SCM-OFDM系統在高速信道下的干擾抑制算法

彭濤，肖 悅，李少謙

電子科技大學 通信抗干擾國家級重點實驗室，成都 611731

SCM-OFDM系統在高速信道下的干擾抑制算法

彭濤，肖 悅，李少謙

電子科技大學 通信抗干擾國家級重點實驗室，成都 611731

1 引言

作為一種非正交的多址方式，交織多址（IDMA）在2002年被首次提出，它采用交織器來區分不同的用戶，具有抗干擾能力強、系統容量大等優點[1-3]。基于IDMA的思想，重疊碼調制（SCM）作為一種高效帶寬的編碼調制方式被提出，它通過重疊相互獨立的比特編碼符號來產生發射信號[4-6]。相對于傳統的編碼調制方式，如網格編碼調制（TCM）和迭代譯碼的比特交織編碼調制（BICM-ID），SCM具有傳輸效率高、分集增益高、碼率的自適應調節以及檢測復雜度低等優點。

為了對抗頻率選擇性衰落的影響，SCM可以與正交頻分復用（OFDM）技術相結合，以提高系統的容量和可靠性。兩者結合的SCM-OFDM系統可以通過OFDM減輕符號間干擾（ISI），通過SCM的迭代檢測消除層間干擾[7]。但在無線通信中，隨著移動臺的高速移動和載波頻率的不斷增大，將會引起嚴重的信道時間和頻率彌散性（時延擴展和多普勒擴展），導致頻率選擇性衰落和時間選擇性衰落信道，即時頻雙選信道[8-9]。在高速信道中，通過OFDM技術可以將頻率選擇性衰落信道轉化為平坦衰落信道，從而克服頻率選擇性衰落。但信道的時間選擇性衰落，將破壞OFDM系統中子載波間的正交性并產生載波間干擾（ICI），這將導致系統性能的下降[10-11]。

針對高速信道的時變性導致的ICI問題，文獻[12-14]提出了一些適用于正交頻分多址（OFDMA）和多載波碼分多址（MC-CDMA）系統中的干擾消除技術和信號檢測方法。但是，由于不同的系統結構，這些方法并不能適用于SCM-OFDM系統。而之前關于SCM-OFDM系統的研究，都僅考慮了頻率選擇性信道。如果將這些傳統檢測方法用于高速信道中，它們將不能抑制由信道時變性導致的ICI干擾，從而將引起系統性能的下降。

因此，本文提出了一種用于SCM-OFDM系統在高速信道中的干擾估計和抵消算法。該算法不但可以抑制SCM-OFDM系統的層間干擾，也可以抑制由高速信道時變性導致的ICI干擾。

2 系統模型

2.1 SCM-OFDM系統的發射機模型

SCM-OFDM系統的發射機結構如圖1所示。

圖1SCM-OFDM系統的發射機結構

在SCM調制中，比特數據首先經過串并轉換變成多個并行的傳輸層，每層的數據再分別進行編碼交織和調制，最后將所有層的調制符號進行線性疊加組合。其中，每層的編碼器是相同的，但每層的交織器互不相同。

假設SCM調制中的層數為K，對于第k個子序列，數據dk首先通過低碼率的編碼器，產生編碼序列ck。然后ck再被隨機交織器πk打亂順序產生交織后的序列。之后再通過數字調制器生成調制后的符號序列Xk。

經過重疊碼調制之后的符號序列可表示為：

然后，符號序列X再進行OFDM多載波調制，包括快速傅里葉逆變換（IFFT）和插入循環前綴（CP），利用IFFT變換將數據符號調制到各個子載波上。這樣，經過OFDM調制之后的時域發射信號可表示為：

其中，Ng表示CP的長度，它必須大于信道的最大時延長度，N表示子載波數。

2.2 SCM-OFDM系統的傳統檢測方法

文獻[4]提出了一種用于SCM-OFDM系統在頻率選擇性信道中的檢測方法。由于SCM和IDMA系統結構的相似性，SCM系統的每一層數據可認為多用戶系統的單個用戶。因此，OFDM-IDMA系統的多用戶檢測方法可用于SCM-OFDM系統中對每層數據的檢測。

SCM-OFDM系統的接收機結構如圖2所示，其中多層檢測器（MLD）、交織/解交織器、譯碼器部分和IDMA的基本接收機結構類似。接收機首先對接收信號進行去CP和 FFT變換，解調出各個子載波上的數據，然后再進行迭代檢測。

圖2SCM-OFDM系統的接收機結構

經過頻率選擇性信道之后的時域接收信號可表示為：

其中，?表示循環卷積操作，h(n)為信道沖擊響應，w(n)表示均值為0、方差為σ2的高斯白噪聲（AWGN）。

然后，時域接收信號通過OFDM解調變換到頻域，得到的頻域接收信號為：

其中，H(m)和W(m)分別為頻域上的信道響應和高斯噪聲。

頻域接收信號Rs被送入SCM迭代檢測器，進行迭代多層檢測。在MLD檢測器中，通過計算干擾信號的均值和方差，可以估計出每層數據的外信息；然后外信息再經過解交織器送入譯碼器進行軟譯碼。在迭代過程中，譯碼器再將其輸出的軟信息在經過交織之后反饋給MLD檢測器進行下一次檢測。當接收機達到預先設定的迭代次數時，譯碼器輸出每一層的判決數據，將所有層的判決數據進行并串轉換可得到最終的判決數據符號。關于SCM-OFDM系統傳統檢測器的具體算法描述，可參考文獻[4]。

3 SCM-OFDM系統在高速信道中的干擾抑制

3.1 高速信道對SCM-OFDM系統的影響

在實際系統中，隨著移動臺車速的不斷增大，多普勒頻移將會加大，實際信道將變成時間選擇性和頻率選擇性信道。這樣，信道的時變性將破壞子載波間的正交性從而導致ICI的產生。此時的時域接收信號將變為：

其中，h(n，l)表示第l條路徑在時間n點的信道沖擊響應，H(n，u)表示第u個子載波在時間n點的信道頻域響應，L為信道時延長度。

等式（5）表示成矩陣形式，有：

其中，r、X和w分別為N×1維的時域接收向量、頻域發射向量和噪聲向量，N×N維的信道矩陣Ht如式（7）所示：

在對時域接收信號r進行FFT變換之后，頻域接收信號可表示為：

其中，FN為N點的FFT矩陣，W為頻域的噪聲向量，Hf為等效的頻域信道矩陣：

當移動臺處于低速環境中時，信道的單位沖擊響應可假設在一個OFDM符號內近似不變，此時Hf變為一個對角矩陣，接收機可采用傳統方法對信號進行檢測。但是，當移動臺處于高速環境中時，信道的單位沖擊響應在一個OFDM符號內將不斷變化，接收信號中將產生額外的子載波間干擾。這樣，如果接收機仍然采用傳統檢測方法，載波間干擾仍將存在并導致系統性能的下降。

3.2 提出的干擾抑制算法

為了解決高速環境中信道時變性對接收信號的影響，下面提出了一種用于SCM-OFDM系統在高速信道中的干擾抑制方法。該方法不但考慮了SCM-OFDM系統的層間干擾的問題，也考慮了由信道時變性導致的ICI問題。它采用兩個步驟對接收信號中的干擾項進行迭代軟估計和消除。具體地說，MLD檢測器首先利用DEC譯碼器反饋的譯碼符號的軟信息，對ICI干擾進行估計和消除，并重構無ICI干擾的接收信號；然后再對殘留的干擾項進行高斯近似，采用低復雜度的多用戶檢測方法去抑制層間干擾，計算出發送信號的外信息。

為了檢測第m個子載波上第k層的數據，將等式（8）表示成如下形式：

在上面提出的方法中，載波間的干擾首先被估計和抑制，然后層間干擾再被消除。隨著接收機迭代檢測次數的增加，接收信號中的干擾項將逐漸被消除，從而恢復出每一層的發送信號。

4 仿真分析

下面通過計算機仿真來驗證本文提出的SCM-OFDM系統在高速信道中的干擾抑制算法的性能。仿真中的系統參數參照WiMAX標準[15]，如表1所示。信道模型采用車載的ITU瑞利衰落多徑信道模型，其中每條路徑的相對時延和平均功率分別為（0 310 710 1 090 1 730 2 510）（單位：ns）和（0－1－9－10－15－20）（單位：dB）。

表1 仿真參數

圖3給出了SCM-OFDM系統的傳統方法在瑞利衰落信道中的比特錯誤率（BER）隨信噪比（SNR）變化的曲線圖，其中接收機迭代檢測次數S=3。從圖中可以看出，隨著移動臺車速的增加，歸一化的多普勒頻率逐漸增大，傳統方法的系統性能將會越來越差。當移動臺處于高速環境下時，如 fdT=0.2或0.15，系統的BER性能在高信噪比時較差。這是因為傳統方法沒有考慮由信道時變性導致的ICI干擾，而這部分干擾將隨著 fdT的增加而增大。

圖3 傳統方法隨歸一化多普勒頻率fdT的性能變化曲線

圖4和圖5為本文提出的方法與傳統方法在瑞利衰落信道中不同迭代檢測次數時的性能比較曲線。從圖中可知，當迭代檢測次數S=1時，本文提出的方法和傳統方法的性能差距非常小。但隨著迭代檢測次數的增加，本文提出的方法在高信噪比時的性能優勢逐漸得到體現。當迭代檢測次數S=3時，本文提出的方法的性能明顯優于傳統方法。圖4和圖5證明了本文提出的方法能夠抑制時變信道導致的ICI干擾，并能有效地改善系統的BER性能。

5 結束語

本文提出了一種用于SCM-OFDM系統在高速信道中的干擾抑制算法。該算法不但可以抑制SCM-OFDM系統的層間干擾，也可以抑制由高速信道時變性導致的ICI干擾。仿真結果表明，該算法可以有效地提高SCM-OFDM系統在高速信道中的性能。

圖4 本文提出的方法與傳統方法在不同迭代檢測次數時的性能比較曲線（fdT=0.15）

圖5 本文提出的方法與傳統方法在不同迭代檢測次數時的性能比較曲線（fdT=0.2）

[1]Li P，Liu L H，Wu K Y，et al.Interleave division multiple access[J].IEEE Transactionson WirelessCommunications，2006，5（4）：938-947.

[2]LiP，GuoQ H，TongJ.TheOFDM-IDMA approachto wireless communication systems[J].IEEE Wireless Communications，2007，14（3）：18-24.

[3]Tong J，Guo Q H，Li P.Analysis and design of OFDM-IDMA systems[J].European Transactions on Telecommunications，2008，19：561-569.

[4]Tong J，Li P，Ma X.Superposition coded modulation with peak-powerlimitation[J].IEEE Transactionson Information Theory，2009，55（6）：2562-2576.

[5]Li P，Tong J，Yuan X J，et al.Superposition coded modulation and iterativelinearMMSE detection[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2009，27（6）：995-1004.

[6]Sun H，Ng S X，Hanzo L.Superposition coded modulation for cooperative communications[C]//IEEE Vehicular Technology Conference（VTC Fall），Québec，Canada，2012：1-5.

[7]Tong J，Li P，Zhang Z H，et al.Iterative soft compensation for OFDM systems with clipping and superposition coded modulation[J].IEEE Transactions on Communications，2010，58（10）：2861-2870.

[8]Li Y，Cimini L J.Bounds on the interchannel interference ofOFDM in time-varying impairments[J].IEEE Transactions on Communications，2001，49（3）：401-404.

[9]Schniter P.Low-complexity equalization of OFDM in doubly selective channels[J].IEEE Transactions on Communications，2004，52（4）：1002-1011.

[10]Panayirci E，Senol H，Poor H V.Joint channel estimation，equalization，and data detection for OFDM Systems in the presenceofvery high mobility[J].IEEE Transactionson Signal Processing，2010，58（8）：4225-4238.

[11]Lin K Y，Lin H P，Tseng M C.An equivalent channel time variation mitigation scheme forICIreduction in high-mobility OFDM systems[J].IEEE Transactions on Broadcasting，2012，58（3）：472-479.

[12]Zemen T，Mecklenbrauker C F，Wehinger J，et al.Iterative joint time-variant channel estimation and multi-user detection for MC-CDMA[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2006，5（6）：1469-1478.

[13]Hou S W，Ko C C.Intercarrier interference suppression for OFDMA uplink in time-and frequency-selectivefading channels[J].IEEE Transactions on VehicularTechnology，2009，58（6）：2741-2754.

[14]Coulon M，Roviras D.Multi-user adaptive receivers for a multiple-access system based on random permutations on time-varying frequency-selective channels with unknown delays and coefficients[J].IET Communications，2012，6（11）：1562-1572.

[15]Andrews J，Ghosh A，Muhamed R.Fundamentals of WIMAX[M]. Englewood Cliffs，NJ：Prentice-Hall，2007.

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

針對重疊碼調制的正交頻分復用（SCM-OFDM）系統在高速移動環境中，將產生復雜的載波間干擾和層間干擾問題，提出了一種用于SCM-OFDM系統在高速信道中的干擾估計和抵消算法。該算法利用譯碼器反饋的軟信息，分別對載波間干擾和層間干擾進行估計和消除。仿真結果表明，提出的算法能夠有效地改善SCM-OFDM系統在高速環境下的性能。關鍵詞：正交頻分復用；重疊碼調制；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.

國家自然科學基金（No.61101101）；北京郵電大學泛網無線通信教育部重點實驗室（No.KFKT-2012102）；國家科技重大專項（No.2010ZX03006-002-02）；國家級科技重點實驗室基金（No.9140C020404120C0201）；中央高校基本科研業務費專項資金。

彭濤（1985—），男，博士生，研究領域為正交頻分復用技術；肖悅（1979—），男，博士，副教授，研究領域為無線通信中的信號處理技術；李少謙（1957—），男，教授，博士生導師，研究領域為無線與移動通信。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