IDMA系統中交織器研究現狀

王樹蘭， 伍守豪， 吉建華， 金 濤

（①深圳大學 信息工程學院，廣東 深圳 518060；②深圳清華大學研究院，廣東 深圳 518060）

0 引言

近幾年，李坪教授提出的IDMA技術引起了人們廣泛的關注。IDMA系統不僅繼承了碼分多址的有效抗多址干擾和抗信道衰落等優勢，而且還有低復雜度的接收機結構，是第四代移動通信的關鍵技術之一[1]。IDMA系統最基本的原則是對不同用戶分配不同的交織規則，交織器是用于區分用戶的唯一方法。在IDMA系統中，交織器要滿足3個條件：①交織器要容易產生、存儲及傳輸；②交織器間要保持彼此獨立，避免產生沖突；③交織前后用戶數據的相關性要小[2]。文中綜述研究了目前應用于IDMA系統中的典型交織器，如隨機交織器、嵌套交織器、正交交織器、偽隨機交織器、移位交織器、S-交織器、加密交織器、樹狀交織器等。

1 隨機交織器

隨機交織器[3]是IDMA系統中被率先提出的一種設計方式。系統中的每個交織器都是利用隨機的方式得到。假設系統交織深度為M，對用戶k來說，交織器的生成方式為：①初始化,令位置索引i=1，生成長為M的索引序列:{1,2,…,M-1,M}；②產生隨機數j(1≤j≤M-i );③對換位置索引i與i+j;④若i≤i+1，返回②。當i等于m+1時，停止上述過程，此時得到的新位置索引就是用戶k的交織器。

該交織器的優點：每個交織器都隨機獨立生成；在生成過程中，交織器不受其他用戶干擾，故在一般情況下能取得較好的互交織和互相關性能，算法簡單。該交織器的缺點：在管理所有用戶的交織規則時需要大量的存儲資源，在基站和移動臺之間進行信息交換時需要大量的帶寬資源。如果用戶增多或交織深度增大時，該交織器的劣勢會凸顯，則該算法不適于大型的IDMA系統。

2 嵌套交織器

嵌套交織器[4]是以一個主交織器為中心，利用嵌套的方式來生成每個用戶的交織器，即“在交織的基礎上再交織”。具體算法為[5]：①產生一主交織器πmaster;②利用遞推公式來完成每個用戶的交織器設計：πk(i)=πmaster(πk-1(i ))，即第k-1個用戶的交織器πk-1交織主交織器πmaster就可以得到第k個用戶的交織器,其中π1=πmaster。

該交織器的優點：減少了基站和移動臺之間的信息交換，節省了系統的存儲資源，還加快了系統交織器的生成時間。該交織器的缺點：若主交織器存在不動點，即交織前后某比特位置沒有發生變化，所有的交織器都會有不動點的存在;若主交織器是對稱交織器，即交織與解交織規則完全相同，該算法對IDMA系統也不適用。

3 正交交織器

正交交織器[4]是在正交序列(m序列、walsh序列等)的基礎上獲得。以m序列為例，具體算法為[6]:

1）生成長度是S-1的m序列(選取恰當的本原多項式，設為m階，有2m=S)。

2）將移動移位寄存器得到的S-1個移位序列進行存儲。

3）在2)中得到的所有移位序列末尾加‘0’便得到S-1個正交序列an(1≤n≤S-1)。

4）對用戶k來講，編碼序列ck的前S個交織位置的生成方法是：①初始化i=1;②若原始序列中第i個數值為+1，則πk(i)映射為正交序列ak中第i個1所在的位置；反之，則映射為ak中第i個0所在的位置；i加1，反復執行步驟②；③當i=S時，停止該過程。

5）對用戶K而言，編碼序列ck的交織器πk執行操作：πk(mS+i)=mS+πk(i),(1≤m≤l -1)。

該交織器的優點：降低了復雜度，只需存儲和交換若干比特即可完成交織器設計；可根據需求設計任意信息序列長度的交織器；交織序列也滿足嚴格的正交性。該交織器的缺點：每組交織器最多不超過S (擴頻序列長度)個，使得多址用戶數受限。

4 偽隨機交織器

正交交織器的個數受到正交序列長度的限制。當用戶數大于S時，系統需要采用非正交的方法產生足夠多的交織器來滿足需求。偽隨機交織器[7]就由此而來，該交織器是在m序列的基礎上生成的。具體算法為[5]：

1)選取m階本原多項式K個，滿足2m=lS，為編碼序列長度。

2) K個長度為lS的交織器由相對應的K個多項式生成。具體算法：①根據生成多項式的系數產生一個線性反饋移位寄存器。對于m階的本原多項式，滿足lS=2m；②t（1≤ t≤ls-1）（ls-1為m序列的周期長度值）表示離散時間。在移位寄存器的初始化時：令t=1，其中qb( t)為移位寄存器t時刻數據的向量表示，q( t)是qb( t)的十進制表示；③滿足周期為lS-1的每個m序列在特殊時刻x時存在最長連續零。設置如下：

該交織器的優點：長度為2mlS=的每個用戶的交織器生成時只需存儲m bit即可完成。與隨機交織器相比，該交織器在資源消耗方面有明顯降低，算法較簡單，硬件也易實現。該交織器的缺點：用戶數急劇增多時，很難找到足夠的本原多項式來滿足設計。

5 移位交織器

移位交織器是借助移動方法而設計的一類交織器的總稱。移動種類包括：移位，循環，螺旋等。

移位交織器[6]是為了解決隨機交織器的存儲和帶寬資源消耗太大，不利于硬件實現等問題。該交織器也是通過S序列實現的；與隨機交織器相比，該交織器資源消耗相對比較低，算法較簡單。

循環移動交織器[8]是通過循環移動和交織一個共同的主交織器而得到多個交織器。該交織器用于IDMA系統設計和多維度編碼方面。

文獻[9]提出螺旋交織器，首先產生一個主交織器，然后在此基礎上進行螺旋得到新的交織器。該交織器與其他相比效率更高，需要更少的比特數去存儲交織器。

文獻[10]提出基于PN序列的移位交織器。該交織器是通過循環移動一個特定的偽噪聲（由PN序列產生）進行交織，即用PN序列產生一主交織器，然后進行循環移動。與隨機交織器相比，該交織器復雜度較低，需要的存儲空間更少，生成方法也簡單。

矩陣循環移動交織器[11]以矩陣為基礎，加上循環移動形成的交織器。在加性高斯白噪聲信道條件下，與隨機交織器相比，該交織器可以保持與隨機交織器幾乎相同的誤碼率性能；解決了記憶存儲問題，也減少了移動臺和基站間的信息交換。

基于矩陣行列移位的交織器[12]是在AWGN信道條件下，提供了接近于隨機交織器的誤碼率性能。所有的交織器可行移位產生，也可列移位產生，同時還可同時行和列移位生成。該方案使多個用戶共享一個基礎交織器，減少了移動臺和基站間的信息交換，節省了存儲空間，系統資源利用率也得到提高；此外，對特定用戶的交織器來講，它還有效避免了系統的延時，實現也較簡單。但該交織器依然是基于隨機交織器而設計的，故該交織器具有較強的隨機性，無法保證每次都能設計性能優良的交織器。

6 S-交織器

二維交織器[6,13]是在偽隨機序列基礎上產生的，該方案采用了傳統分組交織器的設計理念。算法是：首先，按行順序寫入一個位置索引矩陣M；其次，用相同的一低階交織圖案Γ分別交織M的行、列位置索引。結束后，以列順序從第一列開始依次讀出矩陣M中的位置索引，所讀出的位置索引又可構造一新的高階交織器。該交織器可得到較好的一階最小互交織距離，即保證交織前相鄰的比特在交織后不會相鄰；可以獲得比隨機交織器更好的性能。

三維矩陣交織器[5]是基于S-隨機交織器生成的，故具有良好的S階及S以下任意階的互交織距離。該交織器的優點是：性能穩定,具有較弱的互相關性,對高階互交織距離約束問題得到了較好的解決；占用較少的存儲資源和傳輸帶寬，生成簡單。該交織器的缺點是：生成時間較長；若交織深度急劇增大時，系統很難找到足夠的本原多項式來滿足需求。

7 加密交織器

非對稱IDMA交織器[14]是采用離散Amold映射，借鑒了類似非對稱密鑰加密的方法來完成保密通信的功能。該交織器能達到與偽隨機交織器相同的誤碼率性能，還可以提供保密通信功能，還具有運算速度快、硬件實現復雜度低等特點。

文獻[15]提出基于離散混沌映射的IDMA非對稱交織器設計方案，使系統在物理層上具有保密通信功能。該方案與常用的Diffie-Hellman密鑰交換協議相結合，借鑒了混沌系統的初始值敏感和類隨機的特性，同時具有偽隨機交織和保密通信的功能。

文獻[12]提出HS．Chaos交織器，是在S-Random的設計理念上，采用混沌序列代替原有的隨機序列。使該交織器同時具有隨機性和確定性的特點，還保證每次設計的交織器都有良好性能。在S-距離條件約束下，在用戶數較少時，該交織器的性能略優于隨機交織器，在多用戶時也有與隨機交織器相同的抗噪性能。但該方案設計相對較復雜，相對于隨機交織器，在性能提高方面也沒有明顯的優勢。

8 樹狀交織器

文獻[16]提出樹狀圖交織器。該方案降低了計算復雜度，解決了內存成本問題，也減少了在移動臺和基站間的信息交換，還與嵌套交織器和隨機交織器的性能一樣好。

文獻[17]提出多級樹狀交織器。與樹狀交織器和嵌套交織器相比，該交織器能有效地降低計算復雜度。帶有隨機交織器的方法能有效地減少存儲量和帶寬消耗。

9 結語

除了以上主要的幾類典型交織器外，還有移動正交交織器、巢狀交織器、對稱交織器、粒子群算法交織器、并行交織器、PEG算法交織器以及線性同余交織器等等。

縱觀IDMA系統中交織器設計的發展歷程，經過短短的幾年時間，IDMA系統中交織器的設計越來越成熟，其后續研究工作主要趨向于算法簡單、生成速度快、相關性弱以及較好的互交織距離特性等方面，從而使交織器逐漸從理論科研階段走向實際應用階段，尤其是與IDMA系統的其他技術相配合，促進交織分多址系統盡早的應用于第四代移動通信系統中。

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