（通信与信息系统专业论文）多载波cdma关键技术的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 多载波码分多t l k ( m c c d m a ) 技术是o f d m 与c d m a 技术结合方案中的 一种。它继承了o f d m 和c d m a 技术的优良特性，在高速率多媒体数据传 输方面有独特的优势，被认为是未来4 g 通信的核心技术。本文通过对 m c c d m a 系统与o f d m 系统的误码率性能的比较来说明m c c d m a 在无 线通信中的优良特性，并且在此基础之上，研究了m c c d m a 基于梳状导频 的信道估计问题。 本文首先介绍了o f d m 的基本原理和多载波c d m a 的三种技术方案。 提出m c c d m a 作为本文的研究对象，以m c c d m a 技术作为 o f d m c d m a 实际应用的参考。 然后在给出了o f d m 系统和m c c d m a 系统的m a t l a b 可视化仿真框 图基础上，通过s i m u l i n k 仿真给出m c c d m a 与o f d m 两种系统在抗高 斯自噪声和抗多径干扰方面的误码率比较曲线，得出m c c d m a 系统在无线 数据传输方面较o f d m 系统具有更优良的特性，并做了具体的性能分析。 最后，研究m c c d m a 下行链路中的基于梳状导频信号的信道估计问 题。信道估计分为对导频位置处信道传递函数的估计和对该初步估计的插值。 本文对利用f f t 的快速插值算法进行改进，通过与其他方法的仿真比较，得 如本文的改进算法具有更好的估计性能。 关键词；多载波c d m a ；正交频分复用( o f d m ) ：信道估计；导频：插值 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t m c - c d m ai sa l li n t e g r a t e d t e c h n o l o g yo fo f d ma n dc d m a t h i s t e c h n o l o g yi s c o n s i d e r e da st h ec o r et e c h n o l o g yo ft h ef u t u r e4 gw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，b e c a u s ei tk e p tt h ea d v a n t a g e so fo f d ma n dc d m a ，a n dc a n b eu s e df o rm u l t i m e d i ad a t at r a n s m i s s i o n s ot h es u p e r i o rc h a r a c t e r i s t i c so f m c c d m ai nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r ed e m o n s t r a t e db yc o m p a r i n gt h eb e r p e r f o r m a n c eo fo f d ms y s t e ma n dm c c d m as y s t e m b a s e d o i lt h e s e s i m u l a t i o n s ，t h et h e s i ss t u d i e st h ec h a n n e le s t i m a t i o np r o b l e mw i t hc o m bp i l o t f i r s t ，t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so fo f d mt e c h n o l o g ya n dt h r e es c h e m e so f o f d m c d m aa r ei n t r o d u c e d ，t h e nm c c d m ai sp r o p o s e dt ob et h eo b j e c to f t h e s t u d y m c c d m ac a nb e t h er e f e r e n c ef o rt h e p r a c t i c a lu s a g e o f 0 f d m c d m a t h e n ，b a s e do no f d ma n dm c c d m as y s t e mm o d e l sw h i c ha r es i m u l a t e d w i t hm a t l a b ，t h es i m u l a t i o nc h a r t so ft h eb e rp e r f o r m a n c e sc o m p a r i n g b e t w e e no f d ma n dm c - c d m as y s t e mf r o mc o m b a t i n gt h ew h i t eg a u s s i a n n o i s ea n dm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ea r eg i v e n f r o ma n a l y s e so ft h ec h a r t s ， m c - c d m as y s t e mi sc o n c l u d e dt ob es u p e r i o rt oo f d mi nt h ew i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o n ， l a s ti si n v e s t i g a t i o no nt h ep r o b l e mo fp i l o t a s s i s t e dc h a n n e le s t i m a t i o n w i t hc o m bp i l o ti nd o w n l i n km c - c d m a c h a n n e le s t i m a t i o ni sd i v i d e di n t ol s e s t i m a t i o na tp i l o tt o n e sa n dt h ei n t e r p o l a t i o no ft h ep r e l i m i n a r ye s t i m a t e t h e t h e s i si m p r o v e st h ea l g o r i t h mb a s e do nf f t ，t h e nt h r o u g ht h es i m u l a t i o no f d i f f e r e n ti n t e r p o l a t i o nm e t h o d si tp r o v e st h ei m p r o v e da l g o r i t h mi sb e t t e r k e y w o r d s ：m u l t i c a r r i e rc d m a ； ( o f d m ) ；c h a n n e le s t i m a t e ；p i l o t 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 t e r p o l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ：叁沾 日期：2 d 口s 年1 月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 移动通信的发展 第1 章绪论 随着2 1 世纪的到来，全球进入信息时代，信息的产生和传递非常迅速， 已影n 向了社会的各个方面。经济增长、社会发展和人们物质生活及精神生活 水平的提高对通信提出了更高更新的要求。2 1 世纪的无线移动通信i ij 要求能 够传输语音、图像以及数据等宽带多媒体业务，可以提供2 m b i t s 范围内的 各种不同速率业务的传输。而在当前的第二代移动通信系统中主要业务是语 音通信，每个用户的传输速率大概只有1 0 k b i t s ，这已不能满足移动通信业 务发展的要求。 1 9 8 5 年国际电信联盟( i t u ) 提出第三代移动通信系统的概念第三代移动 通信系统除了解决2 g 存在的问题以外，还要满足人们对数据传输能力不断 增长的要求【“。3 g 的主要挑战是选择一个合适的多址技术来满足第三代移动 通信的需要。目前被国际电联接受的有美国的c d m a 2 0 0 0 ，欧洲的w c d m a ， 和中国的t d 。s c d m a 这三个标准。 c d m a 2 0 0 0 是由窄带c d m a 技术发展而来的宽带技术，由美国主推， 他们的理想过渡模式为：i s 9 5 ( 2 g ) - - c d m a 2 0 0 0i x - - c d m a 2 0 0 03 x ( 3 g ) 。 基于g s m 网发展出来的w c d m a ，是欧洲爱立信和n o k i a 提出的宽带 c d m a 技术。他们理想的走向3 g 的道路为：g s m ( 2 g ) - - g p r s ( 2 5 g ) - - e d g e w c d m a ( 3 g ) a t d s c d m a 是中国大唐公司提出的宽带c d m a 技术，是一种时分的同 步c d m a 技术。 目前i t u 承认的c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 和t d - s c d m a 这三大分支，取 消哪个也不可能，然而，统一的呼声在业界仍然留存，希望在未来能够统一。 看来只有通过第四代移动通信标准的制定来解决兼容问题，目前相互兼容的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第四代移动通信标准正在业界萌动。 第四代移动通信不仅要满足用户数的增加，更重要的是，必须要满足多 媒体的传输需求，当然还包括通信品质的要求。4 g 的一个主要目标是提供移 动用户超宽带的多媒体服务，使其能充分利用基于移动网的下一代因特网技 术。总的来说，必须可以容纳庞大的用户数，改善现有通信品质以及达到高 速数据传输的要求。 1 2m c c d m a 技术产生的背景 宽带无线通信是现代通信技术发展的一个热点，可实现通信网络的“无 缝”链接，让人们的通信联系不再受时间和地点的约束。无线通信从早期的模 拟蜂窝网、当代的数字蜂窝网逐步过渡到未来的3 g 和4 g 系统，为人们提供 高速可靠的无线接入，宽带通信已经成为无线通信技术发展的必然趋势。 若从技术层面来看，移动通信技术的研究正从第三代向第四代发展，其 关键技术之一是能支持更高数据速率的宽带无线接入技术。第三代移动通信 系统主要是以c d m a 为核心技术。码分多址( c d m a ) 技术具有容量大、抗干 扰能力强、频率规划简单等优点。然而，传统的c d m a 系统属于窄带扩频系 统，它的数据速率比较低，不能胜任高速数据通信的需要，限制了其应用。 正交频分复用( o f d m ) 1 3 技术因其网络结构高度可扩展，且具有良好的抗 噪声性能和抗多径信道干扰的能力以及频谱利用率高的特点，而被普遍认为 是第四代移动通信系统必不可少的技术。o f d m 是可以直接利用i d f t 实现 的一种多载波调制并行传输技术。它将所传送的数据分配到多个并行的子通 道上，使每个子通道的码元宽度大于多径时延扩展，并且在每两个o f t ) m 信 号之间插入一定宽度的保护间隔，这样可以基本抑制多径效应带来的码间串 扰( i s i ) 。多载波传输的另一个优势是可以把频率选择性衰落引发的突发错误 分散到不相关的子通道上，使其变成随机性错误。这样可以利用一般的前向 纠错编码有效地恢复所传送的信息。 因此随着o f d m 和c d m a 技术向高速率发展，人们提出了把o f d m 与 c d m a 结合起来的方案。1 9 9 3 年，n y e e ，j p l i n n a r t z 等人把o f d m 思 哈尔滨工程大学硕士学位论文 想引入到c d m a 应用中，试图同时利用两者的优点，提出多载波c d m a 的 概念，开创了c d m a 应用新纪元l ”。采用多载波c d m a 的好处就是可以把 高速数据流分成多路低速数据流，分别调制到不同的子载波上，获得频率分 集，提高了抗多径干扰的能力，与d s c d m a 相比可以提供更高的数据速率。 目前，多载波c d m a 系统可分为三大类；多载波c d m a 、多载波直接序列 c d m a 以及多音c d m a l 5j 。本文主要研究多载波c d m a 。 1 3 论文主要研究内容和章节概述 本论文的研究工作主要围绕m c c d m a 系统，分为两部分进行研究。第 一部分，通过与o f d m 的比较，得出m c c d m a 具备更优良的无线信道传 输性能；第二部分，在此基础上，研究m c c d m a 的信道估计技术。 论文共分为六章，第1 章简要介绍了移动通信的发展、m c c d m a 技术 的产生以及本论文的主要研究内容和章节概述。 第2 章首先简要地介绍了o f d m 技术的基本原理和三种多载波c d m a 的系统方案。主要讨论了本文的研究对象m c c d m a ，其原理和发送接收框 图等性能。 第3 章介绍移动通信的信道特征，据此给出多径衰落的信道模型，以及 多径模型的仿真实现方法。 第4 章在前文理论基础之上，给出o f d m 和m c c d m a 系统的m a t l a b 仿真模型。系统地介绍了各个部分的实现流程，并且分别给出两种系统的仿 真性能。最后，对两种系统进行比较，根据对仿真性能数据曲线的分析，得 出m c c d m a 系统在抗高斯白噪声和抗多径干扰两方面都比o f d m 系统有 更好的特性。 第5 章主要研究m c c d m a 系统的信道估计算法，对不同插值方法进行 详细的讨论，并对基于快速傅立叶的算法进行改进，给出各种插值算法的仿 真性能曲线，得出本文算法具有更好的估计性能。 最后对全文工作进行总结，并指出了今后的研究方向 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章多载波c d m a 基本原理 m c 。c d m a 系统是将c d m a 和o f d m 技术的优点结合在一起的多址方 案，因其结合了o f d m 技术良好的抗窄带干扰、抗码间干扰的能力和c d m a 技术优越的多址接入能力而具有光明的前景【6 】。因此本章首先介绍多载波传 输技术，即正交频分复用的基本原理，然后在此基础上讨论多载波c d m a 的概念。 2 1 多载波传输技术 2 1 1 多载波调制概述 在串行系统中，符号是逐次发送的，每一个数据符号的频谱允许占用所 有的可利用带宽。由通信理论可知，当总带宽为w 赫兹时，系统无码间干扰 的最高符号率即奈奎斯特速率为2 w 比特。这也就是说，在系统的调制方式 一定时，信号占用带宽与信息速率成正比。当调制速率很高时，信号的占用 带宽也将很高。 众所周知，任何现实物理信道都不是理想信道，都存在幅频畸变和相频 畸变。对无线信道( 尤其是地面移动通信信道) 来说最重要的特性就是多径传 播。多径时延导致传输信号的波形展宽，从时间域来看，这将导致码间干扰， 当多径时延与符号周期的比达到一定的程度时，码间干扰将十分严重地影响 到接收机的抽样判决，使误码率高到不可接受的程度。从频域来看，多径传 播将导致信道对不同的频率产生不同的衰减，在信道的幅频特性曲线上出现 零点和极点。设信道的最大多径时延差为r 。，则定义1 r 。为多径信道的相关 带宽，即相邻传输零点的频率间隔。当传输信号的占用带宽大于相关带宽时， 传输波形的频谱将受到严重畸变，这就是所谓的频率选择性衰落。码间干扰 和频率选择性衰落可以看作是同一问题在时域和频域的分别体现。 为实现高速传输，传统的串行体制必须使用均衡器来克服频率选择性衰 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 落，均衡器常用横向滤波器结构，当多径迟延很大时，横向滤波器也必须很 长抽头数很多。尤其是在时变信道中，横向滤波器的抽头增益必须能实时 地跟踪信道的变化，需要采用高效的自适应算法，这将带来复杂性的提高。 多载波调制的出现缓和了这些问题。人们将该技术应用到连接电话局和 普通电话用户的双绞铜线实现高速非对称业务传输方面取得了极大的成功。 将多载波技术应用到无线信道并与c d m a 技术相结合的研究则始于1 9 9 3 年。 多载波调制的基本原理是在频域内将信道划分为若干相互正交的子信道，每 个子信道均拥有自己的载波分别进行调制，信号通过各个子信道独立地进行 传输。这样，就把高速率的信息数据分割为若干路径的数据流，然后用一组 相应数量的载波( 载波间隔为，) 调制，把所有调制后的信号叠加即得发送信 号，在接收时，用同样数量的载波对发送信号进行相干接收，获得低速率的 信息数据后，再通过并串变换得到原来的高速率信息。如果信道被划分得足 够细，每个子信道的频率特性就可近似看作是平坦的，即每个子信道都可看 作无符号问干扰的理想信道。这样，在接收端不需要采用复杂的信道均衡技 术即可对接收信号可靠地进行解调。 多载波技术有多种提法，如多载波调制( m c m ) ，正交频分复用( o f d m ) 和离散多音调$ 1 ( d m t1 。这三种提法在一般情况下等同，只是在o f d m 中 各子载波保持相互正交，而在m c m 中这一条件并不总能成立。 子载波有三种设置方案【”，第一种就是传统的频分复用，将整个频带划 分成n 个不重叠的子信道，在接收端用滤波器组进行分离。第二种采用偏置 q a m 技术，在3 d b 处载波频谱重叠，其复合谱是平坦的，子带的正交性通 过交错同相或正交子带的数据得到( 即将数据偏移半个周期) 。第三种方案即 o f d m ，各子载波有1 2 的重叠，但保持正交，在接收端通过相关解调技术 分离出来，避免使用滤波器组，同时使频谱效率提高几乎一倍。 2 1 2o f d m 的基本原理 o f d m 的基本原理【8 l 是将待传输的高速信息数据经串并变换，分割为n 路低速系统，再分别调制到n 个相互壹交的载波上，然后叠加一起发送；接 收端用同样数量的载波进行相干接收变为低速数据，再经过并串变换为高速 哈尔滨工程大学硕士学位论文 原数据。因为每个子载波上的调制速率很低( 原高速数据率的l n ) ，调制符 号的持续间隔远大于信道的时间扩散，从而能够在具有较大失真和突发性脉 冲干扰的环境下对传输的数字信号提供有效的保护。o f d m 因加大了码元周 期而对多径时延扩散不敏感，若信号占用带宽大于信道的相干带宽，则多径 效应使信号的某些频率分量增强，某些频率分量减弱( 频率选择性衰落) 。 o f d m 的频域编码和交织技术在分散并行的数据之间建立了联系，这样由部 分衰落或干扰而遭到破坏的数据，可以通过频率分量增强部分的接收数据得 以修改即实现频率分集。 串行 + 数据 信道( 多径传播) 图2 1o f d m 系统框图 o f d m 系统的一个重要优点就是可以利用快速傅立叶变换实现调制和 解调，从而可以大大简化系统实现的复杂度。图2 1 给出了用i f f t 和f f t 完成调制解调功能的o f d m 系统原理图。一个o f d m 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。 考虑一个数据序列：d 。，d l ，以_ l ，其中的每个数据都是一个复数 d 。= a 。+ j b 。，它是数字调制器( q a m ，p s k ) 的输出，假如对序列进行离 散傅立叶反变换，则得到n 个复数的序列s 。： 瓯。艺以e x p ( j 2 万等 - 芝小。p ( ，2 z e f , t 。) ( 2 - 1 ) n ；0= 0 e i 引 一 一 御刮 中， 2 焉 ，f 一2 m r , ，t 表示原始序列的符号间隔，将公式中序列的实 部通过一个低通滤波器，并让信号之间的间隔等于正，这样就得到o f d m 信 号： y o ) = 耻 丢n - i 以e 冲( ，：万争r ) ) = 篓k 。c 。s ( 2 矾r ) + b s i n ( z 矾明( ：- 2 ) ( o f t ) 式中，o f d m 符号的长度是t ，子载波的间隔为1 t ，系统包括了n 个正交 的予载波，每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数倍个周期，而且 各个相邻子载波之间相差一个周期。这一特性可以用来解释子载波之间的正 交性，即： 胁( 2 矾r ) - c o s ( 2 矾r v r = ： ( 2 _ ，) 而且在一般的o f d m 系统中，为了使i d f t 和d f t 前后的信号功率保持 不变，做如下定义： 。f t o ) = 丽1 毛n - ! x o ) 唧( 一，萼 ，i n - 1 ) ( 2 _ 4 )d f t o ) 2 丽毛x m 9 l 一，箐j ( 2 _ 4 ) ，。f t 圳= 而1 盎n - i 州唧( j 等) ，嘶( n - 1 ) ( 2 - s ) 2 1 3o f d m 的保护间隔和循环前缀 o f d m 的主要优点是可以有效的对抗多径时延扩展。因为正交频分复用 通过把输入的数据流串并变换到n 个并行的子信道中，使得每个用于调制子 载波的数据符号的周期可以扩大为原始数据符号周期的n 倍，因此，时延扩 展与符号周期的比值也同样降低n 倍，则符号间的干扰也就变小了。当予载 波个数比较大时，o f d m 的符号周期t 相对于信遭的脉冲响应长度f 一很大， 则符号间干扰i s i ( i n t e r s y m b o li n f e r e n c e ) 的影响很小。为了最大限度的消除 i s i ，可以在每个o f d m 符号之间插入保护间隔 g ( g u a r di n t e r v a l ) ，而且该保 护间隔长度t 一般要大于无线信道的最大时延扩展，即： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t r 一 ( 2 - 6 ) 这样，一个o f d m 符号的多径分量就不会对下一个o f d m 符号造成干扰。 图2 2 给出o f d m 系统中加入保护间隔之后的发射机框图。 复数 据信 f 一 p s p 附 s 爿 【工： 图2 2 插入保护间隔之后的o f d m 系统发射机框图 由此会带来功率和信息速率的损失，其中功率损失可以定义为： v 。= 。- 。g 。( 等+ ， c z - ， 从上式可以看到，当保护间隔占到2 0 时，功率损失也不到l d b 。但是 带来的信息速率损失达2 0 。而在传统的单载波系统中，e h 于升余弦滤波也 会带来信息速率的损失，这个损失与滚降系数有关。但是插入保护间隔可以 消除i s i 和多径所造成的i c i 的影响，因此这个代价是值得的。 n巡二二， l 带有时延的第二子载波 h 八八 7 uu 卜保护间隔一* 一f f t 积分时间长度= 1 子载波间隔- 图2 3 由于多径的影响空闲保护间隔对子载波之间造成的干扰 在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 然而在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产生信道间干扰i c i ( i n t e r c h a n n e li n f e r e n c e ) ，即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波 之间产生干扰。这种效应如上图2 3 所示。 由于每个o f d m 符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也同时会出 现该o f d m 符号的时延信号，因此图2 3 中给出了第一子载波和第二子载波 的延时信号。从图中可以看到，由于在f f t 运算时间长度内，第一子载波与 带有时延的第二子载波之间的周期个数之差不再是整数，所以当接收机试图 对第一子载波进行解调时，第二子载波会对此造成干扰。同样，当接收机对 第二子载波进行解调时，也会存在来自第一子载波的干扰。 为了消除由于多径造成的i c i ，o f d m 符号需要在其保护间隔内添入循 环前缀信号。即将每个o f d m 符号的后l 时间中的样点复制到o f d m 符 号的前面，形成前缀。循环前缀可以保证在f f t 周期内，o f d m 符号在延时 副本内所包含的波形的周期个数也是整数。这样，时延小于保护间隔的时 延信号就不会在解调过程中产生i c i 。 添加循环前缀的过程如下图2 4 所示： 豳隧二二二二二二：重 圈2 4 加循环前缀的o f d m 符号 加了循环前缀后o f d m 符号的持续时间变为： t = t + t 循环前缀的离散长度，即样点个数满足： 孕降 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 传输的序列扛。) 变成了x 虬叱。，h ，一，x z ，x 虬，其包含循环前缀、功率归 一化的o f d m 的抽样序列表达式为： t 2 寿酗一2 驯“，v = - l g , , n - 1 ( 2 4 ) 经过信道而( f ，f ) 和加性高斯噪声作用后的接收信号为： r y o ) = x o r ) h t ，r p r + 弹o )( 2 1 0 ) ； 接收信号y o ) 经过模数变换后得到接收序列涉， ，v = 一l 一一，n 一1 ，为对一o ) 按1 y n 的抽样速率得到的数字抽样。l s l 只会对接收序列的前l g 个样点形成 干扰，因此将前上。个样点去掉，就可以完全消除i s i 的影响。 2 1 4o f d m 系统技术特性 正交频分复用技术作为一种支持高速数据传输技术，像所有其他技术一 样，它既有自己的优良特性，也有难以克服的缺点，其主要优点有： 抗多径干扰和抗衰落性强 本身可以有效的对抗i s i ，适合于多径环境川和衰落信道中的高速数据 传输。多载波调制是将要传的信息均匀分布于各个子载波，从而形成多个平 行的窄带子信道，因此当信道中因多径传输市出现频率选择性衰落时，这种 技术体现出很强的鲁棒i 生( r o b u s m e s s ) 。如果在信号频带中出现的深凹陷处的 子载波及其携带的信息受影响，而其它的子载波未受损害，那么系统总的 b e r 性能仍能维持一定水平。通过各子载波的联合编码，还可具有很强的抗 衰落能力。o f d m 技术本身己经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别 的严重，就没有必要再加时域均衡器。再通过将各个信道联合编码，则可以 使系统性能得到进一步提高。 抗脉冲干扰性强 o f d m 信号的解调是在一个很多的符号周期内积分，从而使脉冲干扰的 影响得以分散。c c i t t 提交的测试报告表明，能引起多载波系统发生错误脉 冲噪声的门限电平要比单载波系统约高“d b 。因此，o f d m 系统对脉冲干 1 0 哈尔滨上程大学硕士学位论文 扰的抵抗能力要比单载波系统大的多。 算法简单 o f d m 技术可以利用d f t 或者f f t 算法进行计算。 频谱利用率高 由于o f d m 技术的各个子载波之间是正交的，当子载波个数很大时，系 统的频带利用率趋于n y q u i s t 极限。这在无线频谱资源有限的环境中具有很 重要的性能。 信道比特动态分布技术 采用动态比特分配技术使系统达到最大比特率，系统能够根据各个子信 道的实际传输情况灵活地分配发送功率和信息比特。每个符号的比特数以及 分配给各个信道的功率应遵循信息论中的“注水定理”，亦即优质信道多传送， 较差的信道少传送，劣质信道不传送的原则。 o f d m 系统的主要缺点有： 对系统的非线性问题敏感 在基于d f t 的o f d m 系统中，所有调制器的输出都自动地联合加在 起，然后，合并后的信号被放大。这与原始的0 f d m 系统不同，在最初的 o f d m 系统中，是先对调制器的输出进行放大，再将各个放大后的信号合并 在一起，这就使得基于d f t 的o f d m 系统的放大器对非线性敏感，因为合 并后的信号具有类似于高斯噪声的幅度特性。 对接收信号的定时和频偏特别敏感 对定时和频率偏移敏感，精确的定时和频偏的减少对o f d m 尤为重要。 因为如果做不到这一一点，o f d m 的正交性将无法保证，就必然引起各子载波 之间的相互干扰及符号间干扰。 2 2m c c d m a 系统 2 2 1 三种多载波码分多址方案 自上世纪9 0 年代以来，陆续出现了将o f d m 与c d m a 相结合的多载波 哈尔滨工程大学硕士学位论文 码分多址方案【1 2 j ，分别为多载波c d m a ( m u l t i c a r r i e rc d m a ) ，这是属于 频域扩频方式：时域扩频包括m u l t i c a r d e rd s c d m a ( m c d s c d m a ) 和 m u l t i t o n ec d m a ( m t - c d m a ) 。本节首先概述一下这三种方案，通过比较选 出m c c d m a 方案，主要对其进行研究。 2 2 1 1m u l t i c a r r i e rc d m a m u l t i - c a r t i e rc d m a 这是最早提出的多载波的方案。分别由b e r k e l y 大学 的l i n n a r t z 、f e t t w e i s 和德国的f a z e l 、p a p k e 独立地提出的，前者提出的方案 的接收技术采用相关接收和可变增益合并，后者的方案采用最大似然检测技 术。 图2 5 m u l t i c a r r i e rc d m a 信号调制示意图 在此方案中，每个信息符号先经过与扩频序列各位相乘，相乘后的每路 信号调制到每个子载波上，若p n 序列长为n ，则调制到n 个子载波上。 m c c d m a 的信号发送框图如图2 5 所示。如果调制方式采用b p s k ，n ，为 子载波个数，在此，假设子载波数和扩频增益相同，即虬= g 。，g 。，代表 扩频增益。 在直接序列扩频系统中，信息是在许多时间片( 时间码片c h i p ) 上用同 一载波频率进行发送的，而在m u l t i c a r r i e rc d m a 系统中，信息是在许多载 波频率片( 频率码片c h i p ) 上同时进行发送。可见，d s c d m a 与m u l t i c a r r i e r c d m a 系统之间有“时间频率”的对应关系；m u l t i c a r t i e rc d m a 把信息同 时调制在不同载波频率分量( 频率码片) 上，接收时对频率码片进行分集接 收，d s c d m a 把信息同时调制在不同的时隙( 时间码片) 上，使用同一载 波频率，接收对时间码片进行分集接收。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 1 2m u l t i c a r r i e rd s c d m a m u l t i c a r r i e rd s c d m a 的方案由v d a s i l v a 和e s s o u s a 提出。 图2 6 多载波直扩c d m a 信号调制示意图 m c d s c d m a 的发送框图如图2 6 所示。信息比特先经过串并变换， 并行的每路经过相同扩频序列，再调制到不同的子载波上。相邻的予载波频 带之间有1 2 的重叠，且保持正交关系。 2 2 1 3m u l t i t o n ec d m a m u l t i - t o n ec d m a 方案由l v a n d d e n d o r p e 提出。m t - c d m a 的发送框图 如图2 7 所示： 图2 7m u l t i - t o n ec d m a 信号调制示意图 数据流先经过串并变换，调制到不同的载波上，以形成o f d m 信号， 此时子载波之间有l 2 的重叠，且满足正交性，o f d m 的符号周期为r 。然 后再经过长为l 的扩频码扩频，则扩频后每个子载波的带宽扩展为l t , ，而 相邻子载波的间隔仍然保持以前的1 ，r ，因此在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性。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 1 4 三种方案性能比较【1 2 l 这三种方法的最显著的区别在于c d m a 技术的实现位置，对第一种方 法，c d m a 在频域完成，o f d m 在时域完成，因此，最终的信号仍为o f d m 信号，o f d m 与c d m a 的各自特性( 如o f d m 的抗码间串扰性能) 得到保留： 对第二、第三种方法，c d m a 扩频在时域完成，最终的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 的抗码间串扰能力。 对于第一种方法，扩频时是对0 ，l 码进行运算，复杂度低；对于第二、 第三种方法，为实现f f t 运算，必须先进行o f d m 运算，再对各个子载波 进行c d m a 扩频处理，实现相对复杂。 对于第三种方法，各个子信道重叠严重，子信道间失去了正交性，这对 于o f d m 接收系统同步的偏差，包括载波频偏、抽样时钟偏差和码片同步偏 差等造成很大影响，不利于解调。 在第一种方法中，用户的同一比特信息被分配到所有子信道中，而在第 二、第三种方法中，不同子信道传输的是用户不同的信息。因此，第一种方 案实际上是在频域进行分集，而后两者就没有这种优点。分集技术的作用在 频率选择性衰落信道中是显著的。在文献 1 2 1 中对三种方法的误码率性能进 行了比较，结果表明，在用户数较大时，m c c d m a 的性能明显优于 m u l t i c a r r i e rd 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。本文中我们就以m c c d m a 作为研究对象。 2 2 2m c c d m a 的数学表示 m c c d m a 的发射和接收的数学模型如图2 8 和2 9 所示。 设系统中共有n 个用户和n 个子载波。瓦为符号周期，则单用户的传 码率为1 瓦，取子载波间隔为1 瓦h z 。第m 个用户在k 时刻的信号值为 d ? _ l1 ) ，用一1 和l 来表示二进制信号值，即采用b p s k 调制，如果用 户m 无信号则疗? = 0 。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 吨卜弋卜一 _孳戋exp02；。bof t b ) t d ， + ) 二弋- 图2 8m c c d m a 系统的发射机模型 一exp(-j2n-(f,frb，) + 。1 天卜_ 弋蠢乒 图2 9m c c d m a 系统的接收机模型 第k 时刻的用户信号向量为： 爿： o o 哪! 口，4 r c = c ：c j c ?c ： ( 2 - 1 1 ) = c t lc 1 ，c “，c 】( 2 - 1 2 ) 设c 为n 阶w a l s h h a d a m a r d 矩阵，取c 中的第m 个列向量c “为第m 个用户对应的扩展码。则c 的第i 行m 列元素 c ? i i = 0 , 1 ，n l 为第m 用 户在第i 个子载波上的对应码片。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 令： s = k 呲毛，。s 。i r = c a ( 2 1 3 ) 女= 口? c ? ( 2 一1 4 ) j ，。表示在第k 时刻第i 个子载波上所有用户二进制数据之和。其连续时间信 号为： s t , k ( f ) = ie a ? c i e x p ( j 2 万优+ i r r 。) t 境( t - k r , ) ( 2 - 1 5 ) f 为整数，根据前文的描述可知，为了保证多个子载波之间的正交性，要求 各个子载波之间的频率差应该为o f d m 符号周期的倒数的整数倍，即如果假 设o f d m 符号周期长度为瓦，则相邻子载波之间的频率差应该为叫瓦。特 别是当f = i 时，即为正交频分复用系统，这也是频谱利用率最高的情况。矗o ) 被定义为单位幅度的脉冲波形，在【0 ，瓦】之外为零。则总的发射信号为： n l n l n - 1 l s = r e i sj , k ( f ) | - r e 口? c ? e x p j 2 n + j 可瓦，k ( ，一圾) ( 2 - 1 6 ) l i = 0jl m = 0 i = o j 另一种推导方式如下： 第m 个用户在第k 个符号时间内的连续时间信号可表示为式( 2 1 7 ) ： sr a o ) = d ? c ? e x p j 2 r t 眈+ i f r a , k o - k r , ) ( 2 - 1 7 ) 则总的发射信号应为； n li n - i n l 1 s o ) = r e l s ”o ) = r e 口? c ? e x p j 2 z t + i f r , ) t k o 一) ( 2 - 1 8 ) lj = ojl m - o i o j 比较式( 2 - 2 6 ) 和( 2 - 2 8 ) ，可见两种推导方式结果完全一致。 设接收机收到的信号为y o ) ，不考虑信道对传输的影响，- 令y ( t ) - - 4 t ) 。 首先对接收到的信号在所有子载波上解调，则第f 个子信道的解调信号为： y ，o ，= - y o ，e x p 一，：石 正+ z 专 ， c z 一， 将式( 2 1 8 ) 带入上式： 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( f ) ：n - i 口? c ? + 芝口? m 。x1 万( f 一，) 事r i ( 2 - 2 0 ) y l c jpj 2( f ) = 口w + 口? ”e xl 万( f 一，) 争f l m = 02 0j “ l 1b j 式( 2 2 0 ) 第一项即是式( 2 1 4 ) ，利用积分电路可以去除式( 2 2 0 ) 中的第二项。用 第n 个用户的扩频码去恢复数据，得： 群：芝吖y l ( ，) ：兰。? 乃( ，) 。j j 2 r c l f c x pj 2 n - + ， ，j 群= 吖( ，) = c ? 乃( ，) ef 一十， f ，| “0f - 0 l 1b j ：窆。? 篁口? 。_ ：，l + 芝。? 艺口f 。? 。x p j 2 ，r ( i - 1 e j 2 1 ) 享”- - t ( 2 2 1 ) = c ? 口? c _ ：，l + c ? 口f c ? e x( 2 2 1 ) ，a o m ，o ，- 0m = o f l 1 b j n 。in ln i厂p = 地：+ e e c w + 口? c 辫e x p i j 2 石( f l 垮f 根据沃尔什一哈达码矩阵的性质可知上式第二项为零，第三项可用积分电 路去除。由此可见，在不考虑信道对传输的影响时，只需令用户接收机中的 支路权因子序列等于对应的扩频码，就可以无差错地恢复发送数据。 在离散系统中，取采样间隔为瓦n ，因为系统占用的基带双边带宽约为 瓦赫兹。所以瓦的采样间隔满足奈奎斯特采样频率，从而不造成信息 的损失。此时令f = q t b n ，代入式( 2 1 8 ) ，并去除载波正，可得发射机的基 带离散形式： 。( g ) ：芝d f 芝。? e x p f ，等f g ( 2 - 2 2 ) x p s ( g ) = d f c ? 【，等f g 由式( 2 2 2 ) 可见，m c c d m a 发射机的基带部分具有与逆离散傅立叶变 换0 d f t ) 相同的形式，可以利用数字信号处理器件来实现。根据发射机与接 收机对偶的特性，m c c d m a 接收机的基带部分也可用离散傅立叶变换l o f t ) 来实现。这样就免去了正弦波发生器组和相关解调器组，从而使发射和接收 机结构大大简化。这与o f d m 基带处理方法相同。在实际中为了d s p 器件 编程的方便，在系统设计时n 通常取为2 的幂次，高效的基4 f f t 算法最常 被采用。为保证正交变换前后的功率一致，在m c c d m a 中的d f t 和i d f t 定义如下： 。f t 工m 而i 厄n - i 删e x 一- ，等砌 ，。t ( n - 1 ) ( 2 - z s ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 - 。f t x ) = 而1 志n - i x ) 唧( _ ，等砌) ， 。n ( n - 1 ) ( z 埘) 2 2 3m c c d m a 的系统结构 圈2 1 0m c - c d m a 的一种系统结构 图2 1 0 给出了m c c d m a 的一种下行链路系统 3 0 肛j 结构，在系统中调 制解调由i f f t , f f t 来完成。多个用户的输入数据并行地加在系统的输入端， 利用扩频码，将每个用户的数据扩展到所有的子信道上，并与其他用户的信 号叠加，叠加后的信号通过i f f