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北京邮电大学硕士学位论文多载波c d m a 系统扩频码及载波分配技术研究 多载波c d m a 系统扩频码及载波分配技术研究 摘要 多输入多输出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，简称m i m o ) 系统 的信道容量近似地与收发天线数目的最小值成正比，相对于传统的通信 系统能够成倍地提高系统容量，而正交频分复用( o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，简称o f d m ) 系统能够以低复杂度有 效地对抗无线信道中的多径衰落，因此两者的结合m i m o o f d m 系统被 认为是下一代移动通信系统物理层的主要备选方案之一。码分多址 ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，简称c d m a ) 作为一种多址技术能够 提供用户的灵活接入方式，并在多小区组网环境下具有较高的频率复用 系数。结合了c d m a 多址方案的o f d m 或m i m o o f d m 系统融合了三种 技术各自的优势，因而在未来的无线通信方案中具有良好的应用前景。 本文主要研究整合三种技术优势而形成的基于c d m a 的 m i m o o f d m 系统，在针对此系统的空时频扩展码字一耦合正交码的基 础上，发展出两种耦合正交码字的生成算法，分别命名为延伸法和旋转 法，并将所提出算法与传统码字进行系统性能仿真比较，所提出算法生 成码字在性能上较传统码字更优；此外，针对结合c d m a 与o f d m 技术 所形成的多载波c d m a 系统( m c c d m a ) 系统，本文提出了两种子载 波分配方案：基于用户归一优先级的动态子载波组分配方案；基于部分 比例公平的用户载波自适应分配方案。并将所提出方案与传统方案进行 系统仿真比较，两种新方案均优于传统方案。 本文的主要意义在于对于基于c d m a 的m i m o o f d m 系统，新的耦 合正交码字构造算法不仅提供了更为灵活的构造方式，同时也打破了沃 尔什一哈达玛码矩阵的长度限制，能够进一步提高系统频谱效率。对于 m c c d m a 系统的资源分配方案上，本文引入了分组和用户公平的概 念，在此之上提出的方案在分配效率，用户公平性以及实际应用价值上 都有了较大的提高。 关键词：多天线系统正交频分复用空时频码字扩展多载波码分多址 系统载波用户分组自适应分配 北京邮电大学硕士学位论文多载波c d m a 系统扩频码及载波分配技术研究 s p r e a d i n gc o d ed e s i g na n ds u b c a r r i e r a l l o c a t i o nt e c h n o l o g i e sr e s e a r c h f o rm u i r i c a r r i e rc d m as y s t e m s a bs t r a c t s i n c et h em u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e 一0 u t p u t ( m i m o ) s y s t e m sc a ng r e a t l y i n c r e a s e s y s t e mc a p a c i t y , a n dt h e o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) c a ne f f e c t i v e l yc o n f r o n tt h em u l t i p a t hf a d i n go f r a d i oc h a n n e l t h em i m o o f d ms y s t e m st h a tc o m b i n et h e s et w o t e c h n o l o g i e sa r er e g a r d e da sam a j o rs c h e m ef o rp h yi nn e x tg e n e r a t i o n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) ，a sa na c c e s st e c h n o l o g yt h a tc a np r o v i d ef l e x i b l ea c c e s sf a s h i o n a n dh i g h e rf r e q u e n c yr e u s ei nm u l t i c e l le n v i r o n m e n t ，c a nc o m b i n ew i t ht h e o t h e rt w ot e c h n o l o g i e sm e n t i o n e db e f o r et oc o n s t r u c tn e wa c c e s ss c h e m e s w h i c hh a v ef a v o r a b l ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d i nt h i st h e s i s t h ea u t h o rm a i n l yw o r k so nt h ec o d ed e s i g na r e ao f c d m ab a s e dm i m o o f d ms y s t e m st h a tc o m b i n e st h e s et h r e ea b o v e m e n t i o n e dk e yt e c h n o l o g i e s ，a sw e l la st h es u b c a r r i e ra d a p t i v ea l l o c a t i o n t e c h n o l o g yo v e rm u l t i c a r r i e rc d m a ( m c c d m a ) s y s t e m st h a tc o m b i n e s c d m aa n d0 f d mt e c h n o l o g i e s a n dt h em a i nt a s k sa n di n n o v a t i o n s i n c l u d e ：b a s e do nt h es p a c e t i m e f r e q u e n c ys p r e a d i n g ( s t f s ) c o d e c o u p l e do r t h o g o n a lc o d e ( c o c ) t h a ts p e c i a l l yd e s i g n e df o rc d n 队一b a s e d m i m o o f d ms y s t e m s t h i st h e s i sp r o p o s e st w og e n e r a t i o ns c h e m e sf o r c o ct om e e tt h er e q u i r e m e n t si nd i f f e r e n ts i t u a t i o n s t h e ya r ee x t e n d e d s c h e m ea n dr o t a t e ds c h e m er e s p e c t i v e l y i nt h i st h e s i st h ea u t h o rc o m p a r e s t h ec o d e st h a tg e n e r a t e db yt h e s et w os c h e m e sw i t ht r a d i t i o n a lo r t h o g o n a l c o d e s a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s 仃a t et h a tt h en e ws c h e m e sc a n p r o v i d eb e t t e rs y s t e mp e r f o r m a n c e f o rm c c d m as y s t e m s ，t h i st h e s i s p r o p o s e st w os u b c a r r i e ra n du s e ra l l o c a t i o ns c h e m e ss y s t e m s ：au n i t a r y s u b c a r r i e ra l l o c a t i o ns c h e m ea n dp r o p o r t i o n a lf a i m e s s b a s e du s e ra n d s u b c a r r i e ra l l o c a t ：i o ns c h e m e a n dt h r o u g hs y s t e mp e r f o r m a n c es i m u l a t i o n ， t h er e s u l t sa l s op r o v et h a tt h e s et w os c h e m e sa r es u p e r i o rt ot h e 仃a d i t i o n a l i i 北京邮电大学硕士学位论文 多载波c d m a 系统扩频码及载波分配技术研究 s c h e m e sr e s p e c t i v e l y t h ec o n t r i b u t i o no ft h i st h e s i si st h a tf o rc d m a b a s e dm i m o o f d m s y s t e m st h en e wc o cd e s i g ns c h e m e sn o to n l yp r o v i d em o r ef l e x i b l ed e s i g n s c h e m e ，b u ta l s ob r e a kt h el i m i to fw a l s h h a d a m a r dc o d e ，i m p r o v i n gt h e s y s t e mf r e q u e n c ye f f i c i e n c y ；f o rm c c d m as y s t e m s ，t h i st h e s i si n t r o d u c e s t h ec o n c e p t i o n so fg r o u pa n du s e rf a i m e s s ，b a s e do nw h i c ht h es c h e m e sh a v e a g r e a ta d v a n c e m e n to na l l o c a t i o ne f | f i c i e n c y , u s e rb a l a n c e k e yw o r d s ：m 刀m 0 ，o f d m ，s t s f , m c c d m a ，g r o u p ，a d a p t i v e a l l o c a t i o n i i i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明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 本人签名： ，本人承担一切相关责任。 日期： 蔓鲎k ：j 。l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全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问论文工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，允许学位论文被查阅和借阅；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 本人签名： 导师签名： 用本授权书。 日期：_ 盟刖 日期：纠兰：么 北京邮电大学硕士学位论文多载波c d m a 系统扩频码及载波分配技术研究 1 1 移动通信发展状况 第一章绪论 当今社会是信息化的社会，移动通信越来越广泛的影响着每个人的日常生活。 人们对移动通信的需求与日俱增，推动了移动通信技术的快速发展：移动通信技术 的进步，提供了更加丰富的新业务，反过来又刺激了用户新的需求。技术进步和市 场需求的互动，使移动通信产业成为国民经济中增长最快的领域之一。从2 0 世纪8 0 年代中期开始至今的短短二十年间，移动通信系统从以a m p s 、t a c s 为代表的第一 代模拟移动通信系统，发展到以g s m 、i s 9 5 为代表的第二代数字移动通信系统 ( 2 g ) ，进而又发展到当前以w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 为代表的第三代 移动通信系统( 3 g ) 。目前，3 g 系统在我国即将商用，移动通信市场又将呈现出一 番新局面。基于3 g 系统的各种新业务的应用，会进一步提高人们的工作效率，丰富 人们的生活。 目前，移动通信的发展呈现如下两个方面的趋势： 一方面，移动通信用户的数量高速增长。2 0 0 0 年，我国的移动通信用户仅为6 0 0 0 万，全球的移动通信用户仅为4 亿。在2 0 0 4 年，我国的移动通信用户数量超过了固定 电话用户数量。目前，我国的移动通信用户已达到3 9 亿，全球的移动通信用户也达 n 2 0 亿左右。我国的移动电话普及率达至1 3 0 部百人，已居世界首位。据有关部门预 测，n 2 0 l o 年，全球移动用户将超过3 0 亿。未来移动通信技术的发展应能够很好的 满足数量如此庞大的用户的需求。 另一方面，人们对高速移动数据业务和无线多媒体业务的需求不断提高。人们 对移动通信的需求已经从起初单一的语音通信，发展到目前包括语音、图像、文字 等的多媒体通信，例如移动电视、可视电话、彩信、e m a i l 、w a p 上网等。据预测， 2 0 1 0 年以后，多媒体业务量与语音业务量的比例将达到l o ：l 。可见，未来的移动通 信技术发展也应满足用户对移动多媒体通信及高速数据通信的需要。 然而，可利用的无线频谱资源是有限的。如果下一代移动通信系统的频谱利用 率没有得到显著提高，则不可能满足未来高速无线通信的需求。虽然第三代移动通 信系统( 3 g ) 能够提供无线i n t e m e t 业务和多媒体业务，但是3 g 系统在提供不对称 高速数据的传输能力、i p 多媒体业务的支持、频谱利用率的提高以及资源综合优化 北京邮电大学硕士学位论文多载波c d m a 系统扩频码及载波分配技术研究 等方面存在较多的局限和缺点。例如，目前3 g 系统的传输速率有限，在室内或移动 速率不高的条件下，传输速率最高仅能达n 2m b p s ；在车载条件下，传输速率最高 也只能达到1 4 4k b p s ，难以适应高速数据传输和多媒体业务的需要。虽然3 g p p 和 3 g p p 2 的l t e 技术，女h h s d p a 技术最高能提供1 0m b p s 筝j 速率，但是受3 g 系统无线 资源的限制，每个蜂窝小区内能使用高速h s d p a 业务的用户数量非常有限，难以很 好的满足用户需求。 因此，高频谱效率的高速无线通信成为当今技术发展最活跃的领域。虽然人们 对下一代移动通信系统( b 3 g ) 的定义未能达成统一，但是有如下几个方面的共识： 第一，下一代移动通信系统具有大容量，其容量约是3 g 系统容量的1 0 倍；第二，具 有适合分组突发业务的高速传输能力，峰值传输速率可达2 0 1 0 0m b p s ，频率利用 率远高于3 g 系统；第三，业务速率具有大的动态范围，在多种业务共存时也能够较 好的支持低速语音业务；第四，支持基于i p v 6 的核心网，并实现控制与承载相分离， 符合全i p 的发展趋势等。 由于多入多出( m i m o ) 技术能够成倍的提高系统容量【1 1 1 2 1 ；正交频分复用 ( o f d m ) 技术能够以低复杂度有效对抗无线信道中的多径衰落【3 ”】，因此将m i m o 和o f d m 结合形成的m i m o o f d m 【5 儿6 】系统被认为是下一代移动通信系统的主要物 理层技术。此外，码分多址( c d m a ) 7 - 9 作为一种多址技术能够提供用户的灵活接 入，并在多小区组网环境下具有较高的频率复用系数，因而结合c d m a 多址方案的 o f d m 以及m i m o o f d m 系统在下一代移动通信系统应用中具有良好的前景。 下面将分别介绍上述所提到的几项关键技术 1 2o f d m 原理概要 正交频分复用( o f d m ) 是一种特殊的多载波调制( m c m ) 技术。它具有抗干 扰能力强、频谱利用率高、数据传输率高等优点，是一种非常适用于无线环境的高 速数据传输技术。其传送数据的基本原理是把高速的数据流通过串并变换分成几个 低速并行的比特流，并将每个这样的数据流调制在相互正交的单个载波上。由于每 个子载波信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展 所产生的时间弥散性对系统造成的影响。并且还可以在o f d m 符号之间插入保护间 隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多 径而带来的符号间干扰( i s i ) 1 0 - t 1 。 o f d m 系统的一个重要优点就是可以利用快速傅里叶变换实现调制和解调，从 而可以大大简化系统实现的复杂度。一个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载 北京邮电大学硕士学位论文多载波c d m a 系统扩频码及载波分配技术研究 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，r 表示o f d m 符号的宽度， 4 ( f - o ，1 ，n 1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，正是第0 个子载波的载波频率， r e c t ( t ) = l ，i t l r 2 ，则从t = 开始的o f d m 符号可以表示为： s(d=e【”一。一乞一t)expr t - d i r e c t j 2 n ( f 。i = 0+ ；) o 一) 乞f 乞+ r ( 1 - 1 ) s ( f ) = e ( 卜乞一 + 专) ( 卜) i 乞f 乞+ r ( 1 - 1 ) l 上 j j j ( f ) = 0t f ，+ t 当然，也可以采用复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，见( 1 2 ) 式。 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相 应子载波的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的o f d m 符 号。图1 1 中给出了o f d m 系统基本模型的框图，其中f = z + 丁。 n 一1 下广：1 s ( f ) = d ：e c t ( t t 一寺) e x p ij 2 万( z + 专) o 一毛) l 气s f + 丁 ( 1 - 2 s ( t ) = 0t + 丁 州塑坌p 蜷 鲫+叫信道卜呻 p s 幺h 积分p 互 其中各个子载波之间满足正交性，即： ；r e 冲( 地f ) e x p ( 一砘渺= 三：二： ( 1 - 3 ) 在接收端，对第j 个予载波进行解调，然后在时间长度t 内进行积分后输出的 信号为： 匆= 事e + r e 摹p ( 一歹2 万乒 一，) 艺i = 0 喀：x p ( 歹2 7 r ；。一，) 出。4 ， = 亍1 缶n - 1 4r + r e x p ( 川万字( ) 卜嘭 一 北京邮电大学硕士学位论文多载波c d m a 系统扩频码及载波分配技术研究 根据上式可以看到，对第个子载波进行解调可以恢复出期望符号嘭。而对于 其他载波来说，由于在积分间隔内，频率差别( i - j ) t 可以产生整数倍个周期，所 以其积分结果为零。 1 o + 8 o 。6 蓉 0 。2 a ，2丫v v 趴。m 。八众尸丫 石5- 4 - 3 - 21012345 频率 图1 2o f d m 系统子载波符号的频谱 这种正交性还可以从频域角度来解释，如图1 2 ，在相互覆盖的每个子载波频 率的最大值处，所有其他子载波的频谱值恰好为零，因此可以从多个相互重叠的子 载波符号频谱中提取每个子载波符号，而不会受其他子载波的干扰。 1 3c d m a 原理概要 码分多址( c d m a ) 方式是一种先进的有广阔发展前景的多址接入方式，目前已 成为世界许多国家研究开发的热点。多址方式是许多用户( 地址) 共同使用同一媒 体相互通信的一种方式，通常这些用户多位于不同的地方并可能处于运动状态，例 如多个卫星通信地球站使用同一卫星转发器相互通信或许多移动用户台站通过基站 相互通信等，均属于多址通信方式。由于使用共同的传输媒体各用户间可能会产生 相互干扰，称为多址干扰。为了消除或减少多址干扰不同用户的信号必须具有某种 特征以便接收机能够将不同用户信号区分开，这一过程称作信号分割，主要的信号 4 北京邮电大学硕士学位论文多载波c d m a 系统扩频码及载波分配技术研究 分割方式有：频分方式、时分方式、码分方式以及相位分割方式和空间分割方式等。 频分方式不同用户使用不同频带实现信号分割，时分方式不同用户使用不同时隙实 现信号分割，码分方式所有用户使用同一频带在同一时间传送信号其信号分割是利 用不同用户信号地址码波形之间的正交性或准正交性来实现的，这种方式即称为码 分多址方式( c d m a ) 。码分多址系统采用扩频调制信号，其频带宽度比信息信号 的频带宽度大得多几十倍几百倍甚至上千倍以上，扩频信号的功率谱密度极低，具 有很好的隐蔽性和很强的抗多种干扰的能力，例如抗瞄准式干扰多径干扰等早在六 十年代扩频技术就已应用于军事保密和抗干扰通信。八十年代以来随着集成电路和 计算机技术的迅速发展，码分多址扩频技术越来越多地被用于民用通信系统，其中 有代表性的就是九十年代由美国q u a l e o m m 公司研制的i s 9 5 码分多址数字移动通信 系统，早期的移动通信系统是信息模拟调频频分多址方式( f m f d m a ) ，这种系统 沿用至今，九十年代初由欧洲开发研制的数字调制时分多址( g m s k t d m a ) ，移动 通信系统g s m 则是现有商业运用最为成熟的移动通信系统代表，而q u a l c o m m 公司 的c d m a 数字移动通信系统被认为是第三代移动通信的代表，目前c d m a 技术除已 应用于移动通信外，在数据传输卫星通信以及遥控遥测空间通信等许多领域也得到 越来越广泛的应用，其显示出许多优点主要有： 1 由于采用了扩频信号，系统具有很强的抗多种干扰的能力特别是具有抗多径干 扰的能力。 2 扩频信号的功率谱密度很低，即在单位带宽中的功率很小，对于一般非扩频通 信系统几乎不构成干扰，因此可以与其共用同一频段从而提高频带利用率。 3 由于所有用户使用同一载波频率不存在交调干扰可充分地利用频率资源。 4 可以采用分离多径技术提高抗多径干扰的能力。 5 利用现代计算机与数字电路技术可以较容易地实现多种地址码的产生变换等， 并容易与计算机联接实现控制与变换。 码分多址方式有同步码分多址方式( s - c d m a ) 与异步码分多址方式( a c d m a ) 两大类，同步码分多址方式：所有用户的地址码在接收点是同步的，采用的地址码是 正交码，理想条件下不存在多址干扰。异步码分多址方式：又称随机接入多址方式， 各用户地址码在接收点不一定保持同步关系，因此存在多址干扰但实现较同步方式 容易，尤其对移动通信接入控制等均比较容易实现。 北京邮电大学硕士学位论文多载波c d m a 系统扩频码及载波分配技术研究 1 4m i m o 原理概要 随着i n t e m e t 和多媒体等高速数据业务在无线通信系统中的广泛应用，下一代移 动通信系统( 即：b 3 g 4 g 系统) 需要在有限的无线频率资源范围内，提供比现有 的第二代移动通信( 2 g ) 系统和第三代移动通信( 3 g ) 系统更高的传输速率，更大 的覆盖范围，更稳定的性能，而且还要能够满足各种业务的传输要求。为了实现上 述目标，国际上普遍认为b 3 g 4 g 系统应当在1 0 0 m h z 无线频段范围内达1 g b p s 的 峰值速率，也就是频谱效率高达1 0 b p s h z ；同时，为了满足绿色环保要求，b 3 g 4 g 系统的发射功率还要远低于2 g 和3 g 系统。 然而，由经典的香农信息论【1 2 】可知，上述对b 3 g 4 g 系统容量的要求远远超过 了传统的香农信道容量极限。换句话说，采用传统的通信手段根本无法获得如此高 的信道容量的。因此，要想超越经典香农理论设定的信道容量极限，必须要有全新 的理论支持。 贝尔实验室的t e l a t a r 1 3 1 和f o s c l l i i l i 1 4 】【1 5 】等人的最新研究成果显示：在无线富反 射衰落环境下采用多个发射天线和接收天线可以成倍地提高无线通信系统的信道容 量，这种采用多个收发天线的系统通常被称为多入多出( m i m o ) 系统，其信道容 量近似与收发天线数目的最小值成正比，这意味着：通过增加收发信机两端的天线 数目就可以大幅度提高无线系统的频谱效率。1 9 9 8 年，贝尔实验室垂直分层空时结 构( v b l a s t ) 系统的实验平台在2 4 3 4 d b 的信噪比下成功地实现了高达 2 0 一4 0 b p s h z 的频谱效率。 m i m o 信道容量的新发现是信息理论的一次重大飞跃，它将经典的香农信息论 扩展到更加广义的m i m o 信息论，从根本上打破了人们以往对无线频谱效率认识上 的桎梏，对无线通信的系统结构、分析方法、调制技术、编译码算法、信号检测技 术、信道估计技术等各个方面都产生了极其深远的影响，极大地激励了各种传统通 信技术向m i m o 技术的跨越式发展，涌现出如贝尔实验室分层空时结构( b l a s t ) 、 空时编码等一系列令人耳目一新的技术，在无线通信领域掀起了一场强劲“m i m o ” 风暴【1 6 】【1 7 1 。 将m i m o 技术与一些高效的宽带无线传输技术相结合，可以有效地对抗宽带无 线信道的频率选择性衰落，大幅度提高无线通信系统的数据吞吐量。目前，国际上 公认的最有效的结合是将m i m o 与正交频分复用( o f d m ) 技术结合而成的 m i m o o f d m 技术【l8 1 ，它集中了m i m o 技术和o f d m 技术的诸多优点，具有更为 强大的通信潜力，能够在宽带无线信道上获得极高的频谱效率，达到惊人的吞吐量。 6 北京邮电大学硕士学位论文多载波c d m a 系统扩频码及载波分配技术研究 2 0 0 5 年6 月，日本n t td o c o m o 宣称，该公司的4 g 实验系统利用m i m o o f d m 技术在1 0 0 m h z 带宽内成功实现了1 g b p s 的峰值速率，频谱效率高达1 0 b p s h z 。当 前，m i m o o f d m 已被看作是b 3 g 4 g 系统的核心物理层技术，各国政府、各大通 信公司、科研机构等都已经针对基于m i m o o f d m 技术的b 3 g 4 g 系统制定了周密 的研究发展计划，并开展了非常密集的研究工作，例如：我国的8 6 3 “f u t u r e ”计 划，欧盟的“w i n n e r ”计划，日本的“m l t f ”等。此外，其它各种无线通信标准的 物理层技术也正在向m i m o o f d m 技术逐步过渡，如：3 g p pl t e 、i e e e8 0 2 1 1 n 、 i e e e8 0 2 1 6 、i e e e8 0 2 2 0 等。 1 4 1m i m o 系统模型 v _ ：a 、 的时候，令 _ 一 “ 七= l r 步骤三：当m i m k 的用户 z 卜勰m 碧熙r a n ) 一( 玎)(4-14)m 删o i k o o “ ”七一a r g m i n ( ，1 ) 一( 刀)( 。- 1 5 ) a r g m i l l r kr r 41”七一 【，1 ) 一l 刀， l 。 c t 卜c t ) ，c 广卜c ，u n ) ( 4 1 6 ) 当撑c 。= m k ( k = 1 ，2 ，k ) 时，子载波调整完毕，算法结束， c 。) 即为所求。 图4 3 为用户数等于4 ，子载波数等于8 ，每个用户所需的予载波数为2 ，即 ，l i = m 2 = 聊，= m 。= 2 的情况下，r c g 算法的示意图，图的纵坐标表示子载波，横坐 标数表示用户，第n 行第k 列的数字表示第k 个用户在第刀个子载波上的估计传输速 率，即吒) 。左边的图( a ) 表示的是步骤二，圆圈圈定的数字表示将其纵坐标所对应 的子载波分配给其横坐标对应的用户，从图中可以看出，用户1 在4 个子载波上的 信道增益最大，用户3 在3 个子载波上的信道增益最大，而每个用户所需要的子载 波数为2 ，所以需要执行步骤三，将用户1 和用户2 多余的子载波调给用户2 和用 户4 ，过程如图( b ) 所表示。 3 9 北京邮电大学硕士学位论文多载波c d m a 系统扩频码及载波分配技术研究 1 撑2 子群3 载 群4 波 撑5 撑6 撑7 j f j 8 用户 f i 6 l撑2 f j 3撑4 c l23 c 6 35 c 241 5 18 3 4 2 786 23 4 15 7 4 2 2 2a c g 算法 撑1 撑2 子撑3 载 槲 波 群5 群6 撑7 撑8 图4 - 3r c g 算法示意图 用户 l群2撑34 _ 、 八 弋 兴 35 2 4 1 5 c 18 3 4 2 c 7 8 6 23 o 4 l5 x a c g 算法的目标是希望简化r c g 算法，而其性能与r c g 算法相比，降低不多。 其具体操作如下： 步骤一：初始化向量c 。等于f 2 j ，用于存放分配给第k 个用户的子载波序号，撑c 。表 示c 。中元素的个数，定义h k ( n ) 表示第k 个用户在第n 个子载波上的信道衰落系数。 步骤二：对于所有的子载波刀= 1 ：n k+,6-argmaxk a r g m a x 忙h k ( 刀) 1 2 ( 4 - 。1 7 ) l ) i l 。j 如果挣c 矿= ，那么令l 吃。( 刀) 1 2 卜o k ” l o g ，算法的复杂度近似为o ( 坼m ) 。可以看出，算法中初始 化和更新部分的复杂度在一个数量级，虽然算法进行迭代的分配方案，迭代部分看 似复杂，其实并没有引进大量的复杂度，因此本发明的计算复杂度约为d ( 坼m1 ， 即本发明的复杂度与用户数和子载波组数的乘积呈线性关系。 作为参考，我们引入在o f d m a 系统中的经典算法r c g 算法进行复杂度的对 比，为公平起见，对r c g 算法进行一定的改造，使其可以在分组子载波系统中使 用。我们知道r c g 算法的复杂度主要决定于信道的状态，可从两种极端情况对其 复杂度做出粗略分析，在最理想的信道状态情况下，其复杂度为p ( 坼ml ，在最不 理想的信道状态情况下，其复杂度为p ( 坼矿1 。也就是说r c g 算法的复杂度在 p ( 坼口) p ( 坼孵) 之间浮动。 在实际系统中，算法的最大复杂度往往是决定其可行性的重要因素之一。在实 际的m c c d m a 系统中采用较短的组内扩频码长度更利于多用户检测的实施，因此 相对于r c g 算法的最大复杂度为p ( 坼妒) ，本发明降低了实施中的计算复杂度。 5 3 基于部分比例公平的用户和载波组分配方案 现有的m c c d m a 系统分组方案中，大多数没有考虑到用户的公平性，这毫无 疑问将导致用户之间的不公平性。在下面的分配方案中，我们将用户公平引入到用 户分组之中，并以此来改善用户性能之间的公平性。下面将提出在分组m c c d m a 系统中的用户自适应部分比例公平分组和载波分配分配算法。同时考虑信道条件和 用户的公平性，所提出的方案旨在完成在保证用户之间公平性的同时最大化系统吞 吐量。 北京邮电大学硕士学位论文多载波c d m a 系统扩频码及载波分配技术研究 5 3 1 系统模型 图5 - 5 分组m c c d m a 系统发射机模型 所提出的方案旨在无线通信系统的下行链路中，分组m c c d m a 系统发射机模 型如图5 5 所示。在此处，我们假定发射机能够从反馈信息中准确的知道各个用户 的信道条件。 在系统模型的第一部分，根据所提出的用户分配算法将激活用户分组，分配的 依据是接收机所接收到的反馈信道信息，详细过程将在后文中给出。在此之后，各 组用户数据比特被各用户所分配的扩频码扩展，再叠加。各组用户的扩频码不一定 必须一样，因为由于设计，不同用户组之间的用户不存在过用户干扰( m u i ) 。叠加 码片流将继续通过载波分配部分，最后通过o f d m 模块，然后从天线上发射出去。 在终端部分，我们假定接收机能够精确知道分组信息，包括用户所属组以及用户组 所包含的载波。 为了更好的分析系统模型，我们假定可用予载波数为m ，系统激活用户数为 n 。由于分组 系统的特性，我们将所有的子载波和用户分成札组。简 单。起见，我们假m 设cc m d m 能a 被札整除，即，= m 札，且，是一个整数。因为分组 m c c d m a 系统的天然特性，最大用户数卅与子载波总数相等，所以m 也可以被 。整除。同时每个组中的最大激活用户数可以被标示为im ，i ，其中r 口 表示大 于a 的最小整数。我们定义一个大小为n x n 的矩阵c = 【c ，c ，c 】，其中的列组 北京邮电大学硕士学位论文多载波c d m a 系统扩频码及载波分配技术研究 成了每个组的个扩频码字。 在接收端，在去除c p 以减少块间干扰( i b i ) ，通过f f t 变换，解调出的接收 信号处于不同的组。第k 个用户在第n 个子信道上的等效基带接收信号司以表不为： y ( k ，1 ) = 既，。办( 后，n ) c ( k ，1 ) 吒+ m ( 5 5 ) 其中p k 。表示第露个用户在第以个子载波上分配的功率，h ( k ，栉) 为第露个用户在 第n 个子载波上的信道增益，c ( k ，胛) 和毛分别表示用户k 的第刀个扩频码片以及用户 k 的数据比特。m 为第n 个子载波上的加性高斯白噪声( a w g n ) 。 在分组m c c d m a 系统中，每个组的用户仅仅被同组用户以及噪声影响，因此， 用户的信号干扰噪声比( s 烈r ) 可以表示为2 8 】： 枷 文d2 彘 够_ 6 ) 其中 哦，。= 既，。i h ( k , n ) 1 2 仇，。i h ( k , n ) 1 2 + 仃2 ( 5 - 7 ) 此处表示分配到第g 组的子载波序列集合。仃为噪声方差，且表示所在组中 的用户数，且等于扩频码长度。用户忌因此可达到的数据速率为： 尺( 尼) 2 万11 0 9 z ( 1 + s ( 七) ) ( 5 - 8 ) 总的系统吞吐量为： - - z - 心细，2 吾壶万1 l 0 9 2 ( 1 + s ( 七) ) 5 。9 其中碟表示在第g 组的用户序列集合。 在本文中，我们提出了一个最优化问题，即在系统容量和用户公平之间的平衡 问题。目标仍旨在最大化系统的容量，但是通过考虑一定的限制来确保用户的公平 性，以此来解决这个最优化的问题。 5 3 2 基于公平的方案 一般来说，系统吞吐量的最优化包含着功率，数据比特和子载波的分配，然而， 北京邮电大学硕士学位论文多载波c d m a 系统扩频码及载波分配技术研究 复合的最优化将毫无疑问地导致极大且不可接受的计算和应用复杂度。为了简化且 更有效的集中于我们的目的，我们假定在每个用户的功率的分配是同一的。在本节 中，所提方案包含两个阶段，分别为用户分组部分和子载波分配部分。 a 用户分组 考虑到用户的信道条件和在【2 9 】所被证明的一一总的容量只有在每个子载波都 被分配到拥有最佳信道条件的用户时达到最大化。但是，类似于其他m c c d m a 系 统中的资源分配方案，他们都没有考虑到用户之间的公平性。我们所提出的方案包 含着两个基本的原则：第一，数据比特率在所有用户的传输功率同等的条件下取决 于信道衰落增益。第二，考虑到用户之间的公平性，我们应该尽量平衡用户所能取 得的数据速率。为了提升用户的传输数据速率，由于用户所在信道条件都不尽相同， 考虑到这一点，我们将具有类似信道条件的用户放到一组之中，过程将在后面讨论。 我们所用来衡量用户信道条件相似度的衡量法是用他们瞬时支持数据速率比上平均 吞吐量。 我们假定用户k 在t 时隙反馈到基站的信道条件为一个所要求的数据速率 r ( k ，t ) ：表示第觅用户在当前所支持的数据率。同时我们定义一个平均吞吐量 r ( k ，t ) ，即每个用户在过去的时间段t 内平均吞吐量。平均吞吐量可由以下的公式 更新： r ( k ，t + 1 ) = ( 1 一) 丁( 七，t ) + - r o 口删( 后，f ) ( 5 - 1 0 ) l cc 在这兄咖，( 尼，f ) 表示用户k 实际取得的数据速率。本文所提出的基于部分比例公 平的用户分组方案步骤如下： 步骤1 ：对于每个用户，计算当前在所有m 个子载波上，用户可支持的平均数 据速率，即： k 阮归善专l 0 9 2 ( 1 + p 学，a 洚 此处，p 表示分配到每个用户的平均功率。 步骤2 ：依据公式计算每个用户的累计平均吞吐量r ( k ，f ) ，并计算判决值： m ( k , t ) = 篙 ( 5 1 2 ) 步骤3 ：将用户的判决值m 按照降序排序，依据这个排序来将所有的用户分配 北京邮电大学硕士学位论文 多载波c d m a 系统扩频码及载波分配技术研究 到组。因为每个组都有最大所能容纳的用户数，当一个组达到极限时，此时将 序列链的下一个用户分配到下一个组中。按照这样的规则，直到所有的用户都 被分配到组。即我们得到的组也是降序排列，组序号表示他们的级别。 b 子载波分配 在用户分组后是子载波分配阶段。在这部分，我们的目标是根据一定的分配准 则将所有的子载波分配到一定的组内，以保证最需要的组能得到最合适的子载波。 为了更好地描述我们的分配过程，我们定义一个大小为。札的矩阵j ，其中元素 j ( 挖，g ) 表示第，1 个予载波在组g 内的等效衰落系数。于是，寻找一个有效的a ( n ，g ) 表 述方式就是这部分的关键点。我们提出两种方案： 方案1 ，计算第，1 个子载波在组g 内的等效s i n r 值，即： 锄 j ( 曲2 氚 _ 1 3 ) , , e x s 其中枷= 辩，为扩频码长度，p 表示分配到每个用户的平均功率， 盯为噪声方差。 方案2 ，计算在一个组内所有用户信道衰落系数的绝对值平方，即 j ( ，l ，g ) = 兀i 办( 后，珂) 1 2 ( 5 1 4 ) 所提出的载波分配过程可以表述如下： 步骤l ：对于每个子载波刀= 1 ，2 ，c ，计算判决值矩阵j ( 甩，g ) ，g = l ，2 ，m ， 依据以上任一方案。 步骤2 ：根据组的序号顺序，即从组1 到组札，找到刀：刀t _ a r g m a x , i ( n ，g ) ，然 。 一e “，m 后将，l ，分配到这组。 步骤3 ：当第捍个子载波被分配完时，我们取j ( 刀，g ) = 0 ，g = l ，2 ，以，意味 着第刀个子载波以后不能再被分配。 步骤4 ：若一组所被分配的子载波数达到最大值，我们就移到下一个组的分配中 能够，如果没有，返回到步骤2 继续子载波的分配。 北京邮电大学硕士学位论文多载波c d m a 系统扩频码及载波分配技术研究 5 3 3 性能仿真 在这部分，我们将测试为分组m c c d m a 系统所提出方案的性能。我们假定每 个用户的子载波都经历独立同一瑞利衰落信道。同时每个子载波所得到的传输功率 也是相等的，基站端可以准确地了解信道条件。 在图5 - 6 中，为系统总吞吐量一e b n 0 图，这里 = 6 4 ，n = ， = ，同o 6 4n4 时分组数为札= 1 6 。为了评估所提出方案的性能，特别对比所提出两种方案与传统 分组和分配方案。因为基于用户的等比例公平分组方案在本文中是第一次被提出， 为了公平起见，在将我们所提出的