一種基于獨立分量分析的OFDM-IDMA檢測方法*

馮肖揚(yáng)，徐 鑫

(中國電子科技集團(tuán)第三十研究所，四川 成都 610041)

一種基于獨立分量分析的OFDM-IDMA檢測方法*

馮肖揚(yáng)，徐 鑫

(中國電子科技集團(tuán)第三十研究所，四川 成都 610041)

提出了一種基于獨立分量分析(ICA)的OFDM-IDMA檢測新方法。獨立分量分析是信號盲源分離領(lǐng)域中的新技術(shù)，它可以在系統(tǒng)用戶特征序列未知的情況下，成功地提取出有用信號，節(jié)省了系統(tǒng)的資源。經(jīng)過進(jìn)一步優(yōu)化，ICA可適用于OFDM-IDMA系統(tǒng)中，成功地實現(xiàn)對系統(tǒng)用戶信號的檢測。最后通過計算機(jī)仿真結(jié)果驗證了該算法的有效性，且檢測性能優(yōu)于過去的方法；采用ICA算法檢測器的OFDM-IDMA系統(tǒng)，還可減小通信傳輸時的誤碼率。

獨立分量分析;交織多址;OFDM-IDMA系統(tǒng);檢測器

0 引 言

交織多址(IDMA， Interleave-division Multiple Access)是在傳統(tǒng)的碼分多址方式(CDMA)基礎(chǔ)上提出來的新技術(shù)，不采取正交擴(kuò)頻碼方式以區(qū)分用戶，而是針對不同用戶分配不同的交織器[1]。IDMA除了具有系統(tǒng)容量大、抗衰落能力強(qiáng)、可減少對擴(kuò)頻序列的依賴從而降低系統(tǒng)復(fù)雜度等優(yōu)點，還比CDMA頻譜效率更高。IDMA與OFDM兩者結(jié)合的OFDM-IDMA系統(tǒng)不僅能利用IDMA技術(shù)抑制多址干擾(MAI)，而且能利用OFDM技術(shù)減輕符號間干擾(ISI)，因此成為了未來移動通信系統(tǒng)的主要技術(shù)方案之一。

另一方面，獨立分量分析(ICA,Independent component analysis)方法已經(jīng)在信號處理領(lǐng)域中得到了眾多關(guān)注。它作為盲源分離算法(BSS)中的一種新思路，可以在源信號和信道狀態(tài)等先驗信息未知的情況下，估計出信號的各個分量，通常它是對觀測到的源信號的線性混疊信號實現(xiàn)分離。采用ICA算法處理得到的信號分量不僅相互獨立，而且其處理對象還可以是非高斯性的信號。因為這些特點，該技術(shù)開始逐漸地在各類無線通信系統(tǒng)中被應(yīng)用，主要目的是為了從觀測樣本數(shù)據(jù)里檢測、提取出有用特征。

IDMA系統(tǒng)過去一般采用的檢測方法是基于TURBO迭代的算法，該方法的缺點是檢測性能不十分理想，并且在進(jìn)行多次迭代時將會帶來較大的延遲時間，不利于高速通信系統(tǒng)實現(xiàn)，也必然將限制OFDM-IDMA系統(tǒng)的運用范圍。為解決上述問題，本文通過利用源信號的相互獨立性和統(tǒng)計特征，提出了一種基于獨立分量分析(ICA)思路的OFDM-IDMA檢測方法，可不需發(fā)射端發(fā)送信道參數(shù)等信息，在實現(xiàn)高效檢測處理的同時也提高了頻譜效率；今后還可通過對算法進(jìn)一步優(yōu)化，擴(kuò)展應(yīng)用到多種信道中檢測。

1 OFDM-IDMA系統(tǒng)模型分析

IDMA系統(tǒng)可看作是一種特殊的碼分多址(CDMA)情形，采用隨機(jī)交織器以區(qū)別無線通信中不同的用戶。它承繼了CDMA的一些優(yōu)點，比如支持異步傳輸、動態(tài)信道共享、跨蜂窩消除干擾等，但相對CDMA而言，IDMA可應(yīng)用更簡單的逐碼片多用戶檢測方式。IDMA檢測的運算復(fù)雜度隨用戶數(shù)量線性增加，收斂速度也隨之變得十分緩慢，成為IDMA多用戶檢測實現(xiàn)中的一個瓶頸問題。

采用OFDM技術(shù)可很好地解決多徑信道中碼間干擾問題。另外，適用于多徑信道的OFDM-IDMA接收機(jī)復(fù)雜度與信道長度相關(guān)的，因此OFDM與IDMA融合后可起到優(yōu)勢互補(bǔ)，構(gòu)成多徑環(huán)境下一種新的多用戶系統(tǒng)模型。含有k個用戶的OFDM-IDMA系統(tǒng)發(fā)射機(jī)模型框圖如圖1所示。

圖1 OFDM-IDMA系統(tǒng)發(fā)射機(jī)框

假設(shè)各用戶的復(fù)信號的信道系數(shù)為：

hk(l)=[hk(0),hk(1),…,hk(L-1)]

(1)

它們在一幀周期時間內(nèi)是不變的，且相互獨立。此處的L代表傳輸路徑的數(shù)量。

圖2為OFDM-IDMA系統(tǒng)接收機(jī)框圖，它可采用迭代的結(jié)構(gòu)。

圖2 OFDM-IDMA系統(tǒng)接收機(jī)框

經(jīng)過OFDM解調(diào)后的接收信號可以表示為(即FFT和去保護(hù)間隔處理之后)：

(2)

令Hk(n)=|Hk(n)|e-jθ，還可表示為：

(3)

其中：

(4)

然后，通過將用戶信號序列和信道系數(shù)替換為矩陣G，以及增加一些變量的下標(biāo)表達(dá)式，可以將第m個OFDM符號表示為：

可得：

也即：

(5)

上述式子中，所有的向量都可當(dāng)作列向量，且m表示編碼塊中各符號的位置序號。

(6)

OFDM-IDMA接收主要由兩部分組成：

(1)單元信號估計器

(2)譯碼處理

2 基于獨立分量分析的檢測算法

獨立分量分析(ICA)是近年迅速發(fā)展起來的一種新的統(tǒng)計和計算技術(shù)，用于揭示數(shù)據(jù)或信號中具有統(tǒng)計獨立性并滿足非高斯性的隱含分量。ICA模型可以適用于各種領(lǐng)域，例如無線移動通信系統(tǒng)中[2]。它是一種盲信號處理技術(shù)，因此與傳統(tǒng)的信號處理方法是不同的。采用獨立分量分析算法能夠在源信號參數(shù)和混合矩陣系數(shù)未知的情況下，將目標(biāo)信號從接收混合信號中分離出來。而且，各個源信號之間都是統(tǒng)計獨立的關(guān)系，這些是已被證明了的在通信系統(tǒng)中可以采用ICA算法的基本條件。此外，對源信號的特征提取可以通過ICA算法進(jìn)行對目標(biāo)系統(tǒng)的細(xì)節(jié)特征分析來實現(xiàn)。

(1)ICA算法原理

ICA模型的最基本情形是處理線性實時組合問題[3]。在該模型中，觀測數(shù)據(jù)向量矩陣s可由下面式子通過線性變換運算來建模得到：

x=As

其中，x代表源信號通過線性系統(tǒng)的混合信號矩陣，維數(shù)是P，其中每一個變量都表示觀測信號的一個混合矩陣的分量。S是一個維數(shù)為M的向量變量，其中每一個變量代表一路源信號。假設(shè)P≥M，混合矩陣A定義了一個基于A的線性變換，它通常是取反的形式，從而可以從x中恢復(fù)出S的估計向量U，例如：

S≈U=Ws

其中，分離矩陣W是A的逆矩陣，有：

W=A-1

(7)

從式(7)推導(dǎo)中看出，如果根據(jù)信道獨立性假設(shè)和OFDM子載波的正交性，可以將ICA算法應(yīng)用到OFDM-IDMA系統(tǒng)中?；贗CA的盲處理方法的優(yōu)勢在于無需插入導(dǎo)頻或者訓(xùn)練序列，從而節(jié)省了帶寬。

(2)基于ICA的OFDM-IDMA檢測思路

ICA算法除了前述優(yōu)點，本身存在兩個不確定因素：一是分離出的信號幅度無法確定；二是分離出的信號順序無法確定。解決上述兩點是有效利用ICA算法的關(guān)鍵。目前可以先對源信號進(jìn)行相關(guān)編碼處理，再在接收端對分離信號實現(xiàn)相關(guān)運算以去除掉幅度和順序上的模糊性。

還有一種優(yōu)化的思路為：先設(shè)定一個子載波作為參考，并對該子載波處進(jìn)行盲分離處理，通過在發(fā)射端加入的相關(guān)性來恢復(fù)其余子載波處的信號。這樣就轉(zhuǎn)化成為了非盲信號處理。也可以采用維納濾波器處理后續(xù)非盲問題，即：將先前應(yīng)用了ICA處理的子載波處的信號作為維納濾波的參考信號，其它子載波的信號根據(jù)該參考信號并通過維納濾波器來實現(xiàn)。具體步驟如下。

ym=ωTrm

因此，ym能用于估計出第m個間隔處的被檢測用戶的數(shù)據(jù)位。采用二進(jìn)制反向調(diào)制方式，第k個用戶的期望信號可通過ym的符號函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行檢測，如下式：

3 性能仿真和分析

首先，對本文基于獨立分量分析算法和過去的迭代檢測算法進(jìn)行比較，驗證本文新方法的檢測性能。仿真時設(shè)OFDM-IDMA系統(tǒng)中采用QPSK調(diào)制，用戶數(shù)為8，子載波數(shù)量為64，每個用戶的數(shù)據(jù)幀長度為128，數(shù)據(jù)塊數(shù)量為100，信道為高斯白噪聲信道。

從上圖可看出，在信噪比較低的情況下，新算法性能優(yōu)于過去傳統(tǒng)的迭代檢測算法[4]，且在信噪比為-3 dB左右時，檢測正確概率可達(dá)100%。下面再對OFDM-IDMA系統(tǒng)中分別采用迭代算法檢測器和ICA算法檢測器兩種情形下的通信誤碼率進(jìn)行仿真，參數(shù)與圖3所述相同，圖4中橫軸表示信噪比(SNR)；縱軸表示誤碼率(BER)。標(biāo)注“OFDM-IDMA”曲線表示系統(tǒng)檢測器使用迭代算法，標(biāo)注“OFDM-IDMA ICA”曲線則表示使用ICA算法。

圖3 本文新方法與過去的算法性能對比曲線

圖4 兩種檢測器情形下的系統(tǒng)通信誤碼率曲線

由圖4可以看出，在OFDM-IDMA系統(tǒng)里面的檢測器單元使用基于ICA算法時比起使用迭代算法時對通信誤碼率的改善更大，對解調(diào)性能有優(yōu)化作用。

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于獨立分量分析(ICA)的OFDM-IDMA檢測新方法。系統(tǒng)中可不需發(fā)送訓(xùn)練序列等一些先驗信息，即可實現(xiàn)對信號的檢測，節(jié)省了帶寬資源。該方法還增強(qiáng)了對噪聲抑制能力。經(jīng)過計算機(jī)仿真驗證了改進(jìn)后的算法在信噪比達(dá)到-3 dB以上時可正確進(jìn)行檢測,性能優(yōu)于傳統(tǒng)的迭代檢測算法。今后還將進(jìn)一步優(yōu)化，減小運算量，為解決低信噪比下OFDM-IDMA檢測提供一種更有效的手段，對OFDM通信監(jiān)測和對抗技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮更重要作用。

[1] 王樹蘭，伍守豪，吉建華等. IDMA 系統(tǒng)中交織器研究現(xiàn)狀[J].通信技術(shù),2012,45(02):96-98.

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[2] REN Xiao-tian, XU Hui, HUANG Zhi-tao,et al. Fast-ICAbased Blind Estimation of the Spreading Sequences for Down-Link Multirate DS/CDMA Signals [J].Intelligent Computation Technology and Automation (ICICTA), 2012 Fifth International Conference on, 2012; 501-504.

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[4] XIONG Xing-zhong, HU Jian-hao, LAN Tian. A Fast Converging Multi-user Detection for IDMA based on Time-Reversal[J].Information Communications & Signal Processing, 2007(06):1-4.

ICA-based Detection Algorthm for OFDM-IDMA System

FENG Xiao-yang, XU Xin

(No.30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041, China)

A novel ICA-based detection algorithm for OFDM-IDMA system is proposed. ICA, as a new signal technology in blind source separation, can successfully extract useful signal without knowing characteristics sequence of the system user, thus saving the system resources. After futher modification, the proposed algorithm could be applicable to OFDM-IDMA system, and thus successfully realize the dectection of system user signal. Finally, computer simulation results verify that the proposed algorithm is feasibile and enjoys better dectection performance as compared with the conventional one. OFDM-IDMA system with ICA detection algorithm could reduce bit error rate in communication tansmission.

ICA; interleave division multiple access; OFDM-IDMA system; detector

date:2014-10-19；Revised date：2015-02-26

TN918.91

A

1002-0802(2015)04-0392-05

馮肖揚(yáng)(1982—)，男，工程碩士，工程師，主要研究方向為無線通信；

徐 鑫(1984—)，男,工程師，主要研究方向是通信網(wǎng)絡(luò)。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.04.004

2014-10-19；

2015-02-26