60GHz下基于QCLDPC编码的均衡方案性能研究

欧莹 李学华

摘 要： 针对60 GHz脉冲无线通信系统中多径衰落引起的误码问题，提出一种适用于该系统的QCLDPC码均衡方案。在构建系统模型的基础上，通过比较几種典型的编码方法，综合误码性能及复杂度，选取QCLDPC编码作为与均衡器结合的编码方案。接收端由均衡滤波器和QCLDPC译码器两部分构成，两者通过互相交换信息使迭代结果更加可靠，可以有效消除干扰信息，提高通信质量。仿真结果表明，在误码率达到10-5时，结合QCLDPC编码的MMSE?DFE均衡系统，较未编码系统性能提升了约5.6 dB，可以满足5G热点高容量场景下高速可靠数据传输的需求，具有实际意义。

关键词： 60 GHz无线通信系统； QCLDPC码； 均衡器； 数据传输； 5G； 通信质量

中图分类号： TN911.22?34 文献标识码： A 文章编号： 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支持多样化的场景，低频段可以为用户在移动性较高的范围内提供更好的速率需求，而高频段丰富的频谱资源可以在热点高容量场景下提供稳定且快速的数据业务[1]。60 GHz毫米波具有安全性高、定向性好、数据传输速率高等特点，对于室内传输数据文件等业务具有很大优势，被视作将来几年中最具潜力的短距离无线通信技术[2]。现在60 GHz频段凭借其独有的优势已经成为5G高频新空口的重点研究对象[3]。这些优点使其在很多应用场景下都可以发挥巨大作用，如应用于无线个域网、无线高清多媒体接口、海量文件的传输、汽车防撞报警系统、医疗成像、卫星星际通信等[4]。本文主要在家居环境下研究60 GHz脉冲通信系统的性能。目前，60 GHz频段的研究正处于火热状态，关于60 GHz脉冲无线电技术的研究主要集中在系统硬件的设计和信道参数的分析测量等，关于该系统中信道编码方案的相关研究较少。60 GHz短距离通信系统多径衰落严重，周围环境中摆放的物品或墙壁等都对信号的传输产生影响，因此幅度衰落严重，导致传输质量下降[5]。针对这一问题，本文首先对系统下的信道编码方案进行研究。信道编码的本质是在有用信息序列中加入若干校验信息，这些冗余的信息可以使接收端检测出错误信号并及时纠正，提高接收端的可靠性。低密度奇偶校验（Low Density Parity Check，LDPC）码是一种逼近Shannon限的纠错码，以该码为系统码，可以快速地进行编码操作，具有较短的码长适合并行译码，同时具有多种码率，适合不同的应用环境，已经被应用到60 GHz系统的相关标准中。文献[6]对准循环LDPC码进行性能分析，其在中短码长上具有很大优势，在码长和码率的选择上也相对比较灵活。文献[7]研究60 GHz通信系统中的LDPC码性能，研究表明对于不同质量的信道，LDPC码都可以获得较低的BER性能。文献[8]在特定水声信道中对基于非规则QCLDPC码的均衡方案进行探究，对三种典型均衡算法进行对比，结果表明该方案可以有效对抗干扰。本文在研究适用于60 GHz脉冲通信系统信道编码的前提下，针对60 GHz脉冲通信系统的多经衰落问题，为克服该系统由于衰落严重而产生的码间干扰及符号间干扰（ISI）等误码问题，在接收端将QCLDPC译码与反馈均衡器结合，先均衡再译码，以得到更为可靠的传输。

1 系統搭建与分析

图1给出了搭建的60 GHz脉冲系统模型。其中信道编码技术采用QCLDPC码，调制方式选择BPSK，为了方便实现，选取实际电路易产生的高斯脉冲信号，通过频谱搬移得到的60 GHz脉冲信号为：

2 基于LDPC码的均衡方案

2.1 编码方案

为选取适用于60 GHz系统的低复杂、高效率、性能好的编码方案，本文采用几种不同的编码在该系统下进行性能仿真。对于不同的编码方案，其结构特点、编译码方式、适用环境都不相同，为了得到更为可靠的比较结果，现考虑在码率相同的条件下作对比。卷积码因拥有良好的可靠性已经被广泛应用。LDPC码、Turbo码在很差的信道条件下均能降低信息的错误传输概率。文献[10]对规则与不规则两类LDPC码进行理论分析与仿真比较，发现不规则的LDPC码拥有更好的纠错能力。参考目前成熟的几种编码方案，本文选用码率为[12]的（2，1，3）卷积码、Turbo码、规则LDPC码、不规则QCLDPC码进行该系统下的性能仿真。其中，码率为[12]的QCLDPC码基矩阵为4×8，码长为1 024。译码方式选择运算量相对较少的对数域置信传播算法。

2.2 基于LDPC码的均衡器设计

多径衰落是现在无线通信无法回避的问题，均衡器作为有效对抗信道干扰的方法已经被广泛应用。本文在研究信道编码的基础上将其与均衡技术结合，可以提高信息传输成功率，有效对抗码间干扰。编码后的信息经过ISI信道后会受到噪声干扰，首先经过均衡器处理，然后输出信号经过逆映射后传入译码器译码，此时视为内环迭代。如果内环译码不成功，信息序列再次返回到均衡器处理，此过程视为外环迭代。如此反复，通过两者不断地加强信息的正确性，可以明显降低接收端译码的误码率。

整个算法的步骤如下：

1） 算法初始化，开始没有先验信息，[Lxn=0]（[xn]等概率取+1和?1）。此时，前馈滤波器系数为[cNA=σ2ωIN+HVnHH+（1-vn）ssH-1sLxn=0]。迭代输出[LExn]，然后跳至步骤3）。

2） 对信号进行均衡处理，此时可以获取先验信息，那么[x=Exn=eLxn-11+eLxn]，然后得到均衡器输出[LExn]。

3） 进行BP译码。

4） 假设判决后的码字为[f]。对判决码字进行判断，如果满足[Hf=0]，即译码无误，那么跳至步骤5）。若译码有误，跳至步骤2）。

5） 译码成功，停止BP算法的迭代运算，同时也停止外部迭代。

3 仿真结果及分析

用Matlab进行仿真，仿真参数设置为：发射机功率设置为0 dBm，采样频率为1×1012 Hz，脉冲持续时间为2×10-11 s，二阶高斯脉冲形成因子为8×10-12 s。

3.1 不同编码方案的误码性能

不同编码方案性能曲线如图2所示，误码率为10-5时，与未加编码的系统相比，（2，1，3）卷积码、规则LDPC码、Turbo码、不规则QCLDPC码系统性能分别提升约2.5 dB，3.3 dB，4.1 dB，4.3 dB。仿真结果表明，当误码率达到10-5，QCLDPC编码系统相较于（2，1，3）卷积码、规则LDPC码、Turbo码，在误码率相同时系统性能更好，系统性能各提升约1.8 dB，1 dB，0.2 dB，节约了更多的能量。这是因为QCLDPC码校验矩阵的稀疏性和准循环特性，可以让它拥有高效的纠错能力，因此具有较好的误码率性能。通过对几种不同编码方案进行仿真分析获得了编码增益，选择性能较好的QCLDPC码作为研究对象。

3.2 基于LDPC编码的均衡器性能分析

将基于QCLDPC码的反馈均衡与基于LDPC码的线性均衡进行对比分析，系统性能随外环均衡迭代次数的变化曲线如图3所示。仿真结果表明：在外环均衡算法执行次数不断增加的情况下，系统接收端的性能不断提高，码字错误率不断降低，继续迭代，系统性能将达到平稳状态，此时的均衡迭代已经可以获得可靠的信息。比较分为两组，固定内环迭代5次，第一组当SNR=2 dB时，在外环算法执行次数小于5时，MMSE线性均衡性能优于MMSE?DFE均衡，此时信噪比低，反馈均衡器的结构优势没有充分体现，反馈机制作用不大，使得效果不如线性均衡器；当外环执行数大于5次时，MMSE?DFE均衡的效果反超MMSE线性均衡；继续迭代，当外环执行次数大于11后，两种均衡BER都保持在平稳状态。第二组当SNR=4 dB时，MMSE?DFE均衡的优势得以体现，性能一直优于MMSE线性均衡，同样，随均衡算法执行次数的增多两种算法均到达一个稳定状态。因此本文选取外环迭代10次，保证信号可以进行充分的迭代，又不增加过多的复杂度。

图4所示为线性均衡器系统、未加均衡系统、反馈均衡系统的性能对比曲线。设置译码器内环迭代5次，均衡器外环迭代10次。仿真结果表明：当SNR<2.7 dB时，MMSE线性均衡性能优于MMSE?DFE判决反馈均衡；当SNR>2.7 dB时，MMSE?DFE判决反馈均衡反超MMSE线性均衡，性能改善程度较大。当误码率到达10-5时，MMSE线性均衡、MMSE?DFE均衡较未加均衡系统分别有约0.6 dB、1.3 dB的增益，MMSE?DFE均衡较MMSE线性均衡有约0.7 dB的增益。因为随着信噪比的增大，信息传输的可靠性增强，判决反馈滤波器通过反馈机制可以接收到更为准确的信息，再把信息传送到译码器部分，从而增加译码的可靠性。这样就造成了图4所示MMSE?DFE均衡与线性均衡的性能曲线有一个交叉点，这种差异随着信噪比的增加更加明显。

通过分析，MMSE线性均衡和MMSE?DFE均衡都可以有效处理ISI，在高信噪比的情况下，联合MMSE?DFE均衡具有更高的接收可靠性，可以满足60 GHz脉冲无线通信系统高可靠传输需求。

表1为当误码率达到10-5时，结合QCLDPC码的均衡算法相较于其他各种编码方案的系统性能增益汇总。

4 结 语

本文在构建60 GHz脉冲无线通信系统的基础上，研究适用于此系统的信道编码，针对该系统中信号衰落严重而产生的信息错误传输问题，将QCLDPC编码与均衡技术结合，有效提升传输的正确性。通过仿真分析得出，基于QCLDPC码的MMSE?DFE均衡在误码率达到10-5时，与未加编码系统相比性能提升约5.6 dB。这种均衡能有效对抗ISI，保证系统的可靠性，可以满足5G热点高容量场景下60 GHz短距离通信系统高速可靠数据传输的需求，为此场景下的均衡方案提供技术参考，具有实际价值。

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