（通信与信息系统专业论文）mccdma系统下行链路的同步研究.pdf

m c - c d m a 系统下行链路的州步研究 m c c d m a 系统下行链路的同步研究 摘要 m c c d m a 兼具了c d m a 和o f d m 这两种技术的特点，它能较好地抗多径 干扰引起的码间串扰，且能获得频率分集的优点，取得较高的频谱效率，在移动 通信领域巾具有广阔的应用前景。 虽然m c c d m a 被认为是未来无线宽带通信最有效的技术之一，但它也存 在许多技术上的难点：多载波通信系统对符号定时和载波频率偏差比单载波系 统敏感；多载波信号是多个单载波信号的叠加，这导致其峰值功率与平均功率 的比值大于单载波系统，对前端放大器的线性要求较高。因此同步技术和降低 峰均比技术是多载波c d m a 中最难以解决的两个技术。本文主要研究的是 m c c d m a 系统下行链路的同步问题。 论文首先研究了载波频率偏差和整数定时偏差对m c c d m a 系统下行链 路的影响，其中重点研究了载波频率偏差对系统的影响，并给出了仿真结果。 其次从相关性的角度研究了现有的几类定时同步算法：基于循环前缀和信 号尾部间相关性的最大似然同步算法( 简称m l 算法) 和它的两种改进算法：基 于训练序列内不同部分间相关性的s c h m i d l 。c o x 算法( 简称s c 算法) 和它 的两种改进算法：基于发送和接收信号间相关性的自适应分段相关时间同步 法。文中在对它们分析的基础上给出了仿真结果。 最后根据m c - c d m a 扩频码的相关牲，笔者提出了一种新的定时同步算 法。该算法将频域的相关函数转化为用时域符号表示，这样就可在时域进行定 m c c d m a 系统下行链路的j 司步研究 时旧步的估订。经过仿真验证，这种算法适用于跟踪阶段的定时同步。 关键词：m c c d m a 、下行链路、定时同步、相关性 1 l ；j l 州 匕凡 i ：i 论止 m c - c d m a 系统下行链路的m 步研究 t h es y n c h r o n i z a t i o nr e s e a r c h f o rt h ed o w n l i n k i nm c c d m as y s t e m a b s t r a c t m c c d m a ，w h i c hh a st h et r a i t so fb o t hc d m aa n do f d m ，c a l lo v e r c o m e i m p u l s ei n t e r f e r e n c ea n dn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e ，r e s i s tm u l t i p l ep a t hf a d i n ga n d t i m ed e l a y , a n da d v a n c ec a p a c i t yf u r t h e s t n o w , i th a sb e e nt h er e s e a r c hh n t s p o t t h o u g hm c c d m ai sr e g a r d e da so n eo fm o s te f f e c t i v et e c h n o l o g i e si nt h e f u t u r ew i r e l e s sb o a r dc o m m u n i c a t i o n m a n yt e c h n i c a ld i f f i c u l t i e se x i s ti ni t , s u c ha s - m u l t i c a r r i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sm o r es e n s i t i v et os y m b o lt i m i n go f f s e ta n d c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e tt h a ns i n g l ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ；t h em u l t i c a r r i e r s i g n a li st h es u mo fm a n ys i n g l ec a r r i e rs i g n a l s ，w h i c hi n d u c e st h er a t i oo fp e a k p o w e rt oa v e r a g ep o w e ri nt h em u l t i c a r r i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb i g g e rt h a nt h a t i nt h es i n g l ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ot h es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g ya n d t h et e c h n o l o g yt h a tr e d u c e sp a r ( p e a ka v e r a g er a t i o ) b e c o m et h em o s td i f f i c u l t t e c h n o l o g i e si nt h em u l t i - c a r r i e rc d m as y s t e m i nt h i st e x t ，t h es y n c h r o n i z a t i o no f m c - c d m a s y s t e m sd o w n l i n kw a s r e s e a r c h e df o r f i r s t l y , t h ee f f e c to fc a r r i e rf f e q u e n c eo f f s e ta n dt i m i n go f f s e to nm c - c d m a s y s t e m sd o w n l i n kw e r ea n a l y z e d s e c o n d l y s e v e r a lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sb a s e do nt h ec o r r e l a t i o n m c - c d m a 系绩下行链踌的蚓步研究 、v e r el e s e a r c h e dt b r , s u c ha s ：a l g o r i t h m sb a s e do nt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nc y c l i c p r e f i x a n dt h el a s t s a m p l e so fo n es y m b o l sb o d y ；a l g o r i t h m sb a s e do nt h e c o r r e l a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tp a r t so f o n et r a i n i n gs e q u e n c e ；a l g o r i t h m sb a s e do i lt h e c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h et r a n s m i t t e ds i g n a l sa n dt h er e c e i v e ds i g n a l s f i n a l l y , an e wt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ，w h i c hm a d eu s eo fc o r r e c t i o n c h a r a c t e r i s t i co ft h ec d m ac o d ei nm c c d m as y s t e m ，w a sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：m c - c d m a 、d o w n - l i n k 、t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n 、c o r r e c t i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声只爿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 , 3 t i n 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，也不包含为获褥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：日期 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完伞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t 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，允许学位论文被查浏和借 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。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范网，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期 日期 m c c d m a 系统下行链路的j 州出川冗 第一章绪论 移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分。目前，移动通信己从模拟通信发展到 了数字移动通信阶段，并且难朝着个人通信这一更高级阶段发展。未来移动通信的目标是， 能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。 本章节首先介绍了移动通信的发展和现状，接着描述了m c c d m a 的特点和关键技术， 最后给出了本论文的内容安捧。 1 1 移动通信的发展和现状 1 9 4 8 年，c e s h a n n o n 提出的信道容量理论奠定了现代数字通信和信息理论的基础。当 上个世纪6 0 年代贝尔实验室开发出蜂窝技术后，无线移动通信的商用化就逐渐成为可能。 7 0 年代，通信理论和半导体器件技术的进一步发展使得移动通信逐渐成熟。8 0 年代，采用频 分多址技术和模拟技术的第一代蜂窝移动通信系统出现。9 0 年代，随着大规模集成技术和语 音编码技术的发展，采用数字技术的第二代蜂窝移动通信系统出现。 日l i 世界范围内存在有多种数字无线通信系统，主要包括g s m 系统、i s 1 3 6t d m a 系 统以及i s 9 5c d m a 系统【1 ，2 】。其中g s m 系统占据全球移动通信市场份额的5 8 ，可以提 供2 4 k 一9 6 k b s 以及1 4 4 k b s 的电路交换语音业务，还可以通过g p r s 和e d g e 分别提供 1 4 4 k b s 和3 8 4 k b s 的分组交换数据业务。i s 一1 3 6 系统占有全球市场9 的份额。它可以提供 9 6 k b s 的电路交换语音和传真业务，其最高数据传输速率可达4 0 k 一6 0 k b s 。i s - 9 5 系统占有 的市场份额为1 4 ，它能够提供可变速率接入，其峰值速率分别可以达到9 6 k b s 和 1 4 4 k b s ，还可以通过使用蜂窝数据分组数据( c d p d ) 网络来提供1 9 2 k b s 数据业务。显 然，基于支持话音业务的电路交换模式的第二代移动通信系统不能满足多媒体业务的需要。 但是对于高速数据业务来说，单载波t d m a 系统和窄带c d m a 系统中都存在很大的 缺陷 3 ，4 3 。由于无线信道存在时延扩展，而且高速信息流的符号宽度又相对较短，所以符 号之间会存在较严重的符号间干扰( i s i ) ，由此对单载波t d m a 系统中所使用的均衡器提 出非常高的要求。即抽头数量要足够大，训练符号要足够多，训练时间要足够长。这使得均 衡算法的复杂度大大增加。而对于窄带c d m a 系统来说，其主要问题在于扩频增益与高速 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增益不能太高，这 样就大大限制了c d m a 系统噪声平均的优点，从而使得系统的软容量会受到一定的影响， 北j l i l l l j i u 人学坝i 玲上 m c c d m a 系统下行链路的蚓步训究 如求f 剃、rj 曩术i _ | 勺扩频增益，则必颈要斗h 虚地提高带宽。此外，c d m a 系统肉的一个非常蕈 要的特点是朵片j 闭环的功率控制，这在电路交换系统中可以比较容易地得到实现，但是对于 分组业务术说，对信道进行探测，然后再返回功率控制命令会导致较大的时延，因此对于高 速的无线分组业务来说，这种闭j ；i = 的功率控制问题也存在有缺陷。 1 2m c c d m a 随着社会进步及用户数量的急剧增长，频率资源日益紧张，要求第三代移动通信系统 i m t - 2 0 0 0 能提供更大的系统容量，更高的通信质量，并能提供2 m b i t s 数据业务，以满足 人 f j x 多媒体通信的要求并适应通信个人化的发展方向。m c c d m a 技术作为第三代移动 通信系统的重要技术，是建立在c d m a 技术基础上的。 标准的c d m a 是根据美国标准( i s 一9 5 ) 而设计的频率在9 0 0 1 8 0 0 m h z 范围的数字移 动电活系统。而m c c d m a 的开发策略是对以i s - - 9 5 标准为蓝本的c d m a o n e 系统的平 滑升级，m c c d m a 是最先由美国推出的从窄带c d m a 技术发展而束的一种宽带技术。这 种技术与使用t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( t d m ) 的竞争对手( 如g s m ) 不| 司，它并不给每一 个通话者分配一个确定的频率，而是让每一个频道使用所能提供的全部频谱。m c c d m a 为了兼容c d m ao n e ，以原c d m ao n e 的基本码片速率的三倍，即3 6 8 6 4m c h i p s 作 为m c c d m a 的基本速率进行直接扩频调制。同时，m c c d m a 还定义了以原c d m a o n e 系统3 个基本信道( 带宽1 2 5 m h z ) 作频分复用的多载波扩频调制方式 5 1 1 。m c c d m a 技术是为符合下一代无线通信系统的需要而设计的一种宽带技术，采用码分复用扩频调制技 术的无线接口，该技术可以为公众电话交换网的移动和固定连接提供广泛的业务，例如包括 常规电话业务到i s d n 一线通业务和b o d 宽带等先进业务。它符合甚至超过了l t u 的全部 规范要求，可以满意地进行室内，室外或步行及年载环境下的通信。m c c d m a 业务包括 连接至地面和卫星网络的各种移动终端和网络设施，其业务能力和性能大大增加，支持提供 个人移动性的通用个人通信，系统设计全球通用，且兼容现有设备，能提供高清晰话音、高 速数据、多媒体、漫游等多项业务，可支持大范围的可变速率信息传送，提供更高速的分组 数据通信能力。 m c c d m a 要求完全兼容c d m a o n e ，因此它支持a n s i 4 1 作为自己的核心网络协议。 m c 。c d m a 以i s 一9 5 为基础，重叠覆盖i s 一9 5 频谱，f d d 工作方式，码片速率3 6 8 6 4 m c s 。m c c d m a 的下行链路在几路并行窄带c d m a 载波上传输数据，每一路c d m a 载波 都与i s 一9 5 的载波有相同特性。因此，相对于d s - c d m a 来说，m c c d m a 具有良好的反向 兼容性。m c c d m a 的上行链路采用与d s c d m a 相似的模式，但使用较低的码片速率， 以便与下行链路的码片速率匹配。 m c c d m a 技术提供了多种带宽范围的选择来支持从与t i a e i a 一9 5 一b 兼容的 北京邮i u 人学坝i 论殳m c c d m a 系统f 行链路的h 步训究 9 6 k b p s 剑人j 二2 m b p s 的数据业务( 包括电路和分组数据业务) ，允许运营商在很多方面实 现最人的灵活性。m c c d m a 的信令既支持1 1 a e 认9 5 b 的信令和呼叫模式，也支持扩 展的m c c d m a 上层结构支持的宽范围的先进业务。该系统可以提供综合的业务，并伴有 一套完善的多业务同时操作的模式。m c - c d m a 能同时支持频分数字双工( f d d ) 和时分 数字双工( t d d ) 两种制式。 由于移动通信市场的巨大潜力和目前的高速增长，现有g s m 系统的容量不足、语音失 真度大、易掉线串线、功率辐射强、数据传输慢等问题也逐步暴露出来。为此人们现将注意 力集中到了正由国际电信联盟i t u ( 国际电气通信协会) 制定标准之中的第三代移动通信系 统i m t - 2 0 0 0 上，这是为提供全球服务操作而设计的第三代移动通信系统。m c c d m a 技术 是目前发展i m t - 2 0 0 0 最具潜力的新技术之一，因为该项技术具有以下特点： 1 ) m c - c d m a 比第二代移动通信系统有更好的性能。包括更大的系统容量和更大的覆 盖区域，且可以从第二代系统逐步演进。 2 ) m c c d m a 采用定时长的帧结构作为基本的传送单位，在一个帧上实施速率匹配， 卷积纠错，交织运算等操作，从而具有较高的信号传输效率。 3 ) m c - c d m a 能实现对c d m a ( i s 一9 5 ) 系统的完全兼容，技术延续性好，可靠性较高。 同时也使m c - c d m a 成为从第二代向第三代移动通信过渡最平滑的选择。 4 ) m c c d m a 可以工作在更宽的频段上，目前无线通信技术的主要工作频段就是在 c d m ai s - 9 5 版本下的8 0 0 m h z 频段，而m c - c d m a 将对该频段进行了大幅度的提 升，它可以工作在d c s1 8 0 0 ( 1 7 1 l _ 7 8 5 g h z 及1 8 0 5 1 8 8 0 g h z ) 、u s p c s ( 1 8 5 1 9 g h z 及1 9 3 1 9 9 g h z ) 以及c e p t ( 2 o 2 7 g h z ) 这几个频段。 5 ) m c c d m a 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。m c c d m a 的宽广频谱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。 6 ) m c c d m a 技术是在一个比其它蜂窝技术相对更宽的频带上扩展信号的，从而减少 由多径和衰减带来的传播问题。 7 ) m c c d m a 技术具有更大的抗衰落能力，这就意味着在相同的输出功率下能提供范 围更广泛的性能，或者在同样的覆盖范围下可降低功率要求。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。 8 ) m c c d m a 技术支持多载波直序扩频系统，可以利用现有的框架设备，小区规划， 操作系统，帐单系统等。在所有环境下支持对称或不对称的数据速率。 虽然m c c d m a 被认为是未来无线宽带通信最有效的技术之一 6 ，但它也存在许多技 术上的难点，比如： 多载波通信系统对符号定时和载波频率偏差比单载波系统敏感。 扎j ：l 嘣- u 人? p 坝卜畦互 m c c d m a 系统f 行链据的步姆 究 找波“! ；足多个单载波信号的叠加，冈此其峰值功率与平均功率的比值大于荦载波 系统，它刈日h 端放大器的线性要求较高。 1 3m c c d m a 系统的关键技术 多载波c d m a 系统中有很多关键技术有待研究，其中同步技术和降低峰平比技术为多载 波c d m a 中最难以解决的两个技术。 1 ) 同步技术：m c c d m a g , t 频率偏移和定时偏差移较为敏感，因此如何准确的实现载波 和定时l 司步是一个关键闺题。 。2 ) 降低峰值平均功率比技术：m c c d m a 系统信号的动态范围较大，更容易受到功率放 大器非线性的影响。因此如何减少非线性功率放大器的影响也是m c c d m a 使用中一 个必须解决的问题。而峰值平均功率比是影响功放和基站覆盖范围的重要因素，所以 峰值平均功率比的降低势在必行。 3 ) 分集技术：在d s ，c d m a 中采用时域r a k e 接收机柬分辨、合并不同时延的多条路径， 在克服符号问串扰的同时取得路径分集的效果。同样，在m c c d m a 中也可以采用频 域r a k e 接收机来分辨、合并不同多普勒频移的频率多径。不过具体理论研究有待于 进一步的深入。 1 4 论文的内容安排 第一章简要捕述了移动通信的发展和现状，并对m c c d m a 的特点和关键技术做了介 绍。 第二章首先从o f d m 的原理介绍入手，分析了o f d m 用于d s c d m a 系统的原因：接着给 出了m c c d m a 的系统框图、发送接收模型：最后简要阐述了三种o f d m 和c d m a 结合的方 案及其各自的特点。 第三章首先描述了无线信道的衰落特性、分类，给出了多径时变信道韵冲激响应模型及 包络特性，并对瑞利信道计算机仿真模型进行了描述：接着详细分析了载波频率偏差对 m c c d m a 系统下行链路的影响，并给出了仿真结果；最后就整数定时偏差对m c c d m a 系 统下行链路的影响给出了数学推导。 第四章主要是从相关性的角度分析了现有几类定时同步算法，一类是基于循环前缀和 信号尾部抽样值间的相关性：一类是基于训练序列内不同部分间的相关性：一类是基于发送 序列和接收序列问的相关性。在对这几类算法理论分析的基础上给出了它们的仿真结果。最 后从m c c d m a 系统信号结构出发，利用扩频码的相关性，提出了一种新的相关性算法。这 m c c d m a 系统下行链路的h 少州f 究 种舜法的火彀就足把频域的斗l 夭函数用时域符l j 表达出术，这样就町以( - e 时域做定时同步的 估计。 m c c d m a 系统卜j r 铣路的i 刊步l 盯宄 第二章m c c d m a 系统的基本原理 由于m c c d m a 足将o f d m 技术引入t d s c d m a 系统，所以本章首先从o f d m 的原理 介绍以及o f d m 用t ：d s c d m a 系统的原因分析入手：接着给出了m c c d m a 的系统框图、发 送接收模型：最后简要分析了三种o f d m 和c d m a 结合的方案及其各自的特点，并对三种 o f d m c d m a 混合系统和传统d s 。c d m a 系统的性能做了比较。 2 ，1o f d m 系统 o f d m 是一种特殊的多载波调制方式，它将传送的信息分散到许多个正交的子载波上， 降低了各予信道的符号速率。它使每路子信道上的符号持续时间变长，当符号持续时间大于 多径扩展r au , 可以克服频率选择性衰落。由于各个子载波具有正交性，载波之间没有互 相f 扰，可以有效提高频谱利用率，对抗高速通信系统中的符号间干扰( s t ) ，克服信道的 频率选择性衰落。 21 1o f d m 基本原理 设基带调制信号的带宽为b ，符号调制速率为r ，符号持续时间为瓦，且信道的最大多 径扩展f 。 靠。o f d m 的基本原理 1 2 是将串行符号序列变换为也路并行的子信道符号序 列，每个子信道的符号速率为月札。且持续时脚为t = m 乃，然后分别去调制c 个相互正 交的子载波。 由于不同子信道在频域可以有1 2 重叠，所需带宽就小于用单载波传同样数据量所占的 带宽，因此频谱利用率高于单载波系统。如果载波数越多，频谱利用率就越高，从而可以将 频谱效率提高近一倍。 o f d m 通过将高速串行数据流转化为低速并行数据流，有效的消除了总的信道的非平坦 性，邵频率选择仕，当n ，越大时，每个子信道的信道特性就变得相对平坦，接近于理想信 道：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干带宽，从而大大的消 除了符号间于扰。 j ls , l t l t ! i u 人# 蛳1 论文m c - c d m a 系统下行链路的旧步肼究 与州；b o l d 号翅过正线信道剑达接收端时，由于子信道的符号速率降低倩，所以大大 降 氐了i s i ，但如果子信道速率还不够低，符号持续时间还不满足r 口r 一时，仍还存在一 定的l s i ：另外由于多普勒效应及同步误差的影响，子载波恻不再保持严格的证交状态，从而 引起相邻子信道之间相互于扰( c 1 ) 。因而发送莳需在符号问插入保护问隔。如果保护间隔 大于最大多径扩展靠。，则可以有效地消除符号间于扰。 图2 1o f d m 原理图 在发送端，发送数据经过数据映射形成速率为r 的基带信号s ( n ) 如图2 1 。这罩，基带 波形采用持续时间有限的矩形波形，并且数据要成块处理。基带信号经过串并变换成为m 个子信号，再去调制相互币交的n 。个予载波，最后相加形成o f d m 发送信号，即： 硼) = 参) e x p j ( n ) e x pj 2 r c 睾t n = o ) 浯- ) 斗( ，) = ji ( 2 一1 ) - 每个子载波上信号波形持续时问有限，频谱为【s i n f l f l 形状。 每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数倍周期，而且各个帽邻子载波之间相 差1 个周期。这一特性可以用来解释子载波之间的正交性，即 - ；re x p c ，。r ，e x p c ，。r ，d r = ：i ： c z z ， 即各路信号在整个符号持续时间 o ，丁 内是正交的。这样，即使各载波上的信号频谱问 存在重叠，利用其正交性也能无失真地恢复原信号。 例如对第j 个子载波进行解调，然后在时河长度t 内进行积分，即： 7 扎矾川i uj 、。，坝i 玲支 m c c d m a 系统下 r 链蹄的蚓步删究 文力= 李f 唧( j 打手， 萎m 。甲p 新；，弘 。， = ；薯“m f 唧0 幼剥穑司， 枉连据 ：式可以看到，对第j 个了载波进行解调可以恢复出期望符号5 ( ，) 。丽对于其它载 波来说，由于在积分i h j 隔内，频率差别r 一j ) t 可以产生整数倍周期，所以其积分结果为 零。 这种正交性还可以从频域角度来理解。由于每个o f d m 符号在其周期t 内包括多个非 零的子载波。测此其频谱可以看作是周期为丁的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率 上的j 函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n c ( f 1 函数，这种函数的零点出现在频率为 l 7 1 整数倍的位置上。这种现象可以参见图2 - - 2 ，其中给出相互覆盖的各个子信道内经过 矩形波形成型得到的符号的s i n c 函数频谱。在每一子载波频率的最大值处，所有其它子信 道的频谱值恰好为零。由于在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应 的每一予载波频率的最大值，因此可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出每个子信 道符号，而不会受到其它子信道的干扰。从图2 - - 2 中可以看出，o f d m 符号频谱实际上可 以满足奈奎斯特准则，即多个子信道频谱之间不存在相互干扰，但这是出现在频域中的。因 此这种一个予信道频谱的最大值对应于其它子信道频谱的零点可以避免子信道问干扰( i c i ) 的出现。 2 1 2 保护间隔和循环前缀 图2 2o f d m 频谱图 o f d m 得到只益广泛应用的一个最主要原因就是它可以有效地抗多径干扰。通过把输 入的串行数据流经串并变换后在虬个子载波中并行传输，使得调制每个子载波的数据符号 周期扩大为原始数据符号周期的m 倍，多径时延扩展的影响大大降低。为了最大限度地消 m c c d m a 系统卜行链路的州步研究 除符号ml 扰，还一，r 以住每个o f d m 行号之| 、日j 插入保护删隔，并且保护间隔长度一般要 人j 二无线信道的最大耐延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在 这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。然而在这种情况下，、由 于多径传播的影响，则会产生信道问干扰( i c l ) ，即破坏了予载波间的正交性，不同的子载 波问产生干扰。 为了消除i c i ，o f d m 符号需要在其保护间隔内填入循环前缀信号，见图2 3 。这样就 可以保证在f f t 周期内，o f d m 符号的延时副本内所包含的波形的周期个数也是整数。这 样，时延小于保护i 日j 隔。的时延信号就不会在解调过程中产生i c i 。 图2 - 3o f d m 符号的循环前缀 2 1 ，3o f d m 用于d s c d m a 系统的原因分析 c d m a 是移动通信的一种有效体制，是一种比较成熟的技术。d s c d m a 系统有着抗干 扰能力强和容量大等突出的优点。但在移动通信的信道中，发射机和接收机之问存在多径效 应。不同路径效应的信号是相同传输信号的“拷贝”信号，但这些“拷贝”信号具有不同的 幅度、相位和延迟，在接收机中将这些信号相加在一起，在时间域中导致信号的分散。扩频 调制可以对抗干扰，但还依赖于所使用的调制方式。改变调制方式，可以改善整个系统的性 能。o f d m 是一项多窄带载波调制技术，它将传输数据分配到许多予信道上，使每个子信道 码元宽度大于多径延迟。这种调制技术晟大的优点就是可以将频率选择性衰落引起的突发性 误码分散到不相关的子信道上，从而变为随机性误码。另外，o f d m 的载波集是一组正交函 数集，能有效地避免子信道之间的串扰。将o f d m 技术应用于d s ，c d m a 系统，就构成了混 合c d m a 系统。这种混合系统可以同时拥有c d m a 的抗干扰的优点和o f d m 很好地解决多径 环境中的频率选择性衰落的能力，更重要的是它将o f d m 引入d s - c d m a 系统，使每个收发 信机都可以在一个小区接入所有子载波。由于o f d m 信号大于最大的延迟扩展，平坦衰落信 道容易均衡，因此，将o f d m 和d s c d m a 的优点结合而成的多载波调制技术，能够有效地 克服脉冲干扰和窄带干扰，具有抗多径衰落和延时性能，能够最大限度地提高信道的容量。 9 m c c d m a 系统下行链路的1 日 步训究 22m c c d m a 系统 m c c d m a 技术是将o f d m 和d s c d m a 的优点结合而成的多载波调制技术，它能够有 效地克服脉冲干扰和窄带干扰，最大限度地提高信道的容量，并具有抗多径衰落和延时性能。 本节将对它的基本原理、系统结构、发送接收模型做个简单的描述。 221 基本原理 m c c d m a 的壁本原理是采用多个并行的载波子信道来传递c d m a 信号，并要求各载 波子信道相互正交，其扩频实质上是在频域内进行的，起到了频率分集的作用。这样，信号 的发送和接收均可使用快速傅立叶变换( f f t ) 来实现，各子信道的频谱相互重叠，有效地提 商了频谱效率。从时间域看，低速的子数据流的符号周期长，相同的时延扩展造成的码问干 扰比串行体制小，在采用循环前缀时，更可完全消除码间干扰的影响。从频率域看，子信道 带宽远小于相关带宽，在子信道卜- 衰落是平坦的，频率选择性深衰落仅影响系统中的一个或 几个子信道，利用子信道之| 、j 的相关信息，可以恢复受干扰的子信道上的数据，从而有效地 使衰落引起的错误随机化。这就使得m c c d m a 可以有效地对抗多径造成的频率选择性衰 落。 为了更清晰地看出m c c d m a 的频域扩频原理，我们给出图2 4 。 2 2 2 系统结构 困2 4 m c 。c d m a 单个用户的频域扩频原理 m c c d m a 系统框图如图2 - - 5 所示：发送端包括信号映射、扩频、交织及o f d m 复用 ( w f t ) 。假设有肘个用户表示第m 个用户的信息比特。多个用户的输入数据并行地加 在系统的输入端，利用扩频码，将每个用户的数据扩展到所有的子载波上，并与其他用户的 1 0 m c c d m a 系统下行链龉的同步叫究 信号碴j | 1 ，垒加后的信号通过i f f q 、变换到时域，完成串并变换，同时加入循环前缀。再通 过数模变换和低通滤波形成模拟基带信号，用上变频搬移至射频信道。接收机的解调部分完 成发射机调制部分的逆过程 1 3 。 羽户( ： f 耨g 龇 1 1 i f f ：i 插入 保护 问隔 倍道 , q l p l 4 - - 一- - r丁 一i i 肾 1 一k、+ “ ；黼铡誊燃控b 4 - j a t d4 j = j 户m ” 图2 5m c - c d m a 系统模型 从m c c d m a 的系统结构上看，i f f t 的输入端到f f t 的输出端的结构与o f d m 相同， m c c d m al i ：o f d m 多了将用户数据利用j 下交码集扩展到多个子信道的过程，这也可认为 m c c d m a 是在o f d m 的基础上增加了一种基于正交码的多址接入技术。所以在i f f r r 和f f t 之间的部分，o f d m 系统的一些现有结论也基本适用于m c - c d m a ，如时域同步算法、基于 导频信号的信道估计和频域的信号均衡方法等。 与o f d m 系统类似，m c c d m a 也具有接近矩形的频谱，低功率谱密度，带外辐射小的 特点。信号电平数与活动用户数成正比，m 越大，电平数也越多。因此，在m c - c d m a 的 数字基带信号中，每子信道上传送的为多电平的信号。而在o f d m 基带系统中，每予信道上 传送的信号电平数较少且是固定的，如使用4 q - w 或8 p s k 调制，则电平数为l ，使用1 6 q a m 调制，电平数为3 。这种变化的多电平信号有利于对抗截获，因为这将使m c c d m a 的频谱 特性更加接近自噪声。 2 23 发送接收模型 m c c d m a 调制表示如下： j ( r ) ：窆篁眦【h 】p ( 卜i t ) e j 2 f ( l + 争( 2 - 4 ) i t )j ( r ) = 啡，【h 】p ( 卜 一 一 叭咻 专。 黝槲 卜卜 撷警 卜-， 卜 m c c d m a 系统下行链路的h 步州究 m 楚川j 、数【最人i r 以等j ：打频增益) n ，是予载波数( 这单分析的是最堰本的情况 予载波数等丁扩频增益) 。q ，【f 】是第m 个用户的第i 个二进制数据符号( 符号持续时间为7 ) 。 目1 裹第月个于载波，砷】代表第坍个用户的扩频码的第以个码片。，( ，) 是定义在f 0 ，t 上的方波脉冲。 同理，m c c d m a 解调可表示为： ，c 。= 手p ，e 一2 f t 上+ ；”西 。一j ， 其中，( ，) 为m c - c d m a 解调前的信号，y ( z ) 为解调得到的数据。 当我们采用基带信号进行分析时，m c c d m a 基带调制和解调分别表示为： m t ，- i 擘j，2 f 马 j ( ，) = 口。【f 】c 。【n 】p ( f i t ) p 。2 4 i ( 2 6 ) 和 胁；玲叫予击 z ， 令t = 瓦t ，则离散基带信号的m c c 。m a 基带调制和解调可分别表示为 丝i l ! ，j 。兰+ s ( 七) = i l c 。 n l p ( t i t ) e 一m 州) ：告艺僻1 薏“ v ，t = 0 2 2 4 两种c d m a 通信系统的比较 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 1 m c - c d m a 和d s c d m a 对偶性 1 4 ，1 5 d s - c d m a 是时域扩频，m c c d m a 是频域扩频。时域扩频和频域扩频之间具有对偶性， 也就是m c c d m a 的扩频码可以由d s - c d m a 的扩频码经过傅立时变换得到。d s c d m a 与 m c c d m a 信号问的对偶性可使两者在扩频码的选择和接收方面相互借鉴。 d s c d m a 采用时域的r a k e 接收技术来合并不同时延的多径信号，以克服i s i ，同时获得 路径分集效应：m c c d m a 可采用频域r a k e 接l i 臭技术来合并不同多普勒频移的径。 d s c d m a 在信号检测时采用自适应均衡技术消除i s i ：同样m c c d m a 为提高有效性， 不加保护问隔而采用均衡来消除i s i 。d s c d m a 可以类似于m c c d m a 采用插入保护问隔 m c c d m a 系统下行链路的步 l j | 究 的力法术碱少i s i 的影响。但是由于d s c d m a 的符号周期远小于m c c d m a 符号j 土j 期而 受i s l 影响更为，一”重，所以d s c d m a 不大可能通过加保护间隔来消除i s i 。 2 3 三种o f d m 和c d m a 结合的方案及其各自的特点 多载波c d m a 方案主要可分为两类：一类用扩频码对原始数据流进行扩频后将每一码片 调制到不同的子载波上，即扩频操作是在频域完成的：另一类先用扩频码对串并变换后的数 据流进行扩频，然后将每个数据流调制到不同的子载波上，扩频操作在时域完成。当子载波 数设为l 时，就等效于普通的直接序g t c d m a ( d s c d m a ) 方案。这又可分为两类 1 8 ：多载波 d s c d m a ( m u l t i c a r r i e rd i r e c ts e q u e n c ec d m a ) 和m t - c d m a ( m u l f i - t o n ec d m a ) 。由于前面 已对m c c d m a 做了详细介绍，这里就只介绍多载波d s c d m a 和m t c d m a 。 2 3 1 多载波d s c d m a 多载波d s c d m a 对串并变换后的数据流进行扩频，得到的每个子载波上的频谱能满 足最小频率间隔的乖交性条件。其系统框图如图2 6 所示。其中图2 6 ( a ) 是多载波 d s c d m a 第，个用户的发射机结构。图2 - - 6 ( b ) 是发射信号的功率谱。是处理增益， 一( f ) = 【c ? c 乞 是第，个用户的扩频码。当予载波的间隔较大时，既可以改善频率分 集，又可以抑制窄带干扰。图2 - - 6 ( c ) 是多载波d s - c d m a 接收机结构框图，它一般由m 个普 通的相干接收机组成( 非r a k e 接收机) ，因此，子载波问没有前向纠错( f e c ) ，不能获得频率 分集增益。 ( a ) 发射机 m c c d m a 系统下 ，链路的i 卅步川究 压簧二登 ( b ) 发射信号功率谱 叫酬竺h 竺卜 p s c o s ( 2 万d ) c ( ，) 23 2 多音c d m a ( m t c d m a ) ( c ) 接收机 图2 6m c d s c d m a 系统框图 多音c d m a 与多载波d s c d m a 有点类似，也是对串并变换后的数据流进行扩频。 m t - c d m a 的特点在于：如果直接把串并变换之后得到的数据调制到各个子载波上，则所得 到的功率谱是满足最小频率问隔的正交性条件的：但是如果先与扩频码相乘，然后再调制到 不同的子载波上，则这些功率谱就不再满足正交性条件了。发射机结构如图2 7 ( a ) 所示，发 射信号的功率谱如图2 7 ( b ) 所示。m t c d m a 扩频码的长度与子载波个数成正比，因此与 普通d s c d m a 相比，系统能容纳更多的用户。 c ? c ；c ； 1 4 c 6 毒= c g jx n ： m c - c i ) m a 系统f 行硅路的m 黟埘究 产、，( 、 + i 莶卜叫：圣卜+ s p 下 ： 下 c ( f ) c o s ( 2 矾，) h ) 发射机 ，? 一一雩予一。i 一、 ，1f2 fn? 频卑 ( b ) 发射信号功率谱 图2 7m 丁c d m a 系统框图 m t - c d m a 的接收机出，个r a k e 接收机组成，只要把图2 6 ( c ) 中多载波d s c d m a 接 收机的相干接收部分用r a k e 接收机来替代就可以得到。这是a w g n 信