低復(fù)雜度頻域迭代均衡技術(shù)

王曉春，陳佳怡，董 超

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.陸軍邊海防學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830001；3.北京郵電大學(xué)，北京 100786)

0 引言

迭代均衡最早是受迭代信道譯碼思想產(chǎn)生的。隨著Turbo碼[1-2]的引入，信道譯碼器能夠輸出似然比軟信息，該信道能夠反映信道譯碼結(jié)果的可靠度。通過將信道譯碼軟信息反饋到前端均衡器，均衡器的系數(shù)能夠根據(jù)信道反饋的可靠性進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)信道譯碼的可靠性，在每次迭代處理過程中，前端均衡器的系數(shù)需要進(jìn)行更新。隨著迭代的進(jìn)行，均衡器和譯碼器的性能最終收斂。該方法可以用于無線傳輸?shù)亩鄰叫诺乐校撔诺乐写嬖诘亩鄰叫?yīng)引入的符號間干擾，能夠通過信道反饋輔助下的均衡加以消除[3-5]。在迭代均衡處理中，是以數(shù)據(jù)塊為單位進(jìn)行處理，每個數(shù)據(jù)塊之前添加前綴，前綴的長度需要大于最大多徑時延。通過引入前綴，使得每個數(shù)據(jù)塊之間沒有相互干擾，從而使得均衡處理能夠在數(shù)據(jù)塊之間獨立進(jìn)行。同時由于前綴的存在，使得信號均衡能夠在頻域進(jìn)行，通過頻域的等效處理，能夠有效降低計算復(fù)雜度。

1 信號模型

本文的迭代均衡都是以數(shù)據(jù)塊為處理單位進(jìn)行，并需要用到頻域計算，在均衡處理的過程中，需要用到快速傅里葉變換(FFT)。近年來，隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展和器件處理能力的提高，F(xiàn)FT往往能夠通過數(shù)字處理芯片上的專用IP核實現(xiàn)。針對時域數(shù)據(jù)塊，能夠通過FFT變換，將其變換到頻域，然后在頻域進(jìn)行相應(yīng)的信號處理。根據(jù)前綴形式不同，數(shù)據(jù)塊主要有循環(huán)前綴和導(dǎo)頻前綴2種形式。

具有循環(huán)前綴的數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 具有循環(huán)前綴的數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)
Fig.1 The data block structure with cyclic prefix

如圖1所示，在具有循環(huán)前綴的數(shù)據(jù)塊中，數(shù)據(jù)長度等于N，該長度也是FFT的點數(shù)；數(shù)據(jù)塊末尾L個數(shù)據(jù)符號，被復(fù)制到該數(shù)據(jù)塊的起始位置，被稱為循環(huán)前綴。循環(huán)前綴的長度L需要大于無線信道的最大多徑時延。由于循環(huán)前綴的存在，對于一個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)來說，能夠通過FFT，進(jìn)行具有低復(fù)雜度特征的頻域均衡。

具有導(dǎo)頻前綴的數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 具有導(dǎo)頻前綴的數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)
Fig.2 The data block structure with pilot prefix

從圖2可以看出，每個數(shù)據(jù)塊中數(shù)據(jù)的長度是M，導(dǎo)頻長度為L，M+L之和N等于FFT的點數(shù)，導(dǎo)頻的長度L需要大于無線信道的最大多徑時延。對于相鄰的數(shù)據(jù)塊，采用的導(dǎo)頻樣式也是相同的?；谝陨显O(shè)置，對于總長為N的數(shù)據(jù)塊來說，也能夠通過FFT，進(jìn)行低復(fù)雜度頻域均衡。在實際的4G LTE和5G NR系統(tǒng)中，傳輸數(shù)據(jù)塊采用的都是循環(huán)前綴的方式，因此以下的數(shù)學(xué)模型主要針對循環(huán)前綴的數(shù)據(jù)塊展開。

假設(shè)FFT的點數(shù)為N，則針對循環(huán)前綴的數(shù)據(jù)塊，其信號模型可以統(tǒng)一寫為：

y=Hx+n，

(1)

式中，y∈N×1表示N維的接收信號；向量x∈N×1表示N維的發(fā)送信號向量；n∈N×1表示N維的噪聲向量，其服從復(fù)高斯分布(0,n0IN)。由于循環(huán)前綴的存在，H∈N×N具有循環(huán)平移的形式，即H的每一行(列)都可以通過第一行(列)做循環(huán)平移獲得，其具體表達(dá)式為：

(2)

式中，L表示時域上多徑時延的長度。根據(jù)H的循環(huán)平移特性，其頻域信道響應(yīng)矩陣具有對角化特性

G=FHFH=diag{g0,g1,…,gN-1}。

(3)

對角線元素gk,0≤k≤N-1表示在第k個子載波上的信道響應(yīng)，它的表達(dá)式為：

(4)

2 頻域迭代均衡

迭代均衡算法可以在頻域?qū)崿F(xiàn)[6]。在迭代均衡當(dāng)中，需要用到信道譯碼器反饋的外信息。根據(jù)前一節(jié)的定義，對于發(fā)送符號向量x中的第i個元素，表示為xi，0≤i≤N-1，還假設(shè)發(fā)送符號采用QPSK調(diào)制。因此，xi可以表示為：

(5)

式中，bi,1，bi,2分別表示xi在實部和虛部各自承載的比特。假設(shè)信道譯碼器反饋的外信息用似然比形式表示，則對應(yīng)bi,1，bi,2的外信息似然比分別表示為lbi,1，lbi,2。在迭代均衡過程中，需要用到譯碼反饋以均衡和方差的形式進(jìn)行表征。根據(jù)似然比，比特均衡和方差的計算公式為：

(6)

(7)

進(jìn)一步，對應(yīng)調(diào)制符號xi的均值和方差分別表示為：

(8)

vxi=0.5vbi,1+0.5vbi,2,0≤i≤N-1。

(9)

在后續(xù)的頻域均衡中，需要用到式(8)和式(9)提供的均值和方差的信息。

(10)

(11)

(12)

根據(jù)矩陣求逆公式，式(12)可以表示為：

(13)

通過收集所有的xi，均衡結(jié)果可以寫成向量的形式：

(14)

式中，矩陣Λ是對角矩陣，其表達(dá)式為：

(15)

后續(xù)希望能夠通過頻域處理降低式(14)中均衡計算的復(fù)雜度。首先引入：

(16)

(17)

進(jìn)一步，式(15)中包含的矩陣乘法也可以寫成頻域等價形式：

(18)

根據(jù)時—頻域變換的形式，式(18)中計算得到的矩陣其對角線元素相同，因此式(15)可以進(jìn)一步表示為：

(19)

因此，式(14)的均衡能夠在頻域?qū)崿F(xiàn)，其頻域處理的表達(dá)式為：

(20)

正是基于以上頻域?qū)腔匦裕瑢τ诮邮招盘柕木饽軌蛟陬l域?qū)崿F(xiàn)，此時頻域均衡的復(fù)雜度是O(NlogN)的，該復(fù)雜度同信道多徑時延的長度無關(guān)。

3 仿真結(jié)果

Proakis C信道迭代均衡仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 Proakis C信道迭代均衡仿真結(jié)果Fig.3 The iterative equalization performance in proakis C channel

基于以上均衡算法進(jìn)行了性能仿真。多徑信道模型采用Proakis C信道，多項式為[13,15]8，碼率為0.5，采用QPSK調(diào)制，數(shù)據(jù)塊的長度N=1 024。

從圖3的仿真結(jié)果可以看出，經(jīng)過MMSE迭代均衡10次之后，接收端誤比特率能夠獲得比較明顯的性能增益。

4 最新進(jìn)展

前述的MMSE均衡方法在多徑衰落信道中具有較強的適用性，但是當(dāng)信道多徑干擾較為嚴(yán)重時，迭代收斂的速度較慢。為了能夠有效加快收斂，文獻(xiàn)[7]進(jìn)一步引入了序列信息可靠度作為優(yōu)化指標(biāo)，通過Cholesky分解，實現(xiàn)信道譯碼軟反饋下的序列符號檢測。進(jìn)一步，文獻(xiàn)[8]通過引入雙向判決反饋均衡，考慮判決反饋的可靠性，實現(xiàn)嚴(yán)重符號間干擾信道中的性能優(yōu)化。

近年來，基于因子圖的消息傳遞算法[9]被引入到符號間干擾信道的均衡中，尤其是Approximate Message Passing (AMP)算法[10]，Generalized Approximate Message Passing (GAMP)算法[11-12]，通過有效的數(shù)學(xué)近似，降低了復(fù)雜度，同時優(yōu)化了檢測性能。文獻(xiàn)[13]表明，將GAMP算法用于循環(huán)前綴的數(shù)據(jù)塊均衡，并與信道譯碼構(gòu)成迭代接收機結(jié)構(gòu)，其迭代收斂性和檢測性能要優(yōu)于文獻(xiàn)[6]中的算法，并且該均衡算法能夠在頻域?qū)崿F(xiàn)。

除此之外，基于期望傳播(Expectation Propagation，EP)的檢測算法，也能夠被用于符號間干擾信道的均衡中。文獻(xiàn)[14]將EP形式的均衡器加入到迭代接收機結(jié)構(gòu)中，該均衡器是在時域?qū)崿F(xiàn)的；文獻(xiàn)[15]采用了EP形式的判決反饋均衡器；文獻(xiàn)[16]中的EP均衡器具有時域抽頭延時線的結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[17]提出的EP均衡器能夠在頻域?qū)崿F(xiàn)，降低了均衡復(fù)雜度。

5 結(jié)束語

迭代均衡是隨著Turbo碼的出現(xiàn)而產(chǎn)生的，其主要設(shè)計思想是將信道譯碼軟信息輸出，反饋到前端的均衡器，用于重構(gòu)干擾分量，從而消除多徑、多天線、多用戶傳輸帶來的干擾，提高接收機的可靠性。隨著Turbo碼、LDPC碼技術(shù)的不斷發(fā)展，信道譯碼能夠提供的軟反饋信息的可靠性不斷得到改善，同時前端的均衡器結(jié)合頻域均衡、判決反饋均衡等技術(shù)也在不斷向前發(fā)展。隨著基礎(chǔ)信號處理器件和芯片計算能力的不斷提高，迭代均衡已經(jīng)成為提升接收機性能的一條重要技術(shù)途徑，并在實用化系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。