朱 婭，周小林

（復旦大學 信息科學與工程學院，上海 200433）

復雜時變信道中交織分多址技術研究

朱 婭，周小林

（復旦大學 信息科學與工程學院，上海 200433）

研究了復雜時變無線體域網(wǎng)信道中抗多址干擾IDMA技術.在中心極限定理等數(shù)學原理的基礎上，推導出適合于無線體域網(wǎng)復雜信道IDMA迭代檢測過程的公式.通過理論分析和計算機仿真，深入研究IDMA技術在無線體域網(wǎng)中應用的可行性和系統(tǒng)性能等.

無線體域網(wǎng)；IDMA交織分多址技術；誤碼率；可穿戴設備

0 引 言

無線體域網(wǎng)是無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSN）重要的組成部分，根據(jù)IEEE802.15委員會TG6任務小組的定義，WBAN是指各種位于體表、人體周邊、嵌入到人體體內的傳感器之間以及與個人通信設備之間的數(shù)據(jù)通信［1-3］.WBAN概念提出后，人體真正作為一個終端融入了廣闊的物聯(lián)網(wǎng)之中，實現(xiàn)了更廣闊意義上的泛在通信.在醫(yī)療健康領域較成熟的應用主要有：基于陀螺加速功能傳感器的人體體位檢測，嬰兒、老年人、病人防跌倒監(jiān)控，戰(zhàn)士生理狀態(tài)監(jiān)控與營救等；吸入式藥丸攝像機，器官功能感知器，化學成分檢測傳感器以及佩戴心率傳感器等穿戴式與嵌入式傳感器協(xié)調使用的器官機能生命體征監(jiān)控等［2］.與此相關的科學研究也不斷推進，代表性的有中醫(yī)脈象信息搜集與分析的遠程醫(yī)療系統(tǒng)，Mobihealth、CodeBlue等遠程保健項目，歐洲的myHeart、ANGEL項目等.

本文作者研究在無線體域網(wǎng)復雜多徑時變信道［4-6］中，基于有限的計算能力和低功耗的要求下實現(xiàn)無線體域網(wǎng)的高效可靠通信，降低傳輸誤碼率，提高系統(tǒng)可靠性與準確性.將交織分多址技術（IDMA）引入無線體域網(wǎng)通信.在IDMA原有單徑和簡單多徑信道循環(huán)迭代方法的基礎上，推導出新的適合于無線體域網(wǎng)復雜時變多徑衰落信道環(huán)境的公式.此外，在理論驗證可行的前提下，基于不同的仿真條件，針對實際無線體域網(wǎng)測量信道進行Matlab仿真，研究在可容忍誤差的范圍內最多容納用戶數(shù)、迭代次數(shù)、IDMA編解碼等設計問題.

1 復雜時變多徑衰落信道下的IDMA設計研究

交織分多址（Interleave-Division Multiple-Access，IDMA）技術是基于碼分多址（CDMA）技術原理，以交織區(qū)分用戶為特征的多址接入技術.IDMA交織分多址技術首先由Li等人提出［7］，通過在發(fā)射端用低速碼率進行信道編碼，使用與用戶一一對應的碼片交織器代替CDMA中的擴頻碼來作為唯一標識區(qū)分不同用戶，多用戶合并后送入信道，在接收端以比特為單位逐次迭代進行多用戶檢測，實現(xiàn)迭代譯碼，其系統(tǒng)結構如圖1所示.交織分多址技術很好地繼承了碼分多址技術在動態(tài)信道共享、分集接收、傳輸速率靈活適配等諸方面的優(yōu)點.

傳統(tǒng)IDMA技術的研究中，一般假設多用戶所處的信道環(huán)境為單徑時不變信道或簡單多徑信道.對于多用戶單徑信道，假定各用戶單徑符合相同的概率分布.對于多用戶簡單多徑信道，則假定信道是時不變的，各用戶多徑數(shù)相同，多用戶單徑延時碼片數(shù)連續(xù)，且不同用戶間的延時情況一樣.然而這些假設過于理想化，且與實際研究的信道環(huán)境尤其是像無線體域網(wǎng)這種復雜信道相差甚多.無線體域網(wǎng)系統(tǒng)下，不同用戶多徑數(shù)不同.這種多徑數(shù)的不同不僅體現(xiàn)在空間上，各用戶的多徑數(shù)在時間維度上也是時刻變化的.用戶間多徑信道的延時狀況也不同，且單個用戶不同單徑的延時狀況也隨時間不斷變化.各用戶多徑幅度參數(shù)也非靜態(tài)，而是不斷變化的.因此在無線體域網(wǎng)研究中，必須根據(jù)IDMA迭代檢測的原理和思想，針對于無線體域網(wǎng)信道特性進行接收機部分各種信息公式的重新推導，使得IDMA迭代檢測能夠重新運用到無線體域網(wǎng)系統(tǒng)中.

圖1 交織分多址技術原理框圖

盡管信道是時變的，但仍可假設任意一個極短時間內信道參數(shù)不發(fā)生變化.這里假設在發(fā)送1幀的時間內，信道的各種分布參數(shù)均不變化.因此由時變多徑衰落信道的特征可得K個用戶的信號經(jīng)過信道后的接收序列為

式（1）中，由各個用戶發(fā)送信息相互獨立的前提假設和實驗測量的體域網(wǎng)信道特征可知，對于任一用戶的多徑數(shù)滿足泊松分布，所以不同用戶的多徑數(shù)不一定相等.且在不同時間內同一用戶的多徑數(shù)也各不相同，極端發(fā)送接收時間內的準靜態(tài)環(huán)境下第i個用戶的多徑數(shù)用L（i）表示.對于第i個用戶來說，相鄰多徑分量之間的時延滿足泊松分布，不同客戶的第l條多徑延時長度也不一定相同，在這里第i個用戶、第l條多徑的時延用T（i，l）表示.

定義第k個用戶，第l條徑的噪聲信號為

所以r（j）又可以表示為

各用戶在發(fā)送1幀的時間內，K個用戶的輸入信號序列滿足相同的分布參數(shù)，即滿足獨立同分布的前提假設條件.而經(jīng)過信道時K個用戶產生的∑Ki=1L（i）條多徑分量，由于僅僅是對輸入信號序列發(fā)生了不同時間延遲的平移，對于參與運算的任一條分徑中的任一點都仍然符合原來相同的概率分布.因此計算第k個用戶的第l條分徑的eese（xk，l（j））時，由獨立同分布以及中心極限定理可知，仍可認為接收到的r（j）中，除了xk，l（j）以外的信息和ζk，l（j）（xk，l（j）的噪聲），是滿足高斯分布的.

所以，E（ζk，l（j））為第k個用戶第l條徑第j個點的噪聲期望，表示如下：

Var（ζk，l（j））為第k個用戶第l條徑第j個點的噪聲方差，表示如下：

eese（xk，l（j））是第k個用戶第l條分徑的外信息的最大似然比，是在信道觀測和xk，l（j）噪聲的先驗信息的基礎上獲得的.

其中，由中心極限定理可知，r（j）同樣滿足高斯分布.

由公式（3）可知，當xk，l（j）=+1時，

當xk，l（j）=-1時，

基于r（j）滿足高斯分布，又可以表示為：

將等式（4），（5）帶入等式（12）中，可得

所以第k用戶的外信息最大似然比為

至此，通過以上推導將多用戶所面臨的無線體域網(wǎng)信道中的各種時變特征完整地反映在IDMA接收機迭代檢測算法中.

2 仿真結果與分析

仿真系統(tǒng)設計：隨機交織，16位重復擴頻碼：｛1，-1，1，-1，1，-1，1，-1，1，-1，1，-1，1，-1，1，-1｝，數(shù)據(jù)幀長256，信道頻率5 GHz，交織碼片數(shù)目16×256.系統(tǒng)仿真發(fā)送50幀，用戶數(shù)為3，假定系統(tǒng)在發(fā)送1幀的時間內3個用戶的信道參數(shù)不發(fā)生變化，符合準靜態(tài)信道特征.分別對無IDMA的體域網(wǎng)系統(tǒng)、僅有IDMA隨機交織無迭代檢測過程的系統(tǒng)和有完整IDMA隨機交織及8次迭代檢測的系統(tǒng)進行仿真，并對誤碼率進行分析.

體表信道仿真結果如圖2所示，未使用IDMA技術的體域網(wǎng)系統(tǒng)達30%以上的誤碼率，且隨信道環(huán)境的改變（信噪比增加），系統(tǒng)性能并未發(fā)生任何顯著改善.可見體域網(wǎng)復雜的密集時變多徑信道極大地影響了體域網(wǎng)系統(tǒng)的傳輸性能.在體域網(wǎng)系統(tǒng)中加入Turbo碼和隨機交織器后發(fā)現(xiàn)，交織器的應用可很好地離散時變多徑信道中的集中錯誤，一定程度上降低系統(tǒng)傳輸誤碼率，改善系統(tǒng)性能.但這種改善是有限的，在較高的信噪比情況下，誤碼率也只能降到10%左右.而經(jīng)過由IDMA循環(huán)迭代檢測8次后再輸出的硬判決結果，系統(tǒng)性能產生極大提高.隨著信噪比增加，誤碼率顯著下降，在本試驗仿真條件下，0～2 dB信噪比范圍內，各用戶的噪聲信號經(jīng)過8次迭代后被明顯消除.

圖2 IDMA無線體域網(wǎng)體表信道系統(tǒng)誤碼率分析

體表-體外信道仿真結果如圖3所示，與圖2結果相似，使用IDMA技術后，原有無線體域網(wǎng)信道誤碼率大幅降低，因此IDMA-無線體域網(wǎng)系統(tǒng)在兩種信道環(huán)境下均有良好性能.

圖3 無線體域網(wǎng)體表-體外信道系統(tǒng)誤碼率分析

3 結 論

本文作者分析無線體域網(wǎng)中使用IDMA技術的必要性和可行性，得出由于無線體域網(wǎng)信道的復雜性及特殊性，以往IDMA技術研究中迭代檢測過程的理論公式不再適用于無線體域網(wǎng)中的結論.基于中心極限定理等數(shù)學原理，對無線體域網(wǎng)時變多徑信道迭代檢測過程的理論公式進行重新推導，并在Matlab中完成IDMA-無線體域網(wǎng)仿真系統(tǒng)的編碼實現(xiàn).通過仿真分析，論證了IDMA技術能夠很好地改善無線體域網(wǎng)傳輸性能.

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Study on interleave-division multiple-access technology over com plicated time-variant channels

ZHU Ya，ZHOU Xiaolin
（School of Information Science and Technology，F(xiàn)udan University，Shanghai200433，China）

In this paper，the IDMA technology is studied in complicated time-variantmultipath channels.A theoretical derivation of iterative process in the receiverwhich is suitable forWBAN transmission property will be given based on central-limit theorem. By themethodology combing theoretical synthesis and computational simulation，a comprehensive research focusing the necessity，feasibility and system performance analysis of the IDMA integrated WBAN is conducted in this paper.

WBAN；IDMA；bit error rate；wearable device

TN 929.5

A

1000-5137（2015）05-0518-05

（責任編輯：包震宇）

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2015.05.010

2015-06-18

03國家科技重大專項項目（2012ZX03001013-004）

周小林，中國上海市楊浦區(qū)邯鄲路220號，復旦大學信息科學與工程學院，郵編：200433，E-mail：zhouxiaolin@fudan.edu.cn