（通信与信息系统专业论文）垂直空时分层多载波cdma系统信号处理技术的研究.pdf

韭塞窑煎友堂亟堂位i 金塞虫塞擅要 中文摘要 c d m a 是第三代移动通信中一种最主要的技术，而多载波技术为在移动环境 所带来的高度不利的无线信道条件下传输高速数据提供了一种好的解决办法，将 成为未来宽带无线传输体制的关键技术此外，多输入多输出( m i m o ) 技术是未 来移动通信提高系统的容量、性能和频谱效率的核心技术，垂直空时分层 ( v b l a s t ) 结构也将成为实现高数据速率和传输质量的重要途径。 c d m a 技术、多载波调制技术和m i m o 垂直空时分层技术三者的结合能很大 程度的提升系统性能，适合未来移动通信的需求，因而论文主要针对垂直空时分 层多载波c d m a 系统上行链路空时信号处理技术做了较全面的分析。 论文重点对m m om c c d m a 、m i m om c d s - c d m a 及m 蹦om “m m a 三种形式上行链路v - b l a s t 空时发射机和线性迫零接收机结构与性能进行了系统 的研究，分别提出了三种方案上行链路空时发射机和接收机结构、信号合并策略， 进行了理论上的性能分析。m m l 0m c c d m a 系统中的接收机先将接收天线各子 载波上的信号进行z fv - b l a s t 检测，然后进行频域合并，它的优点在于能降低 合并时噪声和干扰的强度，系统的分集增益包括空间分集增益和频率分集增益。 而m i m om c d s d m a 系统在平坦衰落信道下，系统的分集增益仅由空间分集 提供。m i m om r - c d m a 系统经历了频率选择性衰落信道，接收机先对信号进行 v - b l a s t 检测，然后进行多径合并，系统具有空间分集和多径分集增益。仿真结 果表明，通过联合的空、时、频域信号处理，能够获得空、时、频分集增益，减 少发射天线数或增加接收天线数均可显著提高系统的性能、容量、服务质量和频 谱效率。理论结果通过仿真得到了验证，获得了对所提出方案认识、评价与设计 的理论依据。 关键词：c d m a ；多载波；多输入多输出；v - b l a s t ；迫零 分类号：t n 9 1 4 5 3 ；t n 9 2 9 5 3 3 a b s t r a c t c d m ai so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nt h et h i r dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，a n dm u l t i c a t r i e rm o d u l a t i o nw i l lb e c o m et h em a i nt e c h n o l o g yi nt h eb r o a d b a n d w i d t hw i r e l e s si r a n s m i s s i o ns y s t e m sb e c a u s oi tp f o “d 鹦a l le f f e c t i v em e t h o do f t r a n s n f i r m gh i g h - r a t ed a t ai nb a dw i r e l e c o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t m o r e o v e r , m u l t i - i n l m tm u l t i _ o u t l m to v f 蹦o ) s c h 黜ei st h ek e yt e c h n o l o g yw h i c hc 址i m p r o v et h e p e r f o r m a n c c , c a p a c i t ya n ds p e c t r u me f f i c i e n c yo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s v e r t i c a l b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e - t i m ec v = - b l a s l la r c h i t e c t u r ew i l la l s ob e c o m ea s i g n i f i c a n ta p p r o a c ht oa c h i e v i n gh i g hd a t ar a t ea n dt r a n s m i s s i o nq u a l i t y t h ec o m b i n a t i o no fc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) ，m u l f i c a r r i 臂 m o d u l a t i o na n dm i m o 、，m l a s tc a ng r e a t l yi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c ea n df l l l f i l l t h er e q u i r e m e n to ff u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h ed i s s e r t a t i o n sf o c u so nt h eo v e r a l l a n a l y s i so f s p a c e - t i m ep r o c e s s i n gt e c h n i q u ef o ru p l i n km u l t i c a r r i o rc d m as y s t e m sw i t h v 二b l a s ta r c h i t e c t 啪e 1 1 璩d i s s e r t a t i o n p l a c e s t h ee m p h a s i so n s y s t e m a t i c a lr e s e a r c ho f b l a s t 位m s m i t t e ra n dz e r o - f o r c i n g ( z f ) r e c e i v e rs t r u c t u r e 嬲w e l la st h ep e r f o r m a n c eo f t h r e e k i n d so fu p l i n km u l t i c a r r i e rc d m as y s t e m , w h i c ha r em i m em c - c d m a s y s t e m , m m i om c d s - c d m a s y s t e ma n dm i m o n d m as y s t e m w ep r o p o s et h r e ek i n d s o fl e c e i v e rs t r u c t u r ea n ds i g n a lc o m b i n a t i o n s t r a t e g y , a n a l y z et h e i r t h e o r e t i c a l p e r f , , m m c e i nm i m om c - c d m a , t h er e c e i v e ds i g n a l sa le a c hs u b c a r r i e r sa l e d e t e c t e db yz fv 二b l a s td e t e c t o r sa n dt h e nc o m b i n e di nt h ef z e q u e n c yd o m a i n , 8 0t h e i n t e r f e r e n c ec a nb er e d u c e di nt h ec o m b i n e r , a n dt h ed i v e r s i t yg a i ni n c l u d e sb o t l ls p a c e d i v e r s i t yg a i na n d 序e q 嘣m c yd i v e r s i t y 弛b u tw i t ht h ef l a tf a d i n gc h a n n e l s ，t h e d i v e r s i t ye , mo fm m om c - d s c d m ai sp r o v i d e db ys p a c ed i v e r s i t yo n l y m i m e m t - c d m a s y s t e me x p e r i e n c e sf r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s ，a n di t sd i v e r s i t y g a i ni sc o m p o s e do fs p a c ed i v e r s i t y 髻i i i la n dp a t hd i v e r s i t y 弛t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ec o m b i n e ds i g n a lp r o c e s s i n gi ns p a c e , t i m ea n d 丘烈l 碾札c yc a ns u p p l q 黜qi n t e r f e r e n c e , g e ts p a c e , t i m ea n df f e q u e n c yg a i na n dd r a m a t i c a l l yi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e , c a p a c i t y , s e r v i c eq u a l i t ya n ds p e c t r u me f f i c i e n c yw h e nt h en u m b e ro ft r a n s m i t t e ri s s m a l lo rt h en u m b e ro fr e c e i v e ri sl a r g e 1 ka n a l y t i c a lr e s u l t sa r ov e r i f i e db yt h e s i m u l a t i o np r o g r e s sa n dl a yat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o re v a l u a t i n gt h ep c r 咖粗o f t h es y s t e m s k e y w o r d s ：c d m a ；m u l t i c a r r i e r ；, m i m o ；v - b l a s t z c c o - f o r c i n g c l a s s n 0 ：t n 9 1 4 5 3 ；t n 9 2 9 5 3 3 致谢 本论文的工作是在我的导师杨维教授的悉心指导下完成的，杨维教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来杨维 老师对我的关心和指导。 杨维教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向杨维老师表示衷心的谢意 冯锡生老师对于我的科研工作和论文也都提出了许多的指导和宝贵意见，在 此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，黄瀛、刘文雯、周嗣勇等同学对我论文中的 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1 无线通信发展的现状与前景 2 0 世纪9 0 年代中期，以欧洲的全球移动通信系统( g s m ) 和美国的 c 加t m a o n e ( m 9 5 ) 为代表的第二代无线通信系统，采用数字调制技术，分别使用时分 多址( t d m a ) 与码分多址( c d m a ) 技术，显著改善了通话质量，极大增加了系统容 量。为了能够向用户提供更多的无线数据业务以及更高的无线数据传输速率，国 际电信联盟( i t u ) 于2 0 世纪9 0 年代后期提出了i m t 2 0 0 0 系统，目的是为世界各 国的无线通信系统制定统一标准。i m t 2 0 0 0 系统，也即3 g 无线通信系统。在 i m t 2 0 0 0 系统的多个标准中，以欧洲的w c d m a 标准和美国的c a m a 2 0 0 标准最令 人瞩目。为了促进m t 2 0 0 0 系统多个标准的融合，分别以w c d m a 标准和 c d m a 2 0 0 0 标准为核心组成了3 g p p 和3 g p p 2 中国的t d s c d m a 标准在频率利 用方面优势非常明显，与w c d m a 标准在频率利用方面有很好的互补性，已被 3 g p p 接纳并进行了融合虽然2 0 0 1 年世界范围的网络经济泡沫破裂以及全球经 济发展的不景气使3 g 无线通信系统的发展遭遇了严重挫折，但其商业化却是必 然。2 0 0 2 年，3 g 无线通信系统的发展已经开始恢复了生枫，目前的重点是解决如 何实用化的问题，普遍认为2 0 0 5 ，3 g 无线通信可能在中国商用。 在无线通信技术的研究方面，人们并没有因3 g 无线通信系统的波折而裹足不 前目前，第四代移动通信( 4 g ) 【1 捌是第三代移动通信( 3 g ) 演化的结果，与 3 g 相比，4 g 的容量更大，网络的建设成本和业务费用将更加合理化，而且许多 3 g 系统的不足将在4 g 系统中得到改善，可以说4 g 给人们展现了一个较完美的移 动通信前景，这也奠定了4 g 巨大的市场基础。目前，国内外工业界、大学甚至政 府纷纷组织展开有关4 ( 3 的研发工作。国际电信联盟无线通信部( i t u - r ) 在2 0 0 1 年已开会讨论了关于更高级的3 g 系统并最终产生4 g 的技术。日本、欧洲与美国 等国家已经对未来l o 年的b e y o n d3 g 或4 g 的移动通信技术进行了理论与实验系 统的研发工作。 b 3 g 无线通信系统的主要特征是“移动”，与3 g 的“无线”特征有一定差异 b 3 g 无线通信系统将是一个能更好支持多环境和多业务的系统，多载波、多址与 多天线等技术将在其中得到广泛应用。在b 3 g 无线通信系统中，宽带数据业务、 多媒体业务和因特网业务将逐渐代替语音业务的主导地位。b 3 g 无线通信系统大 致可划分为b 3 g 无线接入系统与b 3 g 无线移动系统两部分。由于广泛采用了具有 更高频谱效率的正交频分复用( o f d m ) 调制技术，b 3 g 无线接入系统能为用户提供 比3 g 高很多的数据传输速率，速率可高达几十m b p 8 甚至上百m b p 8 ，而且非常 经济围绕b 3 g 无线移动系统虽然尚未形成有代表性的标准，但相关研究却异常 活跃，其中o f d m 调制技术与c d m a 多址技术的各种结合方法更是研究热点，长 远看它们极有可能成为b 3 g 无线移动系统的核心技术典型的o f d m c d m a 方 法包括多载波码分多址( m c c d m a ) 、多载波直接序列码分多址( m c d s c d m a ) 以 及多音码分多址( m t c d m a ) 等下面主要介绍b 3 g 移动通信中的几种关键技术 1 2 c d m a 技术 目前，多址接入的方式有：频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 。码分多址 ( c d m a ) 现在使用的t d m a 蜂窝系统实际上都是f d m a 和t d m a 的组合。码分 多址( c o m a ) 技术是第三代移动通信所采用的关键技术它将相互正交( 或尽可能 正交) 的不同扩频码分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用统一频率接入 系统和网络，在接收端，检测器利用已经知道的用户扩频码对接收到的信号进行 解码，并恢复出原始数据，由于该用户扩频码与其他用户扩频码的互相关性很小， 所以检测过程可行。由于扩频码序列的带宽远大于所承载信息的信号的带宽，编 码过程扩展了信号的频谱，所以也称为扩频调制，其所产生的信号也称为扩频信 号尽管从信息论的角度看，三种多址方式都可以提供同样的容量，但是从工程 实现的角度来看，c d m a 系统有其特有的优势，如抗干扰性和保密性好、可以容 易地实现频率分集和时间分集、具有软容量、频率重用率高、可以完成软切换等。 1 3 多载波技术 在移动通信中，发射信号经过时变的多径信道到达接收机的天线时，信道对 发射信号产生的小尺度衰落包括以下两种：时间选择性衰落和频率选择性衰落。时 间选择性衰落是由信道时变效应引起的，时间选择性衰落在时域的量度是相关时 间，信道时变效应在频域上表现为信号频谱的展宽，称为d o p p l e r 效应。频率选择 性衰落是由信道的多径传播效应引起的，多径效应引起符号间干扰i s i ，多径效应 在频域的量度是信道的相关带宽只要发射信号的周期小于相关时间，时间选择 性衰落就可以克服与克服时问选择性衰落相比，克服频率选择性衰落更困难， 因此，如何克服频率选择性衰落一直是移动通信的研究热点。 在g s m 移动通信系统中，由于数据速率不高，使用均衡器来消除i s i ，但在 高速数据通信中，由于受到干扰的符号有几百个甚至上千个，如果使用均衡器来 2 消除i s l 的干扰，均衡器的复杂度特别高在d s - c d m a 系统中，数据符号由一个 伪随机序列来调制，利用伪随机序列的相关性，只要选取的码片周期小于不同传 播路径的最小相对时延，在接收端使用r a k e 接收机来分离多径，再按一定算法 合并多径信号，d s - c d m a 中是利用多径效应在时域的特性d s c d m a 在数据速 率适中的情况下，比如在第三代移动通信系统规定的数据速率上，性能是很好的 但是对于高速数据速率，比如说，车载情况超过2 1 v l b p s 、步行时1 0 - 2 0 m b p s 时， 由于数据速率的提高导致可分辨的路径增加，每一个可分辨路径的能量变弱，信 道估计和相关检测都变得困难，导致严重的多径干扰：可分辨路径的增多使r a k e 接收机变得更复杂，而且不可能把所有可分辨路径的能量都收集到。d s - c d m a 中 是利用多径效应在时域的特性，一个很自然的想法就是利用相应的多径效应在频 域的特性，把频域分成若干个互相正交的子信道，子信道的带宽小于相干带宽， 使每一个子信道的频谱特性都近似平坦，这就是正交频分复用( o f d m ) 的基本思 想 1 4 多输入多输出技术 由于无线频谱资源的匮乏，下一代的通信系统必须具有更高的频谱效率从 目前技术发展来看，提高无线通信系统频谱效率的方法有两种：一种方法是通过 采用更高阶的调制技术和更优良的信道编码方法来尽可能逼近现有的单输入单输 出( s i s o ) 天线接收系统的信道容量：另一种方法是在带宽不增加的前提下，利用多 输人多输出( m i m o ) 天线技术来提高系统的信道容量。在无线衰落环境中，要在有 限带宽的情况下尽可能地逼近信道容量，技术难度比较大，况且s i s o 系统本身的 信道容量也有限，所以下一代无线通信系统考虑更多的应该是利用m i m o 技术提 高信道容量 3 , 4 1 。 对于在无线通信系统的发送端和接收端都安置多个天线元素的m i m o 系统 在发送端，二进制数据流输入到发送处理模块中进行编码、星座映射、加权处理， 然后送到各副发送天线上，经过向上变频、滤波和放大后发送出去；在接收端， 接收机将多副接收天线接收的信号进行向下转换、匹配滤波、接收处理和译码， 以恢复原始数据m i m o 技术的出发点是将多发送天线与多接收天线相结合以改 善每个用户的通信质量( 如差错率) 或者通信效率( 如数据速率) m i m o 系统 中要采用空时信号处理，即在继续使用传统通信系统具有的时间维的基础上，通 过使用多副天线来增加空问维，从而实现多维的信号处理。m i m o 系统中的空时 处理技术主要包括智能天线( s m a r ta n t e n n a ) 、空时编码( s p a c e - t i m ec o d i n g ) 、空域 复用( s p a c em u l 邱l e x i n g ) 等。 3 智能天线是一种天线阵列处理技术，完成对接收信号的空间滤波功能，它通 过调整一组相关固定天线单元的相位关系，将天线阵的主波束方向对准目标用户， 而将零点方向对准干扰用户，从而达到抑制干扰、提高容量的目的【5 ，6 】。波束成形 能有效地抑制共道干扰，其关键是波束成行权值的确定在i s 9 5 和t d s c d m a 系 统中智能天线技术都获得了不同方式的应用【7 ，8 】 空时编码( s t c ) 的概念最早是由n s c s h a d r i 提出来的【9 】。它的原理是利用空 间和时间的编码实现多天线发射同一信号的多路独立传输，由于多路传输信号同 时处于衰落的概率相对于单路传输信号大大降低，所以会大大提高传输性能 v t a r o k h 在【1 0 】中提出了空时格码的概念，格码在不牺牲系统带宽的条件下，能使 系统同时获得分集增益和编码增益，但格码采用维特比解码算法，因此解码复杂 度高。为减小接收机的复杂度，a l a m o u t i 提出了空时分组码( s t b c ) 的概念 1 l 】， s t b c 可以在接受端采用简单的线形处理进行解码，从而降低了接收机的复杂度。 空域复用就是在接收端和发射端都使用多根天线，从而使得容量随m i n m ， 的增加而线性增加，这里m 和n 分别是发送天线和接收天线的数目这种信道容 量的增加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信 道和系统容量的一种非常有效的手段。例如，贝尔实验室的学者f o s c h i n i 提出的 垂直分层空时结构( v b l a s t ) 就是利用多发射和多接收天线提高系统容量的典 范【1 2 】v - b l a s t 系统将商速信源数据流按照发送天线数日串并变换为若干数据 流，独立地进行调制，然后分别从各副发送天线上发送出去，接收端接收机按照 一定的译码算法分离独立的数据流。如图1 1 所示v - b l a s t 算法可以分为线性 检测算法和非线性检测算法，线性检测算法包括迫零( z f ) 算法和最小均方误差 ( m m s e ) 算法，非线性检测算法是在线性z f 或m m s e 算法基础上进行符号抵 消的递归运算。其中线性迫零v - b l a s t 算法可以提供很高的频谱利用率，而且实 现起来相对简单，其具体算法原理如下： n o t a f i o t t ： v e o m t s y m b o l ：_ t ( a l ，a 2 , 嘞) t n u m b e r o f u m s m i r s ：m n u m b e r o f f e t e i v 鼎n i v l 伍习1 托y 厂瓦面丽 l 匝h 每1l 麟 柏1 4 引篓广 槲甜 图i - iv - b l a s t 系统结构图 f i g i i v - b l a s ts y s t e md i a g r a m 4 接收端天线接收到的信号矢量为： x = h a t + v ( 1 - 1 ) 其中。h 是n x m 独立复信道矩阵，v 是加性高斯白噪声( a w g n ) 线性检测算 法是将接收信号矢量i 乘以一个线性变换矩阵g ，因此估计信号矢量表示为 - = g i ；g h a + g v 0 - 2 ) 不同的线性检测算法选择不同的变换矩阵g ，对于线性追零算法来说g 表示为 g t + 0 - 3 ) 其中，。+ 。表示矩阵的伪逆运算，这样估计信号矢量为 l t ：f f i ：h + h 噜+ 珏+ v = 1 1 + v ( 1 4 ) 这样，每根发射天线上不同的发送符号被成功分离出来 空时编码技术由于包含编码增益，其性能优于v - b l a s t 结构，但实现复杂度 较高v - b l a s t 结构因不同发射天线发送的信号相对独立，其传输速率高于空时 编码技术，最大程度上发掘了频谱效率，且能够提供一定的空间分集增益，因而 在可接受的性能条件下，它是一种以牺牲一定性能换取更高速率的折衷方案。本 文就是将v - b l a s t 结构与多载波c d m a 系统相结合，研究和分析系统的性能。 1 5 论文的主要内容和结构体系 多载波c d m a 系统融合了多载波技术与c d m a 技术的优点。可在不增加发 射机与接收机复杂度的情况下通过付里叶变换对( 西f t ，f f f ) 方便地实现发射与 接收，并且具有较高的频谱利用率，成为未来移动通信重要的发展方向之一多 载波c d m a 方案主要有m c c d m a 、m u l t i c a r d e rd s c d m a 、m t - c d m a 三种实 现形式，文献【l 】较详细地综述了这三种主要方案。由于多载波c d m a 系统和 c d m a 系统的相似性，可以将c d m a 系统中的很多研究成果应用于多载波c d m a 系统中。 对多输入多输出垂直空时分层( v - b l a s t ) 技术的研究表明系统的性能可以 得到很大的提升本论文的主要工作就是研究三种多载波c d m a 系统与垂直空时 分层结构结合的上行链路性能，接收机采用线性迫零v - b l a s t 算法，并给出仿真 结果 全文内容安排如下： 在第二章中系统地介绍了三种o f d m 和c d m a 结合的多载波c d m a 系统一 m c c d m a 、m c - d s d m a 和m t - c d m a ，分析各自的特点以及优缺点。 第三章首先建立了平坦衰落信道下m i m om c c d m a 上行链路的系统模型， 发射机和线性迫零v - b l a s t 接收机的结构，然后分析系统中的干扰和噪声，之后 5 得出系统的性能结果。系统的分集增益由空间分集增益和频率分集增益组成。数 值仿真验证了理论分析结果。 第四章建立了m i m om c - d s - c d m a 上行链路的系统模型，发射机和线性迫 零v - b l a s t 接收机结构，对接收端的噪声和于扰特性进行分析，推导出系统平均 b e r 表达式的闭式解。由于发送信号经历的是平坦衰落信道，因而系统的分集增 益仅有空间分集带来的增益数值仿真结果对理论分析进行了验证。 第五章针对所提出的m i m om t - c d m a 上行链路系统模型，分析了在频率选 择性衰落信道下系统采用线性迫零v - b l a s t 接收机的性能，以及天线数对系统性 能的影响，此时系统分集增益包括空问分集增益和多径分集增益。仿真实验对理 论结果进行了验证。 最后，第六章对整篇论文的工作进行了总结，并对以后的工作进行展望。 6 2 多载波c d m a 传输技术 多载波c d m a ( m u l t i - c a r r i e rc d m a , 多载波码分复用扩频调制技术) 是将扩 频码分多址( c d m a ) 技术和正交频分复用( o f d m ) 技术互相融合的一种新型多 址接入技术。多载波c d m a 系统与o f d m 系统的结构极为相似，不同之处在于多 载波c d m a 中每路载波都携带相同的信息，而o f d m 的每路载波则携带不同的信 息。 多载波调制技术。它把高速率数据流分成多个低传输比特速率的数据流，用 并行数据流去调制多个载波，传统的并行多载波系统把整个带宽分割后被送到子信 道中，频带没有重叠，其频谱利用率很低。其中正交频分复用( o f d m ) 技术是多载 波调制的一种特殊形式。由于多载波技术对无线通信中的多径干扰和符号间串扰 有很强的抵抗力，因此该技术已在移动通信领域引起了广泛的关注。目前，它已 经广泛地应用于高数据速率数字用户线( 皿s l ) ，非对称数字用户线( a d s l ) 、数 字音频广播( d a b ) 、高清晰电视( 皿t v ) 、地面广播和高速数字移动通信等领域。 实际中的c d m a 存在系统容量受限于多址干扰和多径干扰的阿题，所以如何将多 载波技术和扩频码分多址技术相结合成为目前的焦点 多载波c d m a 具有下列优势： ( 1 ) 多载波c d m a 具有更好的性能。包括更大的系统容量和更大的覆盖区 域；多载波c d m a 采用定时长的帧结构作为基本的传送单位，从而具有较高的信 号传输效率；可以工作在更宽的频段上；该技术在宽广的无线频谱上支持多路同 步通话或数据传输。对每路话音、传真、数据或视像传输都分配一个网络的发送 端和接收端都能识别的特定代码，以便传输的信息可在接收端重新组合，使它对于 市区环境中干扰和多径传播环境具有更高的抗干扰能力；具有更大的抗衰落能力。 另外，附加的带宽意味着有更大的能力支持更高带宽业务和提供更灵活的多种混 合业务 ( 2 ) 和o f d m 比较：为了避免子载波在深衰落时过多地比特错误，o f d m 主 要运用编码( c o d i n g ) 技术，但同时系统需要子载波的数量也许会大大超过比特或 者符号的数量。雨m c c d m a 使用n x n 的矩阵代替，更利于实现。 ( 3 ) 和d s c d m a 比较：d s c d m a 是一种多用户同时共享频谱的技术，它 可以使用r a k e 接收机来处理频率差异，然而在离散多径信道，使用扩频因子n 的 d s - c d m a 在采用高复杂度的冲突抵消技术的情况下，也只能同时容纳n 个用户， 在实际应用中不可行，m c c d m a 在使用标准技术的情况下可以容纳n 个误码率 极佳的用户。 ( 4 ) m c - c d m a 系统允许在同一个子载波上传输若干用户信号。在下行复用 7 器上使用羽盯和编码矩阵技术使其达到实用目的。 多载波c d m a 具有传统c d m a 抗干扰能力强、容量大等优点的同时又具有 o f d m 技术极强的抗多径干扰能力，非常适合无线高速数据传输按照扩频操作 方法的不同将多载波c d m a 混合技术分为频域扩频和时域扩频两类，其中多载波 码分多址( m c - c d m a ) 属于频域扩频；多载波d s - c d m a 及m t - c d m a 属于时 域扩频下面将对m c - c d m a 、m c d s c d m a 和m i 蜘m a 系统进行详细的描 述。 2 1m c c d m a 系统 m c - c d m a 发射端使用一特定的频域扩频码将原始数据流扩展到不同的子载 波上在同步下行无线通信信道中，可以使用w a l s h - h a d a m a r d 码作为最优正交集。 因为这样就可以不用考虑扩频码的自相关特性。图2 - l ( a ) 和2 1 ( b ) 分别是采用b p s k 方案的m c - c d m a 发射框图和发送信号的功率谱其中，子载波数= 4 ，处理增 益g m c z4 ( = d 第k 个用户的发送信号可以表示为 t a t ( f h p , ( t - i t b ) c o s 2 【( f o + l a f ) t ( 2 1 ) f 呻i - i = 也= 4 图2 - 1 ( a ) m c a 3 d m a 发送框图 f i g 2 - l ( a ) t r a n s m i t t e rd i a g r a mo f t h em c - c d m a 图2 - 1 ( b ) m c - c d m a 发送信号功率谱 f i g 2 l ( b ) p o 孵s p e c m u no f m c - c d m a u a a s m i t t e ds i g n a l i 鲈= 1 五是子载波间隔，p a t ) 使脉冲波形，定义如下 炒0 篙劲 在m c - c d m a 接收端，频域接收的信号被合并，因而接收端总能利用分布在 频域的所有接收信号的能量，这被认为是m c - c d m a 方案的主要优点之一。然而 该系统在经过频率选择性衰落信道的过程中，子载波可能有不同的幅度和不同的 相移，因而可能导致用户间正交性的破坏图2 1 ( c ) 画出了第k 个用户的 m c - c d m a 接收框图，在经过串并变换之后，第，个子载波被乘以增益毋来合并 散布在不同频域的接收信号 c o s ( 2 9 f t ) q 接收 c o s ( z 矾t )q 图2 - 1 ( c ) m c - c d m a 接收框图 f i g 2 - l ( c ) r e c e i v e rd i a g r a mo f t h em c - c d m a 最后，判决变量给出如下 见：篁吼伪 ，i j 舶= 毛j 咏c i j + 吩 k = l 9 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 其中，弗和吩是第f 个子载波接收信号经过下变频和子载波频率同步之后的复 基带分量和加性高斯白噪声。是第j | 个用户第，个子载波信号的复包络 2 2m c d s c d m a 系统 多载波直接序列扩频码分多址( m c d s - c d m a ) 发射端用给定的时域扩频码 将串并变换之后的数据流扩频，从而使产生的各个子载波之间能满足最小频率分 隔的正交条件。这种方案能降低每个子载波的数据速率，有更长的码片时间，从 而使得扩频序列的同步更为容易最早提出m c - d s c d m a 方案是用于上行链路 无线信道的，因为这个特性对于建立准同步信道来说是很有效的。 一4 图2 - 2 ( a ) m c - d s - c d m a 发射框图 f i g 2 - 2 0 ) t r a n s m i t t e rd i a g r a mo f t h em c - d s - c d m a 丕监 石五石工频率 图2 - 2 0 ) m c - d s - c d m a 功率谱 f i g 2 - 2 叻p o w e rs p 机驵o f m c - d s - c d m am m s m i t t e ds j 舭 图2 - 2 ( a ) 和2 - 2 ( 1 0 ) 分别画出了m c - d s - c d m a 发射框图和发送信号波形的功率 谱，其中子载波数l - - 4 ，处理增益g k - - 4 。 l o 发送信号表达如下 。( f ) ：艺杰妻( o q 。鼠p 一( g l 皿一珥】c o s 【2 兀f f o + ，f 】 ( 2 5 ) h ，i lg - i 其中，乓。是第，个子载波的第f 个二进制输入信息，瓦和霉分别是每个子载 波的符号持续时间和码片持续时间，a 厂是子载波间隔。可见在该系统中，各个子 载波上发送的信号是不一样的，但在文献 2 】中提出的基于d s c d m a 的多载波方 案中，各个子载波上发送的信号是一样的 图2 - 2 ( c ) 画出了m c d s c d m a 的接收框图。通常它由个相干接收机组成， 因为对m c - d s - c d m a 方案来说，通常假设它在每个子载波的信号经历了非频率 选择性衰落 o a s ( 2 a f 4 t ) c ( f ) 图2 - 2 ( c ) m c - d s - c d m a 接收框图 f i g 2 - 2 ( c ) r e c e i v e rd i a g r a mo f t h em c - d s - c d m a 2 3m t - c d m a 系统 m t - c d m a 发射端使用给定的时域扩频码来对串并交换之后的数据流进行扩 频，在扩频之前各个子载波之闻满足具有最小频率间隔的正交条件，然而在扩频 之后，每个子载波的频谱不再满足正交条件。m t - c d m a 方案采用的扩频码长度 是子载波数的倍数，因而和单载波d s c d m a 方案相比，该方案能容纳更多的用 户。 图2 - 3 ( a ) 和2 - 3 ( b ) 分别画出了m t - c d m a 使用b p s k 调制的发射框图和信号 功率谱。其中，子载波数l = 4 ，处理增益g l ，= 1 6 发送信号表示如下 靠o ) = q ，。见p 一( g 一1 ) 霉一珥】c o s 【2 兀( + 蛳f 】 ( 2 - 6 ) 1 - - q of - ig = l 图2 3 ( c ) 画出了m t - c d m a 的接收机，它有工个r a k e 合并器，它在a w g n 信道下为最优的接收机结构在m t - c d m a 中，存在载波间干扰，但是使用长扩 频码能减少自干扰和多址干扰。因而是值得考虑的。 m c - c d m a 的优点是它实际采用了o f d m 技术，融合了o f d m 的众多优点； 由于每个符号可以在多个载波上传输使得接收分集得以应用但它的应用复杂度 高于m c - d s - c d m a 和m t - c d m a 。m c - d s c d m a 的优点是它实际o f d m 和s s 技术的结合，下行传输性能好但它的有效性低于m c - c d m a 。m t - c d m a 的优 点是它实际时使用s s 技术，并采用非相干检测。但是它在进行多载波调制信号时 会受到i s i 和i c i 的干扰。 g m t l 6 c ( r ) s ( 2 砺r ) 图2 - 3 ( a ) m t c d m a 发送框图 f i g 2 - 3 ( a ) t r a a s m i t t c rd i a g r a m o f t h em t - c d m a 么墅三= 工 石五石五 频率 图2 - 3 c o ) m t - c d m a 发送信号功率谱 f i g 2 - 3 ( ”p o w e r s p e c a - m o f m t - c d m a w x t n n i t t e ds i 印a b 接收 s ( 2 秭，) c o s ( 2 矾f ) 圈2 - 3 ( 0m t - c d m a 接收框图 3 垂直空时分层m m om c c d m a 空时结构与性能分析 许多研究表明，m i m o 技术能够在不增加带宽和发射天线功率的情况下，有 效地利用随机衰落_ 和多径传播来成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率 1 3 ，1 4 】。 其中，v - b l a s t 算法是一种有效的m i m o 处理算法，利用v - b l a s t 技术，如同 在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的予信道，其结果是极大提高系统的容 量 m c - c d m a 由于可以采用频域分集和优良的性能被认为是多载波三种方案中 最具前景的方案，也是未来移动通信系统最具竞争力的方案之一。将m i m o 技术 与m c - c d m a 方案相结合，构成空域复用m i m om c - c d m a 系统将在很大程度上 提高系统的性能和容量。为此，本章提出接收端采用线性追零v - b l a s t ( z f v - b l a s t ) 检测算法【1 5 】的空域复用m i m om c c d m a 系统上行链路结构，在对 干扰特性详细分析的基础上，推导出了在接收天线数大于发射天线数条件下系统 上行链路平均b e r 理论公式，并进行了仿真验证。 3 1 系统模型 3 1 i 发射机模型 图3 - 1 示出了系统上行链路任一用户k 的发射端结构框图。在该系统中，假设 共有置个用户，发射天线数为m ，接收天线数为n ( 肘) ，用户k 的信号经过 b p s k 调制后分为符号组，每组有m 个符号噬0 6 2 ) 6 。分别由膨根发射天线 发送出去。其中任一符号b l 神周期为瓦，经过1 ：m 串并变换后复制成p 个数据流， 然后进行频域扩频，再调制到相应的p 个子载波载波上( 相当于进行嘲运算) ， 即每个符号的p 个数据流经过典型的m c c d m a 调制后由相应的天线发射出去。 用户k 在第小个发射天线上发送的等效低通信号可表示为： ( f ) = 丢魂m 、i ) ，q ，r e e t r ( t i t ) c o s 2 ，r f p t ( 3 1 ) l - m m 式中，每个用户每个子载波具有相同的比特功率，西 帕( f ) 的取值为l ， t ；肘瓦为串并变换后的符号周期，q ，( p = o ，l ，p - 1 ) 为第k 个用户的第p 个扩频 码，= 二+ p 矽( ，= o ，l ，p - i ) 表示第p 个子载波的中心频率，五是基础频率， 4 ，= l t 为子载波问隔，符号能量瓦= 8 p t ，系统带宽采用等效低通信号s ( f ) 的 带宽b = ( p + 1 ) r r e c t r ( t ) 为单位矩形脉冲信号，其波形定义如下： 1