CN102130710A - 一种基于交织多址技术的多用户双向中继通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于交织多址技术的多用户双向中继通信方法，属于无线通信技术领域，分为两个阶段：第一阶段，采用不同的交织器来区分不同的用户对，发送交织后用户对信息序列到中继节点，中继节点对接收到的信息序列进行迭代的多用户检测译码，然后将用户对译码后得到的信息序列做异或运算，得到中间值；第二阶段，将异或运算后得到的中间值广播给用户对，两用户接收到中间值后，利用自己的信息序列同中间值进行异或运算，得到与之通信的对方用户信息序列，完成整个通信过程。本发明具有最大化的编码增益和信道容量；可以通过迭代多用户检测算法消除多接入干扰和多用户干扰，获得显著的性能增益等优点。

Description

一种基于交织多址技术的多用户双向中继通信方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种基于交织多址技术的多用户双向中继通信方法。

背景技术

现有的蜂窝结构引入中继的协作通信方式，在提高边缘小区通信质量的同时，还可以增大小区覆盖范围和盲区覆盖，单向中继系统已有大量深入的研究成果，但单向中继系统由于其半双工的工作模式会导致频谱效率的损失，双向中继恰能弥补这种损失。同时，相对于传统的单向中继，双向中继能够提供更高的频谱有效性和功率有效性，因而受到了广泛的关注。

双向中继，是通信中的常见手段，比如用户之间实时文件交互，视频通信等业务，专用监控系统等都需要可靠的双向通信。由于地理位置间隔或直传信道质量恶劣，期望实现双向通信的用户无法自行组网实现可靠通信，这时候可以利用中继来协助完成双向通信。无线网络编码，利用无线信号传输的广播和叠加特性和先进的信号检测方法，能够为这些期望交互信息的用户对提供高速可靠的信息传递。同时，无线网络编码的应用能够有效的提高网络整体的频谱利用率和能量利用率，从而实现高效、环保的双向通信，符合未来绿色通信的需求。

多址干扰和符号间干扰是影响多址无线通信系统性能的两大限制，近几年来Turbo型多用户检测(Multiple User Detection，MUD)被广泛用来消除多接入干扰(Multiple Access Interference，MAI)和多用户干扰(Multiple User Interference，MUI)，交织多址接入(Interleave Division Multiple Access，IDMA)系统沿用了MUD，接收端采用码片到码片(Chip by Chip)的迭代多用户检测结构，在发送端对不同的用户使用不同的交织器，以此来区分用户。其中交织器映射规则的产生是随机和独立的，交织器打乱了原来编码序列的顺序。经过验证，交织多址接入系统有更高的频谱利用率，更好的性能和更低的接收端复杂度。

目前无线网络编码已经逐渐受到学术界和产业界的关注，其中应用在双向通信中无线网络编码主要基于部分译码转发的网络编码。其通信协议如下：两个希望进行双向通信的用户(即用户对)利用相同的时频资源完成其上行传输，基站端将重叠的或相互干扰的信号直接映射为网络编码的符号，然后利用一定的时频率资源将该网络编码后的符号广播到该用户对，用户在接收到网络编码的符号后，利用自己已有的信息进行干扰消除后，获得来自对方的有用信息。网络编码具有高的能量利用率，符合未来通信的需求。

目前对基于码分多址接入(Code Division Multiple Access，CDMA)的多用户双向中继通信方法有一定的研究成果，该方法一般分为两个阶段：第一阶段，不同的用户对将需要进行通信的信息加载到不同的正交扩频码字上，传输给中继节点，中继节点对接收到的信息进行译码，将用户对的信息做异或运算；第二阶段，将异或运算后的信息广播给用户对，用户接收到进行网络编码后的信息，利用自己已有的信息进行异或运算，得到与之通信的对方用户信息，完成整个通信过程。在第一阶段中，不同的用户对以不同的正交扩频码字来区分，传输到中继节点时，经过线性滤波器恢复各个用户对发送的信息。这种方法引入了扩频冗余却没有带来编码增益，在实际系统中，由于扩频码字不能理想同步而引入多接入干扰(Multiple Access Interference，MAI)，并且随着用户数的增多，多用户干扰(Multiple User Interference，MUI)问题更加严重。

发明内容

本发明的目的是为了解决基于码分多址接入的多用户双向中继通信方法的多接入干扰和多用户干扰问题，提出一种基于交织多址技术的多用户双向中继通信方法，具有最大化的编码增益和信道容量；可以通过迭代多用户检测算法消除多接入干扰和多用户干扰，获得显著的性能增益等优点。

本发明方法提出的一种基于交织多址技术的多用户双向中继通信方法，分为两个阶段：其特征在于，

第一阶段，采用不同的交织器来区分不同的用户对，发送交织后用户对信息序列到中继节点，中继节点对接收到的信息序列进行迭代的多用户检测译码，然后将用户对译码后得到的信息序列做异或运算，得到中间值；具体包括以下步骤：

(1)对于用户对中相互通信的两个用户的信息序列均经过扩频序列和相同的交织器后传输到中继节点；设第k个用户对的用户为k₁和k₂，其中k∈{1，...，K}，K为系统中的用户对数，取值范围为任意的正整数；用户k₁和k₂的信息序列分别为d_k，1和d_k，2，其中d_k，1，d_k，2的长度均为N，N的取值范围为任意的正整数；所有用户对具有相同的扩频序列s，扩频序列s的长度为S，S的取值范围为任意的正整数；经过扩频后的信息序列为c_k，1和c_k，2，长度均为J，J＝N×S，经过交织器后的信息序列为x_k，1和x_k，2，长度为J不变；将x_k，1和x_k，2发送给中继节点；

(2)中继节点对接收到的经过扩频序列和交织器后的信息序列送入基本信号检测器(Elementary Signal Estimator，ESE)，采用对数似然译码，得到用户k₁交织后信息序列的对数似然值L(x_k，1)和用户k₂交织后信息序列的对数似然值L(x_k，2)；

(3)将步骤(2)得到的对数似然值L(x_k，1)进行解交织，得到用户k₁扩频后信息序列的对数似然值L(c_k，1)，经过计算得到用户k₁信息序列的对数似然值L(d_k，1)；同理，将步骤(2)得到的对数似然值L(x_k，2)进行解交织，得到用户k₂扩频后信息序列的对数似然值L(c_k，2)，经过计算得到用户k₂信息序列的对数似然值L(d_k，2)；

(4)利用步骤(3)得到的L(c_k，1)和L(d_k，1)值计算用户k₁通过解扩器(Despreading，DES)后的外部对数似然值Ext(c_k，1)，将Ext(c_k，1)送入交织器得到用户k₁交织后信息序列的外部对数似然值Ext(x_k，1)；同理，利用步骤(3)得到的L(c_k，2)和L(d_k，2)值计算用户k₂通过解扩器后的外部对数似然值Ext(c_k，2)，将Ext(c_k，2)送入交织器得到用户k₂交织后信息序列的外部对数似然值Ext(x_k，2)；

(5)将步骤(4)得到的Ext(x_k，1)送入基本信号检测器更新用户k₁信息序列的均值E(x_k，1)和方差Var(x_k，1)；同理，将步骤(4)得到的Ext(x_k，2)送入基本信号检测器更新用户k₂信息序列的均值E(x_k，2)和方差Var(x_k，2)，完成一次循环；转步骤(2)进行循环迭代操作；在完成预订好的循环迭代次数(经验值为5次到8次之间)后，转步骤(6)；

(6)解扩器输出用户k₁的估计信息序列和用户k₂的估计信息序列将和进行异或运算后得到中间值

第二阶段，将异或运算后得到的中间值广播给用户对，用户对的两用户接收到中间值后，利用自己已有的信息序列同中间值进行异或运算，得到与之通信的对方用户信息序列，完成整个通信过程；具体包括以下步骤：

(7)中继节点将步骤(6)中得到的加载到正交的扩频码字后广播至用户对k；

(8)用户k₁利用信息序列d_k，1和接收到的

进行异或运算，得到来自用户k₂的信息序列d_k，2；同理，用户k₂利用信息序列d_k，2和接收到的进行异或运算，得到来自用户k₁的信息序列d_k，1。

本发明提出的无线通信中基于交织多址技术的多用户双向中继通信方法，其优点是：

1、交织多址可以通过编码实现扩频，具有最大化的编码增益和信道容量。

2、可以通过交织多址系统的迭代多用户检测算法消除多接入干扰和多用户干扰，获得显著的性能增益。

3、每对用户对采用同一个交织器，在一定程度上减少了其他用户的干扰。

具体实施方式

以下结合本发明方法的一个实施例，介绍本发明提出的无线通信中基于交织多址技术的多用户双向中继通信方法的具体步骤，本发明实施例中，以一个中继节点、16个用户，即8个用户对为例，一个用户对的两个用户有进行通信的需求。

本实施例方法，分为两个阶段：

第一阶段，采用不同的8个交织器来区分8个用户对，发送交织后的用户对信息序列到中继节点，中继节点对接收到的信息序列进行迭代的多用户检测译码，然后将用户对译码后得到的信息序列做异或运算，得到中间值。具体包括以下步骤：

(1)用户对中相互通信的两个用户的信息序列均经过扩频序列和相同的交织器后传输到中继节点；设第k个用户对的用户k₁和k₂，其中k₁，k₂∈{1，...，8}，用户k₁和k₂的信息序列分别为d_k，1和d_k，2，d_k，1，d_k，2∈{-1，+1}，且为等概率出现，长度均为256bits，d_k，1和d_k，2通过相同的扩频序列s，s＝{-1，+1}，经过扩频后的信息序列为c_k，1和c_k，2，长度均为512bits，然后经过同一个交织器，信息序列记为x_k，1和x_k，2，长度均为512bits不变；将x_k，1和x_k，2发送给中继节点；

(2)中继节点对接收到的经过扩频序列和交织器后的信息序列送入基本信号检测器，采用对数似然译码，得到用户k₁交织后信息序列的对数似然值L(x_k，1)和用户k₂交织后信息序列的对数似然值L(x_k，2)。具体包括：

(2-1)在t时刻，从用户k₁到中继节点的信道系数为h_k，1，用户k₂到中继节点的信道系数为h_k，2，设定h_k，1和h_k，2已知，则中继节点接收到的信息r为

$r=\underset{k=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}(h_{k,1}{x}_{k,1}+h_{k,2}{x}_{k,2})+n_0,---\left(1\right)$

其中n₀为加性高斯白噪声，其均值为0，方差为σ²；

接收信息r也可以表示为

r＝h_k，1x_k，1+h_k，2x_k，2+ξ    (2)

其中ξ为中继节点接收到的其他7个用户对信息(视为第k个用户对的干扰信息)和加性高斯白噪声，即

$\mathrm{\ξ}=\underset{k^{\′}\≠k}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}(h_{k^{\′},1}{x}_{k^{\′},1}+h_{k^{\′},2}{x}_{k^{\′},2})+n_0---\left(3\right)$

ξ可以看成是一个高斯随机变量。

(2-2)对式(1)中的r求均值E(r)和方差Var(r)，得

$E\left(r\right)=\underset{k=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}[h_{k,1}E\left(x_{k,1}\right)+h_{k,2}E\left(x_{k,2}\right)]---\left(4\right)$

$\mathrm{Var}\left(r\right)=\underset{k=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}[{\left|h_{k,1}\right|}^2\mathrm{Var}\left(x_{k,1}\right)+{\left|h_{k,2}\right|}^2\mathrm{Var}\left(x_{k,2}\right)]+{\mathrm{\σ}}^2---\left(5\right)$

由式(2)对ξ求均值E(ξ)和方差Var(ξ)，得

E(ξ)＝E(r)-h_k，1E(x_k，1)-h_k，2E(x_k，2)    (6)

Var(ξ)＝Var(r)-|h_k，1|²Var(x_k，1)-|h_k，2|²Var(x_k，2)    (7)

其中E(x_k，1)和E(x_k，2)的初始值为0，Var(x_k，1)和Var(x_k，2)的初始值为1；

(2-3)中继节点将接收信息r送入基本信号检测器，采用对数似然译码，得到用户k₁交织后信息序列的对数似然值L(x_k，1)和用户k₂交织后信息序列的对数似然值L(x_k，2)；具体包括：

检测准则为

$L\left(x_{k,1}\right)=\log \frac{P(x_{k,1}=+1|r)}{P(x_{k,1}=-1|r)}---\left(8\right)$ 得用户k1交织后信息序列的对数似然值L(x_k，1)：

$L\left(x_{k,1}\right)=\log \frac{P\left(r\right|x_{k,1}=+1)}{P\left(r\right|x_{k,1}=-1)}=\log \frac{P\left(r\right|x_{k,1}=+1,x_{k,2}=+1)+P\left(r\right|x_{k,1}=+1,x_{k,2}=-1)}{P\left(r\right|x_{k,1}=-1,x_{k,2}=+1)+P\left(r\right|x_{k,1}=-1,x_{k,2}=-1)}$

$=\log \frac{e^{-\frac{{[r-(h_{k,1}+h_{k,2}+E\left(\mathrm{\ξ}\right))]}^2}{2\mathrm{Var}\left(\mathrm{\ξ}\right)}}+e^{-\frac{{[r-(h_{k,1}-h_{k,2}+E\left(\mathrm{\ξ}\right))]}^2}{2\mathrm{Var}\left(\mathrm{\ξ}\right)}}}{e^{-\frac{{[r-(-h_{k,1}+h_{k,2}+E\left(\mathrm{\ξ}\right))]}^2}{2\mathrm{Var}\left(\mathrm{\ξ}\right)}}+e^{-\frac{{[r-(-h_{k,1}-h_{k,2}+E\left(\mathrm{\ξ}\right))]}^2}{2\mathrm{Var}\left(\mathrm{\ξ}\right)}}}---\left(9\right)$

同理，得用户k₂交织后信息序列的对数似然值L(x_k，2)：

$L\left(x_{k,2}\right)=\log \frac{P\left(r\right|x_{k,2}=+1)}{P\left(r\right|x_{k,2}=-1)}=\log \frac{P\left(r\right|x_{k,1}=+1,x_{k,2}=+1)+P\left(r\right|x_{k,1}=-1,x_{k,2}=+1)}{P\left(r\right|x_{k,1}=+1,x_{k,2}=-1)+P\left(r\right|x_{k,1}=-1,x_{k,2}=-1)}$

$=\log \frac{e^{-\frac{{[r-(h_{k,1}+h_{k,2}+E\left(\mathrm{\ξ}\right))]}^2}{2\mathrm{Var}\left(\mathrm{\ξ}\right)}}+e^{-\frac{{[r-(-h_{k,1}-h_{k,2}+E\left(\mathrm{\ξ}\right))]}^2}{2\mathrm{Var}\left(\mathrm{\ξ}\right)}}}{e^{-\frac{{[r-(h_{k,1}-h_{k,2}+E\left(\mathrm{\ξ}\right))]}^2}{2\mathrm{Var}\left(\mathrm{\ξ}\right)}}+e^{-\frac{{[r-(-h_{k,1}-h_{k,2}+E\left(\mathrm{\ξ}\right))]}^2}{2\mathrm{Var}\left(\mathrm{\ξ}\right)}}}---\left(10\right)$

(3)将步骤(2)得到的对数似然值L(x_k，1)进行解交织，得到用户k₁扩频后信息序列的对数似然值L(c_k，1)，经过计算得到用户k₁信息序列的对数似然值L(d_k，1)为：

$L\left(d_{k,1}\right)=\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{s}^{j}L\left(c_{k,1}\right)---\left(11\right)$

同理，将步骤(2)得到的对数似然值L(x_k，2)进行解交织，得到用户k₂扩频后信息序列的对数似然值L(c_k，2)，经过计算得到用户k₂信息序列的对数似然值L(d_k，2)为

$L\left(d_{k,2}\right)=\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{s}^{j}L\left(c_{k,2}\right)---\left(12\right)$

(4)利用步骤(3)得到的L(c_k，1)和L(d_k，1)值计算用户k₁通过解扩器后的外部对数似然值Ext(c_k，1)，即

Ext(c_k，1)＝sL(d_k，1)-L(c_k，1)    (13)

将Ext(c_k，1)送入交织器得到用户k₁交织后信息序列的外部对数似然值Ext(x_k，1)；

同理，利用步骤(3)得到的L(c_k，2)和L(d_k，2)值计算用户k₂通过解扩器后的外部对数似然值Ext(c_k，2)，即

Ext(c_k，2)＝sL(d_k，2)-L(c_k，2)    (14)

将Ext(c_k，2)送入交织器得到用户k₂交织后信息序列的外部对数似然值Ext(x_k，2)；

(5)将步骤(4)得到的Ext(x_k，1)送入基本信号检测器更新用户k₁信息序列的均值E(x_k，1)和方差Var(x_k，1)，得

$E\left(x_{k,1}\right)=\frac{e^{\left(\mathrm{Ext}\left(x_{k,1}\right)\right)}-1}{e^{\left(\mathrm{Ext}\left(x_{k,1}\right)\right)}+1}---\left(15\right)$

Var(x_k，1)＝1-E(x_k，1)²            (16)

同理，将步骤(4)得到的Ext(x_k，2)送入基本信号检测器更新用户k₂信息序列的均值E(x_k，2)和方差Var(x_k，2)，得

$E\left(x_{k,2}\right)=\frac{e^{\left(\mathrm{Ext}\left(x_{k,2}\right)\right)}-1}{e^{\left(\mathrm{Ext}\left(x_{k,2}\right)\right)}+1}---\left(17\right)$

Var(x_k，2)＝1-E(x_k，2)²        (18)

完成一次循环过程；

将式(15)、(16)、(17)、(18)的值代入式(4)和(5)中，再依次进行步骤(2)至步骤(5)，完成第二次迭代过程，完成5次循环迭代后，转步骤(6)；

(6)解扩器输出用户k₁的估计信息序列和用户k₂的估计信息序列将

和

将

和

进行异或运算后得

${\hat{d}}_k={\hat{d}}_{k,1}\⊕{\hat{d}}_{k,2}---\left(19\right)$

第二阶段，将异或运算后得到的

广播给用户对k，用户k₁和k₂接收到

后，利用已有的信息序列d_k，1、d_k，2同

进行异或运算，得到与之通信的对方用户信息序列，完成整个通信过程。具体包括以下步骤：

(7)中继节点将步骤(6)中得到的

加载到正交的扩频码字后广播至用户对k，具体包括：

(7-1)中继节点接收两用户叠加信号后基于基本的二进制假设检验：

$H_0:{\hat{d}}_k={\hat{d}}_{k,1}\⊕{\hat{d}}_{k,2}=1,{\hat{d}}_{k,1}\≠{\hat{d}}_{k,2}$

$H_1:{\hat{d}}_k={\hat{d}}_{k,1}\⊕{\hat{d}}_{k,2}=-1,{\hat{d}}_{k,1}={\hat{d}}_{k,2}---\left(20\right)$

(7-2)中继节点将步骤(6)中得到的

通过正交的扩频序列S_k后广播至用户对k，则接收的信息为

$r_{k,1}=h_{k,1}\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i{\hat{d}}_i+n_{k,1}---\left(21\right)$

$r_{k,2}=h_{k,2}\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i{\hat{d}}_i+n_{k,2}---\left(22\right)$

其中n_k，1和n_k，2是为加性高斯白噪声，其方差为

和

将r_k，1和r_k，2通过线性滤波器S_k，得

$y_{k,1}=h_{k,1}{S}_k^T{S}_k{\hat{d}}_k+\underset{i\≠k}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{S}_k^T{S}_i{\hat{d}}_i+n_{k,1}---\left(23\right)$

$y_{k,2}=h_{k,2}{S}_k^T{S}_k{\hat{d}}_k+\underset{i\≠k}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{S}_k^T{S}_i{\hat{d}}_i{+n}_{k.2}---\left(24\right)$

(8)用户k₁利用信息序列d_k，1和接收到的

进行异或运算，得到来自用户k₂的信息序列d_k，2；同理，用户k₂利用信息序列d_k，2和接收到的进行异或运算，得到来自用户k₁的信息序列d_k，1；具体为：

判断步骤(7)中得到的y_k，1的正负，如果y_k，1＞0，则

如果y_k，1＜0，则

用户k₁利用信息序列d_k，1和接收到的

进行异或运算，得到来自用户k₂的信息序列同理，判断步骤(7)中得到的y_k，2的正负，如果y_k，2＞0，则

如果y_k，2＜0，则

用户k₂利用信息序列d_k，2和接收到的

进行异或运算，得到来自用户k₁的信息序列

Claims (1)

1.一种基于交织多址技木的多用户双向中继通信方法，分为两个阶段：其特征在于，

第一阶段，采用不同的交织器来区分不同的用户对，发送交织后用户对信息序列到中继节点，中继节点对接收到的信息序列进行迭代的多用户检测译码，然后将用户对译码后得到的信息序列做异或运算，得到中间值；具体包括以下步骤：

(1)对于用户对中相互通信的两个用户的信息序列均经过扩频序列和相同的交织器后传输到中继节点；设第k个用户对的用户为k₁和k₂，其中k∈{1，...，K}，K为系统中的用户对数，取值范围为任意的正整数；用户k₁和k₂的信息序列分别为d_k，1和d_k，2，其中d_k，1，d_k，2的长度均为N，N的取值范围为任意的正整数；所有用户对具有相同的扩频序列s，扩频序列s的长度为S，S的取值范围为任意的正整数；经过扩频后的信息序列为c_k，1和c_k，2，长度均为J，J＝N×S，经过交织器后的信息序列为x_k，1和x_k，2，长度为J不变；将x_k，1和x_k，2发送给中继节点；

(2)中继节点对接收到的经过扩频序列和交织器后的信息序列送入基本信号检测器，采用对数似然译码，得到用户k₁交织后信息序列的对数似然值L(x_k，1)和用户k₂交织后信息序列的对数似然值L(x_k，2)；

(3)将步骤(2)得到的对数似然值L(x_k，1)进行解交织，得到用户k₁扩频后信息序列的对数似然值L(c_k，1)，经过计算得到用户k₁信息序列的对数似然值L(d_k，1)；同理，将步骤(2)得到的对数似然值L(x_k，2)进行解交织，得到用户k₂扩频后信息序列的对数似然值L(c_k，2)，经过计算得到用户k₂信息序列的对数似然值L(d_k，2)；

(4)利用步骤(3)得到的L(c_k，1)和L(d_k，1)值计算用户k₁通过解扩器后的外部对数似然值Ext(c_k，1)，将Ext(c_k，1)送入交织器得到用户k₁交织后信息序列的外部对数似然值Ext(x_k，1)；同理，利用步骤(3)得到的L(c_k，2)和L(d_k，2)值计算用户k₂通过解扩器后的外部对数似然值Ext(c_k，2)，将Ext(c_k，2)送入交织器得到用户k₂交织后信息序列的外部对数似然值Ext(x_k，2)；

(5)将步骤(4)得到的Ext(x_k，1)送入基本信号检测器更新用户k₁信息序列的均值E(x_k，1)和方差Var(x_k，1)；同理，将步骤(4)得到的Ext(x_k，2)送入基本信号检测器更新用户k₂信息序列的均值E(x_k，2)和方差Var(x_k，2)，完成一次循环；转步骤(2)进行循环迭代操作；在完成预订好的循环迭代次数后，转步骤(6)；

(6)解扩器输出用户k₁的估计信息序列

和用户k₂的估计信息序列

将

和进行异或运算后得到中间值

第二阶段，将异或运算后得到的中间值广播给用户对，用户对的两用户接收到中间值后，利用自己已有的信息序列同中间值进行异或运算，得到与之通信的对方用户信息序列，完成整个通信过程；具体包括以下步骤：

(7)中继节点将步骤(6)中得到的

加载到正交的扩频码字后广播至用户对k；

(8)用户k₁利用信息序列d_k，1和接收到的

进行异或运算，得到来自用户k₂的信息序列d_k，2；同理，用户k₂利用信息序列d_k，2和接收到的

进行异或运算，得到来自用户k₁的信息序列d_k，1。