瑞利信道下基于Turbo-BICM-ID的DFT-S-OFDM性能研究

高紅山，高凡琪

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

瑞利信道下基于Turbo-BICM-ID的DFT-S-OFDM性能研究

高紅山，高凡琪

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

為了提升DFT-S-OFDM系統(tǒng)在瑞利信道下的傳輸性能，采用位交織編碼調制迭代譯碼方案(BICM-ID)、旋轉映射(R-QAM)和Turbo碼等技術，設計了基于Turbo-BICM-ID的DFT-S-OFDM系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)原理框圖，對編碼調制系統(tǒng)的解調譯碼迭代算法進行了推導，對系統(tǒng)進行了Matlab仿真驗證。仿真結果表明，與傳統(tǒng)的卷積碼設計方案相比，該設計方案在誤碼率為10-5時，可以獲得5.7 dB的增益改善，同時可以獲得更低的錯誤平層，有效地改善了DFT-S-OFDM系統(tǒng)在瑞利信道下的性能。

DFT-S-OFDM；位交織編碼調制迭代譯碼；旋轉映射；Turbo碼

0 引言

正交頻分復用(OFDM)是無線環(huán)境下一種基于多載波的高速傳輸技術[1]，具有頻帶利用率高、抗多徑能力強等優(yōu)點，但是易受頻率偏差影響，且信號峰均比(Peak-to-Average Power Ratio，PARR)很大[2]，對發(fā)射機內功放的線性度要求很高。DFT-S-OFDM是OFDM調制方式的一種簡單改進，該技術不僅可以動態(tài)分配帶寬，而且還將頻分多址技術和單載波傳輸方案完美地結合起來[3]。與OFDM技術相比，該技術不僅降低了峰均功率比，還可以在相同誤碼率時降低發(fā)射能量，適用于對傳輸速率和通信成本有要求的無線通信中，例如寬帶無線傳感器網絡。

Zehavi在1992年提出了比特交織編碼調制(BICM)系統(tǒng)[4]，利用交織器實現了編碼后碼元集合的漢明距離最大化。1997年，李曉東等人在此基礎上提出了BICM-ID系統(tǒng)[5]，通過在接收端加入迭代映射，進一步改善了在AWGN信道和瑞利信道下的性能。K.Boulle和J.C.Belfiore在文獻[6]中提出星座旋轉技術，將Gray映射的QAM星座圖進行一定角度的旋轉，實現旋轉映射(Rotated QAM)，可以增加信號分集度，有效提高瑞利信道下的解調性能，在低信噪比條件下獲得性能改善。

為了進一步改善DFT-S-OFDM系統(tǒng)在瑞利信道下的傳輸性能，本文提出了一種結合BICM-ID、Turbo碼和R-QAM等技術的DFT-S-OFDM系統(tǒng)設計方案，在增加有限復雜度的情況下，有效地降低了瑞利信道下的誤碼率。

1 基于Turbo-BICM-ID的DFT-S-OFDM系統(tǒng)設計方案

基于Turbo-BICM-ID的DFT-S-OFDM系統(tǒng)的發(fā)射部分和接收部分分別如圖1和圖2所示，都是由比特級、碼片級和符號級3部分處理組成。

圖1 發(fā)射部分

圖2 接收部分

在發(fā)射部分，首先信源產生源數據，經過碼率為1/3的Turbo編碼后，送入交織器進行交織，交織后的序列送到調制器進行4階的R-QAM調制，調制后的符號進行擴頻加擾后，送到符號級進行DFT、子載波映射和IFFT處理。

接收部分的處理流程[7]如下：符號級首先從信道接收下變頻后的信號，采用頻域算法進行同步，估計頻譜，進行頻偏補償，補償后的數據進行FFT、子載波解映射和IDFT處理，然后進行信道估計，求出信道傳輸函數H，在頻域進行均衡；碼片級處理包括解擾、解擴；最后進行比特級處理，將解擴后的數據送到解調器中進行軟解調，得到的軟信息經過解交織后，送到Turbo譯碼器中進行譯碼，譯碼器產生的外信息經過交織后作為解調器的先驗信息再送回解調器，解調譯碼性能收斂或達到迭代次數后，停止迭代過程，輸出譯碼結果。

2 旋轉映射

16-QAM的星座旋轉示意圖如圖3所示，其中空心點表示Gray映射下的星座點，實心點表示旋轉映射下的星座點。對Gray映射來說，每個星座點必須同時接收到I路和Q路的信息才能夠與另一個星座點進行區(qū)分，通過一個分量攜帶的信息無法完成對另一分量的估計。而對旋轉映射，每個星座點的I路和Q路坐標均不相同。即使縱軸或橫軸上受到了衰減，在另一個坐標軸上仍然能與其他星座點進行區(qū)分。

圖3 16-QAM星座旋轉示意

為了使I路和Q路的數據在信道傳輸中獲得獨立衰落，一般對Q分量數據進行交織，然后將2個分量的數據重新組合成一個新的發(fā)送符號進行發(fā)送。圖3中α為旋轉角度，其選擇文獻[8]，如表1所示。

表1 DVB-T2中不同調制方式對應的旋轉角度

假設Gray QAM調制符號矢量為ui=Ai+jBi，其中，Ai和Bi分別是ui的I路和Q路分量；則旋轉矩陣為：

(1)

旋轉映射可以提高衰落信道中信號分集度，與信道編碼進行聯合編碼調制，能夠有效提高BICM系統(tǒng)的收斂性能[9]。依據最大后驗概率推導QAM的軟解調方法如下[10]：

yt=ρt×xt+zt。

(2)

由于zt滿足(0,σ2)分布，則在發(fā)送符號已知，且完美信道估計已知的情況下，接收端接收到特定符號的概率公式可以表示為：

(3)

如果每個星座點含有n個編碼比特，則所有可能的星座點狀態(tài)有M=2n個。在接收符號為yt時，由全概率公式可知，判決比特bi為a(a∈{0,1})的概率，等價于對星座圖中該比特為a的所有星座點的發(fā)送概率求和。

(4)

(5)

則式(5)表示接收符號為yt時，第i比特判斷為1和判斷為0的概率之比。如果對數似然比大于0，表示bi判斷為1的概率較大；否則判斷為0的概率比較大。

此時，QAM軟解調第比特的對數似然比計算公式如下：

(6)

式中，P(xt|bi=ai)為根據Turbo碼譯碼器產生的外信息計算出的發(fā)送符號的先驗概率。t時刻星座點xt中，比特位置bn-1,bn-2,…,b1,b0的取值分別是an-1,an-2,…,a1,a0，則P(xt|bi=ai)的計算公式為：

(7)

已知某發(fā)送符號的第i比特為ai(ai∈{0,1})，則該符號的發(fā)送概率由組成該符號的其他比特確定。在第一次迭代解調時，由于沒有譯碼器的外信息，P(xt|bi=ai)初始化為1/2n。

結合式(6)和式(7)可知，QAM的二維迭代軟解調算法中，每比特的對數似然比計算公式可以表示為：

(8)

(9)

(10)

(11)

3 Turbo譯碼算法

Turbo碼譯碼器的基本結構如圖4所示。

圖4 Turbo譯碼器結構

基于BCJR[12]算法推導MAP算法描述如下：

分支度量定義如下：

(12)

(13)

由于信道的高斯隨機過程特性，可以得

(14)

(15)

前向路徑度量、后向路徑度量分別定義為：

關于系統(tǒng)比特的對數似然比計算為：

(16)

系統(tǒng)比特外信息表示為：

(17)

關于校驗比特的對數似然比計算如下：

(18)

校驗比特外信息表示為：

(19)

4 仿真結果及分析

采用Matlab對基于Turbo-BICM-ID的DFT-S-OFDM系統(tǒng)設計方案進行仿真。仿真參數設置如下：Turbo碼的碼長為1 024，分量碼生成多項式為[15,13]，碼率為1/3；調制器為旋轉映射下的16-QAM調制；擴頻點數為32；DFT和IFFT的點數分別是N=1 024和N=2 048；假設瑞利信道完美估計；采用頻域算法進行同步和頻譜估計，采用MF算法進行信道均衡；R-QAM采用軟解調算法；Turbo譯碼算法采用Max-Log-Map算法，迭代次數5次，Turbo碼的內交織器參照3GPP2標準中的規(guī)則交織進行設計，信道交織器參照LTE標準進行設計。

瑞利信道下Gray映射和旋轉映射的軟解調性能對比如圖5所示，都采用軟解調算法。

圖5 瑞利信道下Gray映射和旋轉映射的性能對比

由圖5可以看出，在BER=10-4時，可以獲得7 dB左右的增益。這是因為，采用旋轉映射可以增加信號的分集度，使得I、Q兩路都能夠為解調提供信息，而Gray映射在解調時只利用了一路的信息[16]。

瑞利信道中采用旋轉映射時Turbo碼和卷積碼方案[17]的性能對比如圖6所示。其中，卷積碼的生成多項式[133,171,165]，碼率為1/3，碼長為1 024。編碼調制方案為BICM，不引入迭代解調譯碼算法。由圖6可以看出，在BER=10-5時，可以獲得5.5 dB的增益。這是因為Turbo碼采用迭代譯碼算法，通過2個分量譯碼器間外信息的交換，可以達到性能收斂，獲得近香農限的性能。

圖6 旋轉映射下Turbo碼和卷積碼性能對比

瑞利信道中采用旋轉映射調制和Turbo編碼時BICM-ID和BICM方案的性能對比如圖7所示。

圖7 BICM-ID和BICM方案性能對比

由圖7可以看出，在BER=10-7時，可以獲得1 dB的增益；BER=10-5時，可以獲得0.2 dB的增益，同時獲得更低的錯誤平層。這是因為采用迭代軟解調譯碼算法時，利用譯碼器產生的外信息作為先驗信息，可以改善旋轉映射軟解調器的性能。隨著軟解調性能的提高，再進行Turbo碼譯碼時收斂性能也相應得以改善。

5 結束語

本文借鑒Turbo碼、旋轉映射和BICM-ID技術設計了基于Turbo-BICM-ID的DFT-S-OFDM系統(tǒng)，為進一步改善DFT-S-OFDM系統(tǒng)在瑞利信道下的傳輸性能提供了新的思路。利用Matlab仿真對比了不同方案下的系統(tǒng)性能。結果顯示，所提方案同卷積編碼方案相比，在BER=10-5時可以獲得了5.7 dB的增益改善，同時有更低的錯誤平層，驗證了Turbo-BICM-ID方案的正確性。本文所提方案有效支持了對發(fā)射功率和傳輸性能要求較高的無線終端設計，可以廣泛應用于無線傳感器網絡和移動自組網的上行鏈路設計中，工程應用前景廣闊。

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Performance Study of DFT-S-OFDM Based on Turbo-BICM-ID in Rayleigh Channel

GAO Hong-shan,GAO Fan-qi

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

In order to improve the transmission performance of DFT-S-OFDM system in Rayleigh channel,a scheme based on Turbo-BICM-ID using methods of BICM-ID(Bit Interleaved Coded Modulation with Iterative Decoding scheme),R-QAM(Rotated QAM) and Turbo codes is provided.The design block diagram is given and the detailed derivation of the iteration algorithm for demodulation and decoding is presented,the performance is simulated through Matlab．The simulation results show that as compared with the conventional convolutional codes scheme,the proposed design achieves 5.7 dB gain improvement whenBER=10-5,and a lower error floor is obtained,resulting in a great improvement of DFT-S-OFDM’s performance in Rayleigh channel with only a very small increase in complexity.

DFT-S-OFDM;BICM-ID;R-QAM;Turbo codes

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.09.08

高紅山,高凡琪.瑞利信道下基于Turbo-BICM-ID的DFT-S-OFDM性能研究[J].無線電工程,2017,47(9):38-43.[GAO Hongshan,GAO Fanqi.Performance Study of DFT-S-OFDM Based on Turbo-BICM-ID in Rayleigh Channel[J].Radio Engineering,2017,47(9):38-43.]

TN911.2

A

1003-3106(2017)09-0038-06

2016-12-07

國家部委基金資助項目。

高紅山 男，(1979—)，工程師。主要研究方向：通信系統(tǒng)與網絡。

高凡琪 男，(1989—)，碩士，助理工程師。主要研究方向：通信系統(tǒng)與網絡。