（信号与信息处理专业论文）重叠码分多址ovcdma组网技术研究.pdf

独创性( 或创新性) 声明 删删 y 1 7 5 8 歹i ：廿 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 离械 日期： 力峭7 即垌 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校 可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。 本学位论文属于保密论文，在年解密后适用本授权书。 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 南前襄 弼 日期：磷7 l 寸j f 玛 - 日期： s r jj 7 7 重叠码分多址( o v c d m a ) 组网技术研究 摘要 无线通信系统需要采用有效的复用技术来提高频谱利用率，同时 也需要采用分集技术来克服无线移动信道的衰落，提高传输的可靠 性，同时提高系统容量。本文研究了一种新型的扩频组网系统，重叠 码分多址即o v c d m a 系统，本系统将重叠复用原理运用于c d m a 系统可 使组网后系统的总容量远大于单小区容量，使系统容量向理论的多用 户界逼近。本设计还将多天线技术应用在此组网系统中，进一步提高 了系统的容量和可靠性。 本人的主要工作是o v c d m a 组网系统的模型搭建和接收端检测方 式的应用。在系统模型搭建中，设计相关性能良好的扩频码分配给每 个小区使用，小区内通过重叠复用的设计一方面可以提高扩频码的码 字利用率，另一方面也可以获得很多编码增益。在系统模型搭建时， 还考虑了将多天线技术引用到此组网系统中，以进一步获得分集增 益，提高系统的可靠性和容量。 o v c d m a 组网系统的接收端可以采用v a 检测方式进行检测。v a 检 测具有最优的检测性能，但是因为在多径信道下，约束长度很大，v a 检测几乎没法实际工作，因此本人采用了堆栈和f a n o 两种快速序列 译码算法。因为快速序列译码算法跟约束长度无关，而且译码复杂度 相对比较低。除了快速序列译码算法外，本人的另一个重要工作集中 在将多用户检测算法和频域均衡两种算法应用在本系统的接收端。多 用户检测算法不同于传统的码分多址系统的检测，它没有将其他用户 的干扰作为毫无用处的干扰，而是将其作为一种有用的约束信息一块 进行检测接受，因此多用户检测被应用在第三代移动通信系统中。单 载波频域均衡技术现已作为l t e 采用的技术，其性能较4 g 系统所用 的o f d m 技术也有很大的优势，因此本人也将其实验应用在本系统中。 本文详细说明了重叠码分多址组网系统的模型搭建原理，介绍了 几种检测算法的基本原理及在本系统中的具体实现，并且给出了详细 的系统性能仿真验证曲线，从现有的曲线结果来看，确实如理论推导 一样，重叠码分多址系统可以完全抑n d , 区间的干扰，可以获得很高 的扩频码字利用率并且具有很好的误码性能。 关键词：重叠复用快速序列译码多用户检测频域均衡 o v e r l a p p e dc o d ed i s i o nm u l t i p l e a c c e ssn e t w o r kr e s e a r c h a b s t r a c t i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，v a r i o u sm u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g i e sa r ee m p l o y e dt o i m p r o v et h es p e c t r u me f f i c i e n c y f u r t h e r m o r e ，b e c a u s e o ft h ec h a n n e lf a d i n g , d i v e r s i t yt e c h n i q u e ss h o u l db eu s e dt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f w i r e l e s st r a n s m i s s i o n a d v a n c e dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g yn a m e do v e r l a p p e dc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g y i ss t u d i e di nt h i st h e s i s t h i so v e r l a p p e dc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s ss y s t e mb s e ss p r e a d i n gc o d e s ，w h i c ho f p e r f e c ta u t o c o r r e l a t i o na n d c l d s s c o n e l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，t h u sc a l le l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nn e t w o r k c e l l s a l s oh a v eb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt r a d i t i o n a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s y s t e m i nt h i ss y s t e m ，o v e r l a p p e dm u l t i p l e xt e c h n o l o g y i se m p l o y e dt oi m p r o v ec o d e s u t i l i z a t i o n o v e r l a p p e dm u l t i p l e xi s an e wt e c h n o l g yw h i c hc a ni m p r o v es y s t e m c a p a c i t y m u l t i p l ea n t e n n at e c h n o l o g yi sa l s ou s e d i nt h i sn e wn e t w o r ks y s t e m m a i nc o m p o n e n td i s c u s s e di nt h i sp a p e ri sc o n s t r u c t i o no fo v e r l a p p e dc o d e d i v i d em u l t ia c c e s s ( o v c d m a ) m u l t i - c e l ls i m u l a t i o ns y s t e ma n da p p l i c a t i o no f d e t e c t i o na l g o r i t h mi nr e c e i v e r ag r o u po fo r t h o g o n a lc o d e sa r ed e s i g n e d ，d i f f e r e n t g r o u p so fc o d e sa r ed i s t r i b u t e dt od i f f e r e n tc e l l st oe n s u r et h a ts i g n a lf r o md i f f e r e n t c e l l sa r eo r t h o g o n a l i n s i d eac e l ld i f f e r e n ts h i f t so fo n eg r o u po fc o d ea r eu s e d a su s e r a d d r e s s e s t h i so v e r l a p p e dd e s i g nh a st w oa d v a n t a g e s f i r s ti tc a ne n h a n c ec o d e w o r d u t i l i z a t i o n s e c o n d ，c o d i n gg a i nc a l lb eo b t a i n e d i nt h ec o n s t r u c t i o n o fs y s t e m ， m u l t i a n t e n n ai sa l s oc o n s i d e r e d m u l t ii n p u tm u l t io u t p u t ( m i m o ) i si n t r o d u c e dt o o v c d m as y s t e mt oo b t a i nd i v e r s i t yg a m 。s y s t e mc a na c h i e v eh i g h e rc a p a c i t ya n d r e l i a b i l i t y i nt h er e c e i v e r , s e q u e n c ed e t e c t i o na l g o r i t h ml i k ev i t e r b ia l g o r i t h m ( v a ) c a n b e u s e dt or e c o v e rt r a n s m i t t e dd a t a t h o u g hb e i n gt h eo p t i m a ls e q u e n c ed e c o d e r , v ai s t o oc o m p l e xt ob eu s e di np r a c t i c a lb e c a u s eo ft h el a r g ec o n s t r a i n tl e n g t h i n f r e q u e n c y - s e l e c t i v ec h a n n e l o t h e rt w os u b o p t i m a ls e q u e n c ed e c o d e r s f a n oa n d s t a c kd e c o d e ra r eu s e di ns y s t e m c o m p l e x i t i e so f t h e s et w od e c o d e r sa r e i n d e p e n d e n tf r o mc o n s t r a i n tl e n g t h a n o t h e ri m p o r t a n ta s p e c to ft h i sp a p e ri s t h e u s a g eo fm u l t iu s e rd e t e c t i o n ( m u d ) a l g o r i t h mi no v c d m as y s t e m m u di s d i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a ld e t e c t i o nb e c a u s ei tt r e a t si n t e r f e r e n c ef r o mo t h e ru s e r sa s c o n s t r a i n tr a t h e rt h a nd e s t r u c t i v ed i s t r i b u t i o n m u di s w i d e l y u s e di n3 g c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s s i n g l es u b c a r r i e rf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n ( f d e ) i sa t e c h n i q u ew h i c hi su s e di nm s t a n d a r d s i th a sa l la d v a n t a g ei np e r f o r m a n c e c o m p a r i n gw i t ho f d m f d ei sa l s oa na s p e c to ft h i sp a p e r i n t h i sp a p e rp r i n c i p l eo fo v c d 认i sd e s c r i b e di nd e t a i l s s e v e r a lt y p e so f d e t e c t i o na l g o r i t h mi si n t r o d u c e df r o mi t st h e o r yt ot h ea p p l i c a t i o ni no v c d m a s y s t e m a f t e rt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sl o t so fs i m u l a t i o nr e s u l t sa lea l s op r o v i d e d a n a l y z i n g f r o mt h i ss i m u l a t i o nr e s u l t s ，o v c d m ac a n c o m p l e t e l y e l i m i n a t e i n t e r f e r e n c ef r o mo t h e rc e l l s i tc a np r o v i d e dar e m a r k a b l ep e r f o r m a n c ew i t hh i 吐 s p e c t r u me f f i c i e n c y 。 k e y w o r d s ：o v e r l a p p e dm u l t i p l e x ，f a s ts e q u e n c ed e t e c t i o na l g o r i t h m ， m u l t iu e rd e t e c t i o n ，f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n 目录 第一章引言1 1 1 课题背景1 1 1 1 移动通信发展历程l 1 1 2 第三代移动通信扩频码设计2 1 1 3 第四代移动通信发展及关键技术4 1 2 课题任务7 1 3 论文结构8 第二章o v c d m a 扩频码设计9 2 1 序列设计理论界限9 2 2 广义互补正交码介绍1 0 2 2 1 广义互补正交码定义1 1 2 2 2 广义互补正交码构造方式1 2 2 2 3 扩展广义互补j 下交码组介绍1 3 2 4 本章小结1 4 第三章o v c d m a 系统结构介绍1 5 3 1o v c d m a 系统单天线发射机结构介绍1 5 3 2o v c d m a 系统多天线发射机结构介绍1 7 3 30 v c d m a 接收机结构1 7 3 4 本章小结1 8 第四章o v c d m a 系统检测算法1 9 4 1v a 测算法在o v c d m a 系统中的运用1 9 4 1 1v a 译码算法原理1 9 4 2 快速序列算法在o v c d m a 系统中的应用2 1 4 2 1f a n o 译码算法原理简介2 1 4 2 2 堆栈算法原理简介2 2 4 2 4 堆栈译码算法在o v c d m a 中的应用2 3 4 3 多用户检测算法在o v c d m a 中的应用2 4 4 3 1 多用户检测原理介绍2 5 4 4 频域均衡算法在o v c d m a 组网系统中的应用2 8 4 4 1 频域均衡原理介绍2 8 4 5 ) j n 坌q 错码的o v c d m a 系统2 9 4 5 1t p c 编码介绍3 0 4 5 2 重叠编码复用编码介绍3 1 4 5 3 加编码的o v c d m a 结构3 6 4 6 性能仿真结果3 7 4 6 1 采用v a 检测算法的性能仿真结果3 7 4 6 2 采用快速序列译码算法性能仿真结果4 2 4 6 3 多用户检测性能仿真结果4 6 4 6 4 频域均衡算法性能仿真结果4 8 4 7 本章小结4 9 5 ( ) 总结5 0 望5 0 北京邮电大学硕士论文 1 1 课题背景 1 1 1 移动通信发展历程 第一章引言 在过去的几十年里，移动通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用。移动通 信技术从兴起之日发展至今，已经经历了三代。第一代移动通信是个人移动通信 的诞生期，以模拟传输方式实现语音业务，主要采用以蜂窝结构网为核心的模拟 技术和频分多址动态寻址技术。受到传输带宽的限制，其致命缺点是不能实现长 途漫游。第二代移动通信是个人移动通信的原始成长期，在这个阶段，移动通信 技术取得了突破性的进展，以数字传输方式实现语音和数据业务，话音质量得到 了极大的提高，2 g 系统采用的是数字的时分多址或者码分多址实现动态寻址功 能，以g s m ，c d m a 系统为代表，代替了第一代移动通信系统，完成了模拟向数 字技术的转变。第三代移动通信是个人移动通信的快速成长期，移动通信不再是 一个孤立的系统，而是开放式的，传统的移动通信方式与开放的因特网融合，各 个国家和地区的移动通信网融合为一个整体。除了传统的语音业务外，更多的是 数据和多媒体业务。i t ut g 8 1 早在1 9 8 5 年就提出了第三代移动通信系统的概 念，最初命名为未来公共陆地移动通信系统) ，后在1 9 9 6 年更名为i m t 一2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s2 0 0 0 。第三代移动通信系统的目标是： 世界范围内设计上的高度一致性；与固定网络各种业务的相互兼容；高服务质量； 全球范围内使用的小终端；具有全球漫游能力；支持多媒体功能及广泛业务的终 端。为了实现上述目标，对第三代无线传输技术( r 盯) 提出了支持高速多媒体 业务( 高速移动环境：1 4 4 k b p s ，室外步行环境：3 8 4 k b p s ，室内环境：2 m b p s ) 、 比现有系统有更高的频谱效率等基本要求。 第三代移动通信主要是以w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，t ds c d m a 系统为代表， 第三代移动通信技术将会以宽带c d m a 系统为主，所谓c d m a ，即码分多址技 术【1 1 。移动通信的特点要求采用多址技术，多址技术实际上就是指基站周围的移 动台以何种方式抢占信道进入基站和从基站接收信号的技术，移动台只有占领了 某一信道，才有可能完成移动通信。目前已经实用的多址技术有应用于第一代和 第二代移动通信中的频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和窄带码分多址 ( c d m a ) 三种。f d m a 是不同的移动台占用不同的频率。t d m a 是不同的移 北京邮电大学硕士论文 动台占用同一频率，但占用的时间不同。c d m a 是不同的移动台占用同一频率， 但各带有不同的随机码序，以示区分布进行扩频，因此同一频率所能服务的移动 台数量是由随机码的数量来决定的。宽带c d m a 不仅具有c d m a 所拥有的一 切优点，而且运行带宽要宽得多，抗干扰能力也很强，传递信号功能更趋完善， 能实现无线系统大容量和高密度地覆盖漫游，也更容易管理系统。第三代移动通 信所采用的宽带c d m a 技术完全能够满足现代用户的多种需要，满足大容量的 多媒体信息传送，具有更大的灵活性。 c d m a 技术中的w c d m a t 2 1 、t d s c d m a t 3 1 技术初期将采用基于g s m m a p 的核心网，最终过渡到第三代的核心网；而e d m a 2 0 0 0 核心网的演进则是基于 i s 4 l 及正在完善的i s 6 3 4r a n c n 接口标准。w c d m a 主要由欧洲e t s i 和日 本a r i b 提出，w c d m a 系统的核心网是基于g s m m a p 的，同时可通过网络 扩展方式提供在基于a n s i - 4 1 的核心网上运行的能力。w c d m a 采用d s c d m a 多址方式，码片速率是3 8 4 m e p s ，载波带宽为5 m h z 。系统不采用g p s 精确定 时，不同基站可选择同步和不同步两种方式，可以不受g p s 系统的限制。在反 向信道上，采用导频符号相干r a k e 接收的方式，解决了c d m a 中反向信道容 量受限的问题。c d m a 2 0 0 0 采用m c c d m a ( 多载波c d m a ) 多址方式，可支 持话音、分组数据等业务，并且可实现q o s 的协商。c d m a - 2 0 0 0 包括1 x 和3 x 两部分，也可扩展到6 x 、9 x 、1 2 x 。对于射频带宽为n x l 2 5 m h z 的c d m a 2 0 0 0 系统，采用多个载波来利用整个频带。t d s c d m a 采用d s c d m a 多址方式， 码片速率是1 2 8m o p s ，载波带宽为1 6 m h z 1 1 2 第三代移动通信扩频码设计 第三代移动通信主要是以c d m a 技术为主，c d m a 技术具有抗多径干扰， 隐私性能，抗人为干扰的能力，具有低载获概率的性能，具有抗窄带干扰的能力。 与f d m a 和t d m a 相比，c d m a 具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信 系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制【4 】等技术所带来的。c d m a 移 动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，含有 频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰 落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载干比( c i ) 小 于l ，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使c d m a 比其它系统有 非常重要的优势。系统容量大理论上c d m a 移动网比模拟网大2 0 倍。实际要比 模拟网大l o 倍，比g s m 要大4 5 倍。 c d m a 技术给每一用户分配一个扩频码，并用它对承载信息的信号进行扩 2 北京邮电大学硕士论文 频。用户接收端获得改用户的扩频码对收到的信号进行解扩，并恢复出原始数据， 因为该用户码序列与其它用户序列的互相关很小，所以可以无干扰的恢复用户数 据。由于码序列的带宽远大于信息的信号的带宽，编码过程扩展了信号的频谱， 所以也称为扩频调制，其所产生的信号称为扩频信号。c d m a 通常也用扩频多 址( s s m a ) 来表征。 c d m a 通信系统的扩频编码采用3 层结构。底层是正交扩频编码，提供c d m a 信道，不同的正交码作为不同的信道。整个通信系统都使用这一组正交扩频码。 第2 层是基站码，也是扩频编码，不同的基站使用具有不同相位状态的扩频码。 第3 层是移动用户码，一个用户一个码字，各不相同，它是由很长的扩频码加上 移动用户自身代码复合而成的。 在这3 类地址码中，底层正交扩频码是唯一具有扩频能力的序列，这是由于 c d m a 是信噪比受限系统，且实际用户之间的干扰主要取决于信道间的隔离度， 因此底层扩频码的选取直接决定用户的数量和质量，基站码与用户地址码的主要 目的是为了区别用户和基站，它们均不具备扩频功能，但能够起到在传输中平衡 0 1 数目的扰码作用，故一般称为扰码。这两类码一般采用数量较多，准正交性 的伪码p n 序列，例如m 序列或g o l d 序列来实现。这3 层编码中，对通信特性 影响最大的是底层正交扩频编码即信道地址码的选取。 在i s 一9 5 中，选用码长6 4 的正交w a l s h 函数系作为信道地址码，即采用6 4 种长度为6 4 位的等长w a l s h 码作为信道地址码。w c d m a 系统为了支持多速率、 多业务，只有通过可变扩频比才能达到同一要求的信道速率。在同- d , 区中，做 个移动用户可以在相同频段同时发送不同的多媒体业务，为了防止多用户业务信 道之间的干扰，必须设计一类适合多种速率业务和不同扩频比的正交信道地址 码，即o v s f 码。o v s f 码是一组长短不一样的码，低速率的扩频比大，码组长， 而高速率的扩频比小，码组短。在w c d m a 中，最短的码组为4 位，最长的码 组为2 5 6 位。但是不管码组长短是否一致，各长、短码组之间仍然保持正交性， 以免不同速率业务信道之间产生相互干扰。 用户地址码主要用于上行信道，由移动台产生，便于区分不同的用户，下行 信道中由基站产生，主要用于数据加扰。在c d m a 系统中，为了容纳足够多的 用户，地址码数量是主要矛盾，但是现有的扩频伪码序列无论是m 序列还是g o l d 序列都不能直接满足其数量上的要求。为了保证足够多的地址码数量，目前在 c d m a 系统中采用的方法是利用局部相关特性代替伪码的周期性自相关、互相 关特性。即利用一个超长的m 序列或者超长的g o l d 序列，选取有限的一段序列 作为区分大量用户的地址码。采用局部相关代替传统的周期性自、互相关特性的 方法，使用户地址码数量大大增加，完全可以满足用户数量上的要求。但是在接 北京邮电大学硕士论文 收信号质量上，著名的w e l c h 劓5 】从理论上指出：部分相关函数值下限仅为周期 相关函数值下限的l 压。也就是说，采取了牺牲质量换取数量。在i s 9 5 中， 采用一个超长序列的m 序列伪码，它由4 2 节移位寄存器产生，然后每个用户按 照一定规律选取其中局部的有限位作为用户地址码。c d m a 2 0 0 0 1 x 是i s 9 5 体 制的延续和发展，其用户地址码与i s 9 5 完全相同。w c d m a 系统中，地址码是 北京邮电大学硕士论文 性，从而有效地避免了用户间干扰。这使o f d m 系统可以实现很高的小区容量。 2 带宽扩展性强。由于o f d m 系统的信号带宽取决于使用的子载波的数量，因 此o f d m 系统具有很好的带宽扩展性。3 抗多径衰落。由于o f d m 将宽带传输 转化为很多子载波上的窄带传输，每个子载波上的信道可以看作水平衰落信道， 从而大大降低了接收机均衡器的复杂度。4 频谱资源灵活分配。o f d m 系统可 以通过灵活的选择适合的子载波进行传输，来实现动态的频域资源分配，从而充 分利用频率分集和多用户分集，以获得最佳的系统性能。5 实现m i m o 技术较 简单。由于每个o f d m 子载波内的信道可看作水平衰落信道，多天线( m i m o ) 系统带来的额外复杂度可以控制在较低的水平( 随天线数量呈线性增加) 。缺点 i o f d m 对系统定时和频率偏移敏感。2 存在较高的峰值平均功率比。较高的 峰值平均功率比多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号 相位一致时，所得的叠加信号的瞬时功率会远远高于信号的平均功率。 ( 2 ) 调制与编码技术 信道编码是为了保证通信系统的传输可靠性，克服信道中的噪声和干扰， 而专门设计的一类抗干扰技术和方法。它根据一定的规律在待发送的信息码元中 加入一些必要的码元，在接收端利用这些监督码元与信息码元之间的监督规律发 现和纠j 下差错，以提高信息码元传输的可靠性。称待发送的码元为信息码元，人 为加入的多余的码元为监督码元。信道编码的目的是试图以最少的监督码元为代 价，以换取最大程度的可靠性的提高。信道编码的分类从功能上分有三类。( 1 ) 仅具有发现差错功能的剑错码，比如循环冗余校验c r c 码，自动请求重传a r q 等。( 2 ) 具有自动纠正差错功能的纠错码，比如循环码中的b c h 码，r s 码及卷 积码、级联码、t u r b o 码等。( 3 ) 具有既能检错又能纠错功能的信道编码，最典 型的是混合a r q ，又称h a r q 。4 g 移动通信系统采用更高级的信道编码方案( 如 t u r b o 码、级连码和l d p c 等) 、自动重发请求( a r q ) 技术和分集接收技术等，从 而在低e b n 0 条件下保证系统足够的性能。 t u r b o 码【7 1 实际上是一种并行级联卷积码。t u r b o 码编码器是由两个反馈的系 统卷积编码器通过一个交织器并行连接而成，编码后的校验位经过删余阵，从而 产生不同的码率的码字。信息序列u = u l ，u 2 ，u n ) 经过交织器形成一个新序 列u f - u 1 。，u 2 ，u n ) ( 长度与内容没变，但比特位经过重新排列) ，u 和u 分 别传送到两个分量编码器( r s c l 与r s c 2 ) ，一般情况下，这两个分量编码器结 构相同，生成序列x p l 和x p 2 ，为了提高码率，序列x p l 和x p 2 需要经过删余 器，采用删余( p u n c t u r i n g ) 技术从这两个校验序列中周期的删除一些校验位，形成 校验序列x p , x p , 与未编码序列x 经过复用调制后，生成了t u r b o 码序列x 。t u r b o 5 北京邮电大学硕士论文 码的一个重要特点是它的分量码采用递归系统卷积码，这也是它性能优越的一个 重要原因。 香农信息论告诉我们，最优的译码算法是概率译码算法，也就是最大后验概 率算法( m a p ) 。但在t u r b o 码出现之前，信道编码使用的概率译码算法是最大似 然算法( m l ) 。m l 算法是m a p 算法的简化，即假设信源符号等概率出现，因此 是次优的译码算法。n 【r b o 码的译码算法采用了m a p 算法，在译码的结构上又 做了改进，再次引入反馈的概念，取得了性能和复杂度之间的折衷。同时，t l l r b 0 码的译码采用的是法代译码，这与经典的代数译码是完全不同的。 t l h b 0 码的译码算法是最早在b c j r 算法的基础上改进的，我们称以m a p 算法，后来又形成l o g m a p 算法、m a x l o g - m a p 以及软输入软输出( s o v a ) 算 法。 译码时首先对接收信息进行处理，两个成员译码器之间外部信息的传递就形 成了一个循环迭代的结构。由于外部信息的作用，一定信噪比下的误比特率将随 着循环次数的增加而降低。但同时外部信息与接受序列间的相关性也随着译码次 数的增加而逐渐增加，外部信息所提供的纠错能力也随之减弱，在一定的循环次 数之后，译码性能将不再提高。 ( 3 ) 智能天线技术 智能天线【8 】具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能， 被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线应用数字信号处理技术，产生空间 定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达 方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能 改善信号质量又能增加传输容量。多天线技术： 智能天线则是根据阵列中各天线的相关性，利用数字信号处理的方法形成方 向性的波束，从而减小用户间的干扰。常用的智能天线有波束切换、自适应天线 阵列、波到达角( d o a ) 估计等。波束切换时在多个固定波束中选择一个波束 来发送或接收目标信号。自适应天线阵列用自适应数字滤波器的方法产生一个波 束来发送或接收目标信号。d o a 估计根据波到达角产生一个波束来发送或接收 目标信号。 ( 4 ) m i m o 技术 m i m o 技术【9 】就是利用多发射天线多接收天线提高通信系统容量的一种技 术，它能在不增加系统带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。 同时可以采用智能天线、阵列天线能技术提高系统的分集增益，提高系统可靠性。 m i m o 技术引入多天线，在传统的时间、频率维度外增加了空间域维度。信 号在发送端利用多天线可以实现简单的复用和分集发射，此外还可以结合编码调 6 北京邮电大学硕士论文 制技术实现最优的空时编码，最大程度的提高系统的传输有效性和可靠性。接收 端采用多天线可以实现分集合并以及多用户检测等算法，进一步提高系统可靠 性。 m l m o ( 多输入多输出) 技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技 术，它采用的是分立式多天线，能够有效的将通信链路分解成为许多并行的子信 道，从而大大提高容量。信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线 之间互不相关时，m i m o 系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获 得巨大的容量。例如：当接收天线和发送天线数目都为8 根，且平均信噪比为 2 0 d b 时，链路容量可以高达4 2 b p s h z ，这是单天线系统所能达到容量的4 0 多倍。 因此，在功率带宽受限的无线信道中，m i m o 技术是实现高数据速率、提高系统 容量、提高传输质量的空间分集技术。在无线频谱资源相对匮乏的今天，m i m o 系统已经体现出其优越性，也会在4 g 移动通信系统中继续应用。 1 2 课题任务 c d m a 系统可以采用不同的扰码来区分不同的小区，从而使系统的小区频 率复用系数达到1 ，即相邻的小区可以使用同一个频率，这样大大提高了系统的 频谱效率。这是c d m a 系统相对于t d m a 或f d m a 系统的一个主要优势。这 也为c d m a 移动台的越区切换提供了便利。因为在切换时移动台不用更换频率， 可以在小区边界同时与两个小区的基站保持通信，从而保证可靠的切换，并且取 得宏分集的增益。这就是c d m a 系统所谓的“软切换 特性。当然，为了实现 软切换，系统需要提供更多的资源为一个用户服务，从某种意义上说也降低了系 统效率。 c d m a 系统的个主要问题是“远近效应”。远近效应使得离基站近的用户 信号对离基站远的用户产生强干扰，影响其正确接收。它是由于分配给不同用户 的扩频码不可能实现完全正交。即使用户使用正交序列区分，比如 w a l s h h a r d a m a r d 序列，在经过无线衰落信道后，时间选择性衰落和频率选择性 衰落也会破坏不同用户信号之间的正交性。而对相邻小区的干扰，通过伪随机序 列加扰也只能使干扰近似为白噪声，而不可能消除邻小区干扰。这使得c d m a 系 统是一个干扰受限的系统。c d m a 的自干扰性还会产生“小区呼吸效应，也就 是小区的覆盖范围随着负载的增加而缩小。这增大了网络规划的难度。传统的抵 抗远近效应的方法是做功率控制。精确的功率控制保证基站接收到不同用户的信 号功率基本相等，从而使用户间的干扰水平相一致。这需要系统设计有复杂的快 速功控环路。 7 北京邮电大学硕士论文 目前李道本教授提出一种重叠码分多址系统【l o i p o v c d m a 组网系统，本系 统将重叠复用原理运用于c d m a 系统可使组网后系统的总容量远大于单小区容 量，使系统容量向理论的多用户界逼近。利用重叠复用思想提高小区内码字利用 率，使得o v c d m a 成为一个“噪声受限”的系统，从而可以免去复杂的功率控 制，不再受传统c d m a 技术的局限。本论文的主要工作就是根据李道本教授提 出的这种重叠移位组网思想设计o v c d m a 组网系统，并且将m i m o 技术引进在 o v c d m a 系统中，并且验证其性能。 1 3 论文结构 本文共分五章，安排如下： 第一章引言，首先介绍移动通信的发展历程和现今的第三代移动通信所用 的扩频码设计，以及第四代移动通信所用的关键技术。然后说明本 课题的主要研究方向和课题任务。 第二章重叠码分多址扩频码设计，讲述广义互补正交码的定义及设计方式。 第三章重叠码分多址系统结构，本章讲述了重叠码分多址系统的单天线和 多天线发射机模型，和接收机结构介绍。 第四章重叠码分多址系统检测算法，本章讲述了四种检测算法，最大似然 序列译码，快速序列检测算法，多用户检测，频域均衡算法的基本 原理，及如何将这几种算法应用在重叠码分多址组网系统中。同时 介绍了重叠编码复用即o v c d m 编码和t p c 编码的基本原理，并加 其应用在重叠码分多址组网系统中。最后本章给出了重叠码分多址 组网系统在不同的检测算法下的误码率曲线，验证重叠码分多址系 统的性能。 第五章结束语，对本文工作进行全面总结，给出本文所取得的成果，指出 存在的不足和改进方向。 8 北京邮电大学硕士论文 第二章0 v c d m a 扩频码设计 在c d l v i a 系统中，扩频码字的设计很重要，本章先介绍了码字设计时的两 个重要的序列设计界限，然后叙述了互补正交码的定义和构造方法。 2 1 序列设计理论界限 序列的理论界限通常是指序列长度( 周期) 、序列数量和相关值三者之间的 数学关系，它反映了人们在设计序列时必须遵循的一种规律，从而指导人们去构 造最佳序列。常用的序列理论界限有w e l c h 界和s a r w a t e 界。设有长度为n ，矢 量数目为m 。的复矢量集 ( 口，k ，口；：r ) i y ：。，2 ，m 。) ，其中，兰i = lk 1 2 = t ，令 设k 是一个正整数，那么 q ，五= 口舻v ，) t = l = m 州a x c l 。 v 。 ( 严南 刷别捌夭阴w e i c h 界： 有长度为，矢量数目为m 。的复矢量集 ( 口9 l ，口品) ly = l ，2 ，m “) ，令 r 。= m ，a 五x 。m ，a 。x v l r v ，五( r ) ir u s r 2 组不同长度的完备广义互补正交码组完全可以从完备互补正交码对 偶生成，例如 c k ，s k k - 0 ，l 是一个完备互补正交码对偶( k = 2 ) ，表示 为 耻匿刘 则k = 4 的完备广义互补正交码组可以下属方式产生，即 耻叩 同样，k = 8 的完备广义正交互补码组可以用以下方式产生 b 8 = ：兰： = b 4 。 ：二 2 2 3 扩展广义互补正交码组介绍 若原始码长为j 的互补正交码组偶为： 北京邮电大学硕士论文 6 后- - g 七，。【+ 】6 忌，l 尼= 0 ，1 北京邮电大学硕士论文 第三章0 v c d m a 系统结构介绍 重叠码分多址( o v c d m a ) 组网系统可以采用单天线和多天线发射两种发 射模式，多天线发射可以利用到空间分集增益，对抗多径衰落，提高o v c d m a 组网系统的性能。本章首先介绍单天线发射机系统模型，然后介绍多天线发射极 模型，最后介绍o v c d m a 组网系统的接收机模型。 3 10 v c d m a 系统单天线发射机结构介绍 系统发射机模型如图3 1 所示 图3 - 10 v c d m a 系统单天线发射机模型 发送信号首先经过调制，然后送入o v c d m a 编码器，然后进行成型滤波，送入 信道发射。 o v c d m a 分量码编码器是利用广义互补正交码对用户信息进行扩频，因为 广义互补正交码的理想互相关特性，可以实现小区之间无干扰传输，实现同频组 网。o v c d m a 系统同时运用了重叠复用技术，可以大幅度提高系统的码字利用 率，使o v c d m a 组网系统的码字利用率接近1 。 成型滤波器采用4 8 阶根升余弦滤波器，采样速率为4 ，滚降系数为0 2 2 。 4 8 阶根升余弦滤波器冲击响应如图3 2 所示： 0 5 1 0 1 52 02 53 03 54 04