（通信与信息系统专业论文）移动通信中的mccdma技术.pdf

摘要 mc - c d ma 技术是下一代移动通信的核心技术之一。它结合了 o f d m 和 c d m a技术的 优点，能够把宽带频率选择性衰落转化为每子载波的平坦信道。具 有自 适应灵活性、高容量、高频谱利用率、抗干扰的优点。本文深入研究了目 前 m c - c d m a中同步、峰平比、多 用户检测的问 题。 文章主要内 容如下: i . 提出了用于mc - c d m a系统的新型时间同步法一自 适应分段相关时间同步法。 它根据估计频率偏移自 适应调整分段相关长度。它优于固定分段时间同步法 ( s c方法 ) 。 这种优点 体现在a w g n和多 径信道中自 适应分段相 关时间同 步 法 的估计均值偏差和错误方差均小于s c方法。 2 .采用削波方法来降低多载波g m s k信号的峰平比， 结论是中等程度的削波只引 起系统性能的略微下降。 3 . 提出m c - c d m a中 扩频 序列 的 新 型设 计 方 案， 在上 行信 道， 采 用g o la y 序 列， c l n e w序列或z a d o f f - c h u 序列， 在下行信道， 采用wh序列作为扩频序列可以 控制 m c - c d ma峰平比 在 7 d b以内，在信噪比为2 0 d b时，系统误码率小于 1 e - 3 a 4 .提出上行信道mc - c d m a的最佳检测方法是解相关一 并行干扰抵消多用户检测 法 ( d e c - p i c ) ， 在下行信道m c - c d m a的 最佳 检测方法是 最小 均方 误差合 并单 用户检测法( m m s e c ) 。 进一步分 析了 信道估计 错误对多 用户检测器的 影响。 结 论是多用户检测只适用于信道估计错误很小的情况。 关键词: mc - c d ma ，自 适应分段相关时间同步法， 峰平比， 解相关一 并行干扰抵消多用户 检测 ab s tract mc - c d ma i s o n e o f t h e k e y t e c h n o lo g ie s i n t h e n e x t g e n e r a t i o n . i t c o m b i n e s t h e a d v a n t a g e s o f o f d m a n d c d ma . i t c a n c o n v e rt t h e f r e q u e n c y s e l e c t i v e c h a n n e l p r o p a g a t i o n o f t h e b r o a d b a n d t o fl a t c h a n n e l o f t h e s u b c a r r ie r . i t h a s a d a p t i v e fl e x ib i l it y , h ig h c a p a c it y , h ig h b a n d w i d t h e ff i c i e n c y a n d i n t e r f e r e n c e r o b u s t n e s s . t h i s p a p e r d e e p l y r e s e a r c h o n t h e s y n c h r o n i z a t i o n , p e a k - t o - a v e r a g e p o w e r r a t i o , m u l t i u s e r d e t e c t i o n o f t h e c u r r e n t mc - c d ma s y s t e m . t h e m a in c o n t e n t i s : 1 . w e p r o p o s e d a n e w t i m e a c q u i s it i o n m e t h o d , c a l l e d a d a p t i v e s u b s e c t io n c o r r e l a t i o n t i m e a c q u i s i t io n m e t h o d o f mc - c d ma s y s t e m , t h e s u b s e c t i o n c o r r e la t io n l e n g t h i s a d a p t e d a c c o r d i n g t o t h e p r o b a b l e f r e q u e n c y o ff s e t . i t i s b e t t e r t h a n f i x e d c o r r e l a t i o n t i m e a c q u i s it i o n m e t h o d ( s c m e t h o d ) . t h i s a d v a n t a g e i s s h o w n t h a t i n a wg n a n d m u lt ip a l h c h a n n e l , it s e s t i m a t io n m e a n b i a s a n d e s t im a t i o n e r r o r s q u a r e r o o t i s s ma l l e r t h a n t h e s c me t h o d 2 . c l ip p i n g i s u s e d t o r e d u c e t h e p a p r ( p e a k - t o - a v e r a g e p o w e r r a t i o ) o f m u lt i c a r r e i r g ms k s i g n a l . t h e c o n c l u s i o n i s t h a t t h e m o d e r a t e c l i p p i n g i n t r o d u c e s s m a l l p e r fo r m a n c e d e g r a d a t i o n 3 . w e p r o p o s e a n e w s p r e a d i n g s e q u e n c e d e s i g n s c h e m e . i n t h e u p l i n k , u s i n g g o l a y s e q u e n c e , c i n e w s e q u e n c e o r z a d o f - c h u s e q u e n c e , i n t h e d o w n l i n k , u s i n g wh s e q u e n c e a s t h e s p r e a d i n g s e q u e n c e , w e c a n c o n t r o l t h e p a p r o f mc - c d ma b e lo w 7 d b a n d b e r b e l o w i e - 3 ( s n r = 2 0 d b ) 4 . w e p r o p o s e t h a t t h e b e s t d e t e c t i o n m e t h o d f o r t h e u p l i n k mc - c d ma s y s t e m i s d e c o r r e l a t i n g - p a r a l l e l i n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t 工 o n ( d e c - p i c ) m u lt i u s e r d e t e c t io n , a n d t h e b e s t d e t e c t i o n m e t h o d f o r t h e d o w n l i n k m c - c d ma s y s t e m i s mi n i m u m me a n s q u a r e e r r o r c o m b i n i n g ( m ms e c ) s i n g l e u s e r d e t e c t i o n . we f u rt h e r a n a l y z e t h e e ff e c t o f c h a n n e l e s t i ma t i o n e r r o r o n mu l t i u s e r d e t e c t i o n . t h e c o n c l u s i o n i s t h a t it i s o n l y s u i t a b l e f o r t h e o c c a s io n w h e r e c h a n n e l e s t i m a t i o n e r r o r i s lit t l e . k e y w o r d : mc - c d ma , a d a p t i v e s u b s e c t i o n c o r r e l a t i o n t i m e a c q u i s i t i o n , p a p r , de c- p i c mu l t i u s e r d e t e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，除了文中特别加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;也不包含为获得西安电子科技大学或 其它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 的任何贡献均己在论文中做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，木人承担一切相关责任。 本 人 签 名 : 乳英 -; 日期y w 3 r 1 . r i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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工作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，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，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、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本 人 签 名 : 梁头 姿 日期7 - v o 3 . r ; 1 1 导师签名:日 期 d -? , t a . 1 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1 mc - c d ma的研究背景及概念 无线通信是当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的领域之一，也是将在 2 1世纪对人类的生活和社会发展有重大影响的科学技术领域之一。它的研究有许 多分支。本文集中于研究一种新型的多址技术: m c - c d m a ( m u lt i c a r r i e r c o d e d iv is io n m u lt ip le a c c e s s ) : 多 载 波 码 分多 址 技术。 就通信技术的周期来说，从概念提出到技术研发、标准化进程，系统框架的 构建一般需要 1 0 年多时间。 按照3 g当前的进展， 1 0 年后3 g将达到今天g s m的 发展水平。用户的高速增长和高普及率与有限的系统容量和有限的业务之间的矛 盾开始显露出来，那么4 g就将被提上日 程。 4 g的高速传送对于物理层提出了挑 战。 采用什么样的技术才最可行? 频谱利用率最高?可提供容量最大? 实际上无线通信系统的设计目的就是最大限度地利用有限无线频谱来提高用 户容量。尽管多载波没被作为第三代的标准，但o f d m在数字音像广播中的成功 应用以及近来在hip e r l a n - i i 和a t m中的应用表明基于多载波的技术可能是第 四 代 通 信 系 统的 有力竞 争 者 4 目前存在着几种多址方式来允许多个用户分享固定的无线资源，频分多址 ( f d m a , f r e q u e n c y d iv i s i o n m u l t ip l e a c c e s s ) 、时分多址( t d m a , t im e d iv i s i o n m u lt ip l e a c c e s s ) 和码 分 多 址 ( c d m a , c o d e d iv i s i o n m u lt ip le a c c e s s ) 是 三 种 主 要 的 多 址技术。 f d m a . t d m a与c d m a的最大不同点在于: c d m a是统计复用资源， 每个载频的所有用户共享频率、时间、功率资源， 用户之间只依靠特征码来区分; 而f d m a , t d m a是固定分配资源，不同的 用户在频率、时间、功率资源上部分 或全部不同，用户之间有较好的隔离度。由于频率或时隙的预分配，f d ma和 t d ma的缺点是固定的系统容量， 而c d ma技术提供了系统软容量。 c d m a技术存在的问题是频率选择性多径衰落会引起c d m a 系统的码元间干 扰( i s i , i n t e r s y m b o l i 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 ip in t e r f e r e n c e ) ， 这是 因为在高速数据传送率的无线移动环境下，高速系统的码元周期远远小于信道时 延 扩展， 严重载波间 干 扰导 致系统性能 严重下降 2 1 。 实际 上当 数 据速率 达到百m b / s 时， 系统性能的下降和同步的困难使得c d ma技术的应用显得很不可行。 而正交 多载波调制和c d ma结合起来正是为了 解决这个问 题。正交多载波调制技术 ( 通 常以o f d m , o r th o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s io n m u lt ip le x 实 现) 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送，每个子载波流以较低速率传送，也即 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， 西安电子科技大学博士学位论文 移动通信中的 m c - c d m a 技术 则正交多载波调制技术是抵抗码元间干扰的一种可行的方法。因此通常在 o f d m 的一个码元周期中要加入保护间隙，以确保信道码元周期大于信道时延扩展。而 这样一种处理也可以同样地应用于多载波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。无线频谱的 有 效 利 用一 直 是决 定 无线 技 术的 很大 原因 13 1 。 对于 高 速 数 据业 务( 比 如 2 m b / s ) ， 频 谱效 率 变为 关键因 素。 广为人知的 是正交 频分复 用 ( o f d m , o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d iv i s i o n m u lt i p l e x ) 技术的频谱效率是较高的。 在o f d m中， 通过i f f t 实现多 载波 调制，子载波之间相互交叠但仍保持子载波之间的正交性，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 ma两种技术的优点以 获得高 效频谱利用率，高容量，并提供多种业务类型。这项技术在近几年引起了无线移 动 通 信 界的 广 泛 兴 趣15 - 川 口 1 9 9 0 年b in g h a m j o h n a . c .的 一篇 文 章“ 多 载 波时 代已 经 到 来” 14 1成为 该 领 域 的经典文献，常被引用， 但在它的文章中还没有涉及到结合c d ma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15 ,6 ,7 1 ，它可以 通过f f t 块发送和 接收而不增加设备复杂度， 且有高频谱利用率，能更好地抵抗频率 选择性衰落。 同时它可以提供多种速率传送，以满足不同要求、不同层次的用户。1 9 9 5年 i e e e ( t h e i n s t it u t e o f e l e c t ri c a l a n d e l e c t r o n ic s e n g i n e e r s ) : 电 机与电 子工程师协会的 杂志“ w i r e l e s s p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n s ” 专题讨论7多载波通信1$ - 1 1 1 。文中 提出 m c - c d ma是未来宽带无线通信的一项极具前景的多址技术. f a z e l k . 和k a i s e r s . 发表了两篇文章，关于数字电视广播和用于蜂窝移动通信的正交多载波扩频多址 ( m c - s s - m a ) 1 - 1 o 1 9 %年m il s t e i n 和n a k a g a w a 发 表 于m 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 h z i s l o 1 9 9 7 年h a r a 发表在i e e e 通信杂 志上 的 文 章把提出 的 多 载波c d m a模式归纳 为 三类p a l ， 并 讨论了多 载波的 接收 技术 和 性能 分析。 继而这方面的 研究 如雨 后春笋， 蓬 勃涌 现p 5 - 2 3 1 在多载波c d ma的研究中 存在的一个难点是各种多载波 c d ma体制纷繁复 杂，而要涉及的问题又是如此之多。在这里首先我们将它进行一个简单的归类， 以便于解决问题. 1 . 1 . 1 节介绍多载波模型归类，由于在多载波c d ma中当前并没有任何标准， 因此有很多种多载波的实现方法，这时很自 然地就有一个问 题，到底有哪几种多 载波体制，哪一种多载波体制是最好的?实际上许多作者也做了这方面的比较， 为了 有一个比较清楚的概念，将在 1 . 1 .2 节综述这一问题。 在 1 .2 节我们分析m c - c d m a的当前 研究中的主要问 题，以 及本论文所作的 工作。 1 .1 . 1 常见的多载波模型 i s n国 家重点实验室一宽带无线通信实验室 第一章 绪论 1 . 1 . 1 . 1 正 交频 分复 用( o f d m ) 2 4 ,7 0 ,7 11 o f d m是多载波调制的特殊形式。o f d m 既可以看作是调制方式，也可以看 作是多址方式。在欧洲，o f d m 用于数字电视广播的研究和发展已经受到了 广泛 的注意并取得了很多成果。o f d m 在欧洲的应用也引起了美国广播界的关注。经 过3 0 多年的研究， o f d m已广泛用于高速数据传送中。由于近年来数字信号处理 芯片 ( d s p )和大规模集成电路 ( v d s l )的发展，o f d m在实现上的最初障碍， 如大规模的矩阵运算及高速存储等问题己不再存在。同时 f f t算法的应用消除了 正弦产生阵列器和并行数据系统的相干解调;o f d m 流行的另一个原因是直到近 年来它的优良性能才得到了理论证明。 在电信领域，离散多音频 ( d mt ) ，多信道调制和多载波调制 ( mc m)己经 得到广泛应用， 有时它们与o f d m是可互换的。 在o f d m中， 每个载波与其它载 波正交，但是这个条件在m c m中并不一定存在。 o f d m的早期应用是美国高频军事项目a n / g s c - 1 0 ( k a t h r y n) ， 可变速率 数据调制器用于高频无线电， 采用p s k的3 4 个并行低速率信道载波间隔为8 2 h z , 在8 0 年代， o f d m用于高速调制器， 数字移动通信和高密度录音。 在9 0 年代， o f d m用于移动电台f m信道的宽带数据通信，高比 特率数字用户环路 ( h d s l ) 和非对称数字用户环路 ( a d s l )等12 4 1 o f d m已 经在早先被欧洲d a b ( d i g i t a l a u d i o b r o a d c a s t i n g ) 和d t t b ( d i g i t a l t e rr e s t r i a l t e l e v i s i o n b r o a d c a s t i n g ) 作为 标准技术。 i e e e 8 0 2 . l l a 和h i p e r l a n 2 也 己 经选择o f d m作为它们的物理层标准。 o f d m中没有c d m a的 概念。 它的 基带简化收发模型如图1 - 1 所示: 图1 - 1 o f d m实现原理图 原始信号经过串并转换， 编码映射，导频插入后， 进行i f f t 调制，插入保护 间 隙， d / a变换， l p f ( 低通 滤 波 ) ， 上 变频 后 发 送出 去， 在 接收 端， 进 行 相 应的 反 操作， 获得时间同步信息，进行信道估计，检测判决后获得发送的原始信息。 西安电子科技大学博士学位论文 移动通信中的 m c - c d m a 技术 有时把同步和信道估计部分称为内部接收机，而把检测判决部分称为外部接 收机来对接收机分别细化分析17 0 ,7 1 1 插入保护间隙前的发送信号用公式表示为: x(n) = n 艺 x (k )e ix,a ix ( 1 一 1 ) n 是i f f t 长 度 ，,n 是 离 散 时 域下 标， k 是 离散 频 域下 标， x ( k ) 是i f f t 前 输入 信号。 o f d m调制方式的优点是载波间虽然重叠但仍相互正交， 因此频谱利用率高。 1 . 1 . 1 .2多 载 波 直 扩c d m a ( m c - d s - c d m a , m u lt i c a r r ie r d ir e c t s e q u e n c e c d m a ) 12 0 1 m c - d s - c d ma相对于mc - c d m a来说，是时域扩频的多载波调制，而 通常 m c - c d m a被称为频域扩频的多载波。 原始数据流串 / 并变换后与扩频码相乘，扩频后的数据分别调制到多个相邻载 频上，相加后形成发送信号，如图 1 - 2 所示。 图1 - 2 m c - d s - c d m a ( 第w 个用户) 实现原理图 m c - d s - c d m a的发送信号 表达为12 0 1 . s w ( t) = 艺 2 p b . ,. (t)c. ( t ) c o s ( 2 从 + 汽 .小 u 是 多 载 波 数 。 ( 1 - 2 ) 其 中p 是 每 载 波 发 送 功 率 ， b w . ( t ) = 艺b , . p , ( t 一 i t y ) 是 用 户 数 据 波 形 ， t 、 是 数 据 码 元 周 期 ， c . .( t ) = 艺c w .i 凡( t 一 j t ) 是 扩 频 序 列 波 形 ， t 。 是 切 普 周 期 。 mc - d s - c d m a中子载波间的正交性表达1 1 3 1为: i s n国家重点实验室 一宽带无线通信实验室 第一章 绪论 分 c o s ( 2 , tf t + o i ) c o s ( 2 鱿 t + o ; ) d t = 0 , f o r i x j ( 1 - 3 ) 在i m t 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a l m o b il e t e l e c o m m u n i c a t i o n s i n t h e y e a r 2 0 0 0 ) 中 美国 提 出 的 方案。 d m a 2 0 0 0 1 17 p l 4 中 括 载波数n为3 . 6 . 9 的m c - d s - c d m a , n = 3 时的 频 谱图 如图l - 3 所示， 扩频码率为1 .2 2 8 8 m c p s a 保护带 - 3 db 保护带 颇 率 图1 - 3 m c- d s - c d m a 频 谱 图 瓜 1 . 1 . 1 .3 mc - c d ma 1 0 1 mc - c d ma是本文研究的重点。它的实现方式与mc - d s - c d m a不同。后者 是把一个扩频序列调制在某一载波上，而前者是把扩频序列的每一位调制在相应 的载波上，因此也称作频域扩频。 1 . 1 . 1 .3 . 1原始模式mc - c d ma 它的实现方式如图1 - 4 ( a ) 所示. f i f i r ) 的随 机相 位。 基站接收信号可以写为: r ( t ) = , i 2 p i n y艺 b , ,u , ( t - i t 一 ) c c . , e j 一 + 。 ( )( 1 - 5 ) 1 二- 团 ”二 0 人 、 = 氏一 cu k z w ,: ， 是 用 户w的 随 机 延时 ， 均匀 分 布于 0 , t , ? ( i ) 是a w g n的 复低通等效，均值为0 ，单边功率谱密度为n o . 1 . 1 . 1 . 3 . 2改进模式 mc - c d ma 图1 - 5 m c - c d ma改 进模式的下行同步发送模型 i s n国 家重点 实验室 一宽带 无 线通信实验室 第一章 绪论 原始模式mc - c d ma不能适应于高速数据传送，因为此时会产生每子载波的 频率 选择 性衰落。 因 此提出了m c - c d m a的改 进模式 【 1 4 ,2 1,7 2 1 。 它的下 行多 用 户发 送 模型 如图i - 5 所示 12 1 1 : 这 里 扩 频 因 子s f 指的 是每 一 个串 / 并 变换 后的 分 组 扩 频 序 列 的 长 度 ， 总 载 波 数 为 n ， 串 并 路 数 为 m = n d s f。 这 里 s ( i, t ) 二 v 2 p i 从艺 s ，,k e ) a * s ， i 是 指 每 一 次if f t 运 算 。 把w个 用 户 的 数 据 相 加 得 到 凡 ， 二 艺 s . ,k = 艺b w ,m ,c w ,k c w ,k 是 第w个 用 户的 扩 频 序 列， 用 于 某 一 分 组 的 序 列长 度为s f ， 序 列 总 长 度为 n , mx s f ,气 ， : 指 第w个 用 户 第i 次i f f t 运 算 时 的 第m分 组 数 据 由 于 下 行 信道的同一性，以及每用户分配的频率相同，因此这里就把所有用户数据相加起 来。 f o场，气望 一 . 之 j. 一. _g z 、二. _ _ _ _ 一 _ _ _ . - - - - -14)f d:s(wmhtla)ds whpmca a?4):*-:-_mc(whp) 、 一-.- . 、. 刁一冲 一. 一一 ，- . 一. 一 一 : 一. 一 o s(随机码 一. 一 d s ( wh 码) 一m c(随机码) 。 一 m c ( wh 码) 灭. 、 一 一 卜 一 一 十- 一 一 火之 l . 入 i /= +沈 一 ， 一 ， ，咭 口. 、. 1o 归一 化 带宽 图1 - 1 0 m c - c d m a 和d s - c d m a 信 号 的 带 外 功 率比 ( 载 波 数n = 3 2 ) 1 . 1 .2 .3其它一些论点 也有少量文章说明 mc - c d m a的性能不见得是所有多载波体制中最好的 x 4 3 - 4 6 i b a r s c . 和b 阶n es s y a 3b a r - n e s s y 从实 现的 简易 度上来 进行比 较， 分 析了 编 码多 用户 o f d m系统和采用多用户检测的 编码多载波c d m a系统的比 特错误率。 分析集中 在下行信道，有长时间交织。 仿真结果表明， 在满载情况下，m - o f d m的性能与 m c - c d m a类似， 但是它实 现简单， 且不需要多 用户检测。 4 4 】 中 ， h a t h i n . 和 r o d r ig u e s m. 分析了非线性放大器对m c - c d m a 和m c - d s - c d m a 的 性能和谱扩散 影响。 采用b p s k和q p s k调制。结论是对于给定用户数， 在存在放大器非线性 时， m c - d s - c d ma 的性能好于m c - c d m a o 4 5 中l i m i n g g i 获得了m c - d s - c d m a 系统的错误率性能表达，采用延时抽头多径信道模型，迭加白 色高斯噪声。数字 结果显示mc - d s - c d ma的性能好于mc - c d ma o k a i s e r s t e f a n z 6 认为由 于m c - c d m a的高带宽效率只能在下行获得，因 此 m c - s s ma ( s p r e a d s p e c t r u m m u lt i - c a r r i e r m u lt i p l e a c c e s s ) 是上行最有前途的技术。 b a d e r认为在上行，从信道估计和数据检测的难易上看，m c - s s m a 比 mc - c d ma要好， 但另一方面， mc - c d m a的容量大于mc - s s m a ， 且比mc - s s m a 系统更好地利用了频谱。 这一部分我们概略地浏览了一下当前各种多载波体制的比较情况，孰优孰劣 结论并不十分明确，引入这一部分的目的是为了了解研究背景和动态，为下一部 分研究打下基础。在下一部分我们将总结多载波研究的主要问题，以及本文所要 重点解决的部分，具体研究时主要集中于mc - c d ma体制. 西安电子科技大学博士学位论文 移动通信中的 m c - c d m a 技术 1 .2 mc - c d m a中存在的关键问题 m c - c d m a的 研究有类似于其它调制技术的方面，也 有它自 身的特点。 研究 层面比 较多 ， 本文将简略加以介绍。 其中 几个方面是本文的重点，其它一些内容则 有待以后的进一步研究。综观目 前文章，关于mc - c d ma讨论比较多的有:多载 波信号对定时错误和频率偏移的敏感，多载波合成信号的峰平比问题，检测技术， 信道估计，自 适应分配资源，发送分集，信道编码，小波应用等，下面就主要问 题加以说明。 1 .2 . 1 m c - c d m 中的 信道估计 4 7 - s a d 信道估计是mc - c d ma中比较重要的问题，只有信道估计的精确，才能获得 好的接收性能。另一方面，mc - c d ma的时频域转换使现实的信道估计可以在频 域进行。信道导致了多普勒频移和多径效应。它会引起子载波间的正交性消失， 引起载波间干扰， 码元间干扰和多用户间千扰。已存的信道估计方法包括采用引 导码元的m ms e估计，自 适应方法和子空间估计等。在第二章将阐述这一问题。 由于m c - c d ma的核心技术是o f d m， 因此它的信道特性与o f d m有相似的 地方。 m c - c d m a系统应该适当 选择子载波数量和子载波间隔、保护时隙长度等 参数，使每一个子载波支路上仅存在非频率选择性衰落。如果系统的数据传输速 率太高导致产生了 频率选择性衰落，则可以在频域扩频之前先把原始数据信号进 行串/ 并变换，也即从原始型mc - c d ma转换到改进型mc - c d ma, 1 .2 .2 m c - c d m a中的同 步问 题5 1 - s 1 1 由于m c - c d m a系统利用多 个载波传输数据，相邻载波的间隔非常之小，它 对系统的同步错误就非常敏感。系统收发信机同步通常包括时间同步、频率同步 和抽样时钟同 步。时间同步通常称为帧同步或码元同步，频率同步有时称为载波 同 步。 ( 1 ) 时间同 步:它的任务是发现接收m c - c d m a码元的“ 起始点” ，这样收 发信机的时间同步，然后以要求的精度移去保护间隙，如果起始点不能正确估计 将会导 致性能下降。 ( 2 ) 频率同 步: 信号调制 在分配的 频率 上， 尽管此频率 对接收 机来说是已 知的， 但是r f 元件的 偏差范围 很大， 会有频率偏移。 这样在接收机就 必须估计和补偿。 另外多径信道中多普勒频移的 存在也使得收发频率产生频移。 ( 3 ) 抽样时钟同 步:发送端由 i f f t产生的信号将被转换成模拟信号，接收端下变频 r f 信号 抽样成为数字信号以 进一步作数字信号处理。 接收机的抽样时间必须与发 射端精确匹配以避免性能失真。因此也必须估计抽样间隔。 帧同步和载波频率同步是通信系统中比 较关键的问 题，尤其是多载波系统对 i s n国 家重点 实验室 一宽带 无线 通信实 验室 第一章 绪论 帧同步和载波频率的偏移比单载波系统更加敏感。在多用户情况下，时偏和频偏 会引起码元间干扰，子载波间干扰和多用户间干扰，使得系统性能下降。因此系 统同步非常重要。 在mc - c d ma中， 同步分析方法中可以借鉴o f d m中己 经存在 的方法5 1- 5 8 。我们将在第三章就这一问 题展开分析。 1 .2 .3 多 载 波 的 峰 平 比( p a p r ,p e a k -t o -a v e r a g e r a t io ) 6 2 - 87 1 由于现行的m c - c d ma系统使用o f d m调制方式，它在继承了o f d m调制 的诸多 优点的同时，也不可避免地继承了 其信号包络剧烈变化的问 题。 在o f d m中 提 出 的 减 小 p a p r 的 方 法 是 预 失 真 6 2 -c 4 、 编 码 6 5- 7 0 削 波 7 1- 74 选择映 射 ( s l m , s e l e c ti v e m a p p in g ) 7 5 _7 7 、部 分传送序j 1 ( p t s ,p a rt ia l t r a n s m it s e q u e n c e ) 7 8 - e 0 等。 预 失 真方 法实 际 上 是 一个 求 逆过 程， 也即 把 非 线 性 放 大 器的 传 输函数逆化， 使得它线性化。 在o f d m中， 编码方案中提出采用奇偶校验码， b c h 码， g o l a y 互 补序列和二阶r e e d - m u l l e r 码。 文 献 6 8 中证明由g o l a y 互 补序列 构成 的o f d m信号的峰平比 最大不超过3 d b 。文献 7 0 中提出 采用n e w m a n 相位来降 低峰 平比， 如果取第k 个载波相 位e k = 二 ( k 一 1 ) z / n， 则峰 平比 大约为4 .6 d b 。 采 用削波方法使p a p r降低是有可能的， 代价是一定的带内谱失真和带外削波噪声谱 溢出。 带外溢出和带内失真量与削波信号后的p a p r间有一个折衷。 削波引起了子 载波间的正交性部分消失，导致信号幅度的失真，性能 衰减和谱扩散。s l m的关 键思想是用d个统计独立的o f d m帧代表同样的信息， 用d个伪随机但是固定的 序列来与原始数据序列相乘，选择具有最小p a p r的帧发送。尽管p t s 方法可以 考虑采用低冗余度码字来降 低p a p r ， 但它们的计算负担限制了它的实际应用。 在 第四章还将就这些方法展开详述。 m c - c d m a 的p a p r ( p e a k - t o - a v e r a g e r a t i o ) 19 2 - 8 7 降 低方 法 则 主 要 是 通 过 扩 频 码 的 不同 选择。 不同的扩频序列产生的信号峰平比 是不一样的。 6 5 例如采用长 度为 3 2 的s - r序列，h a d a m a r d 序列和长度为3 1的m序列为扩频码，其mc - c d ma 信号峰平比分别为6 d b , 1 4 .6 8 d b , 1 2 d b e 这方面的 研究目 前 还很活 跃， 文 献 8 8 说明了 原 始型m c - c d m a中 峰 平比 与 与 每 用户 扩频码的 非周期自 相关函 数有关， 文 献【 8 4 考虑了 改 进型m c - c d m a的 峰平比与非周期自相关函数的关系可以发现mc - c d ma的p me p r不仅与每用户 扩频码的非周期自 相关函数有关，而且与不同用户码的非周期互相关函数有关。 b .p o p o v i c 在文献 2 7 考虑了 多 种码字 用于m c - s s m a的 峰平比 情况， 但它的 局限 性在于码字的数量太少，不能用于 mc - c d ma 。在本文中，作者将就这一方面做 深入研究。 西安电 子科技大学博士学位论文 移动通信中的 m c - c d m a 技术 1 .2 .4 mc - c d ma中的检测问题 在很多文献中论述了m c - c d m a较适用于下行链路，因为此时采用m ms e c 单用户检测可以获得良 好性能，而在上行，由于多用户信道的不同使得多用户间 的正交性丢失，采用单用户检测不能获得好的性能。因此在上行信道需要采用多 用户检测。 当前多用户检测用于mc - c d ma系统的研究主要有两个方面:一是不与解码 结合起来的独立多 用户检测8 i ，二是与解码结合起来的 迭代多用户检测9 2 ,9 3 一般都是假设在己知信道信息的情况下。在本文的第五章，作者会在这方面做一 些探索。 其它还包括信道编码、发送分集、功率分配、自 适应实现等问题。这里不再 详述。 1 .3 本文的主要内容 本文结合国家8 6 3计划项目 “ 无线移动自 组织互联网技术及实验系统研制” ( 2 0 0 1 a a 1 2 3 0 3 1 ) 和国 家自 然科 学 基金 项目“ 高 速 信息 网 络的 高 速 无线 接入 技 术 研 究” ( 6 9 8 7 2 0 2 8 ) ， 华 为公 司 合 作 项目“ 多 载 波g m s k 合成 技 术 研究” ， 由 高 等学 校 优秀青年教师教学科研奖励计划资助， 对多 载波g m s k的峰平比 及m c - c d m a中 的三个关键技术进行了 研究，内容包括采用削波降低多载波g ms k信号峰平比， 采用自 适应分段相关时间同步法来获得mc - c d ma系统的高精确度同步、利用不 同的扩频序列选择来降 低mc - c d m a信号的峰平比，并保持系统性能不变，对上 行mc - c d ma信号的多用户检测器进行性能分析。 本文的主要创新内容如下: 1 、 提出了 用于m c - c d m a系统的新型时间同步法一自 适应分段相关时间同 步法。 它根据估计频率偏移自 适应调整分段相关长度。它优于固定分段时间同步法 ( s c 方 法) 。 这种优点体现在a wg n和多径信道中自 适应分段相关时间同 步法 的估计均值偏差和错误方差均小于s c方法。 2 、 采用削波方法来降低多载波g ms k信号的峰平比，结论是中等程度的削波只 引起系统性能的略微下降。 3 、提出m c - c d m a中 扩 频 序 列的 新 型 设 计 方 案， 在 上 行 信 道， 采用g o la y 序 列， c i n e w序列或z a d o li = c h u 序列， 在下行信道，采用w h序列作为扩频序列可 以控制m c - c d ma峰平比在7 d b以内，在信噪比 为2 0 d b时，系统误码率小 于 i e - 3 0 4 、 提出 上行信道m c - c d m a的 最佳检测方法是解相关一 并行干扰抵消多用户检测 法( d e c - p i c ) ，在下行信道m c - c d m a的 最佳检测方法是最小均方误差合并 i s n国家!点实验室 一宽带无线通信实验室 第一章 绪论 单用户检测法( m ms e c ) 。 进一步分析了 信道估计错误对多用户检测器的影 响。结论是多用户检测只适用于信道估计错误很小的情况。 本文内容的具体安排如下:第二章对多载波的信道模型和信道估计方法作一 综述并分析由多普勒频移引起的 mc - c d ma系统的载波间干扰，第三章讨论 m c - c d m a系统时间 偏移和频率偏移导致的载波间干扰， 码元间干扰和多 用户间 干扰，综述用于多载波的同步方法，它们的应用环境和各自的优缺点，并详细阐 明本文提出的新同步方法一自 适应分段相关时间同步法的优点，第四章是关于多 载波信号峰平比研究，首先综述了o f d m系统中常用的降低峰平比的方法， 接着 详细讨论了削波对多载波g ms k信号和mc - d s - c d ma信号的影响，然后研究了 7 种不同序列作为扩频序列对于峰平比的影响和系统性能的影响， 并得到了具有创 新意义的不同于 b .p o p o v i c的结论。第五章介绍目 前已 有的多用户检测用于 mc - c d ma的研究简况，然后提出解相关一 干扰抵消多用户检测用于mc - c d ma , 与单用户检测器性能进行比 较，得到的结论是多用户检测器适用于信道估计错误 很小时