基于IDMA系統的正交擴頻并行結構設計與實現

毛海軍

(中國電信股份有限公司西寧分公司，青海 西寧810001)

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基于IDMA系統的正交擴頻并行結構設計與實現

毛海軍

(中國電信股份有限公司西寧分公司，青海 西寧810001)

基于交織多址系統，結合正交序列的互相關性特點，提出將正交擴頻序列應用于新的系統結構中進行擴頻處理，取代了傳統采用重復編碼進行擴頻的方式。與傳統方式相比，新方式在不改變信息傳輸速率且誤比特率(BER)性能損失很小的情況下，減少硬件存儲資源開銷，降低上行鏈路中基站端多用戶檢測數據長度。理論分析和仿真結果表明，提出的方案能夠在較少增加系統結構復雜度的情況下，實現降低運算復雜度和時延的目的。

交織多址；正交擴頻序列；多用戶檢測；Turbo碼

0 引言

多址技術是通信領域的關鍵技術之一，使得多用戶能夠通過共享的電磁波頻帶接入到一個公共的傳輸媒質中[1]。在碼分多址(CDMA)的基礎上，交織多址接入(Interleave-Division Multiple-Access，IDMA)技術[2]得以提出，通過使用不同的交織序列對用戶進行區分，在接收端采用迭代多用戶檢測(MUD)的思想，降低運算復雜度，提高了系統用戶容量和誤比特率(BER)性能[3]。目前，關于IDMA系統的研究主要集中在碼片級迭代多用戶檢測算法[4]、功率分配方法[5]、信道編碼[6]以及交織器的設計[7]等。近年來，Turbo碼[8]和基于Turbo碼的IDMA系統[9]的研究,在逐步提高IDMA的糾錯能力。

在已有的研究中，IDMA系統在發送端都是采用LiPing教授在文獻[1-3]中提出的簡單擴頻方式，即使用{+1，-1，……+1，-1}為擴頻碼，這種方式近似于對發送碼元進行重復編碼，沒能完全利用擴頻運算的優勢。鑒于此種結構，本文提出利用正交擴頻序列對碼元進行擴頻，通過修改發送端結構，將用戶分組，在接收端實現多用戶檢測的并行處理。本文基于Turbo碼信道編碼的IDMA系統，通過仿真分析了新結構的性能。

1 交擴頻IDMA系統

1.1 交織多址系統

交織多址系統是LiPing教授在DS-CDMA的基礎上提出來的，基本原理是采用不同的交織序列區分用戶，交織器的使用同時也是使得碼片間呈現弱相關性；在接收端引入碼片級迭代多用戶檢測算法，迭代運算中進行軟干擾抵消，實現抑制和消除MAI(Multiple Access Interference)的目的。

簡單的IDMA系統結構如圖1所示。發送端信息序列為dk，經過前向糾錯編碼(FEC)后，得到bk(i)=[bk(1),bk(2),......,bk(I)]，其中I為編碼后數據長度，再經過S長度擴頻(重復編碼)，其中bk(1)擴頻后為[-bk(1),+bk(1),......-bk(1),+bk(1)]，其他類似；擴頻后總序列為ck(j)=[ck(1),ck(2),......,ck(J)]，J=S*I，J為發送碼片長度，交織輸出發送碼元序列xk=[xk(1),xk(2),......,xk(J)]。接收部分：采用Turbo型迭代，每個用戶在基本信號估計器(Elementary Signal Estimator,ESE)中實現次優多用戶檢測，經過一定次數的迭代后，通過硬判決輸出所需要的信息。

接收端迭代運算流程可以概述為：ESE-解交織-解擴-DEC譯碼-擴頻-交織-ESE，可參閱文獻[1]。

圖1 IDMA系統結構

文獻[1]中關于IDMA系統接收端的檢測算法進行了詳細推導。假設IDMA系統中用戶總數為K，那么接收信號{r(j)}為：

hkxk(j)+ζk(j)， j=1,2,......,J，

(1)

(2)

接收端初始化ESE：

① 對于用戶k，計算干擾信息ζk的期望E和方差Var并代入公式：

每次回到臺北，父親都會廣邀親朋好友來家中做客，他也很喜歡幫助別人解決問題。左鄰右舍如果有什么事情，他都會去幫忙。父親常說：幫助別人，就是幫助自己。

(3)

得到eESE(xk(j))；

② eESE(xk(j))解交織解擴后DEC譯碼得到APP，再經過擴頻交織，得到eDEC(xk(j))；

③ 通過eDEC(xk(j))更新用戶k的期望和方差：

(4)

Var(xk(j))=1-(E(xk(j)))2。

(5)

通過ESE與DEC之間的軟信息迭代運算，實現多用戶檢測。

1.2 正交擴頻IDMA系統模型

在LiPing最先提出的IDMA系統中，發送端采用如圖 2所示結構的簡單擴頻，通過重復編碼對發送信號進行復制，實現抗信道噪聲干擾。

圖2 方案1采用傳統結構發送端擴頻方式

正交擴頻不僅能夠完成抗噪聲干擾的目的，同時，由于正交序列良好的自相關特性和處處為零的互相關特性，在接收端，可以通過正交解擴的方式，完全恢復出原始信號。CDMA系統中，正是通過不同的近似正交的擴頻碼，實現多址通信的目的。因此，本文通過修改IDMA系統結構，使用正交的擴頻序列來代替傳統重復編碼序列，如圖3所示。

圖3 方案2采用發送端正交序列擴頻方式

采用方案2結構的IDMA系統如圖4所示，發送端和接收端與方案1相同的部分沒有畫出，著重介紹不同的處理模塊。

圖4 方案2的正交擴頻IDMA系統簡化

擴頻(重復編碼)序列長度為S/2，正交擴頻序列長度為2。因此，總的擴頻長度仍為S，與方案1序列長度相同。用戶1～k使用正交擴頻器SA,用戶k+1～K使用正交擴頻器SB，這樣，就將K個用戶通過正交序列平均分為2組，隨后接入信道。接收端，首先要通過預處理器。預處理器中是2個與發送端正交擴頻序列相同的解擴器，通過解擴器，能夠完全解擴出使用不用正交序列的多用戶疊加信號rA和rB，將rA和rB分別送入ESE中進行迭代軟干擾消除運算，即可得到發送信息d1...dk和dk+1...dK。此時，rA和rB是并行運算的，能降低時延。

1.3 正交擴頻序列

常用的正交擴頻序列有正交gold碼和Walsh碼。正交gold碼由m序列優選對產生，在末尾加一個0生成正交gold碼(偶數)。Walsh碼來源于H矩陣，根據H矩陣中“+1”和“-1”的交變次數重新排列就可以得到Walsh矩陣，該矩陣中各行列之間是相互正交(Mutual Orthogonal)的，可以保證使用它擴頻的信道也是互相正交的。Walsh碼在前向鏈路中用于正交調制，在反向鏈路中用于擴頻。

2 數據傳輸及檢測

不失一般性，本文采用AWGN準靜態單徑信道，BPSK調制模型，而結論在復數信道和多徑衰落信道下也可推廣。

考慮正交擴頻序列SA=[+1+1],SB=[+1-1]。這里將用戶分為兩組，以第一組用戶1到k為例進行分析，第二組用戶k+1到K算法相同,只是擴頻器不同。首先用戶k的信息經過FEC編碼{bk(i),i=1...I}，再經過擴頻(重復編碼)，得到{ck(m),m=1...N/2},N=S*I，交織后得到{yk(m),m=1...N/2}，交織深度為N/2，經過正交擴頻得xk=yk?SA，?為卷積，輸出發送碼元{xk(j),j=1...N}。則在接收端，所有用戶的疊加信號{R(j)}就可以表示為：

R(j)=rA(j)+rB(j)=

(6)

接收端首先進行預處理：

rA(j)+θA(j)=R(j)?SA，

(7)

rB(j)+θB(j)=R(j)?SB。

(8)

式中，θA和θB為噪聲干擾。

經過預處理后，令rA+θA等于公式中r(j)，代入式(1),式(2),式(3),式(4),式(5)可以得到用戶1～k的發送信息，同理可得用戶k+1～K的信息。

3 仿真分析

信道編碼采用Turbo碼，譯碼算法采用Log-MAP算法[10]，它具有運算量小的特點，Turbo碼交織器使用3GPP標準交織器，生成矩陣G=(7,5)8，碼率為1/3，IDMA系統交織器采用隨機交織器。

3.1 2種方案性能分析

參數設置[11]如下：幀數BlockNum=50，幀長度DataLen=1 024，總擴頻長度SpreadLen=12(其中重復編碼長度6、正交擴頻長度2)，用戶數K=16，迭代次數IterNum=10。2種方案性能對比如圖5所示。

圖5 2方案性能對比

通過仿真結果可以看出，采用Turbo信道編碼，信噪比大大降低。對比2種方案，方案2的誤比特率曲線逼近方案1，2種方案的糾錯性能近似。信噪比為2.4 dB時，方案1的誤比特率達到10-5數量級，方案2需要相應提高0.2 dB方達到相同性能，這是正交擴頻序列引入的影響。由于在接收端ESE中進行多用戶檢測時，正交擴頻序列只進行了一次解擴，沒有進行迭代運算。因此，糾錯性能略差于方案1。

表1 接收端運算復雜度對比(n為正交序列長度)

表2 圖5環境下2種方案對比(n=2)

表1和表2的數據表明，方案2的運算復雜度降低，正交序列長度n與復雜度之間是一對矛盾關系。分析得知，接收端中，ESE對于每一個碼元的算法是相同的。因此，減少輸入ESE的碼元數量，就可以降低運算次數，從而降低時延。方案2的接收碼元經過預處理器后，碼元序列分為2組，且經過正交解擴運算長度降低1/2，將2組序列(圖4中rA、rB)并行輸入ESE完成多用戶檢測算法，同時并行分組運算也起到了降低時延的作用。

3.2 多用戶數情況下分析

參數設置：幀數BlockNum=50，幀長度DataLen=1 024，總擴頻長度SpreadLen=12(其中重復編碼長度6、正交擴頻長度2)，迭代次數IterNum=10，用戶數K為14、16和18。多用戶性能對比如圖6所示。

圖6 多用戶性能對比

圖6的仿真曲線說明，擴頻序列長度給定的情況下，用戶數量≤18時，2種方案在信噪比相差≤0.2 dB的情況下，方案1的糾錯性能優于方案2。14用戶時，達到相同誤比特率，方案2需要增加信噪比0.1 dB；用戶數量增加到16和18時，方案2需要增加0.2 dB信噪比。顯然，隨著用戶數量的增加，達到相同的誤比特率，需要更高的信噪比。

3.3 正交擴頻序列不同長度情況下下分析

參數設置：幀數BlockNum=50，幀長度DataLen=1 024，總擴頻長度SpreadLen=12(其中分2種情況：重復編碼長度6、正交擴頻長度2；重復編碼長度3、正交擴頻長度4)，迭代次數IterNum=10，用戶數K=16。

2種情況糾錯性能對比如圖7所示。正交序列長度為4時，能找到4個這樣的序列，此時，用戶可以分為4組，較之前長度為2時，分組數增加1倍，信噪比需要增大0.3 dB。由曲線可以看出，隨著分組數量的增多，相同環境下，糾錯性能下降，這是由于隨著重復編碼的長度減少，迭代運算中重復編碼的編碼增益進一步降低引起的。相比于方案1，為了保證在相同擴頻增益環境下進行對比，總的擴頻長度必須保持一致，重復編碼的長度和正交擴頻序列的長度呈現反比例關系，增加正交序列長度就要降低重復編碼序列長度，相應的交織深度會降低，帶來的改善是硬件存儲資源減少，同時造成系統抗突發錯誤能力會降低。因此，正交序列的碼長應根據適用環境不同進行選擇，對時延要求較高則選擇長正交碼，對糾錯性能要求較高則選擇短正交碼。

圖7 不同正交擴頻序列長度對比

4 結束語

本文基于Matlab仿真平臺，對Turbo信道編碼的IDMA系統中擴頻碼進行了分析，創新地提出采用正交擴頻序列替代傳統重復編碼的擴頻方式，對多用戶進行分組正交擴頻，在接收端正交解擴預處理的并行結構。通過仿真證明，該結構能夠以較低的糾錯性能損失為代價來減少運算復雜度和時延，同時也降低了硬件存儲開銷，也證明了正交序列長均對糾錯性能的影響，正交序列長度越大，則糾錯能力下降，因此正交序列長度結合實際情況進行取舍，對時延要求高則選擇長正交碼，對糾錯性能要求高則選擇短正交碼。同時，通過仿真發現用戶數量增多將導致糾錯性能的下降，且重復編碼的長度和正交擴頻序列的長度呈現反比例關系，總的擴頻長度一致則可得到相同的擴頻增益。

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毛海軍 男，(1977—)，本科，工程師。主要研究方向：無線移動通信。

Design and Implementation of Orthogonal SpreadingSequences for Parallel Structure in IDMA System

MAO Hai-jun

(XiningBranch,ChinaTelecomCo.,Ltd,XiningQinghai810001,China)

Based on the Interleave-Division Multiple-Access system and the cross-correlation characteristics of the orthogonal sequence,this paper proposes a new structure with the orthogonal spreading sequences,and the traditional structure of repetition coding is replaced.On the conditions of no change of information transmission rate and less loss of the bit-error-rate performance,the new structure reduces hardware storage resource overhead and the data length in the uplink of the base station side in comparison with the traditional structure.The theoretical analysis and simulation results show that the new structure reduces the computational complexity and delay with less increase in the structural complexity of system.

IDMA;orthogonal spreading sequences;multi-user detection;Turbo code

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.12.04

毛海軍.基于IDMA系統的正交擴頻并行結構設計與實現[J].無線電工程,2016,46(12):12-16.

2016-08-25

TN92

A

1003-3106(2016)12-0012-05