NGB-W系統中基于星座旋轉的BICM的實現與性能分析

石春燕，宋榮方

(南京郵電大學，江蘇 南京 210000)

NGB-W系統中基于星座旋轉的BICM的實現與性能分析

石春燕，宋榮方

(南京郵電大學，江蘇 南京 210000)

下一代無線廣播網(Next Generation Broadcast-Wireless, NGB-W)中，利用復平面星座點的星座旋轉以及星座點的同相分量與正交分量的交織，提出了一種更為有效的比特交織編碼調制(Bit Interleaved Coded Modulation, BICM)技術方案。發送端采用這種比特交織編碼調制技術，接收端可以通過引入信號空間分集來提升系統性能。仿真結果表明：由星座旋轉帶來的系統性能增益隨信道的不同、調制階數的不同以及LDPC編碼率的不同而產生差異。

下一代無線廣播網；星座旋轉；循環延遲；信號空間分集；調制；信道；低密度奇偶校驗編碼

1 NGB-W網絡結構

下一代無線廣播網系統，發端結構如圖1所示，旨在通過改善復雜的廣播信道環境下信號傳輸的魯棒性來滿足用戶高數據傳輸的要求，而在復雜環境的衰落信道下進行可靠性傳輸有兩種方案：一種是擁有良好糾錯能力的編碼，需以擴展帶寬或是增大發射功率為代價；另一種是提高分集階數以達到在衰落信道下較大的編碼增益[1-2]。隨著通信技術的不斷發展，頻譜資源日益珍貴，綠色通信也成為通信技術研究的一個重要指標。而比特交織編碼調制技術是在不降低頻譜利用率和功率利用率的情況下，以增加設備復雜度為代價來取得性能增益。

早在1982年，UNGERBOECK就提出了網格編碼調制(Trellis Coded Modulation, TCM)，這是編碼調制出現的標志。到了1992年，ZEHAVI對網格編碼調制的結構進行了改善——加入比特交織器。這樣就形成了由比特交織、編碼以及調制相結合的比特交織編碼調制技術[3]。在傳統的比特交織編碼調制技術的基礎之上，通過星座旋轉以及星座點的同相分量與正交分量的交織來引入信號空間分集[4]。星座旋轉的基本實現方法就是將復平面上的星座點旋轉一定的角度，這個旋轉角度隨調制方式的不同而變化；星座點的同相分量與正交分量交織的實現方法是將正交分量循環延遲d個單元，在實際操作中，通常取d=1。

圖1 發端結構圖

2 BICM星座旋轉與Q路循環延遲原理

常見的調制方式有QPSK，16QAM，64QAM，256QAM等，這些調制方式有一個共同的特征——星座點在復平面上成正方形分布，I分量和Q分量是相互正交的。也就是說兩分量完全獨立。假設接收端已經估計出I分量的值，但是由于I分量與Q獨立，所以它的估計值不能給估計Q分量提供任何有用信息。例如：已估計出I分量的值為-3，但是Q值仍然需要從[-3,-1,1,3]中去選擇。而且星座點的I，Q分量是在同一信道中傳輸的，所以，I，Q分量必然會經歷完全相同的衰落，也就是說，如果I分量經歷了深度衰落，無法解出，則Q也將無法解出。這就給深度衰落信道的傳輸帶來了極大的挑戰，而廣播信道又有著復雜的傳輸環境，由此就產生了星座旋轉型的BICM。

星座旋轉型的BICM發送端結構原理圖如圖2所示。

圖2 發送端BICM結構圖

由圖2可看出，具體可分為2個階段：

1)將復平面上的星座點旋轉一個角度，旋轉角度僅與調制方式有關，如表1所示。

表1 調制方式對應的旋轉角度

對于QPSK、16QAM，將其復平面上所有的星座點分別旋轉，可得圖3。旋轉之后星座點在坐標軸上的投影各不相同，即I，Q分量不再相互正交，接收端一路的估計值對另一路的估計能夠提供有用的信息。

圖3 QPSK和16QAM旋轉后的星座圖

2)Q路的循環延遲。在實現過程中通常是Q路循環延遲1個單元，使得一個星座點的I，Q分量能夠調制到不同的子載波之上。這里的不同子載波可以使同一符號的不同子載波，也可以是不同符號的不同子載波。由于I，Q路在不同的子載波中傳輸，所以兩分量都經歷深度衰落的概率就會比較小。

經過星座旋轉和Q路循環延遲后的BICM就引入了額外的分集增益，若I路經歷了深度衰落而不能解出值，由于Q路與I具有相關性，而且Q分量同樣經歷深度衰落的概率很小，所以可以根據Q分量的估計值來推測I路。

星座旋轉及Q路循環延遲的實現過程如圖4所示。

圖4 星座旋轉及Q路循環延遲的實現過程

分析圖4，由于經過了星座旋轉，所以Re(R1)、Im(R1)具有相關性，二者都可作為獨立的信號信息估計出整個R1的信息。又因為Re(R1)、Im(R1)分別在兩個不同的子信道中傳輸，也就是說R1在不同的子信道中傳輸2次，即引入了分集階數L=2的信號空間分集。

3 信道模型

在下一代無線廣播網中，單頻網SFN(Single Frequency Network)由于其有效利用無線頻譜的優勢而得到廣泛使用。SFN中是由多個處于不同地點、同步狀態的發射機在相同頻率下同時發送相同的信號，所以，接收端會接收到來自不同發射機發射的相同信號的不同回波，這些回波不可避免地產生很大的相互干擾，從而導致深度衰落。深度衰落可以通過加入刪除事件造成的明顯的性能損失來完成信道建模[5]。所以，本文將考慮兩種信道模型下的性能仿真——傳統的瑞利衰落模型和有刪除率的瑞利衰落模型。

3.1 傳統的瑞利衰落信道模型

首先，過信道其實是輸入信號的幅度與相位作某種變換，如：y(t)=a(t)x(t) +n(t)。

其次，無線信道的一個主要特征是多徑傳播，因為在傳播信號的過程中會遇到很多建筑物、樹木以及起伏的地形，碰到這些障礙物則會引起能量的吸收和穿透以及電波的反射、散射及繞射等[5]。這樣一來，信道就被認為是充滿反射波的傳播環境，到達接收端的信號不是單一路徑來的，而是來自于許多路徑的眾多反射波的合成。因為每一反射波所經歷的路徑距離各不相同，所以各個到達時間不同，從而引入多徑時延。

綜合上述考慮，可得

(1)

式中：x(t)，y(t)是發送信號與接收信號；ρi是第i條路徑的衰減因子；θi是第i條路徑散射的相移；τi是第i條路徑的相對時延。

本文仿真在被稱為P1的瑞利衰落信道下進行，這種信道模型有20條徑，即N=20，特別注意的是這種信道不包含視距路徑。由文獻[6]可知，P1信道的ρi，τi，θi。

3.2 有刪除率的無記憶瑞利衰落信道模型

有刪除率的無記憶瑞利衰落信道建模只需要在傳統的瑞利衰落信道基礎之上加上一個0出現的概率等于刪除率的隨機序列。為了建模簡便，隨機序列之前的傳統瑞利衰落信道將使用2個白高斯噪聲(WGN)的復合，與上述的P1信道的20條徑對比只有1條徑。因為，若a，b分別服從高斯分布，則a+jb的幅度則服從瑞利分布。由文獻[6]可知，有刪除率的無記憶瑞利衰落模型的等效鏈路如圖5所示。

圖5 有刪除率的瑞利衰落模型等效鏈路

由圖5可得：y(t)=a(t)e(t)x(t)+n(t)，其中隨機序列e(t)中，0出現的概率為刪除率pe。特別注意的是，在下一代無線廣播網中，刪除率pe可高達15%。但是，其受編碼率的約束不能超過LDPC編碼率的冗余大小。

4 性能仿真結果

仿真環境配置如表2所示。

表2 仿真條件

下面對下一代無線廣播網系統中不同調制方式、不同LDPC編碼率、不同信道模型下有星座旋轉和沒有星座旋轉BICM的性能進行比較，仿真結果如圖6～8所示。

由圖6可以看出，LDPC編碼率相同的條件下，調制方式的階數越高，星座旋轉帶來的增益越小。兩種不同調制方式星座點數不同，調制階數越低，星座點較少，投影在坐標軸的坐標點較分散，譯碼判決的最小距離較大，這樣，判決的差錯率就較小。

由圖7可以看出，相同的調制方式下，LDPC編碼率越高，星座旋轉帶來的增益越大。LDPC編碼是信道編碼的一種，旨在提高傳輸的可靠性：一是使碼流的頻譜特性適應通道的頻譜特性，從而使傳輸過程中的能量損失最小，提高信號能量與噪聲的比例，減少發生出錯的可能性；二是提高糾錯能力[7]。對于LDPC編碼，編碼率越高，就意味著冗余度越小，糾錯能力越差。

圖6 不同調制方式下的性能仿真

圖7 不同編碼率下的性能仿真

圖8 不同信道模型下的性能仿真

由圖8可以看出，調制方式與LDPC編碼率都相同的條件下，刪除率越高、衰落越大，星座旋轉帶來的增益越大。

5 結論

在NGB-W系統中，基于星座旋轉的BICM不需要增加帶寬或是功率，而是通過引入信號空間分集，能夠給在衰落信道中的傳輸帶來性能增益。而且，改善的性能增益與調制方式的階數成反比，與LDPC編碼率成正比，與信道的衰落深度成正比。

[1]CHARBEL A N, CATHERINE D. Rotated QAM constellations to improve BICM performance for DVB-T2[C]//Proc. IEEE 10th International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications. [S.l.]：IEEE Press，2008：354-359.

[2]LI M，CHARBEL A N，CHRISTOPHE J，et al. Design of rotated QAM mapper/de-mapper for the DVB-T2 standard[C]//Proc. IEEE Workshop on Signal Processing Systems, 2009. [S.l.]：IEEE Press，2009：18-23.

[3]魏淑君,肖振鵬,王哲.比特交織編碼調制技術分析[J].信息傳輸與接入技術，2011,37(6)：20-21.

[4]CHARBEL A N,CATHERINE D. Improving BICM performance of QAM constellation for broadcasting applications[C]//Proc. 2008 5th International Symposium on Turbo Codes and Related Topics. [S.l.]：IEEE Press，2008：55-60.

[5]楊大成. 移動傳播環境[M]. 北京：機械工業出版社，2003.

[6]Digital Video Broadcasting (DVB); Implementation guidelines for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2)[S]. 2010.

[7]文紅,符初生,周亮. LDPC碼原理與應用[M]. 成都：電子科技大學出版社，2006.

[8]侯曄,潘長勇,楊昉. 星座旋轉及坐標交織在DTMB系統中的應用研究[J].電視技術,2013，37(4)：29-31.

Implementation and Analysis of Rotated Constellations BICM Performance in NGB-W System

SHI Chunyan，SONG Rongfang

(NanjingUniversityofPostsandTelecommunications，Nanjing210000，China))

A more efficient technical scheme for bit interleaved coded modulation (BICM) is proposed in the next generation broadcast-wireless, which uses constellation rotation and interleaving between in-phase and quadrature component in the complex plane. Since this BICM introduces signal space diversity, a better performance is obtained at receiver, and the simulation results show that performance gains would vary depending on the different channel models, modulation orders and the different coding rates.

NGB-W；constellation rotation；cyclic delay； signal space diversity；modulation；channel；LDPC

國家“863”計劃項目(2011AA01A105)

TN929.5

A

10.16280/j.videoe.2015.05.025

2014-09-12

【本文獻信息】石春燕，宋榮方.NGB-W系統中基于星座旋轉的BICM的實現與性能分析[J].電視技術,2015，39(5).

石春燕(1990— )，女，碩士生，主研無線數據與移動計算及無線廣播網；

宋榮方(1964— )，教授，主研無線數據與移動計算、大規模MIMO等。

責任編輯：薛 京