваться как равный 1. Если -0,3162<Q<0,3162, соответствующий элемент  имеет тенденцию распознаваться как равный 0. Если -0,9487<Q<-0,3162 или 0,3162<Q<0,9487, то какое значение скорее всего будет присваиваться соответствующему элементу  - значение 1 или 0 - определяется значением Q, причем чем больше Q стремится к 0, тем выше вероятность правильного распознавания элемента  как равного 0, и чем больше Q стремится к 1 или -1, тем выше вероятность правильного распознавания элемента  как равного 1.
Следовательно, алгоритм настоящего изобретения обеспечивает принятие мягкого решения, соответствующего пропорциональному алгоритму жесткого решения, и точно отражает упомянутые выше тенденции. В мягком решении применяются различные формулы мягкой демодуляции для получения информации мягкого решения , соответствующей элементам  для разных сегментов. Однако на основе анализа можно сделать вывод, что для получения показанного на фиг.5 алгоритма демодуляции с принятием мягкого решения формулы демодуляции CSD можно объединить. В соответствующей формуле демодуляции с принятием мягкого решения, показанной на фиг.5, значение 0,7071 соответствует синфазному или квадратурному компоненту модуляции в основной полосе QPSK со средней мощностью комбинации, равной единице.
Ниже согласно фиг.5 подробно описывается алгоритм демодуляции с принятием мягкого решения CSD 16QAM настоящего изобретения.
Шаг 501 - оценивают с помощью UE принимаемую мощность канала трафика относительно контрольной мощности и отклонение мощности канала трафика от мощности контрольного канала для получения средней мощности каждой точки в комбинации 16QAM.
Шаг 502 - разделяют информацию символов ветви I и ветви Q.
1
1
Шаг 503 - непосредственно используют формулы  и  для получения результата мягкого решения по элементам ι и q, соответствующим двоичной последовательности , поступающей на модулятор 16QAM.
Шаг 504 - определяют, каким является значение I - положительным или отрицательным. Если I≥0, переходят к шагу 505. Если I<0, переходят к шагу 506.
Шаг 505 - вычисляют  по формуле
Шаг 506 - вычисляют  по формуле
Шаг 507 - определяют, каким является значение Q - положительным или отрицательным. Если Q≥0, переходят к шагу 508; если Q<0, переходят к шагу 509;
Шаг 508 - вычисляют  по формуле
Шаг 509 - вычисляют  по формуле
Шаг 510 - объединяют , ,  и  после получения в результате мягкой демодуляции последовательности фактических значений  соответствующей двоичной последовательности , введенной в модулятор 16QAM.
Шаг 511 - вводят последовательность фактических значений в декодер для декодирования с исправлением ошибок с целью получения последовательности принятых битов, соответствующей переданным битам.