基于線性同余的正交頻分復(fù)用－交織多址系統(tǒng)設(shè)計

彭 濤，益曉新，李 輝，劉 濤

(解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，南京 210007)

隨著對移動通信的深入研究，交織多址(interleaver division multiple access，IDMA)技術(shù)逐漸受到重視。IDMA技術(shù)是香港城市大學(xué)李平教授［1－2］首先提出的一種新型多址方式。傳統(tǒng)的碼分多址是通過為每個用戶分配不同的擴頻碼來區(qū)分用戶，而IDMA是通過每個用戶不同的交織方式來區(qū)分。為了進一步提高系統(tǒng)的頻譜利用率，提高系統(tǒng)抗多徑能力，正交頻分復(fù)用－交織多址(orthogonal frequency division multiplexing-interleaver division multiple access，OFDM-IDMA)系統(tǒng)也隨即被提出，并得到廣泛研究［3－4］。本文詳細介紹了基于線性同余的OFDM-IDMA系統(tǒng)模型。仿真證明，在不占用過多系統(tǒng)資源的情況下該系統(tǒng)完全可以達到隨機交織器的性能標準。

1 OFDM-IDMA系統(tǒng)模型

IDMA的系統(tǒng)模型見圖1。

圖1 IDMA系統(tǒng)模型

在發(fā)送端，dk代表第k個用戶的輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)過低碼率的信道編碼后，得到編碼序列ck=［ck(1)，…，ck(j)，…，ck(J)］。J是編碼后的信息長度。然后系統(tǒng)將編碼后的信息送入為每個用戶分配的不同的交織器，經(jīng)過交織的序列xk=［xk(1)，…，xk(j)，…，xk(J)］。假設(shè)信道是無記憶的，則基本信號估值器的輸入和輸出分別為:

其中:hk是每個用戶的信道衰落系數(shù);n(j)是高斯白噪聲。可以將式(1)表示為

根據(jù)中心極限定理，認為ζk(j)也服從高斯分布，可以得到:

譯碼模塊使用最大后驗概率判決。利用譯碼器的輸出進一步做如下處理:

將式(9)、(10)代入式(6)更新基本信號估計器，進行迭代處理。

從以上各式可以看出，交織多址的多用戶檢測算法與用戶數(shù)k無關(guān)，這大大降低了計算復(fù)雜度。相比于其他多址方式，這是交織多址的一個顯著優(yōu)勢。

OFDM-IDMA繼承了OFDM與IDMA固有的優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 OFDM-IDMA系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)框圖

在OFDM-IDMA中，每個用戶的數(shù)據(jù)經(jīng)過擴頻、編碼、交織和傅里葉逆變換后被調(diào)制到不同的子載波上，這些子載波的頻譜相互正交以提高頻譜效率。接收端所接收到的信號是疊加了噪聲的所有用戶的信號總和，經(jīng)過傅里葉變換后信號被送入基本信號估計器，分離出每個用戶的數(shù)據(jù)。

2 線性同余交織器的生成

線性同余交織器的設(shè)計主要有2個步驟:生成交織器種子序列，按照一定規(guī)則生成弱相關(guān)交織器。

經(jīng)典線性同余偽隨機數(shù)生成器表達為

它可以生成最大長度為m的無重復(fù)隨機序列，只要滿足條件:① (c，m)=1;② a≡1(modp)，p為所有整除m的素數(shù);③ a≡1(mod4)，如果4|m。

將生成的隨機序列按某個實數(shù)移位可以得到一組交織器。文獻［5］證明，當m取值為偶數(shù)，交織長度為L時，循環(huán)移位交織器具有很強的相關(guān)性。因此取m=2L，把生成序列中的大于L的數(shù)舍棄。為了增強交織器的隨機性，把移位數(shù)取為變量。

這樣，在生成每一用戶的交織器時，只需要知道這個用戶的接入號。多個用戶的交織器可以同時生成，系統(tǒng)不需要花費帶寬和空間去傳輸和存儲交織圖案。

3 系統(tǒng)仿真及分析

首先假設(shè)有16個用戶，每用戶數(shù)據(jù)為256比特，系統(tǒng)采用16倍的重復(fù)碼進行擴頻，共32個子載波，OFDM的調(diào)制方式為BPSK調(diào)制，多用戶檢測的迭代次數(shù)為5次。仿真結(jié)果見圖3。

圖3 OFDM-IDMA仿真曲線(用戶數(shù)16)

再假設(shè)用戶數(shù)為24，仍舊采用16倍重復(fù)碼擴頻，由于用戶負載(用戶個數(shù)/擴頻倍數(shù))大于1，因此增加迭代次數(shù)到20。仿真結(jié)果見圖4。

從系統(tǒng)仿真圖可以看出，雖然只使用了簡單的重復(fù)擴頻碼，但是OFDM-IDMA系統(tǒng)只需要很少的迭代次數(shù)就可以達到較好的性能，即使把用戶負載增加到超過1，只需增加一定的迭代次數(shù)就依然可以達到較好的性能，這說明了交織多址系統(tǒng)的多址能力是非常優(yōu)秀的。另外發(fā)現(xiàn)，在低負載率的情況下，使用線性同余交織器的OFDM-IDMA系統(tǒng)的誤碼率與使用隨機交織器的系統(tǒng)誤碼率相當，而在高負載率情況下，使用線性同余交織器的系統(tǒng)性能優(yōu)于使用隨機交織器的系統(tǒng)性能。

圖4 OFDM-IDMA仿真曲線(用戶數(shù)24)

4 結(jié)束語

本文介紹了基于線性同余的OFDM-IDMA系統(tǒng)原理。該系統(tǒng)能以極低的復(fù)雜度實現(xiàn)優(yōu)異的多用戶通信性能。另外，使用線性同余交織器可以在不降低系統(tǒng)性能的前提下為系統(tǒng)節(jié)省大量存儲資源，在高負載率情況下甚至可以提高系統(tǒng)的性能，這在實際應(yīng)用中是非常有優(yōu)勢的。

［1］Ping L，Liu L，Leung W.A simple approach to near-optimal multi-user detection:interleave-division multiple-access［Z］.International Conference on Wireless Communications and Networking.Orlando:［s.n.］，2003:391-396.

［2］Ping L，Lihai L，Keying W.Interleave division multipleaccess［J］.IEEE Trans Wireless Communication，2006，5(4):938-947.

［3］Ping L，Guo Q，Tong J.The OFDM-IDMA approach to wireless communication systems［J］.IEEE Wireless Comm，2007，14:18-24.

［4］Cui S，Lin W，Qinfang W.Novel wireless communication scheme based on multi-carrier and chip interleave［J］.Journal of chongqing university of posts and telecommunications(natural science edition)，2008，20:2.

［5］Remi，Zhu Guangxi，Lin Pei，et al.Linear Congruential Interleavers in IDMA［J］.Journal of Applied Sciences，2009，27(3):238-243.