NGB-W系统中基于星座旋转的BICM的实现与性能分析

石春燕，宋荣方

(南京邮电大学，江苏 南京 210000)

NGB-W系统中基于星座旋转的BICM的实现与性能分析

石春燕，宋荣方

(南京邮电大学，江苏 南京 210000)

下一代无线广播网(Next Generation Broadcast-Wireless, NGB-W)中，利用复平面星座点的星座旋转以及星座点的同相分量与正交分量的交织，提出了一种更为有效的比特交织编码调制(Bit Interleaved Coded Modulation, BICM)技术方案。发送端采用这种比特交织编码调制技术，接收端可以通过引入信号空间分集来提升系统性能。仿真结果表明：由星座旋转带来的系统性能增益随信道的不同、调制阶数的不同以及LDPC编码率的不同而产生差异。

下一代无线广播网；星座旋转；循环延迟；信号空间分集；调制；信道；低密度奇偶校验编码

1 NGB-W网络结构

下一代无线广播网系统，发端结构如图1所示，旨在通过改善复杂的广播信道环境下信号传输的鲁棒性来满足用户高数据传输的要求，而在复杂环境的衰落信道下进行可靠性传输有两种方案：一种是拥有良好纠错能力的编码，需以扩展带宽或是增大发射功率为代价；另一种是提高分集阶数以达到在衰落信道下较大的编码增益[1-2]。随着通信技术的不断发展，频谱资源日益珍贵，绿色通信也成为通信技术研究的一个重要指标。而比特交织编码调制技术是在不降低频谱利用率和功率利用率的情况下，以增加设备复杂度为代价来取得性能增益。

早在1982年，UNGERBOECK就提出了网格编码调制(Trellis Coded Modulation, TCM)，这是编码调制出现的标志。到了1992年，ZEHAVI对网格编码调制的结构进行了改善——加入比特交织器。这样就形成了由比特交织、编码以及调制相结合的比特交织编码调制技术[3]。在传统的比特交织编码调制技术的基础之上，通过星座旋转以及星座点的同相分量与正交分量的交织来引入信号空间分集[4]。星座旋转的基本实现方法就是将复平面上的星座点旋转一定的角度，这个旋转角度随调制方式的不同而变化；星座点的同相分量与正交分量交织的实现方法是将正交分量循环延迟d个单元，在实际操作中，通常取d=1。

图1 发端结构图

2 BICM星座旋转与Q路循环延迟原理

常见的调制方式有QPSK，16QAM，64QAM，256QAM等，这些调制方式有一个共同的特征——星座点在复平面上成正方形分布，I分量和Q分量是相互正交的。也就是说两分量完全独立。假设接收端已经估计出I分量的值，但是由于I分量与Q独立，所以它的估计值不能给估计Q分量提供任何有用信息。例如：已估计出I分量的值为-3，但是Q值仍然需要从[-3,-1,1,3]中去选择。而且星座点的I，Q分量是在同一信道中传输的，所以，I，Q分量必然会经历完全相同的衰落，也就是说，如果I分量经历了深度衰落，无法解出，则Q也将无法解出。这就给深度衰落信道的传输带来了极大的挑战，而广播信道又有着复杂的传输环境，由此就产生了星座旋转型的BICM。

星座旋转型的BICM发送端结构原理图如图2所示。

图2 发送端BICM结构图

由图2可看出，具体可分为2个阶段：

1)将复平面上的星座点旋转一个角度，旋转角度仅与调制方式有关，如表1所示。

表1 调制方式对应的旋转角度

对于QPSK、16QAM，将其复平面上所有的星座点分别旋转，可得图3。旋转之后星座点在坐标轴上的投影各不相同，即I，Q分量不再相互正交，接收端一路的估计值对另一路的估计能够提供有用的信息。

图3 QPSK和16QAM旋转后的星座图

2)Q路的循环延迟。在实现过程中通常是Q路循环延迟1个单元，使得一个星座点的I，Q分量能够调制到不同的子载波之上。这里的不同子载波可以使同一符号的不同子载波，也可以是不同符号的不同子载波。由于I，Q路在不同的子载波中传输，所以两分量都经历深度衰落的概率就会比较小。

经过星座旋转和Q路循环延迟后的BICM就引入了额外的分集增益，若I路经历了深度衰落而不能解出值，由于Q路与I具有相关性，而且Q分量同样经历深度衰落的概率很小，所以可以根据Q分量的估计值来推测I路。

星座旋转及Q路循环延迟的实现过程如图4所示。

图4 星座旋转及Q路循环延迟的实现过程

分析图4，由于经过了星座旋转，所以Re(R1)、Im(R1)具有相关性，二者都可作为独立的信号信息估计出整个R1的信息。又因为Re(R1)、Im(R1)分别在两个不同的子信道中传输，也就是说R1在不同的子信道中传输2次，即引入了分集阶数L=2的信号空间分集。

3 信道模型

在下一代无线广播网中，单频网SFN(Single Frequency Network)由于其有效利用无线频谱的优势而得到广泛使用。SFN中是由多个处于不同地点、同步状态的发射机在相同频率下同时发送相同的信号，所以，接收端会接收到来自不同发射机发射的相同信号的不同回波，这些回波不可避免地产生很大的相互干扰，从而导致深度衰落。深度衰落可以通过加入删除事件造成的明显的性能损失来完成信道建模[5]。所以，本文将考虑两种信道模型下的性能仿真——传统的瑞利衰落模型和有删除率的瑞利衰落模型。

3.1 传统的瑞利衰落信道模型

首先，过信道其实是输入信号的幅度与相位作某种变换，如：y(t)=a(t)x(t) +n(t)。

其次，无线信道的一个主要特征是多径传播，因为在传播信号的过程中会遇到很多建筑物、树木以及起伏的地形，碰到这些障碍物则会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射、散射及绕射等[5]。这样一来，信道就被认为是充满反射波的传播环境，到达接收端的信号不是单一路径来的，而是来自于许多路径的众多反射波的合成。因为每一反射波所经历的路径距离各不相同，所以各个到达时间不同，从而引入多径时延。

综合上述考虑，可得

(1)

式中：x(t)，y(t)是发送信号与接收信号；ρi是第i条路径的衰减因子；θi是第i条路径散射的相移；τi是第i条路径的相对时延。

本文仿真在被称为P1的瑞利衰落信道下进行，这种信道模型有20条径，即N=20，特别注意的是这种信道不包含视距路径。由文献[6]可知，P1信道的ρi，τi，θi。

3.2 有删除率的无记忆瑞利衰落信道模型

有删除率的无记忆瑞利衰落信道建模只需要在传统的瑞利衰落信道基础之上加上一个0出现的概率等于删除率的随机序列。为了建模简便，随机序列之前的传统瑞利衰落信道将使用2个白高斯噪声(WGN)的复合，与上述的P1信道的20条径对比只有1条径。因为，若a，b分别服从高斯分布，则a+jb的幅度则服从瑞利分布。由文献[6]可知，有删除率的无记忆瑞利衰落模型的等效链路如图5所示。

图5 有删除率的瑞利衰落模型等效链路

由图5可得：y(t)=a(t)e(t)x(t)+n(t)，其中随机序列e(t)中，0出现的概率为删除率pe。特别注意的是，在下一代无线广播网中，删除率pe可高达15%。但是，其受编码率的约束不能超过LDPC编码率的冗余大小。

4 性能仿真结果

仿真环境配置如表2所示。

表2 仿真条件

下面对下一代无线广播网系统中不同调制方式、不同LDPC编码率、不同信道模型下有星座旋转和没有星座旋转BICM的性能进行比较，仿真结果如图6～8所示。

由图6可以看出，LDPC编码率相同的条件下，调制方式的阶数越高，星座旋转带来的增益越小。两种不同调制方式星座点数不同，调制阶数越低，星座点较少，投影在坐标轴的坐标点较分散，译码判决的最小距离较大，这样，判决的差错率就较小。

由图7可以看出，相同的调制方式下，LDPC编码率越高，星座旋转带来的增益越大。LDPC编码是信道编码的一种，旨在提高传输的可靠性：一是使码流的频谱特性适应通道的频谱特性，从而使传输过程中的能量损失最小，提高信号能量与噪声的比例，减少发生出错的可能性；二是提高纠错能力[7]。对于LDPC编码，编码率越高，就意味着冗余度越小，纠错能力越差。

图6 不同调制方式下的性能仿真

图7 不同编码率下的性能仿真

图8 不同信道模型下的性能仿真

由图8可以看出，调制方式与LDPC编码率都相同的条件下，删除率越高、衰落越大，星座旋转带来的增益越大。

5 结论

在NGB-W系统中，基于星座旋转的BICM不需要增加带宽或是功率，而是通过引入信号空间分集，能够给在衰落信道中的传输带来性能增益。而且，改善的性能增益与调制方式的阶数成反比，与LDPC编码率成正比，与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,肖振鹏,王哲.比特交织编码调制技术分析[J].信息传输与接入技术，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]杨大成. 移动传播环境[M]. 北京：机械工业出版社，2003.

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

[7]文红,符初生,周亮. LDPC码原理与应用[M]. 成都：电子科技大学出版社，2006.

[8]侯晔,潘长勇,杨昉. 星座旋转及坐标交织在DTMB系统中的应用研究[J].电视技术,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

国家“863”计划项目(2011AA01A105)

TN929.5

A

10.16280/j.videoe.2015.05.025

2014-09-12

【本文献信息】石春燕，宋荣方.NGB-W系统中基于星座旋转的BICM的实现与性能分析[J].电视技术,2015，39(5).

石春燕(1990— )，女，硕士生，主研无线数据与移动计算及无线广播网；

宋荣方(1964— )，教授，主研无线数据与移动计算、大规模MIMO等。

责任编辑：薛 京