（通信与信息系统专业论文）idma迭代检测设计.pdf

摘要 摘要 多址技术一直是个人通信领域，尤其是基于蜂窝架构移动通信系统的关键技 术之一。目前较为常见的多址技术有时分多址、频分多址、以及码分多址。这三 类多址方式可以单独使用，也可以混合使用，如频分与时分合用，频分和码分合 用等等。所有这些多址技术都是为了在有限的时频资源上，获得更大的多址能力。 交织多址i d m a ( i n t e r l e a v e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术是近年来由香港城 市大学李平教授提出的一种多址通信方式。i d m a 继承了抗多径衰落，抗多用户干 扰等诸多c d m a 的特性。v e r d u 和s h a m a i 的研究表明，在c d m a 系统中，如果信 道码率较低，用户数较多，则系统的频谱效率越接近系统容量的极限。而i d m a 系统正是在这一研究结果基础上使用低码率编码，不仅省去了专门的扩频序列， 并且使系统获得了极高的频谱效率。由于扩频码的去掉，i d m a 中信号没有经过扩 频处理，因此不同用户使用了不同的交织方案，即通过不同交织方案来识别用户。 作为用户特征的交织图案可以由随机交织器生成，不同的用户交织器采用不同的 生成“种子”即可。接收端在码片级进行t u r b o 迭代检测处理，这样既简化了系 统结构与检测算法，同时又提高了系统性能。 不过由于迭代检测的使用，多次的迭代虽然提高了系统性能，但另一方面却 导致了实现时高的检测延迟，以及高的资源消耗。这将极大的限制i d m a 在一些 实时要求较高的通信系统中的应用。 本文正是针对上述问题，力求在不损失性能的前提下，加快在i d m a 迭代检 测过程中，信号的收敛速度，从而减少迭代检测的次数。主要内容为： 1 介绍i d m a 系统的迭代检测结构，并从数学上分析了i d m a 系统中t u r b o 迭代检测过程中的信息更新。从基本的后验概率出发，推导了i d m a 系统中迭代 检测时的信息传递过程。 2 为方便后续的讨论，本文分析了现有i d m a 系统中的检测算法，并介绍了 相应的性能评估方案。 3 在不损失性能的前提下，本文通过引入时间反转技术以降低迭代检测次数， 给出了在引入时间反转后的i d m a 迭代检测算法，进而提出了t d r i d m a 系统。 摘要 4 利用c 语言完成了t d r i d m a 系统的部分性能仿真，并且完成了在两用 户情况下i d m a 接收端的f p g a 的硬件实现，同时给出了t d r i d m a 系统接收端 的硬件实现结构。 关键词：i d m a 系统，t u r b o 码，交织器，时间反转技术，迭代检测 a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i p l e - a c c e s si so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r e a t h e r ea r et h r e em a i n m u l t i p l e - a c c e s st e c h n i q u e s ，f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) ，t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e - a c c e s s ) a n dc d m a ( c o d ed i v i s i o n m u l t i p l e - a c c e s s ) a l lt h e s et e c h n i q u e sc a r b eu s e ds o l e l yo rm i x e dw i t ho n ea n o t h e r t h ep u r p o s eo ft h e s et e c h n i q u e si st og e tm u c hm o r em u l t i p l e - a c c e s sc o m p e t e n c e w i t h i nt h el i m i t e dt i m e - f r e q u e n c es o u r c e i n t e r l e a v e 。d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( i d m a ) i sp r o p o s e db yp r o f l ip i n gc o m i n g f r o mc i t yu n i v e r s i t yo fh o n gk o n g i to r i g i n a t e sf r o mc d m a ，h e n c e m a n ya d v a n t a g e s a r ei n h e r i t e df r o mc d m a ，i np a r t i c u l a r , d i v e r s i t ya g a i n s tf a d i n ga n dm i t i g a t i o no ft h e w o r s t - e a s eo t h e r - c e l lu s e ri n t e r f e r e n c ep r o b l e m v e r d ua n ds h a m a i sr e s e a r c hi n d i c a t e s t h a tw h e nal o to fu s e r sc o m m u n i c a t es i m u l t a n e o u s l y , t h el o w e rc o d er a t ei su s e d t h e b e t t e rp e r f o r m a n c ec a nb e g o tw h i c hi s d o s e dt ot h et h e o r ys h a n n o nl i m i t a t i o n c a m p a r i n gt oc d m a ，i d m ag e t sr i do ft h es p e c i a ls p r e a ds e q u e n c ea n du s e sr a n d o m i n t e r l e a v e r st os e p a r a t ed i f f e r e n tu s e r s i tu s e sl o wr a t ec o d ew h i c hc a l lc o m b i n e c o d i n g a n ds p r e a d i n ge f f i c i e n t l y a tt h eu s e re n d ，i d m aa d o p t sav e r ys i m p l ec h i p b y - c h i p i t e r a t i v et u r b om u d s t r a t e g y t h en o r m a l i z e dm u dc o s t ( p e ru s e r ) i si n d e p e n d e n t o nt h en u m b e ro f u s e r s t h eu s eo fi t e r a t i v ed e t e c t i o nc a ni m p r o v e ss y s t e mp e r f o r m a n c eg r e a t l y , b u to nt h e o t h e rh a n d ，t h en u m b e ro fi t e r a t i o ni so n eo ft h eb o t t l e n e c k so fi d m a u n d e rs i t u a t i o n s w h e r eh i 出c o m m u n i c a t i o ns p e e di sr e q u i r e d ，t h ed e t e c t i o nt i m ec o u l db et o ol o n gt ob e a c c e p t e d ，a l s oa sm o r ei t e r a t i o nn u m b e r sa r eu s e d ，t h em o r ec o n s u m p t i o no nr e s o u r c e s a r en e e d e d t h e s ew e a k n e s s e sc a ng r e a t l yl i r n i tt h eu s eo fi d m a i nt h i sp a p e r , w ea i mt os e t t l et h ep r o b l e m sp r o p o s e da b o v ew i t h o u tp e r f o r m a n c e s a c r i f i c e t h em a i nw o r k sa r e1 i s t e db e l l o w ： 1 a n a l y z et h ei n f o r m a t i o nu p d a t i n gp r o c e s sd u r i n gi n t e r a t i v ed e t e c t i o nf r o mt h e p o i n to fm a t ht h e o r y f r o mt h ev i e w p o i n to fp o s t e r i o rp r o b a b i l i t y , t h i sp a p e r a b s t r a c t s t u d i e st h ei n f o r m a t i o nt r a n s f e rp r o c e s sd u r i n gt h ei t e r a t i v ed e t e c t i o n 2 i no r d e rt of a c i l i t a t et h ef o l l o w i n gd i s c u s s i o n ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h ee x i s t e n t d e t e c t i o na l g o r i t h mo fi d m aa n di n t r o d u c e st h ep e r f o r m a n c ee s t i m a t i o n s c h e m e 3 u n d e rt h ep r e c o n d i t i o no fn op e r f o r m a n c el o s i n g ，i no r d e rt or e d u c et h e n u m b e ro fi t e r a t i o nt i m e s ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st rt e c h n o l o g yi n t oi d m a ， t d r - i d 【a f i n a l l y , t h i sp a p e rp r e s e n t s t h es i m u l a t i o nr e s u l to ft h e p e r f o r m a n c e so f t d r i d m au s i n gcm o d e la n di m p l e m e n t st h ei d m ad e t e c t i o na l g o r i t h mo nf p g a u n d e rt h es c e n a r i oo ft w ou s e r sc o m m u n i c a t es y n c h r o n o u s l y a l s oa ni m p l e m e n t a t i o n s t r u c t u r ea b o u tt d r i d m ai t e r a t i v ed e t e c t i o ni si n t r o d u c e d k e y w o r d s ：i d m as y s t e m ，t u r b o ，i n t e r l e a v e r s ，t i m er e v e r s a l ，i t e r a t i v ed e t e c t i o n 图目录 图目录 图2 1 普通直扩c d m a 系统以及t u r b o 多用户检测器8 图2 2k 用户的i d m a 发送端与迭代接收端结构9 图2 3a w g n 信道下单个用户的厂( ) 和g ( ) 曲线一2 1 图3 1t r 技术的m i s o 系统2 4 图3 2p r e r a k e 示意图2 5 图3 3 采用了p r e r a k e 后收发两端的信号示意图2 5 图3 4t r 技术的信号实测图2 6 图3 5t d r i d m a 上行链路结构2 8 图3 6m e s e 结构2 8 图3 7 传统i d m a 系统的下行链路结构3 3 图3 8 采用s i s o 结构的t d r i d m a 下行结构3 3 图3 - 9 采用m i s o 结构的t d r - i d m a 下行结构3 4 图4 1p = 0 1 时t d r i d m a 的收敛速度l = i ，n i n f o = 10 2 4 ，k = 2 4 3 8 图4 2p = o 5 时t d r - i d m a 的收敛速度，l = i ，u i n f o = 1 0 2 4 ，k = 2 4 3 8 图4 3t d r i d m a 同传统i d m a 的b e r 性能比较，l = i ，n i n f o = 1 0 2 4 ，k = 2 4 3 9 图4 4t d r 1 d m a 同传统i d m a 的m a v - e x i 比较l = i ，n i n f o = 10 2 4 ，k = 2 4 3 9 图4 5t d r i d m a 在多径信道下的b e r 性能p = 0 1 ，n i n f o = 1 0 2 4 ，k = 2 4 4 1 图4 6t d r i d m a 在多径信道下的b e r 性能p = 0 5 ，n i n f o = 1 0 2 4 ，k = 2 4 4 1 图4 7t d r i d m a 和传统i d m a 在多径信道下的b e r 性能4 2 图4 8t d r i d m a 在不同p 值下的b e r 性能户1 ，n i n f o = 1 0 2 4 ，肛1 6 4 3 图4 9t d r i d m a 同传统i d m a 的b e r 性能比较上= 1 ，n i , f o = 1 0 2 4 ，k = 1 6 4 3 图4 1 0t d r i d m a 在不同p 值下的b e r 性能上= 3 ，n i n f o = 1 0 2 4 k = 2 4 4 4 图4 1 1t d r i d m a 在不同天线数目下的b e r 性能p = 0 2 ，l = 3 ，n i n f o = 1 0 2 4 4 4 图5 1 单径信道下标准e s e 算法与e s e s v l 的性能比较4 8 图5 2 串行接收机结构4 9 图5 3i c u 内部结构4 9 图5 4 采用截断函数时与采用t a n h 函数时i d m a 系统性能比较5 0 图5 5e s e s v 3 的i c u 模块内部结构5 1 图目录 图5 - 6 四种算法的性能比较5 3 图5 7 简化与非简化t d r i d m a 的性能比较，p = 0 2 5 5 图5 8 简化与非简化t d r i d m a 的性能比较，p = 0 5 5 5 图5 - 9t d r i d m a 并行迭代更新结构图5 6 图5 1 0 单用户的发端数据5 7 图5 1 1 两个用户的i d m a 发端数据5 8 图5 1 20 d b 时译码波形图5 8 图5 130 d b 时译码波形图5 9 图5 1 41 0 d b 时译码波形图5 9 图5 1 51 0 d b 时译码波形图5 9 图5 1 6r t l 级结构示意图形6 0 图5 1 7 收发端主要通信时序6 1 图5 1 8r t l 级的译码波形图，1 次迭代6 2 图5 1 9r t l 级的译码波形图，1 次迭代一6 2 图5 2 0r t l 级的译码波形图，2 次迭代6 3 图5 2 1r t l 级的译码波形图，2 次迭代一6 3 图5 2 2 所使用的验证平台6 4 图5 2 3i d m a 系统两用户r t l 示意图6 5 图5 2 4 上板实测结果1 6 6 图5 。2 5 上板实测结果2 6 6 表目录 表目录 表5 1 三种简化方法资源消耗比较5 2 表5 2i d m a 两用户系统综合报告6 4 缩略词表 英文缩写 a p p k 稍g n b i c m b p s k b r a m c d m a d e c e d a e s e f d m a f p g a i c u i d m a i p i s i l l r l u t 心 m e s e m i s o m r c m u d p c c c q p s k i 玎l s n r s i s o 英文全称 缩略词表 ap o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y a d d i t i v e 舳i t eg a u s s i o nn o i s e b i ti n t e r l c a v ec o d em o d u l a t i o n b i n a r yp h a s es l l i f ik e y b l o c kr a n d o ma c c e s sm e m o r y c o d e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s d e c o d e r e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c e l e m e n t a r ys i g n a le s t i m a t o r f r e q u e n c y - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nu n i t i n t e r l e a v e - d i v i s i o nm u l t i p e - a c c e s s i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e l o g - l i k e l i h o o dr a t i o l o o k - u pt a b l e m u l t ya c c e s si t e r f e r e n c e m o d i f i e de l e m e n t a r ys i g n a le s t i m a t o r m u l t ii ns i n g l eo u t m a x i m a l - r a t i o c o m b i n i n g m u l t i - u s e rd e t e c t i o n p a r a l l e lc o n c a t e n a t e dc o n v o l u t i o n a lc o d e q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y r e g i s t e rt r a n s f o r m a t i o nl e v e l s i g n a lt on o i s er a t i o s i n g l ei ns i n g l eo u t x 中文释义 后验概率 加性白高斯噪声 比特交织编码调制 二进制移相键控 块存储器 码分多址 译码器 电子设计自动化 基本信号估计器 频分多址 现场可编程门阵列 干扰消除单元 交织多址 知识产权 码间串扰 对数似然比 查找表 多接入干扰 改进基本信号估计器 多入单出 最大比合并 多用户检测 并行级联卷积码 正交相移键控 寄存器传输级 信噪比 单入单出 缩略词表 s i s 0 t d m a t r t d r i d m a s o f t i ns o f t o u t t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m er e v e r s a l t i m ed u p l e xa n dr e v e r s e - i d m a 软入软出 时分多址 时间反转 基于时间反转时分双工 i d m a 主要数学符号表 符号类别 变量 矢量 共轭运算 卷积运算 乘积运算 取实部运算 取虚部运算 主要数学符号表 x i i 字体、说明或用法 小写斜体 小写粗斜体 r e ) i m 例 似 弘 一不 口 4 o 贴 h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 、， 一 签名：基尘、 日期：) ，w g 年岁月罗e l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：乏墨导师签名： 日期：v 洲g 年工月罗日 第一章绪论 1 1课题背景 第一章绪论 移动通信技术自从兴起以来，一直在飞快地发展着，目前已经历了三代。第 一代移动通信系统起源于2 0 世纪8 0 年代，主要采用的是模拟技术和频分多址 f d m a ( f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术，由于受到传输带宽的限制，导 致了其最致命的缺点是不能进行移动通信的长途漫游。第二代移动通信系统( 2 g ) 起源于2 0 世纪9 0 年代初期，主要是以采用时分多址t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 技术为代表的g s m 系统和以码分多址c d m a ( c o d e - d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 技术为代表的i s 9 5 系统，系统以数字传输方式来实现语音和数据等业务。 第三代移动通信系统( 3 g ) 可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务， 比如高速数据、慢速图像、电视图像等。第四代移动通信技术的概念可称为广带 ( b r o a d b a n d ) 接入和分布网络，对全速移动用户能提供超过l o o m b i t s 的高质量 的影像服务，将首次实现三维图像的高质量传输。概括的讲，第1 代无线通信以 f d m a 为代表，第2 代无线通信以t d m a 、c d m a 、g s m 为代表、第2 5 代无线 通信以g p r s 为代表、第2 7 5 代无线通信以c d m a l x 、e d g e 为代表、第3 代 无线通信以c d m a 2 0 0 01 xe v - d o 、c d m a 2 0 0 01 xe v - d v 、t d s c d m a 、w c d m a 为代表，第4 代无线通信以交织多址，交织多址时空码i d m s t ( i n t e r l e a v e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n gs p a c e t i m e ) 等技术为代表【1 】【2 】。 如前面所提及，多址技术一直是个人通信领域，尤其是基于蜂窝架构的移动通 信系统中关键技术之一。码分多址由于其良好的抗衰落，动态信道划分，异步传 输方式等优良特性，目前被第二代和第三代移动通信系统广泛采用。理论分析与 实践经验均证明了基于非正交分割时频资源的码分多址能够取得比正交分割时频 资源的时分多址和频分多址更高的频谱效率【3 】。 然而目前处于主流地位的码分多址是基于直接序列扩频d s s s ( d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ) 实现的，这种d s c d m a 系统在实际应用中并没有完全发挥出 c d m a 在容量上的潜在优势。码分多址技术所有用户的数据在时间上和频率上重 叠。不同用户的数据通过不同的正交扩频码来区分。由于扩频技术的引入，可以 电子科技大学硕十学位论文 得到扩频处理增益，这样在信噪比一定的情况下可以提高信道容量。在接收端采 用对应特定用户的正交码和接受信号做相关运算可以恢复出特定用户的原信号。 同时由于正交码的自身特性，不同的码字序列相关为零，所以在恢复特定用户数 据时，也可以有效抑制其他用户的数据。但是这种情况要求所有码字必须理想的 同步，这在实际系统中很难做到。这样会导致由于扩频码字不能同步而引入多接 入干扰m a i ( m u l t ya c c e s si t e r f e r e n c e ) 。同时在实际系统中，多径延迟也会引入 m a i ，这就导致了c d m a 系统是一个干扰受限的白干扰系统。这样在接收端进行 处理的时候，必须将m a i 作为一种独立于高斯白噪声之外的干扰信号考虑。克服 m a i 的一种有效方法就是多用户检测，即m u d ( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ) 。目前在 c d m a 中比较通用的m u d 检测方法有线型检测器如解相关检测器，最小均方误 差检测器( m m s e ) ，多项式扩展( p e ) 检测器，以及干扰消去型检测器如串行干 扰消除检测器，并行干扰消除检测器，迫零反馈检测器。虽然采用多用户检测技 术可以从很大程度上提高c d m a 系统性能，但这些检测算法的复杂度会随用户数 的增多而急剧上升【4 j 【5 1 。 1 9 9 3 年由法国不列颠通信大学的c b e r r o u ，a g l a v i e u x 教授在i c c 9 3 上提出 的t u r b o 码很好的应用了香农( s h a n n o n ) 信道编码定理中的随机性编译码条件， 从而获得了几乎接近香农理论极限的译码性能【6 】。t u r b o 码又称并行级联卷积码 p c c c ( p a r a l l e lc o n c a t e n a t e dc o n v o l u t i o n a lc o d e ) ，它巧妙地将卷积码和随机交织 器结合在一起，在实现随机编码思想的同时，通过交织器实现了由短码构造长码 的方法，并采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码。t u r b o 码的出现为编码理 论和实践带来了一场革命，标志着长期将信道截止速率作为实际容量限的历史的 结束。t u r b o 码也改变了人们设计信道码的传统观点，使信道编码理论与技术进 入了一个崭新的阶段。同时t u r b o 码的迭代译码思想也引起了人们的高度重视， 被广泛的应用于信道估计和同步，多用户检测，以及t u r b o 均衡的研究中【7 】【8 】【9 】。 香港城市大学的李平教授在近年来提出了交织多址i d m a ( i n t e r l e a v e d i v i s i o n m u l t i p e a c c e s s ) 的概念 1 0 】【l l 】【1 2 】【1 3 】【1 4 】【1 5 】【1 6 】。i d m a 是由c d m a 发展而来，在一定 程度上可以将i d m a 看作是c d m a 的特例【1 7 】【1 8 】【19 1 ，但与常见的d s c d m a 系统 不同的是，在i d m a 系统中信号没有经过专门的扩频处理，不同用户使用了不同的 交织方案，即通过不同交织方案来识别用户。作为用户特征的交织图案可以由随机 交织器生成，不同的用户采用不同的生成“种子 即可。发端使用低码率编码方案， 而后将高速数据再通过不同的交织器，即码片级( c h i p ) 级交织。收端则采用码 2 第一章绪论 片级的t u r b o 迭代检测技术，相比于传统的c d m a 系统很好的克服了多接入干 扰m a i 。这种采用码片级交织器区分不同用户的多接入通信方案叫做交织多址。 其特点可以总结如下： 交织多址是码片级交织( c h i p 1 e v e li n t e r l e a v i n g ) ，内含了与比特交织编码 调制b i c m ( b i ti n t e r l e a v ec o d em o d u l a t i o n ) 相同的机制，所以具有与 b i c m 相同的优点，即更高的分集阶数( d i v e r s i t yo r d e r ) ； 交织多址是通过编码实现扩频，所以具有最大化的编码增益； 交织多址更适合与迭代检测技术结合，通过迭代，交织多址能够发挥出分 集阶数高、编码增益大的优势，取得比d s c d m a 更优的性能； 用不同的交织图案作用户的标识特征，不受信道化码等码资源的限制。 该技术在消除多用户干扰表现出卓越的性能。因此从分析多用户干扰与人为 敌对干扰的异同点，和交织多址的技术特点出发，可以得到这样推论，利用交织 多址实现的最大化的编码增益、编码扩频以及迭代检测技术来对抗和削弱人为敌 对干扰对无线通信的影响也是可行的。 交织其实是通信系统中为进行数据处理而采用的一种技术，交织器从其本质 上来说就是一种实现最大限度的改变信息结构而不改变信息内容的器件。从传统 上来讲就是使信道传输过程中所突发产生集中的错误最大限度的分散化。因而， 所谓交织，是指对一串数据的位置上的重新排列，本质上并不改变输入数据的权 重。实现该功能的器件称为交织器。交织可认为是一种序列到序列的映射，两种 序列元素类型及数量相同，序列元素中的位置发生了变化，因而可从两种角度分 析交织器映射关系。 在i d m a 系统中，交织器作为惟一区分用户的手段，交织器性能的好坏将直 接影响到i d m a 的系统性能。但是i d m a 系统是一种新型的通信系统，人们对该 系统的研究还在不断的探索过程中。因而，针对i d m a 的交织器设计方案目前较 为匮乏，另一方面，人们对t u r b o 码的研究已经臻于完善。自1 9 9 3 年t u r b o 码提 出以来，人们对于交织器的设计给出了极大的关注度，一方面从理论的角度对 t u r b o 码交织器进行分析，例如分析交织理论，分析交织器对t u r b o 码距离谱的影 响，分析交织器增益，以及交织器结构和长度对系统性能的影响等；另一方面， 人们结合实际的需要设计了各种各样的交织器，例如从最初的分组交织器设计方 式，以及衍生出的分组螺旋交织器，随机交织器以及s 随机交织器，以及最近的 1 电子科技人学硕士学位论文 基于扰乱多项式的t u r b o 码交织器设计方式。因而如果能在t u r b o 码交织器设计和 i d m a 系统交织器设计方案之间建立某种联系，以便现有的交织器设计成果能够方 便的用于i d m a 系统，则可以极大的促进对i d m a 系统交织器的设计方案。 同样，在给定了交织器后，i d m a 系统的迭代检测算法也会直接影响到系统的 性能，以及未来实现时的复杂度。本文将重点讨论i d m a 迭代检测算法的问题， 而交织器则假设使用普通的随机交织器。 1 2课题意义 新一代移动通信技术已成为二十一世纪世界各国竞争的焦点。目前包括我国 在内的一些国家已经进行了4 g 系统的外场试验。 交织多址技术概念由香港城市大学的李平教授于2 0 0 0 年提出，其目的在以较 低的复杂度解决在c d m a 移动通信系统中日益严重的多用户干扰问题。李平教授 领导的研究团队，在用于交织多址技术的编码、迭代检测、交织器选择、性能评 估等方面进行很多有益的研究工作，对推广“交织多址”技术起到积极的作用。 i d m a 系统继承了诸多c d m a 系统的优点，并且在进行多用户检测时具有算 法简单，复杂度低，性能好的特点。这使得i d m a 系统成为了一种具有很大潜力 的新一代移动通信系统方案。近年来i d m a 在国际上已得到了越来越多的关注， 目前该技术领域在欧洲、澳大利亚、日本、韩国等也有积极的研究活动，部分学 术期刊出版了“交织多址技术”的研究专辑。许多相关研究也相继展开，如 o f d m i d m a ，m i m o i d m a ，l a s i d m a 等。 因此，对i d m a 系统及其相关技术的研究，将对我国继续在下一代移动通信 技术的竞争中保持领先具有重要意义。 本课题作为某国家自然科学基金与国防基金项目的一部分，将对i d m a 系统 关键的迭代检测算法部分进行讨论。 1 3本人主要工作 由于i d m a 系统采用的是t u r b o 迭代检测，虽然迭代检测可以显著的提高 检测性能，但是在实现时多次的迭代必然会带来大的延迟( 这一点可以在本文第5 章中明显看出) 。这在很多高速的实时通信系统中并不现实，这也必将限制i d m a 4 第一章绪论 系统的应用范围。 因此本文的研究目标是： 如何在不牺牲检测性能的情况下，降低迭代检测次数。 针对这个问题，本文提出了将时间反转t r ( t i m er e v e r s a l ) 技术引入到i d m a 系统中，并且在此基础上提出了非对称的i d m a 系统。 具体的，本文首先对i d m a 系统的系统结构，并对迭代过程中的信息更新过 程进行了详细分析，然后对几种典型信道条件下的检测算法进行了介绍。 其次，针对i d m a 迭代检测中，迭代次数多这个问题。本文进行了进一步的 研究。在查阅了大量的文献资料后，本文考虑将t r 技术引入到i d m a 系统中， 称之为t d r - i d m a ( t i m ed u p l e xa n dr e v e r s e i d m a ) 系统。并给出了在几种典型 信道条件下，t d r i d m a 的迭代检测算法。 最后，考虑到t r 技术本身固有的良好特性，本文在t d r i d m a 的基础上进 一步提出了上下行链路非对称的i d m a 系统。 1 4论文结构及内容安排 本文共分为六章： 第一章：主要介绍本文研究背景，引出本文研究内容，介绍本文研究意义和 作者的主要工作。 第二章：i d m a 系统以及算法介绍。 第三章：基于时间反转的时分双工交织多址系统t d r i d m a 介绍。 第四章：t d r i d m a 系统的c 语言仿真结果。 第五章：i d m a 系统的v h d l 硬件代码实现。 第六章：总结本文。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章i d m a 系统以及算法介绍 2 1i d m a 的概述 i d m a 系统继承了很多c d m a 系统的优点，如抗衰落等特性等。同时i d m a 系统也克服了一些c d m a 系统的缺点。 c d m a 是采用不同的正交扩频码来区分不同的用户，用户数据比特经过前向 纠错编码f e c ( f o r w a r de r r o rc o d e d ) 和交织后，再经过扩频处理变成了一串码片 序列。这样一串码片序列只代表一个b i t 信息，即引入了冗余。而不同用户的区 分则正是利用了不同的冗余排列顺序。但是这种扩频处理的方式却不是一种好的 选择，因为它引入了冗余并没有带来编码增益。虽然在多小区环境下，c d m a 有 很多优势，但是在单一小区中，c d m a 的吞吐量却同t d m a 一样。原因就是因为 c d m a 是一个白干扰系统，它的系统容量主要受限于m a i 。不过v e r d u 和s h a m a i 在文章 2 0 中指出，至少从理论上来讲，即使是在单小区环境下，c d m a 的系统性 能没有损失，即其性能上限不高。作以下推导： 同时有k 个用户，对每个用户而言f e c 的编码率为r ，每一比特被n 个码片 扩频。在通过多接入信道后，在一个码片时间内k 个用户一共传输的信息比特为 尺水足。以叩表示在保证可靠通信的情况下，对于固定的尺，r * k n 的最大 值【1 4 1 。7 7 在文章 2 0 中也叫做频谱效率。 越低码率的编码还可以得到更高的编码增益，所以低速率码更适合应用于宽 带系统中【2 们。v e r d u 和s h a m a i 的研究表明，如果不考虑将编码和扩频结合在一起， 那么系统性能必然会受到损失，在c d m a 系统中，只有当整个扩展带宽被用于编 码时，多用户接入信道才会达到最佳性能，即只有利用低码率f e c 码将扩频与编 码结合在一起时才能将编码增益最大化和更高的频谱效率。而传统c d m a 中，以 i s 9 5 为例，f e c 都是采用的r = 1 2 或者1 3 的卷积码，其频谱效率可想而知所 以i d m a 系统去掉了c d m a 系统中用来区分不同用户的正交扩频码字，而采用不 同的交织器区分不同的用户，同时采用低码率编码，在得到高速码率提高频谱效 率的同时也提高了编码增益。接收端也省去了c d m a 中的解扩部分，从而降低了 复杂度。 6 第二章i d m a 系统以及算法介绍 前面已经提到m u d 是一种能很好克服m a i 的技术，一些好的m u d 方法已 经在前面列出。受t u r b o 迭代译码思想的启发，迭代m u d 技术在最近几年得到 了广泛的关注和研究。传统c d m a 中的迭代多用户检测结构如图2 1 所示。发送 端有k 个用户同时发送数据，数据首先经过f e c 处理，然后过交织器，再通过k 个不同的扩频序列处理，最后k 路数据同时送入多接入信道。接收端将接收到的 信号首先通过k 个针对不同用户的相关器进行解扩处理，这提供粗略的信号估计。 然后将输出信号送入到后面的t u r b o 迭代检测器中，t u r b o 迭代检测器将处理 相关器输出中的残留互干扰问题。 这里需要考虑两个问题：f e c 编码和m a i 。针对这两个问题，如果采用最优 的方法，其计算量是不可能实现的。在t u r b o 迭代检测器中，采用次优的方法， 在两个模块中分别处理f e c 和m a i 。即一个e m u d ( e l e m e n t a r y m u l t i - u s e rd e t e c t o r ) 和一组译码器( d e c ) 。e m u d 部分的处理m a i 而