IDMA系统中交织器研究现状

王树兰， 伍守豪， 吉建华， 金 涛

（①深圳大学 信息工程学院，广东 深圳 518060；②深圳清华大学研究院，广东 深圳 518060）

0 引言

近几年，李坪教授提出的IDMA技术引起了人们广泛的关注。IDMA系统不仅继承了码分多址的有效抗多址干扰和抗信道衰落等优势，而且还有低复杂度的接收机结构，是第四代移动通信的关键技术之一[1]。IDMA系统最基本的原则是对不同用户分配不同的交织规则，交织器是用于区分用户的唯一方法。在IDMA系统中，交织器要满足3个条件：①交织器要容易产生、存储及传输；②交织器间要保持彼此独立，避免产生冲突；③交织前后用户数据的相关性要小[2]。文中综述研究了目前应用于IDMA系统中的典型交织器，如随机交织器、嵌套交织器、正交交织器、伪随机交织器、移位交织器、S-交织器、加密交织器、树状交织器等。

1 随机交织器

随机交织器[3]是IDMA系统中被率先提出的一种设计方式。系统中的每个交织器都是利用随机的方式得到。假设系统交织深度为M，对用户k来说，交织器的生成方式为：①初始化,令位置索引i=1，生成长为M的索引序列:{1,2,…,M-1,M}；②产生随机数j(1≤j≤M-i );③对换位置索引i与i+j;④若i≤i+1，返回②。当i等于m+1时，停止上述过程，此时得到的新位置索引就是用户k的交织器。

该交织器的优点：每个交织器都随机独立生成；在生成过程中，交织器不受其他用户干扰，故在一般情况下能取得较好的互交织和互相关性能，算法简单。该交织器的缺点：在管理所有用户的交织规则时需要大量的存储资源，在基站和移动台之间进行信息交换时需要大量的带宽资源。如果用户增多或交织深度增大时，该交织器的劣势会凸显，则该算法不适于大型的IDMA系统。

2 嵌套交织器

嵌套交织器[4]是以一个主交织器为中心，利用嵌套的方式来生成每个用户的交织器，即“在交织的基础上再交织”。具体算法为[5]：①产生一主交织器πmaster;②利用递推公式来完成每个用户的交织器设计：πk(i)=πmaster(πk-1(i ))，即第k-1个用户的交织器πk-1交织主交织器πmaster就可以得到第k个用户的交织器,其中π1=πmaster。

该交织器的优点：减少了基站和移动台之间的信息交换，节省了系统的存储资源，还加快了系统交织器的生成时间。该交织器的缺点：若主交织器存在不动点，即交织前后某比特位置没有发生变化，所有的交织器都会有不动点的存在;若主交织器是对称交织器，即交织与解交织规则完全相同，该算法对IDMA系统也不适用。

3 正交交织器

正交交织器[4]是在正交序列(m序列、walsh序列等)的基础上获得。以m序列为例，具体算法为[6]:

1）生成长度是S-1的m序列(选取恰当的本原多项式，设为m阶，有2m=S)。

2）将移动移位寄存器得到的S-1个移位序列进行存储。

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

4）对用户k来讲，编码序列ck的前S个交织位置的生成方法是：①初始化i=1;②若原始序列中第i个数值为+1，则πk(i)映射为正交序列ak中第i个1所在的位置；反之，则映射为ak中第i个0所在的位置；i加1，反复执行步骤②；③当i=S时，停止该过程。

5）对用户K而言，编码序列ck的交织器πk执行操作：πk(mS+i)=mS+πk(i),(1≤m≤l -1)。

该交织器的优点：降低了复杂度，只需存储和交换若干比特即可完成交织器设计；可根据需求设计任意信息序列长度的交织器；交织序列也满足严格的正交性。该交织器的缺点：每组交织器最多不超过S (扩频序列长度)个，使得多址用户数受限。

4 伪随机交织器

正交交织器的个数受到正交序列长度的限制。当用户数大于S时，系统需要采用非正交的方法产生足够多的交织器来满足需求。伪随机交织器[7]就由此而来，该交织器是在m序列的基础上生成的。具体算法为[5]：

1)选取m阶本原多项式K个，满足2m=lS，为编码序列长度。

2) K个长度为lS的交织器由相对应的K个多项式生成。具体算法：①根据生成多项式的系数产生一个线性反馈移位寄存器。对于m阶的本原多项式，满足lS=2m；②t（1≤ t≤ls-1）（ls-1为m序列的周期长度值）表示离散时间。在移位寄存器的初始化时：令t=1，其中qb( t)为移位寄存器t时刻数据的向量表示，q( t)是qb( t)的十进制表示；③满足周期为lS-1的每个m序列在特殊时刻x时存在最长连续零。设置如下：

该交织器的优点：长度为2mlS=的每个用户的交织器生成时只需存储m bit即可完成。与随机交织器相比，该交织器在资源消耗方面有明显降低，算法较简单，硬件也易实现。该交织器的缺点：用户数急剧增多时，很难找到足够的本原多项式来满足设计。

5 移位交织器

移位交织器是借助移动方法而设计的一类交织器的总称。移动种类包括：移位，循环，螺旋等。

移位交织器[6]是为了解决随机交织器的存储和带宽资源消耗太大，不利于硬件实现等问题。该交织器也是通过S序列实现的；与随机交织器相比，该交织器资源消耗相对比较低，算法较简单。

循环移动交织器[8]是通过循环移动和交织一个共同的主交织器而得到多个交织器。该交织器用于IDMA系统设计和多维度编码方面。

文献[9]提出螺旋交织器，首先产生一个主交织器，然后在此基础上进行螺旋得到新的交织器。该交织器与其他相比效率更高，需要更少的比特数去存储交织器。

文献[10]提出基于PN序列的移位交织器。该交织器是通过循环移动一个特定的伪噪声（由PN序列产生）进行交织，即用PN序列产生一主交织器，然后进行循环移动。与随机交织器相比，该交织器复杂度较低，需要的存储空间更少，生成方法也简单。

矩阵循环移动交织器[11]以矩阵为基础，加上循环移动形成的交织器。在加性高斯白噪声信道条件下，与随机交织器相比，该交织器可以保持与随机交织器几乎相同的误码率性能；解决了记忆存储问题，也减少了移动台和基站间的信息交换。

基于矩阵行列移位的交织器[12]是在AWGN信道条件下，提供了接近于随机交织器的误码率性能。所有的交织器可行移位产生，也可列移位产生，同时还可同时行和列移位生成。该方案使多个用户共享一个基础交织器，减少了移动台和基站间的信息交换，节省了存储空间，系统资源利用率也得到提高；此外，对特定用户的交织器来讲，它还有效避免了系统的延时，实现也较简单。但该交织器依然是基于随机交织器而设计的，故该交织器具有较强的随机性，无法保证每次都能设计性能优良的交织器。

6 S-交织器

二维交织器[6,13]是在伪随机序列基础上产生的，该方案采用了传统分组交织器的设计理念。算法是：首先，按行顺序写入一个位置索引矩阵M；其次，用相同的一低阶交织图案Γ分别交织M的行、列位置索引。结束后，以列顺序从第一列开始依次读出矩阵M中的位置索引，所读出的位置索引又可构造一新的高阶交织器。该交织器可得到较好的一阶最小互交织距离，即保证交织前相邻的比特在交织后不会相邻；可以获得比随机交织器更好的性能。

三维矩阵交织器[5]是基于S-随机交织器生成的，故具有良好的S阶及S以下任意阶的互交织距离。该交织器的优点是：性能稳定,具有较弱的互相关性,对高阶互交织距离约束问题得到了较好的解决；占用较少的存储资源和传输带宽，生成简单。该交织器的缺点是：生成时间较长；若交织深度急剧增大时，系统很难找到足够的本原多项式来满足需求。

7 加密交织器

非对称IDMA交织器[14]是采用离散Amold映射，借鉴了类似非对称密钥加密的方法来完成保密通信的功能。该交织器能达到与伪随机交织器相同的误码率性能，还可以提供保密通信功能，还具有运算速度快、硬件实现复杂度低等特点。

文献[15]提出基于离散混沌映射的IDMA非对称交织器设计方案，使系统在物理层上具有保密通信功能。该方案与常用的Diffie-Hellman密钥交换协议相结合，借鉴了混沌系统的初始值敏感和类随机的特性，同时具有伪随机交织和保密通信的功能。

文献[12]提出HS．Chaos交织器，是在S-Random的设计理念上，采用混沌序列代替原有的随机序列。使该交织器同时具有随机性和确定性的特点，还保证每次设计的交织器都有良好性能。在S-距离条件约束下，在用户数较少时，该交织器的性能略优于随机交织器，在多用户时也有与随机交织器相同的抗噪性能。但该方案设计相对较复杂，相对于随机交织器，在性能提高方面也没有明显的优势。

8 树状交织器

文献[16]提出树状图交织器。该方案降低了计算复杂度，解决了内存成本问题，也减少了在移动台和基站间的信息交换，还与嵌套交织器和随机交织器的性能一样好。

文献[17]提出多级树状交织器。与树状交织器和嵌套交织器相比，该交织器能有效地降低计算复杂度。带有随机交织器的方法能有效地减少存储量和带宽消耗。

9 结语

除了以上主要的几类典型交织器外，还有移动正交交织器、巢状交织器、对称交织器、粒子群算法交织器、并行交织器、PEG算法交织器以及线性同余交织器等等。

纵观IDMA系统中交织器设计的发展历程，经过短短的几年时间，IDMA系统中交织器的设计越来越成熟，其后续研究工作主要趋向于算法简单、生成速度快、相关性弱以及较好的互交织距离特性等方面，从而使交织器逐渐从理论科研阶段走向实际应用阶段，尤其是与IDMA系统的其他技术相配合，促进交织分多址系统尽早的应用于第四代移动通信系统中。

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