張 景，余忠洋，白寶明

基于“綠色通信”理念的自適應(yīng)載波同步系統(tǒng)方案*

張 景**1，余忠洋2，白寶明2

（1.中國電子科技集團公司第七研究所，廣州 510220；
2.西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室，西安 710071）

針對當前載波同步算法在低信噪比下存在的開銷大和復(fù)雜度高的問題，提出了一種基于“綠色通信”理念的自適應(yīng)載波同步系統(tǒng)設(shè)計方法。首先利用控制參數(shù)法使最佳性能方案向次最佳性能方案轉(zhuǎn)化，然后在滿足較小信噪比損失的前提下比較各方案并給出具有開銷小和復(fù)雜度低的方案。仿真結(jié)果表明相比最佳性能方案，次最佳性能方案的導(dǎo)頻開銷和復(fù)雜度分別可降17%和38%，因而非常符合“綠色通信”的理念。

綠色通信；自適應(yīng)載波同步；低信噪比；控制參數(shù)法

針對上述存在的問題，本文提出了一種基于“綠色通信”理念的自適應(yīng)載波同步方案。首先利用控制參數(shù)法（后文將提及的導(dǎo)頻長度和相關(guān)長度）來實現(xiàn)最佳性能方案向次最佳性能方案的轉(zhuǎn)化，即實現(xiàn)系統(tǒng)的自適應(yīng)性；然后在滿足較小信噪比損失的前提下，通過比較各次最佳方案的結(jié)果得到具有小開銷和低復(fù)雜度的方案，即實現(xiàn)系統(tǒng)的“綠色通信”。另外，該設(shè)計方法不局限于具體的調(diào)制編碼系統(tǒng)，只要給出合理的參數(shù)設(shè)置即可實現(xiàn)“綠色通信”，具有普遍適用性。

2　自適應(yīng)載波同步系統(tǒng)模型

圖1給出了基于“綠色通信”理念的自適應(yīng)載波同步系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)分為發(fā)送端、移動信道和接收端3個部分。在發(fā)送端，首先將一定長度的信息序列進行編碼，再將一定長度的導(dǎo)頻序列平均分成m塊（即P1=P2=…=Pm），經(jīng)復(fù)用器與編碼后的信息序列組成一個PMPM（Preamble-Middle-Preamble-Middle）結(jié)構(gòu)［11］的數(shù)據(jù)幀，如圖2所示，其中編碼塊的長度D1=D2=…=Dq。為了便于后文分析，首先定義比值η=mP1/（mP1+qD1）（q≈m），稱作導(dǎo)頻開銷，用來表征一幀中導(dǎo)頻的占有率。經(jīng)過調(diào)制后得到復(fù)基帶信號，再通過移動高斯白噪聲信道（不失一般性，假設(shè)該信道的信號功率增益為1），則接收端接收到的離散基帶信號可以表示為

式中：Ts為符號周期；fd和θ分別為載波頻偏和相偏；sk為包含導(dǎo)頻和編碼信息的調(diào)制信號；nk為零均值、N0/2方差的高斯隨機變量；N為一幀的總符號長度。

然后接收信號送至解復(fù)用器，提取出導(dǎo)頻并送到聯(lián)合可控參數(shù)估計器中進行載波粗估計，得到載波頻偏和相偏的粗估值，再對接收信號進行補償，將補償后的信號重新送至解調(diào)器和譯碼器，譯碼器輸出的譯碼序列經(jīng)編碼、基帶調(diào)制又重新送至聯(lián)合可控參數(shù)估計器中進行載波細估計，得到剩余頻偏和剩余相偏的估計值，再對粗估計補償后的信號進行補償，最終再進行解調(diào)、譯碼，恢復(fù)出原始的信息序列。

圖1　系統(tǒng)模型Fig.1　System model

圖2　數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Fig.2　Data frame structure

3　自適應(yīng)載波同步算法

在圖1所示的系統(tǒng)模型中，聯(lián)合可控參數(shù)估計分為粗估計和細估計兩個部分。其中，粗估計部分采用DA的RPA和時域相關(guān)（Time-Domain Correlation，TDC）算法；細估計部分采用DA-編碼輔助（Code-Aided，CA）的TDC算法。另外，相偏的粗估計和細估計均采用ML算法。為了提高系統(tǒng)的最終性能，這里將圖2所示的PMPM結(jié)構(gòu)簡化為PM結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)頻序列平均分成兩塊插至編碼信息序列中。接下來詳細說明載波頻偏與相偏的估計過程。

3.1載波頻偏估計

3.1.1DA RPA和TDC頻偏粗估計

3.1.2DA-CA TDC頻偏細估計

3.2相偏估計

在粗估計中，利用導(dǎo)頻序列得到的去調(diào)制序列｛zk，k=1，2，…，P1｝，通過ML算法可以得到相偏的粗估值，即

在細估計中，需將在粗估計中得到的頻偏估計值和相偏估計值補償?shù)浇邮招盘栔校瑫r提取前C個譯碼軟信息并去調(diào)制得到｛z″k，k=1，2，…，C｝，再通過ML算法便能夠得到相偏的細估值，即

4　基于“綠色通信”理念的自適應(yīng)載波同步系統(tǒng)設(shè)計

在圖1所示的聯(lián)合可控參數(shù)估計器中，粗估計和細估計的可控參數(shù)分別為導(dǎo)頻長度P1和相關(guān)長度C。通過適當?shù)恼{(diào)整這兩個參數(shù)，便可獲得接近于理想同步的最佳性能方案或可接受信噪比損失的次最佳性能方案，從而實現(xiàn)其自適應(yīng)的“綠色通信”。為了滿足實際通信系統(tǒng)的要求，規(guī)定可接受的信噪比損失為1 dB以內(nèi)。

4.1可控參數(shù)的最佳設(shè)置原理

由于頻偏隨時間的積累給數(shù)據(jù)會帶來嚴重的影響，因此對于給定的數(shù)據(jù)長度首先應(yīng)由剩余頻偏對誤碼性能的影響確定系統(tǒng)可容忍的剩余頻偏，此剩余頻偏作為算法應(yīng)達到的最終估計精度（本文設(shè)定Eb/No=3.75 dB時歸一化頻偏均方根誤差為2× 10-6）。TDC算法的估計精度由相關(guān)長度C決定，因此細估計階段的相關(guān)長度C應(yīng)由最終的估計精度確定。在粗估計階段，RPA算法的剩余頻偏應(yīng)在TDC算法的估計范圍（1/2D，D=P1+D1為相鄰兩個導(dǎo)頻符號的間隔，簡稱導(dǎo)頻間隔）內(nèi)，而利用兩段導(dǎo)頻的TDC算法的估計范圍又由導(dǎo)頻間隔D確定，即D越大，估計精度越高，但估計范圍越小。這樣勢必會對RPA算法的估計精度提出很高的要求，即需要增加P1。因此在參數(shù)設(shè)置中，為了減小P1，可以選擇較小的D（這里假設(shè)兩導(dǎo)頻塊之間的數(shù)據(jù)長度D1是已知量，類似還有RPA算法中的旋轉(zhuǎn)因子L和FFT點數(shù)等），再結(jié)合RPA估計的統(tǒng)計特性（即單次估計的概率分布情況），進一步對導(dǎo)頻長度P1作最佳設(shè)置。本文之所以考慮單次估計的概率分布，其原因在于如果粗估計中僅考慮RPA算法的估計均方根誤差，而當某一次其估計值超出TDC算法的估計范圍時，就會造成粗估計的估計精度的嚴重下降。因此需要將兩者結(jié)合起來分析，這樣才能獲得最佳的P1和估計性能。同理，在相關(guān)長度C的最佳設(shè)置中也應(yīng)考慮上述原理。

4.2基于“綠色通信”理念的自適應(yīng)系統(tǒng)方案

下面以TPC編碼加成形偏移正交相移鍵控（Shaped-Offset Quadrature Phase-Shift Keying，SOQPSK）調(diào)制的傳輸方案為例，給出各方案的仿真結(jié)果和分析。仿真中：TPC子碼為（32，26）擴展?jié)h明碼，即每個編碼塊的長度D1=513，導(dǎo)頻塊數(shù)m=2，編碼塊數(shù)q=12；調(diào)制方式為MIL SOQPSK調(diào)制；每符號采樣點數(shù)為2；歸一化載波頻偏|fdTs|≤0.5；相偏|θ|≤π；單個導(dǎo)頻長度P1和相關(guān)長度C待定。

4.2.1最佳性能方案

根據(jù)4.1節(jié)中的參數(shù)設(shè)置原理，通過仿真發(fā)現(xiàn)，當導(dǎo)頻符號長度P1=200（此時導(dǎo)頻開銷η= mP1/（mP1+qD1）=2×200/（2×200+12×513）≈0.06）和相關(guān)長度C=2P1+8D1=4 504時，其誤碼性能非常接近于理想同步的誤碼性能（即載波頻偏和相偏均為0時系統(tǒng)所獲得的誤碼性能），故稱之為最佳性能方案。圖3給出了該方案的誤比特率（Bit Error Rate，BER）曲線，可以看出，當BER為10-2～10-6時，其信噪比損失僅為0.1 dB，遠遠小于1 dB，完全滿足實際通信系統(tǒng)的要求。

圖3　最佳性能方案的BER曲線Fig.3　BER curves of the optimal performance scheme

4.2.2基于“綠色通信”理念的次最佳性能方案

在最佳性能方案的基礎(chǔ)上，適當?shù)慕档蚉1或C，便可以獲得次最佳性能方案。而在這些方案中必定存在一個或若干個兼顧導(dǎo)頻開銷小和復(fù)雜度低的折衷方案。根據(jù)數(shù)學(xué)中控制變量法的原理，兩個可控參數(shù)有以下3種方案。

（1）方案1：降低導(dǎo)頻長度P1

此時對應(yīng)的C=2P1+8×513。在4.2.1節(jié)的最佳性能方案中，P1=200，C=4 504，此時信噪比損失僅為0.1 dB。顯然，降低P1會導(dǎo)致信噪比損失變大。換句話說，若過分降低P1，就會導(dǎo)致信噪比損失超出1 dB，從而不滿足實際通信系統(tǒng)的要求。因此為了盡可能獲得小開銷和低復(fù)雜度，通過仿真發(fā)現(xiàn)，當P1=170（此時導(dǎo)頻開銷η=2×170/（2×170+ 12×513）≈0.05）時，信噪比損失已經(jīng)達到了0.8 dB，接近于1 dB，如圖4所示，但較大的性能損失卻換來了較低的導(dǎo)頻開銷和復(fù)雜度。

圖4　次最佳性能方案的BER曲線Fig.4　BER curves of the suboptimal performance schemes

（2）方案2：降低相關(guān)長度C

這里P1=200（此時導(dǎo)頻開銷同最佳性能方案），相應(yīng)的C=400+513n，其中n為細估計中所需的TPC塊數(shù)即譯碼軟信息的長度。顯然，降低C等價于減小n，n的取值越小，其復(fù)雜度越低。為了盡可能地降低復(fù)雜度，通過仿真發(fā)現(xiàn)，當n=2即C= 400+513×2=1 426時，信噪比損失達到了0.5 dB，小于1 dB，如圖4所示。從性能上看，該方案要比方案1好，但就導(dǎo)頻開銷和復(fù)雜度來說，它都不如方案1。

（3）方案3：同時降低P1和C

方案1和方案2的參數(shù)控制都是單一的。在本方案中，參數(shù)P1和C均是可變的且只在下降的方向上變化。比較方案1和方案2可知，P1和C對性能的影響程度不同，且P1的影響較C的大。所以，P1的取值區(qū)間為（170，200），而C的設(shè)置取決于n∈（2，8）。通過仿真發(fā)現(xiàn)，當P1=180（此時導(dǎo)頻開銷η=2×180/（2×180+12×513）≈0.055）和C=2× 180+4×513=2 412時，信噪比損失可達到0.7 dB，但仍小于1 dB，如圖4所示，也同樣帶來了較低的導(dǎo)頻開銷和復(fù)雜度。

與最佳性能方案相比，這3個次最佳性能方案都帶來了一定的性能損失。究其原因在于方案1和方案3中降低P1的方法對于利用數(shù)據(jù)輔助的粗估計而言危害很大。因為在粗估計后殘留了較大的剩余頻偏從而不利于細估計中譯碼器的收斂，進而導(dǎo)致整體誤碼性能的惡化。而方案2中降低C的方法僅對編碼輔助的細估計有影響，雖然性能上也有損失，但較方案1和方案3要小。

5　總體評估與分析

為了便于對各方案進行評估和分析，現(xiàn)作如下說明：

（1）以最佳性能方案為基準，并假設(shè)其復(fù)雜度為單位1，從而可將其他3個方案的復(fù)雜度作歸一化處理，以便于比較；

（2）總體復(fù)雜度的計算主要考慮了算法中的乘法和加法運算，忽略了算法中需要的去調(diào)制、求最大值、求幅角的運算；根據(jù)第3節(jié)可以得到粗估計復(fù)加次數(shù)+細估計復(fù)加次數(shù)=3LP1（3P1-1）+2P1-4+C，粗估計復(fù)乘次數(shù)+細估計復(fù)乘次數(shù)=LP1（9P1+1）+2；

（3）對于信噪比損失在1 dB以內(nèi)，且導(dǎo)頻開銷和復(fù)雜度均有所降低的方案，可稱作“綠色通信”；反之，稱之非“綠色通信”。

根據(jù)上述3個說明，表1給出了各方案的總體評估情況。

表1　自適應(yīng)方案的總體評估Tab.1　Overall evaluation of the adaptive schemes

由此可見，在信噪比損失均滿足1 dB的前提下，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）對于最佳性能方案，性能損失僅為0.1 dB，但同時帶來了較大的導(dǎo)頻開銷和復(fù)雜度，故不符合“綠色通信”的理念；

（2）與最佳性能方案相比，方案1和方案3的性能損失都較大，但卻換來了較小的導(dǎo)頻開銷和復(fù)雜度，達到了“節(jié)能”和“減排”的效果，故符合“綠色通信”的理念；

（3）方案2的性能損失為0.5 dB，較方案1和方案3都小，但其導(dǎo)頻開銷和復(fù)雜度均沒有改善（顯然僅改變C的方案是不可取的），故也不符合“綠色通信”的理念；

（4）方案1與方案2相比，這兩種僅改變單一參數(shù)的方式對系統(tǒng)性能（即信噪比損失、導(dǎo)頻開銷和復(fù)雜度）的影響不同，且僅改變P1的影響較大。方案1與方案3相比，這兩種方案均符合“綠色通信”的理念，但是后者的信噪比損失較前者的少。

因此，我們可以這么認為：方案1為極大“綠色通信”方案，方案3為折衷“綠色通信”方案。

6　結(jié)束語

本文針對當前載波同步算法在低信噪比下忽略了“節(jié)能減排”（即開銷盡可能小和復(fù)雜度盡可能低）的問題，提出了一種基于“綠色通信”理念的自適應(yīng)載波同步系統(tǒng)設(shè)計方案。首先利用控制參數(shù)法使最佳性能方案向次最佳性能方案轉(zhuǎn)化，即實現(xiàn)了系統(tǒng)的自適應(yīng)性；然后在滿足較低信噪比損失的前提下，篩選出具有開銷小和復(fù)雜度低的方案，從而實現(xiàn)了“綠色通信”的理念。此外，該設(shè)計方案不局限于具體的調(diào)制編碼系統(tǒng)，因而具有普遍適用性。下一步將深入研究該設(shè)計方案在非高斯白噪聲信道（如衰落信道等）下的性能。

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張 景（1974—），男，福建上杭人，1996年于西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師、無線傳輸技術(shù)高級專家，主要研究方向為戰(zhàn)術(shù)通信、軍民融合專用移動通信系統(tǒng)設(shè)計和無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)；

ZHANG Jing was born in Shanghang，F(xiàn)ujian Province，in 1974.He received the B.S.degree from Xidian University in 1996.He is now a senior engineer.His research concerns tactical communication，mobile communication and wireless transmission.

Email：zhangjing_gz@sina.com

余忠洋（1989—），男，安徽六安人，西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室博士研究生，主要研究方向為編碼調(diào)制技術(shù)、無線傳輸；

YU Zhongyang was born in Lu′an，Anhui Province，in 1989. He is currently working toward the Ph.D.degree.His research concerns coding modulation technology and wireless transmission.

Email：844767740@qq.com

白寶明（1966—），男，山西大同人，西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為編碼調(diào)制技術(shù)、無線通信系統(tǒng)。

BAI Baoming was born in Datong，Shanxi Province，in 1966.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research concerns coding modulation technology and wireless communication system.

Email：bmbai@xidian.edu.cn

An Adaptive Carrier Synchronization System Scheme Based on“Green Communication”Concept

ZHANG Jing1，YU Zhongyang2，BAI Baoming2
（1.The 7th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation（CETC），Guangzhou 510220，China；
2.State Key Laboratory of Integrated Service Networks，Xidian University，Xi′an 710071，China）

Considering both large cost and high complexity of current carrier synchronization systems at low signal-to-noise ratio（SNR），this paper presents an adaptive carrier synchronization system design method based on the concept of“green communication”.First，the control parameter method is adopted to make the optimal performance scheme translate into suboptimal ones.Then，under the premise of satisfying fewer SNR losses，the suboptimal schemes are compared and some schemes with both small cost and low complexity are given.Simulation results show that compared with the optimal performance scheme，normalized pilot cost and complexity of the suboptimal ones can be reduced by 16%and 38%respectively，thus being accordable with the concept of“green communication”.

green communication；adaptive carrier synchronization；low SNR；control parameter method

1　引 言

“綠色通信”是指節(jié)能減排、減少環(huán)境污染和資源浪費從而實現(xiàn)對物質(zhì)循環(huán)利用的新一代通信理念，通過采用創(chuàng)新的高效功放、自適應(yīng)控制等技術(shù)，對通信基站的各部分進行適當改造，以達到節(jié)能減排的目的，最終實現(xiàn)通信上的可持續(xù)發(fā)展［1］。因此，通信領(lǐng)域的方方面面都應(yīng)當遵循這一理念。對于一個通信系統(tǒng)而言，載波同步是至關(guān)重要的部分。對于一個同步系統(tǒng)來說，設(shè)計一個有效的同步算法起著非常關(guān)鍵的作用。而這種算法應(yīng)該符合“綠色通信”的理念，即開銷?。ā肮?jié)能”）和復(fù)雜度低（“減排”）。傳統(tǒng)的載波同步算法主要分為數(shù)據(jù)輔助（Data-Aided，DA）和非數(shù)據(jù)輔助（Non-Data-Aided，NDA）兩類。其中，DA算法［2］無法兼顧信噪比門限和估計范圍，尤其在低信噪比下，通常需要大量的數(shù)據(jù)開銷（比如導(dǎo)頻）來提高估計精度，故不符合“綠色通信”的理念。而NDA算法一般利用解調(diào)軟信息［3］或譯碼軟信息［4］對載波頻、相偏進行估計，估計精度較高，但搜索頻偏范圍較大，因而復(fù)雜度很高，故亦不符合“綠色通信”的理念。另外，對于這兩類算法，均只能通過控制單個參數(shù)（比如導(dǎo)頻或數(shù)據(jù)）來獲得性能的改善，所以自適應(yīng)能力較差。結(jié)合傳統(tǒng)載波同步算法的優(yōu)點，文獻［5-10］提出了一種聯(lián)合導(dǎo)頻和解調(diào)軟信息或譯碼軟信息的載波同步算法。其中，文獻［5-6］分別提出了一種旋轉(zhuǎn)平均周期圖（Rotational Periodogram Averaging，RPA）或最大似然（Maximum Likelihood，ML）聯(lián)合解調(diào)軟信息的載波同步算法，在大頻偏下利用有限的導(dǎo)頻開銷均可以獲得較高的估計精度，但細估計中采用的頻相二維盲搜索導(dǎo)致了很高的復(fù)雜度。文獻［7-10］利用低密度奇偶校驗（Low Density Parity Check，LDPC）碼和Turbo乘積碼（Turbo Product Code，TPC）的譯碼軟信息對載波頻偏進行細估計，在較小的頻偏下僅需很少的導(dǎo)頻開銷就能夠獲得較高的估計精度，但其復(fù)雜度較高且不適用大頻偏的情況。所以這些聯(lián)合的同步算法都不符合“綠色通信”的理念。與傳統(tǒng)的DA或NDA算法相比，它們可以通過控制兩個或多個參數(shù)（比如導(dǎo)頻、數(shù)據(jù)和自定義參數(shù)等）來改善性能，因而具有較好的自適應(yīng)能力。綜上，在低信噪比的環(huán)境下，實現(xiàn)小開銷和低復(fù)雜度的自適應(yīng)載波同步是當前“綠色通信”中的一個研究熱點。

**通信作者:zhangjing_gz@sina.com zhangjing_gz@sina.com

TN911.3

A

1001-893X（2016）08-0867-06

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.08.007

2016-05-16；

2016-07-18

date:2016-05-16；Revised date:2016-07-18

引用格式:張景，余忠洋，白寶明.基于“綠色通信”理念的自適應(yīng)載波同步系統(tǒng)方案［J］.電訊技術(shù)，2016，56（8）：867-872.［ZHANG Jing，YU Zhongyang，BAI Baoming.An adaptive carrier synchronization system scheme based on“Green Communication”concept［J］.Telecommunication Engineering，2016，56（8）：867-872.］