SCM-OFDM系統(tǒng)在高速信道下的干擾抑制算法

彭濤，肖 悅，李少謙

電子科技大學(xué) 通信抗干擾國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611731

SCM-OFDM系統(tǒng)在高速信道下的干擾抑制算法

彭濤，肖 悅，李少謙

電子科技大學(xué) 通信抗干擾國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611731

1 引言

作為一種非正交的多址方式，交織多址（IDMA）在2002年被首次提出，它采用交織器來區(qū)分不同的用戶，具有抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)容量大等優(yōu)點(diǎn)[1-3]?；贗DMA的思想，重疊碼調(diào)制（SCM）作為一種高效帶寬的編碼調(diào)制方式被提出，它通過重疊相互獨(dú)立的比特編碼符號(hào)來產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)[4-6]。相對(duì)于傳統(tǒng)的編碼調(diào)制方式，如網(wǎng)格編碼調(diào)制（TCM）和迭代譯碼的比特交織編碼調(diào)制（BICM-ID），SCM具有傳輸效率高、分集增益高、碼率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)以及檢測(cè)復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)。

為了對(duì)抗頻率選擇性衰落的影響，SCM可以與正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)相結(jié)合，以提高系統(tǒng)的容量和可靠性。兩者結(jié)合的SCM-OFDM系統(tǒng)可以通過OFDM減輕符號(hào)間干擾（ISI），通過SCM的迭代檢測(cè)消除層間干擾[7]。但在無線通信中，隨著移動(dòng)臺(tái)的高速移動(dòng)和載波頻率的不斷增大，將會(huì)引起嚴(yán)重的信道時(shí)間和頻率彌散性（時(shí)延擴(kuò)展和多普勒擴(kuò)展），導(dǎo)致頻率選擇性衰落和時(shí)間選擇性衰落信道，即時(shí)頻雙選信道[8-9]。在高速信道中，通過OFDM技術(shù)可以將頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化為平坦衰落信道，從而克服頻率選擇性衰落。但信道的時(shí)間選擇性衰落，將破壞OFDM系統(tǒng)中子載波間的正交性并產(chǎn)生載波間干擾（ICI），這將導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降[10-11]。

針對(duì)高速信道的時(shí)變性導(dǎo)致的ICI問題，文獻(xiàn)[12-14]提出了一些適用于正交頻分多址（OFDMA）和多載波碼分多址（MC-CDMA）系統(tǒng)中的干擾消除技術(shù)和信號(hào)檢測(cè)方法。但是，由于不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這些方法并不能適用于SCM-OFDM系統(tǒng)。而之前關(guān)于SCM-OFDM系統(tǒng)的研究，都僅考慮了頻率選擇性信道。如果將這些傳統(tǒng)檢測(cè)方法用于高速信道中，它們將不能抑制由信道時(shí)變性導(dǎo)致的ICI干擾，從而將引起系統(tǒng)性能的下降。

因此，本文提出了一種用于SCM-OFDM系統(tǒng)在高速信道中的干擾估計(jì)和抵消算法。該算法不但可以抑制SCM-OFDM系統(tǒng)的層間干擾，也可以抑制由高速信道時(shí)變性導(dǎo)致的ICI干擾。

2 系統(tǒng)模型

2.1 SCM-OFDM系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)模型

SCM-OFDM系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1SCM-OFDM系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)

在SCM調(diào)制中，比特?cái)?shù)據(jù)首先經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換變成多個(gè)并行的傳輸層，每層的數(shù)據(jù)再分別進(jìn)行編碼交織和調(diào)制，最后將所有層的調(diào)制符號(hào)進(jìn)行線性疊加組合。其中，每層的編碼器是相同的，但每層的交織器互不相同。

假設(shè)SCM調(diào)制中的層數(shù)為K，對(duì)于第k個(gè)子序列，數(shù)據(jù)dk首先通過低碼率的編碼器，產(chǎn)生編碼序列ck。然后ck再被隨機(jī)交織器πk打亂順序產(chǎn)生交織后的序列。之后再通過數(shù)字調(diào)制器生成調(diào)制后的符號(hào)序列Xk。

經(jīng)過重疊碼調(diào)制之后的符號(hào)序列可表示為：

然后，符號(hào)序列X再進(jìn)行OFDM多載波調(diào)制，包括快速傅里葉逆變換（IFFT）和插入循環(huán)前綴（CP），利用IFFT變換將數(shù)據(jù)符號(hào)調(diào)制到各個(gè)子載波上。這樣，經(jīng)過OFDM調(diào)制之后的時(shí)域發(fā)射信號(hào)可表示為：

其中，Ng表示CP的長(zhǎng)度，它必須大于信道的最大時(shí)延長(zhǎng)度，N表示子載波數(shù)。

2.2 SCM-OFDM系統(tǒng)的傳統(tǒng)檢測(cè)方法

文獻(xiàn)[4]提出了一種用于SCM-OFDM系統(tǒng)在頻率選擇性信道中的檢測(cè)方法。由于SCM和IDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相似性，SCM系統(tǒng)的每一層數(shù)據(jù)可認(rèn)為多用戶系統(tǒng)的單個(gè)用戶。因此，OFDM-IDMA系統(tǒng)的多用戶檢測(cè)方法可用于SCM-OFDM系統(tǒng)中對(duì)每層數(shù)據(jù)的檢測(cè)。

SCM-OFDM系統(tǒng)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中多層檢測(cè)器（MLD）、交織/解交織器、譯碼器部分和IDMA的基本接收機(jī)結(jié)構(gòu)類似。接收機(jī)首先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行去CP和 FFT變換，解調(diào)出各個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行迭代檢測(cè)。

圖2SCM-OFDM系統(tǒng)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)

經(jīng)過頻率選擇性信道之后的時(shí)域接收信號(hào)可表示為：

其中，?表示循環(huán)卷積操作，h(n)為信道沖擊響應(yīng)，w(n)表示均值為0、方差為σ2的高斯白噪聲（AWGN）。

然后，時(shí)域接收信號(hào)通過OFDM解調(diào)變換到頻域，得到的頻域接收信號(hào)為：

其中，H(m)和W(m)分別為頻域上的信道響應(yīng)和高斯噪聲。

頻域接收信號(hào)Rs被送入SCM迭代檢測(cè)器，進(jìn)行迭代多層檢測(cè)。在MLD檢測(cè)器中，通過計(jì)算干擾信號(hào)的均值和方差，可以估計(jì)出每層數(shù)據(jù)的外信息；然后外信息再經(jīng)過解交織器送入譯碼器進(jìn)行軟譯碼。在迭代過程中，譯碼器再將其輸出的軟信息在經(jīng)過交織之后反饋給MLD檢測(cè)器進(jìn)行下一次檢測(cè)。當(dāng)接收機(jī)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的迭代次數(shù)時(shí)，譯碼器輸出每一層的判決數(shù)據(jù)，將所有層的判決數(shù)據(jù)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換可得到最終的判決數(shù)據(jù)符號(hào)。關(guān)于SCM-OFDM系統(tǒng)傳統(tǒng)檢測(cè)器的具體算法描述，可參考文獻(xiàn)[4]。

3 SCM-OFDM系統(tǒng)在高速信道中的干擾抑制

3.1 高速信道對(duì)SCM-OFDM系統(tǒng)的影響

在實(shí)際系統(tǒng)中，隨著移動(dòng)臺(tái)車速的不斷增大，多普勒頻移將會(huì)加大，實(shí)際信道將變成時(shí)間選擇性和頻率選擇性信道。這樣，信道的時(shí)變性將破壞子載波間的正交性從而導(dǎo)致ICI的產(chǎn)生。此時(shí)的時(shí)域接收信號(hào)將變?yōu)椋?/p>

其中，h(n，l)表示第l條路徑在時(shí)間n點(diǎn)的信道沖擊響應(yīng)，H(n，u)表示第u個(gè)子載波在時(shí)間n點(diǎn)的信道頻域響應(yīng)，L為信道時(shí)延長(zhǎng)度。

等式（5）表示成矩陣形式，有：

其中，r、X和w分別為N×1維的時(shí)域接收向量、頻域發(fā)射向量和噪聲向量，N×N維的信道矩陣Ht如式（7）所示：

在對(duì)時(shí)域接收信號(hào)r進(jìn)行FFT變換之后，頻域接收信號(hào)可表示為：

其中，F(xiàn)N為N點(diǎn)的FFT矩陣，W為頻域的噪聲向量，Hf為等效的頻域信道矩陣：

當(dāng)移動(dòng)臺(tái)處于低速環(huán)境中時(shí)，信道的單位沖擊響應(yīng)可假設(shè)在一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)近似不變，此時(shí)Hf變?yōu)橐粋€(gè)對(duì)角矩陣，接收機(jī)可采用傳統(tǒng)方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。但是，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)處于高速環(huán)境中時(shí)，信道的單位沖擊響應(yīng)在一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)將不斷變化，接收信號(hào)中將產(chǎn)生額外的子載波間干擾。這樣，如果接收機(jī)仍然采用傳統(tǒng)檢測(cè)方法，載波間干擾仍將存在并導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降。

3.2 提出的干擾抑制算法

為了解決高速環(huán)境中信道時(shí)變性對(duì)接收信號(hào)的影響，下面提出了一種用于SCM-OFDM系統(tǒng)在高速信道中的干擾抑制方法。該方法不但考慮了SCM-OFDM系統(tǒng)的層間干擾的問題，也考慮了由信道時(shí)變性導(dǎo)致的ICI問題。它采用兩個(gè)步驟對(duì)接收信號(hào)中的干擾項(xiàng)進(jìn)行迭代軟估計(jì)和消除。具體地說，MLD檢測(cè)器首先利用DEC譯碼器反饋的譯碼符號(hào)的軟信息，對(duì)ICI干擾進(jìn)行估計(jì)和消除，并重構(gòu)無ICI干擾的接收信號(hào)；然后再對(duì)殘留的干擾項(xiàng)進(jìn)行高斯近似，采用低復(fù)雜度的多用戶檢測(cè)方法去抑制層間干擾，計(jì)算出發(fā)送信號(hào)的外信息。

為了檢測(cè)第m個(gè)子載波上第k層的數(shù)據(jù)，將等式（8）表示成如下形式：

在上面提出的方法中，載波間的干擾首先被估計(jì)和抑制，然后層間干擾再被消除。隨著接收機(jī)迭代檢測(cè)次數(shù)的增加，接收信號(hào)中的干擾項(xiàng)將逐漸被消除，從而恢復(fù)出每一層的發(fā)送信號(hào)。

4 仿真分析

下面通過計(jì)算機(jī)仿真來驗(yàn)證本文提出的SCM-OFDM系統(tǒng)在高速信道中的干擾抑制算法的性能。仿真中的系統(tǒng)參數(shù)參照WiMAX標(biāo)準(zhǔn)[15]，如表1所示。信道模型采用車載的ITU瑞利衰落多徑信道模型，其中每條路徑的相對(duì)時(shí)延和平均功率分別為（0 310 710 1 090 1 730 2 510）（單位：ns）和（0－1－9－10－15－20）（單位：dB）。

表1 仿真參數(shù)

圖3給出了SCM-OFDM系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法在瑞利衰落信道中的比特錯(cuò)誤率（BER）隨信噪比（SNR）變化的曲線圖，其中接收機(jī)迭代檢測(cè)次數(shù)S=3。從圖中可以看出，隨著移動(dòng)臺(tái)車速的增加，歸一化的多普勒頻率逐漸增大，傳統(tǒng)方法的系統(tǒng)性能將會(huì)越來越差。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)處于高速環(huán)境下時(shí)，如 fdT=0.2或0.15，系統(tǒng)的BER性能在高信噪比時(shí)較差。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法沒有考慮由信道時(shí)變性導(dǎo)致的ICI干擾，而這部分干擾將隨著 fdT的增加而增大。

圖3 傳統(tǒng)方法隨歸一化多普勒頻率fdT的性能變化曲線

圖4和圖5為本文提出的方法與傳統(tǒng)方法在瑞利衰落信道中不同迭代檢測(cè)次數(shù)時(shí)的性能比較曲線。從圖中可知，當(dāng)?shù)鷻z測(cè)次數(shù)S=1時(shí)，本文提出的方法和傳統(tǒng)方法的性能差距非常小。但隨著迭代檢測(cè)次數(shù)的增加，本文提出的方法在高信噪比時(shí)的性能優(yōu)勢(shì)逐漸得到體現(xiàn)。當(dāng)?shù)鷻z測(cè)次數(shù)S=3時(shí)，本文提出的方法的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。圖4和圖5證明了本文提出的方法能夠抑制時(shí)變信道導(dǎo)致的ICI干擾，并能有效地改善系統(tǒng)的BER性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種用于SCM-OFDM系統(tǒng)在高速信道中的干擾抑制算法。該算法不但可以抑制SCM-OFDM系統(tǒng)的層間干擾，也可以抑制由高速信道時(shí)變性導(dǎo)致的ICI干擾。仿真結(jié)果表明，該算法可以有效地提高SCM-OFDM系統(tǒng)在高速信道中的性能。

圖4 本文提出的方法與傳統(tǒng)方法在不同迭代檢測(cè)次數(shù)時(shí)的性能比較曲線（fdT=0.15）

圖5 本文提出的方法與傳統(tǒng)方法在不同迭代檢測(cè)次數(shù)時(shí)的性能比較曲線（fdT=0.2）

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PENG Tao,XIAO Yue,LI Shaoqian

National Key Laboratory of Science and Technology on Communications,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China

Superposition Coded Modulation-Orthogonal Frequency Division Multiplexing（SCM-OFDM）systems are prone to the problem of serious interference from multiple-layers and inter-carriers when mobile terminals are in a high speed environment.To alleviate this problem,an interference estimation and cancellation algorithm is proposed for SCM-OFDM systems in high speed channels.In this algorithm,the Intercarrier Interference（ICI）and Multiple-Layer Interference（MLI）can be estimated and cancelled separately based on the soft information fed back from decoders.Simulation results show that the proposed algorithm can improve the performance of SCM-OFDM systems in the high speed movement.

Orthogonal Frequency Division Multiplex（OFDM）;Superposition Coded Modulation（SCM）;high speed channels

針對(duì)重疊碼調(diào)制的正交頻分復(fù)用（SCM-OFDM）系統(tǒng)在高速移動(dòng)環(huán)境中，將產(chǎn)生復(fù)雜的載波間干擾和層間干擾問題，提出了一種用于SCM-OFDM系統(tǒng)在高速信道中的干擾估計(jì)和抵消算法。該算法利用譯碼器反饋的軟信息，分別對(duì)載波間干擾和層間干擾進(jìn)行估計(jì)和消除。仿真結(jié)果表明，提出的算法能夠有效地改善SCM-OFDM系統(tǒng)在高速環(huán)境下的性能。關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用；重疊碼調(diào)制；高速信道

A

TN911

10.3778/j.issn.1002-8331.1306-0019

PENG Tao,XIAO Yue,LI Shaoqian.Interference compensation algorithm for SCM-OFDM systems in high speed channels. Computer Engineering and Applications,2013,49（23）：10-13.

國(guó)家自然科學(xué)基金（No.61101101）；北京郵電大學(xué)泛網(wǎng)無線通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（No.KFKT-2012102）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)（No.2010ZX03006-002-02）；國(guó)家級(jí)科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（No.9140C020404120C0201）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金。

彭濤（1985—），男，博士生，研究領(lǐng)域?yàn)檎活l分復(fù)用技術(shù)；肖悅（1979—），男，博士，副教授，研究領(lǐng)域?yàn)闊o線通信中的信號(hào)處理技術(shù)；李少謙（1957—），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域?yàn)闊o線與移動(dòng)通信。E-mail：tpeng.cn@gmail.com

2013-06-06

2013-07-22

1002-8331（2013）23-0010-04

CNKI出版日期：2013-07-29 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20130729.1105.003.html