（通信与信息系统专业论文）mccdma动态资源分配研究.pdf

南京邮 乜人学颂l ：研究生学位论文 摘要 摘要 m c c d m a 技术是正交频分复m ( o f d m ) 和码分多址接) k ( c d m a ) 结合的产物，兼具两 者的优点。将其与动态资源分配结合，可以有效的利用频率资源，显著提高系统性能。本 文主要研究了m c c d m a 系统中的动态资源分配，包括多用户动态载波分配和单用户自适 应比特、功率分配。 首先，论文根据m c c d m a 的特点，介绍了等效子载波和等效信道增益的概念，通过 将o f d m a 中已有的方法和m c c d m a 结合，移植了2 种低复杂度的载波分配方案。在此基 础上又研究了一种新的低复杂度的、适用于m c c d m a 的近优动态载波分配方案，以上三 种方案的复杂度与最优算法相比都大大降低，系统性能比传统分配方案有了明显的提高。 然后，将原用于o f d m a 系统的算法与m c c d m a 系统结合，形成了一种基于发射功 率最小化的适用于m c c d m a 系统的自适应比特和功率分配算法。仿真结果表明采用该算 法的系统性能要比采用传统等比特分配算法的m c c d m a 系统改善很多，得出了一个重要 结论：较小的扩频因子会使自适应调制系统的性能更好。 南京邮电人学硕f j 研究生学位论文 a b s t r a a a b s t r a c t m c c d m ai sa ne f f e c t i v ec o m b i n a t i o no fo f d ma n dc d m at e c h n o1o g y i tb e n e f i t sf r o m a d v a n t a g e so fb o t ht e c h n o l o g i e s b yi n t e g r a t i n gd y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o n ，m c c d m ai sa b l e t om a k ef u l lu s eo fw i r e l e s ss p e c t r u m ，a n di m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c eg r e a t l y t h et h e s i s m a i n l yf o c u s e so nt h ed y n a m i cc a r r i e ra l l o c a t i o na n da d a p t i v eb i ta n dp o w e ra l l o c a t i o nf o r m c - c d m a s y s t e m f i r s t ，i na c c o r d a n c ew i t hi t so w nc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a b i l i t yo fm c c d m as y s t e m s , t h i sp a p e rm i g r a t e st w oa l g o r i t h m sa n dp r e s e n t san e wd y n a m i cc a r r i e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m so f l o wc o m p le x i t y , w h i c ht r yt om i n i m i z et h ep o w e ro ft h es y s t e mu n d e rc e r t a i nd a t ar a t e c o m p a r e dw i t ht h e ( o p t i m a l ) b r u t e - f o r c es e a r c ha l g o r i t h m ，t h ec o m p l e x i t yo f t h et h r e ea l g o r i t h m s a r eg r e a t l yr e d u c e d b u tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s et h r e ea l g o r i t h m sa lec l o s et ot h eo p t i m u m ， w h i c ha r em u c h h i g h e rt h a nt h et r a d i t i o n a lr a n d o ma s s i g n m e n ta l g o r i t h m t h e n , t oa p p l ya d a p t i v ea l l o c a t i o na l g o r i t h mt om c - c d m a ，ah i g he f f i c i e n c ym c - c d m a a d a p t i v ea l l o c a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e di nt h i st h e s i s w ed i s t r i b u t ep r o p e rb i ta n dp o w e rf o r e a c hs p r e a db r a n c hb yu s i n g a d a p t i v ea l l o c a t i o ni d e a si no f d m f o rr e f e r e n c e s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a l lr e m a r k a b l yr e d u c et r a n s m i s s i o np o w e ra n di m p r o v e s y s t e mp e r f o r m a n c e f u r t h e r m o r e , s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea d a p t i v e m o d u l a t i o ns y s t e mu s i n gs m a l1e rs p r e a d i n gf a c t o r si sb e t t e rt h a nt h eu s i n gb i g g e rs p r e a d i n g f a c t o r s 1 i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的 地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它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己在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：触 日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：醯：丝 导师签 日期：学业， 南京邮电人学硕：研究生学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 近些年来，移动移动通信技术飞速发展，从第一代移动通信系统到第三代移动通信系 统，技术的更新换代越来越快，能够提供的数据速率也越来越高。目前，第三代移动通信 主流标准为w c d m a ，t d s c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，并已经在世界的许多国家开始了商业应 用。3 g 能提供多种业务，尤其是多媒体和高比特分组数据业务；能在高速移动大范围覆盖 条件下提供至少1 4 4 k b i v s ，室外步行3 8 4 k b i t s 的业务和在低速移动本地覆盖范围条件下 提供2 m b i v s 业务。随着无线互联网的发展，其业务要求达到1 m 至2 m b i v s ( 车载快速移 动) 、3 6 m b i v s ( 步行) 和1 5 m b i t s ( 固定) 。显然3 g 满足不了未来无线通信的要求，于 是有人提出了4 g 的概念，并充分与i n t e r n e t 技术相结合，互为利用，使之成为具有广大应 用前景的无线移动通信网络，并且在开发新频段的基础上充分提高频谱利用率以满足大容 量的通信要求【l 】。因此，各种新的高效移动通信技术己成为研究热点。其中的正交频分复 用( o f d m ，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 l e x i n g ) 技术作为继第三代移动通信技术后 的核心技术之一。 3 g 的关键技术之一是基于c d m a 技术，它有系统容量高、实现软切换、抗干扰能力 较强、发射功率低、保密性好等诸多优点，但是，c d m a 的容量受限于多址干扰和频率选 择性衰落引入的干扰【2 1 。c d m a 的码元周期大大缩短，在传送高速数据流时易受符号间干 扰( i s i ) 的影响，尤其是在多径衰落比较严重的无线信道中传输时i s i 更为严重，这使得 c d m a 系统难以充分利用频谱资源，发展受到一定的限制。 而o f d m t 3 】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干扰引起的i s i 的影响。对传统c d m a 这类 串行系统来说无线信道是频率选择性衰落信道，而对o f d m 中的每个并行正交子信道来说 己经变成了非频率选择性衰落信道。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。 因此，人们开始寻找将多载波应用于c d m a 的技术途径，而综合o f d m 与c d m a 技 术优点的多载波c d m a 已成为各国学者研究的热点【缅】。由于多载波c d m a ( m c c d m a ) 南京邮电入学硕j ：研究生学位论文 第一章绪论 通信系统具有高频谱效率、抗噪声能力强、适合高速数据传输等优点，多载波c d m a 技 术将成为未来移动通信系统的主导技术。然而要想完全实现多载波c d m a 技术所带来的 性能的提高，还需进行相关关键技术的实现，而无线资源分配就是其中之一。 与所有的无线通信系统相同，在基于o f d m 的未来移动通信系统中，无线资源( 包括 频谱、时隙、码字、功率和天线等) 非常稀有宝贵，对它们进行合理有效的使用是满足不同 业务q o s 要求，提高系统性能的关键，这就是无线资源分配技术应该研究的问题。其主要 思想是根据不同业务、不同服务质量，以及子信道的瞬时特性动态地分配数据比特和传输 功率，达到提高系统频谱效率、充分利用信道资源的目的。自适应分配技术能够利用无线 信道时变的特点，最大限度地发送信息，从而有效提高系统的传输效率，这一点在无线通 信中尤其重要。 1 2 无线信道特性 移动无线信道是弥散信道，当电磁波通过无线信道后，信号在时域和频域上都产生弥 散，本来分开的波形在时间上或在频谱上会产生交叠，使信号产生衰落失真【7 1 。 ( 1 ) 多径效应在时域上引起信号时延扩展 多径传播是由于发送信号经过多次反射导致而成。不同的传播路径具有不同的延迟特 征，从而使得信道表现出时间色散特性。进一步导致信号产生频率选择性衰落或者平坦衰 落。如果移动无线信道的相干带宽毽大于发送信号的带宽忍，且在带宽范围内有恒定增益 及线性相位，则接收信号就会经历平坦衰落过程。平坦衰落信道增益最常见的幅度分布为 瑞利分布( r a y l e i g h ) 。如果信道相干带宽忍小于发送信号带宽忍，则会导致接收信号产生 频率选择性衰落。此时，接收信号中包含经历了衰减和时延的发送信号波形的多径波，因 而，接收信号产生了失真。这样信道就引起了符号间干扰( i s i ) 。 ( 2 ) 多普勒效应在频域上引起信号频谱扩展 多普勒效应是由收发信机间的相对运动以及传播环境中物体的随机移动产生的，即接 收信号在频率上发生了扩散。当发送传输为厂的正弦信号时，接收信号谱即多普勒谱在 厂一石至f + f a 范围内存在分量，其中厶是多普勒频移。 石= 要c o s 9 ( 1 1 ) 以 式中，岛为载波波长，1 ，为移动台运动速度，p 是移动台运动方向与入射波的夹角。 这些多普勒效应使得信道具有时变特性。信道的时变特性主要由两个参数来描述，即多普 2 南京邮电大学帧e 研冗生掌位论文 弟一蕈绪论 勒扩展眈和信道相干时间z 。 多普勒扩展毋是移动无线信道的时间变化率的一种量度，其被定义为一个频率范围， 在这个范围内接收的多普勒有非零值。当发送频率为f 的单频信号时，接收信号的频谱在z 至厂+ 以范围内存在分量。如果基带信号带宽远大于仍，则在接收端可以忽略多普勒频移 的影响。信道可以看作慢衰落信道。 信道相干时间z 为多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道的时变特性，其是 指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果基带信号带宽的 倒数大于信道相干时间，则传输中基带信号就有可能因为多普勒效应而发生改变，导致接 收机信号失真。一般将相干时间近似定义为： 啪= e a i e ( m ) e y 攀坻岫毗h 伽一珥眦一皿) ( 1 - 2 ) i 翻n = 0m = 0 其中厶= ；，在数字系统中，只要符号速率大于l z ，就不会因为运动而产生信道失 真的影响。 综上所述，多径衰落造成的符号间干扰严重限制了无线通信链路的传输速率，要想满 足告诉的多媒体通信要求，必须采用采用新的调制技术以有效抵抗符号间干扰来提高系统 容量，而o f d m 技术恰好有这一优点，以下将对o f d m 技术做简要介绍。 1 3o f d m 技术简介 正交频分复用( o f d m ) 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一种调制技术， 也可以被当作一种复用技术。o f d m 最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，在6 0 年代就己经 形成了使用并行数据传输和频分复用的概念。6 0 年代o f d m 技术已经被应用到多种高频 军事系统中。8 0 年代中期，o f d m 已经在数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、基 于i e e e8 0 2 1 1 标准的无线本地局域网( w l a n ) 以及有线电话网上基于现有铜双绞线的非 对称高比特率数字用户技术( 如a d s l ) 中得到了应用峰j 。 无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而o f d m 技术的主要思想就是在频域内将 给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波 并行传输，这样，尽管总的信道是非平坦的，也就是具有频率选择性，但是每个子信道是 相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因 3 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第一章绪论 此就可以大大消除信号波形间的干扰。如图1 1 所示，这样处理使其具有如下优点 图l 一1o f d m 将频率选择性衰落信道分为多个近似平坦的子信道 ( 1 ) 可以有效地对抗多径传播引起的i s i ，适于多径衰落信道中高速数据的传输。 ( 2 ) 通过各个子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。 ( 3 ) 传统的频分多路传输方法中，将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行的数据 流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道。这种方法的优点是简单、直接，缺点 是频谱的利用率低，子信道之间要留有足够的保护频带，而且多个滤波器的实现也有 不少困难。而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，因此与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源，图 卜2 示意了两者的区别。 信道l2345 6 7891 0 ( a )频率 图l - 2 常规频分复用和o f d m 的信道分配 ( 4 ) 基于d f t 的o f d m 有快速算法，这就大大简化了其硬件复杂性，使其应用更广泛。 ( 5 ) 可以较为简单地实现均衡，此时要对每个子信道上的数据分别做均衡，而由于每个 子信道上经历的是平坦衰落，均衡器只需一个的抽头即可。 4 南京邮电大学硕f 二研究生学位论文第一章绪论 ( 6 ) 各子信道能够进行自适应的功率比特分配，最大限度的利用宽带无线信道的传输容 量。 o f d m 之所以备受关注，我们可以在图1 3中可以看出，其中一条重要的原因是它 可以利用离散傅立叶反变换离散傅立叶变换( i d f t d f t ) 代替多载波调制和解调。由于 o f d m 系统中各个子载波是相互正交的，所以频带利用率相对来说是较高的。一般来说， 当子载波的个数趋于无限时，频谱利用率是2i 赫h z 。一般情况下，要传输的数据送入调 制解调器后，已调信号将占用整个带宽。但是在无线信道中深度衰落会产生突发性错误。 相比之下，o f d m 系统将信号分割到各个子信道中，并且每个子信道此时只传输一个码元， 所以受到的影响很小，且仍能够正确传输。因此，若串行数据发生严重突发性错误时，采 用o f d m 系统则可以大大减小甚至消除这种影响。 ：一一一一一而一一一一一一一一一一一 图卜3 加入保护间隔和利用d f t i d f t 的o f d m 系统框图 当然，o f d m 技术同时也存在下面两个方面的缺陷： ( 1 ) 对频率偏移和相位噪声很敏感。 ( 2 ) 峰值与均值功率比相对较大，这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率。 尽管如此，o f d m 技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。在未来的宽 带接入系统中，o f d m 是一项基本技术，它与多址接入技术结合可以构成不同的多用户系 统，这些系统包括o f d m a ，o f d m - t d m a ，m c c d m a 等，它们基本上都是以现有的2 g 和3 g 系统为基础进行研究和开发的。 1 4o f d m 和c d m a 技术的结合方式 o f d m 提供了最优的频率利用率而c d m a 提供了多址，使人很容易想到两者的结合 带来的潜在优势。1 9 9 3 年提出了基于c d m a 和o f d m 技术合并的三种新的多址方案类型： 5 南京邮电大学硕 研究生学位论文 第一荦绪论 ( 1 ) 多载波直接扩频序列c d m a ( m c d s c d m a ) ；( 2 ) 多音c d m a ( m t - c d m a ) ；( 3 ) 多载波c d m a ( m c c d m a ) 。可以将这三种结合方式分为两类：频域扩频和时域扩频。前 两种方案为时域扩频，m c d s c d m a 结合了o f d m 调制技术与码分技术，但地址码将信 源符号在时间上进行扩展，最后实际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，在每以子载波上进行直接序列扩频，最后形成时间频域扩展信号。它 们的共同点是将可用的频谱分成n 个等宽度的频带，在频率内进行窄带d s 波形的并行传 输，这意味着时域扩频，所以不能利用频率分集。第三种方法则使用给定的扩频码对原始 数据进行扩展，然后用每个码片对不同子载波进行调制，即扩展在频率进行，因此 m c c d m a 为频域扩频。 本文主要研究m c c d m a 系统。m c c d m a 是最早提出的多载波c d m a 方案，1 9 9 3 年分别由美国的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t b t 9 q o ，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，后者的方案的接收技术采用最大似然检测技 术。 1 5 本文所做的主要内容和章节安排 本文在研究多用户o f d m a 系统中的无线资源分配算法的基础上，提出适合 m c c d m a 系统的动态资源分配方案，主要包括动态子载波分配和自适应比特和功率分 配。论文结构安排如下： 第一章主要介绍了课题研究背景。简单介绍了无线信道特性，并且对o f d m 技术和 多载波与c d m a 结合的方式做了简单描述，接着阐述了论文的主要工作。 第二章主要论述m c c d m a 系统的基本原理。首先介绍m c c d m a 系统的系统结构， 接着详细描述了m c c d m a 系统的收发机原理和扩频码在m c c d m a 系中的应用。同时介 绍m c c d m a 系统的关键技术与并比较m c c d m a 和o f d m a 系统，作为后文相关内容的理 论基础。 第三章介绍多载波系统中动态资源分配的研究现状。先介绍多载波系统中的动态分 配技术，指出多载波调制系统中的动态资源分配的理论基础和分配准则，接着以多用户 o f d m a 系统为例，介绍常见多用户o f d m a 系统自适应算法，为后面章节的m c - c d m a 系统资源分配做指导。 第四章主要介绍m c c d m a 系统中动态子载波分配方案。根据m c c d m a 系统的自身 特点和实用性，将o f d m a 已有的算法与m c c d m a 结合提出了两种载波分配方案，在 6 南京邮电大学硕匕研究生学位论文第一荦绪论 此基础上提出了一种新的动态载波分配方案，详细介绍了该方案的推导过程和实现步骤， 分析了算法复杂度，并利用m a t l a b 进行了仿真，而且结合m c c d m a 系统的特点给出了 不同方面的性能仿真和分析。 第五章主要介绍m c c d m a 系统中单用户自适应比特和功率自适应分配方案。将 f i s c h e r e v o 算法和m c c d m a 系统结合，提出了一种新的自适应比特、功率分配算法。分 析了算法的性能，并与传统等比特分配进行了比较，同时分析了不同扩频码对系统的影响。 第六章对论文的主要内容进行总结，并指出进一步研究工作的改进和发展方向。 7 南京邮电人学硕e 研究生学位论文第二章m c c d m a 系统原理和关键技术 第二章m c c d m a 系统原理和关键技术 本章将介绍m c c d m a 通信系统相关的基本问题，包括m c c d m a 系统模型， m c c d m a 系统关键技术，并将其和o f d m a 系统进行简单的比较。 2 1m c c d m a 的系统模型 2 1 1m c c d m a 的系统结构 口二 s 七。用卢i。 用户2 。扩频 ：并 d | 入 上 矩阵 ： 7 f r 7 l p f 变 c 。胞。：从 串频 用户k j ( f ) 1r 噪声。 信道 ，竹 y i 。k 上 量用户i 下 、 分相 串 加 嘉 。田卢， 解扩 集位 l p f 矩阵 厶 矫 f f t 并 用户kc 一1 并 - 阿 正 宵 怯 有 一 t丁 信道估计 图2 1m c - c d m af 行链路系统结构 图2 1 给出了m c c d m a 的一种下行链路系统结构【1 2 1 ，多个用户的输入数据并行地 从输入端输入系统，再利用扩频码对数据进行扩频，将每个用户的数据叠加，叠加后的信 号先进行i f f t 变换，然后完成串并变换，同时加入循环前缀，再经过数模变换和低通滤 波形成模拟基带信号，再在射频信道上进行发射，接收机的解调部分是上述步骤的逆过程， 在f f t 后得到频域信号咒由于信道的作用，y t 与岛，。相比幅度与相位受到畸变，同时 还有加性噪声和i c i ，在此时对信道畸变进行估计，利用估计得到的相频响应来消除相位畸 变，再利用分集合并技术，根据不同子信道的信噪比分配不同的支路因子。分集合并也将 用到信道估计所得的幅频响应，最后进行扩频。从图中可以看出与o f d m 系统的信道均衡 8 南京邮电大学硕f j 研究生学位论文第二章m c c d m a 系统原理和关键技术 对应的部分在这里被分为相位校正和分集合并两个部分，即对相频畸变和幅度畸变在 m c c d m a 系统中分别处理的。 2 1 2m c c d m a 系统的发射机和接收机模型 m c c d m a 是将c d m a 和o f d m 相结合的技术。它的原始输入数据速率很高，经过 串并变换，每个数据符号的周期变长，不易受到频率选择性衰落的影响，因此每个子信道 可认为是频率非选择性衰落信道。同时，它在频域上将每个数据符号复制并与高速的扩频 码相乘，实现频域扩频的目的。 m c c d m a 的发射机模型如图2 2 所示。设系统有胁个子载波，扩频因子为s f ，扩 频序列为c = i 菇，彳9o - 9 c 参一。i 。系统内的所有子载波被连续划分为a r c = 脑铲个扩频支 路。用户的输入数据序列首先串并变换成n c 路，然后每路的输出进入对应的复制模块被 复制为s f 路相同的数据，接着每s f 路相同的数据与对应的扩频码相乘，实现原始数据频 域扩频，扩频后的n c x s f 路数据进行m f r 变换、插入保护间隔和并串变换。最后，用户 的数据经过成形滤波器后，由射频单元发射出去。 数 - 一 复制 _ 。模块 i c ( s f - q ) l 泸二 一 v 用户u b ( o ) s f +。 ，、式p 曙比特溺 复制 加 符号 _ 模块 q s f - a ： i 保 映射 串 d 并 2 f 护 变 间 换 v t 隔 耵如 复制 + 凶 。 模块 # ： + n c _ 弋蛔i 叶 图2 - 2m c c d m a 发射机模型 其中用户的发送信号模型可以表示为【1 1 】： 9 并 串 变 换 南京邮电大学硕f = 研究生学位论文第一二章m c c d m a 系统原理和关键技术 佃n c - i 铲- l s ) = f p ( 砌2 x ( f o + ( 脓一圻以从f f 互) p 一f z ) ( 2 - 1 ) 其中，a n i 表示第1 1 个支路上的第i 个信息比特，c 【朋】是扩频码片。厶是子载波的中 心频率。石是各个子载波之间的频率间隔。p ( f ) 是给定时间内的方波信号脉冲。其可以由 下式表示： 舯 三。巍r 协2 ， 图2 3 为m c c d m a 系统接收机模型。接收机端的信号进行与发射端相反的一系列操 作，去保护间隔，串并变换，f f t 变换。在f f t 变换之后要通过信道估计获取信息从而完 成以后的合并。在进入合并模块前，第k 个用户每路子载波的接收信号乘以增益因子完成 信道均衡和信号解扩，因此增益因子不但包含信道信息，还有扩频码信息。合并模块是将 传输相同信息的子载波数据线性叠加，送入解调器进行判决，最后将恢复出原始的信息数 据【1 3 15 1 。 图2 - 3m c c d m a 的接收机模型 2 1 3 扩频码在m c c d m a 系统中的应用 由图2 1 可以看出，从i f f t 的输入端到f f t 的输出端，m c c d m a 的系统结构与o f d m 相同。m c c d m a 比o f d m 多了将用户数据利用扩频码集扩展到多个子信道的过程，这 1 0 南京邮电大学硕 ：研究生学位论文第二章m c - c d m a 系统原理和关键技术 也可认为m c c d m a 是在o f d m 的基础上增加了一种基于扩频码的多址接入技术。 扩频码可以分为伪随机码( p n ) 码和正交码。p n 码是由反馈移位寄存器产生的，具有伪 噪声特性的扩频码。正交码【1 6 1 是满足互相正交关系的一系列码。扩频码的选择直接影响到 c d m a 系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等特性。在c d m a 系统中，信道的区 分是靠扩展码来进行的，因而扩频码之间低的互相关性对于抑制多址接入的干扰是很重要 的。对于同步应用时，使用相互之间完全正交的地址扩频码，可以大大减少多用户之间的 干扰，比非正交码有更好的性能。 目前已经有许多正交码可供使用，有m 序列，g o l d 序列，w a l s h h a d a m a r d 码等，由 于m c c d m a 系统采用了f f t i f f t ，因此码长应为偶数，而w a l s h h a d a m a r d 码具有很好 的互相关特性，而且在码组内所有的码序列是相互正交的，m c c d m a 系统中下行链路广 泛采用这种码作为用户的扩频序列【1 7 1 。 w a l s h 函数是一类取值于1 与1 的二元正交函数戏，它有多种定义方法，常用的是 h a d a m a r d 编码法，i s 9 5 中就是采用这类方法。一般地，h a d a m a r d 矩阵是一个方阵，由以 下递推关系得到： 羁：i “l ( 2 3 ) l + l一1 j = ：复二篾 m - ) c2 4 ， 其中以+ 。是2 肿1 x2 肿1 矩阵，也是2 “x2 “矩阵，矩阵以的每一列或每一行都可以作为一个 用户的正交码。任意两个码之间为零，即这些码是相互正交的。 2 2m c c d m a 系统的关键技术 ( 1 ) 检测技术 m c c d m a 系统存在多用户干扰，系统性能受到多用户干扰的影响，必须进行信号检 测。 传统的检测均衡需由多级延迟线、加权系数相乘器和相加器等构成，结构复杂，计算 量大，实现困难。m c c d m a 可用一级抽头的均衡器来完成均衡。通常，好的均衡算法， 一方面要尽量消除由信道衰落引起的其它用户信息的干扰，另一方面又不能放大噪声，以 致降低了系统的抗噪性能。 ( 2 ) 分集技术 由于m c c d m a 在所有的子载波上传送相同的信息符号，在接收端解调后可以将所有 l l 南京邮电丈学硕1 j 研究生学位论文第一二章m c c d m a 系统原理和关键技术 这些子载波携带的信息合并，因而能达到频率分集的效果。需要指出，m c c d m a 的频率 分集与d s c d m a 中采用r a k e 接收机所获得的路径分集具有等效性，因为m c - c d m a 可 以看作d s c d m a 的频域表示。但是m c c d m a 只需采用传统的接收技术，就可获得较 好的性能，而d s c d m a 则需要采用复杂的r a k e 接收技术才可获得路径分集效果。 ( 3 ) 同步技术 m c c d m a 系统利用多个载波传输数据，相邻载波的间隔非常小，所以它对系统的同 步错误非常敏感。由于m c c d m a 使用的传输技术是o f d m ，所以传统的各种m c c d m a 同步算法主要还是借鉴了o f d m 的同步方法。通常可以分为初始捕获和精确跟踪两个过 程，在初始捕获阶段采用较多的冗余数据和较复杂的算法来实现，而在精确跟踪阶段则主 要是纠正较小的抖动和偏移。 m c c d m a 传输的数据具有c d m a 信号的形式，与纯粹的o f d m 传输二进制数据不 同，这决定了在频率同步之前更为重要的是实现帧同步。帧同步是要在o f d m 符号流中找 出帧的开始位置，即我们常说的数据帧头检测。在帧头被检测到的基础上，接收机才有可 能根据帧结构的定义，以不同的方式处理一帧中具有不同作用的符号。 最典型的同步方法基于导频符号【1 8 1 ，用最大似然准则进行判决。由于频率同步错误和 时间同步错误在导频符号的相位上有明显反映，所以还可以通过分析发送和接收导频符号 的相位来实现同步。 ( 4 ) 信道估计 无线通信系统可以采用差分检测或相干检测的方式。在o f d m 系统中，如果采用差分 检测，会限制多幅调制的应用，并且将会比采用相干检测在信噪比方面有3 4 d b 的损失， 一般应用于速率较低的系统，例如欧洲的d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t ) 系统。对于速率要 求较高的o f d m 系统，采用相干检测比较合适，而采用相干检测的方式必须估计出信道参 数。另外，对于采用分集技术的系统，还可以通过信道估计实现最佳合并。因此，o f d m 系统的信道估计对于提高o f d m 系统的性能至关重要。 在m c c d m a 系统中，信道估计器的设计主要面临两个问题：一是导频信号的选择， 它直接影响到信道估计结果的精度和系统的最大数据传输速率；二是如何设计出既有较低 的复杂度，又有良好的跟踪能力的信道估计器。这两个问题是相互关联的，因为估计器的 性能通常与导频信号的传送方式有关。 ( 5 ) 峰均比的解决 在时域中，o f d m 信号是n 路正交子载波信号的叠加，当这n 路信号按相同极性同 时取最大值时，o f d m 信号将产生最大的峰值。该峰值信号的功率与信号的平均功率之比， 1 2 南京邮电人学硕t = 研究生学位论文第二章m c - c d m a 系统原理平口关踺技术 简称峰均比( p a p r ) 。在o f d m 系统中，p a p r 与n 有关，n 越大，p a p r 的值越大，n = 1 0 2 4 时，p a p r 可达3 0 d b 。大的p a p r 值，对发送端的功率放大器的线性度要求很高。 如何降低o f d m 信号的p a p r 值对o f d m 系统的性能和成本都有很大影响。 一般通过以下几种方案来解决p a p r 的问题： ( 1 ) 信号失真技术。采用修剪技术、峰值窗口去除技术或峰值删除技术使峰值振幅简单 地线性去除。 ( 2 ) 编码技术。采用专门的前向纠错码会使产生非常大的p a p r 的o f d m 符号去除。 ( 3 ) 扰码技术。采用扰码技术，使生成的o f d m 的互相关性尽量为o ，从而使o f d m 的 p a p r 减小，这里的扰码技术可以对生成的o f d m 信号的相位进行重置，典型的有 p t s 和s l m 。 ( 6 ) 无线资源的分配 m c c d m a 无线资源分配指的是子载波和比特、功率分配。为了充分利用信道增益比 较高的子信道，使资源的利用更加合理，m c c d m a 系统和o f d m 系统一样，通常要进 行子载波和比特和功率分配。因为无线信道存在频率选择性，不可能多有的子载波都同时 处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法提高系 统的性能，特别对于多用户系统来说，对一个用户不适用的子信道对其他用户来说，可能 是性能比较好的子信道，因此除非一个子信道对所有用户来说都不适应，该子信道才会被 关闭，但发生这种情况的概率非常小。实际应用中，分配问题分别从最小化总体的传输功 率和最大化总体的传输速率两个角度进行，本文将对这一技术进行研究分析。 2 3m c c d m a 与o f d m a 的比较 m c c d m a 是频域扩频和多载波调制结合的产物，也就是说m c c d m a 方案充分保留 了o f d m 和c d m a 各自的特点，所以其不但利用频率分集效果，而且具有较高的频谱效 率。因此m c c d m a 系统可以利用o f d m a 中的一些技术，例如信道估计技术、符号同 步技术等。两者都需要在符号间插入符号保护间隔，只要循环扩展的保护间隔大于信道响 应长度，则可以完全克服符号间串扰和码间串扰的影响。 m c c d m a 与o f d m a 的区别主要表现在：( 1 ) 使用子载波的方式不同。o f d m a 中， 不同的子载波携带不同的信息符号。为了在某个子带信号处于衰落区的情况下恢复出信 号，必须在o f d m 符号的一帧内采用纠错码保护，而在m c c d m a 系统中，一个o f d m 符号包括多个窄带的子载波信号，可以通过选择恰当的子载波数目，使得每个子载波信号 1 3 南京邮电大学硕一 ：研究生学位论文第二章m c c d m a 系统原理和关键技术 的符号周期远远大于时延扩展，所以m c c d m a 对信道时延扩展不敏感，同时，传送同一 信息符号在不同载波上同时发送，这些子载波一般不会都处于深度衰落的状态，因此 m c c d m a 系统可以不依赖于纠错码的保护，而且具有频率分集的效果。( 2 ) 在m c c d m a 中存在着两个层次不同的正交性：传送一个信息符号的所有子载波之间是正交的，这个正 交性使得相邻子载波之间能有1 2 的重叠，从而提高了频谱利用率；另一个正交性是不同 用户的扩频码之间是相互正交的( 在下行链路经常采用正交扩频码) ，这个正交性使得系 统成为一个多址系统。 综上所述，m c c d m a 系统除了保持常规d s c d m a 系统的许多优点以外，还具有下 述优点： ( 1 ) 灵活性：由于在频域具有一定的自由度，m c c d m a 系统更加灵活。例如，每用户 处理增益可随网络要求进行修正。另外，保护时间所提供的灵活性也可在不同小区 中易于达到最佳的频谱效率。 ( 2 ) 高容量性能：由于频率交织，系统提供了高重数的频率分集，可以应用不同检测方 法充分挖掘这种分集所提供的增益。例如，采用合理复杂度的最大似然检测( m l d ) 即可达到较高性能或每个小区较高的用户数。应该说明，m c c d m a 应用m l d 的性 能可以超过d s c d m a 应用常规检测技术的性能。 ( 3 ) 抗干扰防护：由于处理是在频域进行，所有容易获得信道干扰的频率特性。例如对 窄带干扰，可以分析每个子信道的干扰功率并将获得的信息用于检测。 ( 4 ) 不需要均衡：由于保护时间选择得比信道的时延扩展长，多径迟延信号都落入这个 保护间隔内。这就消除了码间干扰，也就不需要均衡。然而，为了消除衰落和相位 偏差的影响，信道估计还是需要的，这就可以用帧结构中的参数码元来实现。 2 4 本章小结 本章主要论述了m c c d m a 系统的基本原理。首先介绍了m c c d m a 系统的系统结构， 接着详细描述了m c c d m a 系统的收发机原理和扩频码在m c c d m a 系统中的应用。同时 介绍m c c d m a 系统的关键技术与并比较m c c d m a 和o f d m a 系统，作为后文相关内容的 理论基础。 1 4 南京邮电人学硕l j 研究生学位论文 第三章多载波系统的动态资源分配 第三章多载波系统的动态资源分配 无线信道传播的开放性和信道参量变化的时变性无线信道中高速数据的多径传输往 往会引起信道的频率选择性衰落，不同的子信道受到不同的衰落，因此有不同的传输质量。 在多载波系统中，正交频分复用( o f d m ) 把实际信道划分为若干个子信道，其中一个好处 就是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。 多载波系统指的是由o f d m 技术和其他多址接入技术结合的移动通信系统，比如 o f d m a ( o f d m f d m a ) ，m c c d m a ，o f d m t d m a 等，了解这些系统的不同特点有利于 无线资源管理技术的研究。其中，o f d m a 是多载波系统中最基本的多址接入方式，目前 对于多用户o f d m a 系统无线资源分配算法的研究已经取得了重大进展，但针对 o f d m - t d m a ，m c c d m a 等系统无线资源分配算法的研究报导比较少，因此，本章将重 点介绍o f d m a 中无线资源分配算法，它对m c c d m a 系统无线资源分配的研究有较大的 指导作用。 3 1 多载波系统中的动态分配技术 一般来说，在多载波系统中，动态资源分配可以包括子载波分配、比特分配和功率分 配。其中动态子载波分配的作用是根据每个用户数据流量的速率和在接收机端该用户所观 察到的各个子载波的信道状况来决定该用户能够使用的子载波数量以及使用哪些子载波， 以便达到高效的使用子载波的目的。一般来说，由于o f d m 系统中各个子信道之间是相对 独立的，它们之间不存在相关性或相关性较弱，从而在同一时刻各个用户所经历的信道状 况也是不相同的。通过动态地将子信道分配给用户使用，我们可以充分的利用不同地点的 移动台之间的信道分集特性，称之为多用户分集，它源于不同用户之间独立的路径损耗和 衰落特性。 动态比特分配是在子载波分配的基础上，将每个用户的数据比特按照每个可用子载波 的情况分配到各个子载波上。信道情况较好的子载波分配较多的比特，并映射到一个大的 信号星座上面，以便充分利用高质量的子载波，提高系统性能；而信道情况较差的子载波 则分配较少的比特甚至不分配比特，利用低阶调制来降低系统的误比特率。不同分配算法 都使用子载波的信道状态信息作为分配的依据，而区别主要在于其优化准则和计算复杂度 各不相同。 1 5 南京邮电人学硕上研究生学位论文第三章多载波系统的动态资源分配 比特分配与功率分配有着密切的联系。对于分配了较多比特数的子载波来说，较大的 信号星座意味着较高的发射功率投入，以保证接收端达到一定的信噪比。此外，在实际的 多用户系统中，对于每个数据符号来说，信号星座都只能对整数数量的比特进行编码和映 射，这就对每个子信道上的功率分配提出了严格的限制，因此非常难求，需要极大的运算 量。 在一般的讨论中，为了尽可能的简化问题，都假设信道在一个o f d m 帧传输的过程