Turbo 均衡在Non-CP SC-FDE 系統(tǒng)中的應(yīng)用

0 引言

近年來(lái)，隨著人們對(duì)傳輸速率的要求越來(lái)越高，通信系統(tǒng)逐漸向著寬帶、高頻譜效率的方向發(fā)展。單載波頻域均衡(SC-FDE)作為下一代無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)，受到人們廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的SC-FDE系統(tǒng)為了消除符號(hào)間干擾(ISI)，發(fā)射端需要在時(shí)域上周期性的插入保護(hù)間隔，即循環(huán)前綴(CP);接收端進(jìn)行信號(hào)同步、去CP后，經(jīng)過(guò)傅里葉變換到頻域，并通過(guò)信道估計(jì)在頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行補(bǔ)償，再經(jīng)過(guò)傅里葉逆變換到時(shí)域，這一過(guò)程稱為頻域均衡。頻域均衡技術(shù)可以有效的消除多徑干擾，但由于需要插入CP,會(huì)降低傳輸效率。為了進(jìn)一步提高傳輸效率，人們開始逐漸關(guān)注無(wú)循環(huán)前綴的SC-FDE系統(tǒng)(Non-CP SC-FDE)，其中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是如何在沒有CP的情況下消除ISI的影響。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，可采用循環(huán)重構(gòu)方法，即重構(gòu)每個(gè)數(shù)據(jù)塊前L 個(gè)符號(hào)的循環(huán)特性，再?gòu)慕邮招盘?hào)中消除這部分碼間干擾。

在傳統(tǒng)的SC-FDE 系統(tǒng)中頻域均衡與信道譯碼是兩個(gè)獨(dú)立的部分，信息沒有充分交互利用，導(dǎo)致解調(diào)門限偏高。而Turbo 均衡實(shí)際上是將信道看做一個(gè)串行級(jí)聯(lián)碼的內(nèi)編碼器，將譯碼器輸出的軟信息反饋給均衡器，并通過(guò)多次迭代，在均衡器和譯碼器之間充分交換信息獲得性能上的提高。

本文將Turbo均衡與Non-CP SC-FDE 系統(tǒng)的ISI消除結(jié)合起來(lái)，通過(guò)研究頻域均衡頻域反饋模型，提出了一種適用于Non-CP SC-FDE系統(tǒng)的均衡與循環(huán)重構(gòu)聯(lián)合迭代算法既到達(dá)了消除多徑干擾的目的，又提高了傳輸效率。

1 SC-FDE 基本原理

SC-FDE 的基本原理是：在發(fā)送端串行輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制器將數(shù)據(jù)碼流映射到信號(hào)的星座上，插入CP,成形濾波后經(jīng)過(guò)無(wú)線信道傳輸;在接收端接收信號(hào)進(jìn)行載波同步、定時(shí)同步以及去除CP后，經(jīng)過(guò)傅里葉變換到頻域，對(duì)頻域信號(hào)進(jìn)行均衡，再經(jīng)過(guò)傅里葉逆變換到時(shí)域，進(jìn)行符號(hào)判決后得到解調(diào)數(shù)據(jù)。SC-FDE系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

SC-FDE 信號(hào)是分塊傳輸?shù)?，通常將一個(gè)均衡數(shù)據(jù)塊稱為一個(gè)Block.當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑信道后，會(huì)產(chǎn)生塊間干擾(IBI)和符號(hào)間干擾(ISI)。為了最大程度消除ISI,SC-FDE系統(tǒng)需要在時(shí)域插入保護(hù)間隔結(jié)構(gòu)，一般用原始符號(hào)循環(huán)拓展作為保護(hù)間隔，稱為循環(huán)前綴(CP)。CP的長(zhǎng)度要大于信道的最大多徑時(shí)延擴(kuò)展，這樣前一個(gè)Block的多徑分量只會(huì)對(duì)后一個(gè)Block的保護(hù)間隔產(chǎn)生影響，而不會(huì)干擾到后一個(gè)Block 的數(shù)據(jù)段。

此時(shí)的FFT窗口內(nèi)除了第一徑的分量以外，其他多徑分量相當(dāng)于進(jìn)行了循環(huán)移位。由于FFT變換的信號(hào)段看作是一個(gè)周期性延拓信號(hào)中的一個(gè)周期，因此多徑分量的循環(huán)移位，并不影響信號(hào)在頻域進(jìn)行估計(jì)和均衡補(bǔ)償。

對(duì)于無(wú)CP的SC-FDE系統(tǒng)，受干擾的每個(gè)符號(hào)失去了循環(huán)特性，ISI不可避免，可以利用循環(huán)重構(gòu)技術(shù)消除ISI.在原有的基礎(chǔ)上，通過(guò)譯碼器/判決器反饋的軟/硬信息，并聯(lián)合信道估計(jì)的結(jié)果去重構(gòu)由于多徑信道而引入的符號(hào)間干擾，進(jìn)而在后次判決或者迭代過(guò)程中抵消掉這部分碼間干擾，隨著迭代和反饋的深入，系統(tǒng)逐步達(dá)到收斂，最終獲得良好的性能表現(xiàn)。

循環(huán)重構(gòu)可采用TCCR(尾部消除和循環(huán)修復(fù))方法，如圖2所示。即利用當(dāng)前觀測(cè)符號(hào)的尾部信息，與信道響應(yīng)的上三角陣卷積，加回現(xiàn)有觀測(cè)信號(hào)中，從而恢復(fù)觀測(cè)信號(hào)的循環(huán)卷積特性。

2 Turbo 均衡與循環(huán)重構(gòu)聯(lián)合迭代算法

Turbo均衡的設(shè)計(jì)思想是：均衡器在處理經(jīng)過(guò)多徑的輸入信號(hào)的時(shí)候，也接收譯碼器輸出的置信度信息，更新均衡輸出的軟信息，譯碼器也根據(jù)均衡器輸出的軟信息進(jìn)一步輸出更為準(zhǔn)確可靠的置信度信息，如此反復(fù)迭代。

Turbo 均衡可分為時(shí)域判決反饋(TDDF)和頻域判決反饋(FDDF)兩類，其區(qū)別在于反饋濾波器和反饋系數(shù)更新所在的域不同。因?yàn)镾C-FDE系統(tǒng)本身采用的是頻域均衡，所以更適合采用頻域反饋方式，即頻域均衡頻域判決反饋(FDE-FDDF)。這種方式無(wú)需進(jìn)行矩陣求逆的運(yùn)算，降低了運(yùn)算復(fù)雜度，有利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

2.1 系統(tǒng)模型及數(shù)學(xué)推導(dǎo)

由于Turbo均衡與循環(huán)重構(gòu)均引入了迭代的過(guò)程，可以利用頻域均衡頻域判決反饋方式將頻域均衡和循環(huán)重構(gòu)結(jié)合到一起，以相近的計(jì)算代價(jià)得到性能的提高，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

頻域均衡頻域反饋的數(shù)學(xué)推導(dǎo)如下：

第i 次迭代均衡后的輸出表達(dá)式為：

根據(jù)最小均方誤差(MMSE)準(zhǔn)則，通過(guò)Lagrange乘子法，對(duì)f (i)n 求偏導(dǎo)并令該偏導(dǎo)為0,可得前向?yàn)V波器系數(shù)為：

H1 x(i - 1) 即IBI 干擾，可以直接利用估計(jì)出的信道信息和前一個(gè)Block的判決結(jié)果，消除前一個(gè)Block對(duì)本Block的影響。

H0 x(i) 包含ISI干擾，在進(jìn)行頻域均衡之前，必須先進(jìn)行ISI消除。本文提出的Non-CP SC-FDE 系統(tǒng)Turbo均衡與循環(huán)重構(gòu)聯(lián)合迭代算法具體描述如下：

(1)首先利用接收到的訓(xùn)練符號(hào)，根據(jù)最小二乘準(zhǔn)則(LS)進(jìn)行信道估計(jì)，得到信道特性的估計(jì)信息H-0 和H-1 .

(2)利用估計(jì)出的信道信息和前一個(gè)Block的判決結(jié)果，消除IBI干擾。

(3)利用上面得到的去掉IBI 的符號(hào)，進(jìn)行頻域均衡，得到首次的均衡結(jié)果，再進(jìn)行信道譯碼，從而得到各個(gè)符號(hào)的判決結(jié)果。

(4)利用判決結(jié)果的期望值，與信道響應(yīng)的上三角陣卷積，構(gòu)造ISI部分，然后從接收信號(hào)r′(i) 中刪除。

(5)利用上面得到的去掉ISI 的信號(hào)，進(jìn)行頻域均衡，得到新一輪的均衡結(jié)果。

(6)對(duì)上面的均衡結(jié)果進(jìn)行信道譯碼，從而得到各個(gè)符號(hào)的判決結(jié)果。

(7)重復(fù)第(4)步~第(6)步，直到得到較好的判決結(jié)果。

3 性能仿真與分析

仿真時(shí)每幀信號(hào)包含1個(gè)長(zhǎng)度為256的訓(xùn)練字以及4個(gè)長(zhǎng)度為1 024的數(shù)據(jù)塊，對(duì)于有CP的系統(tǒng)，每個(gè)數(shù)據(jù)塊前面還帶有一個(gè)長(zhǎng)度為128的CP.仿真參數(shù)設(shè)置如下：

調(diào)制方式：QPSK;頻域均衡：MMSE 均衡;信道估計(jì)：最小二乘估計(jì);信道編碼：LDPC(8192,6144);信道模型：SUI-5信道，其參數(shù)見表1.

仿真分為有CP 和無(wú)CP 兩類，有CP 的系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的非迭代頻域均衡算法，無(wú)CP的系統(tǒng)采用本文提出的Turbo 均衡與循環(huán)重構(gòu)聯(lián)合迭代算法。仿真結(jié)果如圖4所示。

通過(guò)仿真可以看出，Non-CP SC-FDE系統(tǒng)采用本文提出的聯(lián)合迭代算法，進(jìn)行四次迭代后可獲得與傳統(tǒng)有CP 的SC-FDE 系統(tǒng)近似的誤碼性能。但隨著迭代次數(shù)的增加，性能提升越來(lái)越小，四次迭代與三次迭代相比性能提升不到0.1 dB,繼續(xù)增加迭代次數(shù)意義不大。

4 結(jié)論

本文將Turbo均衡技術(shù)應(yīng)用于Non-CP SC-FDE系統(tǒng)中，提出了一種Turbo 均衡與循環(huán)重構(gòu)聯(lián)合迭代算法。在原有的基礎(chǔ)上，通過(guò)譯碼器輸出的軟信息反饋給均衡器，同時(shí)聯(lián)合信道估計(jì)的結(jié)果去重構(gòu)由于多徑信道而引入的ISI,進(jìn)而在下次迭代過(guò)程中抵消掉這部分碼間干擾。通過(guò)多次迭代，在均衡器和譯碼器之間充分交換信息獲得性能上的提高。仿真結(jié)果表明，Non-CP SC-FDE系統(tǒng)應(yīng)用該算法可以達(dá)到與傳統(tǒng)SC-FDE系統(tǒng)類似的誤碼性能，在大幅提高傳輸效率的同時(shí)能夠有效消除多徑干擾。