（电磁场与微波技术专业论文）mccdma系统中动态资源分配算法的研究.pdf

m c c d m a 系统中动态资源分配算法的研究 摘要 随着用户对高速无线数据业务的需求越来越大，下一代移动通信 系统的数据速率将会大大提高，m c c d m a 已成为下一代移动通信中 备受关注的技术之一。m c - c d m a 技术是正交频分复用( o f d m ) 和 码分多址接入( c d m a ) 结合的产物，兼具两者的优点。而动态资源 分配是无线通信系统中提高数据传输速率以及传输质量的重要措施 之一。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，提出了等效信道增益的概 念，通过将已有的方法和m c c d m a 结合，提出了3 种低复杂度的 载波分配方案。在此基础上又提出了2 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，5 种方案的复杂度与最优算法 相比都大大降低，而且性能接近最优，并高于传统的随机分配算法。 5 种分配方案性能按降序排列是a s a ，g g s a ，e s a ，e u s a ，s e s a 。 然后，提出了一种考虑了多用户干扰的新的判断准则，并与上面 提出的动态载波分配方案结合起来。考虑了多用户干扰的系统性能有 提高，而且通过仿真分析了四种不同检测合并方式对采用了新的判断 准则的系统性能的影响。论文还通过仿真验证了获得更多动态载波分 配带来的增益与频域分集增益是相互矛盾的。 最后，将原用于o f d m 系统的c h o w 算法与m c c d m a 系统结 合，提出了一种新的适用于m c c d m a 系统的自适应比特和功率分 配算法。优化目标是在系统数据速率和发射功率一定的前提下，使系 统余量最大。仿真结果表明采用新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。另外，本文还根据仿真证 明了较小的扩频因子会使自适应调制系统的性能更好。 关键词：m c c d m a 动态载波分配多用户干扰c h o w 算法 自适应比特功率分配最小均方误差合并 r e s e a r c ho n d a n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o n i nm c - c d m - as y s t e m a b s t r a c t w i mt h eg r o w i n gd e m a n df o rh i g h - s p e e dw i r e l e s sd a t as e r v i c e s t h e d a t ar a t eo ft h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i l lb e i n c r e a s e dt oag r e a te x t e n t m u l t i c a r r i e rc d m af m c c d m a ) jh a s d r a w ns i g n i f i c a n ti n t e r e s ta sam a j o rc a n d i d a t ef o rn e x tg e n e r a t i o n so f h i g h d a t ar a t em o b i l en e t w o r k s m c c d m ai s am u l t i c a r r i e r t r a n s m i s s i o n t e c h n i q u e t h a tm i g h tb ev i e w e da sac o m b i n e d o f d m c d m ac o m m u n i c a t i o n s y s t e m a c c o r d i n g l y , m c c d m a b e n e f i t sf r o ma d v a n t a g e so fb o t ht e c h n o l o g i e s t 1 l et h e s i sm a i n l yf o c u s e s o nt h ed y n a m i cc a r r i e ra l l o c a i t o na n da d a p t i v eb i ta n dp o w e ra l l c o 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 f m 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 h r e ea l g o r i t h m sa n dp r e s e n t s t w on 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 fl o wc o m p l e x i t y , w h i c h t r yt om a x i m i z et h ec a p a c i t yo ft h es y s t e mu n d e rc e r t a i nt r a n s m i s s i o n p o w e r 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 e c o m p l e x i t yo ft h e s e f i v e a l g o r i t h m s a r e g r e a t l y r e d u c e d b u tt h e p e r f o r m a n c eo ft h e s ef i v ea l g o r i t h m sa r ec l o s et ot h eo p t i m u m ，w h i c ha r e m u c hh 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 d e s c e n d i n go r d e ro ft h e s ea l g o r i t h m sa c c o r d i n gt op e r f o r m a n c ea r e ：a s a ， g g s a 。e s a 。e u s a ，s e s a t h e n an e wc r i t e r i aw i t hm u l t i - u s e ri n t e r f e r e n c ec o n s i d e r a t i o na r e p r o p o s e da n dc o m b i n e dw i t ha b o v ec a r r i e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m s t h e s y s t e r np e r f o r m a n c eh a si m p r o v e dd u et om u l t i u s e ri n t e r f e r e n c e c o n s i d e r a t i o n i n f l u e n c e so ff o u rd i f f e r e n td e t e c t i o na n dc o m b i n a t i o n m e t h o d so ns y s t e m st h a tb a s e do nt h en e wc r i t e r i aa r ea l s os i m u a l t e da n d a n a l y s i z o i f i n a l l y , a d a p t i n gt h ec h o w sa l g o r i t h mf r o mo f d ms y s t e m st o c d m a s y s t e m s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa na d a p t i v eb i ta n dp o w e ra l l o c a t i o n a l g o r i t h m t h eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v ei st om a x i m i z et h em a r g i nu n d e r c e r t a i nd a t ar a t ea n dt r a n s m i t t i n gp o w e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e a l g o r i t h mp e r f o r m a n c e i sm u c hb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a lf i x e db i ta l l o c a t i o n a l g o r i t h m 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 f t h ea d a p t i v em o d u l a t i o ns y s t e mu s i n gs m a l l e rs p r e a d i n gf a c t o r si sb e t t e r t h a nt h a tu s i n gb i g g e rs p r e a d i n gf a c t o r s k e yw o r d s ：m c c d m a d y n a m i cc a r r i e ra l l o c a t i o na d a p t i v e b i tp o w e ra l l o c a t i o nc h o wa l g o r i t h m m m s e c m 图表目录 图2 - 1m c - c d m a 下行链路系统结构 4 。8 1 0 图2 - 2m c c d m a 下行链路收发射机模型。 图3 - 1 使用动态资源分配的多用户m c - c d m a 系统模型1 8 图3 - 2 划分扩频支路的示意图。2 3 图3 - 3s e s a 动态载波分配方案的流程图2 4 图3 - 4e s a 动态载波分配方案的流程图2 5 图3 - 5a s a 动态载波分配方案的流程图2 7 图3 - 6e u s a 动态载波分配方案的流程图。2 9 图3 7g g s a 动态载波分配方案的流程图。3 0 图3 8 b r o a d b a n dc h a n n e lm o d e l 宽带信道模型3 3 图3 - 9 用户数= 1 2 8 时，采用e s a 、s e s a 、随机分配方案的系统容量比较3 5 图3 1 0 用户数= 2 5 6 时，采用了e s a 、s e s a 、随机分配方案的系统容量的比较3 6 图3 1 1 用户数= 5 1 2 时，采用了e s a 、s e s a 、随机分配方案的系统容量的比较3 6 图3 1 2 用户数= 1 2 8 时，采用a s a 、e s a 、s e s a 、e u s a 、随机分配方案的系统容量 比较3 8 图3 一1 3 用户数= 2 5 6 时，采用a s a 、e s a 、s e s a 、e u s a 、随机分配方案的系统容量 比较3 8 图3 一1 4 用户数= 5 1 2 时，采用a s a 、e s a 、s e s a 、e u s a 、随机分配方案的系统容量 比较3 9 图3 - 1 5 用户数= 8 时，采用最优分配、a s a 、随机分配方案的系统容量比较3 9 图3 - 1 6 用户数= 5 1 2 时，采用e s a 和g g s a 方案的系统容量比较4 0 图3 1 7 用户数= 3 2 时，采用e s a 和g g s a 方案的系统容量比较4 0 图3 1 8 用户数= 1 2 8 时，采用a s a 。, e s a , e u s a 和随机分配方案的b e r 比较4 1 图3 一1 9 用户数= 5 1 2 时，采用a s a ，e s a ，e u s a 和随机分配方案的b e r 比较4 2 图3 - 2 0 用户数= 5 1 2 时，采用a s a ，g g s a 方案的b e r 比较4 3 图3 - 2 1 用户数= 1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 ，2 5 6 ，5 1 2 时e s a , e u s a , g g s a 算法分配矩阵一致 性程度的比较4 4 图4 1 使用动态资源分配的多用户m c - c d m a 系统模型4 7 图4 - 2b r o a d b a n dc h a n n e lm o d e l 宽带信道模型5 l 图4 3 用户数= 1 2 8 时，采用e s a 和i e s a 分配方案的b e r 比较5 3 图4 _ 4 用户数= 5 1 2 时，采用e s a 和i e s a 分配方案的b e r 比较5 3 图4 5 用户数= 1 2 8 时，采用a s a 和i a s a 分配方案的b e r 比较。5 4 图4 6 用户数= 5 1 2 时，采用a s a 和i a s a 分配方案的b e r 比较一5 5 图4 7 用户数= 2 5 6 时，采用i e s a 、i e u s a 和i a s a 分配方案的b e r 的比较5 5 图4 8 用户数= 5 1 2 时，采用i e s a 、i e u s a 和i a s a 分配方案的b e r 比较5 6 图4 9 用户数= 5 1 2 时，采用不同检测合并技术的i a s a 算法的b e r 比较5 7 图4 1 0 载波划分示意图5 8 图4 1 1 用户数= 1 2 8 时，采用i a s a ，连续划分载波组和间隔划分载波组的系统容量比 较! ；9 图4 - 1 2 用户数= 1 2 8 时，采用i a s a ，连续划分载波组和间隔划分载波组的系统b e r 比较5 9 图5 - 1自适应m c - c d m a 系统框图6 3 v i 图5 - 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 - 6 表3 - 1 表3 - 2 表3 - 3 表4 - 1 表4 1 2 表5 1 表5 - 2 b r o a d b a n dc h a n n e lm o d e l 宽带信道模型矾 c h o w 算法比特分配结果与相应等效子载波的对应曲线7 0 c h o w 算法与传统的等比特分配算法的b e r 比较曲线。7 0 c h o w 算法实际误b e r 和理论b e r 比较的曲线 采用不同扩频因子的b e r 比较的曲线 不同子载波分配方法复杂度的比较 信道参数 系统仿真参数 信道参数。 系统仿真参数。 7 1 7 1 3 3 3 4 5 1 信道参数6 8 系统仿真参数 6 8 独创性( 或创新性) 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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：碑 日期：型净猛旦 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：兰鏊婴它日期：2 1 旦i 海墨出旦 导师签名：日期： 第一章绪论 随着社会的发展，人们期望能随时随地、不受时空限制地进行信息交流与 通信，而只有移动通信才能满足这种需求。在近l o 年中，移动通信技术已成为 当今发展最迅速、应用最广泛、最引人瞩目的通信技术。近几年来，中国的移动 通信以几乎每年翻一番的速度突飞猛进，已挤身于世界发达国家水平之列。移动 通信从早期的a m 、f m 发展到今天的f d m a 、t d m a 直至c d m a ，每个话音 信道的带宽从早期的1 0 0 k h z 、5 0 k h z 发展到今天的2 5 k h z 、1 2 5 k h z ，甚至 6 2 5 k h z ，频谱的利用率提高了1 0 0 倍。当前，无线电移动通信发展日新月异， 新业务、新技术层出不穷。 1 1 移动通信的发展 移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。1 8 9 7 年，m g 马可尼所 完成的无线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为1 8 海里。 现代移动通信技术的发展始于本世纪2 0 年代，大致经历了五个发展阶段。 第一阶段从本世纪2 0 年代至4 0 年代，为早期发展阶段。在这期间，首先在 短波几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车 载无线电系统。第二阶段从4 0 年代中期至6 0 年代初期。在此期间内，公用移动 通信业务开始问世。1 9 4 6 年，世界上诞生了第一个公用汽车电话网，称为”城市 系统”。第三阶段从6 0 年代中期至7 0 年代中期。在此期间，美国推出了改进型 移动电话系统( 1 m t s ) ，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择并能 够自动接续到公用电话网。第四阶段从7 0 年代中期至8 0 年代中期。这是移动通 信蓬勃发展时期。1 9 7 8 年底，美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统 ( a m p s ) ，建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。第五阶段从8 0 年代 中期开始。这是数字移动通信系统发展和成熟时期。 从技术层面，又可以分为：第一代移动通信，第二代移动通信，第三代移动 通信，第四代移动通信。 第一代商用无线移动通信系统出现于2 0 世纪8 0 年代初【2 】，主要包括模拟蜂 窝何无绳电话系统。典型的模拟蜂窝系统有美国的a m p s ，德国的c - - 4 5 0 ，欧洲 的t a c s 和日本的n ，兀系统。这些系统的特点是采用模拟频率调制，而且均采 用了频分( f d d ) 双工方式，即上下行链路使用分开的频段使用频分多址技术 ( f d m a ) 。 第二代无线移动通信系统出现于2 0 世纪8 0 年代末，其中大部分系统都采用 时分多址( t d m a ) 技术，如欧洲的g s m 和d c s l 8 0 0 ，美国的i s 5 4 ，日本的p d c 。 在t d m a 中，时间轴被划分成不重叠的时隙，每一个用户使用分开的时隙，但 使用全部的频率。一般情况下，可以将t d m a 和f d m a 结合起来使用，以减小 硬件的复杂度，增加系统的灵活性。第二代移动通信除了以t d m a 为基础外， 还有采用码分多址( c d m a ) 的，如美国的i s 9 5 。与第一代模拟蜂窝系统相同， 第二代数字蜂窝系统也使用f d d 双工方式。 国际上对3 g 蜂窝系统的研究起源于2 0 世纪8 0 年代中期【2 】。第三代无线移 动通信系统的目标是建立一个全球统一的通信标准，并逐步融合和取代现有的第 2 代数字蜂窝系统，p c s 系统何移动数据业务。与从前以模拟技术为代表的第一 代和目前正在使用的第二代移动通信技术相比，3 g 将有更宽的带宽，其传输速 度最低为3 8 4 k ，最高为2 m ，带宽可达5 m h z 以上。1 9 9 9 年1 1 月，i t u 最终确 定了以欧洲提出的w c d m a 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 和我国提出的t d - s c d m a 三大主流技术作为i m t - 2 0 0 0 的标准。第三代移动通信不仅能传输话音，还能传 输数据，从而提供快捷、方便的无线应用，如无线接入i n t e m e t 。能够实现高速 数据传输和宽带多媒体服务是第三代移动通信的另个主要特点。第三代移动通信 网络能将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，提高无线频率利用效 率。但第三代移动通信仍是基于地面、标准不的区域性通信系统。 2 0 0 0 年1 0 月6 日国际电信联盟( i t u ) 在加拿大蒙特利尔市成立了“i m t2 0 0 0 a n db e y o n d ”工作组，开始了对4 4 3 的研究。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4 4 3 通信系统具有比3 g 更加优良 的性能，因此是一个远比3 g 复杂的通信系统。4 ( 3 将要采用的关键技术主要有： 正交频分复用( o f d m ) 【4 】技术，调制和编码技术，无线链路增强技术，智能天线 技术，多用户检测技术，软件无线电技术以及基于口的核心网。 1 2m c c d m a 技术产生的背景及简介 移动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。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 2 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 ) 技术能有效地抵抗频选衰落和窄带干扰而且具有频 谱利用率高的特点，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信道上，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 d 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 l ) 。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。 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 6 1 ：多载波直接扩频序列c d m a ( m c d s c d m a ) ： 多音c d m a ( m t c d m a ) ；多载波c d m a ( m c c d m a ) 。前两种方案中，可 用的频谱被分成n 个等宽度的频带，在频域内进行窄带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展码对 原始数据流进行扩展，然后用每个码片对不同子载波进行调制，即扩展在频域 进行。 1 。 m c c d m a 的接收机在频域上能充分聚集信号的能量，从而做出最佳判决； 而m c d s c d m a 在时域上不能完全聚集信号能量，因此，m c - c d m a 性能要优 于m c d s - c d m a 。同时，m c c d m a 的一个o f d m 符号包含多个窄带的子载 波信号，可通过选择适当的子载波数目，使得每个子载波信号的符号周期远大于 时延扩展，所以m c c d m a 对信道的时延扩展不敏感；当相同的信息符号在不 同的子载波上同时发送时，一般来说，由于发生所有的子载波都同时处于深衰落 中的概率极小，因此m c c d m a 可以达到频率分集的效果。此外，m c c d m a 技术采用频域扩频，在频域内实现有一定的自由度，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 均衡技术结合，实现的复杂度较低。此外，m c c d m a 具有最佳的频谱分布， 抗干扰性能力强，而且发射机的实现较简单。 m c c d m a 系统采用频域扩频的基本过程是1 5 】：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，因此，若扩频码的长度 为，则调制到n 个子载波上，对应的这个子载波传输的是相同的信息数据。 图1 - 1 是m c - c d m a 实现的基本原理图。a l 陆i 表示第i 个用户的输入数据序列 中的一个调制符号，b ，o ，q ，l ，c t - 。j 是与第i 个用户对应的扩频码， 3 抚，厶， 一。 是一组正交的子载波集，其频谱相互重叠。 1 一 二熏!墨 i 一 l 办 一n y 厶 l冀 l ，圆 围l 一1m c - c d m a 基奉原理图 m c c d m a 结合了o f d m 和c m d a 的优点：可以选择扩展因子，使得所 有的子载波不可能都位于深衰落中，因此获得频率分集；抗频率选择和脉冲噪声、 高频谱效率以及充分使用的频率分集，提供高灵活性，窄带抗干扰能力，且易于 发射机实现。在接收端，m c c d m a 信号还可以用相对简单的f f t 和频域集合 并的接收机结构检测，即m c c d m a 可以将散布在频域内的能量收集在一起， 比起d s c d m a 中的r a k e 接收机试图收集时域的能量要容易得多。o f d m 和 c d m a 两种技术的结合可以克服其内部限制，并产生提供好性能和吞吐量容量 的高数据速率的传输方案。而且，现代d s p 技术使得m d c d m a 的实现可行且 非常有吸引力。这些信号可以很简单地用f f t 被发送接收，且由于最小化密集 的子载波间隔而获得高频谱效率，所以m c - c d m a 是未来4 g 的高速率无线通 信非常有希望的候选。目前，日本的d o c o m o 公司和欧洲的下一代移动通信系 统研究计划中，都选择了m c - - c d m a 技术作为物理层传输技术。 1 3 动态资源分配在多载波系统中应用的必要性 无线通信有别于有线通信很重要的一点就是无线信道的动态性圆，这主要是 指信道传播的开放性和信道参量变化的时变性引起信道的频率选择性衰落和时 变衰落。用户的移动也会导致接收环境( 室内、市区、郊区及农村) 的复杂性和 接收地点的随机性。此外，随着移动业务的丰富，用户采用的多种应用，多媒体 4 流量的变化，不同用户的优先级等等，都具有变化性。这些动态变化增加了系统 设计的困难，如果采用固定技术，为了保证可用性就只能按照信道性能较差的情 况和最低要求设计。这在信道较好的情况下会造成很大的资源浪费，尤其在无线 通信中，频谱、功率等资源都是相当宝贵的。因此采用自适应的方法，根据信道、 业务要求的变化改变系统中的某些参数，是无线通信系统中提高频谱利用率的重 要手段。尤其是在未来的第四代系统中，各种类型的无线业务( 语音、数据和多 媒体) 的广泛应用更需要进一步提高无线容量和速率，动态资源分配是必不可少 的。 多载波系统处在频率选择性衰落环境中时，存在一些典型的子载波，它们处 于深衰落而且没有足够的功率来承载任何信息比特。在随机分配时，这些载波恰 好分配给那些不能使用它们的用户，就造成了浪费。然而在一个用户中呈现出深 衰落的子载波不一定在其他的用户中也处于深衰落。事实上，一个子载波在所有 的用户中处于深衰落几乎是不可能的，因为不同用户的衰落参数是完全独立的。 所以我们就要考虑一种瞬时信道特性为每一个用户分配载波、功率、比特的动态 资源分配的方法。这种方法使得所有的子载波都能更有效地被利用，提高了系统 性能。 综上，动态资源分配已经成为提高数据传输速率以及传输质量的一种重要途 径，本论文也将着重讨论m c - c d m a 系统中的动态资源分配技术。 1 4 论文的主要工作 本论文主要研究了m c c d m a 系统中的动态资源分配算法。包括多用户的 动态载波分配和单用户的自适应比特、功率分配算法的研究。 论文共分为六章，第一章主要介绍了有关移动通信系统的发展，并且对 m c c d m a 技术产生的背景和m c c d m a 技术做了简单描述，并阐述了论文的 主要工作。 第二章主要介绍了m c c d m a 系统的基本原理。首先描述了m c c d m a 系 统的系统结构，接着阐述了m c c d m a 系统中采用的扩频码，然后详细描述了 m c - c d m a 系统的收发机原理。最后对接收端检测合并技术做了进一步的阐述。 第三章根据m c c d m a 系统的自身特点和实用性，移植了3 种载波方案并 提出了2 种新的适用于m c c d m a 系统的动态载波分配方案。详细介绍了算法 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 t 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。 第四章提出了一种考虑多用户干扰的新的判断准则，详细介绍了新的判断准 则的实施过程，用m a t l a t 仿真分析了采用准则后的算法不同方面性能的比较。并 5 分析了不同检测合并方式对系统性能的影响，以及频率分集和动态载波分配方案 对系统性能的不同影响。 第五章将c h o w 算法和 l c c d m a 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，并与最优算法和传统等比特分配进行了比较。并分 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了总结，并指出了进一步研究工作的改进和发 展的方向。 6 第二章m c c d m a 系统基本原理 m u l t i - c a r r i e r c d m a 是最早提出的多载波c d m a 方案。分别由8 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，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。目前发展成熟的d s c d m a 技术已经广泛应用于无线通信领域，但是在未 来的宽带移动通信系统中，其容量将遭受到严重的码间串扰的影响。m c c d m a 系统在频域上，利用了c d m a 的正交扩频码，实现多个用户同时使用同一频率 资源：在时域上，经串并变换它将数据分到各子载波上，作为子载波并行高速传 输。这样，一方面满足了多用户资源共享的需求，另一方面，通过降低子信道码 速，起到抗码间干扰的作用，从而改善了系统的误码率。这些优势势得m c c d m a 系统成为第四代移动通信系统非常有竞争力的候选方案。这一章就将重点介绍 m c c d m a 系统的基本原理。 7 2 1m c c d m a 系统模型 图2 - 1m c - c d m a 下行链路系统结构 图2 1 给出了m c c d m a 的一种下行链路系统结构【1 6 1 1 i j n 。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y 址，由于信道 的作用，y “与毗相比幅度与相位都受到畸变，同时还含有加性噪声和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。最后进行解扩。从图中可以看出与0 f d m 系统的信道 均衡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 频畸变在m c - c d m a 系统中是分别处理的。 8 2 1 。2 扩频码在m c - c d m a 系统中的使用 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，8 c - c d m a 的系统结构 与0 f d m 相同。i 虻- c d i & 比o f 眺多了将用户数据利用扩频码集扩展到多个子信道 的过程，这也可认为m c c d m a 是在o f 咖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( 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o s u 9 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做为用户的扩频序列l i ”。 w a l s h 函数是一类取值于l 与一1 的二元正交函数系，它有多种定义方法， 常用的是h a d a m a r d 编码法，工s 9 5 中就是采用这类方法口一般，t t a d a m a r d 矩 阵是一方阵，由以下递推关系得到： q = e = 般：复卜， ( 2 1 ) ( 2 2 ) 其中h 州是2 州2 州矩阵，h 。是2 n 2 。矩阵，矩阵h 。的每一列或每一行都可 以作为一个用户的正交码。任意两个码之间的为零，即这些码是相互正交的。 9 2 1 3m c - c d m a 的下行链路收发机模型 用户1 的扩频码 图2 - 2m c - c d m a 下行链路收发射机模型 m c - c d m a 是将c d m a 和o f d m 相结合的技术，它是在频域上将每个数据 符号重复并与高速的扩频码相乘而得到的，它是在频域上的扩频。在多载波系统 中纠，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，同时更容易实现同步，因此每个子信道可认为是频 率非选择性衰落信道。m c c d m a 的收发射机模型见图2 - 2 。m c c d m a 发射端 在s f * r 个载波上发送r 个数据比特的s f * r 个码片，即通过原始数据流的串并 l o 行转换，增加了码片持续时间从而避免频率选择性衰落。假设系统有k 个用户， 每个用户数据经历同样的过程。图中画出了每个用户数据进入系统后的变化过 程，以第u 个用户为例介绍，其他用户相同。 第“个用户，输入的数据序列首先串并变换成r 路，这r = n s f 路输出的数 据可以表示为 x 。a 0 ，h 2 【司，h 正司) ，屯。【f 】为第n 路上的第i 个信息比特。第 “个用户的扩频序列为j 。= b 。，j 。( s t - o r 。其中s f 为扩频码字长度，即为 扩频因子。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，然后每 s f 路相同的数据与第u 个用户对应的的扩频码相乘，实现原始数据频域扩频。 每个用户数据都进行与第u 个用户相同的复制扩频过程，然后合并m 个用户的 数据，接着将扩频后的路数据进行硐f 1 r 变换和并串变换，插入保护间隔只。 为了消除因多径传输而导致的码间干扰，保护间隔要大于信道最大时延扩展。考 虑到是下行链路发送，信号将在基站端发送，因此需将所有用户的发送信号线性 叠加后形成发射信号，经过成形滤波器后，由射频单元发射。 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，然后解交织。在解交织之后要通过信道估计来获取信道信息从而完成 以后的检测。m c c d m a 系统既可以将信道均衡和信号解扩一起进行，也可分 开进行：将第u 个用户每路子载波的接收信号乘以加权因子完成信道均衡和信号 解扩时，增益因子不但包含信道信息，还有扩频码信息，也就是将信道均衡和信 号解扩一起进行了。而如果增益因子只与信道特性有关，那么说明是将信道均衡 和信号解扩分开进行的。然后送入解调器进行判决，最后恢复出原始信息数据。 2 2 常用信号检测合并技术 不管采用什么样的检测技术，其主要日的是减少衰落和干扰以及噪声对判决 发送信号时的影响。本节主要讨论常用的基本的四种检测合并技术分别为：恢复 正交性合并( o r c ) 、等增益合并( e g c ) 、最大比合并( m r c ) 和最小均方误差合 并( m m s e c ) 。 为了方便分析，我们只分析一个调制符号在m c c d m a 系统中的扩频以及 解扩合并过程。制解调部分、加去保护间隔和信道部分均略去，此处我们假设 信道均衡与信号解扩一起进行，即所用增益因子是信道信息和扩频码信息的函 数。输出的判决变量表达式p 1 为 ( 2 3 ) ) g ，f z ) ：篁| i l 。d 】毛。p p 。【雄】+ ( f z ) ( 2 - 4 ) y 0 ，f 巧) 和o z ) 分别表示接收信号的基带复数等效表达式和复加性高斯白噪 声。g 。( 行) 就是第u 个用户在每路子载波需要乘的加权因子，包含用户扩频码信 息和相应的信道信。九。 f z 】是第u 个用户在对应第n 路子载波上的传输函数。 等式( 2 3 ) 可以进一步表示为 丸( f f ) = g 。( n ) 。 i r ；l x , ，p k m (25)k-i s f- i 即一 + 既) 以，f 刀k ，。【巾。加卜- 岛o ) ( f 刀) 式( 2 5 ) 的第一项是有用信息，第二项是其他用户的干扰( m u d ，第三项是加性噪 声干扰。接收机的目的就是要尽可能消除第二项和第三项带来的影响。在以下的 合并算法中，不考虑其他用户的干扰，第二项的值为零。假设在合并前，我们已 获得了准确的信道信息。接下来的公式表达中，为简便起见，省略了抽样时间序 号f 。 2 2 1 正交恢复合并( o r t h o g o n a l l t yr e s t o r i n gc o m b i n i n g ) 正交恢复合并( o r c ) 又称迫零检测，此方法是在接收机端纠正信道的相位 和幅度衰落，迫使多用户干扰为零，恢复不同扩频序列之间的正交性。其增益因 子g 。( 力可以表示为： 氏( n ) = 屯o 勋。) 帆。1 2 ( 2 - 6 ) 从而对第“个用户的判决变量是： 执+ 善学。 从式( 2 - 6 ) ，( 2 - 7 ) n - 氪i ，接收到的信号乘以信道频率响应的倒数，解扩后可以恢 复原始数据，理论上这样处理能完全消除多址干扰的影响。但衰落大的子载波的 k ，。l 较小，这样导致邑( n ) 过大，使得均衡后