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摘要 随着PHS系统语音业务市场渐趋饱和，数据业务研究的重要性凸现。详细介绍了应用实时操作系统实现PHS系统数据业务仿真系统的方法。在此基础上研究未来PHS数据业务应用高阶调制和纠错码技术后的传输性能，给出了仿真结果并进行对比分析，得出了通过联合链路层ARQ与物理层自适应调制与编码以提高数据传输性能的方法，同时探讨了进一步研究的方向。
1、引言
移动通信的快速发展正使得人与人之间的交流变得愈加方便，小灵通以其低廉的价格，绿色环保等特点吸引了数以千万的消费者，使越来越多的人都拥有了适合自己的移动通信工具。然而近年来手机的迅速普及，也使得小灵通的语音业务市场正趋于饱和。数据业务正成为电信运营商利润新的增长点。PHS系统数据业务采用的是PIAFS协议（PHS Internet Access Forum Standard）。它是一个以电路交换为基础的数据通信方式，支持32/64kbit/s的数据传输率。具有高速、优质、廉价的特点。目前，国内很多城市的PHS系统都已开通了32/64kbit/s的Internet接入服务。
另一方面，移动多媒体应用需求的不断增长也要求更高的数据传输速率。为了应对第三代移动通信系统的发展并满足消费者的需求。PHS系统标准化组织ARIB在2003年发布的RCR STD-28 Version 4标准（英文版）[1]中提出了支持高阶调制如8PSK、12QAM、16QAM、24QAM以及32QAM等。采纳了高阶调制之后的PHS系统能够获得更高的数据传输率，例如：将现有小灵通系统的/4-QPSK调试方法改为16QAM后，可以使数据传输率在不增加信道资源的情况下达到64kbit/s。另一方面，在PHS系统的语音业务中。主要保证通信实时性的需要，而且由于物理时隙的长度较短，所以PHS标准没有采纳纠错码等保证通信可靠性的技术。然而在数据业务中，需要保证数据传输的准确无误，这便要求未来的PHS系统需要采纳诸如纠错码等技术以兼顾通信的有效性与可靠性。
本文主要研究了PHS数据业务的软件实现及仿真方法，在此基础之上，根据PHS系统的最新协议中提出但未作详细定义的高阶调制，如16QAM等，对未来PHS数据业务的高速化，兼顾高可靠性的通信方法进行了分析研究，提出了使用物理层高阶调制、纠错码技术，联合链路层选择重传式ARQ等通信方法以提高PHS系统数据业务吞吐量的观点，并进行了仿真和结果分析，给出了优化协议的参考意见。
2、PIAFS仿真系统实现
PIAFS仿真系统的实现是基于实时操作系统Nucleus的Windows仿真平台MNT的，全部程序采用C语言编写。该软件只需更换Nucleus PLUS的库文件并作细微修改，便可移植到目标平台。使得软件不仅停留在研究阶段，而更具实用性。
2.1 PIAFS仿真系统总体结构
PIAFS协议向PHS系统数据业务提供数据链路层上的服务[2]，它的核心内容是MODS.ARQ（Modulo Operation using Data field Selective repeat ARQ）。MODS.ARQ是选择重传式ARQ的一种，能够实现链路层上的流量及差错控制。
PIAFS仿真软件采取了图2-1所示方案。
图2-1 PIAFS协议仿真总体方案
通过Nucleus系统NET组件的Socket套接字实现客户端、信道以及服务器之间的通信，较好地模仿了真实的情况。
Client充当了发送端的角色。它实现PIAFS中带内协商规程，控制信息协商，ARQ重传控制规程等功能。同时，为了研究现有PIAFS协议的性能以及未来PHS高阶调制等发展条件下，PIAFS获得的性能变化，Client还仿真了物理层和PIAFS的上层协议。Client的具体实现如图2-2所示。
图2-2 Client部分组成框图
本方案采用的Nucleus MNT 6.0在Windows操作系统下仿真了实时内核PLUS、网络组件NET等几乎所有在目标硬件上执行的产品。其中，PLUS提供了多任务、实时、中断响应高时效性的编程环境。Nucleus NET是Nucleus实时操作系统的网络组件。通过它提供的Socket套接字实现了Client、Channel以及Server三个工程之间的通信。
Physical Layer仿真了物理层的部分功能，包括拆帧/组帧，发送/接收，信道编码/解码（用于研究未来高阶调制）等。PIAFS层实现了数据协议的基本功能，包括数据链路的建立/释放，控制参数的协商，ARQ传输控制等。High Layer，即PIAFS上层部分，是为了仿真需要而设置的。它的主要工作是：产生一定速率的数据源，统计并计算接收数据报的数量和速率，同时具备仿真控制平台的功能。
Channel部分仿真了一个PHS物理层的基带信道。它仿真了调制/解调以及无线信道。
Server部分与Client部分的实现方案相同。
通过在Client部分的上层任务加入固定速率的随机数据源，并在Server部分的上层任务统计正确接收的数据帧，便可得到各种情况下PIAFS接收端（这里就是Server部分）实际能获得的吞吐量效率。此处，吞吐量效率定义为接收端单位时间内收到的数据帧与发送端数据源产生的数据帧之比。
通过研究吞吐量效率与信道（由于协议中没有规定参考信道模型，本文选用的是高斯白噪声信道）比特信噪比（本文以下提到的信噪比都指比特信噪比）、发送端数据源比特率之间的关系可以考察PIAFS系统传输的有效性与可靠性。
2.2 PIAFS系统高阶调制的仿真方案
若根据ARIB组织提出的RCR STD-28标准Version 4.1，PHS物理层采用高阶调制，由于抽样速率不变，但每符号的信息量却增加了，所以PHS系统信道传输能力也提高了。例如原来采用/4-DQPSK时的信道传输速率为32kbit/s。在采用16QAM后的信道传输速率至少可以提高至32*2=64kbit/s。同理，采用32QAM的信道传输速率为32*5/2=80kbit/s。
RCR-STD V4.0没有对采用高阶调制后的时隙结构做出详细的规定，为便于分析，本文的仿真方案中采用了如图2-3所示的时隙结构。
图2-3 高阶调制下PHS系统的物理层时隙结构
原有/4-DQPSK调制下，PHS物理层每时隙包含240bit，其中包括160bit的TCH逻辑信道的用户数据，也就是说，640bit的PIAFS帧将分为4个时隙传输。16QAM调制下，经过修改后每时隙包含480bit，其中包括320bit的PIAFS帧的数据，一个PIAFS帧只需要2个时隙便能发送完成。
2.3 PIAFS系统纠错码技术仿真方案
由于PHS协议中原本是没有规定纠错码的，因此物理层应用高阶调制之后纠错码才有了用武之地。考虑到卷积码的优越性能以及成熟的技术，本系统决定使用（2，1，8）卷积码。
本文的PIAFS仿真系统在16QAM调制下采用（2，1，8）卷积码技术时，设计时隙结构如图2-4所示。
图2-4 PHS系统16QAM调制采用纠错码的时隙结构
原有PHS系统下时隙结构中，除TCH以外的前导字节包括控制和SACCH逻辑信道共48bit，尾部包括16bit的CRC及16bit的保护位。值得注意的是，前导的R字段和尾部的GT字段用于相邻时隙的缓冲间隔，在/4-QDPSK调制下分别占据了2个符号时间（R）和8个符号时间（GT）。因此，如果调制变为16QAM，相应的信息位就变成了8bit（R）和32bit（GT）。这样才能保证保护时间和符号率与原协议兼容。
与RCR-STD 28中CRC校验的范围类似。本文的仿真方案中将CI、SA、TCH及CRC四个部分的信息位输入卷积码编码器，得到的编码输出为：
（196bit信息位+8bit尾比特）*2=408bit。
在RCR-STD 28标准中CRC的运算范围不包括SS、PR、UW部分，因此本文在设计时隙结构时，未将它们列入卷积码编码范围。最后，480bit中还剩余8bit本文暂时未作考虑，命名为NULL，可作保证SS、PR、UW正确传输的信道编码冗余或其它控制位使用。尾部32bit是保护位。
这样的时隙设计保证了每时隙传输160bit，4个时隙完成一个PIAFS帧的传输，与上一节方案中，2个时隙完成一个PIAFS帧的传输形成鲜明对比，便于观察吞吐量的变化。
3、仿真结果
3.1 应用PHS系统物理层高阶调制
首先给出PHS系统应用物理层高阶调制后，PIAFS协议能够获得的吞吐量效率。
1）PHS系统中TCH信道数为1时，吞吐量效率与信道信噪比之间的关系。仿真的参数如下：TCH信道数为1，回程时间RTF=13，最大编码序号M=63。为避免由于上层数据源速率太高对吞吐量效率产生影响，采用速率29.2kbit/s。所得仿真结果如图3-1。
图3-1 PHS物理层高阶调制下PIAFS的吞吐量效率
由图3-1可见，在/4-DQPSK调制方式下，PHS系统工作在SNR=14dB左右时，PIAFS便可以获得100%的吞吐量效率，在SNR从14降到11的范围内，吞吐量效率呈下降趋势。这时，由于信道的信噪比变低，导致ARQ的重传次数逐渐增多，以致接收端接收的速率降低，发送端PIAFS出现流量控制，吞吐量效率也因此逐渐降低，直至SNR=11时，系统无法建链，吞吐量效率为0。
至于需要较大SNR的原因，是因为PHS协议中未加入纠错码等技术，任何误符号都会导致无法通过CRC校验，被判为误帧，并最终使得物理层或PIAFS将其整帧抛弃。因此，只有较大的SNR才可获得较高的吞吐量效率。
通过图3-1还可以看到，16QAM在SNR大约18dB附近处才能获得100%的吞吐量效率，在14-18dB处，吞吐量效率在0-100%之间单调递增变化。
由此可以发现，虽然PHS物理层高阶调制提高了信息传输速率，但这是以提高信号能量为代价的。为了获得100%的吞吐量效率，也就是获得高阶调制带来的性能提高，16QAM调制的信噪比需要比/4-DQPSK调制增加4dB。
2）PHS系统中TCH信道数为1时，吞吐量效率与上层数据源速率之间的关系。
仿真参数如下：回程时间RTF=13。最大编码序号M=63，调制方式为16QAM时TCH信道数为1。为避免由于信道信噪比太低对吞吐量效率产生影响，采用SNR=18。所得仿真结果如图3-2。
图3-2 16QAM调制下PIAFS在不同速率下的吞吐量效率（SNR=18）
图3-2所示仿真结果，可以发现，在信道的信噪比足够大的情况下，PIAFS在16QAM调制下与2TCH、/4-DQPSK调制下性能大致相仿，比1TCH、/4-DQPSK调制下性能提高2倍。这与预想结果是相符的。16QAM调制下，PIAFS最高可获得58.4kbit/s的通信速率。
然而，这是以大信噪比为条件的，此时无需考虑因接收帧错误而引起的重传。如果将仿真中的信噪比参数值减小，那么结果将是另一种情况。图3-3便是在其它条件不变的情况下。仅将SNR改为17而得到的仿真结果。
图3-3 16QAM调制下PIAFS在不同速率下的吞吐量效率（SNR=17）
从图3-3可以看到，由于信道质量变差，致使16QAM调制下的吞吐量效率在58.4kbit/s处降低至0.920。也就是说，即使在物理层的传输能力之内，上层的PIAFS也无法完全获得最大的传输效率。显然，这是由于信道质量变差而产生的误帧所引起的PIAFS重传造成的。与此同时，2TCH下/4-DQPSK调制仍然能够获得与SNR为18dB情况下相同的性能。
对比以上结果发现，2TCH下/4-DQPSK调制的信噪比要求比16QAM低得多。但是却多占用了一条逻辑信道；16QAM调制对信噪比要求较高，却节省了信道资源。因此，两种方式各有所长，可根据不同情况采用不同的方式。如在信道资源较紧张时，可采用较大信噪比的16QAM调制，而在信道资源较宽裕时，可采用较低信噪比的2TCH下/4-DQPSK调制，都可获得64kbit/s的通信速率，这可以通过采用自适应调制的方式实现。
3.2 PHS系统物理层应用（2，1，8）卷积码技术
下面研究PHS系统采用16QAM调制时，加入（2，1，8）卷积码后PIAFS协议的吞吐量效率。
1）PHS系统中TCH信道数为1时，吞吐量效率与信道信噪比之间的关系。
仿真的参数如下：TCH信道数为1，回程时间RTF=13，最大编码序号M=63，采用上层数据源速率58.4kbit/s。所得仿真结果如图3-4。
图3-4 16QAM调制下加入纠错码对PIAFS的吞吐量效率的影响
很显然，加入（2，1，8）卷积码之后，PIAFS在低信噪比下的性能获得显著的提高。在SNR大于14dB范围内，PIAFS的吞吐量效率都保持在最大值50%，且平稳。而在同等条件下，未加入（2，1，8）卷积码的PIAFS协议如果要保持最大吞吐量效率100%，必须使SNR约大于18dB。
但是，这又带来了另一个问题：加入（2，1，8）卷积码的PHS物理时隙中，有1/2以上的信息位用于传输冗余的信道编码，使得吞吐量效率大大降低，仅为50%。
2）16QAM调制下PIAFS吞吐量效率与上层数据源速率之间关系的仿真研究。
仿真的参数如下：TCH信道数为1，回程时间RTF=13，最大编码序号M=63。为避免由于信道信噪比太低对吞吐量效率产生影响，采用SNR=18。所得仿真结果如图3-5。
图3-5 16QAM调制下加入卷积码对PIAFS在不同用户速率下的吞吐量效率的影响（SNR=18）
图3-5显示，在信噪比足够大的情况下，加入（2，1，8）卷积码后，PIAFS传输能力明显下降，而此时未加入（2，1，8）卷积码的PIAFS性能要优于前者。这是因为在PHS的物理层时隙结构中，约有1/2的比特用于传输冗余的信道编码。所以这时的16QAM也只能传输29.2kbit/s的用户数据，与/4-DQPSK调制时最大传输能力相当。
为便于分析，将以上两部分结果合并，可得图3-6。
图3-6 16QAM调制下加入卷积码后PIAFS接收端能够获得的最大接收速率
图3-6显示了在不同的比特SNR下，PIAFS接收端所能够获得的最大接收速率，也就是PIAFS系统最大的实际通信速率。很显然，在比特SNR大于16dB时，未加纠错码的16QAM调制方式可以获得更高的通信速率，而在比特SNR小于16dB时，加入（2，1，8）卷积码的16QAM调制方式可以获得更高的通信速率。在比特SNR等于14dB时，未加入（2，1，8）卷积码的系统已经不能建链，加入了（2，1，8）卷积码的系统却仍然具有较高的通信速率，达到29.2kbit/s。
综上所述，加入（2，1，8）卷积码在信噪比较低的情况下能保持较高的吞吐量效率，但这是以牺牲信道容量换来的。因此，为了兼顾高速率、高质量的PHS数据业务，在信噪比较高的情况下，可采取PHS原方案以获得较高的吞吐量，而在信噪比较低的情况下，可使用纠错码技术减少重传次数，从而保证吞吐量不致迅速下降。这一点上，比较类似目前热门的H-ARQ技术，但本方案是物理层上的FEC与数据链路层上的ARQ的联合：即在信道条件较好的情况下，关闭信道编码，提高用户数据传输率；在信道条件较差的情况下，开启信道编码，以保证一定的吞吐量，使其不会迅速衰减至0。
4、结术语
本文实现了PIAFS协议在PHS物理层高阶调制下的仿真系统，并对加入（2，1，8）卷积码后所获得的性能改进进行了分析研究。通过对仿真结果的观察研究，发现未来PHS系统通过应用自适应编码与调制，可以获得吞吐量效率较大的提高，从而改进其性能。同时，本文设计的时隙结构对未来PHS系统协议的进一步详细定义提供了参考。未来RCR-STD 28标准的进一步细化仍有很多工作要做。相应于底层协议的修改，PIAFS协议做出的怎样的调整才能适应未来高速率的数据传输也是值得研究的课题。
参考文献
1 ARIB.RCR STD-28．Personal Handy Phone System ARIB Standard．Version 4.0[S]，2002．
2 ARIB.ARIB STD-T76.PIAFS Protocol．Version 2.2[S]，2001．
来源：中国联通网站
