一種改進的SC-FDE塊迭代判決反饋均衡器

彭佳琪，趙洪林，張若愚

(哈爾濱工業大學 通信技術研究所，黑龍江 哈爾濱150001)

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一種改進的SC-FDE塊迭代判決反饋均衡器

彭佳琪，趙洪林，張若愚

(哈爾濱工業大學 通信技術研究所，黑龍江 哈爾濱150001)

單載波頻域均衡(SC-FDE)系統能有效地對抗頻域選擇性衰落信道。塊迭代判決反饋均衡(IBDFE)是單載波頻域均衡系統中一種有效的非線性均衡算法，但是其計算復雜度較高，且復雜度與迭代次數成正比。鑒于此，提出一種改進算法，在改進算法中，將接收信號經過MMSE均衡得到發送信號估計值作為傳統算法反饋支路輸出，前饋支路結構保持不變。對比傳統IBDFE算法，迭代被取消，故降低了計算復雜度。對傳統IBDFE算法和改進IBDFE算法性能進行比較，實驗結果證明：改進IBDFE算法性能在與傳統IBDFE算法性能相似的條件下降低了計算復雜度。

單載波頻域均衡；塊迭代判決反饋；相關因子；最小均方誤差

0 引言

多載波正交頻分復用(OFDM)和單載波頻域均衡是常用的抗多徑衰落信道的解決方法。其中，SC-FDE常用于上行鏈路通信中[1]。

目前單載波頻域均衡系統的研究熱點主要集中在與各種新興技術結合、頻域均衡和信道估計等方面。對于頻域均衡算法的研究，文獻[2]提出了一種時頻域混合結構的判決反饋均衡器(HDFE)；文獻[3]提出了一種復雜度較低的基于噪聲預測的判決反饋均衡器(NP-DFE)；文獻[4]提出了一種塊迭代判決反饋均衡器(IBDEF)，前饋和反饋均在頻域進行；文獻[5]提出MMSE-RISIC均衡器，對比MMSE算法，性能得到提到但增加了計算復雜度；文獻[6-7]提出了交織雙向判決反饋均衡；文獻[8]提出了系統中的協作分集方法；對于IBDFE均衡算法，在文獻[4]之上，文獻[9]提出了一種低復雜度的替代算法；文獻[10]對相關因子估計算法進行改進，獲得更好的性能；文獻[11]對IBDEF進行改進，提出了微小間隔塊迭代判決反饋均衡器(FS-IBDEF)，避免了矩陣求導過程。

1 SC-FDE基本原理

SC-FDE的原理框圖如圖1所示。發送端輸入原始數據，加入循環前綴后封裝成幀，循環前綴使發送數據與信道沖激響應的線性卷積結果等于循環卷積結果。選取Chu序列作為UW序列。

圖1 SC-FDE原理框圖

接受數據通過FFT變換可以表示為：

Rk=SkHk+Vk，

(1)

2 IBDFE均衡算法原理

頻域塊迭代判決反饋均衡基本思想是通過多次迭代來增加檢測數據的可靠性，塊迭代判決反饋均衡器原理如圖2所示。

圖2 塊迭代判決反饋均衡器原理框圖

(2)

(3)

由此可以得到第l次迭代結果的頻域表示：

U(l)=Z(l)+Y(l)。

(4)

利用最小均方誤差準則推導濾波器系數，利用J(l)來衡量MSE檢測：

(5)

通過帕賽瓦爾定理，將式(5)進行變換：

(6)

(7)

(8)

(9)

相關因子由文獻[4]中的估計方法得到：

(10)

3 改進IBDFE均衡算法原理

圖3 改進塊迭代判決反饋均衡器原理框圖

與傳統IBDFE算法的原理框圖對比可以看出，原來的反饋均衡支路被MMSE均衡算法所取代了，故不再存在塊迭代的說法，前饋均衡支路結構保持不變。這時，均衡之后的結果可以表示為：

Uk=RkCk-BkSk。

(11)

同樣利用MSE準則推導濾波器系數，式(6)可以改寫為：

(12)

考慮發送信號與噪聲的相關性，式(12)可以簡化為：

(13)

定義拉格朗日函數為：

(14)

式中，λ為拉格朗日乘數，分別對Ck、Bk和λ進行求導，并令其導數為零：

(15)

(16)

(17)

可以解得：

(18)

(19)

(20)

由上述推導可以看出，前饋和反饋濾波器系數不再與相關因子有關，因而系數計算復雜度得以降低。

4 性能分析

傳統IBDFE算法由于需要迭代而導致計算復雜度增加，且計算復雜度與迭代次數成正比。改進IBDFE算法由于取消了迭代反饋從而降低了計算復雜度，與僅迭代一次的傳統IBDFE算法的復雜度相近，但仍高于MMSE算法的計算復雜度。三種算法的復雜度比較如表1所示。

表1 計算復雜度的比較

對3種均衡算法進行仿真，信源采用相互獨立的QPSK調制數據，一幀數據包含N=512個符號，UW序列長度為64，未進行信道編碼，假定接收端同步狀態理想，信道估計采用LS算法，并使用DFT插值算法。

圖4為在瑞利信道下的仿真結果。從圖中可以看出，3種算法的性能均隨著信噪比的增大而提高，其中，MMSE算法的性能是最不理想的，傳統IBDEF算法的性能會隨著迭代次數的增加而有一定程度的改善；在瑞利信道條件下，改進IBDFE算法較另兩種算法有較大的性能改善，在誤比特率為10-4的情況下，與MMSE算法相比信噪比增益可以達到3 dB，而與經過4次迭代的傳統IBDFE算法相比信噪比增益可以達到1 dB。

圖4 瑞利信道下SC-FDE誤碼率曲線

圖5為在SUI-3信道下的仿真結果。由圖可知，由于信道的改變，改進IBDFE算法的性能受到了較大的影響，與傳統IBDFE算法性能相近，在信噪比較低的情況下，改進IBDFE算法略優于傳統算法，在信噪比較高的情況下，經過3次迭代的傳統IBDFE算法性能略高于改進IBDFE算法。

圖5 SUI-3信道下SC-FDE誤碼率曲線

5 結束語

相比于OFDM峰均功率比較大、對載波頻率偏移敏感等缺點，SC-FDE具有較大優勢，因此近來受到較多關注。通過對傳統IBDFE算法的研究，針對其計算復雜度高的問題提出了一種改進算法。在改進算法中，取消了發送信號與迭代判決信號相關系數的計算，降低了計算復雜度。仿真結果表明，瑞利信道下，改進INDFE算法可以取得更好的性能；在SUI-3信道下，改進IBDFE算法與經過3次迭代的傳統IBDFE算法性能相似。改進IBDFE算法性能很大程度上依靠MMSE均衡算法結果的準確度，因此還需進一步改進。

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[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.

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[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，趙洪林，張若愚.一種改進的SC-FDE塊迭代判決反饋均衡器[J].無線電通信技術,2016,42(6):45-47,85.

2016-07-06

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2013CB329003)

彭佳琪(1992—)，女，碩士研究生，主要研究方向：均衡技術。趙洪林(1969—)，男，教授，博士生導師，主要研究方向：寬帶抗干擾傳輸技術、認知無線電技術。

TP391.4

A

1003-3114(2016)06-45-3