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c d m f h o f d m a 系统的子载波分配及其算法研究 专业：通信与信息系统 硕士生：梅红 指导教师：秦家银教授 摘要 c d m f h o f d m a 是结合了c d m 与f h o f d m a 的一种多址方式，不仅具 有o f d m 技术抗多径干扰、频谱利用率高的特点，而且也具有c d m 技术抗干 扰性好、抗多径衰落、保密安全性高的特点。该系统可以有效的利用无线频率资 源，显著提高系统的性能。 本文对c d m f h o f d m a 系统中的传统的子载波分配算法进行了研究，提 出了一种改进的使用于c d m f h o f d m a 系统的子载波分配算法并进行了仿真 验证。改进方案的目标是在加入了c d m 的c d m f h o f d m a 的系统中，为更 好的保证传输码片在频率选择性衰落信道中的正交性，同时也要保证一定的频率 分集的目标下，使整个系统的性能达到更优。 改进的方案是基于传统的c d m f h o f d m a 系统的子载波分配方式进行改 进的，分析了传统的子载波分配方式利用其跳开的时频图来进行子载波分配方 式，发现虽然其获得了较多的频率分集，可是在解扩的过程中未能保证其正交性 的情况下，提出了同时保证频率分集和正交性的改进的子载波分配方式。 仿真表明，与传统的c d m f h o f d m a 子载波分配方式相比，改进的方案 使系统的性能更优。 关键词：c d m f h o f d m a ，跳频，子载波分配 s t u d ya b o u ts u b c a r r i e ra l l o c a t i o na n di t sa l g o r i t h mo f c d m f h o f d m as y s t e m m a j o r ：c 0 i 姗u n i c a t i o na n dh 面咖a t i o ns y s t e m n 锄e ：m e ih o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rq i nj i a y i n a b s t r a c t c o d e d i v i s i o n 删l n i p l e x i i 培 诵m舶q u e n c y h o p p i n go m l o g o n a l行e q u e n c y d i 、r i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d m - f h - o f d m a ) i so n eo ft 1 1 em u l t i p l ea c c e s st e c l l i l i q u e s b yc o m b i i l i n gf h - o f m d aa n dc d m ，c d m f h - o f d m al 娜m em e r i to f o 吡o g o 砌舭q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e 她( o f d m ) t e c m q u e 忧c hi sc 印a b l eo f s u p p r e s s i n gi 1 1 t e r - s y i n b o l i n ：t e r f e r e n c e ( i s i ) c a u s e db y训t i p a m p r o p a g a t i o n ， c o 血n t i n gm u l t i p a m 角d i n ga r l di i l l p r 0 v i i l gt ：h ee 伍c i e m l yo fs p e c 咖r e s o l 坩c e ，锄d m ea d v a n t a g eo fc d mw t l i c hc 趾如p p r e s st h ei n t e m i r e n c e ，n n d t i p a mp r o p a g a t i o n 锄dg e tt 1 1 e9 0 0 de n c r y l t i o n s oc d m - f h o f d m a s y s t e mc a i ln o t0 1 1 l ym a k e 削lu s e o fw i r e l e s ss p e c 咖m ，b 毗a l s 0i 1 1 1 p r o v es y s t e mp e r f o m a n c e 髀a t l y h ln l i sp a p e r ，b yr e a r c h i n gm e 仃a d i t i o n a l 幽a 玎i e ra l l o c a t i o n2 l l g o r i t l l mi nt h e c d m f h - o f d m as y s t e m ， 缸i m p r o v e ds u b c a r r i e r a l l o c a t i o n a l g o r i t h m w a s p r 0 p 0 s e d 强ds i n “a t i o nr e s u n sw e r e 西v e nb yu s i n gm a t l a b t 1 1 eo p t i i 此卿i o no f o b j e c t i v eo f 觚si r l l i ) r 0 v e dm e n l o di st 0g e tb e t t e rs y s t e r np e 墒册加c ew t l i l e 昏玢豫m e e i i 培b e t t e ro r c h o g o no fm e 出p si nt h e 丘e q u e n c ys e l e c t i v ef 甜i n gd 吼l i l e l a n dg e t t i i 培ac e n a i no f 丘e q u e n c yd i v e r s 蚵 i r n p r o v e dm e 廿1 0 di s0 n 让i eb a s i so ft l l e 删i t i o n a ls u b c a r r i e ra l l o c a t i o na l g o r i m m b ya i l a l y z i i l gm e 即a r a t e 血1 e 一能q u e n c yp l o ti i l 也en a d i t i o n a ls u b c a r r i e ra l l o c a t i o n 、ec o n c l u d e 也a ta l m o u 曲t h e 砌i t i o n a lm 砒o dc 趾g e tm o r e 缸q u e n c yd i v e r s i 劬i l l m ec o u r s eo fd e s p r e a d i i l gc 肌t 酊l l r a m t e en l eo r t h o g o n t h ei l p r o v e dm e l o di st h e w a yo f 舀吼眦e i i 培b o t h l e 丘e q u e n c yd i v e r s i 够锄do r t h o g o n s i m u l a t i o nr e 妯t ss h o wt h a t 缸l ei i l l p r 0 v e ds c h e m eh 嬲b e t t e rs y s t e mp e r f o r m a n c e m c o m p a r e d 谢也t l l e 馏a d i t i 伽ms u b c a 盯i e ra l l o c a t i o na l g o r i n l m s k e y w o r d ：c d m - f h - o f d m a ，f b e q u e n c y - h o p 凼g ，s u b c 秭e ra 1 1 0 c a t i o n 图表 图lo f d m 调制解调框图5 图2 循环前缀6 图3o f d m 发射接收机实现框图7 图4o f d m a 系统下行链路发射机系统框图9 图5o f d m a 系统下行链路接收机系统框图9 图6 集中式子载波分配1 2 图7 分布式子载波分配12 图8 跳频子载波分配1 3 图9 几种子载波分配的比较1 4 图10c d m a 的系统框图15 表1 1c d m a 与o f d m 比较16 图1 2m c c d m a 下行链路框图1 7 图13c d m f h - o f d m a 系统下行链路结构图2 0 图1 4m 级简化的反馈移位寄存器2 2 图1 5 跳频图案2 4 图16l a t i i ls q u a r e s 跳频图案。2 5 图17w e l c h c o s t 醛跳频图案2 6 图1 8 传统跳频子载波分配示意图2 8 图1 9 改进的跳频子载波分配示意图( 2 2 ) 3 1 图2 0 改进的跳频子载波分配示意图( 4 1 ) 3 2 图2 1 改进的跳频子载波分配示意图( 1 4 ) 。3 2 图2 2 改进的跳频子载波分配示意图( 4 2 ) 。3 3 图2 3c d m f h o f d m a 系统仿真框图3 4 图2 4q p s k 和16 q a m 星座映射图3 5 图2 5s f = 4p b 3 下传统和改进方案s n r b e r 对比图3 8 图2 6s f = 4p b 3 下传统和改进方案洲0 b l e r 对比图3 9 图2 7s f = 4 、，a 1 2 0 下传统和改进方案s n r b e r 对比图3 9 图2 8s f = 4 、，a12 0 下传统和改进方案s n r b l e r 对比图4 0 图2 9s f 8p b 下传统和改进方案s n r b e r 对比图4 0 图3 0s f = 8p b 下系统和改进方案姗b l e r 的对比图。4 l 图3 1s f _ 8 、，a 1 2 0 下传统和改进方案s n r - b e r 的对比图4 2 图3 2s f = 8 、，a 1 2 0 下传统与改进方案的s n r b l e r 的对比图4 2 表3 3 不同场景下的性能比较4 3 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图 书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检 索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：轴名l 日期：邑年岁月口日 导师签名：彦，驴二a _ ，。 日期：2 矽岳年歹月，1 日 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包括 任何其他个人或集体撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：抽乡l 日期：删够、0 3 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着社会的发展，现今的移动通信已经进入了飞速发展的时代。人们期望可 以随时随地、及时可靠、不受时空限制地进行信息交流。未来移动通信必将为各 种用户提供高质量的宽带业务。回顾移动通信的发展历程【l 】，几乎每十年就会诞 生新的无线技术来提高移动通信系统的容量和性能，移动通信系统正在逐步演进 以满足人们对移动通信的高速率、高移动性和宽覆盖区域的需求。为了满足第四 代移动通信系统的要求，将要面对如何从第三代移动通信系统平滑过渡的问题， 以及如何利用有限的无线频率资源在恶劣的信道条件下提供高速高质的各种业 务。 而今，移动通信技术的研究正从第3 代向第4 代过渡【2 】，4 g 系统要求可以随时 随地提供不同速率或不同时延的多种业务给用户。第四代无线移动通信系统要求 对于移动用户1 0 0 m b p s 和固定用户1 g b p s 的速率要求是第三代通信的5 0 1 0 0 倍， 为了获得更高的速率服务要求，因此能高效利用宽带频率资源的传输技术也得到 了迅猛的发展。作为多载波通信的一种，正交频分复用o f d m 技术具有很好的抗 符号间干扰能力。o f d m 不但具有很高的频谱利用率【3 】，而且可以抗频率选择性 衰减。同时在高速数据传输时还可以减小符号问的干扰，这样就可以降低均衡器 的复杂度或者不使用均衡器。目前已被公认为是第四代移动通信系统的核心技 术，同时受到业界的广泛关注。能支持更高数据速率的宽带无线接入技术也是未 来的关键技术之一。o f d m a 、f h o f d m a 、多载波c d m a 等技术以其频带利用 率高、适合高速数据传输和抗干扰能力强等优点而得以迅猛发展。由移动通信的 发展我们了解到，现在提出的各种3 g 实现方案都选择了码分多址( c d m a ) 【4 j 技术。这是因为相对于f d m a 、t d m a 而言，c d m a 有频谱利用率高、软容量和 软切换、抗窄带干扰、具有内在的抗多径衰落能力和保密隐蔽性等优点。然而， 如果要求数据传输再进一步提高，3 g 中使用的简单的c d m a 技术已经不能满足 要求，例如多径延时、码间串扰等。人们又提出了许多新方法来改进传统c d m a 中山大学硕七学位论文c d m f h o f d m a 系统的子载波分配及算法研究 系统的容量、抗多径干扰能力和实现复杂度等多方面的性能。这些新方法包括： 多用户检测、正交频分复用( o f d m ) 、智能天线，软件无线电等等。多载波结 合扩频技术，如m c c d m a 、o f d m c d m a 和m c d s c d m a 为未来移动无线系 统提供了一种很好的多址方式。c d m f h o f d m a 多址技术则是在o f d m a c d m 、o f d m a 的基础上提出的。因其结合了o f d m 技术良好的抗窄带干扰、抗码 间干扰等能力和c d m a 技术优越的多址接入能力而具有光明的前景且其利用跳 频的子载波分配方式使系统实现能获得更佳的时间和频率分集。因而如何更进一 步提高系统性能，提高资源利用率，使c d m f h o f d m a 系统更加的完善并在实 际系统中得以应用获得出色的效果的研究无疑具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 一方面的研究主要是在分析了多种接入方式如o f d m a 、c d m a 及f h o f d m a 、f h c d m a 的特点的基础上，研究仿真发现如果将他们近一步结合将会更 好的利用他们的频率分集，抗干扰以及得到更好的容量等的系统性能。文献【5 】 在分析了多种子载波接入方式，d s c d m a 、s f h c d m a 、m c c d m a 、o f d m 各自的优点和缺点的基础上，利用c d m a 、s f h 、o f d m 三者相结合而取长补短 使系统的性能得到提升。文献【6 】提出了一种新的多址接入方式f h s s o f d m a ， 这种方式利用了跳频和码分复用分别获得更多的频率分集和减小蜂窝间的干扰 的特点，并在均衡频率分集和减小蜂窝问的干扰两者的基础上是系统的性能更 优。文献【7 】比较o f d m a c d m 中加入跳频与没有加入跳频的系统性能，由于加入 跳频后能获得更多的频率分集，所以在频率选择性衰落信道中加入跳频能获得更 好的系统性能。 另一方面的研究则是对提出的结合o f d m ，c d m a ，f h 三者技术的系统 c d m f h o f d m a 作进一步的分析的基础上，探讨如何来改善和提高系统的性能 及系统的应用。文献网在c d m f h c d m a 系统上提出了减少因为c d m 的应用而 产生的多码间的干扰的新的方案，基本思想是在在得到单用户检测技术获得的估 计数据的基础上重新产生发送信号来计算由于其它的扩频信号带来的对已有的 数据信号的干扰，并从接收信号中减去它，从而获得减少m c i 的数据。文献【9 】 中比较了利用联合接收机技术，及随机跳频模式和联合跳频模式的系统 2 第一章绪论 f h m c c d m a 与m c c d m a 性能得出f h m c c d m a 中接收机能利用所有在频 域分散的信号能量，从而其性能优于m c c d m a 。 1 3 论文的主要内容与工作安排 本文在研究o f d m 及c d m a 的基础上，对o f d m a 系统和m c c d m a 系统的 子载波分配方式的分析比较下，得出在o f d m a 系统中动态子载波分配方式更好， 而m c c d m a 中需要改进的动态子载波分配才使系统性能更佳。通过分析比较 c d m f h o f d m a 系统更加出色。基于此对c d m f h o f d m a 系统中子载波分配 的研究发现，原有的子载波方式采用跳开的方式获得更多的频率分集的同时，对 系统中扩频后的码片进行解扩的过程中因为无线信道的频率选择性衰落而致使 其原有的属于同一调制符号的码片间的正交性受到极大的影响。为了改善这一问 题本文提出了一种对传统的子载波分配方式的一种改进的子载波分配方式，即利 用同一个调制符号中码片间分配邻近的子载波，而不同码片间则利用原有的最优 的跳开的子载波分配方式。文中不仅从理论上分析了问题的存在，并将提出的方 案在m a t l a b 中进行了仿真和性能比较。通过仿真结果可以看出，我们所提出的方 案的性能优于已有的方案。 论文共分为五章，内容如下： 第一章：主要介绍了有关研究背景和意义，以及国内外的研究现状，并且阐 述了论文的主要内容与工作安排。 第二章：介绍o f d m 系统的原理、优缺点和应用的基础上，对o f m d a 系统 中的子载波分配算法作了介绍和仿真比较。 第三章：介绍了c d m a 系统原理构成、m c c d m a 系统的原理和几种典型的 子载波算法的基础上，对c d m f h o f d m a 的原理和系统构成及系统中涉及的分 集技术、扩频码的选择、跳频子载波分配算法进行了总结与介绍。 第四章：c d m f h o f d m a 系统中子载波分配算法进行了分析，并在此基础 上提出了一种更好的子载波分配方式，并由仿真验证了提出的改进的子载波分配 方式有更好的系统性能。 第五章：对论文的主要内容进行了总结，并指出了进一步研究工作的改进和 发展的方向。 中山大学硕士学位论文c d m f h 0 f d m a 系统的子载波分配及算法研究 2 1 引言 第二章o f d m 技术 在无线通信系统中【1 0 1 ，为了利用有限的无线资源为更多的移动用户提供服务 的需求，人们对多接入技术的要求越来越高，对高性能通信系统需求的增长，对 宽带化的通信技术越来越受到研究人员的重视。无线高速传输的要求产生了o f d m 技术，o f d m 技术是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同 的载波进行调制。即将信道在频域分成若干个互补相关的子信道，尽量使其中的 每个子信道的频谱平坦，在接收机中将经历不同信道的信号进行合并，这样可以 有效地对抗多径造成的频率选择性衰落。多用户接入的o f d m a 【1 1 1 ，通过为每个 用户分配这些子载波组中的一组或者几组子载波组，就能够得到了一种新的多址 方式o f d m a 。o f d m a 与频分复用( f d m a ) 类似，但o f d m a 不需要保护频带， 在在f d m a 中是不可少的，因此避免了频带的一些浪费。再者o f d m a 中子载波 间有可以有一定的重叠，这样可以提高子载波利用率。 本章将首先介绍o f d m 的基本原理、系统实现及其优缺点。然后对o f d m a 系统进行了介绍，并对其动态和静态的子载波典型的分配方式作了简要的分析和 仿真比较。 2 2o f d m 系统 正交频分复用( o f d m ) 【1 2 】【1 3 1 是多载波调制0 c m ) 技术的一种。m c m 的基本 思想是把数据流串并变换为n 路速率较低的子数据流，用它们分别去调制n 路 子载波后并行传输。因子数据流的速率是原来的1 n ，即符号周期扩大为原来的 n 倍，远大于信道的最大延迟扩展戤，这样m c m 就把一个宽带频率选择性信 道划分成了n 个窄带平坦衰落信道( 均衡简单) ，从而先天具有很强的抗无线信道 多径衰落和抗脉冲干扰的能力，特别适合于高速无线数据传输。 4 第二章o f d m 技术 2 2 1o f d m 原理 一个o f d m f l 4 】符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个 子载波都可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 符号的调制。 如果表示子信道的个数，丁表示o f d m 符号的宽度，设猷o ，1 ，2 ，- 1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，石是第0 个子载波的载波频率，则从f = 珞开始 的o f d m 符号可以表示为： s ( t ) = h 篓谚e x p 伽( 川嘶训卜嘲。2 叫 【o ，f 丁+ t 然而，通常采用复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，表示为： s o 户隆唧p 弘雌鲻 。2 吲 【o ，f r + 其中实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可以分别 与对应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的o f d m 符号。图1 给出了o f d m 调制和解调原理框图，其中z = 五+ ；歹。 其中实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，即分别与对应 子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，从而构成最终的子信道信号和合成的o f d m 符号。 s 婚+( 亘 _ p | | p p 一肿一 s 峨墨 图lo f d m 调制解调框图 每个子载波的幅度和相位都可能是不同的。每个子载波在一个o f d m 符号 周期内都包含整个周期，而且各个相邻子载波之间又是相差一个周期。这个特点 就是为了来说明子载波之间的正交性，即 5 中山大学硕士学位论文c d m - f h o f d m a 系统的子载波分配及算法研究 吾j c r e 即c 俐唧c 一以触_ 艺三： c 2 吲 例如，对第，个子载波进行解调，然后在时间长度丁内进行积分，即 辞卜一7 r 扣，篓槲胁扣渺。2 卅 = 事篓巧r e x p ( 川万字( 肛乃 根据上式可以看到，对第j f 个子载波进行解调可以恢复出期望符号西。而对 于其它子载波来说，由于在积分区间内，频率差别( f _ ，) 仃可以产生整数倍周 期，所以其积分结果为零。 这种正交性还可以从频率域角度来理解。每个o f d m 符号在其周期丁内包 括多个非零的子载波，因此，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函数的6 卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n c ( 乃函数， 这种函数的零点出现在频率为l 丁整数倍的位置上。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，但是这是出现在频 率域中的，因此这种一个子信道频谱的最大值对应于其它子信道频谱的零点可以 避免子信道之间的干扰( i c i ) 出现。 2 2 2o f d m 系统的循环前缀 图2 循环前缀 o f d m 用于传输信号的频谱带宽很宽时，只有子载波很大时，才能满足子 载波信号的带宽小于信道的相干带宽。如果子载波信号的带宽大于信道的相干带 宽，就会致使残余的码间干扰过大而破坏子载波间的正交性，引起解调误差，导 致误码率上升。解决的方法是在o f d m 符号前添加保护时隙。通常加循环前缀【1 5 】 ( c p ，c y c l i cp r e f i x ) 的目的有两个，消除i s i 和i c i 。如图2 所示，阴影部分为 循环前缀，它是将o f d m 符号尾部的一部分复制后放到前部，即将符号周期由 r 增加至丁= 丁+ 丁，丁是保护时隙。循环前缀的长度要大于信道最大延迟扩 6 第二章0 f d m 技术 展r 懈，这样才可以使前一个符号的多径副本都落在后一个符号的循环扩展范围 之内，达到消除前后两个符号之间的干扰的目的。而且循环前缀的加入，使o f d m 信号符号具有周期循环的性质，进而使同一个o f d m 符号的不同多径之间的不 同子载波仍然能够正交，这样做也可以达到防止i c i 的效果。 2 2 3o f d m 系统构成 一个基本的o f d m 系统构成如图3 所示。 发射机 接收机 图30 f d m 发射接收机买现框图 图3 上半部分为发射机，下半部分为接收机。接收机与发射机具有一定的对称性。 其主要的信息处理包括如下几个部分： ( 1 ) 输入输出 系统的输入和输出端是二进制比特流。 ( 2 ) 编码译码 o f d m 信号经过多径信道时，其中的某些子载波有可能经过深度衰落状态， 几乎丢掉所带有的一些信息，前向纠错码( f e c ) 可以恢复那些错误。另外，信 道中可能发生一些连续的突发错误，而交织( i n t e r l e a v 通g ) 可以将这些连续的突 发错误打散为单个的随机错误。对于不同的数据以及不同的信道条件可能需要不 同的一些编码方式。 7 中山大学硕士学位论文c d m - f h o f d m a 系统的子载波分配及算法研究 ( 3 ) 映射逆映射 q 籼q p s k 模块对信道编码之后的数据流既进行一次预调制得到矗各子 信道上的调制方式可以不同，从而可能提高了系统的传输速率。 ( 4 ) 插入导频去除导频 某些子载波预留出来做导频，接收端利用导频来进行同步检测、跟踪以及信 道估计。导频方便了接收机的设计。 ( 5 ) i d f t d f t 经过串并( s p ) 转换和i d f t d f t 调制得到时域信号。 ( 6 ) 加去周期头 在o f d m 符号之间加入一定的长度的保护间隔成为循环前缀c p ，c p 有利 于消除多径衰落引起的i s i 。 ( 7 ) 信道估计模块( c h a n n e le s t i m a t i o n ) 信道估计的作用是补偿由于信道造成的损失。 ( 8 ) 发射端接收端 经过并串转换和d a 模块就得到在发射端的实际信号。接收端除了多了同 步的部分，基本上是发射端的一个逆过程。 2 2 4o f d m 技术特点及应用 2 2 4 1o f d m 的技术优点 8 ( 1 ) 把高速率数据流通过串并转换，有效的减少由于无线信道的时间弥散所 带来的i s i 。 ( 2 ) o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重 叠，因此o f d m 系统可以最大限度的利用频谱资源。 ( 3 ) 各子信道的正交调制和解调可以通过采用离散傅立叶反变换( i d f t ) 和 离散傅立叶变换( d f t ) 的方法实现。 ( 4 ) 无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中的传输量要大于上行链 路中的传输量。 ( 5 ) o f d m 易于和其他多种接入方法结合使用，如o f d m a 系统、m c c d m a 第二章0 f d m 技术 系统等。 2 2 4 2o f d m 系统的缺点 ( 1 ) 易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的 正交性提出了严格的要求。 ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比【1 7 1 。 2 2 4 3o f d m a 系统实现方案 对于o f d m a 系统f 1 8 1 【1 9 1 ，其上行链路和下行链路的工作原理是不同的。下行 链路是个广播信道，实现方案如同广播信道中的o f d m 发射机与接收机的原理机 制。 图4o f d m a 系统下行链路发射机系统框图 图5o f d m a 系统下行链路接收机系统框图 2 3o f d m a 系统中的子载波分配算法 在多用户o f d m 系统中，系统的频谱资源由多个用户共享，但为了避免同频 干扰，同一个子载波一般不能同时被多个用户使用。因此需要把这些有限的子载 9 中山大学硕十学位论文c d m f h o f d m a 系统的子载波分配及算法研究 波按照某种方法分配给各个用户，以满足各个用户的需求，这就需要o f d m 子载 波分配。子载波分配可分为静态子载波分配和动态子载波分配。 2 3 1 动态子载波分配算法 在多用户情况下，系统子载波由多个用户共享。为了避免同频干扰，同一个 子载波不能同时被多个用户使用，由于无线信道的时变特性，各个用户的信道衰 落情况以及不同子载波的衰落情况都是时变的，因此引入动态的子载波分配算 法，把有限的子载波按照某种方法动态地方式分配给各个用户。o f d m a 系统中 动态子载波分配算法【2 0 】【2 1 】根据不同的约束条件可分为两个大类，一是幅度自适 应算法，就是己知用户速率，把总的发送功率最小作为目标的算法；另外一种是 速率自适应算法，当总的发射功率一定时，目标是使系统容量最大化。 2 3 1 1 a c g 算法 1 0 在这个算法瞄】中，对于子信道上增益最大的用户将占用该子载波，而当某 个用户得到个子载波后，不能再进一步要求额外的子载波。此时，用户各 子载波的增益要归一化后才能进行比较，从而使信号衰落大的用户能够公平 的和衰落小的用户竞争子载波。算法的具体实现如下： 设& 表示分配给用户k 的子载波所组成的集合，用撑气表示集合q 中元素 的个数。算法实现过程如下： 初始化：龟卜 ，l fl ，k 对所有的n = 1 ：n 首先寻找k 卜鹕m a ) 【。敛s 足i 口如1 2 然后当满足( 群q5 ) 时 k 。1 2 一o k 卜一a r g - 嗽。盘敛l a 。一1 2 勺卜一印u ，z ) 第二覃0 f d m 技术 算法结束 该算法要事先得知每个用户的子载波需求，因此必须在分配得到子载波之 前把用户需求变为子载波需求。这样最后分配给每个用户的子载波未必能达到用 户的要求，进而使算法的性能下降。 2 3 1 2r c g 算法 r c g 算法【2 3 】贝0 是要先估计各个用户在所有子载波上的传输速率，然后根据 其相应的一些估计值对所有的子载波进行分配，是其总的传输速率的估计值能够 得到最大。 r c g 算法的实现方法如下： 第一步：定义嘣n ) 表示第k 个用户在第n 个子载波上的估计传输速率，d 1 l 【为 第k 个用户所需的子载波数，其中k ：1 ，2 ，k 。初始化向量c k 等于空集，用 于存放分配给第k 个用户的子载波序号，概表示“中元素的个数。 第二步：在不考虑子载波数的限制的情况下分配子载波，使得总传输速率 最大，就是使各个子载波分配给在其上传输速率最大的用户，实现如下： 对所有的子载波n - l ：n 后卜a 略m a x 吃仞) 卜u 刀) 第三步：第二步进行了以后，一些用户的子载波数会得到些多余的子载波。 同样，有些用户得到的子载波数是不足的，就有必要进行调整子载波的工作，从 而当第k 个用户得到的子载波数为i n k 时，总传输速率是最大。具体实现如下所示： 对于那些拌c i m k 的用户 伊卜罂磐熙气( 甩) 一巧( 刀) 弧 l 鲻| 一 咒木七一a r g m i i l 气( ，2 ) 一巧。( ，2 ) l s 堆 吼卜q ，2 幸) ，c ，卜u 万幸) 当撑c k 可n k ( k = 1 ，2 ，k ) ，调整子载波的工作完成 而( c k ) ( k = 1 ，2 ，k ) 为我们所要求得的分配结果。 中山大学硕士学位论文 c d m f h o f d m a 系统的子载波分配及算法研究 2 3 2 静态子载波分配算法 传统【2 4 1 的子载波分配方案均是静态的子信道分配，即没有考虑各个用户的 实际信道特性，只根据每个用户的业务量的大小确定给该用户分配的子载波数， 然后将固定的一组子载波分配给各用户。 2 3 2 1 集中式 集中式【2 5 1 即将若干连续子载波分配给一个子信道( 用户) ，这种方式下系统 可以通过频域调度( s c h e 叫吨) 选择较优的子信道( 用户) 进行传输，从而获 得多用户分集增益( 图6 ) 。另外，集中方式也可以降低信道估计的难度。但这 种方式获得的频率分集增益较小，用户平均性能略差。 2 3 2 2 分布式 用户1 ，- - _ - ，、- 用户2 ，。- - _ 、- 用户3 ，- - - _ - - jij ijijijijij ijijijiji jij ijlj l 图6 集中式子载波分配 分布式系统将分配给一个子信道的子载波分散到整个带宽，各子载波的子载 波交替排列，从而获得频率分集增益，如图7 所示。 1 2 用户1 用户2 一一一一一一一一卜 用户3 卜 jlj ijiji jij ij ijij iji jijijiji 图7 分布式子载波分配 第二章o f d m 技术 实现比较简单，但是缺点是不能对抗特定用户的深衰落，这样就有存在增加误码 率的风险。 2 3 2 3 跳频式 这里所述【2 6 】跳频子载波分配，实际上同时包括频域和时域上的子载波分配。 在每个时隙，此用户在所有子载波中抽取若干子载波使用，同一时隙中，各用户 选用不同的子载波组( 如图8 所示) 。这种子载波的选择通常不依赖信道条件而 定，而是随机抽取。在下一个时隙，无论信道是否发生变化，各用户都跳到另一 组子载波发送，但用户使用的子载波仍不冲突。这样可利用频域分集增益。 2 3 3 分析比较 图8 跳频子载波分配 下面对a c g 算法和分布式算法及跳频式子载波分配作了仿真分析。仿真参 数：用户数为4 ，1 2 8 个子载波，印长度为1 6 ，两径瑞利衰落信道，仿真平均 3 0 0 0 次，每个子载波上采用的调制方式为矩形q a m 。 1 3 中山大学硕士学位论文c d m - f h o f i ) m a 系统的子载波分配及算法研究 图9 几种子载波分配的比较 由图9 可知动态子载波分配是优于静态子载波分配的，可是它在变化的过程 中需要大量的信令开销来保证良好的信道环境，其实现也较为复杂。一般的静态 子载波分配虽然其分配过程简单，实现简单，可是性能却得不到保证。跳频子载 波分配不仅保持了静态子载波分配的简单过程和易实现性，同时利用其良好的频 率分集特性也保证了较好的性能。 2 4 本章小结 本章首先介绍了o f d m 技术的原理，优缺点及其应用，然后对o f d m a 系 统中的子载波分配算法作了介绍和比较，得出跳频子载波分配方式是一种实现简 单而且能保证较好性能的一种子载波分配方式。 1 4 第三章c d m 阳o f d m a 系统 第三章c d m f h o f d m a 系统 3 1c d m a 系统 c d m a 是在数字扩频基础上发展的一种成熟的无线通信技术【2 丌。c d m a 意思 是码分多址，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 是它的英文缩写。它利用相互正交的 或者尽可能正交的不同编码与不同用户调制信号相乘，使多用户同时使用同一频 率接入系统和网络的通信。这样得到的编码调制信号，能够使原始信号的信号频 谱带宽扩展，从而，使用这种调制方式的通信，也称为扩展频谱通信。c d m a 技术以其的强大优势成为未来移动通信的发展方向之一。而c d m a 早已被国际电 信联盟确定为第三代移动通信的空中接口标准。 3 1 1c d m a 的原理和系统框图 图1 0c d m a 的系统框图 码分多址【2 8 】是使用扩频通信中直接序列扩频方式的多址方式。在c d m a 系 统中，每个用户通过不同的伪随机序列( 即扩频地址码) 进行直接序列扩频后在 同一频带中传输，因他们是正交的或接近正交，因而各个用户之间的扩频信号相 互影响极小，能在同一极宽频内实现多址通信。在c d m a 系统中，信息的数据的 调制是利用不同的p n 码序列完成的，目的是展宽频谱，并在共用的频带上进行 传输。 1 5 中山大学硕七学位论文 c d m 阳o f i ) m a 系统的子载波分配及算法研究 3 1 2c d m a 与o f d m 比较 表1 1c d m a 与o f d m 比较 优点缺点 1 保密性好1 远近效应 2 频率复用 2 处理效益有限 c d m a 系统3 抗干扰 4 测距定位 3 与窄带系统不能通信 5 宽带系统 1 抗衰落1 对频偏敏感 2 抗波间干扰2 对相位噪声敏感 0 f d m 系统 3 抗多径3 功率峰均值比大 4 调制解调可用傅 4 自适应调制使系统复杂 立叶变换 作为3 g 成熟技术的c d m a 和未来4 g 核心技术的o f d m ，由表1 1 【2 9 1 可知它们 各有优缺点。因此，在未来移动通信发展中，c d m a 技术的和o f d m 结合将会使 是一个极好的发展方向。在利用c d m a 抗干扰的优势和频率复用的优势的同时， 也可以利用o f d m 扩大载频带宽提高峰值速率。o f d m 和c d m a 技术的相结合所 形成的一种崭新的通信系统一多载波码分多址( m c c d m a ) 通信系统将是有巨大 的前景的。 3 2m c c d m a 系统 m c c d m a 是码分多址( c d m a ) 和正交频分复用( o f d m ) 两种技术的结 合。它是把扩频后的高速数据通过串并转换变成并行传播的低速数据流，然后利 用不同的正交子载波上进行调制传输。这样既在每个载波上传输的符号周期可以 变长，进而能使符号间干扰的影响变小。而系统有效利用了频率分集，具有较高 的频谱利用率。另外，为了抑制了码间干扰，可以使得每个子带都经历平坦衰落， 只要选择合适的载波数。 1 6 第三章c d m f h o f d m a 系统 3 2 1m c c d m a 系统框图 发射端 接收端 图1 2m c d m a 下行链路框图 m c c d m a 【3 0 】是使用频域扩频的，通过采用给定的扩频码对原始数据流进 行扩频后，然后再利用每个码片调制到不同的子载波上。而经过扩频后再进行 o f d m 调制然后经过信道发送，扩频是在o f d m 调制前进行的，在频域内实现 c d m a ，因此在不同子载波上传输的应该是扩频序列的不同码片，其主要组成如 图1 2 所示。 3 2 2m c c d m a 系统中的子载波分配 m c c d m a 传统算法是在系统中随机的分配子载波，而最优算法则是在遍历 所有可能的载波分配情况，然后选出一个最好的。下面介绍m c c d m a 中几种次 优的子载波算法【3 1 】【3 2 】【3 3 】。 3 2 2 1s e s a 算法 s e s a 的基本思想是在保证用户占用的载波组受限的前提下，确定每一个波 应该分配给哪些用户，即把每一个载波分配给前l 个在这个载波上信道增益大的 用户。 1 7 中山大学硕士学位论文c d m f h o f d l m a 系统的子载波分配及算法研究 s e s a 算法实现过程如下： 假设每个载波的用户数是一个向量u ，里面每个载波的用户数是不同的。每 个用户占的载波数也是不同的，用向量m 表示的 c a 卜元素全为o 的k 宰n c 矩阵 对所有载波组c 对所有f 【1 ，虬】丸卜a r g m 野q ，。 l 纠s 量，刮 砧) 对所有i 【1 ，玑 。卜l n 。 对所有k 满足 ，_ ，= 心，x 【c + 1 ，c 】以，工卜o 3 2 2 2e s a 算法 e s a ( e 伍c i e n ts u b c a r r i e r 舢l o c a t i o l l ) 和s e s a 所基于的判断准则是相同的