60GHz下基于QCLDPC編碼的均衡方案性能研究

歐瑩 李學華

摘 要： 針對60 GHz脈沖無線通信系統中多徑衰落引起的誤碼問題，提出一種適用于該系統的QCLDPC碼均衡方案。在構建系統模型的基礎上，通過比較幾種典型的編碼方法，綜合誤碼性能及復雜度，選取QCLDPC編碼作為與均衡器結合的編碼方案。接收端由均衡濾波器和QCLDPC譯碼器兩部分構成，兩者通過互相交換信息使迭代結果更加可靠，可以有效消除干擾信息，提高通信質量。仿真結果表明，在誤碼率達到10-5時，結合QCLDPC編碼的MMSE?DFE均衡系統，較未編碼系統性能提升了約5.6 dB，可以滿足5G熱點高容量場景下高速可靠數據傳輸的需求，具有實際意義。

關鍵詞： 60 GHz無線通信系統； QCLDPC碼； 均衡器； 數據傳輸； 5G； 通信質量

中圖分類號： TN911.22?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）17?0030?04

Abstract： A QCLDPC code equalization scheme suitable for the 60 GHz pulse wireless communication system is proposed to solve the error code problem caused by multipath fading in the system. On the basis of constructing the system model， several typical coding methods are compared， and the bit error rate （BER） performance and complexity are combined to choose the QCLDPC encoding as the coding scheme based on equalizer. The receiver is composed of equalization filter and QCLDPC decoder， in which the two components can make the iterative result more reliable by means of information exchanging， eliminate the interference information effectively， and improve the communication quality. The simulation results show that， when the bit error rate reaches up to 10-5， the performance of the MMSE?DFE equalization system combined with QCLDPC coding is increased by about 5.6 dB than that of the uncoded system. The system can satisfy the demand of high?speed and reliable data transmission in 5G hot spot and high capacity scene， and has great practical significance.

Keywords： 60 GHz wireless communication system； QCLDPC code； equalizer； data transmission； 5G； communication quality

0 引 言

5G支持多樣化的場景，低頻段可以為用戶在移動性較高的范圍內提供更好的速率需求，而高頻段豐富的頻譜資源可以在熱點高容量場景下提供穩定且快速的數據業務[1]。60 GHz毫米波具有安全性高、定向性好、數據傳輸速率高等特點，對于室內傳輸數據文件等業務具有很大優勢，被視作將來幾年中最具潛力的短距離無線通信技術[2]。現在60 GHz頻段憑借其獨有的優勢已經成為5G高頻新空口的重點研究對象[3]。這些優點使其在很多應用場景下都可以發揮巨大作用，如應用于無線個域網、無線高清多媒體接口、海量文件的傳輸、汽車防撞報警系統、醫療成像、衛星星際通信等[4]。本文主要在家居環境下研究60 GHz脈沖通信系統的性能。目前，60 GHz頻段的研究正處于火熱狀態，關于60 GHz脈沖無線電技術的研究主要集中在系統硬件的設計和信道參數的分析測量等，關于該系統中信道編碼方案的相關研究較少。60 GHz短距離通信系統多徑衰落嚴重，周圍環境中擺放的物品或墻壁等都對信號的傳輸產生影響，因此幅度衰落嚴重，導致傳輸質量下降[5]。針對這一問題，本文首先對系統下的信道編碼方案進行研究。信道編碼的本質是在有用信息序列中加入若干校驗信息，這些冗余的信息可以使接收端檢測出錯誤信號并及時糾正，提高接收端的可靠性。低密度奇偶校驗（Low Density Parity Check，LDPC）碼是一種逼近Shannon限的糾錯碼，以該碼為系統碼，可以快速地進行編碼操作，具有較短的碼長適合并行譯碼，同時具有多種碼率，適合不同的應用環境，已經被應用到60 GHz系統的相關標準中。文獻[6]對準循環LDPC碼進行性能分析，其在中短碼長上具有很大優勢，在碼長和碼率的選擇上也相對比較靈活。文獻[7]研究60 GHz通信系統中的LDPC碼性能，研究表明對于不同質量的信道，LDPC碼都可以獲得較低的BER性能。文獻[8]在特定水聲信道中對基于非規則QCLDPC碼的均衡方案進行探究，對三種典型均衡算法進行對比，結果表明該方案可以有效對抗干擾。本文在研究適用于60 GHz脈沖通信系統信道編碼的前提下，針對60 GHz脈沖通信系統的多經衰落問題，為克服該系統由于衰落嚴重而產生的碼間干擾及符號間干擾（ISI）等誤碼問題，在接收端將QCLDPC譯碼與反饋均衡器結合，先均衡再譯碼，以得到更為可靠的傳輸。

1 系統搭建與分析

圖1給出了搭建的60 GHz脈沖系統模型。其中信道編碼技術采用QCLDPC碼，調制方式選擇BPSK，為了方便實現，選取實際電路易產生的高斯脈沖信號，通過頻譜搬移得到的60 GHz脈沖信號為：

2 基于LDPC碼的均衡方案

2.1 編碼方案

為選取適用于60 GHz系統的低復雜、高效率、性能好的編碼方案，本文采用幾種不同的編碼在該系統下進行性能仿真。對于不同的編碼方案，其結構特點、編譯碼方式、適用環境都不相同，為了得到更為可靠的比較結果，現考慮在碼率相同的條件下作對比。卷積碼因擁有良好的可靠性已經被廣泛應用。LDPC碼、Turbo碼在很差的信道條件下均能降低信息的錯誤傳輸概率。文獻[10]對規則與不規則兩類LDPC碼進行理論分析與仿真比較，發現不規則的LDPC碼擁有更好的糾錯能力。參考目前成熟的幾種編碼方案，本文選用碼率為[12]的（2，1，3）卷積碼、Turbo碼、規則LDPC碼、不規則QCLDPC碼進行該系統下的性能仿真。其中，碼率為[12]的QCLDPC碼基矩陣為4×8，碼長為1 024。譯碼方式選擇運算量相對較少的對數域置信傳播算法。

2.2 基于LDPC碼的均衡器設計

多徑衰落是現在無線通信無法回避的問題，均衡器作為有效對抗信道干擾的方法已經被廣泛應用。本文在研究信道編碼的基礎上將其與均衡技術結合，可以提高信息傳輸成功率，有效對抗碼間干擾。編碼后的信息經過ISI信道后會受到噪聲干擾，首先經過均衡器處理，然后輸出信號經過逆映射后傳入譯碼器譯碼，此時視為內環迭代。如果內環譯碼不成功，信息序列再次返回到均衡器處理，此過程視為外環迭代。如此反復，通過兩者不斷地加強信息的正確性，可以明顯降低接收端譯碼的誤碼率。

整個算法的步驟如下：

1） 算法初始化，開始沒有先驗信息，[Lxn=0]（[xn]等概率取+1和?1）。此時，前饋濾波器系數為[cNA=σ2ωIN+HVnHH+（1-vn）ssH-1sLxn=0]。迭代輸出[LExn]，然后跳至步驟3）。

2） 對信號進行均衡處理，此時可以獲取先驗信息，那么[x=Exn=eLxn-11+eLxn]，然后得到均衡器輸出[LExn]。

3） 進行BP譯碼。

4） 假設判決后的碼字為[f]。對判決碼字進行判斷，如果滿足[Hf=0]，即譯碼無誤，那么跳至步驟5）。若譯碼有誤，跳至步驟2）。

5） 譯碼成功，停止BP算法的迭代運算，同時也停止外部迭代。

3 仿真結果及分析

用Matlab進行仿真，仿真參數設置為：發射機功率設置為0 dBm，采樣頻率為1×1012 Hz，脈沖持續時間為2×10-11 s，二階高斯脈沖形成因子為8×10-12 s。

3.1 不同編碼方案的誤碼性能

不同編碼方案性能曲線如圖2所示，誤碼率為10-5時，與未加編碼的系統相比，（2，1，3）卷積碼、規則LDPC碼、Turbo碼、不規則QCLDPC碼系統性能分別提升約2.5 dB，3.3 dB，4.1 dB，4.3 dB。仿真結果表明，當誤碼率達到10-5，QCLDPC編碼系統相較于（2，1，3）卷積碼、規則LDPC碼、Turbo碼，在誤碼率相同時系統性能更好，系統性能各提升約1.8 dB，1 dB，0.2 dB，節約了更多的能量。這是因為QCLDPC碼校驗矩陣的稀疏性和準循環特性，可以讓它擁有高效的糾錯能力，因此具有較好的誤碼率性能。通過對幾種不同編碼方案進行仿真分析獲得了編碼增益，選擇性能較好的QCLDPC碼作為研究對象。

3.2 基于LDPC編碼的均衡器性能分析

將基于QCLDPC碼的反饋均衡與基于LDPC碼的線性均衡進行對比分析，系統性能隨外環均衡迭代次數的變化曲線如圖3所示。仿真結果表明：在外環均衡算法執行次數不斷增加的情況下，系統接收端的性能不斷提高，碼字錯誤率不斷降低，繼續迭代，系統性能將達到平穩狀態，此時的均衡迭代已經可以獲得可靠的信息。比較分為兩組，固定內環迭代5次，第一組當SNR=2 dB時，在外環算法執行次數小于5時，MMSE線性均衡性能優于MMSE?DFE均衡，此時信噪比低，反饋均衡器的結構優勢沒有充分體現，反饋機制作用不大，使得效果不如線性均衡器；當外環執行數大于5次時，MMSE?DFE均衡的效果反超MMSE線性均衡；繼續迭代，當外環執行次數大于11后，兩種均衡BER都保持在平穩狀態。第二組當SNR=4 dB時，MMSE?DFE均衡的優勢得以體現，性能一直優于MMSE線性均衡，同樣，隨均衡算法執行次數的增多兩種算法均到達一個穩定狀態。因此本文選取外環迭代10次，保證信號可以進行充分的迭代，又不增加過多的復雜度。

圖4所示為線性均衡器系統、未加均衡系統、反饋均衡系統的性能對比曲線。設置譯碼器內環迭代5次，均衡器外環迭代10次。仿真結果表明：當SNR<2.7 dB時，MMSE線性均衡性能優于MMSE?DFE判決反饋均衡；當SNR>2.7 dB時，MMSE?DFE判決反饋均衡反超MMSE線性均衡，性能改善程度較大。當誤碼率到達10-5時，MMSE線性均衡、MMSE?DFE均衡較未加均衡系統分別有約0.6 dB、1.3 dB的增益，MMSE?DFE均衡較MMSE線性均衡有約0.7 dB的增益。因為隨著信噪比的增大，信息傳輸的可靠性增強，判決反饋濾波器通過反饋機制可以接收到更為準確的信息，再把信息傳送到譯碼器部分，從而增加譯碼的可靠性。這樣就造成了圖4所示MMSE?DFE均衡與線性均衡的性能曲線有一個交叉點，這種差異隨著信噪比的增加更加明顯。

通過分析，MMSE線性均衡和MMSE?DFE均衡都可以有效處理ISI，在高信噪比的情況下，聯合MMSE?DFE均衡具有更高的接收可靠性，可以滿足60 GHz脈沖無線通信系統高可靠傳輸需求。

表1為當誤碼率達到10-5時，結合QCLDPC碼的均衡算法相較于其他各種編碼方案的系統性能增益匯總。

4 結 語

本文在構建60 GHz脈沖無線通信系統的基礎上，研究適用于此系統的信道編碼，針對該系統中信號衰落嚴重而產生的信息錯誤傳輸問題，將QCLDPC編碼與均衡技術結合，有效提升傳輸的正確性。通過仿真分析得出，基于QCLDPC碼的MMSE?DFE均衡在誤碼率達到10-5時，與未加編碼系統相比性能提升約5.6 dB。這種均衡能有效對抗ISI，保證系統的可靠性，可以滿足5G熱點高容量場景下60 GHz短距離通信系統高速可靠數據傳輸的需求，為此場景下的均衡方案提供技術參考，具有實際價值。

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