王婷 田凤 崔岩松

摘  要： 针对5G网络发展需求，本文提出了一种基于广义频分复用的自适应Turbo码和网格编码调制级联的新型编码调制方法。论文阐述了新型级联编码调制的原理，搭建了基于级联编码调制的广义频分复用仿真系统及实验平台。 研究结果表明，与未编码的16QAM相比，新型级联编码调制误码性能明显提升，该方法实现了高频谱效率、高编码增益的系统性能，为5G技术的发展提供灵活解决方案。

关键词： 光通信;级联编码调制;广义频分复用;5G

中图分类号： TN913.7    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.001

本文著录格式：王婷，田凤，崔岩松. 面向5G前传网络的编码调制技术[J]. 软件，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

随着云计算、高清视频、物联网等新型业务的不断发展，通信网络流量急剧增长。5G接入技术以更快传输数据速率，并确保数据在网络中的安全性和可靠性成为当前研究热点[1-5]。目前商用4G接入系统主要采用单载波，但是用户日益增长的需求正在推动带宽资源的扩展。在过去的几年中，多载波技术已经被提出，基于OFDM技术的第四代（4G）蜂窝系统已经被优化，以向移动用户提供高数据速率和可靠的覆盖[6]。然而，OFDM容易受到载波间干扰和同步误差的影响。需要额外的开销，如循环前缀（CP）来减轻干扰[3]。而基于多载波滤波器组的广义频分复用（GFDM）是第五代（5G）标准的关键技术之一[7-10]。GFDM的主要特点是低带外泄露，对频率偏移和相位噪声不敏感。循环前缀被添加到每个GFDM块，而不是每个GFDM符号。通过设计单个载波的灵活脉冲整形，可以降低峰均功率比（PAPR）。

另外，高频谱效率的GFDM技术使接入系统能够支持大量的光网络单元。它们更容易受到光接入网络中信道和组件的传输损伤，从而导致符号间干扰（ISI）并降低系统性能[9]。因此，前向纠错码可以通过为光接入网络提供额外的增益来提高误码率性能，这是一种提高系统冗余度的关键技术[11-13]。Turbo编码作为FEC编码的一种，具有很好的纠错性能。它不仅在高噪声环境下具有优越的性能，而且具有较强的抗衰落和抗干扰能力。此外，还证明了在各种恶劣条件下在香农界限附近提供通信的能力。Turbo编码作为美国空间数据系统咨询委员会制定的深空通信标准，为Turbo编码实现的研究提供了重要的背景[14]。然而，由于Turbo码存在误码平层问题，这种现象严重影响了实际通信中的高可靠性。Turbo编码与网格编码调制（TCM）相结合的技术可以提高频谱效率，具有鲁棒的纠错质量，结构简单，避免了误码平层的问题，使其在不久  的将来成为5G接入网的一个有吸引力的解决方  案[15-20]。

本文提出并驗证了一种新型级联编码调制（ATTCM）在5G前传网络中的应用。ATTCM编码器采用代码权重决策算法与递归卷积编码器相结合，译码器采用对数似然比译码算法，降低了接收机的复杂度。通过仿真及实验结果分析，该方案对5G接入前传网络有显著性能提升[21]。

1  系统模型原理

图1为5G前传网络的结构图，OLT和ONU分别通过光纤与DU和RRU连接，实现业务输送，DU与RRU之间是基于无源光网络点对多点树型网络拓扑连接。图2为图1对应的物理层据编码原理示意图，即级联编码调制GFDM的原理图。它由ATTCM模块和GFDM调制组成。每个部分的原理在后面详细描述。

1.1  ATTCM编码器和解码器

在ATTCM编码部分，我们首先使用代码权重决策算法（CWD），然后将输入数据注入编码器，如图3所示。代码权重决策算法用于改善输入数据位的代码权重。如果代码的权重大于其长度的某个值，则输入数据直接通过编码器（ ， 表示代码权重， 是输入数据的长度， 是正整数）否则，输入数据的所有位都将被反转，反转位将被标记。编码器实现发送三个比特子块。在满足条件 之后，第一个子块是完整的集合，分别编码第二和第三子块，其中第三部分被发送到交织器。这两个冗余但不同的子块由相同的RSC（递归系统卷积）编码器编码。由于编码器是系统的，因此上编码器的输出和去交织器的输出仅在奇偶校验位中不同，而其余位是相同的。然后使用选择器在来自上编码器和下编码器的奇偶校验位之间交替切换。最后，两个组合的子块然后被映射到M进制符号。

[3] 欧阳钦， 王宏斌. 网络与专业网管远程统管与排障方案分析[J]. 软件， 2015， 36（5）： 121-124.

[4] 任忠良. 一种基于 SIFT 特征的快速图像匹配算法[J]. 软件， 2015， 36（6）： 53-57.

[5] 皮祖成， 陈文， 马龙， 等. 面向对象的无人机任务设备通信接收软件设计[J]. 软件， 2018， 39（7）： 63-67.

[6] Liu B， Zhang L， Xin X， et al. Robust Generalized Filter Bank Multicarrier Based Optical Access System With Electrical Polar Coding[J]. IEEE Photonics Journal， 2016， 8（5）： 1-7.

[7] Cvijetic， N. OFDM for Next-Generation Optical Access Networks[J]. Journal of Lightwave Technology， 2012， 30（4）： 384-398.

[8] Zhang L， Liu B， Xin X. Secure optical generalized filter bank multi-carrier system based on cubic constellation masked method[J]. Optics Letters， 2015， 40（12）： 2711.

[9] Ortega A， Fabbri L， Tralli V. Performance evaluation of GFDM over nonlinear channel[C]//International Conference on Information & Communication Technology Convergence. IEEE， 2016.

[10] Colm Browning， Arman Farhang， Arsalan Saljoghei， Nicola Marchetti， et al， 5G Wireless and Wired Convergence in a Passive Optical Network using UF-OFDM and GFDM[J]， ICC2017.

[11] Chang F， Onohara K， Mizuochi T. Forward error correction for 100 G transport networks[J]. IEEE Communications Magazine， 2010， 48（3）： S48-S55.

[12] Djordjevic I B， Batshon H G. LDPC-Coded OFDM for Heterogeneous Access Optical Networks[J]. IEEE Photonics Journal， 2010， 2（4）： 611-619.

[13] Zhang L， Liu B， Xin X， et al. Joint robustness security in optical OFDM access system with Turbo-coded subcarrier rotation[J]. Optics Express， 2015， 23（1）： 13.

[14] Magarini M， René-Jean Essiambre， Basch B E， et al. Conca-tenated Coded Modulation for Optical Communi?cations Systems[J]. IEEE Photonics Technology Letters， 2010， 22（16）： 1244-1246.

[15] Bulow H， Thielecke G， Buchali F. Optical trellis-coded modulation （oTCM）[C]//Optical Fiber Communication Confer??ence. IEEE， 2004.

[16] Zhao H， Agrell E， Karlsson M. Trellis-coded modulation in PSK and DPSK communications[C]//European Conference on Optical Communications. IEEE， 2009.

[17] Kumar M S， Yoon H， Park N. Performance Evaluation of Trellis Code Modulated oDQPSK Using the KLSE Method [J]. IEEE Photonics Technology Letters， 2007， 19（16）： 1245- 1247.

[18] Yang Q， Ma Y， Shieh W. 1 Tbit/s single-channel coherent optical OFDM transmission with trellis-coded modulation[J]. Electronics Letters， 2009， 45（20）： 104.

[19] 周楓， 薛荧荧， 李千目. 视频监控与编码技术的研究综述[J]. 软件， 2015， 36（4）： 84-92.

[20] 聂敬云， 李春青， 李威威， 等. 关于遗传算法优化的最小二乘支持向量机在MBR仿真预测中的研究[J]. 软件， 2015， 36（5）： 40-44.

[21] Tian F， Guo D， Liu B， Zhang Qi， Qianghua T， et al. A Novel Concatenated Coded ModulationBased on GFDM for Access Optical Networks[J]. IEEE Photonics Journal， 2018， 10（2）： 1-8.