基于迭代判決反饋的移動短波信道頻域均衡技術

關鍵詞：移動短波通信；迭代判決反饋；頻域均衡；無線通信

中圖分類號：ＴＮ９２５ 文獻標志碼：Ａ 開放科學（資源服務）標識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１０６（２０２４）１１－２６４９－０８

０引言

短波通信是無線通信的一種，又稱為高頻通信，利用波長為１０ ～ １００ ｍ 的電磁波進行無線通信，頻率為３～３０ＭＨｚ。因其具有通信距離遠、抗摧毀能力強的顯著特點，廣泛應用于各種領域。但短波通信是利用天波進行傳輸，當大氣電離層作為傳輸信道時是不穩定的，具有多種復雜干擾因素，如時間選擇性衰落、頻率選擇性衰落、多徑干擾和多普勒效應等，使得傳輸信號失真嚴重，傳輸可靠性降低。因此，克服信號干擾問題必須采用相應的技術，以提高短波通信系統的性能。

在短波通信中，抗多徑效應技術主要為多載波傳輸技術和單載波傳輸技術２ 種［１］。單載波時域均衡（Ｓｉｎｇｌｅ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ， ＳＣ-ＴＤＥ）是應用最早的單載波傳輸技術，而多載波傳輸技術中最廣泛應用的是正交頻分復用（ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，ＯＦＤＭ），但由于ＳＣ-ＴＤＥ 的高復雜性和ＯＦＤＭ 的高峰均功率比以及對頻率偏移比較敏感等缺陷，單載波頻域均衡（ＳｉｎｇｌｅＣａｒｒｉｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，ＳＣ-ＦＤＥ）被提出。在二十世紀八九十年代，頻域均衡就被提出［２］，在ＳＣ-ＦＤＥ 系統中，有迫零（Ｚｅｒｏ Ｆｏｒｃｉｎｇ，ＺＦ）均衡和最小均方誤差（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ，ＭＭＳＥ）均衡等常用的均衡算法，但此２種算法均采用線性化的均衡方式，不能很好地降低無線通信中的碼間干擾和噪聲擾亂，因此考慮采用具有反饋消除機制的非線性均衡技術。文獻［３］在時頻域上提出一種混合判決反饋均衡（Ｈｙｂｒｉｄ ＤｅｃｉｓｉｏｎＦｅｅｄｂａｃｋ Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ，ＨＤＦＥ）；文獻［４］為了降低噪聲干擾，提出了一種噪聲預測判決反饋均衡（ＮｏｉｓｅＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎ Ｄｅｃｉｓｉｏｎ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，ＮＰ-ＤＦＥ）結構，與ＨＤＦＥ 結構相似；針對ＭＭＳＥ 均衡后殘余的符號間干擾，文獻［５］針對經過濾波器后的殘余干擾信號，提出一種殘余碼間干擾消除（Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｉｎ-ｔｅｒ-Ｓｙｍｂｏｌ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ，ＲＩＳＩＣ）算法。以上幾種算法都是時頻域混合的算法，文獻［６］首次提出僅在頻域范圍內實施的迭代塊判決反饋均衡（Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｂｌｏｃｋ Ｄｅｃｉｓｉｏｎ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，ＩＢＤＦＥ）技術，取消了時域和頻域相結合的思想，將迭代反饋運用于頻域均衡之中，在同樣的條件下，相比ＨＤＦＥ 算法，復雜性較低，性能較好。文獻［７］針對水聲信道，提出一種聯合均衡和信道估計（ＪｏｉｎｔＥｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ，ＪＥＣＥ）算法。針對ＩＢＤＦＥ 算法在迭代時的較高復雜性，文獻［８］提出了一種復雜度較低的算法；文獻［９］將前饋和反饋均衡器進行化簡設計，提出了另一種低復雜度的ＩＢＤＦＥ，與ＬＣ-ＩＢＤＦＥ 相比，頑健性更好，但復雜度偏高；文獻［１０］中提出了一種應用于單載波頻分多址系統的魯棒ＩＢＤＦＥ 算法；文獻［１１］提出了一種基于深度學習的ＳＣ-ＦＤＥ 算法，提升了算法性能；文獻［１２］提出了一種基于殘余干擾信號估計的反饋結構，雖然復雜度有所增加，但誤碼率性能有較大提升；文獻［１３］提出了一種噪聲預測均衡與信道估計相結合的算法；文獻［１４］提出了一種直接序列擴頻與ＳＣ-ＦＤＥ 技術相結合的自適應抗干擾擴頻通信體制；文獻［１５ ］提出了一種運用于混合載波系統ＩＢＤＦＥ 算法。

本文結合了ＬＣ-ＩＢＤＦＥ 和ＲＩＳＩＣ 技術，提出了一種新型的迭代判決反饋結構，主要針對幾種不同ＩＢＤＦＥ 結構在誤碼率性能上的不足，做出相應的改進。最終在移動短波信道下均衡的效果較傳統低復雜度算法更佳，復雜度相近，誤碼率性能更好。

１系統模型

ＳＣＦＤＥ 系統原理［１６］如圖１ 所示。傳輸信號數據通過信號源產生，為了提高通信系統的可靠性，需進行信道編碼，本文主要采用Ｔｕｒｂｏ 編碼；然后通過正交相移鍵控（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ，ＱＰＳＫ）調制進行星座映射，并將保護間隔插入到映射后的數據，封裝成幀進行信號傳輸。信號經過短波信道之后，先去除保護間隔，去除的保護間隔可以進行信號同步和信道估計，再使用快速傅里葉變換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＦＦＴ）將信號轉換到頻域進行均衡，最后通過快速傅里葉逆變換（Ｉｎｖｅｒｓｅ ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＩＦＦＴ）將信號轉換到時域進行判決和逆映射，得到最終輸出信號。

本文采用的保護間隔為獨特字（Ｕｎｉｑｕｅ Ｗｏｒｄ，ＵＷ），其中ＵＷ 采用有恒包絡零自相關（ＣｏｎｓｔａｎｔＡｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｚｅｒｏ Ａｕｔｏ-Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ， ＣＡＺＡＣ ）性質的Ｃｈｕ 序列［１７］。此序列不僅可以用于防止多徑效應所引起的符號間干擾，還可以用于實現信道估計、信號同步等功能，但是為了消除符號間干擾，信道時域沖擊響應的最大延遲須小于ＵＷ 序列的長度。

３復雜度比較

為了更好地體現出本文所提結構的優越性，將幾種不同的ＩＢＤＦＥ 結構進行了對比，主要從運算復雜度進行分析。幾種均衡結構中前饋與反饋均衡器的設計存在一定差異，但由于系統復雜度主要取決于均衡器系數的復數運算，因此可以將復乘次數作為影響運算量的主要因素［２０］。設Ｎ 為ＦＦＴ 點數，對于低復雜度的ＩＢＤＦＥ 算法，從式（１２）、式（１３）可得，計算|Ｈ_ｋ|^２ 需要Ｎ 次復乘，計算Ｗｋ 需要Ｎ 次復乘，則低復雜度的ＩＢＤＦＥ 算法所需的復乘次數至少為２Ｎ。對于文獻［１２］提出的Ｅ-ＩＢＤＦＥ 算法，可得所需的復乘次數至少為４Ｎ。對于ＩＢＤＦＥ-ＮＥＷ算法，由式（１３）、式（１４）可得，計算|Ｈ_ｋ|^２需要Ｎ次復乘，計算Ｗ_ｋ 需要Ｎ 次復乘，但因為是雙重迭代結構，加上ＲＩＳＩ 消除技術，則ＩＢＤＦＥ-ＮＥＷ 算法所需的復乘次數至少為５Ｎ。其余算法的復雜度可由文獻［１２］得到，如表１ 所示。

從表１ 可以得出，ＩＢＤＦＥ-ＮＥＷ 結構的復雜度要稍高于Ｅ-ＩＢＤＦＥ 結構，原因是ＩＢＤＦＥ-ＮＥＷ 結構采用雙重迭代思想，增加了一定的計算復雜度，但經過仿真可得，在一定程度上會提高整體系統的誤碼率性能。由于ＩＢＤＦＥ-Ｘ 迭代一次的性能與ＭＭＳＥ-ＩＢ-ＤＦＥ 結構相似，所以在后續仿真實驗中不對ＭＭＳＥ-ＩＢＤＦＥ 結構進行仿真。

４實驗仿真及分析

仿真采用Ｔｕｒｂｏ 編碼、譯碼，ＱＰＳＫ 調制、解調，傳輸的數據塊長度為５１２，Ｃｈｕ 序列的長度為６４，將數據塊封裝成幀進行傳輸。假設整個系統的信號同步是理想的，信道估計采用傳統ＬＳ 算法，仿真相關參數如表２ 所示。

采用的信道為高速移動短波信道［２１］，設由收發端相對運動引起的多普勒頻移為Ｆ，則信道的相關參數如表３ 所示。

根據所設置的信道仿真參數，對ＩＢＤＦＥ-ＮＥＷ結構進行性能仿真。由表３ 可知，實際高速移動短波信道環境極其惡劣，一般需要在信號的接收端加上功率放大器，以提高信號增益，提升整體性能。在接收端設置增益為６０ ｄＢ 放大器的前提下，分別對５ 種不同的信道類型進行仿真，并討論在５ 種不同信道場景下的性能優劣。ＩＢＤＦＥ-ＮＥＷ 結構下的仿真如圖９ 所示。

由圖９ 可知，５種不同信道類型下的仿真結果有差異，但為了驗證各個結構的性能優劣，需仿真不同ＩＢＤＦＥ 結構在同一信道類型下的誤碼率，所以后續只選擇急轉機動這一信道類型進行仿真。將低復雜度的ＩＢＤＦＥ 結構簡記為ＩＢＤＦＥ-Ｘ，且只有此結構迭代一次，其余結構都未進行整體迭代，具體如圖１０ 所示。

由圖１０ 可以看出，在同種信道類型下，ＭＭＳＥ均衡的效果最差，而ＩＢＤＦＥ-ＮＥＷ 結構誤碼率性能最好，在信噪比為２２ ｄＢ 時，誤碼率在１０-４ 以下。由于ＩＢＤＦＥ-Ｘ 結構迭代一次時濾波器所需復乘次數為２Ｎ，所以誤碼率性能要稍低于Ｅ-ＩＢＤＦＥ 結構。本文所提的結構與文獻［１１］所提出的Ｅ-ＩＢＤＦＥ 結構相比，復雜度相近，但誤碼性能更好，更加適用于復雜且惡劣的移動短波信道。

為了檢驗迭代次數對誤碼率性能的影響，分別對３ 種不同的ＩＢＤＦＥ 結構進行不同次數的迭代，如圖１１所示。

由圖１１可以看出，ＩＢＤＦＥ-ＮＥＷ 和Ｅ-ＩＢＤＦＥ 結構在迭代２次之后就開始收斂，ＩＢＤＦＥ-Ｘ 結構隨著迭代次數的增加，誤碼性能越來越好，但到達一定次數對也會逐漸趨于收斂，所以一般選取迭代２次。為更加清晰觀測迭代次數的影響，對１９ ｄＢ 左右的結果仿真圖進行放大，如圖１２ 所示，Ｅ-ＩＢＤＦＥ 迭代２ 次和ＩＢＤＦＥ-Ｘ 迭代３ 次的效果都不及ＩＢＤＦＥ-ＮＥＷ 迭代零次所得的性能，可見本文所提的結構在誤碼率性能上有較大提升。

在短波信道中，主要有多普勒頻移、多普勒展寬和多徑時延等參數，這里的多普勒頻移是由電離層運動引起的，但在高速移動短波信道下，還需要添加移動速度這一參數，所以需要分別仿真以這４ 種參數為變量的誤碼率圖。為了更好地體現出ＩＢＤＦＥ-ＮＥＷ 結構在不同參數下的性能好壞，將設置接收端放大器的增益為０ｄＢ，并采用三維圖的呈現方式，更加直觀地表達出信道參數對結構性能的影響，如圖１３所示。

仿真結果顯示，多普勒頻移、多普勒展寬、多徑時延以及移動速度等因素都會對ＩＢＤＦＥ-ＮＥＷ 均衡結構的誤碼性能產生惡劣影響，其中多普勒展寬和速度等參數的影響比較突出。由于短波信道是時變的，在不同時刻會產生不同干擾，所以并不會隨著設定參數的線性遞增而產生相對應的線性干擾。總體而言，在高速移動短波信道場景下，ＩＢＤＦＥ-ＮＥＷ 均衡結構較其他結構可靠性更強，誤碼性能更好，為短波通信的傳輸提供了更有力的保障。

５結束語

本文主要針對高速移動短波信道下的頻域均衡算法進行研究，提出了一種新型的ＩＢＤＦＥ-ＮＥＷ 結構。針對不同的移動短波信道條件，進行了相關參數的設置和仿真，并與傳統的低復雜度頻域均衡算法進行了對比。結果表明，本文所提出的新型結構算法雖然在復雜度上沒有較大優化，但在誤碼率性能方面較傳統算法有一定的提升，增強了整個通信系統的抗干擾能力和可靠性。并且由于ＳＣ-ＦＤＥ技術避免了多載波技術高功耗的缺陷，其在高速移動短波通信的實際應用中更有價值。

作者簡介

劉洵 男，（１９９９—），碩士研究生。主要研究方向：短波通信單載波頻域均衡。

李國軍 男，（１９７８—），博士，教授，博士生導師。主要研究方向：復雜惡劣環境超視距無線通信與網絡。

劉馳 男，（１９８６—），碩士。主要研究方向：下一代短波通信系統技術、頻譜感知與自主選頻、信道估計與均衡。