未来GNSS中的新RS编码正交调制方案摘要

⃝× =可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICTExpress 7（2021）530www.elsevier.com/locate/icte未来GNSS中几种新的RS编码正交调制方案Hyunwoo Choa，Hong-Yeop Songa， Jae Min Ahnb，Deok Won Limca大韩民国首尔延世大学电气和电子工程系b大韩民国大田忠南国立大学电气、无线电和信息通信工程系c大韩民国大田韩国航空航天研究所卫星导航小组接收日期：2020年12月13日;接收日期：2021年3月27日;接受日期：2021年4月25日2021年5月5日网上发售摘要考虑到全球导航卫星系统（GNSS）信号的可用性和未来GNSS数据速率的提高，本文提出了一种新的基于Hadamard码的RS编码正交调制方案，作为准天顶卫星系统L波段实验（QZSS-LEX）信号中RS编码码移键控（CSK）调制的替代方案。所提出的方案的仿真结果表明，虽然帧的大小，因此数据速率增加，大大降低了复杂度在接收机中，RS编码的正交调制的误比特率性能略好于或相当于QZSS-LEX。c2021韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：全球导航卫星系统;里德-所罗门码;正交调制1. 介绍定位、导航和定时（PNT）市场的发展和增长要求依赖于GNSS信号的服务具有更高的精度。一些服务（例如，基于卫星的增强系统服务、Galileo商业服务）可能依赖于具有低延迟的巨大且大量的数据量。因此，应考虑导航数据组件，如增加数据速率和提高可用性[1]。另 一 方 面 ， 由 于 GNSS 系 统 使 用 直 接 序 列 扩 频（DSSS）技术，因此数据速率的增加是一项困难的任务。对于DSSS/BPSK信号，数据速率的增加需要码片速率的增加或截断。伪噪声（PN）序列。在截断的情况下，正交性降低，这可能导致性能下降。这两种选择都不可取。因此，适当的选择是实现某种更高阶的数据调制。CSK调制是BPSK调制的一个很好的替代方案[2，3]，并且被QZSS-LEX采用。这里，CSK调制与以下相结合：∗ 通讯作者。电子邮件地址：hyunwoo. yonsei.ac.kr（H.Cho），hysong@yonsei.ac.kr（H.-Y. Song），jmahn@cnu.ac.kr（J.M.Ahn），dwlim@kari.re.kr（D.W.Lim）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2021.04.004Reed–Solomon (RS) codes in order to achieve the increaseddata rate近年来，基于各种Hadamard码的正交调制被提出作为CSK调制的替代方案。其中，已知基于使用m序列的循环Hadamard码的那些具有比CSK调制简单得多的计算复杂度[5]。本文提出了两种基于m序列的Hadamard码的RS编码正交调制方案。为此，我们必须设计一些新的RS码适用于正交调制：一个在GF（2 -8）和其他GF（2 -9）。相应地选择正交调制，以分别具有8阶和9阶。两种方案具有相同的码片速率（5.115Mcps），但在许多方面有所不同：（1）一种方案与QZSS-LEX L 62和QZSS-LEX L 61具有相似的结构;（2）GF（2.8）上的RS码是16-纠错的，而GF（2.9）上的RS码是32-纠错的;（3）第一种方案的输入数据比特数为1，74423， 488比特我们将在第3节中展示这两个系统以及QZSS-LEX L 62的性能。我们将在第2节中简要介绍RS码、Kasami码、两种感兴趣的调制方案以及QZSS-LEX消息结构。我们提出了两种不同的RS编码正交调制，一种是8阶，另一种是8阶2405-9595/2021韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。H. Cho，H.-Y. 宋，J.M.Ahn等ICT Express 7（2021）530531···−= −−= − = −== − ==×−9，并与第3节中的QZSS-LEX的性能进行比较。最后，第四部分对本文进行了总结。2. 预赛2.1. Reed-Solomon码（N， K）RS码C具有最大距离可分离（MDS）性质，因此，其最小距离D满足D−1=N−K，因此，它具有t-纠错能力，其中t=（N-K）/2 [6，7].8假设我们需要一个GF（2）上的具有16个纠错能力的RS码. 然后，N28 1 255和2t32D1N K，因此，K223。因此，GF（28）上长度为255的（255，223）RS码被定义为具有生成多项式g（x）（x α1）（xα2）（x α32）的BCH码。实践是通过使用某种固定的对应关系将每个非二进制符号（在GF（2r）上）映射到长度为r的二进制向量中，将 GF （ 2r ） 上 长 度 为 N 的 非 二 进 制 RS 码 用 作 长 度 为NrQZSS-LEX信号[4]使用长度为255× 8= 2040的二进制RS码2.2. Kasami码Kasami码是一类重要的PN序列，一些截短的小集合Kasami码被用于QZSS-LEX信号中作为CSK调制的PN码[4]。如所描述的，使用长度为n的两个线性反馈移位寄存器容易地生成Kasami码的小集合在[8]中，对于任何偶数整数n。已知非平凡相关值为三个级别：−1，−2n/2−1，2n/2− 1 [8]。2.3. 调制方案CSK调制被设计为在不影响PN码特性的情况下增加带限扩频信号的数据速率[2]。CSK调制将符号映射到给定PN码的循环相位。当PN码具有长度N时，它具有N个不同的循环相位，因此，N个不同的调制符号可以映射到它们中[3，9]。感兴趣的第二种类型的调制是基于Hadamard码的正交调制。到目前为止，许多不同类型的Hadamard码是众所周知的：沃尔什型，一般的循环型，以及使用m序列的循环型[10]等。考虑一个给定的N-N-Hadamard矩阵，它的N行是N个长度为N的正交码。现在，基于这些Hadamard码的正交调制是N个不同符号到N个正交码的映射。[5]的作者已经报道了关于使用各种类型的Hadamard码的正交调制的一些结果，所述Hadamard码是使用m序列的Walsh型和循环型，并且大小为256，图1.一、 QZSS-LEX L 62信号结构。512和1024。[5]的结论性建议是使用基于循环类型的那些，使用QZSS-LEX中具有适当参数的m序列作为使用Kasami码的CSK调制的替代方案，并且声称可以降低接收机处的计算复杂度2.4. QZSS-LEX报文结构QZSS-LEX信号专门设计用于实现高精度实时定位[4，11]。它的主要特点是比其它GNSS信号具有更大的信息帧和更高的码速率。例如，其数据速率为每秒4，000个编码比特，远高于GPS L1C或北斗B1C信号中的每秒100个编码比特[12]。QZSS-LEX L 62信号结构的总体方案如图所示。1.一、它由两个相同的数据流组成，其输出在最后被多路复用。我们将在这里简单描述其中之一。GF（2.8）上长度为246的缩短RS码用于初始FEC。输入端的每秒1,744比特是用于同步的32比特（将不被编码）和1,712个导航数据比特（将被编码）的级联。然后将未编码的32比特附加到1,968比特的码字上，结果是长度为2,000比特或每秒250个符号。因此，符号时间是每个符号4毫秒长度为220的小集合Kasami码% 1被截断到长度10，230，然后将结果用于CSK调制。不同卫星之间的正交性是通过使用Kasami码的不同成员来实现的，并且特定的单个码被分配给每个卫星，并且对于来自RS编码器的250个码元每秒重复使用250次来自编码器的每个符号由8位组成，并且它被转换为0到255范围内的十进制。然后，Kasami码被移位对应于该十进制数的量。因此，总码片速率为250 × 10230码片/秒（= 2. 5575 Mcps）。3. RS编码正交调制方案3.1. 拟议方案假设未来GNSS的数据速率将增加，我们提出了两种不同的RS码，如图1所示。H. Cho，H.-Y. 宋，J.M.Ahn等ICT Express 7（2021）530532−29图二、提 出 了RS编码正交调制方案。表1Reed-Solomon码RS #1 RS #2域GF（28）GF（29）250 500英镑K218 436N K 32 64e. c.能力. 16 32码率0.872编码数据速率4000 bps 4500 bps表2正交调制速率为2.5575 Mcps。RS #1 RS #2第8条第PN码长度28图9 3.第三章。 三种调制类型的性能。重复次数：39。96分 19 秒98表1.每个RS码与表2中描述的正交调制一起使用。我们将建议代码的码率设置为相同。此外，我们设置每个符号的比特数和正交调制阶数相等。所提出的方案的总体框图如图1所示。 二、图中所示的拟议结构。图2（a）与QZSS-LEX L 62的类似之处在于，两者都具有在输出处多路复用的输入数据的双流，并且最终码片速率与5.115Mcps相同。在所提出的结构和QZSS-LEX L 62之间存在两个主要差异：第一是QZSS-LEX中的32个同步比特现在是不必要的，因为正交调制不需要任何同步信号。因此，与QZSS-LEX不同的是，所提出的系统中的所有1，744个输入位都可以用作导航消息。其次是长度用于调制的PN码。在拟议结构中，只有长度为256（8阶）的码用于调制每8-位符号从图中的RS编码器。2（a）.因此在正交调制器的输出，我们有每秒250×256码片的速度。为了实现相同的总码片速率，H. Cho，H.-Y. 宋，J.M.Ahn等ICT Express 7（2021）530533×=-图四、 三种RS码的性能。图五、所 提出的方案的性能比较。对应于8比特符号的每256个码片被重复大约39.96次。图2（b）中提出的结构是图2（b）中的结构的一般化版本。2（a）.首先，双输入流现在被组合成单个输入流，该单个输入流接受3，924比特，这比先前的结构多436比特其次，设计了GF（2 9）上的RS码，参数为N500 K436和纠错能力等于 到32，希望它可以提供更好的可靠性比以前的结构。因此，每个码元由9比特组成，正交调制需要长度为512（9阶）的PN码和512 × 512 Hadamard矩阵。第三，通过约19.98次的码重复，总码片速率与5.115Mcps相同。3.2. 建议计划比特能量与噪声功率密度之比Eb/N0实际上是每比特的SNR。因此，调制方案或FEC方案相对于Eb/N0的BER性能提供了仅取决于每比特SNR的性能，并且可以被认为是设计者的方案的重要度量。另一方面，系统的实际性能不仅取决于每比特的SNR，而且还取决于数据速率和/或带宽等。为了提供取决于所有这些的性能，使用类似的参数，即载波功率与噪声谱密度比C/ N0. Eb/ N0和C/ N0之间的关系如下：C/ N0[dB-Hz]= 10 log10（Eb/ N0）+ 10 log10R，其中R是（编码）数据速率[13]。我们已经做了一些广泛的计算机模拟，以比较每个单独的部分和整个系统的各种性能。基本上，我们比较了图3中的调制性能、图4中的RS码性能，以及最后比较了图5中的RS编码调制在Eb/N0方面以及在C/ N0方面的性能。我们谨提出以下意见：QZSS-LEX中的CSK调制和表2中的正交调制的性能在图3中示出。它表明，高阶正交调制具有更好的性能，如[13]中已经给出的。在BER为10−3时，增益约为0.3 dB，这也在[13]中进行了预测QZSS-LEX RS码和表1中的两种RS码的性能如图1所示。四、这表明RS #2代码具有更好的性能（约0.2 dB以上）， 其他人我们猜测这是因为RS#2具有更好的纠错能力，这是预期的结果。对QZSS-LEX和所提出的RS编码正交调制方案进行了仿真，其性能如图1所示。5，一个对Eb/N0，另一个对C/ N0。 RS#1方案的性能与那些方案相当关于QZSS-LEX RS #2方案稍微好一点，尽管它比其他方案扩大了帧大小。这也是预期的，因为更强的RS码和9阶正交调制的性能优于它们，同行4. 结论在本文中，我们提出了一些RS编码的正交调制的替代品，在QZSS-LEX。仿真结果表明，虽然帧的大小（因此，数据速率）增加，性能略优于或相当于QZSS-LEX在接收机中的复杂度H. Cho，H.-Y. 宋，J.M.Ahn等ICT Express 7（2021）530534近期的一些工作如下。(1) 不同卫星之间的正交性必须通过在所提出的方案的正交Hadamard码之上采用一些扰码来实现。(2)我们可以研究在图2的代码重复中折衷重复次数的一些可能性，使得可以进一步增加数据速率和/或可以利用更强的FEC，从而保持5.115Mcps的总码片速率竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作致谢这项研究得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国航空航天研究所“韩国卫星导航系统和未来空中交通管理基础研究”的资助引用[1] R.肖瓦特公司佩尼亚湾作者：J.J. Paonni，超稀疏二进制LDPC码与CSK信号在未来的GNSS中增加数据速率，在：第九届欧空局卫星导航技术研讨会和欧洲GNSS信号和信号处理研讨会，NAVITEC，2018年，pp. 1比11[2] R.肖瓦特公司佩尼亚湾Anghileri，M. Paonni，关于具有增加的数据速率的GNSS链路的二进制LDPC编码CSK信号的有效和低复杂度解码，在：2020 IEEE/ION位置，位置和导航研讨会，PLANS，2020，第102页。1202-1213。[3] A.G. 佩尼亚湾奥博鲁迪耶湖M.L.里斯布舍雷角普利亚，O. Julien，Code Shift Keying：Prospects for Improving GNSSSignalDesigns，Inside GNSS 10（6）（2015）52-62.[4] S. Choy，K.Harima，Y.Li，Y.若林H.Tateshita，S.小暮，C. Rizos，利用日本准天顶卫星系统（QZSS）LEX校正的实时精确点定位，见：IGNSS研讨会会议记录，2013年。[5] J.申，D. Lim，J. Ahn，基于最大长度序列的导航卫星厘米级增强信号传输正交调制方案，J. Korean Inst. Commun. INF. Sci. 45（6）（2020）1056[6] 埃. Reed，G. Reed-Solomon Codes：A Historical Overview，在：S.B. 维 克 Bhargava （ Eds. ） ， 《 Reed-Solomon Codes and TheirApplications》，IEEE Press，NJ，USA，1994，第2章。[7] J.L. 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