CN106453185A - 一种基于ccsk调制的idma系统改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于基于CCSK调制的交织多址系统的改进方案，引入CCSK调制和分支路迭代检测算法，特别适用在需要提高数据率的多址接入系统中。本发明的目的是提出一种基于IDMA系统的能够有效提高传输数据率的改进方法。在具备上述优点的同时，IDMA也存在问题，作为扩频通信系统，主要缺点是有效数据发送率的降低。本发明提出了基于CCSK调制的交织多址接入通信系统，在保持上述优势的条件下，通过循环移位调制来携带新数据，从而提高有效数据率。

Description

一种基于CCSK调制的IDMA系统改进方法

技术领域

本发明属于基于CCSK调制的交织多址系统的改进方案，引入CCSK调制和分支路迭代检测算法，特别适用在需要提高数据率的多址接入系统中。

背景技术

众所周知，多址接入技术是构成无线通信网的基础，也是无线通信更新换代的标志之一。理论分析与实践均证明，码分多址(Code-Division Multiple Access,CDMA)具有较强的抗衰落能力和抗小区间干扰能力，因此成为第三代移动通信系统的核心技术，并得到了广泛应用。但在CDMA系统中，随着系统容量的扩大，多址干扰问题日益严重，传统多用户检测算法计算复杂度太高，不足以满足实际需求。为了克服CDMA系统的缺点，基于交分复用(Interleave Division Multiplexing,IDM)的交织多址技术在2002年被首次提出。

IDMA系统的核心思想是，利用不同的码片级随机交织器来区分不同的用户，所有用户共享相同的资源。IDMA继承了CDMA的众多优点，同时由于IDMA将整个扩频带宽用于低码率的信道编码，从而可以最大化编码增益并获得比CDMA更高的频谱效率。此外，IDMA系统的接收机采用一种低复杂度的迭代多用户检测方法，单个用户的检测复杂度独立于系统的用户数。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于IDMA系统的能够有效提高传输数据率的改进方法。在具备上述优点的同时，IDMA也存在问题，作为扩频通信系统，主要缺点是有效数据发送率的降低。本发明提出了基于CCSK调制的交织多址接入通信系统，在保持上述优势的条件下，通过循环移位调制来携带新数据，从而提高有效数据率。

传统IDMA系统的发送机、接收机框图分别如图1、图2所示。发送机主要包括前向纠错(Forward Error Correction,FEC)编码模块、扩频模块和交织模块，接收机由一个单元信号估计器(Elementary Signal Estimator,ESE)、若干个解交织模块和译码器(Decoder,DEC)构成。改进方案在发送端增加了CCSK调制模块，在接收端相应地增加了CCSK解交织模块，如图3、图4所示。设用户数为K，扩频码长为S，记为s＝[s₀,s₁,…,s_S-1]，第k个用户发送数据为d_k＝[d_k(0),d_k(1),…,d_k(N-1)]，CCSK调制阶数为Mary_ccsk(一般取Mary_ccsk＝N*S)，可额外携带log₂(Mary_ccsk)比特数据，记为D_k＝[D_k(0),D_k(1),…,D_k(log₂Mary_ccsk-1)]。

发送端数据处理过程如下：

1)对于第k个用户，数据比特序列d_k首先进行FEC编码，生成编码后的编码序列b_k；

2)编码序列b_k通过扩频进一步降低码率，产生低码率的扩频序列c_k；

3)扩频序列进入第k个用户的码片级交织器π_k，生成被打乱顺序的码片序列x_k＝{x_k(n),n＝0,...,N*S-1}；

4)进入CCSK调制模块，第二路数据D_k首先映射成十进制数，设为m_k，则第k个用户的发送信号为：

式中，<x>_m表示对序列x向左循环移位m位操作；

5)所有用户的信号通过发射模块发送出去，即完成了发送端工作；

接收端采用迭代译码，设迭代次数为Iter，数据处理过程如下(如图4所示)：

1)首先对经过信道作用的到达信号进行接收并完成信道估计，接收到的信号为所有用户信号的叠加：

式中，h_k表示第k个用户的信道系数，w(n)为是均值为0、方差为σ²的高斯白噪声；

2)令k＝0，初始化所有用户信号的均值E[y_k(n)]和方差Var[y_k(n)]，计算接收信号的均值和方差：

3)得到每个用户干扰信号的均值和方差：

E(ζ_k(n))＝E(r(n))-h_kE(y_k(n))

Var(ζ_k(n))＝Var(r(n))-|h_k|²Var(y_k(n)) (4)；

4)计算ESE输出的每个用户发送信号的外信息：

5)可以将CCSK调制看作是循环移位交织器Π_k，则对应Mary_ccsk个可能的交织器，分支路处理外信息，第i个支路对外信息进行反循环移位i位操作(记为解交织器再解交织即可得到c_k的先验对数似然比信息L_prior(c_k)：

6)接下来进入DEC模块完成软译码，首先执行解扩操作，为叙述方便，下面仅考虑第k个用户的第1个编码符号b_k(0)的译码，其它编码符号的译码过程与b_k(0)一样。利用ESE反馈的外信息L_priori(c_k)进行解扩频，得到编码符号b_k(0)的先验软信息，

接着，FEC译码器利用软信息L_priori(b_k)进行软译码，得到编码序列b_k的软信息L_APP(b_k)，再对L_APP(b_k)进行扩频，得到扩频序列c_k的后验软信息：

L_posteriori(c_k(n))＝s_k(n)L_APP(b_k(1)),n＝0,1,...,S-1 (8)，

最后，计算DEC译码器输出的外信息：

e_DEC(c_k(n))＝L_posteriori(c_k(n))-L_priori(c_k(n)) (9)；

7)再次让e_DEC(c_k(n))通过随机交织器π_k和Π_k，得到y_k的先验信息，从而更新所有用户信号的均值和方差，

Var(y_k(n))＝1-(E(y_k(n)))²

8)判断k＞Iter是否成立，若成立，根据外信息最大准则判决某个支路为CCSK解调正确的支路，转换为二进制即为则CCSK解调完成，同时对FEC译码结果进行硬判决；否则令k＝k+1，回到步骤3)。

本发明的有益效果是：

本发明是在传统IDMA系统的基础上，提出的一种基于CCSK调制、可提高有效数据传输速率的改进方案。该方法是在传统的IDMA系统上，发送端实际发送两路有效信号，首先按照传统发送机结构生成发送信号，携带第一路有效数据，然后通过添加CCSK调制，在不改变发送信号长度的前提下，增加额外的发送数据(即第二路有效数据)，从而提高数据传输速率。在接收端，将CCSK调制看作是特殊的随机交织器，根据可能的状态进行分支路解交织，每个支路再按照传统IDMA接收机结构进行处理，最后按照最大外信息准则对支路进行判决。本发明通过引入CCSK调制，在保持系统原有优势的前提下，以提高接收端迭代检测计算复杂度为代价，增加额外发送数据，提高有效数据率。。

附图说明

图1为传统IDMA系统发送端结构示意图。

图2为传统IDMA系统接收端结构示意图。

图3为本发明的基于CCSK调制的IDMA系统发送端结构示意图。

图4为本发明的基于CCSK调制的IDMA系统接收端结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步地详细描述。

在发送端，主要包含三个模块：前向纠错编码器、扩频器和交织器。IDMA系统依靠交织器来区分不同的用户，通过交织器来打乱低码率的码片序列的顺序，从而尽最大可能减小相邻码片的相关性，不但可以降低通信过程中的连续性错误，同时能使接收端低复杂度的检测方法得以实现。对于第k个用户，数据比特序列首先进行FEC编码，生成编码后的编码序列b_k；为进一步降低码率，编码序列b_k进行扩频，产生低码率的扩频序列c_k；最后，码片序列进入第k个用户的码片级交织器π_k，生成被打乱顺序的码片序列x_k，并通过循环移位实现CCSK调制，通过发射机发送出去。

在接收端，采用低复杂度的迭代检测算法，根据传统IDMA接收机结构进行处理，包括ESE估计器模块、交织/解交织模块和DEC译码器模块。此时，将CCSK调制看作是特殊的随机交织器，根据可能的状态在交织/解交织模块进行分支路处理。当接收机达到预算设定的迭代次数时，由DEC译码器对每个用户的数据比特进行硬判决，输出最终的判决结果。

发送端数据处理过程如下：

1)对于第k个用户，数据比特序列d_k首先进行FEC编码，生成编码后的编码序列b_k；

2)编码序列b_k通过扩频进一步降低码率，产生低码率的扩频序列c_k；

3)扩频序列进入第k个用户的码片级交织器π_k，生成被打乱顺序的码片序列x_k＝{x_k(n),n＝0,...,N*S-1}；

4)进入CCSK调制模块，第二路数据D_k首先映射成十进制数，设为m_k，则第k个用户的发送信号为：

式中，<x>_m表示对序列x向左循环移位m位操作；

5)所有用户的信号通过发射模块发送出去，即完成了发送端工作；

接收端采用迭代译码，设迭代次数为Iter，数据处理过程如下(如图4所示)：

1)首先对经过信道作用的到达信号进行接收并完成信道估计，接收到的信号为所有用户信号的叠加：

式中，h_k表示第k个用户的信道系数，w(n)为是均值为0、方差为σ²的高斯白噪声；

2)令k＝0，初始化所有用户信号的均值E[y_k(n)]和方差Var[y_k(n)]，计算接收信号的均值和方差：

3)得到每个用户干扰信号的均值和方差：

E(ζ_k(n))＝E(r(n))-h_kE(y_k(n))

Var(ζ_k(n))＝Var(r(n))-|h_k|²Var(y_k(n)) (14)；

4)计算ESE输出的每个用户发送信号的外信息：

5)可以将CCSK调制看作是循环移位交织器Π_k，则对应Mary_ccsk个可能的交织器，分支路处理外信息，第i个支路对外信息进行反循环移位i位操作(记为解交织器再解交织即可得到c_k的先验对数似然比信息L_prior(c_k)：

6)接下来进入DEC模块完成软译码，首先执行解扩操作，为叙述方便，下面仅考虑第k个用户的第1个编码符号b_k(0)的译码，其它编码符号的译码过程与b_k(0)一样。利用ESE反馈的外信息L_priori(c_k)进行解扩频，得到编码符号b_k(0)的先验软信息，

接着，FEC译码器利用软信息L_priori(b_k)进行软译码，得到编码序列b_k的软信息L_APP(b_k)，再对L_APP(b_k)进行扩频，得到扩频序列c_k的后验软信息：

L_posteriori(c_k(n))＝s_k(n)L_APP(b_k(1)),n＝0,1,...,S-1 (18)，

最后，计算DEC译码器输出的外信息：

e_DEC(c_k(n))＝L_posteriori(c_k(n))-L_priori(c_k(n)) (19)；

7)再次让e_DEC(c_k(n))通过随机交织器π_k和Π_k，得到y_k的先验信息，从而更新所有用户信号的均值和方差，

Var(y_k(n))＝1-(E(y_k(n)))²

8)判断k＞Iter是否成立，若成立，根据外信息最大准则判决某个支路为CCSK解调正确的支路，转换为二进制即为则CCSK解调完成，同时对FEC译码结果进行硬判决；否则令k＝k+1，回到步骤3)。

Claims (1)

1.一种基于CCSK调制的IDMA系统改进方法，其特征在于，具体为：

发送端数据处理过程如下：

1)对于第k个用户，数据比特序列d_k首先进行FEC编码，生成编码后的编码序列b_k；

2)编码序列b_k通过扩频进一步降低码率，产生低码率的扩频序列c_k；

3)扩频序列进入第k个用户的码片级交织器π_k，生成被打乱顺序的码片序列x_k＝{x_k(n),n＝0,...,N*S-1}；

4)进入CCSK调制模块，第二路数据D_k首先映射成十进制数，设为m_k，则第k个用户的发送信号为：

$y_k=<x_k{>}_{m_k}---\left(1\right)$

式中，<x>_m表示对序列x向左循环移位m位操作；

5)所有用户的信号通过发射模块发送出去，即完成了发送端工作；

接收端采用迭代译码，设迭代次数为Iter，数据处理过程如下(如图4所示)：

1)首先对经过信道作用的到达信号进行接收并完成信道估计，接收到的信号为所有用户信号的叠加：

$r\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}{h}_k{y}_k\left(n\right)+w\left(n\right),n=0,...,N*S-1---\left(2\right)$

式中，h_k表示第k个用户的信道系数，w(n)为是均值为0、方差为σ²的高斯白噪声；

2)令k＝0，初始化所有用户信号的均值E[y_k(n)]和方差Var[y_k(n)]，计算接收信号的均值和方差：

$\begin{array}{c}E\left(r\right(n\left)\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}{h}_{k}E\left(y_k\right(n\left)\right)\\ Var\left(r\right(n\left)\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}|h_k{|}^{2}Var\left(y_k\right(n\left)\right)+{\mathrm{\&sigma;}}^2\end{array}---\left(3\right);$

3)得到每个用户干扰信号的均值和方差：

E(ζ_k(n))＝E(r(n))-h_kE(y_k(n))

Var(ζ_k(n))＝Var(r(n))-|h_k|²Var(y_k(n)) (4)；

4)计算ESE输出的每个用户发送信号的外信息：

$e_{ESE}\left(y_k\right(n\left)\right)=2h_k\frac{r\left(n\right)-E\left({\mathrm{\&zeta;}}_k\right(n\left)\right)}{Var\left({\mathrm{\&zeta;}}_k\right(n\left)\right)}---\left(5\right);$

5)可以将CCSK调制看作是循环移位交织器Π_k，则对应Mary_ccsk个可能的交织器，分支路处理外信息，第i个支路对外信息进行反循环移位i位操作(记为解交织器)，再解交织即可得到c_k的先验对数似然比信息L_prior(c_k)：

$L_{priori}\left(c_k\right(n\left)\right)=ln\left(\frac{\mathrm{Pr}\left(c_k\right(n)=+1)}{\mathrm{Pr}\left(c_k\right(n)=-1)}\right)---\left(6\right);$

6)接下来进入DEC模块完成软译码，首先执行解扩操作，为叙述方便，下面仅考虑第k个用户的第1个编码符号b_k(0)的译码，其它编码符号的译码过程与b_k(0)一样。利用ESE反馈的外信息L_priori(c_k)进行解扩频，得到编码符号b_k(0)的先验软信息，

$L_{priori}\left(b_k\right(0\left)\right)=\underset{n=1}{\overset{S-1}{\&Sigma;}}s\left(n\right)L_{priori}\left(c_k\right(n\left)\right)---\left(7\right)$

接着，FEC译码器利用软信息L_priori(b_k)进行软译码，得到编码序列b_k的软信息L_APP(b_k)，再对L_APP(b_k)进行扩频，得到扩频序列c_k的后验软信息：

L_posteriori(c_k(n))＝s_k(n)L_APP(b_k(1)),n＝0,1,...,S-1 (8)，

最后，计算DEC译码器输出的外信息：

e_DEC(c_k(n))＝L_posteriori(c_k(n))-L_priori(c_k(n)) (9)；

7)再次让e_DEC(c_k(n))通过随机交织器π_k和Π_k，得到y_k的先验信息，从而更新所有用户信号的均值和方差，

$\begin{array}{c}E\left(y_k\right(n\left)\right)=\tanh \left(\frac{L_{priori}\left(y_k\right(n\left)\right)}{2}\right)\\ Var\left(y_k\right(n\left)\right)=1-{\left(E\right(y_k\left(n\right)\left)\right)}^2\end{array}---\left(10\right);$

8)判断k＞Iter是否成立，若成立，根据外信息最大准则判决某个支路为CCSK解调正确的支路，转换为二进制即为则CCSK解调完成，同时对FEC译码结果进行硬判决；否则令k＝k+1，回到步骤3)。