一种适用MBMS业务的改进型分层调制方案*

张永棠，黄中友

(1.广东东软学院 计算机科学与技术系，广东 佛山 528225;2.南昌工程学院 江西省协同感知与先进计算技术研究所，南昌 330003)



一种适用MBMS业务的改进型分层调制方案*

张永棠**1，2，黄中友1

(1.广东东软学院 计算机科学与技术系，广东 佛山 528225;2.南昌工程学院 江西省协同感知与先进计算技术研究所，南昌 330003)

分层调制技术是多媒体广播多播服务(MBMS)系统中一项重要关键技术。普通分层调制因为基本层和增强层之间的相互干扰，导致分层调制的误码率上升。提出了一种改进型分层调制，将基本层数据和增强层数据的星座图旋转，并且将调制信号的同相部分与正交部分进行交织。在不改变发送装置的条件下，通过搜索旋转最佳角度，获得信号空间增益。仿真结果表明，星座图旋转后的增强层信号的性能优于传统的增强层信号，采用近似方法求解旋转角度最优值是便捷有效的,并且在0°～45°的角度范围内，改变基本层和增强层的旋转角度可以获得的不同的误符率，为进一步推导出旋转角度的最优值提供了依据。

多媒体广播多播服务(MBMS)；分层调制；星座旋转；矩阵旋转；交织技术

1 引 言

多广播多媒体业务是第三代合作伙伴计划(The 3rd Generation Partnership Project，3GPP) R6版本中定义的一项重要业务类型，它可以充分利用已有的网络基础，提供如手机电视等多媒体业务[1-2]。在3GPP R10版本中，还继续讨论多媒体广播多播服务(Multimedia Broadcast Multicast Service，MBMS)业务。MBMS业务利用一个共同信道向多个用户传送高速数据流，即多用户在同一个时刻内接收到相同的业务，因而MBMS业务能高效的使用网络资源和无线空中接口资源。

分层调制是一种高效的传输方式，它把具有高优先级的数据流和具有低优先级的数据流复用在相同的时频资源中[3][4]。使用分层调制技术后，拥有好的接收环境、接收信号与干扰加噪声比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)较高的用户如小区中心用户，不仅可以解调出基本层数据流，还可以解调出增强层数据流，接收条件差的用户如小区边缘用户则只能解调出基本层数据流。

文献[2]提出将优先级高的广播通信信息置于基本层，优先级低的置于加强层，通过不均等的保护方法，保证接收机接收到正确的信息。这种不同信息给予不同保护的分层调制技术在20世纪90年代的广播通信系统中得到了广泛应用。文献[3]提出了分层调制信号在高斯白噪声信道下面的理论性能表达式。文献[4]对常规的分层调制方式形成的信号进行旋转优化。此外，在文献[5]将分层调制应用到了宽带视屏数据的传输上，提高了系统的传输性能。采用分层调制技术后，运营商不需要更改设备就能满足用户对不同服务质量(Quality of Service，Qos)业务的要求，节约了设备改造的花费，因而分层调制在数字视频广播(Digital Video Broadcasting，DVB)[5]、数字多媒体广播(Digital Multimedia Broadcasting，DMB)[6]中已经得到了运用，目前欧洲的和美国的都采用了基于的分层调制[4]。

然而，现有的分层调制方法没有采用交织技术，使得信号的同相分量和正交分量在经历相同的信道衰落后，星座图上的信号点间的欧式距离减小，从而导致传输信号的误符号率上升[6-7]。本文研究的改进型分层调制，采用星座图旋转和同相分量与正交分量交织的技术，使经历衰落信道的信号星座图上的最小欧式距离增大，获得信号空间分集[8]，在不更改发送和接收设置的基础上，降低信号误符号率。

2 改进型分层调制系统

改进型分层调制系统的调制和解调框图如图1所示。

(a)调制

(b)解调图1 改进型分层调制系统Fig.1 Improved hierarchical modulation system

经过信源编码之后，基本层数据可以表示为

(1)

同时，增强层数据可以表示为

(2)

如图2和图3分别为普通和改进型正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)分层调制星座图。假设基本层数据采用QPSK调制，增强层数据采用QPSK调制。图2和图3中“○”表示基本层数据流，“●”表示增强层数据流。星座图里基本层数据的最小欧式距离和增强层数据的最小欧式距离分别为2α和2β。当基本层数据和增强层数据的最小欧式距离满足关系α=2β时，则分层调制变为16种符号的正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)。

图2 普通QPSK分层调制星座图Fig.2 Hierarchical modulation constellation of common QPSK

图3 改进型QPSK分层调制星座图Fig.3 Hierarchical modulation constellation of improved QPSK

在单根天线系统里，可以通过将已调制好的N个信号乘以一个N×N预编码矩阵，获得信号分集增益[9]。预编码后的符号进行一定深度的交织，经过衰落信道后，信号的同相分量和正交分量经历不同的信道衰落，从而使得符号的最小欧式距离比普通QPSK的符号欧式距离大，并且获得了同相和正交分量的分集增益。

3 改进型分层调制算法设计

3.1 基本层数据流调制

(3)

当θ=0，基本层数据流采用的是一般QPSK调制；当0≤θ≤π/4，基本层数据流采用的是旋转QPSK调制，旋转角度以最大化符号错误概率为目标求出最优值。

3.2 增强层数据流调制

(4)

当N=2时，

(5)

当N=3时，

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

(6)

当N=4时，

(7)

M1、M2需满足N=2时的矩阵要求。

3.3 交织

将经过旋转调制后的基本层信号和增强层信号进行叠加，得到分层调制信号

T=VR+ZR。

(8)

由于基站发送天线为1根，为了获得信号空间分集增益，提高信号抗衰落能力，将调制后的信号进行一次交织。将相邻的两个调制符号实部与虚部互换，即符号

(9)

式中：TIi、TQi分别是调制符号的同相分量和正交分量。进行符号交织后，

(10)

接收到的信号为

(11)

其中:Ri是第i个时刻的接收信号；hi是第i个时刻的信号衰落信道，服从瑞利分布；n是信道噪声，服从高斯分布。因为同一时刻的调制信号同相分量和正交分量经历的信道衰落不一样，信道衰落彼此之间独立，因而信号接收端接收到的信号可以获得分集增益。

在接收端，通过信号导频获得完美信道状态信息hi、hi+1，对接收信号进行均衡:

(12)

(13)

再进行解交织，得到

(14)

4 最优旋转角度求解

求解最优的旋转角度是提升该改进分层调制方案MBMS业务性能的关键，但是在已有文献中，几乎没有相关的论述。为此，我们下面求解最优的星座图旋转角度。

要求旋转角度θ的最优值，就是要寻找一个旋转角度θ，使得总的符号错误率最小，因此，其数学模型可以表示为

(15)

式中：i表示星座图上第i个星座点，si、si′分别为第i个星座发送符号总数和发送错误的符号数，J为罚函数,p(si→si′)是接收端解调后计算出的成对误符号率。

(16)

从图4中可以看出，2β为增强层任意两点间的最小欧式距离，为了讨论方便，这里取2β=2,则式(15)可以表示为

(17)

但是,通过式(17)中J对θ的求导计算量特别大，复杂度非常高，求解θ的最优值比较繁琐，因此，本文提出采用近似的方法求解θ的最优值。

在瑞利信道中，由多列相互正交的子信号合成的信号，当采用最大似然检测合并时，发送信号的成对误符号率的上界为

(18)

(19)

因此，QPSK调制的增强层成对误符号率的上界为

(20)

(21)

其中:

(22)

将式(22)代入罚函数式(17)，有

(23)

由此可以看出，罚函数J是旋转角度θ的函数，最佳的旋转角θopt使得J值为最小值。因此，我们可以采用最速下降法搜索θopt的数值解:

(24)

式中：ω是下降步长。因为罚函数J是一个一维函数，所以对于任意一个给定的初值θ0，搜索算法均会收敛到一个最优值。

对式(23)罚函数J求导得

(25)

其中:

(26)

θ的搜索步骤如下：

(3)若‖μ‖≤ε，则停止计算;否则，从θk出发，沿μ进行一维搜索，求ωk，使得

(4)令θk+1=θk+ωμk，置k=k+1，转至第2步。

5 仿真结果分析

为了验证改进分层调制方案的可行性,我们以QPSK/QPSK分层调制(即M为4×4维的矩阵)为例，增强层星座点最小欧式距离，选用的信道为H=[0.04,0.05,0.07,0.21,0.5,0.72,0.36,0,0.21,0.03,0.07]。在Matlab仿真平台上，将发射段基本层和增强层的功率比系数设为η=3，信道编码采用了低密度奇偶校验(LowDensityParityCheck，LDPC)码，交织方式采用行列交织。QPSK调制的罚函数J与旋转角度θ的关系仿真结果如图4所示。

图4 不同γ值对最佳角度θ的影响Fig.4 Effect of different γ values on the best angle θ

由图中可以看出，罚函数J以是一个对称函数，以θ=45°为对称中心。对于同一个γ取，有两个θ角可以让罚函数取到最小值。但文中规定θ的取值范围为0≤θ≤π/4，两个罚函数的最低点以45°为轴对称，所以实际上相当于存在一个旋转角度的最优解。当γ取不同值时，可以看到，罚函数J均在同一个位置取得最小值，所对应的最佳旋转角度为θopt=30.3°。由图中我们也可以看到，γ的取值对最佳旋转角度的影响不大。

在瑞利信道条件下，改进后的旋转型QPSK调制与传统型QPSK调制误码率的对比如图5所示。

图5 改进型与传统QPSK调制误码率比较Fig.5 SER comparison between improved and traditional QPSK modulation

从图中可以看出,在瑞利信道下，改进后的旋转型QPSK调制的误码率小于传统型QPSK调制的误码率。这是因为旋转型的QPSK信号的正交分量与同相分量经过交织后，在传输过程中经历的瑞利衰落不一样，获得了信号增益，从而使得误比特率降低。

为了验证本文提出的旋转角度近似最优求解方法的有效性，在瑞利信道下，我们对旋转型分层调制的增强层与传统型分层调制的增强层仿真和理论平均误码率进行了多次随机验证,结果如图6所示。通过图6(a)、(b)两图比较可知，由仿真得到的旋转情况下QPSK/QPSK增强层的平均误码率和理论值是接近的，证明了公式推导的正确性。而且在每个图中，经过旋转后得到的增强层平均误码率要比传统QPSK/QPSK增强层的平均误码率低，不同的旋转角度带来的误比特率降低程度不一样，旋转30.3°得到的增强层误码率性能要优于旋转10°时的增强层性能。通过蒙特卡洛得出当增强层旋转30.3°时，增强层的误比特性能较其他旋转角度的误比特率优，这与本文对旋转角度最优值的分析结果一致。

(a)误码率理论值

(b)采用近似方法求解图6 最优角度求解验证Fig.6 Verification of solving the optimal angle

6 结束语

由于普通的分层调制信号同相分量和正交分量都经历相同的信道衰落，导致星座图上接收信号间的欧式距离减小。为了解决此问题，我们提出了适应于MBMS业务的一种分层调制方案。该分层调制方案将基本层数据星座图与增强层数据流星座图均旋转一个角度，并将调制后的信号同相分量与正交分量进行交织，使信号的同相分量与正交分量经历不同的信道衰落，从而获得信号空间增益，降低信号的误码率，并且不同旋转角度所获得的误码率不一样。考虑到公式求解最佳角度的复杂性，我们提出了采用近似方法对旋转角度进行求解，实验证明，该求解方法与理论计算值非常接近，有一定的参考价值。未来我们将进一步推导出旋转角度的最优值。

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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

张永棠，黄中友.一种适用MBMS业务的改进型分层调制方案[J].电讯技术，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

国家自然科学基金资助项目(61363047);佛山市科技创新项目(2016AG100382)

TN914.3

A

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

张永棠(1981—)，男，江西南昌人，2005年于华中师范大学获硕士学位，现为广东东软学院副教授、南昌工程学院硕士研究生导师，主要研究方向为光通信及无线传感器网络;

Email：2968840682@qq.com

黄中友(1976—)，男，江西宜春人，2009年于华中科技大学获硕士学位，现为广东东软学院讲师，主要研究方向为信息通信安全。

Email：huzhyo@163.com

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