基于三级调制的多带OFDM-UWB多址算法.doc

第11期包志华等：基于三级调制的多带OFDM-UWB多址算法133基于三级调制的多带OFDM-UWB多址算法包志华，张士兵，章国安，秦金婧(南通大学 电子信息学院，江苏 南通 226007)摘 要：根据多带OFDM-UWB通信系统的特点，提出一种基于三级调制的多带OFDM-UWB多址算法TSM-MA算法。该算法通过MC-CDMA、OFDMA与FHMA技术的融合，实现多种技术的优势互补，减少了多用户间的干扰，充分利用了各子载波的可用资源。为了降低接收机的复杂度，TSM-MA算法采用了二级扩频与二级跳频的机制。结果表明，TSM-MA算法的多址性能要明显优于时频多址算法的性能，可以改善系统信噪比3 dB左右，并且在接收机的复杂度方面也有一定的优势。关键词：通信技术；多址算法；超宽带；多级调制中图分类号：TN914.3 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(2007)11-0127-07Multiple access based on three-stage modulation in multi-band OFDM-UWB system BAO Zhi-hua，ZHANG Shi-bing，ZHANG Guo-an，QIN Jin-jing(School of Electronics and Information, Nantong University, Nantong 226007, China)Abstract: According to the characteristics of multi-band orthogonal frequency-division multiplexing ultra-wideband (OFDM-UWB) system, a multiple access based on three-stage modulation (TSM-MA) was proposed. It combined multi-carrier code division multiple access (MC-CDMA) with orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) and frequency hopping multiple access (FHMA), carried out the advantages of the three multiple access techniques. It reduced the multiple access interference and made full use of the available resource of the channel. The two-stage spread spectrum and two-stage frequency hopping were used to the TSM-MA for reducing the complexity of receiver. Simulation results showed that TSM-MA has obvious advantages in bit error rate (BER) performance over time frequency code multiple access (TF-MA) about 3 dB and lower complexity than that of TF-MA.Key words: communication technology; multiple access; ultra-wideband; multi-stage modulation1 引言收稿日期：2007-05-14；修回日期：2007-09-18基金项目：国家自然科学基金资助项目(60572130)；江苏省高校自然科学研究计划资助项目(07KJB510091)Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (60572130)；The Universities Natural Science Research Project of Jiangsu Province (07KJB510091)近年来，全球数以亿计的用户相继从移动电话和无线上网的PC中体会到了无线通信带来的巨大便利，无线化得到了市场的充分肯定，成为个人通信技术的发展主流。而无线个域网要求网络通信系统能够支持多用户、多速率高速数据业务。在这种大环境下，超宽带（UWB）无线通信以其高速率、高性能、低功耗、低成本等优势，在学术界、产业界以及国际化标准组织中受到广泛关注，被公认为是当今多媒体宽带无线通信网络中最有前途的候选方案之一1,2。最新研究表明35，虽然在多径密集环境下UWB是短距离、高速率多用户系统的首选方案，但在多用户环境下，多址干扰将导致系统容量和性能的下降。一个网络通信系统如果不能有效地支持多用户接入就很难有太大的吸引力。因此多址技术是实现UWB产业化的关键技术之一。对于脉冲无线电UWB（IR-UWB）系统，常见的多址接入方式有跳时（TH）扩频和直接序列（DS）扩频2种。UWB提出不久，基于IR-UWB系统固有的高处理增益，跳时扩频多址接入方式首先被应用到低占空比的IR-UWB多址系统中1,6。但是，随着传输速率的不断提高，信号占空比大大提高，导致TH多址方式优势的下降，DS多址方式又重新受到人们的关注。文献7，8提出了DS以及DS与TH相结合的混合多址算法，使得UWB多址技术变得更容易实现；而文献9则采用自适应最小均方误差（MMSE）算法解决多用户检测问题。但由于UWB信道中存在大量多径现象，使得MMSE的计算太复杂以至于这种算法不实用。文献10，11借鉴采用循环前缀（CP）的单载波通信系统的基本思想，利用块传输简化了基于MMSE的多用户检测过程，取得了比较好的效果。但为了避免块间干扰（IBI），需要在块之间插入循环前缀。当UWB信道延迟扩展比较大时插入的CP就比较长，降低了传输效率。文献4，12利用时分复用技术和单载波频域均衡技术对此进行了改进，实现了不需要插入CP就能消除IBI的目的。人们对正交频分复用（OFDM）超宽带（OFDM-UWB）系统的研究要迟于IR-UWB系统，目前有关多带OFDM-UWB多址算法的文献不多，代表性的主要有采用时频交织的多址算法（TF-MA）13。文献14从多级跳频多址算法15得到启示，提出了基于扩频与跳频的正交频分多址技术（OFDMA），提高了系统性能。本文在文献14的基础上进一步研究基于多载波扩频（MC-SS）、OFDM和跳频（FH）三级调制的多带OFDM-UWB多址算法（TSM-MA）。该算法通过MC-CDMA、OFDMA与FHMA技术的融合，实现多种技术的优势互补，充分利用各子载波的可用资源，减少多用户间的干扰，提高系统性能；同时采用二级扩频与二级跳频的机制，降低接收机的复杂度。文章第2节介绍了基于MC-SS、OFDM和FH三级调制的多带OFDM-UWB系统模型，第3节详细描述了TSM-MA算法，第4节给出了系统仿真结果和分析，第5节是结束语。2 系统模型2.1 系统多址模型基于MC-SS、OFDM和FH三级调制的多址算法是在原IEEE 802.15.3a工作组提出的多带OFDM-UWB时频交织多址算法14的基础上引入多载波码分多址（MC-CDMA）和多级跳频的机制，实现MC-CDMA、正交频分复用多址和跳频多址（FHMA）3种多址算法的优势互补。系统的多址模型如图1所示。图1 三级调制系统多址模型用户数据（信息比特）经过正交扩频编码形成OFDM调制信号，基带OFDM信号经过数/模（D/A）转换成为模拟信号通过跳频发送出去。其中MC-CDMA与正交频分复用多址构成微微网内多址，微微网内的不同用户通过正交码字和不同子载波区分；FHMA构成微微网间多址，微微网之间通过正交跳频码（图样）相互区分。这样既可获得比较高的多址容量又可通过频率分集效果提高抗频率选择性衰落和抗干扰能力。2.2 发射机模型为了减小子载波所经历的频率选择性衰落对用户扩频码正交性带来的影响，同时降低接收机的复杂性，在发射机中MC-CDMA分为二级进行，扩频码的码长分别为M和L，ML = N，其中N为子带的子载波数。发射机的模型如图2所示。图2 TS-MA发射机模型每个用户拥有3个用户码：2个MC-CDMA扩频码和1个FHMA的跳频码。经QPSK调制后的用户k数据xk(i)经QPSK调制后先与第一个用户码Ak(m) 相乘得到M个码片，m = 0，1，2，M-1；这M个码片分别与第二个用户码Bk(l) 相乘得到M组码片，l = 0，1，2，L-1，每组有L个码片。这ML = N个码片构成了N个子载波的输入数据。最后，经D/A转换后根据跳频码选择相应的射频频率（子带）调制发送出去。设用户编码后的数据速率为Rs，Rs = 1/Ts，则第k个用户的发送信号的等效形式可表示为(1)图3 TS-MA接收机模型其中，数据xk(i)为第k个用户在第i个OFDM符号中所传送的数据信息；是由跳频图样决定的、用户k第i个OFDM符号的射频调制频率，Df为子带子载波之间的频率间隔，Df Rs，g(t)为矩形脉冲函数，表达式为(2)值得注意的是，在该方案中采用基于频谱感知（CR）的动态信道分配技术实现OFDMA。也就是说，通过CR技术即时地关闭在通信过程中经历深衰落的信道，或根据用户当前数据速率减小的需求，关闭部分信道。这些空出的部分信道，可以留给系统内其他用户接入时使用。因为对某一用户来说是深衰落的信道，对其他用户来讲，并不一定是衰落信道。这样整个系统的容量就会得到提高，而关闭深衰落信道也提高了系统的可靠性。2.3 接收机模型在接收端，信号的处理过程与发送端相反，如图3所示。接收天线接收到的射频信号经下变频恢复基带模拟信号，其可表示为(3)其中,是第k个用户对应子载波（Lm+l）上的传输函数，n(t)是信道的等效高斯噪声。微微网之间不同用户的基带模拟信号通过正交跳频图样加以区分开来。这些基带模拟信号经模数（A/D）变换成OFDM符号后去除循环前缀后进入快速傅立叶变换（FFT）、信道估计与频域均衡后进行解扩（合并）。与发射机相对应，解扩也分二次进行。均衡后数据符号与用户码Bk相乘解扩得到M组码片，完成微微网内M个用户组的检测。这M组码片分别再与用户码Ak相乘解扩得到用户k的接收数据rk(i)，完成微微网内用户组中L个用户的检测。最后，经QPSK解调恢复原始信息数据。3 TSM-MA算法从图1 图3的TSM-MA模型中可以看出，一个具有N个子载波的子带分成M个频带，每个频带含有L个子载波，ML= N。每个用户数据，xk(i)，经Ak扩频后得到M个码片，这M个码片再经Bk扩频后得到ML= N个码片，作为子带的N个子载波输入。在插入循环前缀（Tcp）和保护间隔（Tg）后再经并/串变换输出一个周期为TSYM =Ts + Tcp + Tg的OFDM符号。用户k的数据经过二次扩频后根据跳频码选择一个子带发送出去，其中跳频码的设计采用基于余数域（RNS, residue number system）的二级跳频图样方案15。RNS的基本思想就是选择S个正整数m1，m2， ，mS作为“模”（moduli）。如果所有的“模”都是两两互素的正整数，那么用来描述第k个用户的跳频码地址Ck也就可以惟一地用其余序列表示,0Ck MS (4)其中Cks Ck(mod ms)，表示Ck对模ms的余数，是RNS的动态范围。根据中国剩余定理，对于任意（Ck1，Ck2，Cks，CkS）， 0 Cks ms，能够从接收到的余数数字中惟一地恢复出Ck的整数值，这样的整数Ck满足0 Ck MS，有且只有一个。假设整数C1、C2有RNS表达式，即(5)(6)那么C1C2可以产生另一个惟一的序列(7)在基于RNS的多级跳频方案中，各个跳频级频率个数必须满足两两互素。因此射频部分共占用12个子带，分为两级，第一级有3个子带，第二级有4个子带，即m1 = 3，m2 = 4，如图4所示。图4 二级跳频频率组成在时刻t，iTSYM t(i+1)TSYM ，射频调制（跳频）频率，i1 = 1, 2, 3，i2=1, 2, 3, 4。图4中，。因此，当第k个用户在时刻t（iTSYM t(i+1)TSYM）接入网络并发送数据xk(i)时，用户数据的传送按以下步骤进行：1) 经QPSK编码后的用户数据与第一个用户码正交扩频码Ak相乘，得到M个码片；2) M个码片经串/并变换后变成M路并行数据（码片）；3) M路并行数据分别与第二个用户码正交扩频码Bk相乘，得到M路、每路码片为L的输出数据（码片）；4) M路数据再经串/并变换后变成ML= N路并行数据（码片），产生OFDM信号；5) 插入循环前缀和保护间隔，形成一个周期为TSYM的OFDM符号；6) 利用第k个用户的跳频多址Ck和参考寄存器的瞬间值D，由式（7）得到余数序列(8)其中，表示RNS域中的参考寄存器（为每个用户的同步传输提供参考）。每当发生一次跳频时，D增加1。7) 由当前的决定调制频率 ，对OFDM符号进行射频调制； 8) 重复上述过程，直到第k个用户信息发送完毕。根据以上的多址算法，显然该系统可以支持个用户。当系统需要支持的用户数较少时，可以跳过步骤1）的正交扩频，直接将用户数据进行串/并变换，变成M路并行数据，以提高用户的数据传输速率。4 仿真与分析4.1 仿真参数利用文献16提出的多径信道模型对多带OFDM-UWB系统的多址性能进行仿真，系统的仿真考虑三种不同的信道环境：0 4 m的视距（LOS）信道（CM1）、0 4 m的非视距（NLOS）信道（CM2）以及多径时延扩展为25 ns的极端非视距信道（CM4），系统的仿真参数如表1所示。表1MB-OFDM-UWB系统方案基本参数参数参数值频带范围316810 296MHzNB：子带数12B：子带宽度528MHzN：子载波数128NST：实际使用子载波数122NSD：实际有效子载波数100f：子载波间隔4.125 MHz (= 528 MHz/128)Ts：IFFT/FFT 周期242.42 ns (1/f)Tcp：循环前缀长度60.61 ns (= 32/528 MHz)Tg：保护间隔长度9.47 ns (= 5/528 MHz)TSYM：OFDM符号长度312.5 ns (Tcp + Ts + Tg)调制方式QPSKJ：微微网个数12K：用户数12；24；48Rs：用户数据传输速率320；160；80（Mbit/s）4.2 仿真结果与分析图5图7考察了信噪比（Eb/N0）从-5dB到10dB变化中，TSM-MA算法与OFDMA算法以及TF-MA算法在不同环境（CM1、CM2信道）、不同激活用户数（12、24、48）时多带OFDM-UWB系统误比特率（BER）性能。其中图5所示的是12个用户被激活时不同算法BER性能与信噪比（Eb/N0）的曲线比较，图6所示的是24个用户被激活时不同算法BER性能与Eb/N0的曲线比较，图7所示的是48个用户被激活时不同算法BER性能与Eb/N0的曲线比较。从这些图中可以看出，无论是在LOS信道（CM1）环境中还是在NLOS信道（CM2）环境中，TSM-MA算法的多址性能要明显优于OFDMA算法和TF-MA算法的多址性能，并且随着信噪比Eb/N0和用户数K的增加，这种优势趋于明显。由于TSM-MA算法减少了多用户间的干扰，从而改善了系统的性能。一般来说，TSM-MA算法可以改善系统信噪比13 dB左右。图5 12个用户时系统BER性能 图6 24个用户时系统BER性能 图7 48个用户时系统BER性能图8所示的是在CM4信道环境下，24个用户数时三种不同算法的BER性能比较。此时，TSM-MA算法的优势更加明显。与OFDMA算法相比较，TSM-MA算法可以改善系统信噪比2 dB左右；与TF-MA算法相比较，TSM-MA算法可以改善系统信噪比45 dB左右。图8 CM4环境下，24个用户时系统BER性能为了更好地说明TSM-MA算法在多用户环境下的性能，图9示意了给定Eb/N0（5 dB）时不同环境（CM1、CM2信道）系统BER性能与用户数目K之间的关系。从图中可以看出，随着用户数K的增加，系统BER虽然渐渐上升，但TSM-MA算法始终保持着对OFDMA算法和TF-MA算法的优势。这是因为在TSM-MA算法中采用了基于CR技术的子载波动态分配技术，及时调整了各用户子载波的分配情况。在UWB系统中，对某一用户来说是深衰落的信道，对其他用户来讲不一定是衰落信道。这样基于TSM-MA算法的UWB系统可以充分利用信道资源。在大用户情况下CM2信道的性能趋于信道CM1的性能。但OFDMA算法和TF-MA算法却没有这种优势。图9 系统BER性能与用户数（K）的关系4.3 算法复杂度分析最佳的多用户检测技术不会简单地抛弃多用户干扰信号，而是充分利用这些干扰信号来估计出有用信号。为了充分利用系统中用户信号的信息，可以考虑采用最大似然检测技术（MLD）。但对于接收机而言，MLD需要知道所有用户的信息，算法的复杂度将随着用户数K的增加呈指数增长。因此，在TSM-MA算法中先对用户进行分组，用户的检测分三级进行。第一级完成微微网的检测，第二级和第三级完成两组扩频码的检测。这样每次检测时需要区分的用户数减少，使得每次利用MLD检测的算法复杂性大大降低，而且每次搜索序列的时间也大大缩短。因此，这种基于三级检测算法要比TF-MA算法具有更低的复杂性。在发送端，由于采用了CR技术，其复杂性略有增加。但与接收端多用户的检测复杂性相比，这种增加的复杂性可以忽略不计。5 结束语本文提出了基于三级调制的多带OFDM-UWB的多址模型及其TSM-MA算法，并与OFDMA算法以及TF-MA算法在不同环境下进行了比较。由于TSM-MA算法减少了多用户间的干扰，充分利用了各子载波信道的资源，使得TSM-MA算法的多址性能要明显优于TF-MA算法的多址性能，并且在接收机的复杂度方面也有一定的优势。仿真结果表明，TSM-MA算法可以改善系统信噪比3dB左右，并且随着用户数的增加或者环境的恶化，这种优势更加显著。参考文献：1WIN M Z, SCHOLTZ R A. 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