非平穩(wěn)信道下的魯棒數(shù)據(jù)鏈優(yōu)化設(shè)計(jì)綜述
——帶限環(huán)境下的混沌傳輸系統(tǒng)

苗美媛 宋 丹 徐位凱 湛 佳 王 琳*

①(廈門大學(xué)信息學(xué)院 廈門 361005)

②(香港理工大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 香港 999077)

1 引言

以萬物互聯(lián)為中心的第6代移動(dòng)通信(6G)將低成本低功耗作為主要目標(biāo)，因此一些具有相關(guān)特性的技術(shù)將受到廣泛關(guān)注。其中傳統(tǒng)的信號處理技術(shù)的新設(shè)計(jì)引起了研究單位、高校和業(yè)界的廣泛關(guān)注，然而還有一些重要的問題有待我們解決。如何利用低成本低功耗技術(shù)在帶限非平穩(wěn)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)魯棒的數(shù)據(jù)傳輸將是一個(gè)重要的研究方向?；煦缤ㄐ乓云涞突ハ嚓P(guān)、良好的自相關(guān)和寬帶頻譜特性，在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中得到了廣泛的關(guān)注，且實(shí)現(xiàn)簡單，無需混沌信號同步，因此可以成為低成本低功耗方案的有利候選者。以往對混沌通信方案的研究，如混沌移位鍵控(Chaos Shift Keying, CSK)[1]，即混沌信號需要在接收端同步。為了有效避免混沌序列的恢復(fù)失真，針對非線性系統(tǒng)，提出了一種無需復(fù)制混沌序列精確副本的非相干調(diào)制方法，稱為差分混沌移位鍵控(Differential Chaos Shift Keying,DCSK)[2]，針對恒定功率系統(tǒng)，提出了調(diào)頻DCSK(Frequency-Modulated Differential Chaos Shift Keying, FM-DCSK)[3,4]。在DCSK中，利用兩個(gè)帶有混沌信號的時(shí)隙來傳輸1個(gè)比特，分別稱為參考混沌信號和信息承載混沌信號。通過與參考信號和信息承載信號的相關(guān)來判斷發(fā)送的比特，因此無需特定混沌信號的恢復(fù)和接收機(jī)的信道估計(jì)器。同時(shí)，兩種信號能夠有效地抵抗嚴(yán)重的多徑衰落和符號間干擾。

然而，傳統(tǒng)的DCSK存在能耗高、頻譜利用率低、數(shù)據(jù)速率低等缺點(diǎn)。為了改進(jìn)DCSK系統(tǒng)，人們做了許多工作，如改進(jìn)的DCSK(Improved-Differential Chaos Shift Keying, I-DCSK)[5]和相位分離DCSK(Phase-Separated Differential Chaos Shift Keying, PS-DCSK)[6]，均是用正交正弦載波而非時(shí)延來區(qū)分參考信號與信息承載信號。另外，提出的降噪型DCSK(Noise Reduction Differential Chaos Shift Keying, NR-DCSK)[7]能夠適應(yīng)有噪信道同時(shí)降低系統(tǒng)能耗。

為了提高頻譜利用率，一些工作研究了多載波調(diào)制，如在高斯白噪聲(Added White Gaussian Noise, AWGN)信道上提出了多載波DCSK系統(tǒng)(Multi-Carrier Differential Chaos Shift Keying,MC-DCSK)[8]和其MDCSK版本(Multi-Carrier M-ary Differential Chaos Shift Keying, MC-MDCSK)[9]。文獻(xiàn)[10]提出了兩種廣義載波指數(shù)MDCSK(Carrier Index M-ary Differential Chaos Shift Keying,CI-MDCSK)方案，并對兩種方案進(jìn)行了討論。文獻(xiàn)[11]提出了一種能抑制信道噪聲的多載波差分混沌移位鍵控(Subcarriers Allocation M-ary Differential Chaos Shift Keying, SA-MCDCSK)系統(tǒng)。為了克服低數(shù)據(jù)率的缺點(diǎn)，在文獻(xiàn)[12-20]中提出了一些改進(jìn)的DCSK方案，利用沃什(Walsh)碼實(shí)現(xiàn)了兩比特和多比特的正交信號，并用索引調(diào)制(Index Modulation, IM)[21]及混合方式實(shí)現(xiàn)了DCSK系統(tǒng)[17]。如碼索引調(diào)制的DCSK(Code Index Modulation Differential Chaos Shift Keying, CIM-DCSK)[18]、碼索引調(diào)制的多級碼移位DCSK(Code Index Modulation Multilevel Code Shifted Differential Chaos Shift Keying, CIM-MCS-DCSK)[19]和具有較高頻譜效率的通用碼移位DCSK(Code Index Modulation Code Shifted Differential Chaos Shift Keying, CIM-CS-DCSK)[20]。這些方案利用索引攜帶一部分比特，DCSK攜帶另一部分比特，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)的m bit傳輸。此外，交換碼索引DCSK(Commutation Code Index Differential Chaos Shift Keying, CCI-DCSK)[22]使用參考混沌信號的交換副本來映射額外的比特以在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)比特，并且在正交多級DCSK(Orthogonal Multi-level Differential Chaos Shift Keying, OMDCSK)[23]方案中從參考信號的一組正交信號形式中選擇信息承載。

DCSK與索引調(diào)制相結(jié)合雖然能提高數(shù)據(jù)傳輸速率，但硬件復(fù)雜度呈指數(shù)級增長。因此，尋求復(fù)雜度低的方式提高數(shù)據(jù)率成為主要研究方向之一。文獻(xiàn)[24]提出了一種在第1周期發(fā)送參考信號的正交混沌移位鍵控(Quadrature Chaos Shift Keying,QCSK)結(jié)合參考信號希爾伯特變換和延遲參考信號形式的映射2位符號。文獻(xiàn)[25]提出了一種高復(fù)雜度的MIMO型的MDCSK。文獻(xiàn)[26]基于文獻(xiàn)[24]與多進(jìn)制相移鍵控(M-ary Phase Shift Keying,MPSK)星座圖相結(jié)合提出一種MDCSK，該星座圖通過MPSK星座圖傳輸多進(jìn)制符號的兩個(gè)正交信號作為信息承載部分，并分別對基于MPSK的MDCSK的系統(tǒng)進(jìn)行了比較。其中，與具有較好的誤碼率性能PSK星座以及DCSK相比，MDCSK具有更好的誤碼率性能。此外，在信息承載部分文獻(xiàn)[27]提出了基于M元PSK和QAM的方案，利用MPSK和MQAM調(diào)制M元符號的參考混沌信號。采用非均勻間隔相位星座的多分辨MDCSK(MultiResolution M-ary Differential Chaos Shift Keying, MRMDCSK)調(diào)制[28]是一種具有應(yīng)用前景的技術(shù)，它能夠在一個(gè)符號內(nèi)滿足不同的誤碼率要求，從而提高比特的數(shù)據(jù)速率。文獻(xiàn)[29]提出了一種新的基于非均勻距離星座映射的分層平方星座MDCSK，針對信道特性[30],它在最后一個(gè)分層上修正兩個(gè)星座點(diǎn)之間的距離，克服了調(diào)制階數(shù)越大時(shí)誤碼率性能下降的問題。

對于一些實(shí)際環(huán)境，如在帶限環(huán)境下，需要在不擴(kuò)展帶寬的情況下提高系統(tǒng)的誤碼率性能，就需要編碼調(diào)制的引入，能夠在不擴(kuò)展額外帶寬的情況下獲得較高的編碼增益。如在多徑信道中結(jié)合文獻(xiàn)[26]中的MDCSK(后面無特殊說明均為此MDCSK)與網(wǎng)格碼提出一種新型的網(wǎng)格編碼差分混沌調(diào)制(Trellis-Coded Differential Chaotic Modulation,TC-DCM)[31]。并在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[32-34]針對不同情況對其系統(tǒng)的編碼方案以及系統(tǒng)方案進(jìn)行改進(jìn)。此外，通過將低密度奇偶校驗(yàn)(Low-Density Parity-Check, LDPC)碼與MDCSK結(jié)合提出了一種基于星座的差分混沌比特交織編碼調(diào)制(Differential Chaotic Bit-Interleaved Coded Modulation, DC-BICM)系統(tǒng)[35]，能夠在有效降低誤碼率的同時(shí)保證多徑信道環(huán)境的魯棒性。這些方案均為非平穩(wěn)環(huán)境下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有力依據(jù)。

本文主要介紹了面向6G中非標(biāo)準(zhǔn)信道環(huán)境下基于低成本低功耗的幾種MDCSK(圓形方形)的信號設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的編碼調(diào)制系統(tǒng)分別針對具體非平穩(wěn)信道環(huán)境下所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)優(yōu)化，并給出了未來發(fā)展方向。首先，針對用于該系統(tǒng)的MDCSK系統(tǒng)模型進(jìn)行了介紹。其次，對系統(tǒng)本身優(yōu)化以及基于MDCSK的編碼調(diào)制相關(guān)的研究工作進(jìn)行了介紹。繼而通過舉例論證基于MDCSK系統(tǒng)的星座以及相關(guān)調(diào)制編碼的結(jié)構(gòu)、碼型及相關(guān)算法設(shè)計(jì)與優(yōu)化，能夠在不擴(kuò)展帶寬的情況下顯著改善系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)了低功耗。以此為針對非平穩(wěn)信道下的MDCSK數(shù)據(jù)鏈路優(yōu)化設(shè)計(jì)提供些許思路，并且舉例說明在具體非平穩(wěn)環(huán)境下的應(yīng)用方案，為其他現(xiàn)有環(huán)境中低成本低功耗的實(shí)現(xiàn)提供可能。最后，給出了未來的研究工作討論，如針對非平穩(wěn)信道特性系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化與自適應(yīng)傳輸機(jī)制等問題。供感興趣的讀者參考和推進(jìn)。

2 DCSK相關(guān)基礎(chǔ)：模型與基礎(chǔ)特性

DCSK調(diào)制方式最早由Kolumban等人[2]提出，作為一種具有魯棒性的調(diào)制方式。首先產(chǎn)生擴(kuò)頻的混沌信號作為原始的參考信號，通過延時(shí)T時(shí)間產(chǎn)生信息承載信號，由參考信號的“正”“負(fù)”來表示“1”“0”。接收端通過直接相關(guān)t1, t2時(shí)間段的信號而獲得傳輸信息，無需信道估計(jì)。其具體正，負(fù)信號可以分別表示為

此調(diào)制方式無需載波同步僅需信號同步、非相關(guān)檢測，實(shí)現(xiàn)設(shè)備簡單以及在多徑衰落信道下具有魯棒性等特點(diǎn)，相應(yīng)的傳輸速率隨之下降。為了解決速率低的問題，QCSK[24]以及一系列的MDCSK被相繼提出[23,25,26]。其中主要包括兩種方式，一種是通過星座的方式實(shí)現(xiàn)多比特傳輸[26-29]，另外一種是通過與其他技術(shù)相結(jié)合如指標(biāo)調(diào)制等方式實(shí)現(xiàn)多比特?cái)?shù)據(jù)傳輸[12-20]。本文將主要針對第1種方式展開介紹。

2.1 圓形星座下的MDCSK及星座優(yōu)化

圖1 MDCSK的系統(tǒng)框圖

圖2 MDCSK和MPSK-DCSK在擴(kuò)頻因子β=60，M=2, 4, 8, 16, 32的誤碼率性能曲線

圖3 一般化MR-8元DCSK星座及其灰編碼映射與判決邊界

圖4中，研究了AWGN信道下不同相位向量對2/4/8/16-DCSK系統(tǒng)性能的影響，其中，相位向量設(shè)置為 θ =[π/5 π/25 π/40]。擴(kuò)頻因子β=128?？梢杂^察到，提高第1個(gè)保護(hù)相位BER性能得到改善，這種現(xiàn)象類似于信道編碼，但是該系統(tǒng)不需要展寬帶寬。從圖可以看出，當(dāng)相位 θ1≤ π/4時(shí)，最高優(yōu)先級比特和第2優(yōu)先級比特要互換，即二進(jìn)制DCSK星座在x軸上。

因此，文獻(xiàn)[26]中在實(shí)現(xiàn)MDCSK的同時(shí)，通過星座優(yōu)化對系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，在不增加帶寬的情況下，不同數(shù)據(jù)優(yōu)先級的誤碼率性能滿足不同的業(yè)務(wù)需求。此外，它還繼承了傳統(tǒng)DCSK系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的抗多徑衰落性能。

2.2 方形星座下的MDCSK以及星座優(yōu)化

不同于上面所述的圓形星座，對于正方形、矩形、十字形和星形星座，需要信道估計(jì)器模塊[27]。但是與傳統(tǒng)的信道估計(jì)不同，只需要部分信道估計(jì)便可以實(shí)現(xiàn)解調(diào)。因此，文獻(xiàn)[27]中設(shè)計(jì)了一種方形星座MDCSK，分析了該系統(tǒng)的峰均功率比(Peakto-Average Power Ratio, PAPR)性能，并給出了詳細(xì)的理論公式推導(dǎo)。此外文中還基于方形星座M-DCSK設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單的最小二乘(Least Square, LS)估計(jì)器以便于解調(diào)。

在此文獻(xiàn)中，與傳統(tǒng)的相干信道估計(jì)不同的是，只需要得到文獻(xiàn)[30]中定義的信道功率值，而不需要得到每個(gè)信道系數(shù)。我們假設(shè)估計(jì)的信道狀態(tài)信息是。之后，歸一化判決向量變?yōu)閦′=z/(Ep為平方根升余弦濾波器p(t)的能量)，該值將用于根據(jù)圖5所示的判決邊界對接收到的符號進(jìn)行解碼。

從圖5中可以看出，與圖6(a) (使用的參數(shù)為M=4, 16, 32, 64和β=320)中的p-CSI(完美-信道狀態(tài)信息)方案相比，所提出的LS估計(jì)器方案具有約1 dB的性能損失。與圖6(b)中的圓形系統(tǒng)相比，S-16/64-DCSK系統(tǒng)顯著改善了誤差性能。因此通過分析和仿真結(jié)果表明，與C-M-DCSK系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)在多徑衰落條件下能實(shí)現(xiàn)較低的功耗，但具有較高的峰均比。

圖4 AWGN信道下，2/4/8/16-DCSK系統(tǒng)的BER性能

綜上所述，通過星座的方式可以實(shí)現(xiàn)信號速率的提升，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)不同環(huán)境下的系統(tǒng)性能提升。雖然基于平方星座的DCSK系統(tǒng)需要信道估計(jì)器，但其誤碼率性能遠(yuǎn)優(yōu)于基于圓形星座的DCSK系統(tǒng)(見圖6(b))，在能量消耗方面，基于方形星座的DCSK系統(tǒng)比基于圓形星座的DCSK系統(tǒng)效率更高。其他類型的星座(如矩形、十字形和星形)也可用于一般化系統(tǒng)框架，因此具有更廣闊的應(yīng)用前景。此外，針對文獻(xiàn)[26]中的多分辨率M-DCSK框架，可以設(shè)計(jì)一個(gè)基于多分辨方形星座的M-DCSK系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過調(diào)整距離d來提供更靈活的誤碼率要求，這種情況下幅度和相位都會攜帶信息。

3 MDCSK的基礎(chǔ)研究：帶限系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖5 方形星座圖與判決邊界

在MDCSK調(diào)制中，針對其信號結(jié)構(gòu)以及星座進(jìn)行優(yōu)化能夠在一定程度上有效的提高系統(tǒng)的誤碼率性能。但是，想進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，就需要引入編碼方案。由于一般的編碼方案與調(diào)制方式是分開設(shè)計(jì)的，因此想要引入編碼方案需要額外的帶寬來實(shí)現(xiàn)。然而在帶限環(huán)境下，由于帶寬較窄，直接分離式的編碼方法所需要的額外帶寬就無法提供，因此引入編碼調(diào)制方案以便于解決帶寬不足的問題。

3.1 網(wǎng)格編碼調(diào)制(Trellis Coded MDCSK)及優(yōu)化方案

3.1.1 網(wǎng)格編碼調(diào)制方案介紹

文獻(xiàn)[31]中提出了一種將網(wǎng)格編碼與MDCSK相結(jié)合的新型編碼調(diào)制方案-網(wǎng)格編碼差分混沌調(diào)制(Trellis-Coded Differential Chaotic Modulation, TC-DCM)。該文獻(xiàn)計(jì)算了加性高斯白噪聲信道上MDCSK的信道容量，驗(yàn)證了網(wǎng)格編碼和混沌調(diào)制相結(jié)合的可行性。同時(shí)，詳細(xì)地給出了AWGN信道和瑞利(Rayleigh)平坦衰落信道下TC-DCM系統(tǒng)的理論誤碼率界的推導(dǎo)過程，并在8-DCSK星座，4態(tài)(4-state)2/3碼率的參數(shù)下對方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

圖7(a)、圖7(b)中表明該方案的理論誤碼率界與仿真結(jié)果基本一致。與相同帶寬的未編碼系統(tǒng)相比，不同狀態(tài)、不同速率的TC-DCM系統(tǒng)在AWGN信道上可以獲得明顯的編碼增益。圖7(c)通過與相同帶寬效率的TC-DCM系統(tǒng)在無CSI多徑Rayleigh衰落信道下的性能相比較，結(jié)果表明此方案在非標(biāo)準(zhǔn)信道下具有良好的魯棒性，證實(shí)了TC-DCM方案的優(yōu)越性。

3.1.2 網(wǎng)格編碼調(diào)制優(yōu)化方案介紹

大部分基于網(wǎng)格碼的編碼系統(tǒng)直接使用簡單易操作的卷積碼來實(shí)現(xiàn)編碼調(diào)制，那么是否存在更優(yōu)的編碼方案呢？為了獲得更好性能，需要對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

文獻(xiàn)[32]針對TC-DCM方案提出了Turbo網(wǎng)格編碼差分混沌調(diào)制(Turbo Trellis-Coded DCM,TTC-DCM)方案。同時(shí)，文獻(xiàn)[33]中提出其IQ方案，并且在其基礎(chǔ)上提出了一種碼搜索算法，目的是找到一個(gè)在盡可能低的信噪比(Signal Noise Rate,SNR)條件下，在相應(yīng)EXIT圖中存在開放通道。其具體算法流程如表1所示。

圖6 多徑Rayleigh衰落信道下不同系統(tǒng)的誤碼率

從文獻(xiàn)可知，TTC-DCM方案在多徑衰落信道環(huán)境中，BER=10-5的情況下比TC-DCM方案獲得4 d B 的增益。同時(shí)利用I Q 交織器在平坦的Rayleigh衰落信道和多徑Rayleigh衰落信道中提供空間分集。與TTC-DCM相比，IQ-TTC-DCM方案在衰落環(huán)境下能獲得更好的性能。

為了進(jìn)一步提升文獻(xiàn)[31]中在傳輸環(huán)境較差時(shí)的BER性能。文獻(xiàn)[34]提出了一種串行級聯(lián)網(wǎng)格編碼差分混沌調(diào)制(Serial Concatenated Trellis-Coded Differential Chaotic Modulation, SCTCDCM)系統(tǒng)。經(jīng)文獻(xiàn)[34]研究分析發(fā)現(xiàn)，SCTCDCM系統(tǒng)比TTC-DCM系統(tǒng)在相對高SNR下能獲得更好的BER性能，同時(shí)在BER=10-8之前都不會產(chǎn)生錯(cuò)誤地板。

由此可以看出，TC-DCM具有高帶寬效率、抗多徑、低成本和低復(fù)雜度的特點(diǎn)，是一種適用于嚴(yán)重多徑傳播的帶限通信系統(tǒng)的方案。

3.2 原模圖低密度奇偶校驗(yàn)碼的編碼調(diào)制(P-LDPC coded MDCSK)方案

上述已經(jīng)闡述了網(wǎng)格編碼對于系統(tǒng)性能的影響，事實(shí)證明基于網(wǎng)格編碼的編碼調(diào)制方案可以有效提高在非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的BER性能。那么其他編碼對于系統(tǒng)性能影響又如何呢？

文獻(xiàn)[35]根據(jù)文獻(xiàn)[36,37]提出了一種利用P-LDPC碼[38,39]構(gòu)建基于星座的差分混沌比特交織的編碼調(diào)制系統(tǒng)(Differential Chaotic Bit-Interleaved Coded Modulation, DC-BICM)。

通過文獻(xiàn)[35]的分析可知，DC-BICM系統(tǒng)存在最佳的擴(kuò)頻系數(shù)和最佳的迭代譯碼值，隨著碼長的增加，系統(tǒng)性能變好，但隨著碼長的持續(xù)增加，系統(tǒng)性能變差。圖8通過與非編碼的方形的4-DCSK的誤碼率性能比較可知，在BER=10-4, 2β=64的情況下DC-BICM可以獲得12.5 dB的增益。圖9對DC-BICM和BICM DS/SS系統(tǒng)的比較，表明該系統(tǒng)具有較低的復(fù)雜度和在部分信道響應(yīng)下有較好性能。此外，通過與具有相同頻譜效率的方形星座MDCSK系統(tǒng)的比較，驗(yàn)證了該系統(tǒng)在不增加帶寬的情況下具有較高的編碼增益，在抗多徑衰落方面具有良好的性能。

綜上所述，對于帶寬受限的情況下，選擇合適的碼型與MDCSK構(gòu)建編碼調(diào)制方案可以在信道環(huán)境惡劣且不擴(kuò)展帶寬的情況下有效的提高系統(tǒng)性能。同時(shí)針對具體IoT環(huán)境下應(yīng)用環(huán)境，需要針對具體情況再設(shè)計(jì)以便于取得性能和資源在IoT應(yīng)用下的平衡。

圖7 不同信道下誤碼率比較

表1 EXIT碼型搜索算法流程

圖8 碼率1/2的ARJA-16-DC-BICM與方形的4-DCSK的誤碼率性能比較

4 應(yīng)用研究：非平穩(wěn)信道下的編碼調(diào)制與多載波方案

4.1 MDCSK在電力線通信(PLC)中的分析與優(yōu)化

4.1.1 PLC環(huán)境下MDCSK的性能分析

前面討論了MDCSK及其編碼調(diào)制方式在多徑衰落信道的性能特性，由此可知，MDCSK在衰落信道下具有良好的魯棒性。那么，在現(xiàn)有的PLC環(huán)境下是否也具有魯棒性呢？

文獻(xiàn)[40,41]中討論了DCSK及MDCSK在PLC的回波模型[41]下的性能。根據(jù)文獻(xiàn)中所述，作者選擇了服從泊松分布的混合高斯噪聲模型[30,42]作為PLC信道下的噪聲，其由脈沖噪聲與相位噪聲組成，在此信道環(huán)境中搭建MDCSK系統(tǒng)并與傳統(tǒng)的調(diào)制方式進(jìn)行比較。

因此，文獻(xiàn)[41]將MDCSK系統(tǒng)與DS-MDPSK系統(tǒng)在不同信道參數(shù)的情況下進(jìn)行了比較，如表2所示，其中結(jié)果如圖10，顯示了在此信道環(huán)境下MDCSK方案均顯著優(yōu)于DS-MDPSK方案，說明了MDCSK系統(tǒng)在PLC信道下通信的優(yōu)越性。

4.1.2 PLC環(huán)境下基于MDCSK的編碼調(diào)制方案

4.1.1中充分表明了MDCSK在PLC環(huán)境下的優(yōu)越性能，但是當(dāng)系統(tǒng)誤碼率達(dá)到一定程度的時(shí)候均會出現(xiàn)錯(cuò)誤地板。為了進(jìn)一步解決這個(gè)問題，文獻(xiàn)[43]利用文獻(xiàn)[42,44]中的方法，提出了一種基于星座的PLC信道下迭代接收差分混沌比特交織編碼調(diào)制系統(tǒng)(Differential Chaotic Bit-Interleaved Coded Modulation with Iterative Receiver, DC-BICM-IR)，并設(shè)計(jì)了一種新型的P-LDPC碼, 選取文獻(xiàn)[45,46]中的信道模型作為參考。為了減輕脈沖噪聲的影響，文獻(xiàn)[43]先在DC-BICM系統(tǒng)框架中引入混合濾波器(Myriad Filter, MyF)，而后為了進(jìn)一步消除余留的脈沖噪聲及碼間干擾(InterSymbol Interference,ISI)帶來的影響，引入迭代接收(Iterative Receiver,IR)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成DC-BICM-IR系統(tǒng)。圖11為引入IR結(jié)構(gòu)與新碼型設(shè)計(jì)的性能分析。

圖9 BICM DS/SS-5 DC-BICM系統(tǒng)誤碼率比較

表2 多徑PLC信道參數(shù)

圖10 多徑PLC信道下BER性能比較

圖11(a)顯示了在PLC信道下，DC-BICM系統(tǒng)使用和未使用MyF的BER性能對比曲線。從圖11(a)中可以看出，在α=1, 1.5時(shí)，由于脈沖噪聲的干擾，當(dāng)前的校驗(yàn)與系統(tǒng)信息被嚴(yán)重污染，給譯碼器帶來了嚴(yán)重的錯(cuò)誤影響，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。由于MyF的引入，極大地削弱了脈沖噪聲的影響，使得系統(tǒng)在一些惡劣的環(huán)境下(如α=1, 1.5)仍能正常工作。同時(shí)，引入IR能夠在BER=10-6的情況下帶來0.4～0.5 dB的編碼增益。另外 從圖11(b)中可以看出，在BER=10-6的情況下，I-ARJA碼的性能優(yōu)于AR4JA碼約0.6 dB。由此可以看出，MDCSK不僅相對于傳統(tǒng)調(diào)制方式在PLC信道環(huán)境下更加魯棒，選擇合適的優(yōu)化方法還可以有效地消除錯(cuò)誤地板并且獲得更好的BER性能。

4.2 DCSK在水下信道(UWA)中的分析與優(yōu)化

針對4.1節(jié)中討論了MDCSK在PLC中，相比其他調(diào)制方式在非平穩(wěn)信道下有較好的魯棒性，因此一些學(xué)者將其延伸到水下環(huán)境進(jìn)行討論。文獻(xiàn)[47]根據(jù)文獻(xiàn)[48]的信號環(huán)境將碼移差分混沌鍵控(Code Shifted Differential Chaos Shift Keying, CS-DCSK)與正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)相結(jié)合并討論了其在水下信道(UnderWater Acoustic, UWA)的性能。此外，在碼片上使用循環(huán)移位交織器來獲得頻率分集。為了深入了解該系統(tǒng)，推導(dǎo)了該系統(tǒng)在高斯信道和多徑Rayleigh衰落信道下的誤碼率，并通過仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。此外，還分析了該系統(tǒng)的頻譜效率，并與現(xiàn)有的混沌通信系統(tǒng)進(jìn)行了比較。

為了使仿真更具說服力，根據(jù)文獻(xiàn)[47]所得到的1500個(gè)時(shí)變信道脈沖響應(yīng)卷積的仿真結(jié)果，其中有3個(gè)通道場景如圖12。

進(jìn)一步，根據(jù)圖12中信道模型進(jìn)行仿真比較，如圖13所示, 參數(shù)為：擴(kuò)頻因子32，子載波N=[16,32, 64, 128, 256]，循環(huán)前綴的長度 cp=Ts/δ。結(jié)果表明，在兩個(gè)信道下，該系統(tǒng)的性能優(yōu)于MC-DSSS,MM-DCSK和OFDM-CS-DCSK。

由此可見，文獻(xiàn)[47]所提方案是基于無信道估計(jì)和均衡的非相干接收機(jī)，因此更加適合于具有時(shí)變特性而難以跟蹤和估計(jì)的UWA通信場景。

綜上所述，通過在PLC與UWA環(huán)境下對DCSK的性能分析與研究可知，由于此調(diào)制方式無需信道估計(jì)與均衡等優(yōu)勢，在非平穩(wěn)信道下的魯棒性優(yōu)良，對于目前難以跟蹤與估計(jì)的信道來說無疑是一種很好的選擇。

5 結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的日益發(fā)展，前期人們已經(jīng)享受到由于通信速率的提升所帶來的便利，將更多的關(guān)注到如水聲、電力線通信等非平穩(wěn)信道中魯棒、低功耗的傳輸技術(shù)方案。DCSK作為低成本、低功耗的調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)簡單且在非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下有良好的魯棒性，成為了下一代非平穩(wěn)傳輸環(huán)境的有利候選者。如何在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上對于更多具體的非平穩(wěn)應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行分析及優(yōu)化仍然是一個(gè)值得繼續(xù)探究的問題。文本主要針對DCSK的帶寬效率優(yōu)化、帶限環(huán)境下基于MDCSK的編碼調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化、具體實(shí)際環(huán)境下DCSK的相關(guān)性能分析與系統(tǒng)改進(jìn)等方面入手進(jìn)行了綜述。從整體來看，通過星座實(shí)現(xiàn)多元的方式可以在有效的提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率的同時(shí)保證系統(tǒng)的復(fù)雜度無需呈指數(shù)型增長。同時(shí)對于帶寬受限的情況下，編碼調(diào)制技術(shù)可以在不擴(kuò)展帶寬的情況下實(shí)現(xiàn)MDCSK誤碼率性能的進(jìn)一步提高。最后一個(gè)案例探討了幾種具體環(huán)境下DCSK的性能優(yōu)越性以及給出對應(yīng)優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)思路。這些工作與設(shè)計(jì)思想也將為其他類型的調(diào)制優(yōu)化方案提供一些靈感，以便于更適用于現(xiàn)代通信中多樣的需求。

圖11 PLC中誤碼率比較

圖12 時(shí)變UWA信道3個(gè)通道場景及脈沖響應(yīng)

圖13 不同UWA信道下MC-CS-DCSK,OFDM-CS-DCSK和MM-DCSK的誤碼率性能比較

該研究領(lǐng)域已經(jīng)引起不少學(xué)者的關(guān)注，未來尚有諸多問題需要解決,其中主要有以下兩點(diǎn)：

(1) 為了提高非標(biāo)準(zhǔn)信道下低復(fù)雜度、低成本的誤碼率性能，可以考慮在具體信道下對MDCSK進(jìn)行優(yōu)化。

(2) 為了進(jìn)一步提高帶限信道下的性能，可以考慮具體信道上編碼調(diào)制的優(yōu)化，包括星座與碼型等優(yōu)化。同時(shí)如何平衡窄帶系統(tǒng)下設(shè)備資源與功耗之間的平衡也是需要關(guān)注的問題。

因此，此研究方向在未來還有很多的熱點(diǎn)問題有待研究與發(fā)展。