一种改进的增强寻呼突发及其仿真验证

肖靖等

摘 要： 在同步轨道卫星通信系统中，为了进一步提高用户终端在受到遮挡或其他情况导致信道质量恶化时仍能最大程度地正确接收寻呼的能力，提出一种可用于增强寻呼的逻辑信道突发改进方案。设计了一种运用RS编码与扩频技术的增强寻呼突发结构，方案以码元为单位将编码后的寻呼消息拆分，经过扩频调制后发送，可以纠正随机错误，充分利用了编码和扩频增益。利用仿真可以看出，与现有方法相比，改进方案可以有效地提升寻呼消息的接收性能，降低寻呼消息在高斯信道下的误码率。同样，在更贴近真实的莱斯衰落信道下的性能也有明显改善。

关键词： 卫星通信； RS编码； 增强寻呼； 扩频； 帧结构

中图分类号： TN927?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）11?0001?04

An improved enhancing paging burst and its simulation verification

XIAO Jing1， PAN Wen2， LI Xin2， ZHAO Ming2， HUANG Lian?fen1

（1. College of Information Science and Technology， Xiamen University， Xiamen 361005， China；

2. Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology， Tsinghua University， Beijing 100084， China）

Abstract： To further improve the correct reception paging ability of user terminal to an extreme extent when the user terminal is covered or channel quality is deteriorated by other situations， an improved scheme of the logical channel burst for enhanced paging is proposed for synchronous orbit satellite communication system. The enhanced paging burst structure is designed by RS coding and spread spectrum （SPSP） technology. The proposed scheme takes code element as the unit and splits the paging message which is transmitted after SPSP modulation， random errors are corrected， and it takes full advantage of coding and SPSP gains. The simulation results show that the improved scheme can effectively enhance the reception performance of the paging message and reduce the error rate in Gauss channel， compared with the conventional method. Similarly， the performance is also significantly improved in RICE fading channel which is most close to the actual situation.

Keywords： satellite communication； RS coding； paging enhancement； SPSP； frame structure

0 引 言

卫星通信具有覆盖广、不受地理条件和通信距离限制等优点，是灾害应急、军事活动、偏远地区的重要通信手段，也是地面移动通信的必要补充。卫星按其轨道高度可分为同步轨道卫星（GEO）和非同步轨道卫星（non?GEO）[1]，其中欧洲电信标准化协会（ETSI）制定了完善的基于GEO卫星的GMR系列标准。增强寻呼信道是基于GMR?1卫星通信标准的一种逻辑信道，用于当地面移动台与卫星之间的信号被遮挡或者移动台进入地下时[2]通信无法建立的情况。为了通知用户移动到信号较强的地方[3]，卫星和信关站可以通过特殊的增强寻呼信道发送信息给移动台。寻呼消息往往利用直接扩频和多进制扩频技术，文献[4]分别使用BPSK调制和6PSK调制，其中6PSK调制在满足误码率不大于10-5时，信噪比性能达到约-5.1 dB。

本文提出一种改进的寻呼信道突发结构和接收算法并编程实现，该方法利用了较高编码增益的16进制RS编码，赋予寻呼消息在扩频解调是出错时的纠错能力，结合多进制扩频映射调制技术，进一步提高了增强寻呼的接收性能。最后通过Matlab平台仿真验证了改进的增强寻呼的有效性。

1 帧结构

增强寻呼信道可以同时相互交错地发送五组寻呼消息，64个TDMA帧构成一个寻呼循环，当前发送的具体组数由系统状态参数决定。系统参数由5位二进制数组成，这5 b数据分别与5组寻呼信息一一对应，当相应比特数据为1时，寻呼信息在寻呼循环开始时发送。

在可选保留时隙逻辑信道中，一个TDMA帧可以包含两组由108个符号组成的增强寻呼突发。寻呼消息由36 b组成，经过RS编码增长到60 b。因为采用了扩频调制，每个寻呼突发只能够传输4个编码比特。因此，一个组完整的寻呼消息需要15组增强寻呼突发，加载到最少8个TDMA帧中才能传输。

设一个增强寻呼突发承载了编号为0的一组寻呼消息中编号为1的RS码元，用B0（1）来表示。64帧内发送时隙映射规则如表1所示。所有增强寻呼突发均加载在数据帧0～9时隙的范围内。

2 系统模型

增强寻呼突发的发送和接收系统模型[5]的发送端主要由信源编码、RS编码、扩频调制组成。接收端相应地由解扩解调、RS硬判决译码、信源译码等组成，其系统框图如图1所示。

系统将寻呼数据编码为36 b信息。RS编码器将36 b信息转化为9位16进制码，RS编码后码长为15，每一位码元可由4 b的二进制符号表示。

编码码字采用16元扩频，即将每个RS码元先经过6PSK映射调制，采用直接重复6次的方式扩频后形成108个符号发送。信号的接收部分将在下面的内容中介绍。

2.1 RS编码

本文使用的是能够纠3个错误的16进制（15，9，7）RS编码，如果将连续的4 b信息视作一个码元，那么9个码元可以作为一个输入码字，经过RS编码后得到码长为15的一个在GF（24）上的输出码字。GF（24）上所有元素都可以用本原元[α]的指数幂来表示，同时每个元素也对应一个多项式的二进制系数，即用4 b来表示[6]，见表2。

RS输出码字生成的多项式可表示为：

其中，[rx]表示[mxxn-k]除以生成多项式[gx]得到的余式[6]。

2.2 扩频调制

本文采用16元6进制正交码扩频调制技术，调制流程如图2所示。该技术将经过RS编码后的寻呼信息转化为16进制，把它映射到一组扩频序列上，相对传统直接序列扩频调制技术，该调制技术提高了传输速率和频带利用率[7]。

表3为本文选取的扩频调制映射规则[8]，表中的正交扩频序列由18列6进制码组成。

扩频序列中每一列都经过扩频调制，即序列每个元素分别重复6次，形成长为108的一组序列。这组序列采用6PSK的基带调制[9]，调制规则见表4。

这样，16个RS码元就被分别扩频调制为108个符号序列，这16组扩频符号序列具有良好的自相关和互相关特性[4]。

2.3 信道模型

2.3.1 AWGN信道

AWGN信道，即加性高斯白噪声信道，是通信系统仿真中最常用的信道模型，通常也作为卫星通信中恒参信道的等效信道[10]。AGWN信道的噪声幅值服从高斯分布，功率谱密度为常数，信道模型用下式表示：

在信号传输过程中，设信道的输入为[x（t），]输出为[y（t），]发送信号受到加性噪声[n（t）]的干扰，[n（t）]为零均值的高斯白噪声。

2.3.2 RICE信道

RICE信道是一种卫星通信中常见的多径衰落信道，多径信号的相位、幅度变化会影响接收信号包络的起伏。信号包络幅度的衰落变化规律服从Rice分布，信号经过RICE衰落信道后，幅度服从Rice分布[11]，其相应的概率密度函数为：

式中：参数[A]为直射波分量幅度的峰值；[σ2]为信号中高斯分布分量的方差；[I0]为第一类零阶修正贝塞尔函数。莱斯因子[K]为直射信号的功率与多径分量方差之比，[K]完全确定了莱斯分布，其表达式为：

本文选取[K=5，]归一化的最大多普勒频率为2e-4，平坦衰落RICE信道模型如图3所示。

α为符合莱斯分布的信道增益，θ是由多普勒效应引起的相位干扰，[n（t）]为服从（0，σ2）分布的高斯白噪声，信道模型用下式表示：

2.4 接收和解扩

信号经过高斯信道后到达接收端，将下变频的长度为108的串行接收信号进行串/并转换，接收端对接收信号的处理算法如图4所示。设串/并转换后的并行数据为Y（m），为了解调接收信号，将Y（m）与接收端本地的16组标准扩频符号作相关，将会得到16个相关峰。

设i为标准扩频序列的编号，Si表示RS码元为i的长为108的映射扩频序列的6PSK调制符号。例如当i为2时，m表示扩频符号的序号，S2（m）可表示为：

设相关峰用E来表示，Y（m）与本地16组长为108的标准扩频序列分别作相关，相关峰[Ei]可表示为：

因为当且仅当发送信号与其自身相关时相关峰[E]可以取得最大值，即取得最大相关峰的扩频序列Scorrect与发送序列相同的概率最高，所以取Scorrect作为最理想的译码信息。例如当一组相关峰中Ej最大时，选取j为这组接收信号所代表的RS码元[12]，可表示为：

这样就完成了单个RS码元的解扩和解调。在全部接收、发送15组扩频信号后，即可进行RS译码。

2.5 RS译码

RS码拥有很多成熟的硬判决译码算法，与一般线性码的歩骤[6]基本相同。本文使用基于Berlekamp?Massey算法（BM算法）的硬判决译码方法[13]，设接收的15位RS码为r（x），译码算法框图如图5所示。

图5 BM译码算法原理图

如果求得的错误图案中的错误数目不大于3，那么包含最小错误个数的错误图案对应的解就是正确的解。否则译码器将无法还原信道噪声导致的误码，即译码输出码字与发送码字不一致。

3 性能仿真

在较差的通信条件下，移动台与卫星的同步误差会加大，所以假设移动台在通信状况良好时已经同步的情况下进行仿真。

图6分别给出了在AWGN信道和RICE信道下的信噪比与误码率关系的仿真结果，其中RICE信道模型中的莱斯因子取值为5，即[K=5。]

图6 信噪比与误码率关系图

由图6可以看出，在AWGN信道下经过改进的增强寻呼突发的接收性能明显优于传统增强寻呼的性能。在误码率不大于10-5时，满足要求的最小信噪比约为-9.8 dB，性能提高约4.7 dB。在RICE信道中，由于信号多径衰落和多普勒效应的影响，满足相应误码率的最小信噪比约为-5.6 dB，但同样优于传统方法。

4 结 论

由以上可知，本文提出的改进方法能更有效地传输系统的寻呼消息，改善了移动台无法接收寻呼消息的问题。在结合了多进制扩频映射调制技术后，增强寻呼信道的性能有明显的提升，从而间接维护了卫星通信系统的正常运行。

注：本文通讯作者为黄联芬。

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