LTE标准中使用的调制和编码方案研究

第 4 章 调制与编码

LTE（长期演进）下行链路PHY（物理层）链可以看作应用于下行链路共享信道（DLSCH）和物理下行链路共享信道（PDSCH）的处理的组合。DLSCH处理也称为下行链路传输信道（TrCH）处理。它包括循环冗余校验(CRC)码附加、数据子块处理、基于turbo编码器的信道编码、速率匹配、混合自动重复请求(HARQ)处理和码字重构等步骤。码字是PDSCH处理的输入，包括加扰、调制、多天线多输入多输出(MIMO)处理、时频资源映射和正交频分复用(OFDM)传输。我们将这个两步DLSCH和PDCH处理链的组件细分为三个部分，将在接下来的三章中讨论。

在本章中，我们研究LTE标准中使用的调制和编码方案。这些包括所有组合的DLSCH和PDSCH处理步骤，不包括MIMO和OFDM操作。接下来的两章将讨论OFDM和MIMO。首先，我们将研究PDSCH处理中的耦合操作，包括加扰和调制。然后我们将研究TrCH处理，包括一系列操作，这些操作将逻辑信道和用户比特有效负载映射到码字，这些码字被传递到共享物理信道。

我们将创建Matlab®程序，在发射机和接收机中完全指定TrCH处理。我们将使用MATLAB函数研究不同调制方案和不同编码速率对加性高斯白噪声（AWGN）信道模型误码率（BER）性能的影响。这些操作完全指定如何处理用户数据位，以产生用于后续MIMO和OFDM功能块传输的输入符号。MIMO和OFDM的细节在接下来的两章中被研究。

4.1 LTE调制方案

LTE标准中使用的调制方案包括QPSK（正交相移键控）、16QAM（正交幅度调制）和64QAM。图4.1显示了这三种调制方案的星座图。

在QPSK调制的情况下，每个调制符号可以具有四个不同值中的一个，这些值被映射到星座图中的四个不同位置。QPSK需要2位来编码它的四个不同的调制符号中的每一个。16QAM调制涉及使用16个不同的信令选择，因此利用4比特信息对每个调制符号进行编码。64QAM调制涉及64个不同的可能信令值，因此需要6位来表示单个调制符号。

多个调制方案的可用性有助于实现基于信道条件的自适应调制。当无线电链路相对干净——即，信噪比（SNR）相对高——我们可以使用密集星座的调制方案，例如64QAM。在这种情况下，发送单个码元导致6比特的传输，因此可以增加吞吐量。然而，随着信道变得更加嘈杂，我们应该使用具有更多码间分离的调制方案，例如QPSK。这又将减少每个样本的位数，并降低吞吐量。

在LTE的调制映射，它指定如何调制符号位序列分配到每一个这样的表，如表4.1和4.2的QPSK和16QAM所示。64QAM调制映射表尺寸过大，可以参考文献[1]。

我们注意到位(bit)到符号(symbols)的映射既不是基于典型的二进制，也不是基于灰阶编码(graycoded)方法。 LTE 定义使用了一种星座映射的方式。LTE使用同样的方式定义了的调制符号，这种方式平均信号功率是一个统一的标准。

4.1.1 MATLAB 案例

模拟LTE下行链路的第一步，我们从LTE调制方式开始。如下的两个MATLAB算法显示了LTE的调制和解调算法，在此我们调用了系统工具箱。

1function y = Modulator( u,Mode )
 2%% Initialization
 3persistent QPSK QAM16 QAM64
 4if isempty(QPSK)
 5    QPSK = comm.PSKModulator(4,'BitInput',true,'PhaseOffset',pi/4,...
 6        'SymbolMapping','Custom','CustomSymbolMapping',[0 2 3 1]);
 7
 8    QAM16 = comm.RectangularQAMModulator(16, 'BitInput',true,...
 9        'NormalizationMethod','Average power', 'SymbolMapping',...
10        'Custom','CustomSymbolMapping', [11 10 14 15 9 8 12 13 1 0 4 5 3 2 6 7]);
11
12    QAM64 = comm.RectangularQAMModulator(64, 'BitInput',true,...
13        'NormalizationMethod','Average power', 'SymbolMapping',...
14        'Custom', 'CustomSymbolMapping', [47 46 42 43 59 58 62 63 45 44 40 ...
15        41 57 56 60 61 37 36 32 33 49 48 52 53 39 38 34 35 51 50 54 55 7 ...
16        6 2 3 19 18 22 23 5 4 0 1 17 16 20 21 13 12 8 9 25 24 28 29 15 14 ...
17        10 11 27 26 30 31]); 
18end
19
20%% Processing
21switch Mode
22    case 1
23        y = step(QPSK,u);
24    case 2
25        y = step(QAM16,u);
26    case 3
27        y = step(QAM64,u);    
28end

调制器函数具有两个输入参数：输入比特流（U）和表示调制模式（MODE）的参数。作为其输出，函数计算调制符号。该函数实现了LTE标准中使用的三种不同类型的调制器。例如，在QPSK的情况下，我们使用一个COM.PSK调制器系统对象，并将其调制顺序设置为4。类似地，对于16QAM和64QAM，我们使用comm.RectangulatQAMModulator() 系统对象，并将它们的调制顺序分别设置为16和64。根据调制模式的值，我们处理输入比特以产生调制符号作为输出。