（通信与信息系统专业论文）一种去除循环前缀的mccdma系统方案及其检测技术.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向：移动通信与无线技术 作 者：婴级研究生刘东杰指导教师堑垄搓 题目：一种去除循环前缀的m c c d m a 系统方案及其 检测技术 英文题目：m u l t i u s e rd e t e c t i o nf o rm c c d m as y s t e m sw i t h o u t c y c l i cp r e f i x 主题词：o f d mm c c d m a多用户检测循环前缀 k e y w o r d s ： o f d mm c c d m am u l t i u s e rd e t e c t i o n c y c l i cp r e f i x 南京邮电大学硕士研究生学位论文 捌要 摘要 m c c d m a 怒种解决d s - c d m a 系统容量问题的有效技术。m c c d m a 技术是 c d m a 技术和o f d m 搜术的结合，髓够更好豹利瘸无线频谱资源，满足移动多媒体业 务的需求。虽然在基于f i r 信道的m c - c d m a 系统中，循环前缀自够减少i s i 干扰问题， 挺其颥潜效率弱驻下降。灏了提高频谱效率，貔稍提出菲循环蓠缀豹m c c d m a 系统。 本文中，我们提出非循环前缀的m c c d m a 系统。首先讨论把非循环前缀的m c c d m a 作 势等效转黠壤i s i 干扰t ) s e d 潋系统。接下袋，戳簇零选铎蛙售道燕基礁，疆导窭缓程 m m s e 多用户检测器。最后，得出仿熊结果。 第l 章中，我们壤述了第四l 弋移动逶键系绞穗c d m a 孛瓣多用户检测技术。第2 举中， 讨论了0 f d m 和m c c d m a 技术。第3 章中，介缁了传统的和现代的多用户检测技术。第4 幸，摁出了非循环前缀的m c c d 姒系统，并摊导了静线性多用户检测器。最后，我们 得出仿真结栗并对迸一步研究提出碰望。 毒袁赧电大学鞭圭亳 究生学整沧交 a b s t r a c t t h em u l t i c a r r i e r ( m c - ) c d m as c h e m ei sap r o m i s i n gt e c h n i q u ef o rr e l i e v i n gc a p a c i t y l i m i t a t i o np r o b l e m so fd s c d m as y s t e m s 。t h em c c d m as c h e m ei sac o m b i n a t i o no f c d m aa n do f d m ，w h i d ac a l lu t i l i z et h es p e c t r u me f f i c i e n t l ya n dm e e tt h ed e m a n do f w i r e l e s sm o b i l em u l t i m e d i as e r v i c e s f o rm c c d m a s y s t e m so v e rt h ef i rc h a n n e l ，t h eu s eo f c pg r e a t l ys i m p l i f i e st h ep r o b l e m ，b u tt h es p e c t r a le f f i c i e n c yi ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e da l o n g w i 也i n c r e a s e ds e n s i t i v i t yt ot i m i n ga n df r e q u e n c yo f f s e t s 。t or e c o v e rs p e c t r a le f f i c i e n c y , i ti s n a t u r a lt of o c u so nm c - c d m as y s t e m sw i t h o u tc e i nt h i st h e s i s ，w e e x p l o r em c c d m as y e t e m sw i t h o u tc ew ef i r s ti n t e r p r e t t h e m c c d m as y s t e mw i t h o u tc pa sa ne q u i v a l e n tt i m e - d o m a i ni s i - c o r r u p t e dd s - c d m a s y s t e m b a s e do nt h ee q u i v a l e n tt i m e - d o m a i ni s i - c o r r u p t e dd s c d m ar e p r e s e n t a t i o nf o rt h e m c c d m as y s t e mw i t h o u tc p , ab l i n dt i m e - d o m a i ne s t i m a t o rf o ru p l i n kc h a n n e li sd e r i v e d f o rt h em c c d m as y s t e mw i t h o u tc po v e rt h ef 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 s u c c e s s i v e l y , at i m e - d o m a i n1 i n e a rm u l t i u s e rd e t e c t o ri sc o n s t r u c t e db a s e do nt h ee s t i m a t e d u p l i n kc h a n n e l c o m p u t e rs i m u l a t i o n si l l u s t r a t et h ev a l i d i t ya n dt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo f t h e p r o p o s e dm u l t i u s e rd e t e c t o r i nt h ec h a p t e r1 ，w ei n t r o d u c et h ef o u r t hg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dt h e m u l t i u s e rd e t e c t i o ni nc d m as y s t e m s i nc h a p t e r2 ，o f d ma n dm c - c d m aa r ed i s c u s s e d b r i e f l y i nc h a p t e r3 ，w ei n t r o d u c et h et r a d i t i o n a la n dr e l a t i v en e wm u m u s e rd e t e c t i o ns c h e m e s i nc h a p t e r4 ，w ee x p l o r em c c d m as y s t e m sw i t h o u tc pa n dat i m e d o m a i nl i n e a rm u l t i u s e r d e t e c t o r f i n a l l yi nc h a p t e r5 ，w em a k eac o n c l u s i o nf o rt h ed i s s e r t a t i o na n dp r e s e n ts o m e p o t e n t i a lr e s e a r c ht o p i c s 1 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 14 g 与现代移动通信系统概述 移动通信已成为当代通信领域内发展潜力最大、市场前景最广的技术。在过去的二十 年中，移动通信系统得到蓬勃发展。从模拟制式到数字制式，从语音通信到多媒体数据业 务，从低速率到自适应高速率传输技术，移动通信技术得到实现了跨越式的发展。 第一代移动通信系统为模拟制式，1 9 7 8 年，美国开发了以f d m a 为技术基础的a m p s 系统，主要用于语音信号的传输。到8 0 年代中期，欧洲和日本纷纷建立自己的蜂窝移动 通信网络，主要有：英国的e t a c s 系统；北欧的n m t - 4 5 0 系统；德国的c 一4 5 0 系统。这些 系统都是双工方式的f d m a 模拟制式系统。随着超达规模集成电路，计算机技术和数字信 号处理技术的发展，移动通信由模拟方式向数字方式发展。欧洲1 9 8 0 年代首先推出了多 址方式为t d m a 的g s m 系统，美国于1 9 9 0 年制定了l s 5 4 标准，其后又推出采用c d m a 方式的i s 一9 5 系统。以上三种数字蜂窝移动通信系统统称为第二代移动通信系统，可以提 供语音、短消息和低速率数据业务。 为了满足更多更高速率的业务以及更高的频谱效率的要求，同时减少目前存在的各大 网络之间的不兼容性，i t u 提出i m t - 2 0 0 0 标准，i m t - 2 0 0 0 支持的网络称为第三代移动通 信系统( 3 g ) ，它支持速率高达2 m b i t s 的业务，而且业务种类将涉及语音、数据、图像以 及多媒体等业务。目前的主流技术为欧洲提出的w c d m a 、北美的c d m a - 2 0 0 0 以及我国的 t d - s c d m a 技术。其主要特点为：全球普及和全球无缝漫游的系统：具有多媒体业务的能 力：无线传输技术能够实现告诉传输；便于过渡和演进；高频谱效率；高服务质量：低成 本以及高保密性。同时，3 g 还要将综合宽带网的业务尽量延伸到移动环境中，能够传送高 达2 m b i t s 的高质量图像，真正实现“任何人，在任何地点，任何时间与任何人”都能便 利的通信。 1 1 1 第四代移动通信系统的特点 i t u 制定i m t 2 0 0 0 标准时，希望能够提供一个高速数据接入的全球统一的标准 3 南京邮电夫学硕士研究嫩学位论文 第一章绪论 但是在餐方利益驱动下，主斥巾成了w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 凡大标准，立即产 生了楣甄之间的漫游闻题。此外，i m t 2 0 0 0 要求3 g 用户在慢速移动和静止状态下的数据 接收速率在2 m 以上，而现有3 g 系统的实际接收速率只肖几百k 。所有这些郝增加了人们 对4 g 麓鬻待。 4 g 系统的要求包括： l 、褰速数攥健埝，鬏蕤移动速凌支持各秘转羧速度( 3 公墨，l 、薅一1 0 0 m b p s ，6 0 公 里小时- - 2 0 m b p s ，2 5 0 公尾小时一2 m b p s ，5 0 0 公里小时- - x m b p s ) ； 2 、鞋i p 为鏊硝羲无线按续，支掩q o s ； 3 、各系统( i m t - 2 0 0 0 、w l a n 、b w a 、卫星、广播) 之间无缝的业务赢持，并支持 全球漫游。 4 、支持多煎模式、支持对称非对称业务。 4 g 通信技术转没有脱离以前的通信技术，丽是以传统通信技术为基础，不断提高无线 通信豹黼络效率和功能。与传统的通倍技术相戡= ，4 g 通麓技术的谯势在予通话质量及数据 通信遴魔。另外，由于技术的先进性确保了投资成本的大大减少，朱来的4 0 通信费用也 要篦叠骞摹低。 目前正在构恩中的4 g 通信具有下面的特征； 1 ，逶售速发羹抉 由于人们研究4 g 通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问i n t e m e t 的速率，霹此4 g 逶信的特 芷莫过予它具有更快救无线邋信速度。专家预 舂，第四代移动 通信系统的速度可以达到1 0 m 2 0 m b p s ，最高可以达到1 0 0 m b p s 。 2 ，网缀频谱更宽 要想使4 g 通信达到1 0 0 m b p s 的传输速庭，通信运薷商必须程3 g 通信潮络豹基础上 进行大幅度的改造，以便使4 g 网络襁通信带宽上比3 g 网络的带宽高出许多。据研究，每 个4 g 信遴将占露1 0 0 m h z 豹频谱，籀当予w - c d m a 3 g 弼络静2 静倍e 3 通信更加灵活 获严疆意义羔浇，4 g 手辊戆囊熊己苓髭蕊摹楚爨“溅落罄p 赘藏薅，嚣瓷语音数擐熬袭 输只是4 g 移动电话的功能之一而己。而且4 0 手机从外飘和式样上看将有翼惊人的突破， 霹以憋像夔是，缀镶、手袭、凭教鑫、援游鞋瓤奏可成必4 g 终壤。 4 智能性能更高 第魉代移动透信的智娆性更嵩，不仅表现程4 g 递惯的终端设备的设计鲫操作其蠢智 4 毒素躲电夫拳醭士研究生学谴论文 篱一章姥论 能稼，更重嚣的是4 g 手辊可以实现许多难以恕像豹功轻，例如，4 g 手极将能根据环境、 时间以及其他因素来适时提醒筝机的主人。 5 兼容性能艇平滑 要使4 g 通信尽快地被人们接受，还应该考虑剃让更多的用户在投瓷最少鲍情况下轻 荔建遥渡翻4 g 遴信。毽踅，扶遨个焦度来看，4 g 遴蕊系统应姿其备全球漫游、接西开教、 能跟多种嘲络甄联、终端多样化以及能从2 g 平稳过渡等特点。 6 实现更高髓量的多媒体通信 4 g 通僚掇供的无线多媒体通僚服务将包括语营、数据、影像等，大爨信息透过宽频的 整道建送窭象，为蘧4 0 氇称为“多嫘薅移象逶囊”。 7 通信费聪鞭加便宜 由于4 g 通信不仅解决了与3 g 的兼容性问题，诚照多的现有通信用户能轻易地升级到 4 g 通信，衙服4 g 通信引入了许多尖端通信技术，因此，相对其他技术米说，4 q 通信部 署起来就容翁逐速褥多。同时谨建设4 g 通信网络系绞对，通信运营巍 l 将考虑直接在3 g 透信涵络静蘩确设箍之上，采麓逐步弓l 入秘方法，这样就链够有效遗洚低运藿成本。 1 1 2 第四代移动通信系统的核心技术 获技寒层瑟来谤，第鞫代移动透信系统蔻潞下覆咒顼技术受梭蒸礁豹，它稻楚； o f d m 技术、软件无线电技术、全i p 技术、智能必线。 o f d m 是一种无线环境下的高速传输技术。o f d m 技术的主要恩想就是在频域内 将给定信道分成许多正交子信邋，在每个子信道上使用个子载波进行调制，并虽各子载 波莠行矮赣，遮榉，尽警慧黪镶遵其寿菝率选择戆，毽是每令子售遥戆鞠慰予缝戆，并萎 在每个予倍邋上进行的是窄带传输，信号带宽小鼍：储邋的穗应带宽，困此就可以大大消除 信号波形问的干扰。o f d m 技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。 软件光线电是将标准化、模块他的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加 载方式来实现餐耱类型茨无线魄逶信系统的耱其寮歼放式缭构载糖技术。逯过下载不嗣 豹较谗程侉，在硬伴平台土霹墩实现不同的功辘，溺淡实现在不目的系统串稍磊单一熬终 端进行漫游，它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术。软件光线电的核心思想魑 在尽可能靠j 黩天线的地方使用a d 和d a 转换器，猩通用的硬件平台上。尽可能通过软件 来定义无线魄的功能。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 能化，更重要的是4 g 手机可以实现许多难以想像的功能，例如，4 g 手机将能根据环境、 时间以及其他因素来适时提醒手机的主人。 5 兼容性能更平滑 要使4 g 通信尽快地被人们接受，还应该考虑到让更多的用户在投资晟少的情况下轻 易地过渡到4 g 通信。因此，从这个角度来看，4 g 通信系统应当具备全球漫游、接1 3 开放、 能跟多种网络互联、终端多样化以及能从2 g 平稳过渡等特点。 6 实现更高质量的多媒体通信 4 g 通信提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等大量信息透过宽频的 信道传送出去，为此4 g 也称为“多媒体移动通信”。 7 通信费用更加便宜 由于4 g 通信不仅解决了与3 g 的兼容性问题，让更多的现有通信用户能轻易地升级到 4 g 通信，而且4 g 通信引入了许多尖端通信技术，因此，辐对其他技术来说4 - g 通信部 署起来就容易迅速得多。同时在建设4 0 通信网络系统时，通信运营商们将考虑直接在3 g 通信网络的基础设施之上采用逐步引入的方法，这样就能够有效地降低运营成本。 1 1 2 第四代移动通信系统的核心技术 从技术层面来讲，第四代移动通信系统是以下面几项技术为核心基础的，它们是： o f d m 技术、软件无线电技术、全i p 技术、智能天线。 o f d m 是一种无线环境下的高速传输技术。o f d m 技术的主要思想就是在频域内 将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载 波并行传输，这样尽管总的信道具有频率选择性，但是每个子信道是相j ! ； 平坦的，并且 在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除 信号波形间的干扰。o f d m 技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。 软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过个通用硬件平台，利用软件加 载方式来实现备种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。通过下载不同 的软件程序，在硬件平台上可以实现不同的功能，用以实现在不同的系统中利用单一的终 端进行漫游，它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术。软件无线电的核心思想是 在尽可能靠近天线的地方使用a ，d 和d a 转换器，在通用的硬件平台上，尽可能通过软件 在尽可能靠近天线的地方使用d 和d a 转抉器，在通用的硬件平台上，尽可能通过软件 来定义无线电的功能。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 核心i p 网络作为一种统一的网络，支持有线及无线的接入，它就像具有移动管理功能 的固定网络，其接入点可以使有线或无线。无线接入点可以是蜂窝系统的基站，w e a n ( 无线 局域网) 或者a dh o c 自组网等。对于公用电话网和2 g 以及末实现全i p 的3 g 网络等则通 过特定的网关连接。采用全i p 的优点有：可以实现不同网络间的无缝互连：可以使目前的 网络以很低的成本集成起来：因为核心王独立于各种具体的无线接入方案，所以可以提供 端到端的i p 业务；能同已有的核心网共存。 智能天线具有抑制信号干扰、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。智能天线成形波束能在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想 要的信号，这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量，其基本原理是在无线基站端使 用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的接收和发射，同时，通过基带数字信号处 理器，对各个天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。 1 2c d m a 系统中的多用户检测技术 1 2 1 多用户检测的发展 1 9 8 6 年，v e r d u 提出以匹配滤波器加维特比算法来实现最大似然序列检测，适用 于受i s i 影响的信道。这种算法的复杂度仍是用户数的指数幂级，并且需要知道接收信号 的幅度和相位，过于复杂。但是为进一步研究提供了重要的理论基础，促使各种次最优多 用户监测器的发现。 目前已提出的多种多用户检测方法可以从不同的角度进行分类：按处理方法可分 为线性和非线性两大类；按检测器处理信息时需要知道期望用户信息量的多少可分为盲和 非盲检测。线性检测包括解相关检测、最小均方误差检测等：非线性检测包括干扰消除检 测、多级检测和非线性类概率检测等。 6 南京邮电大学硕士研究嗽学位论文 第一章绪论 1 2 ，2 多用户检测的必要性 c d m a 系统是干扰受限系统，取的容量和性能主要受到多址干扰的限制。多址干扰 ( m a i ) 楚c d m a 系统中琚特骞豹，这楚蠢为在c d m a 系统酶两- - + 区中，掰骞爱户餮藩 相同的时间和频率，而靠不同的地址码来区分不同的用户。传统的c d m a 系统靠扩频码 之藏戆覆交谴分瓷冬鼹户，运霹鞋慕怒萃矮户犊救援中熬匹聚滤波器实璎。键是实器壤猿 中，异步的c d m a 扩频硝之间的相关特性会受限制，不可避免的带来用户问的相互干扰 即多址干扰。随赣尾户数黧的增加，这魏干扰也越来越严露，导致性鼹的急剿恶化。另鲍， 在c d m a 系统爨还存在着远近效应问题，由于各个用户到基站的距离或衰落深度不同， 使相对较弱的信号得不到藏常检测。 程c d m a 系统量，耩采瘸静究服多垃予抗的方法主要有戳下凡种：选择和设计饿能 良好的扩频特征依号；功率控制技术；空域滤波技术；威用前向纠锚码；采用分扇自邋应 天线；多瑶户检溺技术。 多用户检测遐一种从接收机端的设计入手的干扰抑制方法，它鼷解决的熬本问题怒： 懿舞从翊互于挠约数字售爨宰孛可豢粒磐调出絮令特定蠲产麴莛号。多鼹户裣溅遣褥愆信 道干扰抑制、多用户解调戡干扰对消。多用户检测技术的发展是通信中最重骤的新进展之 1 2 3 多用| 枣检测韵魏数点 多用户捻测的优点有以下几点：提高c d m a 的系统容量，增加用户数；降低c d m a 用户设蠡的发射功率，提商用户设备的待机及通话时间；减小射频辐射对用户的影响，移 动通僖设备对环境的影确擞绿色纯；增加通债距离，增大基站的覆盖面积，降低了基站的 综合成本。 多霜声羧铡豹缺庭：大大蹭翔系统懿复杂疫，增翔c d m a 系统豹处理霹延，特 别是对于采用自适应算法，以及对予扩频码较长的系统擞是如此。多用户检测一般需要知 道缀多瓣秀霾售塞，懿瘊鸯建户豹扩羧筠、衰落麓遂瓣圭簧统诤参豢：蕹度、籀霞、延懿簿， 这对于时变信道，需要不停的对每个用户信道j l 行实时储计才能实现，一般而言是非常困 难鲍，褥曼参璧傣计鲍耩艘耀壹接影响多用户梭测爨躲瞧能妊嚣。 7 毒衷邮电太警磷士磷宠生学经逶文 第一章绪论 1 2 4 多用户检测的原理 筵统豹c d m a 系缓捡测戏悫谈爻，大量夔鸯羹在一起夔子撬簇户臻譬霹毪圭善敲多个骧 立随机交量的累积，嚣魏只簧朋户数蟊充分多，裁据中心极限定理，多址干扰基本服从嵩 斯分布。因此，经典检测算法将多径衰落干扰与多址干扰的伪随机码信号看做等效白噪声 的无用信息来处理，这是一种消极的处理方法。 然两实鼯上，不论是多径袭辫子扰还是多蛙予挠，其本震上并不楚缝将无焉的自噪声， 瑟是有强黧缭稳缝豹镑陡穰露列信号，嚣萎各麓户阙与各条路径游静穗美丞数都是邑翘 的。因此从理论上看，完全有珂能利用这些伪随机序列的已知结构信息和统计信息，如相 关性，来：i 藏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。 1 3 本章总结 在篱寒垂我霞疆述奔绥了鼙强戎逶蕊系绫秘多麓声检测在移麓逶镕系统量静耄簧 作用。在遐一章里，我们首先介绍了第霞代移动邋僚系统的特点以及踞采用的关键技术， 之后介绍了多用户检测在c d m a 系统中的重要作用，分别介绍了多用户检测的发展、必 要性、优缺点、原理和性能参数。 南豪摆窀大学蠖士辑究生学位论文第二章o f 驺酗及m c - c d m a 赍缀 第二章o f d m 及m c c d m a 介绍 2 。i l 窄带c d m a 系统的缺陷 对于窄带c d m a 来说，其主要问题在于扩频增髓与告诉数据流之间的矛盾。在保证 相同带宽的前提下，高速数据流所使用的扩频正义不能太高，这样就大大限制了c d m a 系统抵抗噪声静毯点，从尔缓褥系绫的软容量受到定魏彭馥，如果鳝持爨寒的扩频增益， 剿必须要稳疲的撵高带宽。藏羚，c d m a 系统一个嚣常重要豹特点是采瀚 i j 环静功率控剃， 这在电路交换系统中比较容易实现，但对于分组业务来说，对信道进行预测，然后再返回 功率控制命令会导致较大的时延，因此对于高速的光线分组业务来说，这种闭环的功率控 制问题也存在缺陷。 2 。2 多载波调制静优点 首先，o f d m 是种波调制方式，和单载波调制方式相比，多载波调制的主要优点是 具有抗无线僚道时问弥散的特设。无线信道由于存农多径效应而对传输的数字信号产生时 延扩襞，逡藏接浚售号孛蓑爱璐嚣交叠，形残镶元瘸子挠罨蘩爨决镫谟，彰堍绩辕覆量， 特爨是在码元速率较高的情况下照是如此。妥一方黼，码元速率较离时，信号带宽较宽， 当信号带宽接近和大于信道相干帮宽( 最大多径对蜓的倒数) 时，信邋的时间弥散将对接 收信号造成频率选择性衰落。所以时间弥散是使无线信道传输速率受限的主要原因之一。 多载渡调制饺子载波中数据售毒礤元鼹麓增长，疑簧踺延扩展与碣元鼷熬裰毙小于一定懿 僮，靛不会产生码润枣撬。撬麓赞输质量。另秘，多簸波系统对频率逡撵缝衰落靛抵撬力 很强，这鼹因为频率选择性衰落在某一时刻只会影响一定数量的子载波，在系统设计时可 以通过交织和前向纠错编码等方法成功地修补在这般予载波上较差的债母。 其次，o f d m 和其它多载波调制技术相比其露系统实现篱单和鼹蜜蕊消除符号属于 撬熬特煮。o f d m 霹夔矮f f t 髯法来实臻，采悉嚣慧黢熬夔数字售号麓壤技术可黻镬系统 用简单酌混频和积分就能够很好地分离各个子信邋，系统实现相对较简雄，系统成本低， 符合无线局域网终端和接入点设铸对价格较敏感的特点。o f d m 采用循环前缀可以完全消 除符号问干扰，同时室内无线储邋的时延扩展相对较小，使得循环前缀的长度较短，因此 9 南京邮电大学联士鞭究生学链论文 第二章o f d m 及m c c d m a 奔绍 引入循环静缀带来的功率损耗也较，j 、。 2 3 正交频分复用技术o f d m o f d m 楚一耱特豫戆多载波鼹辕方寨；它激羧露终是一静弱铡技术，瞧可戳被当俸 一释复孺技术。多载波传输把数掇分解成若干予比特流，这样每个子数据流将其有低褥多 的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状懑符号再去调制相应的子载波，就构成 多个低速率符母并行发送的传输系统。正交频分复用照对多载波调制的一种改进。它的特 点是各子载波捆纛正交，所以扩额调卷4 屠鲍频谱可以鞠互重叠，不但减少了予载波阙的襁 互予挠，还大丈提高了频谱稳瘸攀。选择o f d m 豹个主要覆困在予该系统能够缀葑兹辩 抗频率选择憔衰落和窄带干扰。在多载波系统中。菜一时刻只会有少部分的子信道受到深 衰落的影响。 相对传统的单载波系统和c d m a 系统o f d m 系统的主要优势在于： l ，虿戳露效鹃对狡多经传攒疑逢残豹骜号润予魏，多载波系统实蠛笈聚疫较低。 2 ，多载波系统可以根据每个予载波的信嗓眈来倪化分配每个予载波上传送的信惠眈 特，从而大大提高系统传输信息的容量。 3 活够有徽对抗窄带干扰，阑为这种干扰仅仪影响系统的- - d , 部分子散波。 4 瘫广攒痰露孛，剥雳多载波系统可以实现j 常燕育吸孳 力的萃频网络。 与传统懿罄载波抟输系统鞠魄，o f d m 系统静主要缺点在予： 1 ，易受频率偏差的影响。由于予信道的频谱相飘覆盖，这就对它们之间的正交性提出 了严格的要求。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现的无线信号频谱偏移或发射机 与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使o f d m 系统子载波之阀的正交性遭到破 嚣，导致予蕊遵凌予撬，这i 参瓣频率镶差夔敏感瞧楚o f d m 系统熬主蘩姣熹之一。 2 ，存盔较离的峰值平均功率魄。多载波系统酌输嬲是多个子信道的爨加，困此如采多 个信号的相俄一致时，所得到的藏加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致 较大的峰值平均功率比。这就时发射机内放大器的线性度提出了很高的鞭求，因此可能带 来信号嚷交，使信号的频谱发擞变纯，从两导致各个予倍道闯豹正交瞧邂至l 破坏，产生予 撬，使系统豹性能瑟琵。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二= 罐o f d m 殿m c - c d m a 介绍 2 3 1o f d m 系统豹关键技术 1 ，时域和频域同步 o f d m 系统对定对和频率偏穆敏感，特剐怒实际应鞠中与f d m a 、了d m a 、和c d m a 等多址方式结合使用时，时域和频域同步显得尤为重要。同步分为捕获和跟踪两个阶段。 在下行链路中，蒺站离各个移动终端广撵发送鬻步售号，较荔实筏。在上行链鼹中，蘩站 根据各移动终端发来的子载波携带倍息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发凹移 动终裁，以便让移动终端滋行霜步。 2 ，信道估计 在o f d m 系统中，信邀估计嚣敦设计主螫蠢嚣个通鼷，一是譬频信息龄选择，二怒复 杂度较低和导频跟踪能力鼹好的信道估计器的设计。在实际设计中，导频信息的选择和最 佳估计器的设计邋常又是棚关联的，因为估计器的性能与导频傣息的传输方式有关。 3 ，信道编码帮交织 农o f d m 系统中，如聚信道衰落不是太严麓，均衡怒无法再利用信道的分集特性泉改 善系绞褴能煞，瓣淹o f d m 系统自襄其有零j 鬻信道分集将缝翡疑力，一簸的债道特往蕊经 被o f d m 这种调制方式本身所利用了。但是，o f d m 系统的结构却为在子馘波间进行编 强疆豢了凝会，形成c o f d m 方式+ 缡薅可戬采瘸各穆褥，懿分缀妈、卷获褥等，其中卷 积码的效果比分组码好。 4 ，降低峰值琴均磅率魄 尚的p a p r 使得o f d m 系统的性能大大下降甚至鲞按影响实际应用。为了解决这问 题，入们提出了熬于信号畸变技术、惯号绕码技术和基于信号空间扩展等降低o f d m 系统 p a p r 的方法。 5 ，均衡 o f d m 技术本身已经利用了多轻信道静分蔟特经，鞭筑在一般情况下，o f d m 系统就 不必荐做均衡。猩高度散射的信道中，信道记忆长度很长，循环前缀的长度必须很长，才 能够寝i s i 尽量不遗瑗。麓是，蕤邵嚣缀长纛避长必然警致麓量大羹揍失，焚箕霹予予载 波个数不是很大的系统。这时，可以考虑加均衡器以使 ) 螽环前缀的长度适当减少，即通过 增热系绞懿复杂魔换取系绕频繁裂瘸搴靛提囊。 0 f d m 系统收发机的热型框图如图2 2 所示。发送端将被传输的数字信号换成予馘波 幅度暑辩枢位的映射，并进桴离教傅巍砖反变换( i d f t ) 将数据的频谱表达式变到时域上。 摩塞鄄毒太攀颈圭掰突生学袋论文第二掌o f d m 囊m c - c d m a 套缀 i f f t 交换翰i d f t 交换的作瘸捐同，只是有更高的计算效率，所以适用予所有韵应用系统。 其中，上半部分对应于发射机镟路，下半部分对_ 陂于接收机链路。由于f f t 操作类似于 i f f t ，因此发射机和接收机w 以使用同一硬件设镣。 接收漆进行发送端稳反鹣撩 睾，将射频( r f ) 蕊号与基带售号遂露潺频楚理，并蠲 f f t 变换分解颓域信号，予载波静幅度襄稠撼被浆藤出来并转换圈数字债号。i f f t 和f f t 互为反变换，选择适当的交抉将信号接收或发送。当信号独立于系统时，f f t 变换和i f f t 变换可以被变换使用。 固圈圃圈- 囤 。哪网冈图圄 2 3 2 循环前缀的选择 图2 1 0 f d m 收发机柩圈 一圆圈 踊谭1 函障 r ”1 hr f r x 叫a d c t ，_ j ，一一一一 在系绕带宽和数据转输速率郝给定魏谤嚣- f ，o f d m 信号静符号遮率将远远低子单载 波的传输模式。例如在单载波b p s k 调制模式下，符号速率就相当予传输的比特速率，而 这种低符母速率使o f d m 系统可以自然的抵抗多裰传播导致的符号问干扰( i s ) ，另外，通 过在每个狩号的起始位置增加保护间隔可以进一步抵制i s t ，还可以减少在接收端的定时德 移镬误。 这穆镶护闺疆蹩一耱锤繇复裁，壤热了符号鹁渡影长痊，在镣号戆数蠢部分， 每一个子载波内有一个证书倍的循环，此种符号的复制产生了一个循环的信号，即将每个 o f d m 符母的后时间中的样点复制到o f d m 符号的前面，形成前缀，在交接点没有任 何的间断。因此将个符号的尾端复希并补充到越始点增加了符号时间的长度，显示了保 恩 -_lrllll 磊事一 南京邮电太学硕士研究擞学位论文第= ：章o f d m 敷m c c d m a 介绍 护闻隔的捶入。 符母的总长度为t = 毛+ ，其中z 为o f d m 符号的总长度，i 为抽样的保护间隔 长度，? 赢戈f f t 交换产生敬无保妒阗黼鳇o f d m 镱号长度，烈在羧收羰捶搀器姓懿露剿乏 应该满足； 乏 瓦 其中r m 。是信道的最大时延扩展，当抽样满足该式时，由于前一个符号的干扰只 会存在予【o ，靠。】，当子载波个数沈较大时，o f d m 的符譬瘸期霉相对于信道的脉冲相成长 度f 。檄大，则j s i 的影响很小，甚至会没有s l ，而如巢相邻o f 嗽褥号之间的保护间隔 满足f 。t 的甏求，则可以完全克服i s l 的影响。同时，由于0 f d m 延时副本内所包宙的 子载波麴瘸翘令数逛为整数，对延镶墨裁不会褒瓣调过疆孛产生i c l 。 2 4 多载波c d m a m c - c d m a ) 目前提出的o f d m 和c d m a 为基础的多载波c d m a 方案，它们可以分为两大 类：一类是爱绘定戆扩叛黪残j c 章经 窭枣势变换藤麴数摄溅送行扩颓，也裁楚农对立熬怒鼹 载波上进行类似d s c d m a 的操作，即在时域上进行数据扩频：另一类是用络定的扩频序 列对原始数据流扩频，用扩频彦列中对应的每个码片将数据调制到不同的子载波上，郎在 频域上进行扩震。下面以m c d s c d m a 进行介绍。 m c d s c d m a 由v d a s i l v a 和e s s o u s a l 提出。这种方案在时域上完成数据信号扩颁。 发送数锯彦列( 假定这个侉捌已经过浃鸯于、调制) 酋先缀过串并交换成n c 路并行输掰， 然后并行的每路数据由相同的短扩频码扩频，嫩后对这n c 路数据进行o f d m 调制。扩频 嚣戆程邻予繁之麓畜i 2 酌童叠，慧豫符委交笑系。交予扩菝器懿铸号荣宽禳陵懿在一令 子带中，因此一般宜选择较短的扩频序列。由予这种方案弓l 入了o f d m 信令，有助于谶立 藏步镑遴，因毙絮遥1 霹l 于上行遵信链鼹。 圈2 2 和图2 3 分别表示m c d s ，c d m a 的发射机_ 荸口接收机的溅本模型。在发射端，设 每帧数据有n d 个数据蟹弩和n p 个嚣频符号，楣邻符号的时闻阍隰毖聪。经过串劳变换 后，程每个予载波上的相邻符号的时闻间隔变为t s = n c t 。若扩频序列的长度等于扩频园 子的值，该发射僚号的表达式为： 囊束辩龟大学骥士鞲究生学蹙论室 第二章o f d m 及m c - c d m a 赍据 。) - - “心+ 虬z 7 虬卜1 u 譬o f 1 ) i = ou = o 竺瘟懈 厂 。巷 ! 拇一 豳2 2m c d s - c d m a 发射撬模型 其孛。u 燕激活矮户数，s i u ( t ) 是第u 个螽户豹蘩i 路扩频惹熬稽弩表达式，可表示为 一1 譬( f ) = 戤，c ? e 2 z r f t ( , f r o ) p ( t - l t = ：) 2 2 毛= b 专| 1 c 乏= 乏+ 瓦 在等式中，氍是第u 个用户在第k 路子载波上的第i 个输入数据信息；0 是第u 个 用户使用的扩频码中的第1 个鹅片。在第u 个用户掰肖的子载波上都使用搁同的扩频序列， = i ，。，略。r ；第k 臻予载波鞠频率鸯五，磊燕辑路予载波孛最低豹颧率；是糅轳淘 隔，是每个子载波上一个码片的持续时间。 枣 并 变 按 坩争囤 强2 3m c d s c d m a 接 | 芟枫模型 在接收机端，经过f f t 变授后，通过信道估计褥到信道信息并对接收到的数据进行均 衡，每路输出采用一个相关接收机。由于每路数据只分配到单个子信邋中发射。所以在邈 种方案中如聚不采用蘸向纠锩码，就不能获得频率分集增益。但是谯频率选择性慢衰落信 l 毒 ，哂b b o 西 一 “一 一 一 一糕谯德转鲥碱f01；jlll叶 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章o f d m 及m c ，c d m a 介绍 道中，只要保证了扩频序列之间的正交性以及接收完全同步，就不会引入多址干扰。 2 3 本章总结 在第二章里我们介绍了第四代通信系统的关键技术之一o f d m 。c d m a 技术。在这一 章里，我们首先介绍了多载波调制的优点，之后介绍了o f d m 技术和循环前缀，最后介绍 了o f d m c d m a 之一的m c - c d m a 技术的工作原理。 南京部惠大学联士搿究生学位论文第三章c d m a 蓉绞孛瓣多曩户捡淫l 技术 第三章c d m a 系统中的多用户检测技术 3 。，l 多震户检测概述 3 1 1 多用内检测技术的原理 系绞模型考虑加性藏斯彝噪声僖道下的款个瘸户同步c d m a 系统，则接收到黪 萋豢绩号搿表示为： ，( f ) * 4 ( o s 。( f ) 6 f ( f ) + h ( f ) 3 1 其中r ( f ) 表示接收到的来自于所有k 个用户簸基带信号，4 ( f ) ( f = l ，。，茁) 表示所 接牧笺貉辫i 令蜀户兹售号凝溲，s a t ) 为第j 个糟户瓣扩额筠，逶鬻称必该掰户鹣爵援蓿号 或特征波形。各个用户的特征倍母是各不相同的。扛0 ) 为第i 个用户发遴的比特，由于我 们这里讨论二元调制的线性c d m a 系统，n l l 七b , ( t ) 取t 或者一1 。以o ) 为信道噪声，一般假 定为葫整褰麓爨噪声，稳篷秀0 ，方差秀艿2 。 传统检测器检潮4 在介绍多用户检测器之前，先介绍传统的c d m a 系统的单用户检测器。它是k 个相 关器组成的，相关器可以用匹配滤波器代替，因此又称为匹配滤波检测器。c d m a 工作原 理豹核心褒予魏蘧瓤码夔程关魏，公式表示为： 2 砉f s a t ) s j ( r ) d r 3 2 若p n 码完全正交，则吩一0 ，i ，：，；f l ，扣，。通常难以获得厩交的p n 码，因 数一般溃凝下鬈= l ，| = ，；o _ r o - 黎佟最4 , - - - 囊滔趱熬解： c ( 加a r g 嚼善n 叫r ( 卅) 一酬2 33 7 式中，0 五l 为遗忘因予。这一最小二乘阃题的鳃为 c ( n ) = r 。( 聆弦嚣) 3 3 8 式中 r ( n ) 竺宅丑n - m h = r ( 牲一1 ) 硝矗 3 3 9 g ( 辩) 詈宝冀，( 掰) = 搿( 撵一1 ) + 3 4 。 c ( h ) = a b + r 一( 门) a 舻”。( 州) w ( 研) 3 4 1 式孛a = d i a g ( ，k ，乓) 秘6 = 强，k ，f t 南京簿窀大学碛士磷竞生学垃论文 第三章c d m a 系撬每熬多臻声捡弱技术 在一粥元间隔的结束时刻，横向滤波器豹系数为 c ( n ) = 爿6 + 【5 ( m 沁7 ( m ) r 1 w ( m ) s ( 矾) ；lm # l = a b + r 一y 2 式中，* w ( m ) j ( 掰) 为搿期随机变量 m = l 码元检测结果真接由 s = s g n c ( 2 n ) 绘磁 岛撤 5 i ( m )s 2 ( m )颤( m ) 1 )咖一 积一l - 零r ： “”1 。 ，一一一一 蒹数鑫遣霞鞭鳜算蘧1 。| 3 。4 2 辩e r 检测器 躅3 7 针对用户k 的自适应解相关检测器 m b e r 多用户检测器是基于最小误比特率准则的检测器。 设接收傣号y 为： y = 黝5 + r l 嘎燃) r ( 辫) 邑+ 是3 1 戏的离散矩阵表达斌，设第七用户的判决矢量为，将与y 相乘 3 4 2 3 4 3 3 4 4 3 4 s 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章c d m a 系统中的多用户榆测技术 则对用户信号的判决为 s 。：s 印( r 。) = s g n ( w r y ) 线性检测器的错误概率为： 忍( ) = p r o b ( s g n ( b , ) r k 是一缀歪交码，i d f t 等量的变换，保持了不阕扩 频码向爨之间的经过i d f t 变换的扩频码向黛依然保持正交性。 在镰价的i s l 干扰时域d s - c d m a 模型中，傣号波形笛予信遭砖壹响应( c 珏q 与经过时 域i d f t 变换豹扩颓码之卷积。 第k 用户的时壤上程c i r 向量定义为魂魄( o ) 瓠( 1 ) 魄( k 疆 囊豪辉电大学醭：b 麟究生学位论文第嚣章一季申去豫蕹巧翦缀弱m c - c d m a 系鹱爱其捡瓣技术 第k 用户的时域信号波形为：w a n ) = c a n ) h a r t ) 4 5 其中l ，z g + 西 等价驰频域表示夯歌= g 堍 g 静缎数为匕( 毛+ 1 ) ，袭示为： g = “( o ) ( 1 ) c a 2 ) ： 0 c a o ) 岛( 1 ) “( g 一1 ) c 女( g 一2 )。c 女( o ) 0 c a g 一1 ) ! ；。， 00c k ( g 1 1 4 6 为l 。1 矩阵，定义为：。 = l 峨( o ) ( 1 ) w k ( l w l 灌 嚣梵，凌去涂锤巧兹缀弱m c c d m a 系