面向5G前傳網(wǎng)絡(luò)的編碼調(diào)制技術(shù)

王婷 田鳳 崔巖松

摘 ?要： 針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求，本文提出了一種基于廣義頻分復(fù)用的自適應(yīng)Turbo碼和網(wǎng)格編碼調(diào)制級(jí)聯(lián)的新型編碼調(diào)制方法。論文闡述了新型級(jí)聯(lián)編碼調(diào)制的原理，搭建了基于級(jí)聯(lián)編碼調(diào)制的廣義頻分復(fù)用仿真系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 研究結(jié)果表明，與未編碼的16QAM相比，新型級(jí)聯(lián)編碼調(diào)制誤碼性能明顯提升，該方法實(shí)現(xiàn)了高頻譜效率、高編碼增益的系統(tǒng)性能，為5G技術(shù)的發(fā)展提供靈活解決方案。

關(guān)鍵詞： 光通信;級(jí)聯(lián)編碼調(diào)制;廣義頻分復(fù)用;5G

中圖分類號(hào)： TN913.7 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.001

本文著錄格式：王婷，田鳳，崔巖松. 面向5G前傳網(wǎng)絡(luò)的編碼調(diào)制技術(shù)[J]. 軟件，2019，40（6）：0106

【Abstract】： To meet the development of 5G networks， a novel coding and modulation method based on generalized frequency division multiplexing （GFDM） and adaptive Turbo code and trellis coded modulation cascade is proposed in this paper. The principle of new cascaded coding modulation is described， and the simulational and experimental platform of generalized frequency division multiplexing based on cascaded coding modulation are setup. The results show that compared with uncoded 16QAM， the performance of the new cascaded coded modulation is significantly improved. This method achieves high spectral efficiency and high coding gain performance， which provides a flexible solution for the development of 5G technology.

【Key words】： Optical communications; Concatenated coding modulation; Generalized frequency division multiplex; 5G

0 ?引言

隨著云計(jì)算、高清視頻、物聯(lián)網(wǎng)等新型業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)流量急劇增長(zhǎng)。5G接入技術(shù)以更快傳輸數(shù)據(jù)速率，并確保數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的安全性和可靠性成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[1-5]。目前商用4G接入系統(tǒng)主要采用單載波，但是用戶日益增長(zhǎng)的需求正在推動(dòng)帶寬資源的擴(kuò)展。在過(guò)去的幾年中，多載波技術(shù)已經(jīng)被提出，基于OFDM技術(shù)的第四代（4G）蜂窩系統(tǒng)已經(jīng)被優(yōu)化，以向移動(dòng)用戶提供高數(shù)據(jù)速率和可靠的覆蓋[6]。然而，OFDM容易受到載波間干擾和同步誤差的影響。需要額外的開(kāi)銷，如循環(huán)前綴（CP）來(lái)減輕干擾[3]。而基于多載波濾波器組的廣義頻分復(fù)用（GFDM）是第五代（5G）標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)之一[7-10]。GFDM的主要特點(diǎn)是低帶外泄露，對(duì)頻率偏移和相位噪聲不敏感。循環(huán)前綴被添加到每個(gè)GFDM塊，而不是每個(gè)GFDM符號(hào)。通過(guò)設(shè)計(jì)單個(gè)載波的靈活脈沖整形，可以降低峰均功率比（PAPR）。

另外，高頻譜效率的GFDM技術(shù)使接入系統(tǒng)能夠支持大量的光網(wǎng)絡(luò)單元。它們更容易受到光接入網(wǎng)絡(luò)中信道和組件的傳輸損傷，從而導(dǎo)致符號(hào)間干擾（ISI）并降低系統(tǒng)性能[9]。因此，前向糾錯(cuò)碼可以通過(guò)為光接入網(wǎng)絡(luò)提供額外的增益來(lái)提高誤碼率性能，這是一種提高系統(tǒng)冗余度的關(guān)鍵技術(shù)[11-13]。Turbo編碼作為FEC編碼的一種，具有很好的糾錯(cuò)性能。它不僅在高噪聲環(huán)境下具有優(yōu)越的性能，而且具有較強(qiáng)的抗衰落和抗干擾能力。此外，還證明了在各種惡劣條件下在香農(nóng)界限附近提供通信的能力。Turbo編碼作為美國(guó)空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)制定的深空通信標(biāo)準(zhǔn)，為T(mén)urbo編碼實(shí)現(xiàn)的研究提供了重要的背景[14]。然而，由于Turbo碼存在誤碼平層問(wèn)題，這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響了實(shí)際通信中的高可靠性。Turbo編碼與網(wǎng)格編碼調(diào)制（TCM）相結(jié)合的技術(shù)可以提高頻譜效率，具有魯棒的糾錯(cuò)質(zhì)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了誤碼平層的問(wèn)題，使其在不久 ?的將來(lái)成為5G接入網(wǎng)的一個(gè)有吸引力的解決方 ?案[15-20]。

本文提出并驗(yàn)證了一種新型級(jí)聯(lián)編碼調(diào)制（ATTCM）在5G前傳網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。ATTCM編碼器采用代碼權(quán)重決策算法與遞歸卷積編碼器相結(jié)合，譯碼器采用對(duì)數(shù)似然比譯碼算法，降低了接收機(jī)的復(fù)雜度。通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，該方案對(duì)5G接入前傳網(wǎng)絡(luò)有顯著性能提升[21]。

1 ?系統(tǒng)模型原理

圖1為5G前傳網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖，OLT和ONU分別通過(guò)光纖與DU和RRU連接，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)輸送，DU與RRU之間是基于無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接。圖2為圖1對(duì)應(yīng)的物理層據(jù)編碼原理示意圖，即級(jí)聯(lián)編碼調(diào)制GFDM的原理圖。它由ATTCM模塊和GFDM調(diào)制組成。每個(gè)部分的原理在后面詳細(xì)描述。

1.1 ?ATTCM編碼器和解碼器

在ATTCM編碼部分，我們首先使用代碼權(quán)重決策算法（CWD），然后將輸入數(shù)據(jù)注入編碼器，如圖3所示。代碼權(quán)重決策算法用于改善輸入數(shù)據(jù)位的代碼權(quán)重。如果代碼的權(quán)重大于其長(zhǎng)度的某個(gè)值，則輸入數(shù)據(jù)直接通過(guò)編碼器（ ， 表示代碼權(quán)重， 是輸入數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度， 是正整數(shù)）否則，輸入數(shù)據(jù)的所有位都將被反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)位將被標(biāo)記。編碼器實(shí)現(xiàn)發(fā)送三個(gè)比特子塊。在滿足條件 之后，第一個(gè)子塊是完整的集合，分別編碼第二和第三子塊，其中第三部分被發(fā)送到交織器。這兩個(gè)冗余但不同的子塊由相同的RSC（遞歸系統(tǒng)卷積）編碼器編碼。由于編碼器是系統(tǒng)的，因此上編碼器的輸出和去交織器的輸出僅在奇偶校驗(yàn)位中不同，而其余位是相同的。然后使用選擇器在來(lái)自上編碼器和下編碼器的奇偶校驗(yàn)位之間交替切換。最后，兩個(gè)組合的子塊然后被映射到M進(jìn)制符號(hào)。

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