60GHz下基于QCLDPC編碼的均衡方案性能研究

歐瑩 李學(xué)華

摘 要： 針對(duì)60 GHz脈沖無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中多徑衰落引起的誤碼問(wèn)題，提出一種適用于該系統(tǒng)的QCLDPC碼均衡方案。在構(gòu)建系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)比較幾種典型的編碼方法，綜合誤碼性能及復(fù)雜度，選取QCLDPC編碼作為與均衡器結(jié)合的編碼方案。接收端由均衡濾波器和QCLDPC譯碼器兩部分構(gòu)成，兩者通過(guò)互相交換信息使迭代結(jié)果更加可靠，可以有效消除干擾信息，提高通信質(zhì)量。仿真結(jié)果表明，在誤碼率達(dá)到10-5時(shí)，結(jié)合QCLDPC編碼的MMSE?DFE均衡系統(tǒng)，較未編碼系統(tǒng)性能提升了約5.6 dB，可以滿(mǎn)足5G熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景下高速可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，具有?shí)際意義。

關(guān)鍵詞： 60 GHz無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)； QCLDPC碼； 均衡器； 數(shù)據(jù)傳輸； 5G； 通信質(zhì)量

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.22?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）17?0030?04

Abstract： A QCLDPC code equalization scheme suitable for the 60 GHz pulse wireless communication system is proposed to solve the error code problem caused by multipath fading in the system. On the basis of constructing the system model， several typical coding methods are compared， and the bit error rate （BER） performance and complexity are combined to choose the QCLDPC encoding as the coding scheme based on equalizer. The receiver is composed of equalization filter and QCLDPC decoder， in which the two components can make the iterative result more reliable by means of information exchanging， eliminate the interference information effectively， and improve the communication quality. The simulation results show that， when the bit error rate reaches up to 10-5， the performance of the MMSE?DFE equalization system combined with QCLDPC coding is increased by about 5.6 dB than that of the uncoded system. The system can satisfy the demand of high?speed and reliable data transmission in 5G hot spot and high capacity scene， and has great practical significance.

Keywords： 60 GHz wireless communication system； QCLDPC code； equalizer； data transmission； 5G； communication quality

0 引 言

5G支持多樣化的場(chǎng)景，低頻段可以為用戶(hù)在移動(dòng)性較高的范圍內(nèi)提供更好的速率需求，而高頻段豐富的頻譜資源可以在熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景下提供穩(wěn)定且快速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[1]。60 GHz毫米波具有安全性高、定向性好、數(shù)據(jù)傳輸速率高等特點(diǎn)，對(duì)于室內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)文件等業(yè)務(wù)具有很大優(yōu)勢(shì)，被視作將來(lái)幾年中最具潛力的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)[2]?，F(xiàn)在60 GHz頻段憑借其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為5G高頻新空口的重點(diǎn)研究對(duì)象[3]。這些優(yōu)點(diǎn)使其在很多應(yīng)用場(chǎng)景下都可以發(fā)揮巨大作用，如應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)高清多媒體接口、海量文件的傳輸、汽車(chē)防撞報(bào)警系統(tǒng)、醫(yī)療成像、衛(wèi)星星際通信等[4]。本文主要在家居環(huán)境下研究60 GHz脈沖通信系統(tǒng)的性能。目前，60 GHz頻段的研究正處于火熱狀態(tài)，關(guān)于60 GHz脈沖無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)和信道參數(shù)的分析測(cè)量等，關(guān)于該系統(tǒng)中信道編碼方案的相關(guān)研究較少。60 GHz短距離通信系統(tǒng)多徑衰落嚴(yán)重，周?chē)h(huán)境中擺放的物品或墻壁等都對(duì)信號(hào)的傳輸產(chǎn)生影響，因此幅度衰落嚴(yán)重，導(dǎo)致傳輸質(zhì)量下降[5]。針對(duì)這一問(wèn)題，本文首先對(duì)系統(tǒng)下的信道編碼方案進(jìn)行研究。信道編碼的本質(zhì)是在有用信息序列中加入若干校驗(yàn)信息，這些冗余的信息可以使接收端檢測(cè)出錯(cuò)誤信號(hào)并及時(shí)糾正，提高接收端的可靠性。低密度奇偶校驗(yàn)（Low Density Parity Check，LDPC）碼是一種逼近Shannon限的糾錯(cuò)碼，以該碼為系統(tǒng)碼，可以快速地進(jìn)行編碼操作，具有較短的碼長(zhǎng)適合并行譯碼，同時(shí)具有多種碼率，適合不同的應(yīng)用環(huán)境，已經(jīng)被應(yīng)用到60 GHz系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中。文獻(xiàn)[6]對(duì)準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼進(jìn)行性能分析，其在中短碼長(zhǎng)上具有很大優(yōu)勢(shì)，在碼長(zhǎng)和碼率的選擇上也相對(duì)比較靈活。文獻(xiàn)[7]研究60 GHz通信系統(tǒng)中的LDPC碼性能，研究表明對(duì)于不同質(zhì)量的信道，LDPC碼都可以獲得較低的BER性能。文獻(xiàn)[8]在特定水聲信道中對(duì)基于非規(guī)則QCLDPC碼的均衡方案進(jìn)行探究，對(duì)三種典型均衡算法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明該方案可以有效對(duì)抗干擾。本文在研究適用于60 GHz脈沖通信系統(tǒng)信道編碼的前提下，針對(duì)60 GHz脈沖通信系統(tǒng)的多經(jīng)衰落問(wèn)題，為克服該系統(tǒng)由于衰落嚴(yán)重而產(chǎn)生的碼間干擾及符號(hào)間干擾（ISI）等誤碼問(wèn)題，在接收端將QCLDPC譯碼與反饋均衡器結(jié)合，先均衡再譯碼，以得到更為可靠的傳輸。

1 系統(tǒng)搭建與分析

圖1給出了搭建的60 GHz脈沖系統(tǒng)模型。其中信道編碼技術(shù)采用QCLDPC碼，調(diào)制方式選擇BPSK，為了方便實(shí)現(xiàn)，選取實(shí)際電路易產(chǎn)生的高斯脈沖信號(hào)，通過(guò)頻譜搬移得到的60 GHz脈沖信號(hào)為：

2 基于LDPC碼的均衡方案

2.1 編碼方案

為選取適用于60 GHz系統(tǒng)的低復(fù)雜、高效率、性能好的編碼方案，本文采用幾種不同的編碼在該系統(tǒng)下進(jìn)行性能仿真。對(duì)于不同的編碼方案，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、編譯碼方式、適用環(huán)境都不相同，為了得到更為可靠的比較結(jié)果，現(xiàn)考慮在碼率相同的條件下作對(duì)比。卷積碼因擁有良好的可靠性已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。LDPC碼、Turbo碼在很差的信道條件下均能降低信息的錯(cuò)誤傳輸概率。文獻(xiàn)[10]對(duì)規(guī)則與不規(guī)則兩類(lèi)LDPC碼進(jìn)行理論分析與仿真比較，發(fā)現(xiàn)不規(guī)則的LDPC碼擁有更好的糾錯(cuò)能力。參考目前成熟的幾種編碼方案，本文選用碼率為[12]的（2，1，3）卷積碼、Turbo碼、規(guī)則LDPC碼、不規(guī)則QCLDPC碼進(jìn)行該系統(tǒng)下的性能仿真。其中，碼率為[12]的QCLDPC碼基矩陣為4×8，碼長(zhǎng)為1 024。譯碼方式選擇運(yùn)算量相對(duì)較少的對(duì)數(shù)域置信傳播算法。

2.2 基于LDPC碼的均衡器設(shè)計(jì)

多徑衰落是現(xiàn)在無(wú)線(xiàn)通信無(wú)法回避的問(wèn)題，均衡器作為有效對(duì)抗信道干擾的方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。本文在研究信道編碼的基礎(chǔ)上將其與均衡技術(shù)結(jié)合，可以提高信息傳輸成功率，有效對(duì)抗碼間干擾。編碼后的信息經(jīng)過(guò)ISI信道后會(huì)受到噪聲干擾，首先經(jīng)過(guò)均衡器處理，然后輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)逆映射后傳入譯碼器譯碼，此時(shí)視為內(nèi)環(huán)迭代。如果內(nèi)環(huán)譯碼不成功，信息序列再次返回到均衡器處理，此過(guò)程視為外環(huán)迭代。如此反復(fù)，通過(guò)兩者不斷地加強(qiáng)信息的正確性，可以明顯降低接收端譯碼的誤碼率。

整個(gè)算法的步驟如下：

1） 算法初始化，開(kāi)始沒(méi)有先驗(yàn)信息，[Lxn=0]（[xn]等概率取+1和?1）。此時(shí)，前饋濾波器系數(shù)為[cNA=σ2ωIN+HVnHH+（1-vn）ssH-1sLxn=0]。迭代輸出[LExn]，然后跳至步驟3）。

2） 對(duì)信號(hào)進(jìn)行均衡處理，此時(shí)可以獲取先驗(yàn)信息，那么[x=Exn=eLxn-11+eLxn]，然后得到均衡器輸出[LExn]。

3） 進(jìn)行BP譯碼。

4） 假設(shè)判決后的碼字為[f]。對(duì)判決碼字進(jìn)行判斷，如果滿(mǎn)足[Hf=0]，即譯碼無(wú)誤，那么跳至步驟5）。若譯碼有誤，跳至步驟2）。

5） 譯碼成功，停止BP算法的迭代運(yùn)算，同時(shí)也停止外部迭代。

3 仿真結(jié)果及分析

用Matlab進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)設(shè)置為：發(fā)射機(jī)功率設(shè)置為0 dBm，采樣頻率為1×1012 Hz，脈沖持續(xù)時(shí)間為2×10-11 s，二階高斯脈沖形成因子為8×10-12 s。

3.1 不同編碼方案的誤碼性能

不同編碼方案性能曲線(xiàn)如圖2所示，誤碼率為10-5時(shí)，與未加編碼的系統(tǒng)相比，（2，1，3）卷積碼、規(guī)則LDPC碼、Turbo碼、不規(guī)則QCLDPC碼系統(tǒng)性能分別提升約2.5 dB，3.3 dB，4.1 dB，4.3 dB。仿真結(jié)果表明，當(dāng)誤碼率達(dá)到10-5，QCLDPC編碼系統(tǒng)相較于（2，1，3）卷積碼、規(guī)則LDPC碼、Turbo碼，在誤碼率相同時(shí)系統(tǒng)性能更好，系統(tǒng)性能各提升約1.8 dB，1 dB，0.2 dB，節(jié)約了更多的能量。這是因?yàn)镼CLDPC碼校驗(yàn)矩陣的稀疏性和準(zhǔn)循環(huán)特性，可以讓它擁有高效的糾錯(cuò)能力，因此具有較好的誤碼率性能。通過(guò)對(duì)幾種不同編碼方案進(jìn)行仿真分析獲得了編碼增益，選擇性能較好的QCLDPC碼作為研究對(duì)象。

3.2 基于LDPC編碼的均衡器性能分析

將基于QCLDPC碼的反饋均衡與基于LDPC碼的線(xiàn)性均衡進(jìn)行對(duì)比分析，系統(tǒng)性能隨外環(huán)均衡迭代次數(shù)的變化曲線(xiàn)如圖3所示。仿真結(jié)果表明：在外環(huán)均衡算法執(zhí)行次數(shù)不斷增加的情況下，系統(tǒng)接收端的性能不斷提高，碼字錯(cuò)誤率不斷降低，繼續(xù)迭代，系統(tǒng)性能將達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，此時(shí)的均衡迭代已經(jīng)可以獲得可靠的信息。比較分為兩組，固定內(nèi)環(huán)迭代5次，第一組當(dāng)SNR=2 dB時(shí)，在外環(huán)算法執(zhí)行次數(shù)小于5時(shí)，MMSE線(xiàn)性均衡性能優(yōu)于MMSE?DFE均衡，此時(shí)信噪比低，反饋均衡器的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)沒(méi)有充分體現(xiàn)，反饋機(jī)制作用不大，使得效果不如線(xiàn)性均衡器；當(dāng)外環(huán)執(zhí)行數(shù)大于5次時(shí)，MMSE?DFE均衡的效果反超MMSE線(xiàn)性均衡；繼續(xù)迭代，當(dāng)外環(huán)執(zhí)行次數(shù)大于11后，兩種均衡BER都保持在平穩(wěn)狀態(tài)。第二組當(dāng)SNR=4 dB時(shí)，MMSE?DFE均衡的優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn)，性能一直優(yōu)于MMSE線(xiàn)性均衡，同樣，隨均衡算法執(zhí)行次數(shù)的增多兩種算法均到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。因此本文選取外環(huán)迭代10次，保證信號(hào)可以進(jìn)行充分的迭代，又不增加過(guò)多的復(fù)雜度。

圖4所示為線(xiàn)性均衡器系統(tǒng)、未加均衡系統(tǒng)、反饋均衡系統(tǒng)的性能對(duì)比曲線(xiàn)。設(shè)置譯碼器內(nèi)環(huán)迭代5次，均衡器外環(huán)迭代10次。仿真結(jié)果表明：當(dāng)SNR<2.7 dB時(shí)，MMSE線(xiàn)性均衡性能優(yōu)于MMSE?DFE判決反饋均衡；當(dāng)SNR>2.7 dB時(shí)，MMSE?DFE判決反饋均衡反超MMSE線(xiàn)性均衡，性能改善程度較大。當(dāng)誤碼率到達(dá)10-5時(shí)，MMSE線(xiàn)性均衡、MMSE?DFE均衡較未加均衡系統(tǒng)分別有約0.6 dB、1.3 dB的增益，MMSE?DFE均衡較MMSE線(xiàn)性均衡有約0.7 dB的增益。因?yàn)殡S著信噪比的增大，信息傳輸?shù)目煽啃栽鰪?qiáng)，判決反饋濾波器通過(guò)反饋機(jī)制可以接收到更為準(zhǔn)確的信息，再把信息傳送到譯碼器部分，從而增加譯碼的可靠性。這樣就造成了圖4所示MMSE?DFE均衡與線(xiàn)性均衡的性能曲線(xiàn)有一個(gè)交叉點(diǎn)，這種差異隨著信噪比的增加更加明顯。

通過(guò)分析，MMSE線(xiàn)性均衡和MMSE?DFE均衡都可以有效處理ISI，在高信噪比的情況下，聯(lián)合MMSE?DFE均衡具有更高的接收可靠性，可以滿(mǎn)足60 GHz脈沖無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)高可靠傳輸需求。

表1為當(dāng)誤碼率達(dá)到10-5時(shí)，結(jié)合QCLDPC碼的均衡算法相較于其他各種編碼方案的系統(tǒng)性能增益匯總。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在構(gòu)建60 GHz脈沖無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究適用于此系統(tǒng)的信道編碼，針對(duì)該系統(tǒng)中信號(hào)衰落嚴(yán)重而產(chǎn)生的信息錯(cuò)誤傳輸問(wèn)題，將QCLDPC編碼與均衡技術(shù)結(jié)合，有效提升傳輸?shù)恼_性。通過(guò)仿真分析得出，基于QCLDPC碼的MMSE?DFE均衡在誤碼率達(dá)到10-5時(shí)，與未加編碼系統(tǒng)相比性能提升約5.6 dB。這種均衡能有效對(duì)抗ISI，保證系統(tǒng)的可靠性，可以滿(mǎn)足5G熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景下60 GHz短距離通信系統(tǒng)高速可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，為此?chǎng)景下的均衡方案提供技術(shù)參考，具有實(shí)際價(jià)值。

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