（通信与信息系统专业论文）多用户检测技术在mccdma中的应用.pdf

哈尔滨下稃大学硕十学何论文 摘要 结合正交频分复用( o f d m ) 和码分多址( c d m a ) 技术的多载波c d m a ( m c c d m a ) 系统是未来移动通信系统一种很有应用前景的候选方案，相 当多的专家学者都在对它进行研究。它继承了o f d m 和c d m a 技术的优良 特性，具有频谱效率高、抗i s i 能力强等优点，以及在高速率多媒体数据传 输方面有独特的优势，所以被认为是未来4 g 通信的核心技术。另外，其调 $ u 解调部分可采用离散傅立叶变换，通过数字信号处理( d s p ) 技术实现， 符合向软件无线电发展的趋势，成为近几年研究的热点之一。 对于m c c d m a 系统而言，不同用户的信息是通过不同的扩频码( 例如 沃什码) 来识别的。由于多普勒频移和多径效应，导致各个子信道的衰落不 一致会破坏扩频序列的正交性。所以它是一个干扰受限系统，多址干扰是限 制系统性能的主要因素，而多用户检测技术是d s c d m a 系统中的关键技术， 它将各用户发送的信号做联合检测，缓解了远近效应问题，可以有效地消除 多址干扰，提高系统性能。 本文分析了m c c d m a 的原理，建立了其在高斯白噪声信道和多径信道 下发射和接收的统一数学模型，此向量矩阵模型简单、明了，为后面多用户 检测技术的分析奠定基础。在m c c d m a 系统模型的基础上，概括了各种单 用户检测技术，对采用单用户检测e g c 和m r c 的m c c d m a 系统的误码 率性能分别进行了分析和仿真。详细分析了m c c d m a 系统中的多址干扰来 源和类型，阐明了在该系统中应用多用户检测技术的必要性和可行性。多用 户检测有最优检测、线性检测以及非线性检测等，非线性检测中现在研究得 最多的是干扰抵消法。首先对线性多用户检测进行了分析和仿真，然后详细 分析了判决反馈多用户检测技术，建立了适合m c c d m a 系统的判决反馈多 用户检测器模型，并对其误码率性能进行了仿真。同时应用迭代法对上述判 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 i i i 决反馈多用，检测器进行了改进，仿真结果表明，在m c c d m a 系统接收端 采用迭代判决反馈检测可以获得更优越的系统性能。 关键词：m c - c d m a ；多用户检测；判决反馈；c h o l e s k y 分解 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a bs t r a c t m u l t i c a r f i e rc d m a s y s t e m sc o m b i n i n go f d m w i t hc d m ai sac a n d i d a t e f o r t h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，a n dn o wl o t so fe x p e r t sa r e d e v e l o p i n gi t m c - c m d a ，w h i c hc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fo f d ma n dc d m a ， i sc h a r a c t e r i s t i co f s u c hm e r i t sa sh i 曲s p e c t r a le f f i c i e n c ya n dg o o di n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( i s i ) s u p p r e s s i o n ，a n dc a nb eu s e df o rm u l t i m e d i ad a t at r a n s m i s s i o n s ot h i st e c h n o l o g yi sc o n s i d e r e da st h ec o r et e c h n i q u eo ft h e4 gw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m b e s i d e s ，i t s m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o nc a n b e i m p l e m e m e db yt h ef a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) i nv i r t u eo fd i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g ( d s p ) t e c h n o l o g y , w h i c ha c c o r d s 诵t l lt h ed e v e l o p m e n t a lt r e n do f s o f t w a r er a d i o t h u sm c c d m ah a sb e e no n eo ft h em o s tp o p u l a rr e s e a r c ht o p i c s r e c e n t l y f o rt h em c c d m as y s t e m ，t h ed i f f e r e n tu s e r sa r er e c o g n i z e db yd i f f e r e n t s p r e a d s p e c t r u m ( f o re x a m p l ew h ，w a l s h - h a d a m a r d ) s e q u e n c e s h o w e v e r , t h e o r t h o g o n a l i t yo ft h es p r e a d - s p e c t r u ms e q u e n c e sw o u l db ec o r r u p t e db yd i f f e r e n t a t t e n u a t i o n so v e re a c hs u b c a r r i e rd u et od o p p l e rf r e q u e n c ys h i f ta n dm u l t i - p a t h f a d i n g t h e r e f o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo fm c - c d m as y s t e mi sm a i n l yl i m i t e db y m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) a sak e yt e c h n i q u eo fd s c d m as y s t e m ，t h e m u l t i u s e rd e t e c t i o nc a nj o i n t l yd e t e c tt h es i g n a l st r a n s m i t t e db ya l lt h eu s e r s ， t h e r e b ya l l e v i a t et h e ”n e a r - f a r ”e f f e c t ，c a n c e lt h em a ia n di m p r o v et h es y s t e m p e r f o r m a n c e t h i sp a p e ra n a l y z e s p r i n c i p l e o fm c c d m as y s t e m ，e s t a b l i s h e dt h e m a t h e m a t i cm o d e lo ft r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o nf o rm c c d m a s y s t e mu n d e rt h e w h i t ea n dg a u s sc h a n n e la n dm u l t i p a t hc h a n n e l b a s e do nt h e s ea n a l y z e s ，t h e e q u i v a l e n tm o d e lo fv e c t o r - m a t r i xi ss os i m p l ea n dp e r s p i c u o u st h a ti tl a y sa f o u n d a t i o no fm u l t i u s e rd e t e c t i o nb e l o w s u m m a r i z e dt h es i n g l eb s e rd e t e c t i o n s f o rm c c d m as y s t e m , a tt h es a n l et i m e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h a ta r ea n a l y z e d 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 t h e o r e t i c a l l ya n ds i m u l a t e dn u m e r i c a l l y a n a l y z e dt h es o b r c e sa n dt y p e so fm a i f o rm c - c d m as y s t e m i l l u s t r a t e dt h en e c e s s a r ya n df e a s i b i l i t yo fa p p l y i n g m u l t i u s e rd e t e c t i o ni nt h em c c d m as y s t e m m u l t i u s e rd e t e c t i o ni n v o l v e s o p t i m a ld e t e c t i o n , l i n e a rd e t e c t i o na n dn o n l i n e a rd e t e c t i o ne t c i nn o n i n e a l d e t e c t i o n , t h e r ea r ea na m o u n to fl i t e r a t u r e sa b o u ti n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n m e t h o d f i r s tb a s e do nt h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no fl i n e a rd e t e c t i o n , t h e n d e c i s i o nf e e d b a c km u t i u s e rd e t e c t i o n a p p r o a c h e sa l eg i v e nf o rm c - c d m a s y s t e m t h r o u g hu s i n gm u l i p l ei t e r a t i o n sa tt h ef e e d b a c kf i l t e r , t h ep e r f o r a n c eo f t h i sd e t e c t o rw a sb e t t e r k e yw o r d s ：m c c d m a ；m u l t i u s e rd e t e c t i o n ；d e c i s i o nf e e d b a c kd e t e c t i o n ； c h o l e s k yd e c o m p o s i t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期： 胡哲 肿年, o 月日 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 移动通信的发展现状 现代移动通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代，但是直到2 0 世纪7 0 年 代，在微电子技术、计算机技术以及数字信号处理技术的推动下，才迎来了 无线通信的蓬勃发展时期。移动通信是现代通信中发展最为迅速的一种通信 手段。近十年来，移动通信从简单的无线对讲或广播方式发展成为一个有线、 无线融为一体；固定、移动相互连通的全球规模的通信系统。 在短短的几十年时间里，无线通信技术经历了从第一代到第三代的重大 变革，现在正逐步向第四代发展。经历了2 0 世纪初运营试验的第一代( 1 g ) 模拟移动通信系统和8 0 年代中期发展成熟的第二代( 2 g ) 数字移动通信系 统，国际电信联盟( i t u ) 在2 0 0 0 年5 月确定w - c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a 三大主流无线接口标准，写入3 g 技术指导性文件 2 0 0 0 年国际 移动通讯计划( i m t - 2 0 0 0 ) ，它能够处理图象、音乐、视频流等多种媒体形 式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。虽然这些方 案不甚相同，但是全世界在第三代移动通信系统中采用宽带码分多址技术已 经达成共识【l 】。第三代( 3 g ) 移动通信系统具有高频谱效率、高服务质量、 低成本、高保密性和易于过渡等特点。 由于第三代移动通信系统是从第二代移动通信系统发展而来，并不是完 全重新建设的一个移动通信网，所以普遍认为第三代系统仅仅是一个从窄带 向未来移动通信系统的过渡阶段。目前，人们已经将目光越来越多的投向三 代以后( b 3 g ) 的移动通信系统( 可以认为是第四代移动通信系统) 中，使 其可以容纳庞大的用户数量、改善现有通信的质量以及达到更高速率数据传 输的要求。b 3 g 移动通信系统有三种备选方案：1 ) 正交频分复用( o f d m ， o r t h o g o n mf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ；2 ) 空时编码技术( s p a c e - t i m e 1 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 a r c h i t e c t u r e s ) ；3 ) 超宽带( u w b ，u l t r aw i d e b a n d ) ，其中止交频分复用技 术最受关注【2 j 。 o f d m 并不是新生事物，它是由多载波调制( m c m ，m u l t i c a r r i e r m o d u l a t i o n ) 发展而来。美国军方早在上世纪的5 0 、6 0 年代就创建了世界上 第一个m c m 系统，但因其结构复杂限制了进一步推广。7 0 年代时，人们提 出采用离散傅立业变换实现多载波调制，才使得o f d m 技术开始走向实用 化。2 0 世纪9 0 年代，o f d m 开始被欧洲和澳大利亚广泛用于广播信道的宽 带数据通信，如非对称数字用户环路a d s l 、v d s l 、数字音频广播( d a b ) 、 陆地数字视频广播( d v b t ) 、高清晰度数字电视( h d t v ) 、无线局域网 ( w l a n ) 【3 1 【4 】。此外，宽带无线接入技术标准i e e e s 0 2 1 6 a 也采用了o f d m 技术【5 j 。 从技术层面来看，第三代移动通信系统主要是以c d m a 为核心技术，第 四代移动通信系统技术则以o f d m 最受瞩目。考虑到c d m a 的各种优点， 新一代通信技术最好的策略是将c d m a 与o f d m 结合起来，综合二者各自 的优点，以期得到更好的性能。o f d m 与c d m a 结合的技术称为多载波调 制c d m a 。1 9 9 0 年b i n g h a mj o h na c 的一篇文章“多载波时代己经到来” 成为该领域的经典文献【6 】，但在这篇文章中还没有涉及到结合c d m a 的概念。 1 9 9 3 年首次提出了基于c d m a 和o f d m 的结合体制7 】【引。1 9 9 5 年电机与电 子工程师协会的杂志( i e e e ，t h ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ) 的“w i r e l e s sp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s 专题讨论了多载波通信一j b o ，文中提出m c c d m a 是未来宽带无线通信的一项极具前景的多址技术。 1 9 9 6 年m i l s t e i n 和n a k a g a w a 发表于i e e e 通信期刊上的文章对多载波的接收 方法进行了理论分析1 1 1 1 2 】。1 9 9 7 年h a r a 发表在i e e e 通信杂志上的文章中 把已提出的多载波c d m a 模式归纳为三类，并讨论了多载波的接收技术和性 能分析【1 3 1 。继而之后这方面的研究如雨后春笋，蓬勃涌现。 2 哈尔滨r 稃大学硕十学何论文 1 2 多载波c d m a 的优势 c d m a 技术存在的主要问题之一是频率选择性多径衰落会引起系统的 码元间干扰( i s l ，i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 和码片间干扰( i c i ，i n t e r c h i p i n t e r f e r e n c e ) 。这是因为在高速率数据传输的无线移动环境下，高速系统的码 元周期远远小于信道时延扩展，严重符号问干扰导致系统性能严重下降。实 际上当数据速率达到百m b s 时，系统同步的困难和性能的下降使得c d m a 技术的应用显得很不可行。而o f d m 和c d m a 结合起来正是为了解决这个 问题。o f d m 将数据流转化成并行子载波流，且在不同的子载波上同时传输， 每个子载波流以较低速率传送，也就是说码元周期变长，这样系统对于物理 层的时延扩展的敏感度减少，但是整个体制仍然保持原始的高速传送率。如 果信号的码元周期与信道的时延扩展是可比较的，则o f d m 是抵抗码元间干 扰的一种可行方法。因此通常在o f d m 的一个码元周期中要加入保护间隙， 以确保码元周期大于信道时延扩展。而这样一种处理也同样可以应用于多载 波c d m a 。另一方面，频谱效率也是无线运营商和研究者关心的问题之一。 在o f d m 中，通过i f f t 实现多载波调制，子载波频谱之间相互交叠但仍保 持子载波之问的正交性，这使得它的频谱效率很高。多载波c d m a 技术综合 利用了o f d m 和c d m a 两种技术的优点以获得高效频谱利用率和高容量， 并提供多种业务类型。 1 3 多用户检测技术简介 多载波c d m a 继承o f d m 和c d m a 优点的同时，也不可避免的存在一 些缺点。首先，多载波c d m a 仍然是一个c d m a 系统，多址干扰( m a i ， m u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e ) 仍然是限制系统性能提高的主要因素，而且多载 波系统的多址干扰比传统c d m a 系统的更加复杂。在多径传播信道中，由于 采用多个子载波传输信号，而每路子载波经历不同的子信道衰落和延时。即 使采用正交码，到达接收端的各个用户信号之间的正交性也会丧失，引起多 3 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 址十扰是1 可避免的，因此如何克服多址干扰肘提高系统性能的影响是非常 关键的。 多用户检测( m u d ，m u l t i p l e u s e r sd e t e c t i o n ) 技术就是用来克服多址干 扰的一种信号检测技术。多用户检测的思想最初是由k s s c h n e i d e r 在1 9 7 9 年提出的【1 4 】。1 9 8 6 年，美国学者s v e r d u 提出和分析了加性高斯白噪声信道 下的最优多用户检测器，也称为最大似然序列检测裂”】，由于其复杂度随用 户数目的增加而呈指数增长，所以只有理论意义，在工程上基本无法实现。 但是，v e r d u 的研究激励了许多研究者寻找次优的多用户检测器，用准最佳 的较低复杂度的算法实现具有实际应用价值的多用户检测方案口7 】【3 8 】 3 9 】。直 到现在，次优多用户检测器仍然是一个研究热点。 传统的单用户检测接收机将多址干扰当作等效加性高斯白噪声来处理， 是一种消极的处理方式。而实际上，多址干扰本质上并不是纯粹无用的白噪 声，而是有强烈结构性的伪随机序列信号，因此从理论上分析，完全有可能 利用这些伪随机序列的已知结构信息和统计信息( 比如相关性) ，来进一步消 除这些干扰所带来的负面影响，以达到提高系统性能的目的。 多用户检测联合考虑了同时占用某个信道的所有用户或某些用户，通过 设计一定的算法，消除或减弱其它用户对期望用户的影响，并同时检测出期 望用户的有用信息。多用户检测与传统的单用户检测的区别就是：多用户检 测充分利用了其他干扰用户的信息，而单用户检测将这些有用信息当作噪声 滤除掉了。另一方面，由于移动用户的位置不断变化及深度衰落的存在，弱 功率用户的信号会受到强功率用户信号的抑制，系统性能严重恶化，即所谓 的“远近效应”。多用户检测技术可以充分利用各个用户的扩频序列、时延、 幅度和相位信息对所有用户进行联合检测，从总体上提高各个用户的性能。 它可以解决远近效应问题、降低系统对功率控制精度的要求，因此可以更加 有效地利用上行链路频谱资源，显著增加系统容量。 国际上，多用户检测技术已被公认为c d m a 系统的关键技术之一。 4 哈尔滨下稃大学硕十学何论文 t d s c d m a 已决定采用多用户检测方案，向在w 二c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等 r t t 方案中，虽然目前没有采用多用户检测技术，但均表示将适应这种技术 的发展，在以后支持该项技术。所以新一代多载波c d m a 系统中采用多用户 检测技术是值得进行分析和研究的。 1 4 论文的主要内容和结构 本文介绍了多载波c d m a 技术的基本原理，重点分析和研究了 m c c d m a 系统，讨论了此系统下的多用户检测技术。首先通过分析 m c c d m a 系统结构特点，讨论其优缺点和存在的问题及解决方法。建立了 m c c d m a 在高斯白噪声信道和多径信道下的数学模型，并给出其向量矩阵 模型。其次对系统可能存在的多址干扰类型及其来源进行了详细的理论分析， 并对采用单用户检测的m c c d m a 系统进行分析与仿真。再次通过分析比较 现有的线性多用户检测器的结构和性能，选择适合m c c d m a 系统的判决反 馈多用户检测器，建立了相应的模型，并对其进行理论分析和仿真验证。最 后应用迭代法对判决反馈多用户检测器进行改进，将上次反馈滤波器的判决 变量多次作为下次待判决符号的反馈变量。通过计算机仿真，迭代判决反馈 检测器与线性检测器进行比较，验证系统性能的改善程度。 论文安排如下： 第一章为绪论，概括了移动通信的发展历史，简单介绍了多载波c d m a 的概念并分析其存在的问题，以及研究多用户检测技术的必要性，最后对论 文的主要工作和章节安排进行总结。 第二章介绍了多载波c d m a 技术的基本原理和三种实现方案，并说明研 究m c c d m a 系统的原因。 第三章介绍移动信道的基础知识，并给出多径瑞利衰落信道的数学模型。 第四章首先建立了m c c d m a 系统在高斯白噪声信道和瑞利信道下的 发射和接收模型，并推导出了系统的向量矩阵模型。其次总结了m c c d m a 5 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 系统的各种单用户检测技术的原理和实现解析式，并对其进行仿真，比较了 各种单用户检测技术的性能。 第五章阐述了多用户检测技术的概念及其原理，论述其优缺点和目前发 展情况，并对现有的比较成熟的线性多用户检测技术进行总结，重点讨论了 判决反馈多用户检测技术。在判决反馈检测的基础上，通过在反馈滤波器中 使用迭代法进行改进，获得性能更优良的检测技术。最后通过仿真，比较了 改进方案在m c c d m a 系统性能提高方面所得到的改善程度，并对结果进行 了详细的分析。 最后对论文的工作进行总结，并分析了今后值得进一步完善的工作。 6 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 第2 章多载波c d m a 技术 2 1c d m a 技术 2 1 1 扩频通信原理 扩频通信【1 6 1 与光纤通信、卫星通信一同被誉为进入信息时代的三大高技 术通信传输方式。所谓扩频通信，即扩展频谱( s s ，s p r e a ds p e c t r u m ) 通信， 是一种利用伪噪声( p n ，p s e u d on o i s e ) 编码技术实现的信息传输方式，其信 号所占用的频谱宽度远大于传输信息所需的最小带宽。它利用高速率的伪随 机序列对信息数据进行调制实现频谱的扩展，在接收端接收信号经过相同码 的相关同步接收、解扩就可以将宽带信号恢复成原来的窄带信号，进而恢复 发送的信息数据。 扩频技术的理论基础来源于信息论，香农( s h a n n o n ) 作为信息论的奠基 人早就指出：实现有效通信的最佳信号是白噪声形成的传递信号。香农公式 表示为 c 圳( + 熹) 协d 式中，c 表示信道容量，单位为b i t s ，w 表示信号带宽，单位为勉， s 表示信号平均功率，表示噪声功率。香农公式指出：在保持信道容量c 不变的条件下，可以用不同频谱宽度形和信噪功率比s 来传输信息。换言 之，就是信号带宽的扩展和信噪比的提高是可以互换的。也就是说，如果增 加信号频谱宽度，就可以在较低的信噪比的条件下以任意小的差错概率来传 输信息，甚至在信号被噪声湮没的情况下，只要相应地增加信号带宽，也可 以进行可靠的通信。香农公式表明，采用扩频信号进行通信的优越性在于利 用扩展频谱的方法可以换取对信噪比较低的要求。 按照频谱扩展方式的不同，扩频通信可以分为：直接序列扩频( d s s s ) 、 哈尔滨丁稗大学硕+ 学位论文 跳频扩频( f h s s ) 和跳时扩频( t h s s ) 三种方式。这里主要介缁直接序列 扩频。 2 1 2d s c d m a 系统 码分多址( c d m a ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 1 7 】技术的发展基于 扩频通信。1 9 7 7 年c o o p e r 和n e t t e t o n 首次提出，利用扩频技术实现码分多 址。c d m a 通信系统使用正交的伪随机噪声序列经过相关处理实现多个用户 间的相互区分，从而实现多址通信的目的。 c d m a 与时分多址( t d m a ) 和频分多址( f d m a ) 不同，它利用扩频 技术将信号频带扩展为宽带进行传输，同时允许所有用户在相同时间内占用 同一宽带信道。每个用户分配一个扩频序列作为地址码，在接收端依照地址 码的相关性进行相关接收，获取期望用户的信息，因此地址码的选择具有重 要意义。 如果采用高速率的扩频序列与信息符号直接相乘，以扩展信号的频谱， 而在接收端，用相同的扩频序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的 信息，此种方法被称作直接序列扩频( d s ) 。d s c d m a 系统如图2 1 所示， 用户信息符号在载波调制之前，需要用一伪随机序列进行频谱扩展，伪随机 序列的码片速率要远远高于信息符号的速率。如果该系统需要支持更高速率 的业务，则在基带上信息符号间隔就需要减小。但是如果传输的符号间隔小 于多径信道的时延扩展，这将在接收端带来严重的符号问干扰( i s i ) 。要防 止i s i ，可以想办法降低符号速率，这就引入了多载波调制的概念。 用户数据眨一眨卜 ff 扩频序列本地载波本地载波扩频序列 图2 1d s c d m a 系统 8 用户数据 r 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 2o f d m 技术 o f d m 1 8 】是多载波技术的一种，而多载波的基本思想是将所要传输的 数据流分解成多个子比特流，每个子数据流具有低得多的传输比特速率，并 且用这些数据流去并行调制多个载波。显然，在多载波调制的子信道中，数 据传输速率得到了降低，这就增强了系统对时延扩展的抵抗力，减小了符号 间干扰的影响。 多载波传输技术还有其它几种提法，如离散多音调制( d m t ) 和多载波 调制( m c m ) ，加上o f d m ，这三种提法在一般情况下等同，只是在o f d m 中各子载波保持相互正交，而在m c m 中这一条件并不总成立。o f d m 符号 由大量在频率上等间隔的子载波构成，各子载波有1 2 的重叠，但保持相互 正交，在接收端通过相关解调技术分离出来，避免使用滤波器组，同时使频 谱效率提高近1 倍。 o f d m 将高速串行数据转变为低速并行数据，并用多个相互正交的子载 波构成子信道来分别调制并行数据，并且子载波间隔通常经过特殊选择。一 个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号。设表示子载波 的个数，乏表示o f d m 符号的宽度，4 ( i = o ，1 ，n - 1 ) 为分配给每个子载波 的数据符号，f 为第f 个子载波的载波频率。o f d m 系统的基本原理如图2 2 所示。 血扣 富 珏iexp(j27rft) 并 转 换 红一 一p 积分卜 iexp(-；j2万lt广 并l pl积分卜 审 r 转 i e x p ( - j 2 r r f s l t ) 换 _ 一磊卜 图2 2o f d m 系统 9 哈尔滨下稗大学硕十学位论文 2 3 多载波c d m a 技术 自1 9 9 3 年以来，结合o f d m 和c d m a 的多载波c d m a 技术迅速发展 起来。目前多载波c d m a 的研究方向主要有两类：频域扩频和时域扩频2 0 1 。 其中频域扩频通常称为m u l t i c a r r i e rc d m a ( m c c d m a ) ，而时域扩频有两 种不同的构成方法：m u l t i c a r r i e rd s c d m a ( m c d s c d m a ) 和m u l t i t o n e c d m a ( m t - c d m a ) 。 2 3 1 频域扩频m c c d m a m c c d m a 采用频域扩频的方式，是最早提出的一种多载波c d m a 方 案。1 9 9 3 年9 月，在日本y o k o h a m a 举行的p i m r c 会议上，l i n n a r t z 、y e e 、 f e t t w e i s 和f a z e l 、p a p k e 分别提出了该方案。不同的是前者提出的方案考虑 相关接收和可变增益合并，而后者方案中考虑的是最大似然检测技术。 在此方案中，用户的信息符号先经过扩频，再将扩频序列的不同码片调 制到o f d m 的不同子载波上传输。如果扩频码的长度为，那么就调制到n 个子载波上，并且所有子载波上传输的是相同的信息数据。同时，也可以把 m c c d m a 看作一种o f d m 技术，只是在形成o f d m 符号前，先将用户的 信息符号和扩频码矩阵相乘。 图2 3 是m c c d m a 系统发射原理图。为子载波数，厶为扩频码长度， 这里设n = 厶。五。表示用户k 的传输数据序列中的第f 个调制符号， c 。= ic k , o ，& l ，c k ，厶一1 是用户k 的扩频码序列， f o ，石， 一。) 是一组正交的 子载波集，其频谱相互重叠并且正交。 另外，实际上如果原始的信息符号速率很高，在带宽允许的条件下，则 可以将它经过串并转换再进行频域扩频。也就是说，可以通过同时传输多个 信息符号来提高总的传输速率。这是因为对于多载波传输，保证每个子载波 满足频率非选择性衰落是至关重要的。图2 4 是m c c d m a 系统发射模型的 改进方案，以保证频率非选择性衰落。 1 0 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 一囟一 复；c 1 一e x p f 正，) 以 咱一。一 制 器 二蓦1 ：拦 图2 3m c c d m a 系统发射机原理图 其中，x k = 黾o & l ，最p 一。 表示用户七的传输数据序列，原始数据序 列首先被转换成尸个并行序列，然后每个序列分别被调制到个子载波上， 这时有n = p l o 。为了增加系统抗频率选择性衰落的稳健性，必须选择合适 的子载波数和保护间隔。 图2 4m c c d m a 系统改进的发射原理图 2 3 2 时域扩频m c d s c d m a 1 9 9 3 年l o 月，在加拿大o t t a w a 举行的i c u p c 会议上，多伦多大学的 v d a s i l v a 和e s s o u s a 提出了m c d s c d m a 方案1 2 l 】。 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 在此方案中，用户的信息符号序列首先经过串并转换，并行的每路数据 经过相同的短码扩频，再调制到不同的子载波上。相邻的子频带之间有l 2 的重叠，且各个子载波之间保持正交关系。 图2 5 是m c d s c d m a 系统发射原理图。为子载波数，l 为扩频码 长度，k 为用户数。x - - i x 0 ，j ，而，j ，x x 山 表示所有用户传输数据序列中的 i + i g l s t j 符号，c i = i o , c k l ，c i 厶一1l 是用户k 的扩频码序列，由于扩频后 的带宽限制在一个子频带内，因此一般选择较短的扩频码。 石，z ， 一l 是 一组正交的子载波集，其频谱相互重叠并且正交。 l 圆 一囟一 富 遗二器 x ：j并 转 换 遗既：拦 图2 5m c d s c d m a 系统发射原理图 m c d s c d m a 是在时域进行信号的叠加，采用时域扩频的方式。由于 进行了串并转换，降低了信息符号速率，所以不仅抑制了子载波间干扰( i c i ) ， 而且还解决了i s i 问题。 2 3 3 时域扩频m t - c d m a 1 9 9 3 年1 0 月，在荷兰d e l f t 举行的i e e ef i r s ts y m p o s i u mo f c o m m u n i c a t i o n sa n dv e h i c u l a rt e c h n o l o g y 会议上，比利时的l v a n d e n d o r p e 提出了m t - c d m a 方案【2 2 1 。 1 2 哈尔滨下程大学硕+ 学伊论文 在此方案中，用户的信息符号序列首先经过串并转换，并行的各路数据 调制到各个子载波上，以形成o f d m 符号，其周期为z 。此时子载波频谱 之间有1 2 重叠，且满足正交性。然后o f d m 符号再经过长度l 的扩频码扩 频，则扩频后每个子载波的带宽扩展为厶( r 。n ) 。这时相邻子载波间隔仍保 持原来的i i ( t , n 1 ，因此子载波间有更多的重叠，已不再保持正交。 图2 6 是m t - c d m a 系统发射原理图。为子载波数，l 为扩频码长度。 x k = 五 o x k l ，x k , e - 1 表示用户k 的传输数据序列，气= 【- q o c k l ，小j 是用户k 的扩频码序列，一般选择较长的扩频码，这样可以容纳较多的用户。 五，z ，厶一， 是一组正交的子载波集，其频谱相互重叠并且正交。 一一 串 九x p p 并 转 一 换 一沪 图2 6m t - c d m a 系统发射原理图 与m c c d m a 和m c d s c d m a 相比，m t - c d m a 各个子载波在同一个 物理信道中心部分的频谱叠加的成分最多，频谱分布不均匀，导致了部分的 抗干扰性能下降。 2 3 4 多载波c d m a 三种方案比较 通过上面对多载波c d m a 三种实现方案的详细描述和分析，可以得到以 下的结论： 1 3 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 1 ) 三种方案最显著的区别在于c d m a 技术的实现位置。在m c c d m a 方案中，c d m a 在频域完成，o f d m 在时域完成，o f d m 与c d m a 各自的 特性得以保留，仍然具有o f d m 的抗码间串扰性能；在m c d s ，c d m a 和 m t - c d m a 两种方案中，c d m a 在时域完成，最终信号相当于调制在各个子 载波上的多个c d m a 信号的叠加，不再具有o f d m 的抗码间串扰性能。 2 ) 在m t - c d m a 方案中，各个子信道重叠严重，子信道之间失去正交 性，这对于o f d m 接收系统同步的偏差，包括载波频偏、抽样时钟偏差、码 元同步偏差等会造成很大影响，不利于解调。 3 ) 在m c c d m a 方案中，用户的同一比特信息被分配到所有子信道中， 而在m c d s c d m a 和m t - c d m a 两种方案中，不同子信道传输是用户的不 同信息。因此，在频率选择性衰落信道中，如果某一子信道衰落严重， m c c d m a 只是相当于扩频码的某一码元受损，由于扩频码很长，扩频码之 间码间距很大，对于传输误码率影响不大；但对于m c d s c d m a 方案，用 户的某些信息受损，误码率会受到较大影响；对于m t - c d m a 方案，误码率 恶化更加明显。 在用户数较大时，m c c d m a 性能明显优于m c d s c d m a ，更加优于 m t _ c d m a 。因此，在本文中选择m c c d m a 作为研究对象。 2 4 本章小结 本章概括介绍了扩频通信的基本原理以及依此为基础发展起来的多址技 术，以d s c d m a 系统为例介绍了该系统的结构和特点；介绍了多载波技术 及子载波正交的正交频分复用( o f d m ) 技术；介绍了c d m a 和o f d m 结 合实现的多载波c d m a 技术，并讨论三种不同的实现方案及它们的优缺点。 最后确定m c c d m a 作为研究对象。 1 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第3 章移动信道 3 1 移动信道传播特性 3 1 1 移动信道概述 移动信道是所有通信信道中最为复杂的一种，它不仅具有所有无线信道 的特点，而且还具有通信用户随机移动性的新特色。在蜂窝移动通信系统中， 由基站发射机到移动台的无线连接称为前向链路或者下行链路( d o w n l i n k ) ， 而由移动台到基站接收机的无线连接则称为反向链路或者上行链路 ( u p l i n k ) 。无论在前向链路还是反向链路，无线电信号都会以多种方式受到 信道的影响，因而对信道特性进行研究是设计所有移动通信系统的前提。移 动信道的传播特性严重影响了系统的性能，是研究其他问题的基础，因此首 先对它的一些相关知识进行简单介绍。 移动通信信道是一种典型的时变参数信道，无线电信号通过移动信道时 会受到各个方面的衰减损失，主要可以归纳为三类【2 3 】： 1 ) 自由空间的路径损失：它是移动台和基站之间距离的函数，主要是由 电波在自由空间传播所产生的损失、水气的吸收、地表反射等引起。由于它 描述的是大尺度区间( 数百或数千米) 内接收信号强度随发射至接收距离而变 化的特性，因此又叫做大尺度衰落。 2 ) 阴影衰落：它是由传输环境中的地形起伏、建筑物和其它障碍物对电 波的阻塞或遮蔽而引起的衰落。它描述的是中尺度区间( 数百波长) 内信号电 平中值的慢变化特性，又叫做中尺度衰落。 3 ) 多径衰落：它主要是由多径传播而引起的衰落。由于无线电波在空间 传播会存在反射、绕射以及衍射等，造成发射信号经过多条路径到达接收端。 由各路径来的信号的幅度、相位和到达时间都不相同，不同相位的多个信号 1 5 哈尔滨下程大学硕十学何论文 在接收端叠加，有时同相叠加而加强，有时反相叠加而减弱，导致接收信号 的幅度剧烈变化，即产生了所谓的多径衰落。它描述小尺度区间( 数个或数十 个波长) 内接收信号场强瞬时值的快速变化，因此又叫做小尺度衰落。在不存 在视线路径( l o s ) 的情况下，通过多径信道的信号幅度服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布，此时信道称为瑞利信道；当存在视线路径时，通过多径信道的信号幅 度服从莱斯( r i c e ) 分布，称为莱斯信道。 由于移动通信信道的时变性和多径性，使得信号传输产生三种效应： 1 ) 阴影效应：由大型建筑物和其他物体的阻挡而形成在传播接收区域上 的半盲区，此效应对应上面的阴影衰落。 2 ) 远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站间的距离也 是在随机地发生变化。若各移动用户发射功率一样，那么达到基站的信号强 弱不同，离基站近的用户信号强，离基站远的用户信号弱。通信系统的非线 性则进一步加重，出现强者更强、弱者更弱和以强压弱的现象，通常称这类 现象为远