基于交织多址技术的非正交多用户新型检测方法

康洁思 朱静

（中国直升机设计研究所 江西省景德镇市 333000）

新型的多址接入技术[1-2]是5G 通信技术[3]研究的热点之一。其中，基于交分复用（Interleave-Devision Multiplexing,IDM）的交织多址技术在2002年提出。IDMA 继承了码分多址（Code-Division Multiple Access,CDMA）的大部分长处，例如抗衰落和抗干扰等优势。除此之外，IDMA 具有比CDMA 更好的鲁棒性，以及IDMA 使用的迭代多用户检测方法有复杂度更加低的等等优点。IDMA 的基本原理将不同的交织序列作为用户区分的标准[4]。IDMA 检测算法一般采用经典的低复杂度的检测算法——单元信号检测器（Elementary Signal Estimator,ESE）。本文将一种新型检测方法AMP 检测与IDMA 技术结合，在降低系统的复杂度的同时，在一定程度上提升了系统的误比特率性能。

1 IDMA基本原理

在CDMA 系统中，数据先进行交织而后进行扩频，交织器可以将编码后的数据打乱顺序，使得编码后的数据互不相关，以避免其连续错误。而在IDMA 系统中，数据先进行扩频而后进行交织，交织器的作用也与CDMA 不尽相同。在IDMA 系统中每个用户使用独特的交织序列作为用户的“ID”，将不同的交织序列作为用户区分的标准。

IDMA 系统发射端框图如图1所示。

数据在IDMA 系统发射端进行如下处理：

（1）长度为J 的用户k 的数据dk={dk(j),j=1,2,...,J} 采用前向纠错（Forward Error Correction,FEC）编码器进行编码得到ck={ck(j),j=1,2,...,RJ}，1/R 是FEC 编码器的码率。

编码器输出的数据ck通过扩频序列S={S(j),j=1,2,...,LS}完成扩频操作之后得到sk={sk(j),j=1,2,...,N}，其中LS为扩频序列的长度，N 是扩频器输出的数据sk的长度，N=RJLS。扩频器在其本身具备的编码增益的基础上，还可以提高系统的抗衰落能力。

（2）扩展后的数据sk通过长度为N 的交织器πk进行交织，得到xk={xk(j),j=1,2,...N}。每一个用户的交织器的交织规则是不同的，交织的基本原理是通过随机调换数据的排列顺序，使得编码后的相邻元素互不相关。正如前文提到的，在IDMA 系统中，交织器还有一个非常关键的作用，那就是IDMA 系统可以根据用户特定的交织序列来区分不同的用户。

（3）数据通过天线发送出去。

2 IDMA信号检测

2.1 传统ESE检测器

IDMA 的传统ESE 检测算法可以实现信号分离。多用户ESE迭代检测器的示意图如图2所示。多用户ESE 迭代检测器由K 个解码器（Decoder,DEC）、交织器、解交织器及一个基本信号检测器组成，K 为用户数。

基本信号检测器的作用是在迭代循环中给出K 个用户每一位数据分别为0/1 的概率（软信息）。基本信号检测器主要负责K 个用户的多用户干扰，不负责单个用户数据的编码及交织约束。每个用户的DEC 译码器负责进行译码以及解扩频操作，生成译码后的软信息。

多用户ESE 迭代检测器的基本信号检测器使用交织器和解交织器实现与K 个用户的DEC 译码器的交联，通过交联不断迭代和更新数据的软信息。

由于IDMA 系统的多用户ESE 迭代检测器把交织/编码约束和多用户干扰剥离开处理，能够降低接收机的复杂度。多用户ESE迭代检测器的迭代次数达到预定次数时，最终由DEC 译码器对K个用户每一位数据进行硬判决，作为多用户ESE 迭代检测器得到的输出。

2.2 AMP检测器

Str-AMP(Structured Approximate Message Passing,Str-AMP)检测算法是一种基于多用户（Multi-user）空间调制（Spatial Modulation,SM）系统的AMP 检测算法。Str-AMP 检测利用了SM系统结构的稀疏特点，估计出每个用户的相邻的信息，后文中我们简称为AMP 检测算法。AMP 检测算法的核心思想是计算发射信号xi的后验均值和方差，并用其均值和方差进行更新迭代。

我们将AMP 检测器与IDMA 系统有机结合，假设其数字调制方式为M-PSK 或M-QAM 调制，不失一般性，假设其数据长度为N，用户数为K，发射天线数为Nt，接收天线数为Nr，则AMP 检测算法具体步骤为：

（3）用如下两个公式更新xi的后验均值和方差：

（4）将t 置为t+1，返回步骤[2]，直到迭代循环完成

3 IDMA性能分析

3.1 高斯信道下IDMA-AMP系统性能分析

不失一般性，本文首先采用单发双收QPSK 调制的2 用户IDMA 系统，码率为1/2 的重复码和1/2 的卷积码，经AWGN 准静态单径信道，其仿真结果如图3所示。

图3表明：将接收天线增加至两根时，AMP 检测以更低的复杂度达到了和ESE 检测较为一致的性能，AMP 检测略优于ESE。

3.2 衰落信道下IDMA-AMP系统性能分析

考虑单发双收QPSK 调制的2 用户IDMA 系统，码率为1/2 的重复码和1/2 的Turbo 码，经TDLC 衰落信道，其仿真结果如图4所示。

图4表明：在单发双收衰落信道下，AMP 检测性能较ESE 检测更优，在高信噪比下尤为明显。

3.3 衰落信道下IDMA-AMP抵抗频偏性能分析

OFDM 技术有抗多径衰落和较高的频谱利用率等长处，但是对频偏十分敏感。

由于频偏影响了子载波之间的正交性，导致出现载波间干扰（Inter Carrier Interference,ICI）。因此OFDM-IDMA 系统的ICI 抑制是一个亟需研究的问题。如果无法在系统的接收机消除频偏对接收信号的干扰，系统性能会遭受极大的损失。因此本节主要是分析OFDM-IDMA 系统的基于AMP 检测器的频偏抑制性能仿真。

图5是OFDM-IDMA-AMP 频偏抑制对比图。由仿真结果可知，OFDM-IDMA-AMP 系统因为频偏的存在，性能下降了约5dB，而在检测端完成频偏补偿检测操作之后，OFDM-IDMA-AMP 系统能够达到与几乎无频偏系统一致的性能。

图1：IDMA 发射机示意图

图2：多用户ESE 迭代检测器示意图

图3：ESE 检测和AMP 检测双接收天线对比图

图4：ESE 检测和AMP 检测双接收天线对比图

图5：OFDM-IDMA-AMP 频偏抑制对比图

4 结束语

本文介绍了交织多址系统的基本原理（及其传统ESE 检测器），并提出了基于IDMA 的AMP 接收机，介绍了AMP 算法的核心思想和基本步骤。同时通过仿真比较，对基于不同信道编码和信道的IDMA 系统中的AMP 检测算法和ESE 检测算法进行对比分析。通过仿真证明，AMP 检测算法能够降低系统的复杂度的同时，在一定程度上提升了系统的误码率性能，通过仿真发现，随着接收天线数的增加，AMP 较ESE 的优势逐步提升，同时分析了基于AMP检测算法的频偏抑制性能。