（通信与信息系统专业论文）mccdma系统的导频辅助信道估计研究.pdf

上海大学硕士学位论文 m c c d m a 系统的导频辅助信道估计研究 摘要 未来无线通信系统将工作在高载频、高容量、高移动速率的条件下， 多载波码分多址( m c c d m a ) 技术n 吲充分结合了正交频分复用( o f d m ) 和码分多址( c d m a ) 两种技术的优势，具有高灵活性、高频谱利用率以 及抗频率选择性衰落能力强等优点，非常适合未来无线通信系统的要求。 信道估计是m c c d m a 系统中的关键技术之一，利用信道信息的相干解调 系统与不利用信道信息的差分解调系统相比，在信噪比上可以有3 - 4 d b 的 性能提高。因此在要求高传输速率、高传输质量和高移动性的第四代( 4 g ) 通信系统中，信道估计是不可缺少的一环。基于导频的最小二乘( l s ) 信 道估计算法复杂度低，不需要预先已知信道的相关信息和噪声方差，非常 适合于实际应用，也是目前许多系统实际使用的方法。本论文主要针对这 个关键技术进行了深入研究。 本文首先分析了m c c d m a 系统的基本原理，对m c c d m a 传输信号 模型进行了研究。然后在详细分析无线信道对传输信号所产生衰落的基础 上，分别针对慢衰落和快衰落两种特性的信道各提出了一种新的信道估计 方法，并通过仿真实验证明了所提方法的有效性。 针对m c c d m a 系统的下行链路在慢衰落信道中的传输，提出了一种 在时域中插入恒模导频信号的l s 信道估计算法，利用复指数信号作为导 频，直接在时域估计出信道的频域参数。该方法消除了，传统估计算法在 频域将导频信号周期地插入到数据帧中，再经o f d m 调制，所引起的对于 原系统峰均功率比( p a p r ) 的影响，并且通过对导频信号的下采样处理， 在不增加导频数量的同时提供了时域分集能力，从而利用慢衰落信道特性 结合平均降噪算法，有效提高了算法的估计精度。 针对m c c d m a 信号在快衰落时频双选择性衰落信道中传输的问题， 提出了一种基于基扩展模型( b e m ) 的信道估计方法。通过将导频信号以 分块的形式等间隔插入数据信号，并设计使各导频信号序列间满足j 下交相 位关系，实现了对快衰落信道的有效估计，解决了传统信道估计算法在快 衰落信道中失效的问题。并进一步将该方法推广到多天线( m i m o ) 系统， 有效保证了信号在快衰落时频双选择信道中的可靠传输。 关键词：m c c d m a ；m i m o ；信道估计；峰均功率比；快衰落 v 上海人学硕士学位论文m c c d m a 系统的导频辅助信道估计研究 a b s t i 认c t f u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i l lb es e ti nah i g h - f r e q u e n c y , h i g h - - c a p a c i t y , h i g l l s p e e dm o b i l ec o n d i t i o n s m u l t i - c a r t i e rc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( m c c d m a ) c o m b i n e so 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 ) a n dc d m at e c h n i q u e s ，a n d b e n e f i t sf r o ms e v e r a la d v a n t a g e so fb o t hm u l t i - c a r t i e rm o d u l a t i o na n ds p r e a ds p e c t r u m s y s t e m sb yo f f e r i n g ，h i g hf l e x i b i l i t y , h i 曲f r e q u e n c ye f f i c i e n c y , r o b u s tt of r e q u e n c ys e l e c t i v e f a d i n g c o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n t so ft h ef o u r t hg e n e r a t i o n ( 4 g ) s y s t e m s ，m c - c d m a s y s t e m sa p p e a rt ob et h em o s ts u i t a b l e c h a n n e le s t i m a t i o ni so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e sf o r m c c d m as y s t e m s c o m p a r e dw i t ht h ed i f f e r e n t i a ld e m o d u l a t i o n ，c o h e r e n td e m o d u l a t i o n w i t ha c c u r a t ec h a n n e li n f o r m a t i o nc a l la c h i e v e3 - 4d bg a i ni ns i g n a l t o - n o i s er a t i o ( s n r ) t h e r e f o r e ，i nt h e4 gs y s t e m sw h i c hr e q u i r eh i g hd a t ar a t e ，h i g hq u a l i t ya n dh i g hm o b i l i t y , c h a n n e le s t i m a t i o ni sa ni n d i s p e n s a b l ep a r t f o rs i m p l i c i t ya n dn on e e de x t r ai n f o r m a t i o n a b o u tc h a n n e lc o r r e l a t i o na n dn o i s ev a r i a n c eb e f o r e h a n d ，t h el e a s ts q u a r e ( l s ) c h a n n e l e s t i m a t i o nw i t hp i l o t si sw i d e l yu s e di np r a c t i c a ls y s t e m s t h i st h e s i sf o c u s e so nt h et o p i c f i r s t l y , t h i sp a p e rg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt h eb a s i cp r i n c i p l eo fm c - c d m a s y s t e m sa n dt h es i g n a lt r a n s m i t t i n gm o d e l s e c o n d l y , b a s e do nt h ep a r t i c u l a ra n a l y s i so ft h e s i g n a lf a d i n gc a u s e db yw i r e l e s sc h a n n e l ，an o v e lc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o di sp r o p o s e df o r s l o w i n gf a d i n ga n df a s t i n gf a d i n gc h a n n e l ，r e s p e c t i v e l y a n d ，s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v e d e m o n s t r a t e dt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d sa r em o r ee f f e c t i v et h a nt h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d s f o rs l o wf a d i n gc h a n n e l ，an o v e ll sc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mw a sp r o p o s e df o r m c - c d m as y s t e m s i nw h i c ht h ec h a r a c t e rp i l o t sw i t l lc o n s t a n te n v e l o pw e r ei n s e r t e di n t h et i m ed o m a i n 1 1 1 ec o m p l e xe x p o n e n t i a ls y m b o l sw e r ea d o p t e da sc h a r a c t e rp i l o t st o d i r e c t l ye s t i m a t et h ef r e q u e n c y - d o m a i nc h a n n e lp a r a m e t e r sa n da v o i d e di n f l u e n c i n gt h e p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) o fs y s t e m sc a u s e db yt h ei n s e r t e dp i l o t s f o rt h e c o n v e n t i o n a ll se s t i m a t o ra l w a y si n s e r t sp i l o t si n t od a t af r a m ep e r i o d i c a l l yi nf r e q u e n c y d o m a i n ，d u ot ot h ei n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( i f f t ) b l o c ka tt h et r a n s m i t t e rs i d e ，p a p r o fs y s t e m si sv e r yh i g l l m o r e o v e r , t h et i m ed i v e r s i t yc a nb ea c h i e v e db yt h ed o w n - s a m p l i n g o ft h ep i l o t sw i t h o u ti n c r e a s i n gt h ep i l o t s ，a n di n t r a s y m b o lt i m ea v e r a g i n g ，w h i c ht a k e s a d v a n t a g eo fc h a n n e la t t r i b u t e s t h ee s t i m a t i o na c c u r a c yc a nb es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d an o v e lc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o di sp r o p o s e df o rm c c d m a s y s t e m s i nw h i c hab a s i s e x p a n s i o nm o d e l ( b e m ) i su s e dt oa p p r o x i m a t et h ed o u b l ys e l e c t i v ef a s tf a d i n gc h a n n e l t h ep i l o t sa r eg r o u p e da n de q u i s p a c e d l yi n s e r t e di n t ot h ed a t as i g n a l s a n de a c ho ft h ep i l o t s e q u e n c ei sc o n s t r a i n e db yo r t h o g o n a l i t y , s ot h a tt h ef a s tf a d i n gc h a n n e lc a nb ee s t i m a t e d e f f e c t i v e l y i ts o l v e st h ef a i l u r eo ft h et r a d i t i o n a lc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi nt h ef a s t f a d i n gc h a n n e l f u r t h e r m o r e ，t h em e t h o di se x t e n d e dt ot h em i m os y s t e m s ，w h i c he n s u r e s r e l i a b l et r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o ni nt h ed o u b l ys e l e c t i v ef a s tf a d i n gc h a n n e l k e y w o r d s ：m c c d m a ；m i m o ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；p a p r ；f a s tf a d i n g v i m c c d m a 系统的导频辅助信道估计研究 原创性声明 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。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丝廑日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 日期： 上海大学硕士学位论文m c - c d m a 系统的导频辅助信道估计研究 第一章绪论 1 1 无线通信发展的现状与前景 随着社会的进步，人们对于移动数据业务的需求越来越高，如何利用有限 的无线频谱资源提供能够满足人们物质文化需求的宽带移动数据业务，对无线 通信技术的发展提出了巨大的挑战，同时也提供了强大的推动作用。无线通信 技术的核心问题就是，充分利用宝贵的频谱资源，以及解决由于无线信道的多 径效应和时变特性所引起的信号传输质量问题。在过去的2 0 多年中，从第一代 移动通信( 1 g ) 到现在已经商用的第三代移动通信( 3 g ) ，无线通信技术已经 得到了迅猛发展和广泛应用【。目前3 g 系统的典型传输速率已经达到了 2 m b p s ，但3 g 系统在通信容量和质量等方面与人们的期望尚存在很大差距，存 在局限性。人们已经将目光越来越多的投向下一代移动通信系统的研究中，使 其可以容纳庞大的用户数、改善现有通信质量不良，以及达到更高数据传输 1 0 0 m b p s 的要求【2 捌。 作为3 g 系统的核心技术，c d m a 技术在系统容量、抗干扰、软切换等方 面具有诸多优势，但是c d m a 技术所存在的问题也是明显的，c d m a 系统的 码元周期大大缩短，因而在高速宽带数据传输时必然会引起系统的码间干扰， 这是由于高速数据码元周期远远小于信道的时延扩展，产生了严重的多径衰落。 实际上，当数据速率达到1 0 0 m b p s 时，系统性能的下降和同步的困难使得 c d m a 技术的应用变得很不可行，因此势必要寻找一种新的适合高速宽带无线 传输技术来加以改善。 o f d m 技术是一种高效的并行多载波传输技术，它将所传送的高速串行数 据分解并调制到多个并行的正交子信道中，从而使得每个子信道的码元宽度大 于信道时延扩展，通过加入循环扩展，有效保证了系统不受多径衰落引起的码 问干扰的影响。因此它能够非常有效地对抗多径衰落，同时使受到干扰的信号 能够可靠地接收，非常适合在宽带无线通信系统中应用。 可见，以o f d m 技术融合c d m a 技术构成多载波c d m a 系统能够充分利 上海大学硕上学位论文m c c d m a 系统的导频辅助信道估计研究 用两种技术的优势，综合o f d m 与c d m a 技术优点的多载波c d m a 系统具有 庞大的用户容量、高频谱效率、抗干扰能力强、适合高速数据传输等优点，其 必将是未来无线通信的重要发展方向之一，已成为各国学者研究的热点【4 ，5 1 。 1 2m c c d m a 的研究现状 目前，多载波c d m a 主要有三种方案，按扩频实现的位置不同可分为，时 域扩频和频域扩频，其中时域扩频有两种形式：多伦多大学的v d a s i l v a 和 e s s o u s a 提出的多载波d s c d m a ( m c d s c d m a ) 【6 】和比利时的 l v a n d e n d o r p e 提出的多音调制c d m a ( m t - c d m a )【7 】：频域扩频的 m c c d m a 5 】是由美国的l i n n a r t z 、y e e 、f e t t w e i s 和德国的f a z e l 、p a p k e 各自独 立提出的。三种方案中，m c c d m a 的每个数据符号的扩频是在频域内完成的， 接收机在频域上能够充分聚集能量，从而能做出最佳判决，而时域扩频方式则 不能，并且在频域扩频，在频域内有一定的自由度，每个用户的处理增益可随 移动通信网络的要求进行及时修正，同时接收端的解扩合并技术和o f d m 的频 域均衡技术相结合，实现的复杂度低。因此m c c d m a 具有最佳的频谱分布， 抗干扰能力强，而且发射机的实现较简单的优点，并很好的保留了c d m a 和 o f d m 各自的特性，是三种方案中最优的，是未来无线宽带通信最有效的技术 专一【4 】oo m c c d m a 作为一种新出现的热点技术，虽然在各个方面都表现出来了其优良 的宽带无线通信特性，但像任何新技术一样，在实际应用中还有许多技术难点， 也就是它的许多关键技术问题，需要更深入的详细研究，包括峰均功率比、同步 技术、信道估计、干扰消除、检测技术、自适应分配资源、发送分集、信道编码、 功率控制等一系列问题都有待进一步研究。m c - c d m a 系统中采用的是相关检测， 必须对信道畸变作准确估计，才可能采用那些可克服信道影响的技术来恢复原始 数据。因此，信道估计是m c - c d m a 系统中最重要的技术之一。目前国内外不少专家 学者提出了相应的信道估计算法，其中基于导频信道估计技术通过导频子信道的 响应得到整个信道的响应，能够很好地跟踪信道的变化，在复杂度不是很高的情 况下达到很好的误差性能，是一种比较适合实际应用的信道估计方法陋，钔。 2 上海大学硕士学位论文m c - c d m a 系统的导频辅助信道估计研究 1 3 论文的主要研究内容 基于导频的信道估计技术大致可以分为最小二乘( l s ) 、最小均方误差 ( m m s e ) 、最大似然( m l ) 以及基于期望值最大化( e m ) 的迭代方法。其中 基于导频的l s 信道估计方法算法复杂度低，不需要预先已知信道的相关信息 和噪声方差，非常适合于实际应用，也是目前许多系统实际使用的方法。因此， 本文主要针对l s 估计方法进行了研究。 通常多径衰落信道基于多径时延扩展可分为平坦衰落信道和频率选择性衰 落信号，基于多普勒扩展则可分为快衰落信道和慢衰落信道。o f d m 技术可以 把频率选择性信道转化成多个平坦衰落的子信道，本文通过对于多径信道的深 入研究，针对慢衰落信号以及快衰落信道分别提出了一种新的低复杂度的有效 估计算法。由于l s 估计精度受噪声的影响很大，本文进一步通过对导频信号 以及插入格式的设计，消除了原本所需的矩阵求逆运算，并使得平均降噪处理 可以应用，有效降低了噪声对于估计精度的影响。 1 4 论文的章节安排 本文共分为六章，各章内容安排如下： 第一章简要介绍了无线通信系统的现状与前景，并通过对c d m a 技术、 o f d m 技术、多载波c d m a 技术以及信号估计技术的简单分析提出了本文所 要研究的课题。 第二章介绍多载波c d m a 技术，重点介绍m c c d m a 的基本原理，系统 结构和性能特点。 第三章分析了移动无线信道的传播特性，包括多径时延扩展以及多普勒扩 展，主要研究了多径衰落信道对接收信号的影响。 第四章给出了m c c d m a 系统的等效基带模型，在介绍传统的频域l s 估 计算法和时域l s 估计算法的基础上，针对m c c d m a 系统下行链路中慢衰落 信道，提出了一种在时域中插入恒模导频信号的l s 信道估计算法。该算法利 用复指数信号作为导频，直接在时域估计出信道的频域参数，消除了导频信号 上海人学硕士学位论文 m c c d m a 系统的导频辅助信道估计研究 对系统p a p r 的影响。通过对导频信号的下采样处理，在不增加导频数量的同 时提供了时域分集能力。仿真结果表明本算法在明显降低运算复杂度的同时有 效提高了估计精度。 第五章针对m c c d m a 下行链路中快衰落信道，提出了一种利用b e m 模 型对移动无线信道建模，从而实现对快衰落时频双选择信道的有效估计。首先 讨论s i s o m c c d m a 系统中的估计算法，给出了导频插入方式以及导频信号 的优化设计，然后将该算法进一步推广到m i m o m c c d m a 系统中，给出了多 天线传输情况下的导频插入方式以及导频信号的优化设计。仿真证明本文所提 的估计算法能够有效保证用户数据信号在快衰落信道下的可靠传输。 第六章对全文的主要研究内容进行总结，并对将来的深入研究工作进行展 望。 4 上海大学硕士学位论文 m c c d m a 系统的导频辅助信道估计研究 第二章m c c d m a 系统基本原理 2 1o f d m 与c d m a 技术的结合 随着无线移动通信的发展，用户数目迅速增加，移动通信业务量的增长和 有限的频谱资源的矛盾日益突出。作为第三代移动通信系统核心技术，c d m a 技术具有强大的多址接入能力，可很好的解决频带共享的问题，提高频带利用 率。然而对于下一代无线通信系统要求的高速宽带数据传输，串行传输的c d m a 信号将会引入严重的多径衰落，大量的码间干扰( i s i ) 和多址干扰( m a i ) 使 得c d m a 技术的应用变得很不可行。o f d m 技术是一种高效的并行多载波传 输技术，其可将频率选择性衰落信道转换为多个独立并行平坦衰落子信道，能 够非常有效地对抗多径衰落，o f d m 作为下一代宽带无线通信系统中的关键技 术己得到了广泛认同。 通过将o f d m 技术与c d m a 技术相结合，能够充分利用两种技术的优势， 必将成为下一代宽带无线通信系统的主导技术之一。 2 1 1c d m a 技术的特点 c d m a 1 0 技术，是将不同用户用不同的伪随机码扩频，再调制到相同频带 上传输，在接收端利用伪随机码的j 下交特性将不同用户解调分离。所以c d m a 既是一种多址方式，又是一种扩频技术。如果我们将f d m a 比喻成几个人在不 同的音频通话，将t d m a 比喻成几个人在不同的时间段通话，那么c d m a 则 可以认为是几个人在用几种不同的语言( 如汉语、英语、法语等) 通话。它们 的结果都实现了多人同时的无干扰通话。 扩频技术始于5 0 年代的军事部门，但真正的引起重视是在7 0 年代。1 9 7 7 年库帕和纳特尔顿提出利用扩频技术实现c d m a ，使得蜂窝系统的频谱利用率 提高了2 5 倍，这一成果的发表立即引起了极大轰动。但限于当时的无线技术 5 上海大学硕上学位论文m c - c d m a 系统的导频辅助信道估计研究 和陆地移动通信市场需求均未成熟，所以没有进入实用。8 0 年代，随着数字技 术发展以及v i t e r b i 的推动，美国i s 9 5 问世，c d m a 技术开始进入实用化阶段， c d m a 技术由此成为了无线通信领域最为热门的课题。 c d m a 通信系统具有以下特点： 1 用多个伪随机序列分别作为不同用户的地址码，不同用户共用一个频段 来实现码分多址通信。同f d m a 、t d m a 相比，c d m a 除具有很强的 抗干扰能力外，还具有频率规划简单、频谱效率高、软切换、宏分集、 软容量等优势。 2 具有抗单频干扰、窄带干扰和多径干扰的能力。 3 信号的频谱被扩展到很宽的频带内，如图2 1 所示，使得正常的监测手 段无法进行，因此具有很好的隐蔽性。 4 信号受特定的伪随机序列控制，接收者如不能按此伪随机序列的规律进 行解扩，则不能恢复信号中传输的信息，因而扩频信号具有保密性。 正是由于这些优点，扩频通信系统多年来一直受到人们的重视。c d m a 技 术也由此成为了第三代移动通信系统的主流技术。 ：厂_ _ _ 焉l 础础幽k j ( b ) b p s k 信号频谱 i j 。一一 k 。j 图2 1 ( a ) b p s k 信号经直接序列扩频后频谱( b ) 原b p s k 信号频谱 6 上海大学硕士学位论文 m c c d m a 系统的导频辅助信道估计研究 在c d m a 系统中，一个关键的参数是处理增益( p r o c e s sg a i n ) ，它的大小 说明了扩频系统的对信号信噪比的改善程度，处理增益g ，定义如下： g p = 忍 ( 2 1 ) 其中为扩频码带宽，忍为数据信号带宽。 在实现中扩频码是由一个伪随机( p n ) 发生器产生的，它的数据速率是源 信息的g p 倍。图2 2 、2 3 显示了一个直接序列的c d m a 发射机的原理框图以 及符号图。 图2 2c d m a 发射机原理框图 ( a ) 原信号序列 t ) 发射信号 图2 3 ( a ) 原信号序列( b ) 伪随机序列( c ) 扩频后信号 7 上海大学硕士学位论文 m c d m a 系统的导频辅助信道估计研究 c d m a 技术作为一种扩频技术，将信息扩展到比基带信号宽得多的频谱上 传输，码元的周期大大缩短。这样在高速率数据传输时，必然会受到码间干扰 的影响。虽然可以使用r a k e 接收技术来解决多径效应等问题，但面对m b p s 级宽带无线通信系统，r a k e 接收技术仍无法使c d m a 性能得到大幅度的提高。 因此将c d m a 技术和能够有效抗多径影响的o f d m 技术相结合便成了一项很 值得研究的课题。 2 1 2o f d m 技术的特点 在通信系统的发展过程中，并行传输和串行传输一直是两种重要的传输方 式，但早期的技术条件限制了并行传输的实际应用，串行传输体制一直占据着 主导地位。随着市场对新的通信业务和高速率数据传输的需求，串行传输很难 再适应这一情况的变化。而并行传输将高的数据速率分配到许多子载波上，从 而在每个子载波的数据速率不是很高的情况下实现了高速率的传输。而且由于 子载波的数据速率较低，从而可以增强了它抵御信道间干扰或衰落的能力。于 是人们开始重视对并行传输的研究和应用。如欧洲的数字广播( d a b ) 以及美 国的非对称数字用户线( a d s l ) 就相继采用了并行传输体制，这标志着并行传 输开始应用到实际通信系统中来【l i 】。 对于并行传输理论的研究可以上溯到6 0 年代，当时h a m m t h 首先提出利用 时域正交函数传递信息的方法，这就是今天我们说的o f d m 系统原型。从并行 传输系统的原理可以看出，由于它需要基带成型滤波器阵列、正弦波载波发生 器阵列以及相干解调阵列，如果采用传统的模拟电路方法实现，则是相当复杂、 昂贵的。于是人们便开始研究并行传输的数字实现方法。在1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 1 2 】成功地将d f 聊f t 技术应用于o f d m 系统。后来，p e l e d 和r u i z 1 3 】 推广了w e i n s t e i n 方法，并提出使用循环前缀( c p ) 技术来消除符号块间的干 扰，从而大大简化了接收机的复杂度，使之进一步实用化。但限于当时的器件 水平，无法实现大规模的f f t 运算，但进入8 0 年代以后，由于微电子工业的 快速发展，高速集成电路的出现为o f d m 系统进入商用化提供了必要的前提。 o f d m 是将高速串行数据分成几十至上千路并行数据，分别在不同的载波 上海大学硕士学位论文m c c d m a 系统的导频辅助信道估计研究 进行调制，这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，从而提高了抗多径 衰落的能力。在实现中，各子载波的产生和接收都由i f f t 和f f t 的数字信号 处理算法完成，故极大简化了系统结构，同时为了提高频谱利用率，各载波上 的频谱是互相重叠的，但这些载波在整个符号周期内呈正交性，这样在接收端 就可以保证无失真地复原。图2 4 给出了发送信号为矩形脉冲时o f d m 系统子 载波频谱分布示意图。 图2 4o f d m 子载波频谱分布 上述特点使o f d m 技术应用于下一代宽带无线传输系统，得到了广泛的认 同 1 1 , 1 4 。 2 2 多载波c d m a 技术 将o f d m 技术应用于c d m a 系统，就构成了多载波c d m a 系统。多载波 c d m a 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 信号的符号宽度 9 上海大学硕上学位论文m c c d m a 系统的导频辅助信道估计研究 大于最大的多径延迟扩展，平坦衰落信道容易均衡，因此o f d m 和c d m a 的 优点结合而成的多载波c d m a 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。 2 2 1多载波c d m a 技术的各种方案 将o f d m 技术应用于c d m a 系统主要有三种方案，按扩频实现的不同位 置又可分为两类：频域扩频和时域扩频【4 1 。频域扩频通常称为m c c d m a 。时 域扩频有两种不同的构成方法：m c d s c d m a 和m t - c d m a 。m c c d m a 系 统采用o f d m 调制技术和码分多址技术结合，使用地址码将信号调制到频域， 形成正交多载波扩频信号。m c d s c d m a 也结合了o f d m 调制技术与c d m a 技术，但地址码将信源符号在时间上进行扩展，最后形成的是正交多载波时间 扩展信号。m t - c d m a 采用非正交多载波调制，在每一个子载波上进行直接序 列扩频，最后形成时间频域扩展信号。 1 m u l t i c a r d e rc d m a ( m c c d m a ) m c c d m a 是由美国的l i n n a r t z 、y e e 、f e t t w e i s 和德国的f a z e l 、p a p k e 各 自独立提出的，最早提出的一种多载波c d m a 方案。在此方案中，用户的每个 信息符号先经过扩频，再将扩频序列的不同码片( c h i p ) 调制到o f d m 的不同 子载波上，因此如果扩频码长度为，则调制到个子载波上，且这个 子载波传输的是相同的信息数据。图2 5 是m c c d m a 发送系统原理框图。 d 仕 f 】表示第k 个用户的输入数据序列中的一个调制符号， c 似= lc 似 o 】，c 1 】，c 似) 一1 j 是第k 个用户的扩频码， o a f ，1 a f , - - ( 一1 ) v 是一组正交的子载波集，其频谱相互重叠。可见? 该 方案是在频域实现扩频。 l o 上海人学硕士学位论文m c c d m a 系统的导频辅助信道估计研究 爹 c 【l 】c 0 8 ( 2 互1 够) t 爹 - c 忙【- 1 】c o s ( 2 | ；( 一1 ) 鲈) 叫咱- 图2 5m c c d m a 发送原理框图 2 m u l t i - c a r r i e rd s c d m a ( m c d s c d m a ) 在此方案中，先按照子载波数目以对各个用户的信息进行串并转换，由于 扩频后的信号带宽限制在一个子带，并行的每路信号用相同的短扩频码进行扩 频，并调制到各个子载波上。相邻的子带之间有1 2 的重叠。各个子载波间隔 按照扩频后的最小码元周期进行确定，因此各个子载波之间保持了正交特性。 可见，这种方案中，c d m a 的扩频过程是在时域内完成的。在这种系统中，如 果子载波数为1 ，就是一般的d s c d m a 系统。 卫梦一 皇c m ( f ) c 。8 ( 2 互1 鲈) 并 变 换 c 仕( f ) c o s ( 2 万( k - o a f t ， 图2 6m c d s c d m a 发送原理框图 3 m u l t i t o n ec d m a ( m t - c d m a ) 在此方案中，先按照子载波数目n c 对各个用户的信息进行串并转换，并调 制到各个子载波上，以形成o f d m 信号。此时子载波之间有1 2 的重叠，且满 足正交性。其中o f d m 的符号周期为z 。然后再经过长度为g 胛的扩频码扩频， 上海人学硕十学位论文m c c d m a 系统的导频辅助信道估计研究 则扩频后每个子载波的带宽扩展为( 心互) ，而相邻子载波的间隔仍然保持 原来的l ( c 互) ，因此子载波之间有更多的重叠。此时，子载波之间也不再保 持正交。m t - c d m a 一般采用较长的扩频码，可以容纳的用户数多于 m c d s c d m a 。这种方案中，c d m a 的扩频过程也是在时域内完成的。 卫一 c o s ( z 万l 鲈) 寓 并 上一沪 变 换 c o s ( 2 万( 一1 ) 够) 坐- 加 图2 7m t - c d m a 发送原理框图 文酬4 1 中下表对三种方案进行了比较，同时还列出了d s c d m a 和o f d m 作为参考。 表2 1 几种传输方案的比较 子载波 子载波处理增扩频码码片 传输方式符号周子载波间隔所占带宽 数目 盈 周期 期 d s c d m a 正 l g d s 互g o s g o s z n c =z m c c d m a 互 互 1 z ( g 基+ 1 ) 霉 g 谨c m c d s = ( c + 1 ) c c 互n c n c t g 。sg 基( c z ) c d m a g d sg d s | t = ( c - 1 ) ( c 巧) m t c d m a c 互n c互l ( c z ) n c g 口s+ 2 z ( c + 1 ) o f d m 虬互n c 1 ( n c t ，) ( c 正) 1 2 上海大学硕士学位论文m c c d m a 系统的导频辅助信道估计研究 通过比较可得： 1 ) 三种方案最显著的区别在于c d m a 技术的实现位置。在m c c d m a 方 案中，c d m a 在频域完成，o f d m 在时域完成，o f d m 与c d m a 各自的特性 得以保留，仍然具有o f d m 的抗码间串扰性能；在m c d s c d m a 和m t - c d m a 两种方案中，c d m a 在时域完成，最终信号相当于调制在各个子载波上的多个 c d m a 信号的叠加，不再具有o f d m 的抗码间串扰性能。 2 ) m t - c d m a 方案中，各个子信道重叠严重，子信道之间失去正交性，这 对于o f d m 接收系统同步的偏差，包括载波频偏、抽样时钟偏差、码元同步偏 差等造成很大影响，不利于解调。 3 ) 在m c c d m a 方案中，用户的同一比特信息被分配到所有子信道中； 而在m c d s c d m a 和m t - c d m a 两种方案中，不同子信道传输的是用户的不 同信息。因此，在频率选择性衰落信道中，如果某一子信道衰落严重，误码率 增大，而对于m c c d m a ，只是相当于扩频码的某一码元受损。而且由于扩频 码很长，扩频码之间间距很大，对于传输误码率影响不大；但对于m c d s c d m a 方案，用户的某些信息受损，误码率会受到较大影响；对于m t - c d m a 误码率 恶化更加明显。分析表明，在用户数较大时，m c c d m a 性能明显优于 m c d s c d m a ，更加优于m t - c d m a 。 综上可知，m c c d m a 具有概念清楚、结构简单、性能优越等优点，好于 其余两种方案，因此它得到了最广泛的研究。因此，在本论文中重点研究 m c c d m a 系统。 2 2 2m c c d m a 的系统结构 m c c d m a 系统结构框图如图2 8 所示 上海大学硕士学位论文m c c d m a 系统的导频辅助信道估计研究 图2 8m c - c d m a 系统结构框图 发送端包括信号映射、扩频、交织及o f d m 调制( i f f t ) 。每个信息比特 采用q p s k 调制，扩频码采用w a l s h h a d a m a r d 码。输入数据经过扩频，串并转 换，插入导频符号后，通过点i f f t 模块输出把长为的数据s 从频域转换 为时域信号s ，其表示如下【1 5 , 1 6 】 n - i s ( ，z ) = 胛丁( s ( 七) ) = s ( k ) e 伽驯，z = o ，l ，一1 ( 2 2 ) k = 0 信号通过i f f t 模块之后便插入c p ，这样既保持了子载波间的正交性，又 可消除由于多径扩展引起的i s i 。 在接收端，假设接收机准确同步，并且c p 的长度大于信道冲击响应的长 度，则经去c p 后的接收信号r 可表示为 r = 风+ w ( 2 3 ) 式中h 为信道传输矩阵，设信道冲击响应为h ( n ，) ，( ，= o ，l ，l - 1 ) ，l 为 信道最大延迟扩展，即信道长度，则信道矩阵厄每个元素可表示为【1 7 】 ih ( u 一1 ，u v ) ， u ，& u 一1 ， l h ( u ，) = ( “一1 ，“+ n y ) ，“ v & 蹦- i - n 一1 ， 二 ( 2 4 ) l 0 ，其它 接收信号经o f d m 解调，即点f f t 变换得 f r = f t i s + f w( 2 5 ) 式中f 为d f t 矩阵f ( u ，v ) = 1 4 - 而e 一- ，( 2 r n x 纠x ”n 。 1 4 上海大学硕上学位论文m c c d m a 系统的导频辅助信道估计研究 式( 2 5 ) 也可表示为 f r = f f i f f s + f w ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 可进一步简化表示为 r = g s + w( 2 7 ) 式中r = f r 为时域接收信号向量r 经f f t 变换后的频域接收信号向量， s = f s 为频域发送信号向量，w = f w 为频域噪声信号向量。g = f h f 表示发 射与接收链路间的系统矩阵，其中 g ( “，v ) 2 j 号丢丢 ( 以，7 ) e 一，2 石7 x “一加p 7 2 ”7 x ”一7 x ”一n ( 2 8 ) 2 专萎i * - - i 丢。- - i h ( n , 1 ) p 。伫州似州”。“。1 ” 则式( 2 7 ) 中的每一个接收信号可表示为 r ( “) = g ( u ，“) s ( “) + g ( u ，v ) s ( v ) + 形( “) ( 2 9 ) 式中g ( u ，1 ，) s ( y ) 表示由于信道的时变性，即多普勒频移所引起的i c i 。 在f f t 模块之后是信道估计模块，对抽取出来的导频信号按照一定的算法 估计得到信道冲激响应j i ；( 以，) 后，通过各种均衡方法就可得到传输数据。数据 通过解扩模块就可恢复原始数据。 在m c c d m a 设计系统时，在系统总数据率一定的情况下，比较高的子载 波数可以使符号周期较大，对多径的抵抗力增大，同时更长的扩频码序列可以 获得更好的分集增益。但这也将导致f f t 和h a d a m a r d 变换的规模变大，同时 增大了多普勒频移对系统性能