交織多址技術在BRadio系統上行鏈路中的應用

摘 要：基于BRadio系統上行采用的時頻域聯合單載波調制時分多址(TFU-SCM-TDMA)技術，將交織多址接入(IDMA)技術引入其中，同一時隙中可以支持多用戶同時通信。該方式用不同的交織器區分不同用戶，并在發送端插入訓練序列以分別獲得用戶到基站的信道信息，在接收端采用多用戶迭代譯碼消除其他用戶的干擾。在AWGN和瑞利衰落信道下進行仿真，驗證了所提方法的可行性。

關鍵詞：BRadio系統； TFU-SCM-TDMA； 交織多址; 迭代譯碼

中圖分類號：TN929.5-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0036-04

Application of IDMA Technology in Uplink of BRadio System

HU Li-li， XUE Guang-da， KANG Deng-bang

(Wireless and Mobile Communication Technology R＆D Center， Tsinghua University， Beijing 100084， China)

Abstract： Based on the time domain and frequency domain united single carrier modulation time division multiple access (TFU-SCM-TDMA) technology which is used in uplink of Bradio system， the interleave division multiple access (IDMA) is introduced into the uplink to make it support multiuser communication in the same slot simultaneously. It uses different interleavers to distinguish multiuser， and inserts training sequences at thetransmitting end to get the channel information between multiuser and base station respectively. The multiuser iterative decoding is adopted at receiving end to eliminate the interfe-rence from other users. Simulation in AWGN and Rayleigh fading channel was performed to verify the feasibilityof the technology.

Keywords： BRadio system; TFU-SCM-TDMA; IDMA; iterative decoding

0 引 言

基于BRadio(Broadband Radio)的專用寬帶無線接入系統是清華大學提出的一種解決“最后一公里”寬帶無線接入問題的系統［1］，有相應的通信行業規范對其進行規定。系統上行采用時頻域聯合的單載波調制時分多址(TFU-SCM-TDMA)技術。

現有BRadio上行鏈路采用TDMA的多址方式，每個時隙只有一個用戶進行通信。考慮將交織多址接入(Interleave Division Multiple Access，IDMA)技術應用在BRadio系統上行鏈路，使得每個時隙支持多用戶同時進行通信，形成基于交織多址的TFU-SCM上行鏈路。

交織多址接入技術利用交織器來區分用戶，區別于傳統多址接入方式(如TDMA，FDMA)。由于交織多址接入技術對抗多址接入干擾的優異性能和相對較低的復雜度，越來越受到通信業界的關注［2］。通過利用交織多址接入技術可以很好地實現系統在頻率、時間等資源上的復用；將編碼器與擴頻結合可以最大化編碼增益和信道容量；其復雜度集中在接收端，這使得IDMA技術特別適合應用于上行鏈路［3］。

1 基于IDMA的TFU-SCM上行鏈路

1.1 基于IDMA的TFU-SCM上行鏈路發送端

在同一個時隙中，以2個用戶同時進行通信為例，基于IDMA的TFU-SCM上行鏈路的發送端示意如圖1所示。用戶1和用戶2發送的數據信息分別為d1和d2，經過信道編碼、星座映射后信息序列變為x1和x2，分別插入UW和訓練序列，組成符號后組幀，經過基帶處理后發送出去。

1.1.1 生成交織序列

圖1中的信道編碼過程如圖2所示。

圖1中，前向糾錯編碼采用1/2，1/3，3/4碼率的卷積碼，其編碼塊長度和帶寬、碼率、星座調制方式有關，如表1所示，表中n在工作帶寬為2 MHz，4 MHz，8 MHz下分別取1，2，4。

交織器部分采用如下方法生成交織序列［4］：

在不同的帶寬、編碼碼率、星座映射方式下，假設交織器的交織深度為L，L的取值為編碼后的長度；整數p滿足2p>L，m是p的最小取值；m階偽隨機噪聲序列的生成多項式為gm(x)。輸入序列為{xi}，i=0，1，2，…，L-1。Ij 表示輸出第j個數據的原始順序。輸出序列為{yj}，j=0，1，2，…，L-1，有:

具體步驟如下：

(1) 假設用戶分配到的最小時隙編號為u，用戶種子值為α，對于用戶1，α1=4×u，而對于同一個時隙下的用戶2，α2=u－1。BRadio系統上行子幀由12個時隙組成，每個時隙持續時間為360 μs，前2個時隙用于承載隨機接入或帶寬請求信息，后10個時隙用于傳輸上行突發數據。故取值范圍為α1∈{12，16，20，…，48}，α2∈{2，3，4，…，11}；

(2) k的初始值為0；

(3) 判斷k=2m，成立則結束交織過程，取Ij，j=0，1，2，…，L-1；否則判斷α－1

(4) α的二進制表達式循環右移m-1位的末位若為1，則將原α左移一位的數值與gm(x)異或得到新的α值，k增加1，轉入步驟(3)；α的二進制形式循環右移m-1位的末位若為0，則原α循環左移一位成為新的α值，k增加1，轉入步驟(3)，其中α={α1，α2}。

1.1.2 添加訓練序列

訓練序列由多個UW構成，選用Zadoff-Chu序列作為UW序列。長度為U的Zadoff-Chu序列可由式(2)表示［5］：

1.2 基于IDMA的TFU-SCM上行鏈路接收端

基于IDMA的TFU-SCM上行鏈路接收端示意如圖4所示，接收到的信號進行同步、拆幀，完成信道估計和去訓練序列及去UW操作后送入MMSE檢測器，進行多用戶檢測，最終得到用戶1和用戶2傳輸的數據信息。

在接收端，系統通過每一幀數據前的訓練序列進行信道估計。例如，針對圖3中添加訓練序列的方法，則對于用戶1，截取接收數據信息r的前128個點估計用戶1的信道信息；截取r的第129~256個點估計用戶2的信道信息。

以用戶1為例，假設發送每一幀數據時信道的頻率響應不變，設接收端已知所發送訓練序列1的原始序列，包含2個UW序列，其中一個UW序列為{am}，長度為64；同時設接收端接收到的同一位置的UW序列為{bm}，長度為64。分別對am和bm進行64點FFT運算，得到序列{Ak}和{Bk}，則信道的頻率響應估計值k可由式(3)得到［6］：

對{k}進行64點IFFT運算，在得到信道沖擊響應{t}的尾部加0至長度P，然后進行P點FFT運算，就得到P個樣值點的頻率響應{k}(8 MHz帶寬下信息數據長度P=2 048)。最后對信道進行多次估計，然后取平均值作為信道的頻率響應。

設Xk={Xk(n)}，是xk={xk(n)}進行DFT變換后的序列，長度為N，以下公式中k=1，2，則:

從MMSE檢測器到DEC方向的ESE操作為計算外部對數似然值，由xk(n)的后驗均值和方差得到xk(n)的實部xRek(n)和虛部xImk(n)的外部對數似然值［9］，即:

將Ext(xRek(n))和Ext(xImk(n))解交織后送入譯碼器DEC模塊進行譯碼，其輸出信息交織后，通過ESE模塊，執行計算對數似然值的操作，得到相應的E(xk(n))和Var(xk(n))值，再進行DFT變換后得E(Xk(n))和Var(Xk(n))，代入式(12)和式(13)作為MMES檢測器的先驗信息［10］。在進行預訂好的循環次數后(經驗值為5~8次)，譯碼輸出估計的用戶值為1和2，完成多用戶迭代檢測過程。

2 仿真性能

在信道模型分別為加性高斯白噪聲信道和瑞利衰落信道下(ITU6徑城市模型：延時=［0 0.2 0.5 1.6 2.3 5.0］ μs；衰落系數=［-3 0 -2 -6 -8 -10］ dB)，采用1/2碼率卷積碼，QPSK調制，每個符號數據長度為1 984點，訓練序列長度為256，UW長度為64，性能仿真如圖5和圖6所示。

從圖中可以看出，在AWGN信道和瑞利衰落信道下，上行鏈路采用TFU-SCMA-TDMA和采用基于IDMA的TFU-SCM的性能差異不大，在BER值低于10-4后，兩條曲線非常接近。但基于IDMA的TFU-SCM上行鏈路可以同時接入兩個用戶進行通信，具有更多的靈活行和可擴展性。

3 結 語

本文在BRadio系統上行鏈路中引入交織多址接入技術，用不同的交織器區分用戶，在發送端插入訓練序列， 以分別獲得用戶到基站的信道信息，在接收端采用多用戶迭代譯碼，以消除其他用戶的干擾。在同一時隙中，對TFU-SCMA和基于交織多址的TFU-SCM上行鏈路進行仿真驗證，兩種方式性能接近，但基于交織多址的TFU-SCM上行鏈路性能在同一時隙下接入多個用戶，具有更多的靈活行和可擴展性。

參 考 文 獻

［1］粟欣，辛艷.清華BRadio寬帶無線城域網技術及應用［J］.中國科技投資，2008(2)：73-74.

［2］徐翼.BRadio系統的調制技術研究［D］.北京:清華大學，2010.

［3］PING Li， LIU Li-hai， LEUNG W K. A simple approach to near-optimal multiuser detection: interleave-division multiple access [C]// Proceeding of IEEE Wireless Communications and Networking Conference. Louisiana: IEEE， 2003: 391-396.

［4］SU Xin， ZHANG Han-yi， XU Yi， et al. Implementation issues for CSSI-based system contribution to IEEE 802.16 m amendment working document (AWD) [M]//. [S.l.]: [s.n.]， 2009.

［5］張俊杰，葛萬成.Zadoff-Chu序列在LTE下行鏈路頻偏估計中的應用［J］.電子技術，2010(12):65-66.

［6］張國斌，黃湧，林臻.單載波頻域均衡系統的信道估計技術［J］.電力系統通信，2003(12):37-40.

［7］GUO Qing-hua， YUAN Xiao-jun， PING Li. Multi-user detection techniques for potential 3GPP long term evolution (LTE) schemes [J]. Multi-Carrier Spread Spectrum， 2007， 1: 77-86.

［8］GUO Q， PING Li， LOELIGER H. Turbo equalization based on factor graphs [C]// Proc. of IEEE Int. Symp. Inform. Theory (ISIT). [S.l.]: IEEE， 2005: 2021-2025.

［9］TCHLER M， HAGENAUER J. Turbo equalization using frequency domain equalizers [C]// Proc. of Allerton Conference. Monticello， IL， USA: [s.n.]， 2000: 111-121.

［10］FALCONER D， ARIYAVISITAKUL S L. BENYAMIN-SEEYAR A， et al. Frequency domain equalization for single-carrier broadband wireless systems [J]. IEEE Commun.Mag.， 2002 (4): 58-66.

作者簡介：

胡莉麗 女，1986年出生，湖南人，碩士研究生。主要研究方向為BWA系統小區間干擾抑制技術研究。