交织多址接入系统定点Logistic交织序列生成算法.pdf

第 卷第 期重庆邮电大学学报(自然科学版).年 月 ().:./.交织多址接入系统定点 交织序列生成算法收稿日期:修订日期:通讯作者:吴广富 .基金项 目:国 家 自 然 科 学 基 金 项 目()重 庆 市 教 育 委 员 会 科 学 技 术 研 究 计 划 项 目():()()付仕明陈畅霖吴广富向碧群(.重庆第二师范学院 人工智能学院重庆.重庆邮电大学 通信与信息工程学院重庆.重庆移通学院 大数据与计算机科学学院重庆)摘 要:交织多址接入()技术作为典型的非正交多址接入技术受到学术界和产业界的广泛关注 为降低 系统多用户检测过程存储空间和计算复杂度采用双极性化的定点 序列与待(解)交织序列对应相乘方式完成(解)交织同时为降低任意量化比特长度的定点 序列生成过程时延采用现场可编程逻辑门阵列进行生成 利用 系统李雅普诺夫指数确定处于混沌状态的定点 序列量化比特长度基于平衡度和互相关门限确定定点 序列开始位置和初值采用查表法构建非对称基本乘法器并采用移位相加法计算总乘法器 仿真结果表明所提算法可以充分利用 序列混沌、平衡度、相关等特性具有较好的误码率性能关键词:交织多址接入()交织器 交织序列定点乘法器中图分类号:.文献标志码:文章编号:()(.):().()().().().().:()引 言交织多址接入()技术作为第六代移动通信系统备选多址接入技术具有良好的抗多址接入干扰()性能和较低的多用户检测算法复杂度与码分多址接入()、正交频分复用接入()、功率域非正交多址接入()、大规模多输入 多 输 出()等技术结合组成混合多址接入系统可以充分利用码域、时频域、功率域、空域等资源显著提高移动通信系统容量和能效 技术在发送端采用不同交织器区分用户在接收端采用逐码片()迭代多用户检测技术将用户间干扰高斯白噪声化以提高多用户检测的有效性 系统交织器的有效设计不仅关系到发送端和接收端算法复杂度而且关系到接收端系统性能 交织器的性能指标具体包括:距离特性:增加原始序列相邻码片有效距离可以增加数据随机性提高系统抗突发错误能力对称交织:交织和解交织结构相同可共用软硬件资源相关特性:相同交织序列的自相关足够大不同交织序列的互相关足够小提高用户抗 性能性能稳定:由随机序列生成的交织序列无法保证所有交织序列都具有良好性能生成简单:占用尽可能少的存储空间和计算资源当前 系统交织器的生成算法包括:随机交织器、交织器、指数交织器、树形交织器、二维交织器和 交织器 其中随机交织器为每个用户分配弱相关的交织器在(解)交织过程中需要标记比特位置从而需要消耗大量的存储空间和计算复杂度 当信息长度足够长时可显著提升系统容量但多用户检测过程的存储空间和计算复杂度均十分庞大 交织器能保证随机性和距离特性但可用交织器却非常少树形交织器在一定程度上降低了随机交织器的计算复杂度 英国生态数学家.提出结构简单、初值敏感、计算效率高、类高斯白噪声的 系统作为经典混沌动力学系统不但便于现场可编程逻辑门阵列()实现而且易于推广到其他混沌系统 混沌系统可以生成数量众多、非相关、类随机而又确定可再生的 交织器但需要逐码片生成算法时延较大为满足算法长度和时延要求通常基于 迭代方式生成 序列每次迭代生成一个码片数据 迭代过程中的乘法运算一般基于移位相加法或查表法()基于移位相加法的乘法器时延太大而基于 的乘法器则要求输入数据量化比特长度是 的整数次幂当其不是 的整数次幂时必须成倍增加乘法器输入数据量化比特长度为了克服传统基于 迭代方式生成 序列生成过程时延问题和比特长度的限制充分利用 交织距离、相关、平衡度等特性本文提出了任意量化比特长度的定点 交织序列 生成算法 该算法首先利用 混沌系统李雅普诺夫指数确定最小量化比特长度然后基于平衡度和互相关门限确定序列开始位置和初值再采用查表法构建非对称基本乘法器并采用移位相加法计算 序列生成过程中乘法器最后将双极性化的定点 序列用于(解)交织过程仿真结果验证了本文算法的有效性 系统模型 发送和接收系统模型如图 所示 假设当前 系统共有 个用户 第 个用户发送比特数据表示为 经过信道编码的数据表示为 扩频后码片数据表示为 交织后得到的发送数据为 第 个用户的 序列表示为 个用户发送数据经多址信道复用后通过无线信道进行信号传输在接收端基本信号估计器()和信道译码的输出数据是发送数据的对数似然比 利用其他用户信道译码返 重 庆 邮 电 大 学 学 报(自然科学版)第 卷回的外部对数似然比()估计目标用户的发送数据图 发送和接收系统模型.图 中 个复用用户总接收数据表示为()()()()()式中:为用户 的信道冲激响应()为用户 的发送数据 为最大用户数据长度()表示目标用户接收数据()表示目标用户 的干扰用户信号与信道高斯白噪声之和 系统多用户检测过程可概括为:首先利用信道译码并再次交织后的数据()更新发送数据均值()和方差()然后利用接收数据估计无线信道冲激响应 采用无线信道冲激响应、发送数据均值、方差计算接收信号均值()和方差()最后利用无线信道冲激响应、发送数据、接收数据均值和方差计算发送数据()重复上述过程直到完成预定义的迭代次数 系统多用户检测过程用()式()式表示为()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()式()式中/为加性高斯白噪声()的方差为降低(解)交织过程存储空间和算法复杂度可以采用码片序列与交织序列相乘方式完成(解)交织运算 第 个用户信道编码并扩频后数据 与 序列 相乘完成交织功能表示为()()()()第 个用户接收数据()与 序列 相乘完成解交织功能表示为()()()()当()()()时第 个用户接收数据()为()的估计值因此 交织序列属于对称序列此时交织和解交织过程可以完全共用软硬件资源从以上过程可以看出有效生成 序列是 系统多用户检测算法核心 系统交织算法在 系统中首先需要生成定点 序列然后将其应用到接收端多用户检测(解)交织过程 其中生成定点 序列过程又需要首先利用混沌状态、平衡度、相关等特性查找合适的定点 序列再采用查表法和移位相加法设计便于 实现的定点 序列以降低序列生成时延.定点 序列生成算法只有当量化比特长度足够长时混沌序列才可以看作随机序列 但在实际应用中受计算机硬件和成本制约无法获得无穷大的量化比特长度因此实际得到的混沌序列是具有周期性的伪随机序列为得到满足平衡度、自相关和互相关要求的定点 序列首先利用李雅普诺夫指数确定最小量化比特长度然后计算平衡度确定序列开始位置再双极性化 序列最后计算互相关并输出满足要求的 序列 定点 序列生成过程如图 所示包括以下步骤步骤 初始化第 个用户的第 个码片的初始值()/取值为表示向下取整 表示量化比特长度 定点 序列第 期 付仕明等:交织多址接入系统定点 交织序列生成算法的第 个码片表示为()()()()()式中:码片()系统参数(当(.时为混沌系统图 定点 序列生成过程.步骤 采用()式计算李雅普诺夫指数确定最小量化比特长度 ()()首先将最小量化比特长度 初始化为 当 时 序列处于混沌状态此时的 值或增加一个余量 后的 值作为最终的最小量化比特长度 并将其应用到()式计算码片长度为 的 序列其中 取正整数步骤 计算平衡度确定 序列开始位置在确定最小量化比特长度后采用()式计算 序列从第 个数据()读取长度为 的序列计算平衡度表示为 ().()()式中:表示向上取整 表示 序列开始位置当 时累加 并再次计算()式当 时说明此时所取 序列已满足平衡度要求 表示平衡度门限步骤 双极性化 序列对满足平衡度要求的 序列采用()式或()式进行双极性化()().()()().()()式()式中表示赋值运算累加 并重复执行步骤 直到 步骤 计算互相关输出满足要求的 序列 序列()和()的互相关系数表示为()()()()()式中:表示取绝对值互相关序号 取值为()依次计算()式直到计算完成所有互相关系数 当最小的互相关系数小于互相关门限值 时即()输出对应的第 和第 个 序列 当次小的互相关系数小于互相关门限值 时输出对应的第 和第 个交织序列重复上述过程 输 出 满 足 序 列 数 量 要 求 的 序 列 序列()具 有 理 想 自 相 关 函 数 即 ()采用步骤 可生成满足混沌状态、平衡度、自相关、互相关要求的定点 序列()并将其应用于()式、()式交织和解交织过程为了更好地说明步骤 的执行过程算法 给出了程序伪代码算法 定点 序列生成算法 初始化用户数 变量 量化比特长度 和码片序号 计算():利用()式计算()采用()式计算 采用()式或()式双极性化 开始的长度为 的序列():()利用()式计算互相关()()输出第 和第 个 序列 从()式可以看出定点 序列生成算法核心是任意量化比特长度乘法运算.任意量化比特长度乘法器为便于描述下面仅以单用户比特长度 的 序列生成过程为例说明任意量化比特长度乘法器生成过程如图 所示具体包括以下步骤步骤 初始化 序列()初始化系统参数 序列序号 序列最大长度 量化比特长度 序列初值()步骤 构建基本 乘法器构建 种基本 乘法器即、和 其中 和 分别表示基本 乘法器的 个输入数据量化比特长度即 和 表示输入数据最大比特长度 在综合考虑算法复杂度、时延和灵活性基础上确保 个 量化比特和 个 量化比特可以构建长度为 的乘法器量化比特数据即 基本 乘法器 表示 量化比特输入乘以 量化比特输入得到 量化比特输出的基本 乘法器 同理可知其他基本 乘法器、和 的输入和输出情况图 任意量化比特长度乘法器生成过程.基本 乘法器的构建方法不是唯一的在具体应用中需要综合考虑 型号、存储量、时延等影响因素 下面以 为例详细说明基本 乘法器的构建过程 基本 乘法器 的 个输入数据比特长度为 取值为输出数据比特长度为 取值为 同理可得、和 输入与输出的关系步骤 计算乘法器输入为便于迭代运算()式可以重写为()()()()当 时令乘法器输入数据为 ()和 当 时更新后的乘法器的输入数据()和 步骤 划分基本 乘法器比特长度为 的乘法器输入数据 和 由 组长度为 比特和 组 比特的子数据组成即 典型情况下输入数据与第 期 付仕明等:交织多址接入系统定点 交织序列生成算法子数据之间关系如图 所示 组长度为 比特子数据分别表示为 和 组比特子数据分别表示为 和 很显然由上述子数据组成乘法器输入数据 和 有很多组合情况 为便于描述假设比特数较多的子数据置于左侧比特数较少的子数据置于右侧 不失一般性假设左侧比特为高比特位右侧比特为低比特位 采用子数据 和 分别表示乘法器输入数据 和 图 乘数器输入数据量化比特次序.步骤 基本 单元移位并累加将乘法器输入数据 和 乘法过程采用基本 乘法器表示将各基本 乘法器输出根据其所在比特位置移位后相加输出量化比特长度为 的乘法结果 将 分别与 进行相乘共得到()个基本 乘法器 将 与相乘结果分别记为 将 与 相乘结果分别记为 以此类推将其余相乘结果记为 将 根据各自位置分别左移如下比特 依次分级两两相加最终得到 位乘法器输出结果如图 所示累加过程也可以表示为()式大括号内和单行的累加运算为同级运算 ()图 移位相加法乘法器.仿真分析为仿真分析所提 系统定点 序列交织算法的性能以随机交织算法和随机交织序列作为对比算法仿真参数如表 所示下面重点分析算法复杂度、浮/定点算法误码率()性能、序列长度与 性能之间关系基于 序列进行(解)交织的 系统算法复杂度主要集中在 序列的生成过程 而(解)交织过程只涉及序列乘法并且双极性化后的 序列为因此序列乘法相当于取待(解)交织序列的相反数该部分算法复杂度和存储空间可以忽略 由于移动用户只需要计算或存储当前物理资源下复用用户交织序列 序列 重 庆 邮 电 大 学 学 报(自然科学版)第 卷的生成过程可以采用仿真软件提前生成此时算法复杂度也可以忽略 只有当基站为若干移动用户进行动态资源分配时才需要基于 方式实时生成大量 序列以降低数字信号处理时延表 仿真参数.参数取值扩频码长复用用户数调制方式信噪比/量化比特长度 系统参数 序列长度、序列个数 平衡度门限.互相关门限.、检测算法迭代次数仿真数据块无线信道采用延迟为 的/编码速率的卷积码数据长度为 序列长度为 采用.节定点乘法过程 图 给出 系统 理论值、浮点 序列和量化比特长度为 的定点 序列的 性能曲线 从图 可以看出浮点 序列相对于 理论值的 性能损失可以忽略定点 序列相对于浮点 序列的 性能损失低于.可以满足大多数移动通信需求为获得交织序列长度对 系统性能的影响情况图 给出了量化比特长度为 和 时定点 序列、随机交织算法和随机交织序列的 性能 从图 可以看出基于随机交织序列的 系统性能远低于其他 种算法主要原因是该算法对原始数据引入的随机性不够无线信道造成的影响成为次要因素因此该算法的 不随 的增长而降低而是保持平稳水平 定点 序列相对于随机交织算法性能损失不大 在 情况下定点 序列算法具有较好的相关性因此接收端多用户检测对 的消除效果较好此时定点 序列性能略优于随机交织算法 在 情况下定点 序列之间的互相关性降低不同用户之间的多址接入干扰随之增大而此时随机交织则可以完全打乱原序列因此随机交织算法拥有更好的 性能图 浮点、定点 交织算法和 理论值性能.图 序列长度为、时不同算法性能.结束语本文提出 系统任意量化比特长度的定点 交织序列 生成算法不仅可以充分利用混沌、平衡度、相关等特性而且可以降低(解)交织过程存储空间和计算复杂度 该算法可以基于 产生任意量化比特长度的定点 序列可以充分利用 硬件资源在序列长度较短的情况下可以获得较好的误码率性能 本文所提算法有利于 技术和基于 的混合多址接入技术的发展和应用第 期 付仕明等:交织多址接入系统定点 交织序列生成算法参考文献:.():.():.():./.:.中国通信 ():.():./:.:.吴湛击吴伟陵.交织器最优化设计的理论分析基础及其工程仿真.电子学报 ():.():./().:.:.():./.:.:.():.贾亚娟王亚亚.改进型 混沌序列发生器的设计与实现.机械与电子 ():.():./().:.:.():.():./().:.():.():./().:.:.彭涛.一种基于随机序列的 交织方法.中国新通信 ():.():.():.重 庆 邮 电 大 学 学 报(自然科学版)第 卷 .():.()():.作者简介:付仕明()男重庆人高级工程师硕士研究方向为物联网技术、基带无线通信技术:.陈畅霖()男四川巴中人硕士研究生研究方向为无线通信技术吴广富()男山东临沂人高级工程师博士研究方向为移动通信基带算法、卫星通信侦察和干扰、非正交多址接入技术:.向碧群()女四川射洪人副教授硕士主要研究无线网络、无线资源管理技术(编辑:王敏琦)第 期 付仕明等:交织多址接入系统定点 交织序列生成算法