王樹蘭， 伍守豪， 吉建華， 金 濤

（①深圳大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；②深圳清華大學(xué)研究院，廣東 深圳 518060）

0 引言

近幾年，李坪教授提出的IDMA技術(shù)引起了人們廣泛的關(guān)注。IDMA系統(tǒng)不僅繼承了碼分多址的有效抗多址干擾和抗信道衰落等優(yōu)勢，而且還有低復(fù)雜度的接收機(jī)結(jié)構(gòu)，是第四代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。IDMA系統(tǒng)最基本的原則是對不同用戶分配不同的交織規(guī)則，交織器是用于區(qū)分用戶的唯一方法。在IDMA系統(tǒng)中，交織器要滿足3個(gè)條件：①交織器要容易產(chǎn)生、存儲(chǔ)及傳輸；②交織器間要保持彼此獨(dú)立，避免產(chǎn)生沖突；③交織前后用戶數(shù)據(jù)的相關(guān)性要小[2]。文中綜述研究了目前應(yīng)用于IDMA系統(tǒng)中的典型交織器，如隨機(jī)交織器、嵌套交織器、正交交織器、偽隨機(jī)交織器、移位交織器、S-交織器、加密交織器、樹狀交織器等。

1 隨機(jī)交織器

隨機(jī)交織器[3]是IDMA系統(tǒng)中被率先提出的一種設(shè)計(jì)方式。系統(tǒng)中的每個(gè)交織器都是利用隨機(jī)的方式得到。假設(shè)系統(tǒng)交織深度為M，對用戶k來說，交織器的生成方式為：①初始化,令位置索引i=1，生成長為M的索引序列:{1,2,…,M-1,M}；②產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)j(1≤j≤M-i );③對換位置索引i與i+j;④若i≤i+1，返回②。當(dāng)i等于m+1時(shí)，停止上述過程，此時(shí)得到的新位置索引就是用戶k的交織器。

該交織器的優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)交織器都隨機(jī)獨(dú)立生成；在生成過程中，交織器不受其他用戶干擾，故在一般情況下能取得較好的互交織和互相關(guān)性能，算法簡單。該交織器的缺點(diǎn)：在管理所有用戶的交織規(guī)則時(shí)需要大量的存儲(chǔ)資源，在基站和移動(dòng)臺(tái)之間進(jìn)行信息交換時(shí)需要大量的帶寬資源。如果用戶增多或交織深度增大時(shí)，該交織器的劣勢會(huì)凸顯，則該算法不適于大型的IDMA系統(tǒng)。

2 嵌套交織器

嵌套交織器[4]是以一個(gè)主交織器為中心，利用嵌套的方式來生成每個(gè)用戶的交織器，即“在交織的基礎(chǔ)上再交織”。具體算法為[5]：①產(chǎn)生一主交織器πmaster;②利用遞推公式來完成每個(gè)用戶的交織器設(shè)計(jì)：πk(i)=πmaster(πk-1(i ))，即第k-1個(gè)用戶的交織器πk-1交織主交織器πmaster就可以得到第k個(gè)用戶的交織器,其中π1=πmaster。

該交織器的優(yōu)點(diǎn)：減少了基站和移動(dòng)臺(tái)之間的信息交換，節(jié)省了系統(tǒng)的存儲(chǔ)資源，還加快了系統(tǒng)交織器的生成時(shí)間。該交織器的缺點(diǎn)：若主交織器存在不動(dòng)點(diǎn)，即交織前后某比特位置沒有發(fā)生變化，所有的交織器都會(huì)有不動(dòng)點(diǎn)的存在;若主交織器是對稱交織器，即交織與解交織規(guī)則完全相同，該算法對IDMA系統(tǒng)也不適用。

3 正交交織器

正交交織器[4]是在正交序列(m序列、walsh序列等)的基礎(chǔ)上獲得。以m序列為例，具體算法為[6]:

1）生成長度是S-1的m序列(選取恰當(dāng)?shù)谋驹囗?xiàng)式，設(shè)為m階，有2m=S)。

2）將移動(dòng)移位寄存器得到的S-1個(gè)移位序列進(jìn)行存儲(chǔ)。

3）在2)中得到的所有移位序列末尾加‘0’便得到S-1個(gè)正交序列an(1≤n≤S-1)。

4）對用戶k來講，編碼序列ck的前S個(gè)交織位置的生成方法是：①初始化i=1;②若原始序列中第i個(gè)數(shù)值為+1，則πk(i)映射為正交序列ak中第i個(gè)1所在的位置；反之，則映射為ak中第i個(gè)0所在的位置；i加1，反復(fù)執(zhí)行步驟②；③當(dāng)i=S時(shí)，停止該過程。

5）對用戶K而言，編碼序列ck的交織器πk執(zhí)行操作：πk(mS+i)=mS+πk(i),(1≤m≤l -1)。

該交織器的優(yōu)點(diǎn)：降低了復(fù)雜度，只需存儲(chǔ)和交換若干比特即可完成交織器設(shè)計(jì)；可根據(jù)需求設(shè)計(jì)任意信息序列長度的交織器；交織序列也滿足嚴(yán)格的正交性。該交織器的缺點(diǎn)：每組交織器最多不超過S (擴(kuò)頻序列長度)個(gè)，使得多址用戶數(shù)受限。

4 偽隨機(jī)交織器

正交交織器的個(gè)數(shù)受到正交序列長度的限制。當(dāng)用戶數(shù)大于S時(shí)，系統(tǒng)需要采用非正交的方法產(chǎn)生足夠多的交織器來滿足需求。偽隨機(jī)交織器[7]就由此而來，該交織器是在m序列的基礎(chǔ)上生成的。具體算法為[5]：

1)選取m階本原多項(xiàng)式K個(gè)，滿足2m=lS，為編碼序列長度。

2) K個(gè)長度為lS的交織器由相對應(yīng)的K個(gè)多項(xiàng)式生成。具體算法：①根據(jù)生成多項(xiàng)式的系數(shù)產(chǎn)生一個(gè)線性反饋移位寄存器。對于m階的本原多項(xiàng)式，滿足lS=2m；②t（1≤ t≤ls-1）（ls-1為m序列的周期長度值）表示離散時(shí)間。在移位寄存器的初始化時(shí)：令t=1，其中qb( t)為移位寄存器t時(shí)刻數(shù)據(jù)的向量表示，q( t)是qb( t)的十進(jìn)制表示；③滿足周期為lS-1的每個(gè)m序列在特殊時(shí)刻x時(shí)存在最長連續(xù)零。設(shè)置如下：

該交織器的優(yōu)點(diǎn)：長度為2mlS=的每個(gè)用戶的交織器生成時(shí)只需存儲(chǔ)m bit即可完成。與隨機(jī)交織器相比，該交織器在資源消耗方面有明顯降低，算法較簡單，硬件也易實(shí)現(xiàn)。該交織器的缺點(diǎn)：用戶數(shù)急劇增多時(shí)，很難找到足夠的本原多項(xiàng)式來滿足設(shè)計(jì)。

5 移位交織器

移位交織器是借助移動(dòng)方法而設(shè)計(jì)的一類交織器的總稱。移動(dòng)種類包括：移位，循環(huán)，螺旋等。

移位交織器[6]是為了解決隨機(jī)交織器的存儲(chǔ)和帶寬資源消耗太大，不利于硬件實(shí)現(xiàn)等問題。該交織器也是通過S序列實(shí)現(xiàn)的；與隨機(jī)交織器相比，該交織器資源消耗相對比較低，算法較簡單。

循環(huán)移動(dòng)交織器[8]是通過循環(huán)移動(dòng)和交織一個(gè)共同的主交織器而得到多個(gè)交織器。該交織器用于IDMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)和多維度編碼方面。

文獻(xiàn)[9]提出螺旋交織器，首先產(chǎn)生一個(gè)主交織器，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行螺旋得到新的交織器。該交織器與其他相比效率更高，需要更少的比特?cái)?shù)去存儲(chǔ)交織器。

文獻(xiàn)[10]提出基于PN序列的移位交織器。該交織器是通過循環(huán)移動(dòng)一個(gè)特定的偽噪聲（由PN序列產(chǎn)生）進(jìn)行交織，即用PN序列產(chǎn)生一主交織器，然后進(jìn)行循環(huán)移動(dòng)。與隨機(jī)交織器相比，該交織器復(fù)雜度較低，需要的存儲(chǔ)空間更少，生成方法也簡單。

矩陣循環(huán)移動(dòng)交織器[11]以矩陣為基礎(chǔ)，加上循環(huán)移動(dòng)形成的交織器。在加性高斯白噪聲信道條件下，與隨機(jī)交織器相比，該交織器可以保持與隨機(jī)交織器幾乎相同的誤碼率性能；解決了記憶存儲(chǔ)問題，也減少了移動(dòng)臺(tái)和基站間的信息交換。

基于矩陣行列移位的交織器[12]是在AWGN信道條件下，提供了接近于隨機(jī)交織器的誤碼率性能。所有的交織器可行移位產(chǎn)生，也可列移位產(chǎn)生，同時(shí)還可同時(shí)行和列移位生成。該方案使多個(gè)用戶共享一個(gè)基礎(chǔ)交織器，減少了移動(dòng)臺(tái)和基站間的信息交換，節(jié)省了存儲(chǔ)空間，系統(tǒng)資源利用率也得到提高；此外，對特定用戶的交織器來講，它還有效避免了系統(tǒng)的延時(shí)，實(shí)現(xiàn)也較簡單。但該交織器依然是基于隨機(jī)交織器而設(shè)計(jì)的，故該交織器具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，無法保證每次都能設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的交織器。

6 S-交織器

二維交織器[6,13]是在偽隨機(jī)序列基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，該方案采用了傳統(tǒng)分組交織器的設(shè)計(jì)理念。算法是：首先，按行順序?qū)懭胍粋€(gè)位置索引矩陣M；其次，用相同的一低階交織圖案Γ分別交織M的行、列位置索引。結(jié)束后，以列順序從第一列開始依次讀出矩陣M中的位置索引，所讀出的位置索引又可構(gòu)造一新的高階交織器。該交織器可得到較好的一階最小互交織距離，即保證交織前相鄰的比特在交織后不會(huì)相鄰；可以獲得比隨機(jī)交織器更好的性能。

三維矩陣交織器[5]是基于S-隨機(jī)交織器生成的，故具有良好的S階及S以下任意階的互交織距離。該交織器的優(yōu)點(diǎn)是：性能穩(wěn)定,具有較弱的互相關(guān)性,對高階互交織距離約束問題得到了較好的解決；占用較少的存儲(chǔ)資源和傳輸帶寬，生成簡單。該交織器的缺點(diǎn)是：生成時(shí)間較長；若交織深度急劇增大時(shí)，系統(tǒng)很難找到足夠的本原多項(xiàng)式來滿足需求。

7 加密交織器

非對稱IDMA交織器[14]是采用離散Amold映射，借鑒了類似非對稱密鑰加密的方法來完成保密通信的功能。該交織器能達(dá)到與偽隨機(jī)交織器相同的誤碼率性能，還可以提供保密通信功能，還具有運(yùn)算速度快、硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低等特點(diǎn)。

文獻(xiàn)[15]提出基于離散混沌映射的IDMA非對稱交織器設(shè)計(jì)方案，使系統(tǒng)在物理層上具有保密通信功能。該方案與常用的Diffie-Hellman密鑰交換協(xié)議相結(jié)合，借鑒了混沌系統(tǒng)的初始值敏感和類隨機(jī)的特性，同時(shí)具有偽隨機(jī)交織和保密通信的功能。

文獻(xiàn)[12]提出HS．Chaos交織器，是在S-Random的設(shè)計(jì)理念上，采用混沌序列代替原有的隨機(jī)序列。使該交織器同時(shí)具有隨機(jī)性和確定性的特點(diǎn)，還保證每次設(shè)計(jì)的交織器都有良好性能。在S-距離條件約束下，在用戶數(shù)較少時(shí)，該交織器的性能略優(yōu)于隨機(jī)交織器，在多用戶時(shí)也有與隨機(jī)交織器相同的抗噪性能。但該方案設(shè)計(jì)相對較復(fù)雜，相對于隨機(jī)交織器，在性能提高方面也沒有明顯的優(yōu)勢。

8 樹狀交織器

文獻(xiàn)[16]提出樹狀圖交織器。該方案降低了計(jì)算復(fù)雜度，解決了內(nèi)存成本問題，也減少了在移動(dòng)臺(tái)和基站間的信息交換，還與嵌套交織器和隨機(jī)交織器的性能一樣好。

文獻(xiàn)[17]提出多級(jí)樹狀交織器。與樹狀交織器和嵌套交織器相比，該交織器能有效地降低計(jì)算復(fù)雜度。帶有隨機(jī)交織器的方法能有效地減少存儲(chǔ)量和帶寬消耗。

9 結(jié)語

除了以上主要的幾類典型交織器外，還有移動(dòng)正交交織器、巢狀交織器、對稱交織器、粒子群算法交織器、并行交織器、PEG算法交織器以及線性同余交織器等等。

縱觀IDMA系統(tǒng)中交織器設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程，經(jīng)過短短的幾年時(shí)間，IDMA系統(tǒng)中交織器的設(shè)計(jì)越來越成熟，其后續(xù)研究工作主要趨向于算法簡單、生成速度快、相關(guān)性弱以及較好的互交織距離特性等方面，從而使交織器逐漸從理論科研階段走向?qū)嶋H應(yīng)用階段，尤其是與IDMA系統(tǒng)的其他技術(shù)相配合，促進(jìn)交織分多址系統(tǒng)盡早的應(yīng)用于第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中。

[1] 孫宏圖，劉俊霞.基于碼片交織技術(shù)的IDMA系統(tǒng)[J].通信技術(shù),2007,40(12)：92-94.

[2] 覃永新,陳文輝,吳其琦.偽隨機(jī)交織器的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù),2009,42(06)：21-23.

[3] LI P, LIU L, WU K Y,et al. A Unified Approach to Multiuser Detection and Space-Time Coding with Low Complexity and Nearly Optimal Performance[C]//Proc. 40th Allerton Conference.USA: Allerton House,2002:170-179.

[4] WU H, LI P, PEROTTI A. User-specific Chip-level Interleaver Design for IDMA Systems[J].IEEE,2006,42(04):233-234.

[5] 史鵬科.基于 IDMA的交織技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

[6] 張承海.交織多址（IDMA）系統(tǒng)交織器設(shè)計(jì)[D].西安:電子科技大學(xué),2008.

[7] PUPEZA I, KAVCIC A, LI P. Efficient Generation of Interleavers for IDMA[C]//IEEE.Communications.ICC '06. IEEE International Conference on.Istanbul:IEEE 2006,1508-1513.

[8] KUSUME K, BAUCH G. Simple Construction of Multiple Interleavers: Cyclically Shifting a Single Interleaver[J].TCOMM,2008,56(09):1394-1397.

[9] HAO D, HOEHER P. Helical Interleaver Set Design for Interleave-division Multiplexing and Related Techniques[J].LCOMM,2008,12(11):843-845.

[10] ZHANG C, HU J. The Shifting Interleaver Design Based on PN Sequence for IDMA Systems[J].FGCN,2007(02):279-284.

[11] LI H, JIN M,SONG E. Matrix Cyclic Shifting Based Interleaver Design for IDMA System[C]//IEEE.Wireless Communications, Networking and Mobile Computing. 2009. WiCom '09. 5th International Conference. Kunming: IEEE,2009:1-4.

[12] 宋恩德.IDMA系統(tǒng)的交織器設(shè)計(jì)及其性能分析[D].大連:大連理工大學(xué),2008.

[13] ZHANG C, HU J. 2-Dimension Interleaver Design for IDMA Systems[C]//IEEE. Circuits and Systems for Communications.ICCSC 2008.4th IEEE International Conference. Shanghai :IEEE,2008:372-376.

[14] 羅智峰,丘水生. 一種非對稱 IDMA交織器的設(shè)計(jì)及分析[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,38(01):22-25.

[15] 羅智峰.IDMA通信系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)及其在協(xié)作無線通信中的應(yīng)用[D].廣州:華南理工大學(xué),2010.

[16] SHUKLA M, SRIVASTAVA V K, TIWARI S. Analysis and Design of Tree Based Interleaver for Multiuser Receivers in IDMA Scheme[C]//IEEE. Networks. ICON 2008. 16th IEEE International Conference. New Delhi:IEEE, 2008:1-4.

[17] ALTAMIMI A B, GULLIVER T A. On Interleaver Design for Interleave Division Multiple Access(IDMA)[C]//IEEE. Wireless Communications Networking and Mobile Computing (WiCOM). 2010 6th International Conference. Chengdu:IEEE,2010:1-4.