一种改进的SC-FDE块迭代判决反馈均衡器

彭佳琪，赵洪林，张若愚

(哈尔滨工业大学 通信技术研究所，黑龙江 哈尔滨150001)



一种改进的SC-FDE块迭代判决反馈均衡器

彭佳琪，赵洪林，张若愚

(哈尔滨工业大学 通信技术研究所，黑龙江 哈尔滨150001)

单载波频域均衡(SC-FDE)系统能有效地对抗频域选择性衰落信道。块迭代判决反馈均衡(IBDFE)是单载波频域均衡系统中一种有效的非线性均衡算法，但是其计算复杂度较高，且复杂度与迭代次数成正比。鉴于此，提出一种改进算法，在改进算法中，将接收信号经过MMSE均衡得到发送信号估计值作为传统算法反馈支路输出，前馈支路结构保持不变。对比传统IBDFE算法，迭代被取消，故降低了计算复杂度。对传统IBDFE算法和改进IBDFE算法性能进行比较，实验结果证明：改进IBDFE算法性能在与传统IBDFE算法性能相似的条件下降低了计算复杂度。

单载波频域均衡；块迭代判决反馈；相关因子；最小均方误差

0 引言

多载波正交频分复用(OFDM)和单载波频域均衡是常用的抗多径衰落信道的解决方法。其中，SC-FDE常用于上行链路通信中[1]。

目前单载波频域均衡系统的研究热点主要集中在与各种新兴技术结合、频域均衡和信道估计等方面。对于频域均衡算法的研究，文献[2]提出了一种时频域混合结构的判决反馈均衡器(HDFE)；文献[3]提出了一种复杂度较低的基于噪声预测的判决反馈均衡器(NP-DFE)；文献[4]提出了一种块迭代判决反馈均衡器(IBDEF)，前馈和反馈均在频域进行；文献[5]提出MMSE-RISIC均衡器，对比MMSE算法，性能得到提到但增加了计算复杂度；文献[6-7]提出了交织双向判决反馈均衡；文献[8]提出了系统中的协作分集方法；对于IBDFE均衡算法，在文献[4]之上，文献[9]提出了一种低复杂度的替代算法；文献[10]对相关因子估计算法进行改进，获得更好的性能；文献[11]对IBDEF进行改进，提出了微小间隔块迭代判决反馈均衡器(FS-IBDEF)，避免了矩阵求导过程。

1 SC-FDE基本原理

SC-FDE的原理框图如图1所示。发送端输入原始数据，加入循环前缀后封装成帧，循环前缀使发送数据与信道冲激响应的线性卷积结果等于循环卷积结果。选取Chu序列作为UW序列。

图1 SC-FDE原理框图

接受数据通过FFT变换可以表示为：

Rk=SkHk+Vk，

(1)

2 IBDFE均衡算法原理

频域块迭代判决反馈均衡基本思想是通过多次迭代来增加检测数据的可靠性，块迭代判决反馈均衡器原理如图2所示。

图2 块迭代判决反馈均衡器原理框图

(2)

(3)

由此可以得到第l次迭代结果的频域表示：

U(l)=Z(l)+Y(l)。

(4)

利用最小均方误差准则推导滤波器系数，利用J(l)来衡量MSE检测：

(5)

通过帕赛瓦尔定理，将式(5)进行变换：

(6)

(7)

(8)

(9)

相关因子由文献[4]中的估计方法得到：

(10)

3 改进IBDFE均衡算法原理

图3 改进块迭代判决反馈均衡器原理框图

与传统IBDFE算法的原理框图对比可以看出，原来的反馈均衡支路被MMSE均衡算法所取代了，故不再存在块迭代的说法，前馈均衡支路结构保持不变。这时，均衡之后的结果可以表示为：

Uk=RkCk-BkSk。

(11)

同样利用MSE准则推导滤波器系数，式(6)可以改写为：

(12)

考虑发送信号与噪声的相关性，式(12)可以简化为：

(13)

定义拉格朗日函数为：

(14)

式中，λ为拉格朗日乘数，分别对Ck、Bk和λ进行求导，并令其导数为零：

(15)

(16)

(17)

可以解得：

(18)

(19)

(20)

由上述推导可以看出，前馈和反馈滤波器系数不再与相关因子有关，因而系数计算复杂度得以降低。

4 性能分析

传统IBDFE算法由于需要迭代而导致计算复杂度增加，且计算复杂度与迭代次数成正比。改进IBDFE算法由于取消了迭代反馈从而降低了计算复杂度，与仅迭代一次的传统IBDFE算法的复杂度相近，但仍高于MMSE算法的计算复杂度。三种算法的复杂度比较如表1所示。

表1 计算复杂度的比较

对3种均衡算法进行仿真，信源采用相互独立的QPSK调制数据，一帧数据包含N=512个符号，UW序列长度为64，未进行信道编码，假定接收端同步状态理想，信道估计采用LS算法，并使用DFT插值算法。

图4为在瑞利信道下的仿真结果。从图中可以看出，3种算法的性能均随着信噪比的增大而提高，其中，MMSE算法的性能是最不理想的，传统IBDEF算法的性能会随着迭代次数的增加而有一定程度的改善；在瑞利信道条件下，改进IBDFE算法较另两种算法有较大的性能改善，在误比特率为10-4的情况下，与MMSE算法相比信噪比增益可以达到3 dB，而与经过4次迭代的传统IBDFE算法相比信噪比增益可以达到1 dB。

图4 瑞利信道下SC-FDE误码率曲线

图5为在SUI-3信道下的仿真结果。由图可知，由于信道的改变，改进IBDFE算法的性能受到了较大的影响，与传统IBDFE算法性能相近，在信噪比较低的情况下，改进IBDFE算法略优于传统算法，在信噪比较高的情况下，经过3次迭代的传统IBDFE算法性能略高于改进IBDFE算法。

图5 SUI-3信道下SC-FDE误码率曲线

5 结束语

相比于OFDM峰均功率比较大、对载波频率偏移敏感等缺点，SC-FDE具有较大优势，因此近来受到较多关注。通过对传统IBDFE算法的研究，针对其计算复杂度高的问题提出了一种改进算法。在改进算法中，取消了发送信号与迭代判决信号相关系数的计算，降低了计算复杂度。仿真结果表明，瑞利信道下，改进INDFE算法可以取得更好的性能；在SUI-3信道下，改进IBDFE算法与经过3次迭代的传统IBDFE算法性能相似。改进IBDFE算法性能很大程度上依靠MMSE均衡算法结果的准确度，因此还需进一步改进。

[1] Falconer D,Ariyavisitakul S L,Benyamin-Seeyar A,et al.Frequency Domain Equalization for Single-carrier Broadband Wireless Systems[J].IEEE Communications Magazine,2002,40(4):58-66.

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[4] Benvenuto N,Tomasin S.Iterative design and detection of a DFE in the frequency domain[J].IEEE Transactions on Communications,2005,53(11):1867-1875.

[5] 杨 志,刘泽民.SC-FDE系统的一种新型判决反馈均衡器[J].半导体技术,2007,32(9):800-803.

[6] Chan W W,Shea J M,Lee Y.Trellis-Based Conflict Resolution for Bidirectional Decision-Feedback Equalization[C]∥Military Communications Conference,2007.MILCOM 2007.IEEE.IEEE,2007:1-7.

[7] Wong C W,Shea J M,Lee Y.Hard-and Soft-output Trellis-based Conflict Resolution for Bidirectional Decision Feedback Equalization [J].Wireless Communications,IEEE Transactions on,2009,8(7):3780-3788.

[8] 王荆宁,沙学军,谭学治.单载波频域均衡中的协作分集方法[J].哈尔滨工业大学学报,2011,43(7):42-45.

[9] Zhang C,Wang Z,Pan C.Low-Complexity Iterative Frequency Domain Decision Feedback Equalization[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2011,60(3):1295-1301.

[10]赵宇韬,李广军,林水生,等.改进的SC-FDE块迭代判决反馈均衡器[J].电视技术,2013,37(15):148-151.

[11]Benvenuto N,Ciccotosto S,Tomasin S.Iterative Block Fractionally Spaced Nonlinear Equalization for Wideband Channels[J].IEEE Wireless Communication Letters,2015,4(5):489-492.

An Improved Iterative Block Decision Feedback Equalization for SC-FDE System

PENG Jia-qi,ZHAO Hong-lin,ZHANG Ruo-yu

(Communication Research Center,Harbin Institute of Technology,Harbin Heilongjiang 150001,China)

The single carrier frequency domain equalization (SC-FDE) system can effectively work in frequency selective fading channel.The iterative block decision feedback equalization (IBDFE) is a kind of effective nonlinear equalization algorithm in single carrier frequency domain equalization systems with high computational complexity,which is proportional to the number of iterations.In view of this,an improved algorithm is proposed.In this algorithm,the estimate of sending signals as the output of the feedback loops is obtained by the MMSE equalization of the received signal and the structure of feed forward branch remains unchanged.Compared with the traditional IBDFE algorithm,the iteration is canceled,so the computational complexity is reduced.The experimental results show that the improved IBDFE algorithm can reduce the computational complexity and its performances are similar to that of traditional IBDFE algorithm.

single carrier frequency domain equalization; iterative block decision feedback equalization; correlation factor; minimum mean square error

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.06.11

彭佳琪，赵洪林，张若愚.一种改进的SC-FDE块迭代判决反馈均衡器[J].无线电通信技术,2016,42(6):45-47,85.

2016-07-06

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2013CB329003)

彭佳琪(1992—)，女，硕士研究生，主要研究方向：均衡技术。赵洪林(1969—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向：宽带抗干扰传输技术、认知无线电技术。

TP391.4

A

1003-3114(2016)06-45-3