信道縮短和基于編碼信道縮短

摘要：本文對比研究了信道縮短（Channel Shortening， CS）和基于編碼信道縮短（Code based Channel Shortening， CCS）兩種方法，發(fā)現(xiàn)它們在轉(zhuǎn)移概率函數(shù)上具有不同的特點。通過比較符號間干擾信道的最小歐式距離（Minimum Euclidean Distance ， MED）和可達信息速率（Achievable Information Rate， AIR），，找到了超奈奎斯特（Faster-Than-Nyquist， FTN）系統(tǒng)的可靠性能指標(biāo)。在優(yōu)化步驟方面，F(xiàn)TN-CCS先優(yōu)化外碼再優(yōu)化內(nèi)碼，而FTN-CS先優(yōu)化內(nèi)碼再優(yōu)化外碼。在保持相同頻譜效率（Spectrum Efficiency， SE）的條件下，比較了基于CS和CCS的FTN的AIR和BER性能。研究發(fā)現(xiàn)，在均衡復(fù)雜度相同或更低的情況下，F(xiàn)TN-CS比FTN-CCS具有更好的性能。

關(guān)鍵詞：信道縮短；編碼信道縮短；超奈奎斯特；歐式距離；可達信息速率

到2025年，全球?qū)⒂腥种坏娜丝谑褂?G網(wǎng)絡(luò)。然而，隨著虛擬/增強現(xiàn)實、自動駕駛、物聯(lián)網(wǎng)和無線回傳等新應(yīng)用的興起，人們需要比5G網(wǎng)絡(luò)更高的數(shù)據(jù)速率[1]。為了提高頻譜效率（Spectrum Efficiency，SE），超奈奎斯特（Faster-Than-Nyquist，F(xiàn)TN）將壓縮相鄰成型脈沖的傳輸間隔。然而，F(xiàn)TN傳輸違背了奈奎斯特定理，會造成符號間干擾（Inter-Symbol Interference，ISI）。由于嚴重的ISI會導(dǎo)致高復(fù)雜性傳輸，所以傳統(tǒng)的FTN傳輸方法沒有被廣泛使用。

對于FTN傳輸，基于最大后驗概率（Maximum Posterior Probability，MAP）準(zhǔn)則的時域均衡復(fù)雜度為O（ψL），其中ψ表示星座圖的星座點數(shù)，L表示ISI長度。當(dāng)FTN的ISI長度很大時，傳統(tǒng)BCJR均衡算法將由于高復(fù)雜度失去實用性。為了降低均衡復(fù)雜度，線性預(yù)均衡（Linear Pre-Equalization，LPE）[2]方法將FTN傳輸?shù)刃镹yquist正交傳輸。但是當(dāng)壓縮因子τ＜1/（1+β）時，其中β表示根升余弦（Root Raised-Cosine，RRC）的滾降因子，LPE方法將失效。為了降低復(fù)雜度[3]，提出了基于最小均方誤差（Minimum Mean Square Error，MMSE）準(zhǔn)則的頻域均衡（Frequency-Domain Equalization，F(xiàn)DE）方法。盡管MMSE是次優(yōu)準(zhǔn)則[4]，但FDE無法可靠檢測到高速FTN，而時域均衡在這方面則表現(xiàn)良好[5]。

信道縮短（Channel Shortening，CS）方法通過減小時域均衡的ISI長度L降低MAP均衡的復(fù)雜度。Falconer和Magee在文獻[6]中提出了CS方法，文獻[7]則對一般線性信道進行了改進。為了進一步降低均衡復(fù)雜度，文獻[8]提出了基于編碼的信道縮短（Code based Channel Shortening，CCS）方法。然而，縮短CS或CCS的ISI長度可能會帶來性能損失，因此需要在復(fù)雜度和性能之間進行權(quán)衡。為了優(yōu)化CS方法的ISI長度，可采用可達信息速率（Achievable Information Rate，AIR）接近真實信息速率的下限準(zhǔn)則，以在不損失性能的情況下最小化ISI長度[9]。而[8]中CCS的ISI長度是基于最小歐式距離（Minimum Euclidean Distance，MED）度量進行優(yōu)化的。本文旨在比較相同頻譜效率（Spectrum Efficiency，SE）條件下，基于CS和CCS的FTN系統(tǒng)的性能和復(fù)雜度。

一、系統(tǒng)模型

如圖1所示，基于CS的FTN發(fā)射機（FTN-CS）[7]可看作兩級的串行級聯(lián)碼（Serially Concatenated Code，SCC）。如圖2所示，基于CCS的FTN發(fā)射機（FTN-CCS）[8]可看作為三級級聯(lián)的SCC。圖中的灰色部分顯示FTN-CS和FTN-CCS的差異。FTN發(fā)射信號可表示為：

其中Ts=τT，τ為壓縮因子，是信號星座映射后的輸出序列，h（t）是T正交RRC成型脈沖。 星座映射使用與文獻[8]相同的BPSK調(diào)制。成型脈沖h（t）進行±ζT的截斷，ζ=15[8]。

接收信號為r（t）=s（t）+w（t），其中w（t）是單邊功率譜密度為N0的高斯白噪聲。在FTN均衡器之前，CS方法改造了整體信道響應(yīng)g={gl}，其中，而CCS方法不改變整體信道響應(yīng)g。

對于FTN-CS，前端濾波器hr取代了傳統(tǒng) FTN系統(tǒng)的匹配濾波器。在時域，hr將ISI能量集中以減少ISI長度。FTN均衡器將目標(biāo)響應(yīng) （gr）作為ISI信道并使用BCJR算法來處理ISI。gr為輔助通道，即均衡器實際使用的信道。hr的頻率響應(yīng)文獻[10]。

其中是gr的頻率響應(yīng)，Γk=|Hk|2+N0，[H0，...，HNF-1]= FFT（h），h={hk}，hk=h（kTs），表示匹配濾波器的頻率響應(yīng)。

對于FTN-CCS，CCS均衡器使用聯(lián)合檢測與譯碼（Joint Detection and Decoding，JDD）來處理ISI。 截斷響應(yīng)（gs）則是FTN-CCS的輔助通道。輸出保留了卷積碼（Output-Retainable Convolutional Code，ORCC），它具有M個序列輸入和N個序列輸出。ORCC通過提供編碼增益來降低均衡復(fù)雜度而不是補償截斷損失。FTN-CCS的三級SCC編碼結(jié)構(gòu)需要兩級Turbo迭代，即FTN均衡器和ORCC譯碼器之間的Turbo迭代（TI1），以及ORCC譯碼器和信道解碼器之間的Turbo迭代（TI2）。通常使用TI1代替最佳JDD，并結(jié)合由FTN和ORCC構(gòu)建的超級網(wǎng)格來降低復(fù)雜性。TI1和TI2聯(lián)合可以達到最優(yōu)JDD的性能。ORCC當(dāng)前輸出是ORCC的網(wǎng)格狀態(tài)的一部分和FTN均衡器下一次的網(wǎng)格狀態(tài)的一部分。因此，超級網(wǎng)格可折疊為ORCC的編碼網(wǎng)格。基于折疊網(wǎng)格的JDD復(fù)雜度較低，可取代了文獻[8]中的TI1。ORCC有兩種類型，完全可保留卷積碼（FRCC）和部分可保留卷積碼（Partially-Retainable Convolutional Codes，PRCC）。FTN-CCS使用PRCC代替FRCC來降低復(fù)雜性[8]。超級網(wǎng)格不等同于PRCC的編碼網(wǎng)格，因為PRCC的每個編碼網(wǎng)格狀態(tài)只能提供一些在當(dāng)前時間對ISI有貢獻的先前符號。

二、方法比較

（一）CS和CCS的分支度量

FTN-CS的分支度量為

其中yk是hr的輸出，目標(biāo)響應(yīng) 有Lr+1個抽頭，Lr為ISI長度。hr和gr有給定ISI長度的解析解[7]。只要信噪比（Signal-to-Noise-Ratio，SNR）不是很高或很低 [10]，無需調(diào)整CS參數(shù)。 FTN-CS的檢測復(fù)雜度為，合理選擇Lr可降低復(fù)雜性而不顯著降低性能。

為了便于說明，假設(shè)N=1，F(xiàn)TN-CCS[8] 的分支度量為

其中，yk是匹配濾波器的輸出，是ORCC保留傳輸符號，LI是FTN-CCS的ISI長度，。具有超級網(wǎng)格的最優(yōu)JDD算法具有最高復(fù)雜度（個狀態(tài)，其中m是ORCC的內(nèi)存長度）。最優(yōu)JDD算法可用復(fù)雜度較低的FTN均衡器（個狀態(tài)）和ORCC解碼器（2m個狀態(tài)）之間的TI1代替。超級網(wǎng)格折疊為ORCC的編碼網(wǎng)格（2m個狀態(tài)）。如果＞2m，基于PRCC的FTN-CCS以性能下降為代價降低了復(fù)雜性。

CCS雖然也進行了信道截斷，但它不同于CS。CCS的輔助通道是截斷響應(yīng)，而CS的輔助通道是目標(biāo)響應(yīng)gr。CCS截斷不可避免地會引入信息丟失（由m決定的）。通過合理選擇Lr可以降低CS截斷的影響。

（二）CS和CCS的優(yōu)化指標(biāo)

兩個指標(biāo)，MED和AIR[11]，可用于評估信號通過ISI信道的性能。FTN-CS可采用AIR準(zhǔn)則來優(yōu)化ISI長度即。FTN-CCS[8]使用 MED 準(zhǔn)則優(yōu)化其對應(yīng)的ORCC。

首先比較較短ISI長度信道上的MED和AIR可靠性，以找到可靠的性能指標(biāo)，并以此作為優(yōu)化指標(biāo)避免截斷或輔助通道引入的損失。本文給出一個很好的例子，短長度ISI信道C1和C2如表1所示。計算原始信道MED、AIR和BER，從而找到與BER更匹配的性能度量。表1列出了基于BPSK調(diào)制的ISI信道C1和C2的MED（）和對應(yīng)的錯誤符號圖樣。圖3顯示了基于BPSK的C1和C2的AIR。圖4顯示了基于BPSK的C1和C2信道對應(yīng)的BER（基于相同的5G-LDPC）。對于5G-LDPC，信息長度K=8000，碼率r=0.5；K=8001，r=0.75；對于r=0.89，K=8099。表2列出了C1與C2相比的AIR和BER增益。

通過上面的對比可以發(fā)現(xiàn)，更好的AIR性能揭示了更好的BER性能。然而，較大的不一定會帶來更好的BER性能。其實，AIR計算考慮了包括MED在內(nèi)的歐式距離集合。AIR是漸近度量，因為其假設(shè)具有無限碼長的理想FEC。

可以看出，MED不是可靠的性能指標(biāo)，而AIR是可靠的性能指標(biāo)。

（三）基于CS和CCS的編碼調(diào)制FTN優(yōu)化

編碼調(diào)制（Coded Modulation，CM）FTN-CS的優(yōu)化步驟如下：①根據(jù)文獻[9][12]優(yōu)化FTN-CS的ISI長度；②優(yōu)化外碼，優(yōu)化后的外碼與內(nèi)碼對應(yīng)的EXIT特性[13]能更好匹配。

CM-FTN-CCS [8]的優(yōu)化步驟如下：①考慮SCC的權(quán)重分布性質(zhì)確定外碼；②優(yōu)化ORCC，使CCS均衡對應(yīng)的EXIT特性與給定的外碼更好匹配。盡管文獻[8]基于MED優(yōu)化了ORCC，但它沒有將這種優(yōu)化的ORCC用于CM-FTN-CCS。

可以看出，CM-FTN-CS首先優(yōu)化內(nèi)碼（IS長度Lr）最后優(yōu)化外碼。但是，CM-FTN-CCS則相反。 在EXIT特性曲線相切處，迭代譯碼的動態(tài)特性在確定SCC的性能方面比SCC的權(quán)重譜更重要。

三、性能評估

三級結(jié)構(gòu)的FTN-CCS可等效為兩級結(jié)構(gòu)：一方面ORCC（碼率Lorcc）可看作內(nèi)碼的一部分，記為FTN-CS-I，等效壓縮因子τe=τ/rorcc；另一方面，ORCC也可看作外碼一部分，記為FTN-CS-II，等效碼率，re=r×rorcc其中r是FTN-CCS的信道編碼的碼率。

（一）兩級FTN-CCS vs. 兩級FTN-CS

表3列出了FTN-CS-I、FTN-CS-II和FTN-CCS的參數(shù)。FTN-CCS的參數(shù)來自文獻[8]中的圖5。三者具有相同的SE（0.7692 bit/s/Hz）。由于τe=1.0，F(xiàn)TN CS-I轉(zhuǎn)化為BPSK-Nyquist。圖5顯示了基于CS和CCS的FTN的SE?？梢钥闯?，在ISI長度相同的情況下，F(xiàn)TN-CS的SE性能優(yōu)于FTN-CCS。對于CS，優(yōu)化后的Lr=LoCpSt =4；對于CCS[8]，優(yōu)化后的m=5。大致相同的SE，CS的復(fù)雜度低于CCS。當(dāng)SE=1.5bit/s/Hz和0.7692bit/s/Hz時，F(xiàn)TN-CCS和FTN-CS-I（BPSK-FTN）之間的差距分別為0.34dB和0.01dB?？梢钥闯?，對于相同的ISI長度，rorcc<1.0（M/N<1）可以減小CCS和最優(yōu)SE之間的差距。

當(dāng)SE=0.7692 bit/s/Hz時，圖6展示了基于CS和CCS的FTN的BER性能，圖中ID1代表Turbo迭代次數(shù)為1，ID5代表Turbo迭代次數(shù)為5。

FTN-CS-II采用遞歸卷積碼（Recursive Convolutional Code，RCC）或LDPC碼作為外碼，F(xiàn)TN-CS-II-CCA采用RCC（13，15）8，F(xiàn)TN-CS-II-CCB采用RCC（67，117）8；FTN-CS-II-LDPC采用LDPC，最優(yōu)度分布（λ2， λ3）=（0.6866，0.3134），Lr=4，m=5。當(dāng)BER=10-4時，與FTN-CCS、FTN-CS-I（BPSK-Nyquist）、FTN-CS-II-CCA、FTN CS-II-CCB相比，F(xiàn)TN-CS-II-LDPC分別有0.9、4.7（或0.7，ID1）、5.8（或1.6，ID1）、6.1dB的增益。綜上，F(xiàn)TN-CS比FTN-CCS具有更好的BER性能和更低的均衡復(fù)雜度。

（二）三級FTN-CCS與兩級FTN-CS

表4列出了FTN-CS-I，F(xiàn)TN-CS-II和FTN-CCS的參數(shù)。FTN-CCS的參數(shù)來自文獻[8]中的圖7。三者具有相同的SE（0.5128bit/s/Hz）。圖7顯示了基于CS和CCS的FTN的SE，當(dāng)τ=0.75時，BPSK-FTN（τ=0.75）是FTN的最優(yōu)SE，當(dāng)τ=0.75時，F(xiàn)TN的最低Eb=N0=0.51dB。對于FTN-CS-I（SE=0.5128bit/s/Hz），優(yōu)化后的Lr=LoCpSt? ? ?=2。當(dāng)SE=0.5128bit/s/Hz時，具有相同ISI長度的FTN-CS（I或II）具有比FTN-CCS更好的SE性能（約0.1dB增益）。

當(dāng)SE=0.5128bit/s/Hz時，圖8顯示了基于CS和CCS的FTN的BER性能。CM-FTN-CCS采用rate-1/2RCC（57）8作為外碼[8]，CM-FTN-CS采用LDPC作為外碼。

FTN-CS-I采用LDPC碼其最優(yōu)度分布為（λ2，λ3，λ10） =（0.3871，0.2903，0.3226），F(xiàn)TN-CS-II采用LDPC碼其最優(yōu)度分布為（λ2， λ3）=（0.4，0.6），Lr=2，m=2。與FTN-CCS相比，F(xiàn)TN-CS-I和FTN-CS-II在BER=10-5時分別具有1.4和0.5dB的增益。在均衡復(fù)雜度相同的情況下，F(xiàn)TN-CS的BER性能優(yōu)于FTN-CCS。

四、結(jié)束語

本文通過對FTN-CS和FTN-CCS包括系統(tǒng)模型、分支度量、優(yōu)化度量、優(yōu)化步驟、SE和BER性能的對比研究發(fā)現(xiàn)：CS可以改變整體信道響應(yīng)（從g到gr），而CCS不會；FTN-CCS為降低復(fù)雜度需要以性能下降為代價，而FTN-CS則可以在不顯著降低性能的情況下降低復(fù)雜度；MED不是可靠的性能指標(biāo)，而AIR（SE）是可靠的性能指標(biāo)。 綜合對比分析可得，在均衡復(fù)雜度相同或更低的情況下，F(xiàn)TN-CS比FTN CCS具有更好的性能。

作者單位：彭鼎祥 銳捷網(wǎng)絡(luò)股份有限公司

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