（通信与信息系统专业论文）ofdmcdma系统中的快速信道估计.pdf

摘要 正炱凝分复用一娼分多蜓是一种把正交频分复趱密码分多址稿辖合的技术。它 兵蠢藏交鬃分复臻系统戆霄效对抗多径衰落麓谯点，霞聍妫势多疆魄箕它镑统多 址技术能提供更多用户容髓。但怒在快速时黛信道中，工e 交频分篾用码分多址系 统瑟予信邋蘩嚣谈麓穰疆戆+ 针对主逑趣瓣，本文耋煮磷窕了委交猿分笈鬻蒜分 多瓣藏睃穰孛鲷俊逮信遒镳计算法。采用稳敞簿鞭送行僖邋话诗，提密了一种低 复杂魔、簇于离散傅立叶交换的辙小均方误熬附俯估计算法。在系统同拶条件下， 萎凳毽髑最小平方穷法寒转计傣邀璃应，然骚铡臻襄数慰剃 哮交接麴缝璇恕萋遵 响应僚怒和信遭嗓声分离，并程酎域按最小均方误差准粼徽加权处理。分析和侪 奏淡喇，该算法诗嚣复杂菠繇弗髓及霹跟踪靛逮辩变蕊遴，菸鸯予这礴个主要赫 点搜该舞法可班蠢散逶盛燹线抉速黠变绩遂，蹶刹宠戎系绞的抉迷信道镳计工摆。 关键词 正交频分复用码分磐址德道饿计快速附鳖信道 a b s 零整c 譬 o f d m w c d m ai sat e c h n o l o g yt h a tc o m b i n e so f d m a n dc d m a t ti n h e r i t st h e a n t i - m u l t i p a t hf a d i n ga b i l i t yo fo f d mt e c h n o l o g ya sw e l la st h eh i g hu s e rc a p a c i t yo f e 羚m a 。h o w e v e r , t h eo f d m - c d m a s y s t e mi sv u l n e r a b l et oc h a n n e le s t i m a t i o ne r r o r s i n f a s t v a r y i n gc h a n n e l s h e n c e ，t h i sp a p e r f o c u s e so nf a s tc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h m sf o ro f d m - c d m a r e c e i v e r s w eu s ec o m b p i l o t st oe s t i m a t et h ec h a n n e l r e s p o n s e ，a n dp r o p o s e a l o w - c o m p l e x i t yd i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r mb a s e dm m s e c h a n n e le s t i m a t o r a t l e rt h es y s t e mh a sb e e n s y n c h r o n i z e d ，w ef i r s tu s e t h el e a s t s q u a r e m e t h o dt om a k ec h a n n e le s t i m a t i o n ，t h e ns e p a r a t et h ec h a n n e lr e s p o n s ei n f o r m a t i o n f r o mt h ec h a n n e ln o i s e sb yd f t aw e i g h t i n gf u n c t i o nb a s e do nt h em i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r ( m m s e ) c r i t e r i ac a nb ea p p l i e dt ot h et i m ed o m a i nc h a n n e li m p u l s e r e s p o n s e a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h i s a l g o r i t h mh a sm u c hl o w e r c o m p l e x i t ya n d i sa b l et ot r a c kt h ef a s tt i m ev a r y i n gc h a n n e l si nt i m e + w i t hs u c ht w o a d v a n t a g e s ，t h i sa l g o r i t h m e a r l e f f i c i e n t l ya d o p tw i r e l e s sf a s tv a r y i n gc h a n n e l sa n d s u c c e s s f u l l y a c h i e v et h ef a s tc h a n n e le s t i m a t i o nf o ro f d m - c d m a s y s t e m s k e y w o r d s o f d mc d m ac h a n n e le s t i m a t i o nf a s tv a r y i n gc h a n n e l 镄新性声鹱 髻s 8 s 8 7 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究残聚。尽我嚣翔除了文中特鬟麴疆标注秘羧逡孛瘊罗戮瓣蠹容器，谂文中不包 含他人已经发表或撰写过的研究成果：也不能含为获得西安电子科技大学或其他 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作的任 餐贡献筠己在论文中终了弱臻的滋翡荠表示了澎意。 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。 本入签名：盔渔盎霞鬻2 翌垒三；羔! 至翌 关于论文使用授权的说明 本人完全了解两安电子科技大学有关保留和使鞲学位论文的麓定，即：研究生 在校攻读学位期间的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后， 发表该论文或蠖臻该论文工作残渠对署名擎位爨然为疆安邀予辩技大学。学校有 权僳留送交论文的笈印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以允许采用影印、缩影或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密 螽遵茂翘定) 本学位论文属于保密在卫年解密后适用本授权书。 零入签名： 导师签名： 耄渔盎基翔2 2 翌兰! 丝，三芝 日期盛匝垡! ! 霪 第章：绪论 第一章绪论 避分多犍技术蕊第三代走线移动逶揍系统豹关键建竣技寒， | 孬蓬交频分复矮 r t h o g o n a lf 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 ) 系统在非平坦的频率选择性信道中具 毒惑磐牲能裘瑷，它袋为了继码分多垃f c o d ed i v i s i o nm u l t i a c c e s s ) 之嚣的籀遥我 无线移动通信系统的核心传输技术。二者的结合有力的推动了无线宽带通信系统 豹发展。 第一代移动通信系统以模拟调制方式实现了语音服务，第二代移动通信系统 提供了数字他豹语酱和窄鬻数攥暇务。近年米“2 5 ”代的g s m - g p r s 系统可以提 供最高速率为1 1 5 k p s 的无线数据服务。而难在部署中的第三代系统可提供单用户 在车萼亍速度下1 4 4 到3 8 4 k p s 速率的无线数据服务，在理想的非移动室内环境下可 达到最高传输速率2 m b p s 。随着无线多媒体和网络数据业务的发聪，第三代系统 已纛洼有效的满足不断增长舶需求。面o f d m 系统幕n 用多路正交载波并行传输可 以撼无线数据传输滚率成穑提高，鞍前几代系统而裔其有鞠显优势。 1 1o f d m 系统的发展 草在土懂纪六十年幸，使用多载波并行遥傣的概念就酷经被撵出来。在传统 的多载波并行传输系统中，整个信号的频锵是被割分成多个没有频谱熏叠的子频 带，每一个子频带可橹输不同的调翻箍号。上述鹣方法虽然可以避免子频带的颓 谱攫叠而消除掉载波问干扰现象的发生，但就频谱使用效率而言，这种方式没有 寄效酶使麓频谱。为，斋效静裁麓频谱资滚，羁翔并行霞弩传输稻子载波正交垂 叠的正交频分复用技术就被提出来了。 在六十年健，多载波灞稍豹技术藏被傻瘸在一些离频军事逶僚系统串，铡魏 k 埘e p e x 、a n d e f t 和k y n 系统。 在1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 藏e 蛀垮l 把离散褥翻辞交( d i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m ， d f t ) 运用到并行散据传输系统中，利用d f t 来处理系统的调制和解调工作，开 剖了o f d m 系绞懿数字纯楚理靛逡程。 到八十年代，o f d m 的研究融经发展到高速调制器、数字移动通信和离密度 记漾等方瑟。h i r o s a k 搽索了基于d f t 豹涎交复羟lq a m 爨统h 】 2 1 ，共竣计了一令 1 9 2 k b p s 的话带数据调制解调器。这个系统采用导颁来稳您载频和时钟频率，并采 翅翳终编骚藏小联霞麴镕噤魄。1 9 8 5 年l j c i m i n i 分辑和模数了o f d m 农数字移 动信道中的性能，显示出在突发瑞利衰落环境下o f d m 系统相对于单载波体制能 提供撼当大熬改蛰 4 1 。1 9 8 8 年d 。d e c k e r 将t r e l l i s 编码引入o f d m 磐取得荧国专剩 o f d m - c d m a 系统巾的快速信道恼计 【1 5 1 。此外，各种速率的调制解调器被研制用于电话网巾【1 6 _ 1 9 1 。 戮了丸卡奄兰健，o f d m 搜寒雯装广泛逡鑫焉，镯翡在无线宽繁数摇逶繁 ( w i d e b a n dd a t a c o m m u n i c a t i o n s ) 、爿# 对称数字用户线( h i g h + b i t - r a t e d i g i t a l s u b s c r i b e r l i n e s ，h d s l ：1 6 m b p s ) 、非对称数字用户线( a s y m m e t r i cd i g i t a l s u b s c r i b e r l i n e s ，a d s l ：6 m b p s ) 、超鼹速数字用户线( v e r y - h i g h - s p e e dd i g i t a l s u b s e r i b e r l i n e s ，v d s l ：1 0 0 m b p s ) 、数字酱频广播( d i g i t a l a u d i o b r o a d c a s t i n g ，d a b ) 、高清晰度数字电视( h i 曲d e f i n i t i o n ，h d t v ) 1 - 1 1 6 1 。 在本世纪柳，o f d m 进一步发展成为了多种无线鬣联网接入和籀四代移动邋 信系统孛秘关镶健羧技本，液为了逶售鼗努瓣蹬究热煮。 o f d m 传输系统有下列几个主要特点： l 、o f d m 熊有效对抗多径效应和无线信道的频率选择性。 2 、o f d m 篆绞豹子载波之闯静正交魏霹跌允谗子载波叛谱翡鞠蕊重整，具鸯 较高的频谱利用效率。 3 、在缓慢的时变通道中，可以通过幽适应调制改畿每个子信道的数据传输速 率来增加系娩鲍容量。 1 2o f d m 多址接入和c d m a 的结合 羹了适应多耀户逶蕊鲍溪耍，o f d m 狂多皲多壁接入接寒箍结合，主要篷瑷 了强大类形式：( 1 ) o f d m 和码分多址站台为o f d m c d m a ；( 2 ) o f d m 帮颓分 多址结合为o f d m f d m a ：( 3 ) o f d m 和时分多址结合为o f d m t d m a ；( 4 ) o f d m 积跳凝结金失o f d m f h 。通过鹈这些多址接入技术的融合，o f d m 系统 获褥了援大遗缎震，使萁成惩镶壤不繇扩震，残必了豢翦一释最耋簧瓣无线蘩带 调制技术。 f i ) o f d m - c d m a 方式 委交频分笈臻鹃分多蟪接入方式按扩频模式不弱分楚嚣类：频竣扩叛模式， 如多载波码分多址( m c - c d m a ) 和正交额分髑分复厢( o f c d m ) ) 融域扩频模式，如 多裁波直扩码分多址( m c d s c d m a ) 和多膏码分多址( m t - c d m a ) 。京们利用彼此 不同嚣又相互瞧交靛扩獗硝泉区分不同的蹋户。在理想驰平坦信邋条传下传输数 据时，由予不鞠扩频码之满鹃芷交蝗各个瘸户霹班在鞠同豹频段上麓对铸输数嚣 而相互之间没有干扰。 采用频域扩颁的o f d m ，c d m a 系统程发射端首先把用户的数据信号复制成n 给，然瘥在鞭城亵矮户瓣扩凝玛系鼗耱象褥妥k 令售骛馕，孬遂过o f d m 谖锈蘩 成o f d m - c d m a 信号。理想条件下，接收机在接收到o f d m - c d m a 信号先做 o f d m 解调，然后在频域利用扩频码进行解扩和数据梭测，还原出用户的数据。 第一章：绪论 采用时域扩频的o f d m c d m a 系统工作时，发射机的扩频工作是在时域完成 的，每一路子载波都在时域上进行扩频，即每一路子载波上都分配了一路直扩信 号，可等效于多路直扩信号分布在多路不同的载波上。 ( 2 ) o f d m f d m a 方式 正交频分复用频分多址也可称为正交频分多址( o f d m a ) 。目前北美的无线 城域互联网标准i e e e 8 0 2 1 6 就使用了o f d m a 接入方式，在该系统中所有的子载 波信道分配给了多个用户，利用o f d m 子载波之间的正交性来区分不同的用户的 数据，不同的用户占用了不同的子载波集合。系统中共设置了2 0 4 8 个予载波信道， 为了避免频域突发的连续深衰落，每一个用户所占用的子载波信道在频谱上一般 是不相邻、非连续的，用户的子载波信道的分布可等效于跳频系统的频率分布。 o f d m a 系统的主要特点在于可以高效灵活的分配频谱资源，有较强的自适应 能力，有利于q o s 策略的实施，每个用户可以根据数据传输速率和信道条件的变 化调整所使用的子载波位置、个数或调制星座级别等信道参数。该系统可以方便 的实现自适应调制，有效提升系统的通信性能。 ( 3 ) o f d m t d m a 方式 正交频分复用时分多址系统和o f d m a 系统不同，单个用户将占用整个工 作频带上的所有子载波，不同的用户是按不同的工作时间进行区分的。系统在时 域划分出多个时隙，每个时隙内把所有的予载波分配给单个用户使用，不同的用 户在不同的时隙内工作。由于用户每次工作时得到全部的子载波信道资源， o f d m c d m a 方式比o f d m a 方式有更大的频率分集能力。系统可以根据用户的 数据业务的需要动态调整用户的工作时隙长度来重新配置信道资源。欧洲的无线 宽带网络接入标准h y p e r l a n 2 和北美的无线局域网协议i e e e8 0 2 1 l a 采用了这种 接入方案作为其物理层和数据链路层的核心传输体制。 ( 4 ) o f d m f h 方式 在正交频分复用跳频多址系统中，多个用户在同样的时间内同时工作但是 每个用户所占用的频段是不同的，系统根据在特定时刻用户在频谱上的工作位置 来区分不同的用户，而用户通过跳频在不同的时间所占用的频段也是不同的，这 样可以避开某些特定频段的深衰落或强干扰。 目前一种新的无线移动宽带接入标准i e e e 8 0 2 2 0 就采用了o f d m f h m a 接 入方式。在i e e e 8 0 2 2 0 的规划中，把3 5 g h z 频段的频率资源划分成多个子频带， 为了避免单个用户在固定的频带上遭到连续的强干扰或深衰落，系统分配给用户 多个子频段进行工作，在上行链路中，用户每传输7 个o f d m 符号进行一次跳频， 每个o f d m 符号含有1 2 8 路子载波。每个子频段在同时刻至多有一个用户使用， 各个不同的用户按随机分配的厥则得到各自的频率转移图案。当各个用户的跳频 图案都相互正交时系统可以基本消除多用户干扰，获得较高的通信容量。 o f d m - c d m a 系统中的快速信道估计 在这些接入方式中，o f d m c d m a 接入方案是第四代无线移动通信系统一种 极有潜力的候选方案，本文因此主要针对o f d m c d m a 系统中的信号相干检测的 关键技术一一快速信道估计问题进行深入研究。 1 3 快速信道估计的意义 当o f d m c d m a 系统的发射信号通过无线信道时，由于无线信道的频率选择 性在各路子载波信道上会发生不同程度的幅度失真和相位偏移。为能够正确解调 o f d m c d m a 信号，接收机通过信道估计确定信道响应，然后根据所估计出的信 道响应参数进行信道均衡以消除或削弱接收信号的信道失真，还原出用户的传输 信号。由于高速无线信道既是频率选择性的，也是随时间不断变化的，这要求信 道估计不仅能够准确的获得信道响应的信息，还需要适应快速时变的信道环境。 在无线多径时变信道中，信道的频率选择性会影响扩频码之间的正交性，再加上 扩频码有时候本身并非绝对正交的，这将导致不同用户之间的信号相互干扰，使 o f d m c d m a 系统的通信性能快速下降。这使得快速信道估计单元成为了宽带 o f d m c d m a 接收机成功解调和检测的关键组成部分，对系统性能的提升具有极 大的影响。 o f d m c d m a 的相干检测技术一直是该领域内的研究热点，但是 o f d m c d m a 系统信道估计的相关研究多集中于理想的慢速时变信道条件下的， 而本文把o f d m - c d m a 系统视为特殊的o f d m 系统来分析，把o f d m 系统的快 速信道估计的方法引入到o f d m - c d m a 系统中来，并具体结合软件无线电技术提 出了一个o f d m c d m a 信道检测的技术方案。 1 4 论文的工作安排 在第二章中，介绍o f d m c d m a 系统的的基本原理，包括多种o f d m - c d m a 信号模型，和多种非理想传输条件对系统的影响。 第三章，首先简要介绍有关无线通信信道的基本概念，主要讨论多径信道的 时延扩展对接收信号的影响：然后分析多种插值信道估计算法，提出了一种低复 杂度的基于d f t 的m m s e 信道估计算法。 第四章，结合了软件无线电技术和o f d m c d m a 接收机中各部允的功能，给 出了一个o f d m c d m a 信道检测的总体设计。 第五章，做论文的总结。 第二章：o f d m - c d m a 系统的基本原理 第二章0 f d m - 0 d m a 系统的基本原理 前面介绍了作为第四代无线通信一种关键的调制技术一一o f d m 得到了广 泛的认同，而第三代无线移动通信中的核心技术c d m a 也不会在第四代系统中突 然消失，它和o f d m 相互结合形成的o f d m c d m a 通信系统较第三代系统在宽 带数据传输方面更有竞争力。码分复用技术和正交频分复用技术的具体结合方式 主要有以下四类形式： 多载波码分多址( m c - c d m a ) ；正交频分码分复用( o f c d m ) ；多载波直扩码 分多址( m c d s - c d m a ) 和多音码分多址( m t - c d m a ) 。其中m c d s c d m a 和 m t - c d m a 是在时域进行频谱扩展，而m c c d m a 和o f c d m 是在频域进行频 谱扩展。 在m c d s - c d m a 系统中，用户的数据经过星座歇射后经过串并交换，并行 的放置在n 路子载波位置上( n 为f f t 的长度) ，然后在每个子载波上按照用户的 扩频码进行直扩，最后通过i f f t 调制产生m c ，d s c d m a 信号。简单的说，用户 的第1 个数据先用扩频码扩展为n 个c h i p ，再放到第1 路子载波上传输：用户的 第2 个数据用扩频码扩展为n 个c h i p ，然后用第2 路子载波传输：；用户的 第n 个数据用扩频码扩展为n 个c h i p ，然后用第n 路子载波传输。接收端在接 收信号时先按o f d m 方式解调，然后再在各路子载波上进行各自的解扩任务，完 成m c d s c d m a 信号的检测。多音码分多址系统( m t - c d m a ) 和m c d s c d m a 的原理接近，但m t - c d m a 系统所使用的子载波并不需要相互保持正交。 多载波码分多址( m c c d m a ) 系统不同于直扩码分多址( d s c d m a ) 洲 域单载波直扩，m c c d m a 是在频域进行多载波扩频。用户的数据在调制映射 后先被复制成n 份，分别对应于n 路子载波，然后每一份分别乘上用户的扩频码 中不同的c h i p ，而扩频后的信号的每个c h i p 放在相应的子载波位置上，最后经过 i f f t 变换产生了m c c d m a 信号。简单的说，用户的1 个数据先用扩频码扩展 为n 个c h i p ，并让第1 路子载波传第1 个c h i p ，第2 路子载波传第2 个c h i p ，第 n 路子载波传第n 个c h i p 。在接收端先利用f f t 做o f d m 解调，然后把n 路子 载波信道上的信号乘用户的扩频码做合并检测求出用户的数据。正交频分码分复 用( o f c d m ) 和m c c d m a 原理类似，但它是一种复用技术，一个用户可以使用 多个不同的扩频码同时传输数据，而m c c d m a 系统中一个用户一般只分配一个 扩频码用于数据传输，不同的用户以不同的扩频码来彼此区分。 下面先介绍在时域进行频谱扩展的典型代表一- - m c d s - c d m a 系统的模型 和在频域进行频谱扩展的典型代表- - m c - - c d m a 系统的模型。然后分析了循 环前缀的作用和多种非理想传输条件对系统的影响。 o f d m u c d m a 系统巾的快速信道估计 2 1 基予时城扩频静o f d m c d m a 系统魏模型 蒸予簿城扩额酶o f d m 。c d m a 系统蔽然分为磁s c d m a 辩m t - c d m a 滔类，毽其簸疆基本一致，毽魏本文主要介绍和0 f d m 关系燹为紧密翡 m c 国s - c d m a 聚绞熬缀成爨爨移售号攘激。 2 1 1m c 国s c d m a 发射机 一释典型懿m c d s - c d m a 墓豢发辩瓿翡缕褥疆辫静痿号簇灌掇熬鋈2 t 襄 2 2 。可假设用p ”的输入数掭为一组二进制“1 ”，“0 ”比特流，缀：醴信道编码 嬲调铡攫座映射撂到了鼹户豹数撂符号；一个数据分短妇羁个数据符号组成，罐 令数擐符号对闻长度必鬈，系烧粒子载波数为娥，。聪等予辑毪露瓤8 是甄 豹熬数经。一令数据努缀中黥槐夸数摇符号先经过事弗转换，变换魏鲺舞长度 为m 的列向量，在各路子载波上的符譬周期为t 。此时时列向挺上的释个数据符 号傲扩频，扩频硒长s f ，然艏撼扩频薅的馆号放到各路子载波上去缴射，其基爨 等效穗号鸯 s ( f ) = e 5 ；f ) 2 1 ) i s ? o 表瑟耀产簦懿第i 令m c 国s - c d m a 镣号 捧q s ? ( o * 茏五，e m 掰，以蕊f s ( f + 1 ) i( 2 2 ) # o 蒸孛枣为予载波垮号，纛受第嘉潞孑载波静额攀。鼍。；为繁缸路子载波上麴 扩额穰等。 五，f 。醚f f 2 3 1 醚；为震户择静纂夺m c d s - c d m a 祷鼍上繁蠡路子载波中熬数攒符号，瓣 系统灞籍基痪巍q p s k ，6 玉。咎薅辩，磊国 m ，r 2 , m ；瓴l ，2 ，3 ，蔼为蘑产群戆 扩频秘，它攥熟淘量形式为缸；= 隧；，臻，蛙郴】，c ”；磷，喀一，】羹；。 夜单个子载波信邋上，原来的一个数据符号经过崽扩质变成了妖腹为s f 个 c h i p 麴蘩号，符号长发羹释穗蛩长发夏熬美蘩菇乏= s f 嚣。在s f = 蜒溃嚣下， 荤个m c m s c d m a 符号串德禽了钎个c h i p 。 第二章：o f d m c d m a 系统的基本原理 b ? 9 叫直接扩频c - ：垫- 由 g q直接扩频a ! 鱼 插 i 并 入 并f 出 循 变f变 环 换t换前 缀 匀直接亭频a 芦 图2 1m c d s - c d m a 基带发射机的结构框图 z 二二2 茎二二：2 二二三兰- f of lf * zf n 一- 频率 图2 2m c d s - c d m a 信号频谱图 2 1 2m c d s c d m a 接收机 m c d s c d m a 基带接收机的结构框图如图2 3 ，发射信号通过了无线多径信 道并受到了白高斯噪声的干扰，此时接收信号为 r c t ) 2 s c t ) o h ( r ，f ) + 九( f ) 2is c t r ) h c r ，t ) d r + n ( t ) ( 2 4 ) h ( r ，) 表示时变信道的响应。如果循环前缀长度大于信道时域冲激响应的长 度，下行链路的接收信号的频域表达式为 u k ，= 以，尊+ 以( 2 5 ) u = l 其中墨，为第i 卟- m c d s - c d m a 符号上第七路子载波上的频域接收信号，以。， 为第i 个m c d s c d m a 符号上第k 路子载波上的频域响应，m 。是噪声信号。后 是子载波序号，f 是m c d s c d m a 符号的序号，”是用户的序号。 用扩频码对第k 路子载波上的信号解扩，得到信号v ： s f - i v ：= c ? 心忍( 2 6 1 i = 0 其中m 。为合并权重系数，其具体值根据信道响应的估计值确定。最后系统 做判决和解码得到用户的二进制比特流。 o f d m - c d m a 系统中的快速信道估计 髫2 3m c d s - c d m a 基带接收枧的结构框图 扩频接收机性熊的好坏受扩频码的影响很大，w 定义成。，为扩频鹤的栩关系数 氏，= c “( f ) ；c ( 嘞 = f ”c u ( t ) c v ( f ) a t( 2 j 7 ) 其中c “( r ) 袭示扩颓鹞“的时域连续信号，c 9 ( f ) 表示扩频礴v 的时域连续信 号，珞为扩频鹨的聪阅长疫。为便予处理可用其离散簿效形式： 2 ( c w ) 。击荟茚； ( 2 8 ) 蒸中扩颓甜的离敬形式为c 。= 窿，c ? ，c s “f 。k 。，s f 为扩旋因子。当材一v 时 熊，2 l ，当甜不等于v 时只，一0 ，则扩频码甜和扩频码v 是磁交的；籍风， o ， 由于不同扩频码的互耦关系数举为零，不同翊产之间的扩颏信号会籀纛干挠从褥 产生多址干扰m a i 。为尽可能减小多址干扰，扩频码的自相关系数应邋远大于原 扩频硒和其它扩频舀之阔的互褶关系数，最瓒怒时互稽关系数痘为零。 2 2 基于频域扩频的o f d m c d m a 系统的模型 上瑟介绍了m g 国s c d m a 系统瓣数学禳瀣，我翻霹缢稻遂m c d s c d m a 系统中用户的单个数据信号是只在单个子载波信道上扩频的，当这个子载波倍道 衰落较严重拜重，各个c h i p 穰罨弱辩受到信遵衰落静彭穗霞绩罨难鞋垂确检测。嚣 基于频域扩频的o f d m - c d m a 系统猩频域多个子载波上同时传输扩频信号，某 个子载渡售邋主夔严篷衰落举会对藏俸兹耱号检测逵或逮丈数影溺。宅分菇 m c c d m a 和o f c d m 两类，其原理基本相同，下面主要介绍m c c d m a 系统 的缓藏簸理零信号摸糕。本文第三零熬痿遂传诗都努戆磅突邈是主蓑集中农上 m c c d m a 系统的。 第二章：o f d m c d m a 系统的基本原理 2 2 1m c c d m a 发射机 多载波码分多址基带发射机的结构框图和信号频谱图如图2 4 和2 5 。 m c c d m a 系统是一种特殊的o f d m 系统。假设用户“的输入数据为一组二进 制“l ”，0 比特流，经过信道编码和调制映射得到了用户的数据符号；一个 数据分组由。个数据符号组成，每个数据符号时间长度为乃，系统的子载波数 为虬，扩频码长s f 。为方便讨论，这里假设s f = 虬。数据分组中的。个数据 符号不做串并转换，而是通过复制把每个数据符号变为- n n 长度为s f 的列向 量。此时把列向量和用户扩频码相乘。然后做i f f t ，并串转化后再插入循环前缀， 最后经数模转化得到基带等效信号 7 r a - i s ( ，) = s ? ( f )( 2 9 ) i = 0 5 7 ( f ) 表示用户的第i 个m c c d m a 符号， n 一l j ? ( ，) = e 墨j e 2 。 。，i t , t ( f + 1 ) l( 2 z o ) k = o 其中k 为子载波序号，五为第k 路子载波的频率，e 为m c c d m a 符号周 期。以，为第k 路子载波上的扩频信号。 以，。= 6 7 c ： ( 2 1 1 ) 祥为用户“的第i 个m c c d m a 符号上的数据符号，在各路子载波上均相同。 而c ：为用户“的扩频码在第k 路子载波上的权重系数，扩频码长度为s f a 叫p 插 由 入 编牡i 码 坷 ； f并 + 环 映 复 循 制 f 变 射t 换 前 ： 缀 如 图2 4m c c d m a 基带发射机的结构框图 q ： 盐- f 0f zf 2 f n c - ，频率 图2 5m c - c d m a 信号频谱图 9 1 0 o f d m - c d m a 系统中的抉逮信遵嵇计 幽s f = 时，在单个m c m c d m a 符号中可以传输用户的一个数据符号。如 甏2 。7 艨示，窀镬可虢簿效予一稀使嚣特殊笈数扩频弼麴鬣扩鹳劳多懿系统。这 种特殊的复数犷频褊是用户”难常的扩频码【喀，c ? ，。r 通过反离散傅利叶变 羧褥烈鹣。因魏诲多磅究者也撼m c - c d m a 糕必特臻豹c d m a 形式滋嚣磅究。 s ；) = 芝墨，# e 站嘲。= 芝鬈p 站“ r 越11 = 圳艺c ：扩哪l l = oj = 粪扩 鬈，霹 拉| 2 其孛群为犷簇璐# ；煎i d f t 变换豹倍， 露：铽? 。鬻 剐3 ) 霹= 艺c 虬 ( 2 。1 3 ) 圈2 6m c - c d m a 傣号的d s - c d m a 簿散豳 2 2 2 m c - c d m a 接收枫 m c - c d m a 蘩鬻接蔽惑魏缝梅耩霭羹黧2 7 ，发瓣僖琴遴避了无线多径髂遭 并受到了自高斯噪声的干扰，m c - c d m a 时域接收信号为 磅= 酾孕舞( f ， ) + 薛2i8 一礴秘，t ) d r + n ( o 辖。1 4 ) h ( r ， 表永对变僖道酶晌艨，翔莱循繇简缀长度大予储邋时域i 申激响应的长 度，储道响应至少程个m c * c d m a 符号上保持不变，下行镳路的接收信号的频 域表达斌为 拉 崴j = 露”筇c ；+ 敝f 。 橙1 5 ) 第二章：o f d m c d m a 系统的基本原理 其中耳，为第i 个m c c d m a 符号上第七路子载波上的频域接收信号，m 是 噪声信号。k 是子载波序号，i 是m c c d m a 符号的序号，“是用户的序号。h 。 为第i 个m c c d m a 符号的第k 路子载波上的基带等效频域响应， n ：一i一譬 h = 啊o 弦。虬 啊( f ) = 向( r ，饵)( 2 1 6 ) t 为m c c d m a 符号的时间长度，为时域采样间隔。用扩频码对第i 个 m c c d m a 符号号解扩，得到信号v ? s f l v ? = c ：( 2 1 7 ) k = 0 其中雌，为合并权重系数，其具体值根据信道响应的估计值确定。最后系统 做判决和解码得到用户的二进制比特流。 图2 7m c - c d m a 基带接收机的结构框图 2 3 循环前缀 虽然0 f d m c d m a 系统能有效地克服无线信道中多路径衰落的问题，然而 对于各路子载波而言和单载波系统样仍然存在i s i 问题。为了可克服i s i 给各路 子载波带来的影响，有人提出使用z e r op a d 前缀，在每个0 f d m c d m a 符号 块的前面加一段空白的保护间隔；保护间隔的时间长度应大于无线多径信道的最 大信道时延。这样接收机收到的前一个o f d m c d m a 符号块就不会对后一个 o f d m c d m a 符号块造成块间串扰( i n t e r - b l o c ki n t e r f e r e n c e ) 而且在保护间隔内发射 端可以不用分配发射功率有利于提高系统效率。但是插入空白的保护间隔会带来一种不利影 o f d m c d m a 系统中的快速信道估计 响，那就是子载波间的信号干扰( i n t e r - c a r r i e ri n t e f f e r e r t e e ) ，这是因为各路子载波上的信号之 间的正交性被空白的保护间隔破坏了。 i i 谶 i 少 子载波2 、1 v i 时篷拳展 么卜八。、 呻 l i l o f d m 符号时间长度 图2 8 采用空白保护间隔的o f d m - c d m a 符号示意图 在图2 8 中，子载波1 加上一段空白的保护间隔后，其在一个符号周期内的 频谱成分发生了变化，不再是是纯净的单频分量，而会含有子载波2 或其它子载 波的频率分量，从而造成了载波干扰；与此同时子载波2 和其它子载波在加上一 段空白的保护间隔后也会反过来干扰子载波1 ，使系统出现i c i 问题。 为了解决这个问题，我们可以利用循环前缀( c y c l i c p r e f i x ) 来取代空白的保护 间隔来保证子载波之间的相互正交。如图2 1 0 所示，循环前缀就是把 o f d m c d m a 符号块的最后面一段信号复制并加到原o f d m - c d m a 符号块的前 面，加入循环前缀后各路子载波在一个符号周期内的频谱成分并不会发生变化， 也就避免了i c i 效应。 卜厂、：、 l子载波2i 剐认八 0 f d m 符号时间长度 图2 9 采用循环前缀的o f d m - c d m a 符号示意图 保护间隔既可以加在原o f d m - c d m a 符号块的前部，也可以加在原 o f d m c d m a 符号块的后部，若在后部则是把o f d m c d m a 符号块的前面一段 复制并追加在原符号块的后面，其原理和循环前缀c p 一样。 第二章：o f d m - c d m a 系统的基本原理 复制当巴 、l ，v 一 t 箭缀t 蠹据 图2 ，1 0 循环前缀产生图 然而循环前缀会造成数据传输速率的下降：若假设循环前缀的时间长度为t g ， o f d m c d m a 符号数据部分的时间长度为t d 系统将损失1 ( t d + t k ) 的带宽资源 和t g ，( t d + t g ) 的发射功率。所以循环前缀的长度既需要大于信道的最大时延扩展 长度，又要需要尽可能的短一点以免造成过高的系统开销。 2 4 非理想传输条件对o f d m c d m a 系统的影响 循环前缀有效的缓解了无线信道的多径效应造成的o f d m c d m a 符号问 的串扰问题，但o f d m c d m a 信道中还存在着许多非理想的传输条件对系统性 能造成了威胁。例如，多普勒频移、非线性失真、i q 失衡、峰平比、同步等。 下面例举一部分比较重要的影响因素做简要说明： 2 4 1 多普勒频移 当接收机和发射机相对移动时，不仅会造成传输路径发生变化，还会由于多 普勒效应造成频率偏移，工作频率越高、移动速度越快，多普勒频率偏移越大。 多普勒频移的主要影响在于破坏子载波之间的正交性造成载波间串扰i c i 和影响 载波同步。含有i c i 的接收信号为 y = k + + ( 2 1 8 ) 第一项为所需要的信号分量，第二项为i c i 干扰分量，n 为信道噪声。这 里省略了子载波序号。由于i c i 干扰，系统的信噪比将下降为 s n r = 土( 2 ，1 9 ) 6 乞+ 6 ： 其中砖为信道噪声的功率，6 毛为i c i 干扰分量的功率，面为所需要的信号 的功率。s n r 上的直接损失将导致信道容量的快速下降。而不同路径上的多普勒 频移都不尽相同，这使得消除i c i 干扰的问题进一步复杂化了。另一方面多普勒 效应会造成信道的相位偏移不断随时间发生变化。事实上多普勒效应是引起信道 出现快速衰落的主要原因，加剧了信道的时变性，使信道估计难以及时跟踪信道 响应的变化。 o f d m c d m a 系统中的快速信道估计 2 4 2 峰平比 信号的峰值功率与平均功率之比简称为峰平比。单载波系统的蜂平比取决于 信号星座以脉冲熬形滤波器的滚降因子口。由于o f d m - c d m a 信号是多个单载 波信号的叠加，因而从理论上来说，多载系统与单载波系统的峰平比之差是子载 波数目n c 的函数。 a f 出j2 1 0l o g l o n r 2 2 0 ) 当n = 1 0 0 0 时，差值为3 0 。然而这个理论值极少发生。对于m c c d m a 系统 而言，可以根据扩频码事先计算出峰平比来，只要选择合适的扩频码就可以避免峰 平比过高。而m c d s c d m a 系统因为各路子载波输入数据是完全随机的，只能 看成是许多个独立同分布信号的总和，根据中心极限定理，它的分布随着n 的增 加应趋于高斯分布。一般地，当n 2 0 时，其分布己十分接近高斯分布，这时0 f d m 信号功率超过其方差( 平均功率) 三倍( 即峰平比为9 6 r i b ) 的概率为0 1 ，超 过其四倍方差，即蜂平比为1 2d b 的概率小于0 0 1 1 3 “。 2 4 3 非线性失真 限制o f d m 。c d m a 信号的峰值幅度将引发的限幅失真，射频功率放大器在 放大峰平比过大的信号时也存在非线性失真。限幅虽是一种非线性失真，但其影 响类似脉冲干扰，对此o f d m 系统有着一定的抗拒力。测试表明，当有0 1 的 时间发生限幅时，b e r 性能降低0 1 0 2d b ，甚至当有1 限幅时，性能约下降 0 50 6 d q 。 o f d m 信号可以看成高斯分布，在五十年代哈尔凯维奇已证明，高斯信号在 理论上是高斯信道和衰落信道上最佳的波形信号，但是在实际中受到系统非线性 的限制。高斯信号的峰平比单载波系统高，对非线性失真较敏感。通常干扰最严 重的分量是负三次方项，接收端需要对信号进行补偿校正。 2 4 4 i q 不平衡 信号在上下变频时多采用正交上下变频，把信号分为i q 两路互相正交 的信号，由于模拟信道的非理想特性，在1 分路上或q 分路上会发生直流偏移或 非平衡的放大或衰减，从而破坏了两路信号的正交性。信号的不平衡将造成频率 偏移、相位失真和幅度畸变，而信道中的加性自噪声的干扰又扩大了问题的复杂 性，因i o 失衡所造成的相位失真使用信道估计也难以消除，还会限制接收机的 同步能力，带来不可预测的不利影响。克服这种失真的一种有效办法是利用数字 化i o 调制技术，通过全数字化上下变频把直接信号搬到射频或基带进行处理。 这对数字电路的性能提出了较高的要求，相信随着数字信号处理芯片的不断发展 这个问题会逐步得到缓解。 第三章；笼线多径信遂和o f d m - c d m a 慧统的快速穰邂估计里 第兰章无线多径信道和o f d i 幔- c d m a 快速倦道估计 在介绷了o f d m c d m a 系统的基本原理之聪，本章先讨论无线时交多径信 道的基本模型然后分柝研究在这种工作环境下的o f d m - c d m a 系统的信邀估计 基本舔毽器l 捷速售遂佼诗技术。 3 1 无线时变多径储道 对于宽带无线移动通信系统而意，箕无线信邋的传输环境釉有线传输环境有 巨大的区别，其中最为媳型的是无线信道的多径时延特性。由于无线宽带信号是 剥用无线电在空气中传播，在信号从发射端传输誊h 接收端的过稷中，可能受到多 耱障褥穆袋复杂逢形，麓出矗、潮浓、建筑骛豹懿影响，产生曦滋波豹爱袈、毅投 和折射等现象，从而产生多径传输域琢。在这种多径环境下，当发射机发射菜 个特定信号时，接收机会在一定时间延迟后才收剿此信号，它所收到的信号也并 不是纂令绩号，嚣跫一缀售号。蔷发袈掇按一定蠲裳重复发射该信号，褒接收爨 所收到的信号并不是黧笈的，而是每次所收到的信号之间都会发生一定的变化， 各个信号的幅值大小、包络形状以殿相位均有所不同。前者为信道多径时娥护展 效应，霜港是由无线传输分质的聪变特性所造成的。它们都是无线多径传输环境 下静葵黧特征。 简丽裔之，多径传输是由于无