基于交織多址技術的非正交多用戶新型檢測方法

康潔思 朱靜

（中國直升機設計研究所 江西省景德鎮市 333000）

新型的多址接入技術[1-2]是5G 通信技術[3]研究的熱點之一。其中，基于交分復用（Interleave-Devision Multiplexing,IDM）的交織多址技術在2002年提出。IDMA 繼承了碼分多址（Code-Division Multiple Access,CDMA）的大部分長處，例如抗衰落和抗干擾等優勢。除此之外，IDMA 具有比CDMA 更好的魯棒性，以及IDMA 使用的迭代多用戶檢測方法有復雜度更加低的等等優點。IDMA 的基本原理將不同的交織序列作為用戶區分的標準[4]。IDMA 檢測算法一般采用經典的低復雜度的檢測算法——單元信號檢測器（Elementary Signal Estimator,ESE）。本文將一種新型檢測方法AMP 檢測與IDMA 技術結合，在降低系統的復雜度的同時，在一定程度上提升了系統的誤比特率性能。

1 IDMA基本原理

在CDMA 系統中，數據先進行交織而后進行擴頻，交織器可以將編碼后的數據打亂順序，使得編碼后的數據互不相關，以避免其連續錯誤。而在IDMA 系統中，數據先進行擴頻而后進行交織，交織器的作用也與CDMA 不盡相同。在IDMA 系統中每個用戶使用獨特的交織序列作為用戶的“ID”，將不同的交織序列作為用戶區分的標準。

IDMA 系統發射端框圖如圖1所示。

數據在IDMA 系統發射端進行如下處理：

（1）長度為J 的用戶k 的數據dk={dk(j),j=1,2,...,J} 采用前向糾錯（Forward Error Correction,FEC）編碼器進行編碼得到ck={ck(j),j=1,2,...,RJ}，1/R 是FEC 編碼器的碼率。

編碼器輸出的數據ck通過擴頻序列S={S(j),j=1,2,...,LS}完成擴頻操作之后得到sk={sk(j),j=1,2,...,N}，其中LS為擴頻序列的長度，N 是擴頻器輸出的數據sk的長度，N=RJLS。擴頻器在其本身具備的編碼增益的基礎上，還可以提高系統的抗衰落能力。

（2）擴展后的數據sk通過長度為N 的交織器πk進行交織，得到xk={xk(j),j=1,2,...N}。每一個用戶的交織器的交織規則是不同的，交織的基本原理是通過隨機調換數據的排列順序，使得編碼后的相鄰元素互不相關。正如前文提到的，在IDMA 系統中，交織器還有一個非常關鍵的作用，那就是IDMA 系統可以根據用戶特定的交織序列來區分不同的用戶。

（3）數據通過天線發送出去。

2 IDMA信號檢測

2.1 傳統ESE檢測器

IDMA 的傳統ESE 檢測算法可以實現信號分離。多用戶ESE迭代檢測器的示意圖如圖2所示。多用戶ESE 迭代檢測器由K 個解碼器（Decoder,DEC）、交織器、解交織器及一個基本信號檢測器組成，K 為用戶數。

基本信號檢測器的作用是在迭代循環中給出K 個用戶每一位數據分別為0/1 的概率（軟信息）。基本信號檢測器主要負責K 個用戶的多用戶干擾，不負責單個用戶數據的編碼及交織約束。每個用戶的DEC 譯碼器負責進行譯碼以及解擴頻操作，生成譯碼后的軟信息。

多用戶ESE 迭代檢測器的基本信號檢測器使用交織器和解交織器實現與K 個用戶的DEC 譯碼器的交聯，通過交聯不斷迭代和更新數據的軟信息。

由于IDMA 系統的多用戶ESE 迭代檢測器把交織/編碼約束和多用戶干擾剝離開處理，能夠降低接收機的復雜度。多用戶ESE迭代檢測器的迭代次數達到預定次數時，最終由DEC 譯碼器對K個用戶每一位數據進行硬判決，作為多用戶ESE 迭代檢測器得到的輸出。

2.2 AMP檢測器

Str-AMP(Structured Approximate Message Passing,Str-AMP)檢測算法是一種基于多用戶（Multi-user）空間調制（Spatial Modulation,SM）系統的AMP 檢測算法。Str-AMP 檢測利用了SM系統結構的稀疏特點，估計出每個用戶的相鄰的信息，后文中我們簡稱為AMP 檢測算法。AMP 檢測算法的核心思想是計算發射信號xi的后驗均值和方差，并用其均值和方差進行更新迭代。

我們將AMP 檢測器與IDMA 系統有機結合，假設其數字調制方式為M-PSK 或M-QAM 調制，不失一般性，假設其數據長度為N，用戶數為K，發射天線數為Nt，接收天線數為Nr，則AMP 檢測算法具體步驟為：

（3）用如下兩個公式更新xi的后驗均值和方差：

（4）將t 置為t+1，返回步驟[2]，直到迭代循環完成

3 IDMA性能分析

3.1 高斯信道下IDMA-AMP系統性能分析

不失一般性，本文首先采用單發雙收QPSK 調制的2 用戶IDMA 系統，碼率為1/2 的重復碼和1/2 的卷積碼，經AWGN 準靜態單徑信道，其仿真結果如圖3所示。

圖3表明：將接收天線增加至兩根時，AMP 檢測以更低的復雜度達到了和ESE 檢測較為一致的性能，AMP 檢測略優于ESE。

3.2 衰落信道下IDMA-AMP系統性能分析

考慮單發雙收QPSK 調制的2 用戶IDMA 系統，碼率為1/2 的重復碼和1/2 的Turbo 碼，經TDLC 衰落信道，其仿真結果如圖4所示。

圖4表明：在單發雙收衰落信道下，AMP 檢測性能較ESE 檢測更優，在高信噪比下尤為明顯。

3.3 衰落信道下IDMA-AMP抵抗頻偏性能分析

OFDM 技術有抗多徑衰落和較高的頻譜利用率等長處，但是對頻偏十分敏感。

由于頻偏影響了子載波之間的正交性，導致出現載波間干擾（Inter Carrier Interference,ICI）。因此OFDM-IDMA 系統的ICI 抑制是一個亟需研究的問題。如果無法在系統的接收機消除頻偏對接收信號的干擾，系統性能會遭受極大的損失。因此本節主要是分析OFDM-IDMA 系統的基于AMP 檢測器的頻偏抑制性能仿真。

圖5是OFDM-IDMA-AMP 頻偏抑制對比圖。由仿真結果可知，OFDM-IDMA-AMP 系統因為頻偏的存在，性能下降了約5dB，而在檢測端完成頻偏補償檢測操作之后，OFDM-IDMA-AMP 系統能夠達到與幾乎無頻偏系統一致的性能。

圖1：IDMA 發射機示意圖

圖2：多用戶ESE 迭代檢測器示意圖

圖3：ESE 檢測和AMP 檢測雙接收天線對比圖

圖4：ESE 檢測和AMP 檢測雙接收天線對比圖

圖5：OFDM-IDMA-AMP 頻偏抑制對比圖

4 結束語

本文介紹了交織多址系統的基本原理（及其傳統ESE 檢測器），并提出了基于IDMA 的AMP 接收機，介紹了AMP 算法的核心思想和基本步驟。同時通過仿真比較，對基于不同信道編碼和信道的IDMA 系統中的AMP 檢測算法和ESE 檢測算法進行對比分析。通過仿真證明，AMP 檢測算法能夠降低系統的復雜度的同時，在一定程度上提升了系統的誤碼率性能，通過仿真發現，隨著接收天線數的增加，AMP 較ESE 的優勢逐步提升，同時分析了基于AMP檢測算法的頻偏抑制性能。