CN105187169A - 一种基于idma的迭代多输入多输出通信系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体为一种基于IDMA的迭代多输入输出通信系统与方法。本发明基于IDMA(Interleave-Division-Multiplexing-Access)设计出一个非正交MIMO系统，将IDMA的非正交接入思想运用到MIMO系统中，通过为不同的天线分配不同的交织器就可以实现多天线分集，而无需设计复杂的扩频码，所有的FEC码都可以简单地应用在该系统当中。本发明对任意数目的天线都适用，并且可以将帧同步错误率控制在可接受的范围内。

Description

一种基于IDMA的迭代多输入多输出通信系统与方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体为基于IDMA(Interleave-Division-Multiplexing-Access)的迭代多输入多输出通信系统与方法。

背景技术

多用户系统中存在信息的多址接入，现在流行的复用方式是码分多址接入(codedivisionmultipleaccess,CDMA)，即多个用户使用共享的频谱。在码分多址接入(CDMA)中，编码时对不同用户使用不同的扩频码，希望通过这种选取方式使不同用户信号间互相独立。但实际上对各用户信号的扩频码而言，很难保证能够严格地正交，从而导致在接收端引入多址接入干扰(multipleaccessinterference,MAI)。而且随着用户数目的增多，或者信号功率的增大，多址接入干扰(MAI)也会随之增大，就成为码分多址接入(CDMA)系统的主要干扰。这一干扰直接限制了CDMA系统的最大优势——系统容量的体现。通常对这种干扰的处理方式是:选择使用互相关性好的扩频码，同时结合功率控制、使用纠错码等。但上述方法只能抑制MAI，并无法真正除去这种干扰，只是暂时缓解了这种矛盾。

相对于CDMA系统，IDMA最重要的变化就是用不同交织器区分用户而非用正交扩频码区分用户，在IDMA中，扩频码仅起扩展频谱和降低码率的作用。在接收端采用的算法是基于码片的交织迭代技术的(IDMA)多用户检测(MUD)算法。在IDMA中，可以充分利用各个用户的扩频序列来进行联合检测，此时信道编码不再仅仅是一种附加的性能增益，而是可以提供在多用户检测器和信道译码器间交换的外信息，从而在整体上提高了系统性能。IDMA是改进后的CDMA系统，它既继承了CDMA系统的优势，又克服了MAI干扰。

迭代技术在通信领域的应用可追溯至Turbo码的出现，通过在接收端采用基于软入/软出(Soft-InputSoft-Output,SISO)和最大后验概率(MaximumaPosterioriProbability,MAP)算法，通过译码器输出软值的循环反馈，经多次迭代使系统达到收敛，最终可获得接近香农极限的优异性能。

在RF射频通信中，为了抵抗信道衰落，提高系统容量，可采用多输入多输出(Multi-InputMulti-Output,MIMO)或称多天线技术。MIMO多天线技术通过采用多个发射天线和多个接收天线，进行空间分集或空间复用，可以大幅提高传输质量或者在不增加带宽的情况下成倍的提高通信系统的容量。目前，MIMO技术已经成为无线电通信领域的关键技术之一。在无线宽带移动通信系统方面，3G、B3G和4G的系统中都采用了MIMO技术；在无线宽带接入系统中，802.16e、802.11n和802.20等标准也采用了MIMO技术；在其他无线通信系统研究中，如超宽带(UltraWideband,UWB)系统、感知无线电系统(CognitiveRadio,CR)中都在考虑应用MIMO技术。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种采用采用最优贝叶斯(OptimumBayesian)算法来进一步降低系统误码率，提高系统性能的基于IDMA的迭代多输入多输出通信系统与方法。本发明着重于对无线电通信中多天线IDMA系统进行理论性能分析，在接收端多源检测系统中采用最优贝叶斯(OptimumBayesian)算法来进一步降低系统误码率，提高系统性能。通过计算比特差错率(BitErrorRate,BER)和帧差错率(FrameErrorRate)并比较不同信噪比的选择下BER和FER的变化，将数据转换成折线图，对系统性能进行理论化和半理论化的分析。

为实现上述目的，设计了基于IDMAInterleave-Division-Multiplexing-Access)的迭代多输入多输出通信系统其包括以下几个模块：

发射装置，发送的信息比特序列使用的码是一种经过特殊设计的重复码RC码。发射装置的信号流程为：信息序列先经过编码器编码，再复制N份，分别输入N个交织器进行信息交织；然后，交织后信息分别输入到调制器进行符号调制映射；

接收装置由三部分组成，第一部分是MUD模块，全称是多源检测器，其作用为通过接收到的码片信息序列和反馈的多路径先验信息序列，计算出多条路径对应得MUD外信息序列；

第二部分是交织器和解交织器模块，交织的作用是产生区分不同用户的身份标志，同时使处理过的码片级信息序列具有随机性和独立性；

第三部分是DEC模块，全称是后验概率译码器，它是基于SISO原理的标准译码器。

接收装置的结构是基于Turbo原理构造的，可以把MUD检测处理可看作内部SISO译码，而将DEC译码看作外部SISO译码。接收装置的信号流程为：首先，接收信号输入基于最优贝叶斯算法的多源检测MUD模块，得到N条支路的软信息；所得软信息输入解交织模块。经解交织器后N路相加，作为译码器DEC的输入信息；DEC译码所得软信息减去DEC输入端信息后，再循环反馈回MUD模块，进行下一次迭代。

本发明还提供一种基于IDMA的迭代多输入多输出通信方法，具体步骤如下：具体步骤如下：

(1)在发射端，第k个用户要发送的信息比特序列是d_k＝{d_k(n_d),n_d＝1,2,...,N_info}，其中N_info是比特序列的长度；经过FEC编码后将其进行扩频得到编码序列c_k＝{c_k(l),l＝1,2,...,L}，序列长度为L＝N_info×N_c，将编码序列c复制N份，将每个用户的编码比特序列c_k＝{c_k(l),l＝1,2,...,L}生成N个副本，对每一副本采用不同的交织器∏_i,i＝1,…,N进行置乱处理，得到交织后的码片序列xⁱ,i＝1,…,N，再将取值为{0,1}的码片序列经BPSK变换为取值为{+1,-1}的码片序列，经调制后由N条发射天线发送出去；

(2)各路调制符号xⁱ乘以各路信道的衰弱后求和并叠加噪声，在接收端的一个接收天线处被接收，接收装置采用多源检测算法和DEC模块之间的迭代译码进行解码；接收到的信号y可以看做N路信号的叠加，每一路因采用不同的交织器而相互独立；多源检测器的输出是外部对数似然比LLRs，xj是序列xi,i＝1,…N中的码片；

(3)将上述外信息解交织后N路相加得到作为译码器DEC的输入软信息；译码器DEC对输入软信息进行后验概率APP译码，产生外信息{L(c_i)}，将此外信息分别减去上面得到的解交织后的MUD外信息得到N路新信息，将这N路新信息再次交织后反馈回MUD模块作为下一次迭代中的先验软信息，在最后一次迭代译码后对后验信息进行硬判决，则译码输出为

其中：L_post[c_i(n_d)]为APP译码后获得的后验软值序列，i＝1，...，N，n_d＝1，...，N_info，N_info是比特序列的长度。

本发明的有益效果在于：

(1)在IDMA中，可以充分利用各个用户的扩频序列来进行联合检测，此时信道编码不再仅仅是一种附加的性能增益，而是可以提供在多源检测器和信道译码器间交换的外信息，从而在整体上提高了系统性能。IDMA是改进后的CDMA系统，它既继承了CDMA系统的优势，又克服了MAI干扰。

(2)接收装置基于Turbo编码原理，利用先验信息和外信息之间进行

多次迭代，可以在不增加系统复杂度的情况下降低系统误码率。利用Turbo和SISO原理诞生的迭代多用户检测技术是IDMA系统译码部分最常使用的技术，可以用来解决通信中的多址干扰问题，获得很好的纠错性能。

(3)利用信息的后验概率(APP)译码是SISO中信息最佳的表示方式，其中使用重复码进行编码的APP译码编解码具有低复杂度同时又有很好的译码准确度

(4)相比于其他的MIMO系统方案，发明中对抗信道衰落的采用OB检测算法的MIMO系统，信道建模为高斯信道，运用BPSK调制方式，编码方式简单，对任意天线数目都适用，接收端的迭代检测算法复杂度也较低的优点，有很好的应用前景。

附图说明

图1是基于IDMA原理的MIMO系统结构图。

图2是不同迭代次数下MISO系统的BER图示。

图3是4次迭代，不同发送天线下MISO系统的BER图示。

具体实施方法

对发明提出的最优贝叶斯交织迭代多输入多输出通信方法，具体实施步骤如下：

以一个用户，N条发送天线，1条接收天线的MIMO系统为例，要扩展到K个用户和M条接收天线，只需将图1的发送端复制K份并求和发送，接收端复制M份处理即可。从整体来分析图1，用户的信息比特序列d经过FEC编码后生成编码序列c。将编码序列c复制N份，每一路副本c采用一个特定的交织器∏_i,i＝1,…N进行交织，将交织后的码片信号xⁱ,i＝1,…,N进行BPSK调制,产生调制符号并发送出去。各路调制符号xⁱ乘以各路信道的衰弱后求和并叠加噪声，在接收端的一个接收天线处被接收。接收机采用多源检测算法和软入软出译码器之间的迭代译码进行解码。接收到的信号y可以看做N路信号的叠加，每一路因采用不同的交织器而相互独立。多源检测器(MUD)的输出是外部对数似然比(LLRs)x_j是序列xⁱ,i＝1,…N中的码片。将此外信息解交织后N路相加得到作为译码器DEC的输入软信息。译码器对此码进行后验概率(APP)译码，产生外信息{L(c_i)}，将此外信息分别减去上面得到的解交织后的MUD外信息得到N路新信息，将这N路新信息再次交织后反馈回MUD作为下一次迭代中的先验软信息。

在发射装置中，DMA多源系统发射端中每个用户的结构组成都与图1中单用户发射源系统相同。假设第k个用户要发送的信息比特序列是d_k＝{d_k(n_d),n_d＝1,2,...,N_info}，其中N_info是比特序列的长度。该信息比特序列采用前向纠错(ForwardErrorCorrection,FEC)信道编码器进行编码。本发明使用的码是一种经过特殊设计的重复码(RepetitionCode,RC)：其中N_c为重复码生成向量v的约束长度(简称为“码长”)，本文中N_c均取偶数值。则对应的编码输出为：

$\left\{\begin{array}{cc}\[1,0,1,\mathrm{...},\frac{{\left(-1\right)}^{N_c-1}+1}{2}\]& d_k\left(n_d\right)=1\\ \[0,1,0,\mathrm{...},\frac{{\left(-1\right)}^{N_c}+1}{2}\]& d_k\left(n_d\right)=0\end{array}\right.,$

RC码是一种最简单、最基本的FEC码，通过使用的重复码处理信息比特序列将其进行扩频得到编码序列c_k＝{c_k(l),l＝1,2,...,L}，序列长度为L＝N_info×N_c，扩频后的码率变为R_c＝1/N_c。将每个用户的编码比特序列c_k＝{c_k(l),l＝1,2,...,L}生成N个副本，对每一副本采用不同的交织器∏_i,i＝1,…,N进行置乱处理(交织)，得到交织后的码片序列xⁱ,i＝1,…,N，再将取值为{0,1}的码片序列经BPSK变换为取值为{+1,-1}的码片序列，经调制后由N条发射天线发送出去。

然后通过接收装置第一部分MUD模块，其中使用的是OB算法，OB算法的核心是将多个用户在同一时刻发送的信号作为一个整体来看待。所以用户之间的影响要在算法中考虑。

如图1所示，考虑一个单用户系统，将信号d经前向纠错码和重复码编码后变成码片c，分别通过不同交织器得到互相独立的信息序列，用x_i表示第i条路径的码片信息序列。MIMO系统采用N×1结构，所以在接收端的一个接收天线上接收到的信号是各路发送信号的叠加，即

$y=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{x}_i+n,$

由于采用BPSK调制方式，所以x_i∈{-1,+1},添加的噪声n是均值为0，方差为N₀/2的高斯白噪声。

MUD输出外信息可表示为：

$L_{MUD}^e\[x_i\left(j\right)\]=ln\frac{p\left(y\right|x_i=+1,x_{-i})}{p\left(y\right|x_i=-1,x_{-i})},$

其中x_-i表示矩阵x＝[x₁,…,x_N]^T中除去x_i这一项后其余项构成的新矩阵。上式中的条件概率密度函数可以表示为：

$\begin{array}{c}p\left(y|x_i=\±1,x_{-i}\right)=\frac{p\left(y,x_i=\±1,x_{-i}\right)}{P\left(x_i=\±1\right)}\\ =\underset{x:x_i=\±1}{\mathrm{\Σ}}\frac{p\left(y|x\right)P\left(x\right)}{P\left(x_i=\±1\right)}\\ =\underset{x:x_i=\±1}{\mathrm{\Σ}}p\left(y|x\right)\underset{j\≠i}{\mathrm{\Π}}P\left(x_j\right)\end{array},$

先验概率P(x_j)可表示为：

条件概率密度函数p(y|x)满足条件高斯分布，根据上述推导得MUD输出外信息可表示为

$\begin{array}{c}{L}_{MUD}^e\[x_i\]=\ln \frac{p\left(y|x_i=+1,x_{-i}\right)}{p\left(y|x_i=-1,x_{-i}\right)}\\ =\ln \frac{{\mathrm{\Σ}}_{x:x_i=+1}\exp \left(-\left|\right|y-Hx|{|}^2/2{\mathrm{\σ}}^2\right)\mathrm{\φ}}{{\mathrm{\Σ}}_{x:x_k=-1}\exp \left(-\left|\right|y-Hx|{|}^2/2{\mathrm{\σ}}^2\right)\mathrm{\φ}}\end{array},$

其中φ＝∏_j≠iP(x_j)，而P(x_j)又可以由式(4-5)求出。

需要注意的是，在MIMO系统中，解交织后的多路MUD外信息并不是直接输入DEC模块进行译码，而需要将多路信号进行叠加后作为整体信号进行译码，设叠加后的信号为则它可以表示为：

$\left\{\tilde{L}\left(c_i\right)\right\}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{L}_{MUD}^{e,{\mathrm{int}}^{-1}}\[x_i\left(j\right)\],$

其中是解交织后的将此叠加信号经DEC译码后得到叠加译码输出外信息{L(c_i)}，为了进行迭代反馈，需要再将此信息分配到各个路径去，产生{L(c_i)}的N个副本，并减去对应每条路径的可以得到需要的对应每条路径的DEC输出外信息可表示为：

$L_{DEC}^e\[x_i\left(j\right)\]=\left\{L\left(c_i\right)\right\}-L_{MUD}^{e,{\mathrm{int}}^{-1}}\[x_i\left(j\right)\],$

将此信息再次交织后得到作为反馈回MUD端的先验信息。

MIMO系统下的OB算法迭代检测过程整理如下：

(1)初始化： $L_{\mathrm{MUD}}^a\left[x_i\left(j\right)\right]=0$

(2)主迭代过程：

a.求 $L_{MUD}^e\[x_i\left(j\right)\]:L_{MUD}^e\[x_i\]=ln\frac{{\mathrm{\Σ}}_{x:x_i=+1}\exp (-||y-Hx|{|}^2/2{\mathrm{\σ}}^2)\mathrm{\φ}}{{\mathrm{\Σ}}_{x:x_k=-1}\exp (-||y-Hx|{|}^2/2{\mathrm{\σ}}^2)\mathrm{\φ}}.$

b.解交织得

c.求 $\left\{\tilde{L}\left(c_i\right)\right\}:\left\{\tilde{L}\left(c_i\right)\right\}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{L}_{MUD}^{e,{\mathrm{int}}^{-1}}\[x_i\left(j\right)\].$

d.DEC译码得{L(c_i)}，求 $L_{DEC}^e\[x_i\left(j\right)\]:L_{DEC}^e\[x_i\left(j\right)\]=\left\{L\left(c_i\right)\right\}-L_{MUD}^{e,{\mathrm{int}}^{-1}}\[x_i\left(j\right)\].$

e.求φ： $\mathrm{\φ}={\mathrm{\Π}}_{j\≠i}\{\frac{1}{2}\±\frac{1}{2}\tanh \[L_{DEC}^e\left(x_j\right)/2\]\}.$

f.返回a。

之后通过交织器与解交织器模块，交织器和解交织器不会改变输入比特序列中每一个比特的内容，它仅仅对用户码片进行置乱和恢复处理，即改变码片级信息序列中比特信息的排列顺序。为了保证正确译码，对于经由同一条天线发射的信号来说，接收端采用的交织器应该与发射端的交织器保持一致。

最后通过DEC模块，DEC模块采用的是标准的APP译码，本发明中使用的信道编码为重复码设译码器APPDEC输入的码片级先验软值序列为APP译码后获得的后验软值序列为{L_post[c_i(n_d)],i＝1,...,N,n_d＝1,...,N_info}，其中的元素为：

$L_{post}\[c_i\left(n_d\right)\]=\underset{j=1}{\overset{N_c}{\Σ}}{(-1)}^{j-1}\tilde{L}\[c_i\[(n_d-1)\·N_c+j\]\],$

则输出外信息序列{L[c_i(j)],i＝1,...,N,j＝1,...,L}可表示为：

$L\[c_i\[(n_d-1)\·N_c+j\]\]=L_{post}\[d_i\left(n_d\right)\]\·v\left(j\right)-\tilde{L}\[c_i\[(n_d-1)\·N_c+j\]\],$

v(j)表示向量v中第j个元素。

在最后一次迭代译码后对后验信息进行硬判决，则译码输出为

通过MATLAB仿真平台，对MISO系统进行算法验证，同时分析此系统的性能。仿真采用BPSK调制方式，每帧包含256个信息比特，每次发送2000帧。采用重复码进行编码，系统构建为K＝1一个用户，N＝2、4、6条发送天线，M＝1条接收天线；信道采用无衰落的高斯信道，接收端最大迭代次数为4，比较不同信噪比下的误码率BER。仿真结果图中横坐标Eb/N0表示当系统总的发射功率固定时，接收到的比特能量Eb与每根天线噪声功率N0的比值，纵坐标为对应情况下的误码率BER。

图2为不同迭代次数对系统BER性能的影响，显示系统4次迭代即可达到收敛状态。说明本专利设计具有快速收敛的特点和优点。

图3分别为不同发送天线数目对系统BER性能的影响，显示发送天线数增加，误码率显著降低。说明本专利具有良好的分集能力和较强抵抗信道衰落的特点和优点。

Claims (5)

1.一种基于IDMA的迭代多输入多输出通信系统，其特征在于：该系统包括发射装置和接收装置；其中：

所述发射装置，包括前向纠错信道解码器FEC、交织器和BPSK调制器；

发射装置的信号流程为：信息序列先经过编码器编码，再复制N份，分别输入N个交织器进行信息交织；然后，交织后信息分别输入到调制器进行符号调制映射；

接收装置，包括多源检测器MUD模块、交织器和解交织器模块、以及译码器DEC模块；接收装置的信号流程为：首先，接收信号输入基于最优贝叶斯算法的多源检测MUD模块，得到N条支路的软信息；所得软信息输入解交织模块。经解交织器后N路相加，作为译码器DEC的输入信息；DEC译码所得软信息减去DEC输入端信息后，再循环反馈回MUD模块，进行下一次迭代。

2.一种基于IDMA的迭代多输入多输出通信方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)在发射端，第k个用户要发送的信息比特序列是d_k＝{d_k(n_d),n_d＝1,2,...,N_info}，其中N_info是比特序列的长度；经过FEC编码后将其进行扩频得到编码序列c_k＝{c_k(l),l＝1,2,...,L}，序列长度为L＝N_info×N_c，将编码序列c复制N份，将每个用户的编码比特序列c_k＝{c_k(l),l＝1,2,...,L}生成N个副本，对每一副本采用不同的交织器∏_i,i＝1,…,N进行置乱处理，得到交织后的码片序列xⁱ,i＝1,…,N，再将取值为{0,1}的码片序列经BPSK变换为取值为{+1,-1}的码片序列，经调制后由N条发射天线发送出去；

(2)各路调制符号xⁱ乘以各路信道的衰弱后求和并叠加噪声，在接收端的一个接收天线处被接收，接收装置采用多源检测算法和译码器DEC之间的迭代译码进行解码；接收到的信号y可以看做N路信号的叠加，每一路因采用不同的交织器而相互独立；多源检测器的输出是外部对数似然比LLRs，x_j是序列xⁱ,i＝1,…N中的码片；

(3)将上述外信息解交织后N路相加得到作为译码器DEC的输入软信息；译码器DEC对输入软信息进行后验概率APP译码，产生外信息{L(c_i)}，将此外信息分别减去上面得到的解交织后的MUD外信息得到N路新信息，将这N路新信息再次交织后反馈回MUD模块作为下一次迭代中的先验软信息，在最后一次迭代译码后对后验信息进行硬判决，则译码输出为：

其中：L_post[c_i(n_d)]为APP译码后获得的后验软值序列，i＝1，...，N，n_c＝1，...，N_info，N_info是比特序列的长度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其在发射端FEC编码的是一种经过特殊设计的重复码RC码，其中N_c为重复码生成向量v的约束长度。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，MUD模块采用的是OB检测算法。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，DEC模块采用的是APP译码，其是经过特殊设计的重复码，其中N_c为重复码生成向量v的约束长度。