（通信与信息系统专业论文）mccdma系统的关键技术研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 c d m a 是第三代移动通信的核心技术之一，它允许用户使用相同频率，利用 不同的扩频码字来区分用户。c d m a 系统是干扰受限系统，系统的性能受用户数 制约。为此，需要有各种减小或消除多址干扰的技术来支持系统性能的提高。正 交频分复用( o f d m ) 技术，将高速数据变成并行的低速数据，不但增强了抗多径衰 落的能力，而且由于子载波频带是重叠的，与传统的f d m 系统相比，它的频谱利 用率大大提高。o f d m 为在复杂的衰落信道条件下可靠、高速地传输数据提供了一 种良好的选择，它必将成为未来无线通信的关键技术。此外，多输入多输出( m i m o ) 技术是未来移动通信提高系统的容量、性能和频谱效率的核心技术，尤其是垂直 空时分层( v b l a s t ) 结构也将成为提高数据速率和传输可靠性的重要途径。 在实际的传输环境中，信道条件非常复杂多变，数据传输需要多种先进的数 字通信技术才能完成。因此，将c d m a 技术、o f d m 技术和m i m o c v b l a s t ) 技术 相结合，以大幅度地提升系统性能，来满足日益增长的通信需求。 c d m a 与o f d m 相结合的技术称为多载波c d m a 技术，它具有c d m a 和o f d m 技术的双重优点，例如抗干扰能力强、保密性高、抗多径衰落、软切换、频带利 用率高、数据速率高等。但是就像普通的c d m a 系统一样，多载波c d m a 系统是 干扰受限系统，即随着用户数的增多，来自其他用户的干扰会越来越大，最终导 致信号无法正确检测，因此用户容量会受到限制。 论文重点讨论了m c c d m a ( 即频域扩频) 系统的地址干扰消除技术。首先，论 文在详细介绍了现有的用户检测方案的基础上，提出了一种基于q r 分解的多用户 检测方案。经过研究证明，论文提出的基于q r 分解的多用户检测方法，避免了多 次矩阵求逆运算和排序，接收机复杂度大大降低；同时算法的误码性能几乎与排 序的串行干扰消除算法相同，并无明显的性能损失。因此，论文提出的基于q r 分 解的用户检测方法，在可以接受的性能损失前提下大幅度降低接收机的复杂度， 是非常难得的。 然后， 论文重点研究了t c m 技术与m c c d m a 技术的结合的一种新方案。这 种方案中，每个用户分配m 个正交码字作为一个正交码集，根据信息比特选择一 山东大学硕士学位论文 个正交码字作为扩频码。由于t c m 的使用，该系统可以在不增加带宽的前提下获 得编码增益，系统的误码性能有较大提高。但是，因为每个用户使用m 个正交码 字，而在码长一定( 系统带宽一定) 的情况下，码字的数目是固定的，这使得系统所 能容纳的用户数降为普通c d m a 系统的l m ，这与当前日益增加的用户需求是矛 盾的。为了解决这个问题，我们在接收端使用多副天线。在发送端，将用户进行 分组，m 个用户分成一组，使用共同的码字集合。在接收端，利用多副接收天线 区分使用相同码组的用户信号；使用正交码字区分使用不同码组的用户信号。论 文详细推导了提出的系统在独立的瑞利信道中的误码率公式，并对误码性能进行 仿真。理论分析和仿真表明，提出的具有多副接收天线的m c c d m a 系统的性能比 传统的m c c d m a 系统有很大提高，而且解决了t c m m c c d m a 系统用户数目受 限的问题。 关键词：m c c d m a ，t c m ，v b l a s t ，q r 分解 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c d m ai so n eo fk e yt e c h n i q u e sf o r3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，w h i c ha l l o w s d i f f e r e n tu s e l st os h a r et h e s l i m ef r e q u e n c yb a n d i nc d m as y s t e m s ，u s e r sa r e s e p a r a t e db yo r t h o g o n a ls p r e a d i n gc o d e s c d m as y s t e m sa r ei n t e r f e r e n c el i m i t e d s y s t e m s ，i e ，c a p a c i t yb e i n gc o n t r o l l e db yt h en u m b e ro fu s e r s ，r e s u l t i n gi nt h en e e d s o fm u l t i p l ea c c e s sc a n c e l l a t i o nm e a s b l e st a k e ni nr e c e i v e r st oo b t a i nt h ei m p r o v e m e n t i np e r f o r m a n c e o 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 ( o f d m ) t r a n s m i t sh i g h r a t ed a d at h r o u g hp a r a l l e ll o wr a t es u b - c h a n n e l ，b yw h i c ha b i l i t yr e s i s t i n gm u l t i - p a t h f a d i n gi si n c r e a s e d b e s i d e s ，s i n c et h es p e c t r u m so fn e i g h b o r e ds u b c h a n n e l sa r e o v e r l a p p e d ，s p e c t r u me f f i c i e n c yo fo f d m i sh i g h e rc o m p a r e dw i t ht h a to ft r a d i t i o n a l f d m s oo f d mi sag o o dc h o i c ef o rr e l i a b l ea n dh i g hr a t ed a t at r a n s m i s s i o ni n c o m p l i c a t e df a d i n g c h a n n e l s i tw i l lb eak e yt e c h n i q u ei n f u t u r ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) t e c h n i q u ei sa ni m p o r t a n t t e c h n i q u ef o rr a i s i n gs y s t e mc a p a c i t y , p e r f o r m a n c ea n ds p e c t r u me f f i c i e n c y v e r t i c a l b e l ll a b o r a t o r ys p a c et i m ec o d i n g ( v - b l a s t ) w i l lb ea l s ot h ek e ym e t h o dt or a i s e d a d ar a t ea n dt r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y i nr e a le n v i r o n m e n t ，t h ec h a n n e li sc o m p l i c a t e da n dc h a n g e a b l e i ti ss on e c e s s a r y t ot r a n s m i td a t aw i t hk i n d so fa d v a n c e dt e c h n i q u e s c o m b i n i n gc d m a ，o f d ma n d m i m oc a nb r i n gg r e a tp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t ，w h i c hi s i m p o r t a n tf o rg r o w i n g c o m m u n i c a t i o nd e m a n d s t e c h n i q u ec o m b i n e dc d m a w i t ho f d mi sc a l l e dm u l t i - c a r r i e rc d m a i th a s a d v a n t a g e sf r o mb o t hc d m aa n do f d m ，s u c ha ss t r o n ga b i l i t y i nr e s i s t i n g i n t e r f e r e n c e sa n dm u l t i p a t hf a d i n g ，h i g hc o n f i d e n t i a l i t y , s o f th a n d o f f , h i g hs p e c t r u m e f f i c i e n c y , a n dh i g hd a t ar a t e ，a n ds oo n h o w e v e r , j u s tl i k ec o m m o nc d m as y s t e m s ， m u l t i p l ec d m as y s t e m sa r ei n t e r f e r e n c el i m i t e d ，b e c a u s et h ei n c r e a s i n gi n t e r f e r e n c e s w i l la f f e c ts i g n a ld e t e c t i o nw h e nt h en u m b e ro fu s e r si n c r e a s e s 3 山东大学硕士学位论文 i nt h i sp a p e r , w ef o c u s e do nm c - c d m a t e c h n i q u e s ，i nw h i c hs p r e a d i n gs p e c t r u m i si nf r e q u e n c yd o m a i n f i r s t ，t r a d i t i o n a ld e t e c t i o nm e t h o d sf o rm c c d m as y s t e m s a r ea n a l y z e d ，a n dt h e nm u l t i - u s e rd e t e c t i o nb a s e do nq r d e c o m p o s i t i o ni sp r o p o s e d i t i ss h o w nt h a tc o m p l e x i t yo ft h er e c e i v e rc a nb eg r e a t l yr e d u c e db yt h eu s eo fp r o p o s e d a l g o r i t h mb a s e do nq rd e c o m p o s i t i o n ，i nw h i c hc o m p u t a t i o no fi n v e r s i o no fm a t r i x a n do r d e r i n gi sa v o i d e d a n dp e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h mi sal i t t l ew o r s et h a nt h e o r i g i n a lo n e t h e r e f o r e ，p r o p o s e dd e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e d 0 1 1q r d e c o m p o s i t i o nc a n b r i n gc o m p l e x i t yr e d u c t i o no ft h er e c e i v e rw i t h o u tg r e a tp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n , w h i c hi sv e r yi m p o r t a n t s e c o n d l y , an e ws c h e m e ，w h i c hc o m b i n e st r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ( t c m ) a n d m c c d m ai si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r i nt h i sm e t h o d ，e a c hu s e ri sa s s i g n e dac o d e s e t ，w h i c hc o n t a i n smo r t h o g o n a ls p r e a d i n gc o d e s ，o n eo fw h i c hi ss e l e c t e da ss p r e a d c o d ea c c o r d i n gt oi n f o r m a t i o nb i t s t h ep r o p o s e ds y s t e mc a ng e tp e r f o r m a n c eg a i n w i t h o u ta n yb a n di n c r e a s i n gb e c a u s eo fa p p l i c a t i o no ft c m b u tt h en u m b e ro fu s e r s t h es y s t e mc a nc o n t a i ni sl o w e r e dt o1 m b e c a u s ee a c hu s e ru s e sm c o d e s ，w h i l e t h en u m b e ro fc o d e si sd e f i n i t ew h e nl e n g t ho ft h ec o d er e m a i n st h es a m e t h e p r o b l e mi ss e r i o u ss i n c et h e r ew i l lb em o r ea n dm o r eu s e r s t h e nm u l t i p l ea n t e n n a sa r e d e p l o y e da tt h er e c e i v e r a tt h et r a n s m i t t e r ，e v e r ym lu s e r ss h a r et h es a m ec o d es e t a tt h er e c e i v e r ，s i g n a l sf r o mu s e r sw i t ht h es a m ec o d es e tc a nb ed i s t i n g u i s h e db y m u l t i p l ea n t e n n a sj u s ta si nv - b l a s ts y s t e m s ；w h i l es i g n a l sf r o mu s e r sw i t hd i f f e r e n t c o d es e tc a nb ed e t e c t e db yo r t h o g o n a lc o d e sj u s ta si nc o m m o nm c c d m as y s t e m s b i te r r o rp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e di nt h ep a p e r ，a n dac l o s e df o r mi sg i v e nf i n a l l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，t h ep r o p o s e ds y s t e mh a sag r e a tp e r f o r m a n c eg a i no v e r t r a d i t i o n a lt c m - m c c d m as y s t e m s ，a n dm e a n w h i l e ，t h ep r o b l e mo fl i m i t e dn u m b e r o fu s e r si so v e r c o m e k e yw o r d s ：m c c d m a ，t c m ，v - b l a s t ，q rd e c o m p o s i t i o n 4 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， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丕丝! q 日 毕。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丕乞：! 丑导师签名：论文作者签名：象丝：! 封导师签名：期：型口 山东大学硕士学位论文 第一章引言 欧洲的全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，g s m ) 和 美国的c d m ao n e ( i s 9 5 ) 为代表的第二代无线通信系统，采用数字调制技术，分别 使用时分多址( t d m a ) 与码分多j 吐( c d m a ) 技术，显著改善了通话质量，极大增加 了系统容量。为了能够向用户提供更多的无线数据业务以及更高的无线数据传输 速率，国际电信联盟( i t u ) 于2 0 世纪9 0 年代后期提出了i m t 2 0 0 0 系统，i p 3 g 无线通 信系统，目的是为世界各国的无线通信系统制定统一标准。在i m t 2 0 0 0 系统的多个 标准中，以欧洲的w c d m a 标准和美国的c d m a 2 0 0 0 标准最令人瞩目。为了促进 i m t 2 0 0 0 系统多个标准的融合，分别以w c d m a 标准和c d m a 2 0 0 0 标准为核心组成 了3 g p p 和3 g p p 2 。同时，中国的t d s c d m a 标准在频率利用方面优势非常明显， 与w c d m a 标准在频率利用方面有很好的互补性，已被3 g p p 接纳并进行了融合。 在无线通信技术方面，研究人员已经开始第四代移动通信( 4 g ) 捌的研究。4 g 是3 g 演化的结果，与3 g 相比，4 g 的容量更大，网络的建设成本和业务费用将更加 合理化，而且许多3 g 系统的不足将在4 g 系统中得到改善。4 g 可以在不同的固定、 无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互 联网，能够提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。国 际电信联盟无线通信部( i t u r ) 在2 0 0 1 年己开会讨论了关于更高级的3 g 系统并最 终产生4 g 的技术。日本、欧洲与美国等国家已经对未来1 0 年的b 3 g 或4 g 的移动通 信技术进行了理论与实验系统的研发工作。b 3 g 无线通信系统的主要特征是“移 动”，与3 g 的“无线”特征有一定差异。b 3 g 无线通信系统将是一个能更好支持 多环境和多业务的系统，多载波、多址与多天线等技术将在其中得到广泛应用。 在b 3 g 无线通信系统中，宽带数据业务、多媒体业务和因特网业务将逐渐代替语音 业务的主导地位。b 3 g 无线通信系统大致可划分为b 3 g 无线接入系统与b 3 g 无线移 动系统两部分。由于广泛采用了具有更高频谱效率的正交频分复用( o n h o g o n a l f 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 ，o f d m ) 调制技术，b 3 g 无线接入系统能为用户提 供l l 3 g 高很多的数据传输速率，速率可高达几十m b p s 甚至上百m b p s ，而且非常经 济。围绕b 3 g 无线移动系统虽然尚未形成有代表性的标准，但相关研究却异常活跃， 山东大学硕士学位论文 其中o f d m 调制技术与c d m a 多址技术的各种结合方法更是研究热点，长远看它们 极有可能成为b 3 g 无线移动系统的核心技术。典型的o f d m c d m a 方法包括多载 波码分多址( m c c d m a ) 、多载波直接序列码分多址( m c - d s c d m a ) 以及多音码分 多址( m t - c d m a ) 等。 下面主要介绍b 3 g 移动通信中的几种关键技术。 1 1 码分多址( c d m a ) 技术 c d m a t 3 】系统利用码序列正交性或准正交性来区分不同用户，在同频、同时的 条件下，各个接收机根据不同信号码型之间的差异分离出需要的信号。c d m a 系 统为每个用户分配特定的地址码，利用公共信道传输信息。c d m a 系统的地址码 相互具有准正交性，在频率、时间和空间上都可能重叠。也就是说，每个用户有 自己的地址码，地址码之间相互正交，用来区分每一个用户。 c d m a 系统有其特有的优势，如大容量、软容量、保密性好、抗多径干扰、 抗频率选择性衰落、容易实现频率分集和时间分集、软切换、话音质量高、发射 功率较低等。 1 2 正交频分复f f j ( o f d m ) 技术 在移动通信中，发射信号经过时变的多径信道到达接收机的天线时，会产生 时间选择性衰落和频率选择性衰落p 8 1 。时间选择性衰落是由信道时变效应引起 的，时间选择性衰落在时域的量度是相关时间，信道时变效应在频域上表现为信 号频谱的展宽。频率选择性衰落是由信道的多径传播效应引起的，多径效应引起 符号间干扰( i s i ) ，多径效应在频域的量度是信道的相关带宽。只要发射信号的周 期小于相关时间，时间选择性衰落就可以克服。与克服时间选择性衰落相比，克 服频率选择性衰落更困难，因此，如何克服频率选择性衰落一直是移动通信的研 究热点。为了克服频率选择性衰落，将信道在频域分化成若干相互正交的子信道， 使每个子信道的频谱特性比较平坦，使用若干个互不相干的子信道传输信号并在 接收机中予以合并，以实现信号的频率分集。在小于信道相干时间的时间间隔内， 6 山东大学硕士学位论文 信道可以等效为一个线性时不变系统，因而可以采用o f d m 4 , 5 】，即正交频分复用。 o f d m 系统的实现方框图如图1 1 所示。 图1 1 基于o f d m 的多载波传输系统 与传统的f d m 系统相比，o f d m 具有如下优点： ( 1 ) 均衡简单。把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续时间 相对增加，从而有效的减小信道弥散带来的i s i ，这可以减小均衡的复杂度，甚至 可以不用均衡器，只通过加循环前缀的方法消除i s i 影响。 ( 2 ) o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱互相重叠，因此 频谱资源利用率高。 ( 3 ) 实现简单。各子信道的调制和解调可以采用i d f t ( 或i f f t ) 和d f t ( f f t ) 实现。 ( 4 ) 抗多径能力强。 ( 5 ) 传输数据速率高。 1 3 多输入多输出( m i m o ) 技术 无线频谱资源的匮乏，要求下一代的通信系统必须具有更高的频谱效率。无 线通信系统频谱高效率的方法有两种：一种是通过采用更高阶的调制技术和更优 良的信道编码方法来尽可能逼近现有的单输入单输出( s i s 0 ) 天线接收系统的信道 7 山东大学硕士学位论文 容量；另一种是在带宽不增加的前提下，利用m i m o 技术来提高系统的信道容量。 在无线衰落环境中，要在有限带宽的情况下尽可能地逼近信道容量，技术难度比 较大，况且s i s o 系统本身的信道容量也有限，所以下一代无线通信系统考虑更多 的应该是利用m i m o 技术提高信道容量【9 , 1 0 。 m i m o 系统是在发送端和接收端都安置多个天线的无线通信系统。在发送端， 二进制数据流输入到发送处理模块中进行编码、星座映射、加权处理，然后送到 各发送天线上，经过向上变频、滤波和放大后发送出去；在接收端，接收机将多 副接收天线接收的信号进行向下转换、匹配滤波、接收处理和译码，以恢复原始 数据。m i m o 技术的出发点是将多发送天线与多接收天线相结合以改善每个用户 的通信质量( 如差错率) 或者通信效率( 如数据速率) 。m i m o 系统中要采用空时信号 处理，即在继续使用传统通信系统具有的时间维的基础上，通过使用多副天线来 增加空间维，从而实现多维的信号处理。m i m o 系统中的空时处理技术主要包括 智能天线( s m a r ta n t e n n a ) ，空时编码( s p a c e t i m ec o d i n g ，s t c ) ，空域复用( s p a c e m u l t i p l e x i n g ) 等。 智能天线原名自适应天线阵歹| j ( h h h ，a d a p t i v ea n t e n n aa r r a y ) ，是一种天线阵 列处理技术。智能天线具有抑制信号干扰 1 1 14 1 、自动跟踪以及数字波束调节等智 能功能，用于移动通信，既可改善信号质量又能增加传输容量。智能天线成形波 束能在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内有用的信号。其基本原理是在无 线基站端使用天线阵和相干无线收发信机，实现射频信号的接收和发射。同时， 通过基带数字信号处理器，对各个天线链路上接收到的信号按一定的算法进行合 并，实现波束覆形。 空时编码( s t c ) 的概念最早是由n s e s h a d i r 提出来的【1 5 】。它的原理是利用空间 和时间的编码实现多天线发射同一信号的多路独立传输，由于多路传输信号同时 处于衰落的概率相对于单路传输信号大大降低，所以会大大提高传输性能。 v t a r o k h 在文献 1 6 1 q b 提出了空时格码的概念，格码在不牺牲系统带宽的条件下， 能使系统同时获得分集增益和编码增益，但格码采用维特比解码算法，因此解码 复杂度高。为减小接收机的复杂度，a l a m o u t i 在文献 1 7 中提出了空时分组码 ( s t b c ) 的概念，s t b c 可以在接收端采用简单的线性处理进行解码，从而降低了接 8 山东大学硕士学位论文 收机的复杂度。 空域复用就是在接收端和发射端都使用多副天线，从而使得容量随 m i n m ，册的增加而线性增加，这蚴分别是发送天线和接收天线的数目。这 种信道容量的增加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此 是提高信道和系统容量的一种非常有效的手段。例如，贝尔实验室的学者f o s c h i n i 提出的垂直分层空时结构( v b l a s t ) 就是利用多发射和多接收天线提高系统容量 的典范【1 引。 1 4 论文主要内容和结构安排 多载波c d m a 系统具有o f d m 与c d m a 技术的双重优点，可在不增加发射机 与接收机复杂度的情况下，通过快速傅立叶变换对( f 僻f t ) 实现发射与接收， 并且具有很高的频谱利用率。多载波c d m a 方案主要有m c c d m a ，m u l t i c a r r i e r d s c d m a ，m t c d m a 三种实现形式【1 1 。 垂直空时分层( v b l a s t ) 系统的容量和性能有很大的提升。本论文的主要工 作就是研究将v - b l a s t 的先进检测方法用于m c c d m a 的检测，以及对使用网格 编码调$ 1 ( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ，t c m ) 的多载波c d m a 系统与垂直空时分层结 构结合的上行链路进行性能分析，并给出仿真结果。 全文内容安排如下： 第二章系统地介绍了多载波c d m a 系统的原理和实现方法，v b l a s t 系统的 原理、检测方法以及各自的优缺点，并根据二者的特点讨论两种技术的结合使用。 第三章详细介绍m c c d m a 系统的各种检测方法，然后提出一种将v b l a s t 系统中基于q r 分解的应用于m c c d m a 的检测的方法，并对各种检测方法进行分 析、比较和仿真。 第四章提出并分析一种基于v ，b l a s t 与m c c d m a 相结合、适合用于上行链路 的多天线m c c d m a 系统方案，并对提出的系统进行了误码性能理论分析、仿真。 第五章对全文进行总结。 9 山东大学硕士学位论文 第二章多载波c d m a 和v b l a s t 基本原理 o f d m 技术和c d m a 技术的结合是未来移动通信系统的最具竞争实力的方 案。因为c d m a 系统的容量是一个干扰( 或信干比) 受限系统，其容量主要受限于移 动信道的主要干扰：多径干扰与多址干扰。而o f d m 是克服多径干扰最有效的手段 之一，因此为了在移动通信系统中支持多个用户，采用c d m a 和o f d m 技术相结合 的策略就成为唯一的选择。 多载波c d m a 将o f d m 和c d m a 两种无线接入技术结合起来，是1 9 9 3 年提出 的【1 9 】。多载波c d m a 技术结合了上述二者的优点，能够有效的降低符号速率，使 符号周期加长，能够有效的抵抗频率选择性衰落和实现准同步，同时又可满足在 未来蜂窝系统中的高速率高容量，能够提供不同质量不同速率服务的要求，已经 成为下一代移动通信系统的一个热点。多载波技术与c d m a 有很多种结合方式， 例如在时域进行扩频的m c d s c d m a 2 0 】和m t c d m a 方案，以及在频域做扩频的 m c c d m a 方案。由于下行链路中所有用户的信号是由基站同步发出的， m c c d m a 通过频域扩频降低了符号速率，频域分集充分，容纳的用户数由码的互 相关性和扩频增益决定，通过系统设计后每个子载波都经历平坦衰落，在进行准 确的信道估计后，可供选择的多用户检测合并的算法比较多，能根据实际情况来 选择。在t d d 的方式下，适合在下行链路中使用。 多载波c d m a 系统与o f d m 系统的结构极为相似，不同之处在于多载波c d m a 中每路载波都携带相同的信息，而o f d m 的每路载波则携带不同的信息。多载波调 制技术，它把高速率数据流分成多个低传输比特速率的数据流，用并行数据流去 调制多个载波，传统的并行多载波系统把整个带宽分割，频带没有重叠，其频谱 利用率很低。由于多载波技术对无线通信中的多径干扰和符号间串扰有很强的抵 抗力，因此该技术已在移动通信领域引起了广泛的关注。目前，它已经广泛地应 用于高数据速率数字用户线( h d s l ) ，非对称数字用户线( a d s l ) 、数字音频广播 ( d a b ) 、高清晰电视( h d t v ) 、地面广播和高速数字移动通信等领域。实际中的 c d m a 存在系统容量受限于多址干扰和多径干扰的问题，所以如何将多载波技术 l o 山东大学硕士学位论文 和扩频码分多址技术相结合成为目前的焦点。 2 1 多载波c d m a 的特点及实现方法 多载波c d m a 系统，包括m c c d m a t 2 1 。2 3 】，多载波d s c d m a 2 刎， m t c d m a 2 6 】三种基本形式，具有下列优势： ( 1 ) 多载波c d m a 具有更好的性能。包括更大的系统容量和更大的覆盖区域； 多载波c d m a 采用定时长的帧结构作为基本的传送单位，从而具有较高的信号传 输效率：可以工作在更宽的频段上，该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，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；具有更大的抗衰落能力。 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。 ( 2 ) 和o f d m 比较：为了避免子载波在深衰落时出现过多的比特错误，o f d m 主要运用编码( c o d i n g ) 技术，但同时系统需要子载波的数量也许会大大超过比特或 者符号的数量。而m c c d m a 使用n xn 的矩阵代替，更利于实现。 ( 3 ) 和d s c d m a ：g 较：d s c d m a 是一种多用户同时共享频谱的技术，它可以 使用r a k e 接收机来处理频率差异，然而在离散多径信道，使用扩频因子的 d s c d m a 在采用高复杂度的干扰抵消技术的情况下，也只能同时容纳个用户， 在实际应用中不可行；丽m c c d m a 在使用标准技术的情况下可以容纳个误码 率极佳的用户。 ( 4 ) m c c d m a 系统允许在同一个子载波上传输若干用户信号，包括在下行复 用器上，使用f f t 和编码矩阵技术使其达到实用目的。多载波c d m a 具有传统 c d m a 抗干扰能力强、容量大等优点，同时又具有o f d m 技术极强的抗多径干扰 能力，非常适合无线高速数据传输。按照扩频操作方法的不同将多载波c d m a 混 合技术分为频域扩频和时域扩频两类，其中多载波码分多址( m c c d m a ) 属于频域 扩频：多载波d s c d m a 及m t c d m a 属于时域扩频。 下面将对m c c d m a 、m c d s c d m a 和m t c d m a 系统进行详细的描述。 ( 1 ) m c c d m a ，其扩频码的各码片在频率域是在各子载波信道上排列的，它 山东大学硕士学位论文 对数据扩频后所得到的高速率码片并行的在每个子载波上进行传输。这样，一个 用户传输一个数据符号时可能占据整个带宽。这反映出m c c d m a 系统是在频域进 行扩频的。因此，与d s c d m a 系统相比，该方法在进行频域映射时具有额外的自 由度，并且可以通过简单的方法在频域进行信号检测。在具体实现时，应该在相 邻的o f d m 符号间插入保护间隔以防i - - i s i 2 t - 2 3 】，或者认为符号间隔本来就比信道 多径扩展大。子载波数m 应足够大以保证每个子信道都是频率非选择性衰落。在 同步系统例如蜂窝系统的下行链路上应用正交码，例女i w a l s h - h a d a m a r d 码可以保 证在理想信道下无多址干扰( m a r ) ，而在实际信道中具有最小的m a i 。至于检测技 术，可以采用等增益合并、正交性恢复合并、最大比合并、最小均方误差均衡、 迭代检测、最大似然检测等。 m c d s c d m a 和m t c d m a 的扩频码的各码片都是在时间域上排列的。它们 的用户数据流都是首先进行串并变换，得到并行的低速率数据流，然后对这些数 据流进行时域上的d s 扩频，再调制到每个子载波信道上【：厕。这里所谓时域上的 扩频是指数据与分配给该用户的扩频序列相乘之后就己经完成了扩频操作，然后 这些码片是在一个子信道中传输的，而m c c d m a 中，用户数据与扩频序列相乘之 后，所得到的码片并行的在不同的子信道上传输，多个码片占据很大的带宽，从 这个意义上说，它是从频域上将频谱展宽了。 m c d s c d m a 的子载波间隔与符号速率成正比，这可以保证子载波频谱间的 正交性【2 4 2 5 1 。输入数据串并变换，进行d s 扩频后，再调制到并行的子载波上便可 以得到扩频信号。这类多载波扩频采用数量较多的子载波时，可以获得时间分集。 由于每个子信道都是频率非选择性衰落信道，只有采用交织编码、子载波跳频或 同样的信息并行地在几个子信道上传输时，才可能获得频率分集。实际上，在每 一子信道中传输相同的扩频序列可以有效地利用多载波系统的频率分集。但是， 这种方法等效于重复编码，数据率减少了m 倍。子载波间隔也可以选得比码率大， 这样可以获得更高的频率分集【2 5 1 。这类概念是用来研究异步上行链路的。至于数 据检测，可以采用m 个相关( t 乍r a k e ) 接收机。 m t c d m a 又称作多音c d m a ，所采用的数据映射和扩频与m c d s c d m a 相 同。不过，它的子载波间隔要比串行符号速率小m 倍( 2 6 1 。因此，m 个并行的数据 流在d s 扩频之自订是满足正交性条件的，但是，当进行d s 扩频之后，就不再满足每 个子载波间的正交性条件，从而导致载波间干扰( i c i ) 。另一方面，由于每个子载 1 2 山东大学硕士学位论文 波间隔较小，扩频码长度大约是d s c d m a 中扩频码长度的m 倍。因此它是以高 i c i 为代价来满足一定的情况下容纳更多的用户的。每一子信道都可能是频率选择 性衰落的，因此需要r a k e 或更复杂的多用户检测器【2 6 1 。这类概念也是用于研究异 步上行链路的。1 9 9 3 年以来，上述三种方案得到了深入的研究，这一新领域的研 究大都旨在推进这三类概念的发展及导出恰当的检测策略上。 上面三种多载波c d m a 的区别就是它们的实现方式的不同所带来的它们各自 的参数和性能上的不同。 m c c d m a 是进行的频域扩频，将相同的数据符号扩频到正交的子载波上进行 传送，而每个子载波上不再进行时域扩频，由于子载波之间的正交性，相应地解 决了i c i 问题，同时由于m c c d m a 各个子载波共同传输一个数据，使得它抗频率 选择性衰落效果更加明显。 m c d s c d m a 则在进行时域扩频前首先进行了串并转换，降低了码速率，容 易做到同步，这使得它更适合异步系统。同时子载波之间的正交性也保证了i c i 的 消除。 m t c d m a 的频谱分布不均匀，各个子载波在同一个物理信道中心部分的频谱 迭加的成分最多，子载波之问的正交性被破坏，导致了部分的抗干扰性能下降， 但是m t c d m a 的扩频码选取的比较长，能够容纳更多的用户。同时由于 m t c d m a 系统中i c i 的存在决定了m t c d m a 要使用r a k e 接收机来提高系统的 性能。 2 2v b l a s t 技术简介 v b l a s t 系统将高速信源数据流按照发送天线数目串并变换为若干数据流， 独立地进行调制，然后分别从各副发送天线上发送出去，接收端接收机按照一定 的译码算法分离独立的数据流，如图2 1 所示。 v b l a s t 算澍2 8 1 可以分为线性检测算法和非线性检测算法，线性检测算法包 括迫零( z e r of o r c i n g ，z f ) 算法和最小均方误差( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r , m m s e ) 算法，非线性检测算法是在线性z f 或m m s e 算法基础七进行符号抵消的递归运算。 其中线性迫零v b l a s t 算法可以提供很高的频谱利用率，而且实现起来相对简单。 山东大学硕士学位论文 数 据 编 码 线1 天线1 线2 天线2 线m天线3 天线n 图2 1v - b l a s t 系统结构图 因为v b l a s t 各发送天线上传输的信号是不同的，相互独立的，因此，与空 时网格码( s t t c ) 、空时分组码( s t b c ) 等相比，v b l a s t 的传输效率很高，即信道 容量大。当然，因为各天线数据之间没有相关性，当信道是深衰落信道时，v b l a s t 系统的性能会比较差。因此，采用好的检测方法，以消除信道衰落对信号的影响 以及各天线间的干扰，是v b l a s t 技术研究的重要课题。 为描述v b l a s t 系统的原理，我们用d = ( d 。d 2 九) 表示发送信号向量，其中 m 为发送天线数；用，= ( r , r 2 ) 表示接收向量，其中表示接收天线数；用 h = ，如。： 红，l如。： i 2 啊村 红 ， h n m 表示信道矩阵，其中l ，= 1 ，2