ALC-OFDM系統(tǒng)中的ACMS新選擇準(zhǔn)則*

金 勇， 褚振勇， 達(dá)新宇

(空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安 710077)

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ALC-OFDM系統(tǒng)中的ACMS新選擇準(zhǔn)則*

金 勇， 褚振勇， 達(dá)新宇

(空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安 710077)

針對新一代寬帶衛(wèi)星通信,建立了自適應(yīng)低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)編譯碼的正交頻分復(fù)用(ALC-OFDM)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與信道模型。在分析固定編碼調(diào)制方式基礎(chǔ)上，提出了一種加權(quán)信噪比(SNR)的自適應(yīng)編碼調(diào)制方案(ACMS)選擇新準(zhǔn)則，使每種編碼調(diào)制方案對應(yīng)著一個(gè)信道平均信噪比范圍，可以有效找出使系統(tǒng)吞吐量最優(yōu)的信噪比切換門限值。仿真結(jié)果表明：在系統(tǒng)的誤比特率(BER)滿足要求的情況下，對比各種加權(quán)準(zhǔn)則，加權(quán)得到的SNR越大，采用該準(zhǔn)則的系統(tǒng)吞吐量越大；當(dāng)系統(tǒng)吞吐量都達(dá)到最大值時(shí)，采用3種加權(quán)方式的信噪比切換門限比傳統(tǒng)準(zhǔn)則至少降低了2 dB。

寬帶衛(wèi)星通信； 自適應(yīng)編碼調(diào)制； 正交頻分復(fù)用； 低密度奇偶校驗(yàn)碼

0 引 言

可靠性高、傳輸速率快、信道容量大的Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)的研究是目前世界軍事強(qiáng)國研究熱點(diǎn)之一。將糾錯(cuò)性能強(qiáng)大的低密度奇偶校驗(yàn)(lower density parity check，LDPC)編譯碼技術(shù)與能夠?qū)崿F(xiàn)高速傳輸?shù)恼活l分復(fù)用(OFDM)技術(shù)以及自適應(yīng)技術(shù)三者相結(jié)合，建立新一代Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)新體制，已經(jīng)形成共識。LDPC碼是一種具有稀疏校驗(yàn)矩陣的線性分組校驗(yàn)碼,能以距離香農(nóng)限非常近的速率傳輸[1,2]。OFDM具有抗時(shí)延和抗多徑效應(yīng)的優(yōu)勢且結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)，因而成為新一代寬帶衛(wèi)星通信的首選。自適應(yīng)編碼調(diào)制(adaptive coding and modulation,ACM)技術(shù)的基本思路是通過變化發(fā)送功率、符號傳輸速率、星座圖、編碼效率和編碼機(jī)制，在不犧牲誤比特率(bit error rate，BER)的前提下，提高頻譜利用率和系統(tǒng)吞吐量[3～5]。ACM技術(shù)能夠充分利用信道的變化,具有良好的抗符號間干擾(interference,ISI)能力，相比固定調(diào)制編碼技術(shù)，自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)可以極大地提升鏈路吞吐量和鏈路可用度。

采用自適應(yīng)LDPC編碼(ALC)和自適應(yīng)OFDM調(diào)制解調(diào)技術(shù)，形成的ALC-OFDM系統(tǒng)恰好結(jié)合了這三種技術(shù),它可以根據(jù)信道的變化自適應(yīng)地改變調(diào)制方式和LDPC編碼速率等，來保證與滿足系統(tǒng)的可靠性BER和有效性(系統(tǒng)吞吐量)。

以前關(guān)于ACM技術(shù)的研究一般都建立在已知精確的信道狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上，如文獻(xiàn)[6]提出了一種兩步信道預(yù)測技術(shù)來提高系統(tǒng)的性能。兩步信道預(yù)測技術(shù)的編碼調(diào)制方案(coding and modulation scheme,CMS)是基于一段時(shí)隙內(nèi)所有OFDM符號中最小的信噪比(SNR)進(jìn)行選擇的，該技術(shù)雖然提高了系統(tǒng)的BER，但降低了系統(tǒng)吞吐量。文獻(xiàn)[7]提出了一種SNR加權(quán)技術(shù)來增大系統(tǒng)吞吐量，但其只給出了一種加權(quán)方式，并沒有給出加權(quán)方式的優(yōu)化算法。

針對傳統(tǒng)編碼調(diào)制方案對于提高系統(tǒng)吞吐量性能有限的問題，本文提出一種新的提高系統(tǒng)吞吐量的CMS選擇準(zhǔn)則，即基于后驗(yàn)SNR的CMS，以加權(quán)之后的SNR作為CMS選擇準(zhǔn)則，并將該準(zhǔn)則應(yīng)用在ALC-OFDM系統(tǒng)中，對系統(tǒng)性能進(jìn)行了仿真和分析。

1 系統(tǒng)模型

1.1 ALC-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于LDPC碼的OFDM系統(tǒng)具有優(yōu)秀的誤碼性能，采用ALC-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的無線傳輸系統(tǒng)模型如圖1所示，該系統(tǒng)采用LDPC編碼方式和QPSK，16QAM，64QAM三種調(diào)制方式。

假設(shè)第i(i=1,2,…N)個(gè)自適應(yīng)模塊采取的CMS為CMSi，接收端通過信道估計(jì)獲得信道狀態(tài)信息，可以確定第i個(gè)自適應(yīng)模塊采取的CMSi,再反饋回發(fā)送端。發(fā)送端對信號加上循環(huán)冗余碼(cyclicredundancycode,CRC)，再按照反饋的CMSi對應(yīng)的碼率和調(diào)制方式對該自適應(yīng)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和調(diào)制,然后插入導(dǎo)頻符號間隔，進(jìn)行快速傅里葉反變換(IFFT)，插入循環(huán)前綴(cyclicprefix,CP)，形成OFDM符號并發(fā)送出去。

接收端收到信號后，先進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，去掉循環(huán)前綴，然后根據(jù)反饋得到的碼率和調(diào)制方式，對第i個(gè)自適應(yīng)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行迫零檢測，再進(jìn)行解調(diào)和譯碼，恢復(fù)原始信號。

圖1 ALC-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure frame of ALC-OFDM system

1.2 信道模型

本文采用的信道模型是頻率選擇性5徑信道，每條信道路徑都是相互獨(dú)立的瑞利(Rayleigh)信道[8,9]，其時(shí)域沖擊響應(yīng)為

(1)

圖2 時(shí)域沖擊響應(yīng)的平均功率Fig 2 Average power of the time domain impulse response

假設(shè)信道時(shí)變慢，在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)信道特性不變。在第i個(gè)自適應(yīng)模塊第j個(gè)子載波上收到的信號表達(dá)式可以表示為

Rij=SijHij+nij

(2)

式中 Sij為發(fā)送信號，Hij為第i個(gè)自適應(yīng)模塊第j個(gè)子載波上的頻域傳遞函數(shù)，nij為加性高斯白噪聲，且有

E[|nij|2]=σ2

(3)

2 ACMS門限

在ALC-OFDM系統(tǒng)中,信道SNR的切換門限(switchingthresholds，ST)是系統(tǒng)中至關(guān)重要的參數(shù)。系統(tǒng)選擇編碼調(diào)制方案時(shí)的依據(jù)是當(dāng)SNR∈[STi,STi+1)時(shí)，所選的編碼調(diào)制方案能夠使得系統(tǒng)的BER不高于給定的目標(biāo)值BER0[10,11]。ALC-OFDM系統(tǒng)根據(jù)信道狀況決定每一個(gè)自適應(yīng)模塊選擇一個(gè)CMS，假設(shè)第i個(gè)自適應(yīng)模塊的信噪比為SNR(i),本文選取的CMS共有n種，系統(tǒng)根據(jù)SNR(i)的變化選擇編碼調(diào)制方案，按照式(4)進(jìn)行

(4)

式中 CMSi(i=1,2,…,n)為第i個(gè)自適應(yīng)模塊的編碼調(diào)制方案，對應(yīng)于各種調(diào)制方式和碼率。STi(i=1,2,…,n)表示信噪比的切換門限值。在ALC-OFDM系統(tǒng)中，本文選取9種CMS，其參數(shù)如表1所示。

表1 CMS及其切換門限值

在Rayleigh信道下分別對這9種CMS進(jìn)行仿真，得到仿真的結(jié)果如圖3所示。

圖3 9種CMS在Rayleigh信道下的BER性能Fig 3 BER of nine kinds of CMS in Rayleigh fading channel

為了保證系統(tǒng)10-3以下的BER性能，將這些CMS仿真得到的曲線達(dá)到BER為10-3時(shí)的SNR設(shè)為門限切換值，得到各種CMS的門限切換值如表1所示。

各編碼調(diào)制方案的門限值都是固定不變的,影響系統(tǒng)性能的主要因素是SNR(i)的計(jì)算值和CMS的選擇準(zhǔn)則。本文先介紹傳統(tǒng)的CMS選擇準(zhǔn)則和傳統(tǒng)的CMS加權(quán)選擇準(zhǔn)則，然后提出新的CMS加權(quán)選擇準(zhǔn)則。

3 ACMS選擇準(zhǔn)則

3.1 傳統(tǒng)選擇準(zhǔn)則

在ALC-OFDM系統(tǒng)中，接收端必須要有精確的信道狀態(tài)信息，不考慮信道估計(jì)偏差、頻率彌散等非理想因素的影響，接收端收到的信號Rij的信噪比SNRij可以表示為

(5)

對第i個(gè)自適應(yīng)模塊，為了使系統(tǒng)的BER達(dá)到10-3以下，傳統(tǒng)的選擇準(zhǔn)則是取該自適應(yīng)模塊中的最小SNR作判斷，即

(6)

由文獻(xiàn)[10]可知，系統(tǒng)的吞吐量可表示為

(7)

式中 Pi為第i個(gè)自適應(yīng)模塊BER達(dá)到要求的概率，Mi為第i個(gè)自適應(yīng)模塊的調(diào)制階數(shù)，Ri為第i個(gè)自適應(yīng)模塊的編碼速率，BLERi為第i個(gè)自適應(yīng)模塊的誤塊率。

從式(7)可以看出，系統(tǒng)若采用該傳統(tǒng)CMS準(zhǔn)則，各自適應(yīng)模塊選擇的SNR都很低，選擇的編碼調(diào)制方案對應(yīng)的吞吐量非常小，系統(tǒng)吞吐量提高相對較少。因此，系統(tǒng)采用傳統(tǒng)CMS準(zhǔn)則后會提升系統(tǒng)的BER，但是系統(tǒng)吞吐量性能變化不大。

3.2 加權(quán)SNR準(zhǔn)則

在第i個(gè)自適應(yīng)模塊中，將所有SNRij設(shè)置一個(gè)權(quán)值，以加權(quán)后的SNR的和作為SNR(i)，可得到

(8)

式中

(9)

則加權(quán)之后的信噪比為

(10)

同理，系統(tǒng)的吞吐量也可以由式(7)求得。這種加權(quán)方式的原理是在各自適應(yīng)模塊中對子載波的SNR求均值，將求得的均值作為自適應(yīng)模塊的SNR，然后根據(jù)此SNR確定CMS并得到該自適應(yīng)模塊的吞吐量，并將各自適應(yīng)模塊的吞吐量相加得到系統(tǒng)吞吐量。

與傳統(tǒng)方式相比，該加權(quán)方式改變了SNR的計(jì)算方式，但系統(tǒng)吞吐量的計(jì)算方式并沒有發(fā)生改變。若改變計(jì)算SNR的加權(quán)因子，系統(tǒng)的吞吐量性能也會改變。

3.3 加權(quán)因子比較

由式(7),式(8)可知，系統(tǒng)吞吐量由fj決定。在此選取3組加權(quán)因子，每組加權(quán)因子可求得一個(gè)SNR(i)。第一組加權(quán)因子和SNR(i)如上述式(9)、式(10)所示，另外2組加權(quán)因子和SNR(i)分別如下

(11)

(12)

(13)

(14)

4 仿真與結(jié)果分析

為了證明采用加權(quán)準(zhǔn)則提升吞吐量的能力，本文在上述的信道下進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),仿真參數(shù)如表2所示。

表2 ALC-OFDM系統(tǒng)基本參數(shù)

其中，一幀包含120個(gè)OFDM符號，將所有子載波分配到頻帶上，整個(gè)頻帶分為120個(gè)子帶，每個(gè)子帶包含60個(gè)子載波。因此，一幀包含20個(gè)自適應(yīng)模塊，1個(gè)自適應(yīng)模塊中有6個(gè)OFDM符號，每個(gè)自適應(yīng)模塊可以采的CMS如表1所示。

圖4仿真結(jié)果表明,傳統(tǒng)的CMS選擇準(zhǔn)則提高系統(tǒng)性能的能力是有限的，尤其在信噪比低于10.63 dB時(shí)，傳統(tǒng)選擇準(zhǔn)則系統(tǒng)的吞吐量比固定CMS的吞吐量還低。從圖4還可以看出，將傳統(tǒng)CMS選擇準(zhǔn)則和加權(quán)準(zhǔn)則相比較，采用加權(quán)準(zhǔn)則的系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)選擇準(zhǔn)則，即使當(dāng)SNR達(dá)到10 dB時(shí)，加權(quán)準(zhǔn)則的系統(tǒng)吞吐量還比傳統(tǒng)選擇準(zhǔn)則高0.22 bit/符號。因此，與固定CMS和采用傳統(tǒng)準(zhǔn)則相比，系統(tǒng)采用加權(quán)準(zhǔn)則能夠帶來更好的性能。

圖4 固定準(zhǔn)則、傳統(tǒng)準(zhǔn)則以及新準(zhǔn)則系統(tǒng)吞吐量比較Fig 4 Comparison of throughput of fixed criterion,traditional criterion and new criterion

圖5可以看出，采用3種加權(quán)準(zhǔn)則的系統(tǒng)吞吐量普遍高于采用傳統(tǒng)選擇。此外，隨著選擇的SNR(i)增大，加權(quán)后得到的SNR越大，系統(tǒng)的吞吐量也越大；當(dāng)吞吐量都達(dá)到最大值時(shí)，采用3種加權(quán)準(zhǔn)則的SNR比傳統(tǒng)準(zhǔn)則至少降低了2 dB。

圖5 3種加權(quán)新準(zhǔn)則與傳統(tǒng)準(zhǔn)則系統(tǒng)吞吐量比較Fig 5 Comparison of throughput of 3 kinds of weighted new criterion and traditional criterion system

5 結(jié)束語

本文在分析傳統(tǒng)的CMS選擇準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，提出了新的加權(quán)選擇準(zhǔn)則,將其應(yīng)用到ALC-OFDM系統(tǒng)中?；舅枷胧怯眉訖?quán)后的SNR作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，為ALC-OFDM系統(tǒng)選擇合適的CMS。該方法能在保證目標(biāo)BER性能的情況下比傳統(tǒng)選擇方式帶來更大的吞吐量。此外，本文還對不同加權(quán)方式的新準(zhǔn)則做了對比研究。在系統(tǒng)的BER滿足要求的情況下，對比各種加權(quán)準(zhǔn)則，加權(quán)得到的SNR越大，采用該準(zhǔn)則的系統(tǒng)的吞吐量越大；當(dāng)系統(tǒng)吞吐量都達(dá)到最大值時(shí)，采用3種加權(quán)方式的信噪比切換門限比傳統(tǒng)準(zhǔn)則至少降低了2 dB。

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達(dá)新宇，通訊作者，E—mail:kgddxy2008@163.com。

New ACMS selecting criterion in ALC-OFDM system*

JIN Yong, CHU Zhen-yong, DA Xin-yu

(College of Information and Navigation,Air Force Engineering University,Xi’an 710077,China)

For a new generation broadband satellite communication,framework and channel model of low density parity check(LDPC) coded adaptive coding and modulation-orthogonal frequency division multiplexing (ALC-OFDM) system are established.On the basis of analyzing fixed coding and modulation mode,a new adaptive coding and modulation scheme(ACMS)selecting criterion which adopts weighted signal-to-noise-ratio(SNR)is proposed,where each coding and modulation scheme is assigned with a certain range of average channel SNR and the SNR switching thresholds for throughput maximization of the system are derived effectively.Simulation results shows that the throughput of the system will raise along with weighted SNR comparing all weighted criterion on the condition that the bit error rate(BER) of the system meets the requirement and when the greater the SNR obtained by weighting is,the greater the throughput of the system is,the SNR switching thresholds adopts three kinds of weighted methods,reduce more than 2 dB compared to adopting traditional criterion.

broadband satellite communication; adaptive coding and modulation; orthogonal frequency division multiplexing(OFDM); low density parity check (LDPC)

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0048—04

2016—10—10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271250，61571460)

TN 911.2

A

1000—9787(2016)12—0048—04

金 勇(1992-)，男，湖北監(jiān)利人，碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代通信新技術(shù)。