SCM-OFDM系统在高速信道下的干扰抑制算法

彭涛，肖 悦，李少谦

电子科技大学 通信抗干扰国家级重点实验室，成都 611731

SCM-OFDM系统在高速信道下的干扰抑制算法

彭涛，肖 悦，李少谦

电子科技大学 通信抗干扰国家级重点实验室，成都 611731

1 引言

作为一种非正交的多址方式，交织多址（IDMA）在2002年被首次提出，它采用交织器来区分不同的用户，具有抗干扰能力强、系统容量大等优点[1-3]。基于IDMA的思想，重叠码调制（SCM）作为一种高效带宽的编码调制方式被提出，它通过重叠相互独立的比特编码符号来产生发射信号[4-6]。相对于传统的编码调制方式，如网格编码调制（TCM）和迭代译码的比特交织编码调制（BICM-ID），SCM具有传输效率高、分集增益高、码率的自适应调节以及检测复杂度低等优点。

为了对抗频率选择性衰落的影响，SCM可以与正交频分复用（OFDM）技术相结合，以提高系统的容量和可靠性。两者结合的SCM-OFDM系统可以通过OFDM减轻符号间干扰（ISI），通过SCM的迭代检测消除层间干扰[7]。但在无线通信中，随着移动台的高速移动和载波频率的不断增大，将会引起严重的信道时间和频率弥散性（时延扩展和多普勒扩展），导致频率选择性衰落和时间选择性衰落信道，即时频双选信道[8-9]。在高速信道中，通过OFDM技术可以将频率选择性衰落信道转化为平坦衰落信道，从而克服频率选择性衰落。但信道的时间选择性衰落，将破坏OFDM系统中子载波间的正交性并产生载波间干扰（ICI），这将导致系统性能的下降[10-11]。

针对高速信道的时变性导致的ICI问题，文献[12-14]提出了一些适用于正交频分多址（OFDMA）和多载波码分多址（MC-CDMA）系统中的干扰消除技术和信号检测方法。但是，由于不同的系统结构，这些方法并不能适用于SCM-OFDM系统。而之前关于SCM-OFDM系统的研究，都仅考虑了频率选择性信道。如果将这些传统检测方法用于高速信道中，它们将不能抑制由信道时变性导致的ICI干扰，从而将引起系统性能的下降。

因此，本文提出了一种用于SCM-OFDM系统在高速信道中的干扰估计和抵消算法。该算法不但可以抑制SCM-OFDM系统的层间干扰，也可以抑制由高速信道时变性导致的ICI干扰。

2 系统模型

2.1 SCM-OFDM系统的发射机模型

SCM-OFDM系统的发射机结构如图1所示。

图1SCM-OFDM系统的发射机结构

在SCM调制中，比特数据首先经过串并转换变成多个并行的传输层，每层的数据再分别进行编码交织和调制，最后将所有层的调制符号进行线性叠加组合。其中，每层的编码器是相同的，但每层的交织器互不相同。

假设SCM调制中的层数为K，对于第k个子序列，数据dk首先通过低码率的编码器，产生编码序列ck。然后ck再被随机交织器πk打乱顺序产生交织后的序列。之后再通过数字调制器生成调制后的符号序列Xk。

经过重叠码调制之后的符号序列可表示为：

然后，符号序列X再进行OFDM多载波调制，包括快速傅里叶逆变换（IFFT）和插入循环前缀（CP），利用IFFT变换将数据符号调制到各个子载波上。这样，经过OFDM调制之后的时域发射信号可表示为：

其中，Ng表示CP的长度，它必须大于信道的最大时延长度，N表示子载波数。

2.2 SCM-OFDM系统的传统检测方法

文献[4]提出了一种用于SCM-OFDM系统在频率选择性信道中的检测方法。由于SCM和IDMA系统结构的相似性，SCM系统的每一层数据可认为多用户系统的单个用户。因此，OFDM-IDMA系统的多用户检测方法可用于SCM-OFDM系统中对每层数据的检测。

SCM-OFDM系统的接收机结构如图2所示，其中多层检测器（MLD）、交织/解交织器、译码器部分和IDMA的基本接收机结构类似。接收机首先对接收信号进行去CP和 FFT变换，解调出各个子载波上的数据，然后再进行迭代检测。

图2SCM-OFDM系统的接收机结构

经过频率选择性信道之后的时域接收信号可表示为：

其中，⊗表示循环卷积操作，h(n)为信道冲击响应，w(n)表示均值为0、方差为σ2的高斯白噪声（AWGN）。

然后，时域接收信号通过OFDM解调变换到频域，得到的频域接收信号为：

其中，H(m)和W(m)分别为频域上的信道响应和高斯噪声。

频域接收信号Rs被送入SCM迭代检测器，进行迭代多层检测。在MLD检测器中，通过计算干扰信号的均值和方差，可以估计出每层数据的外信息；然后外信息再经过解交织器送入译码器进行软译码。在迭代过程中，译码器再将其输出的软信息在经过交织之后反馈给MLD检测器进行下一次检测。当接收机达到预先设定的迭代次数时，译码器输出每一层的判决数据，将所有层的判决数据进行并串转换可得到最终的判决数据符号。关于SCM-OFDM系统传统检测器的具体算法描述，可参考文献[4]。

3 SCM-OFDM系统在高速信道中的干扰抑制

3.1 高速信道对SCM-OFDM系统的影响

在实际系统中，随着移动台车速的不断增大，多普勒频移将会加大，实际信道将变成时间选择性和频率选择性信道。这样，信道的时变性将破坏子载波间的正交性从而导致ICI的产生。此时的时域接收信号将变为：

其中，h(n，l)表示第l条路径在时间n点的信道冲击响应，H(n，u)表示第u个子载波在时间n点的信道频域响应，L为信道时延长度。

等式（5）表示成矩阵形式，有：

其中，r、X和w分别为N×1维的时域接收向量、频域发射向量和噪声向量，N×N维的信道矩阵Ht如式（7）所示：

在对时域接收信号r进行FFT变换之后，频域接收信号可表示为：

其中，FN为N点的FFT矩阵，W为频域的噪声向量，Hf为等效的频域信道矩阵：

当移动台处于低速环境中时，信道的单位冲击响应可假设在一个OFDM符号内近似不变，此时Hf变为一个对角矩阵，接收机可采用传统方法对信号进行检测。但是，当移动台处于高速环境中时，信道的单位冲击响应在一个OFDM符号内将不断变化，接收信号中将产生额外的子载波间干扰。这样，如果接收机仍然采用传统检测方法，载波间干扰仍将存在并导致系统性能的下降。

3.2 提出的干扰抑制算法

为了解决高速环境中信道时变性对接收信号的影响，下面提出了一种用于SCM-OFDM系统在高速信道中的干扰抑制方法。该方法不但考虑了SCM-OFDM系统的层间干扰的问题，也考虑了由信道时变性导致的ICI问题。它采用两个步骤对接收信号中的干扰项进行迭代软估计和消除。具体地说，MLD检测器首先利用DEC译码器反馈的译码符号的软信息，对ICI干扰进行估计和消除，并重构无ICI干扰的接收信号；然后再对残留的干扰项进行高斯近似，采用低复杂度的多用户检测方法去抑制层间干扰，计算出发送信号的外信息。

为了检测第m个子载波上第k层的数据，将等式（8）表示成如下形式：

在上面提出的方法中，载波间的干扰首先被估计和抑制，然后层间干扰再被消除。随着接收机迭代检测次数的增加，接收信号中的干扰项将逐渐被消除，从而恢复出每一层的发送信号。

4 仿真分析

下面通过计算机仿真来验证本文提出的SCM-OFDM系统在高速信道中的干扰抑制算法的性能。仿真中的系统参数参照WiMAX标准[15]，如表1所示。信道模型采用车载的ITU瑞利衰落多径信道模型，其中每条路径的相对时延和平均功率分别为（0 310 710 1 090 1 730 2 510）（单位：ns）和（0－1－9－10－15－20）（单位：dB）。

表1 仿真参数

图3给出了SCM-OFDM系统的传统方法在瑞利衰落信道中的比特错误率（BER）随信噪比（SNR）变化的曲线图，其中接收机迭代检测次数S=3。从图中可以看出，随着移动台车速的增加，归一化的多普勒频率逐渐增大，传统方法的系统性能将会越来越差。当移动台处于高速环境下时，如 fdT=0.2或0.15，系统的BER性能在高信噪比时较差。这是因为传统方法没有考虑由信道时变性导致的ICI干扰，而这部分干扰将随着 fdT的增加而增大。

图3 传统方法随归一化多普勒频率fdT的性能变化曲线

图4和图5为本文提出的方法与传统方法在瑞利衰落信道中不同迭代检测次数时的性能比较曲线。从图中可知，当迭代检测次数S=1时，本文提出的方法和传统方法的性能差距非常小。但随着迭代检测次数的增加，本文提出的方法在高信噪比时的性能优势逐渐得到体现。当迭代检测次数S=3时，本文提出的方法的性能明显优于传统方法。图4和图5证明了本文提出的方法能够抑制时变信道导致的ICI干扰，并能有效地改善系统的BER性能。

5 结束语

本文提出了一种用于SCM-OFDM系统在高速信道中的干扰抑制算法。该算法不但可以抑制SCM-OFDM系统的层间干扰，也可以抑制由高速信道时变性导致的ICI干扰。仿真结果表明，该算法可以有效地提高SCM-OFDM系统在高速信道中的性能。

图4 本文提出的方法与传统方法在不同迭代检测次数时的性能比较曲线（fdT=0.15）

图5 本文提出的方法与传统方法在不同迭代检测次数时的性能比较曲线（fdT=0.2）

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PENG Tao,XIAO Yue,LI Shaoqian

National Key Laboratory of Science and Technology on Communications,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China

Superposition Coded Modulation-Orthogonal Frequency Division Multiplexing（SCM-OFDM）systems are prone to the problem of serious interference from multiple-layers and inter-carriers when mobile terminals are in a high speed environment.To alleviate this problem,an interference estimation and cancellation algorithm is proposed for SCM-OFDM systems in high speed channels.In this algorithm,the Intercarrier Interference（ICI）and Multiple-Layer Interference（MLI）can be estimated and cancelled separately based on the soft information fed back from decoders.Simulation results show that the proposed algorithm can improve the performance of SCM-OFDM systems in the high speed movement.

Orthogonal Frequency Division Multiplex（OFDM）;Superposition Coded Modulation（SCM）;high speed channels

针对重叠码调制的正交频分复用（SCM-OFDM）系统在高速移动环境中，将产生复杂的载波间干扰和层间干扰问题，提出了一种用于SCM-OFDM系统在高速信道中的干扰估计和抵消算法。该算法利用译码器反馈的软信息，分别对载波间干扰和层间干扰进行估计和消除。仿真结果表明，提出的算法能够有效地改善SCM-OFDM系统在高速环境下的性能。关键词：正交频分复用；重叠码调制；高速信道

A

TN911

10.3778/j.issn.1002-8331.1306-0019

PENG Tao,XIAO Yue,LI Shaoqian.Interference compensation algorithm for SCM-OFDM systems in high speed channels. Computer Engineering and Applications,2013,49（23）：10-13.

国家自然科学基金（No.61101101）；北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室（No.KFKT-2012102）；国家科技重大专项（No.2010ZX03006-002-02）；国家级科技重点实验室基金（No.9140C020404120C0201）；中央高校基本科研业务费专项资金。

彭涛（1985—），男，博士生，研究领域为正交频分复用技术；肖悦（1979—），男，博士，副教授，研究领域为无线通信中的信号处理技术；李少谦（1957—），男，教授，博士生导师，研究领域为无线与移动通信。E-mail：tpeng.cn@gmail.com

2013-06-06

2013-07-22

1002-8331（2013）23-0010-04

CNKI出版日期：2013-07-29 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20130729.1105.003.html