（通信与信息系统专业论文）基于mccdma系统的降低峰均功率比的算法研究.pdf

摘要 基于m c c d m a 系统的降低峰均功率比的算法研究 专业：通信与信息系统 硕士生：周阳广 指导教师：戴宪华教授 摘要 作势o f d m 技术和c d m a 技术的结合的三耪方案之一，m c c d m a 具有频 谱效率高、抗多径能力强及抗干扰能力强等许多特点，被广大学者认为是下一代 无线移动通信的关键技术之一：但同时，m c c d m a 信号具有很高的峰均功率 比( p a p r ) ，不仅对功率放大器的动态范围要求非常高，而且增加了刘d 和d a 转换器的复杂度。因此，降低m c c d m a 系统的峰均功率比( p a p r ) 非常重要， 也具有很实际的意义。 论文深入研究了降低m c - c d m a 系统峰均功率比的各种算法，雩| 入一释在 o f d m a 系统上行链路降低峰均功率比的算法，在此基础上对其做了改进，并对 其进行了仿真实验。 ，选择性映射( s l m ) 和部分传输序列( p t s ) 是两种有效降低信号峰均功率 比的无损算法。论文在此弓| 入了一种只需一次i f f t 变换的s l m 算法( 我们简 称之o s l m ) ，这种算法虽然有效降低了系统复杂度，但同时也降低了相应的性 能。论文针对这种构造特殊扰码并剩用d f t 的循环卷积性质的算法做了深入研 究并仿真，同时也发现这组特殊扰码是相互不独立的，这也因此造成了系统性能 并不是很好，在此基础上论文提出了一种改进( 我们简称之m s l m ) ，构造了一 组与原信号具有穗阍信息的新信号，仿真表明在不过多增大原算法系统复杂度的 基础上新算法m s l m 性能明显要比原算法( o 。s l m ) 好了很多。同时，论文还 深入研究了改进算法m s l m 与p t s 算法之间的关系并做了详细的对比分析。 总的来说，改进后算法m s l m 具有以下特征： 一，基于原算法扰码的不独立特征，构造了一组与原信号具有相同信患的薪 川 摘要 信号，从而增多了可以选择的组数以达到更好的降低峰均功率比的效果。仿真表 明新算法m s l m 明显比原算法o s l m 在性能上有了很大的提高，更能有效地降 低系统信号峰均比，特别是在载波数较大时，效果更明显，已经相当接近于p t s 算法。 二，复杂度分配合理，改进后算法( m s l m ) 复杂度主要增加在构造的新 信号上，实际的复杂度仅仅比原算法( o s l m ) 高了一点，比s l m 算法和p t s 算法复杂度有了显著减少。论文中将会详细阐述。 关键词：m c c d m a ，峰值平均功率比，选择性映射，部分传输序列 r e s e a r c ho n a l g o r i t h m so fr e d u c t i o no f p e a k - t o a v e r a g ep o w e r r a t i oi nm c - c d m a s y s t e m m a j o r ： c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ： y a n g g u a n gz h o u s u p e r v i s o r ：p r o f x i a n h u ad a i a b s t r a c t a so n eo ft h r e ek i n d so fc o m b i n a t i o n so fo f d mw i t hc d m a ，m u l t i - c a r r i e r c d m a ( m c c d m a ) h a sl o t so fa d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c y , r o b u s t n e s sa g a i n s tm u l t i - p a t hf a d i n g ，e x c e l l e n ti n t e r f e r e n c er e j e c t i o nc a p a c i t ya n ds o o n m a n ys c h o l a r sb e l i e v ei t i sak e yt e c h n o l o g yf o rn e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n h o w e v e r , m u l t i c a r r i e rc d m as i g n a l ss h o wh i g hp e a k - t o - a v e r a g e p o w e rr a t i o ( p a p r ) ，r e q u i r i n ga m p l i f i e r sw i t hl a r g ed y n a m i cr a n g ea n di n c r e a s i n gt h e c o m p l e x i t yo fa d c a n dd a c s o ，p a p rr e d u c t i o ni nm c - c d m as y s t e mb e c o m e s s i g n i f i c a n ta n dm a k e sp r a c t i c es e n s e i nt h i sp a p e r , w ec o n c e n t r a t e do np a p rr e d u c t i o ni nm c - c d m as y s t e ma n d i n t r o d u c e das l m a l g o r i t h mw i t ho n l yo n ei f f to p e r a t i o na p p l i e dt oo f d ms y s t e m b a s e do na b o v er e s e a r c h ，w ep r o p o s e dai m p r o v e ds l ma l g o r i t h ma n de m u l a t e di n c o m p u t e r s s e l e c t i v em a p p i n g ( s l m ) a n dp a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e ( p t s ) a r et w ol o s s l e s s a l g o r i t h m sw h i c hc o u l dr e d u c et h ep a p ro fs i g n a l s i nt h ep a p e r , w en a m e d t h es l m a l g o r i t h mw i t ho n l yo n ei f f ta so - s l m a l t h o u g ho - s l m r e d u c e dt h ec o m p l e x i t yo f o f d ms y s t e m ，i td i dn o ts h o wt h eb e t t e rp e r f o r m a n c ec o m p a r e ds l ma l g o r i t h m 0 一s l ma l g o r i t h mc o n s t r u c t e du n i q u es c r a m b l i n gc o d e sa n dm a d eu s eo fc i r c u l a r c o n v o l u t i o no fd m t t h r o u g hd e e pr e s e a r c h , w ef o u n dt h a tt h eu n i q u es c r a m b l i n g c o d e sw e r en o ti n d e p e n d e n t , w h i c hl e dt ot h ew o r s ep e r f o r m a n c e s ow ep r o p o s e da i m p r o v e ds l ma l g o r i t h ma n dn a m e di ta sm - s l m f i n a l l yw ee m u l a t e dt h eo s l m v a n dm - s l ma l g o r i t h m si nc o m p u t e r sa n dc o m p a r e dt h e mw i t hp t s i nb r i e f , t h ep r o p o s e da l g o r i t h mm - s l mh a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ： f i r s t l y , w ec o n s t r u c t e dan e ws i g n a lw i t ht h es a m ei n f o r m a t i o no fo r i g i n a ls i g n a l b a s e do nt h ei n d e p e n d e n c eo fs c r a m b l i n gc o d e s ，w h i c hl e dt ob e t t e rp e r f o r m a n c ei n r e d u c t i o no fp e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o n o fs i g n a l s s i m u l a t i o ns h o w st h a t c o m p a r e dw i t ho s l ma l g o r i t h m ，m - s l mh a dg o tb e t t e rp e r m a n c ei nr e d u c t i o no f p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o n o fs i g n a l s ，e s p e c i a l l y i nt h es y s t e mw i t hl a r g e r m u l t i c a r r i e r s ，a n dt h ep r o p o s e da l g o r i t h mm s l mh a da p p r o a c h e dp t sa l g o r i t h mi n t h ep e r m a n c eo fr e d u c t i o no fp a p ro fs i g n a l s s e c o n d l y ，c o m l ；l e x i t ya l l o t m e n ti sr e a s o n a b l e t h ep r o p o s e da l g o r i t h mm 。s l m h a sal i t t l em o r ec o m p l e x i t yc o m p a r e dw i t ho - s l m ，b u tr e m a r k a b l yl e s st h a ns l m a n dp t s ，w h i c hw o u l db ep r o v e di nd e t a i li nt h ep a p e r k e yw o r d s ：m u l t i c a r t i e r c d m a ( m c c d m a ) ，p e a k - t o - a v e r a g ep o w e r r a t i o ( p a p r ) ，s e l e c t i v em a p p i n g ( s l m ) ，p a r t i a l t r a n s m i ts e q u e n c e ( p t s ) 论文原创性声明 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作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。 学位论文作者签名：同f ， 日期：z p ，富年f , e l ge t 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：闱f 日期：扣- 彦年y 月占e t 导师签名：戴窆犟 日期：坼c 月e t 第l 章引言 1 1 研究背景 第1 章引言 移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分。目前，移动通信已从模拟 通信发展到了数字移动通信的阶段，并且正朝着个人通信这一更高级阶段发展。 未来移动通信的目标是，能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通 信服务【1 】【2 】。 二战期间种种军事上的需求导致移动通信技术的迅猛发展，二战后，移动通 信开始转为民用，从二十世纪八十年代初模拟蜂窝移动通信系统出现以来，移动 通信更是以前所未有的速度迅猛发展【2 】 【3 】： 第一代移动通信系统出现在二十世纪七十年代中期，采用模拟调制技术，主 要提供话音业务。但由于频谱利用率低、保密性差、业务单一，逐渐被第二代移 动通信系统所代替。 第二代移动系统出现在二十世纪八十年代中期，采用数字调制技术，除提供 话音业务以外，还能提供少量短信信息服务，并能提供更高的网络容量，改善话 音质量和提高保密性，同时引入无缝的国际漫游。但随着人们对通信业务范围和 业务速率要求的不断提高，已有的第二代移动通信网很难满足新的业务要求。 第三代移动通信系统投入商用以后，多媒体业务将广泛使用起来。而单纯使 用c d m a 技术的3 g 系统的局限性，包括在传送速率、服务质量、无缝传输等 方面的局限也将日益显现。一个具有更宽带宽，更高传输质量，随需而自适应的 下一代通信系统是我们的研究目标。而在当前能提供高速率传输的各种解决方案 中，正交频分复用( o f d m ) 技术凭借其固有的对多径时延扩展的抵抗力和较高 的频谱效率两大优势迅速成为研究的热点1 4 ，【5 1 ，极有可能成为下一代移动通信的 关键技术之一【6 】，并且该技术已被应用到多个国际规范中，如欧洲的数字音频广 播( d a b ) 1 7 和数字视频广播( d v b ) 【扪、基于i e e e s 0 2 1 1 的w l a n t 9 】以及基 于现有铜双绞线的非对称数字用户环路( a d s l ) t l o l 等等。 第l 章引言 1 2 选题意义 与有线信道不同，无线信道具有多径特性【1 1 】，它使接收信号相互重叠，产生 符号间干扰( i s i ) ，传输速率越高，码片持续时间越短，使得信道的符号间干扰 ( i s i ) 越严重。为解决此问题，人们提出了多载波调制技术，并通过串并转换， 使得高速率数据流分成多个并行的低速率数据流，然后调制到多个子载波上进行 传输，这样，由于大大延长了子载波码元的持续时间，有效地抵抗了符号间干扰 ( i s i ) 。 正交频分复用( o f d m ) 是多载波调制技术的一种，与其他多载波调制技术 有所不同，它具有很多的优势【3 】【1 2 】：频谱效率高，良好的抗频率选择性衰落，系 统结构简单，成本低等等。 正是由于以上优点，o f d m 技术具有非常良好的应用前景，广大学者普遍 认为它是下一代无线移动通信的关键技术之一。但是，o f d m 技术也存在不少 问题，主要集中在以下两个方面【1 3 】，【1 4 】【1 5 】： 1 ) ：o f d m 对频率偏差和相位噪声敏感。 o f d m 系统要求各子载波之间满足严格的正交性，任何的载波频偏都会破 坏子载波的正交性，引起i c i ，同样，相位噪声也会导致码元星座点的旋转和扩 散，从而形成i c i ，导致系统性能迅速恶化。 2 ) o f d m 信号存在较高的峰值平均功率比。 o f d m 信号由多个子载波信号叠加而成，合成信号可能产生很高的峰均功 率比( 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 ) 。对于包含n 个子信道的o f d m 系统 来说，当n 个子载波信号都以相同的相位叠加时，合成信号的峰值功率将是均 值功率的n 倍。在实际系统中，o f d m 信号的高峰均功率比不仅对功率放大器 的动态范围和线性要求非常高，而且增加了a d 和d a 转换器的复杂度并且降 低它们的精确性，是o f d m 技术应用中面临的最大困难之一。 实际通信系统中，o f d m 技术必须与多址技术相结合，允许多个用户同时 共享有限的频谱资源。目前，频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和码分 多址( c d m a ) 是其中主要的三个多址技术。与f d m a 和t d m a 相比，c d m a 具有更好的抗干扰能力和抗多径能力，可提供更高的系统容量，已应用于第二代 第1 章引言 移动通信系统，并成为第三代移动通信的核心技术。 o f d m 技术与c d m a 技术结合就产生了m c c d m a 系统，具有频谱效率高、 抗频率选择性衰落能力强、抗干扰能力强和系统容量高等一系列的优点，引入了 人们的普遍关注，很多学者认为这将是下一代移动通信系统的关键技术之一。但 是，m c c d m a 基于o f d m 技术，同样存在严重的峰均功率比( p a p r ) 问题， 这将是其实用化的最大障碍之一【1 6 】，【1 7 1 ，因此，对m c c d m a 系统峰均功率比问 题展开研究具有重要的意义，其紧迫性和重要性也是显而易见。 1 3 论文主要工作及内容安排 在m c - c d m a 系统中，由于系统输出是多个子信道信号的叠加，因此如果 多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均 功率，导致出现较大的峰值平均功率比( p a p r ) 。这样就对发射机内放大器的线 性提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会为信号 带来畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性 遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。因此，峰均比( p a p r ) 的降低对 于实际应用及工程有着重要意义。 本文就峰均比的问题做了深入研究探讨，对于一种只需一次i f f t 变换的选 择性映射( s l m ) 算法( 我们简称之：o s l m ) 作了改进，提出了一种新的算法。 实际仿真表明改进后的s l m 算法( 我们简称之：m s l m ) 比s l m 算法和o s l m 算法性能都要好，而复杂度却比s l m 算法要低很多，也只比o s l m 算法稍微高 了一点点。论文结构安排如下： 第一章引言：介绍论文研究背景、选题意义及论文结构； 第二章多载波c d m a 系统基本原理：介绍多载波调制技术，扩频通信以 及o f d m 技术与c d m a 技术结合的三种方案，构成了论文的相关背景； 第三章m c c d m a 系统的功率峰均比问题：介绍峰均功率比问题产生的 原因，描述方法以及研究现状，并对几种方法作了总结和分析； 第四章降低m c c d m a 系统峰均功率比的新算法：这是论文的核心部分 和主要工作，先引入了一种基于一次i f f t 变换的s l m 算法并对其作了深入研 3 第l 章引言 究，给出了详细的仿真结果和图形，在此基础上对该算法做了改进，提出了一种 改进算法，并通过计算机进行了仿真和验证，并给出了与改进前原算法性能和复 杂度对比分析的详细结果和图形，然后再比较了改进后算法、改进前算法与p t s 之间的关系，通过计算机给出了详细的结果分析以及复杂度对比表，最后对以上 工作作了总结分析。 第五章结语；总结论文所做的工作，并指出存在问题及后续研究工作的建 议。 4 第2 章多载波c d m a 系统基本原理 第2 章多载波c d m a 系统基本原理 多载波c d m a 系统具有频谱效率高、抗频率选择性衰落能力、抗干扰能力 强和系统容量高等优点，是一项非常有应用前景的技术，很有可能在下一代移动 通信系统中成为关键技术之一，是当前通信领域的研究热点之一。 本章主要介绍多载波c d m a 技术相关的理论基础。首先介绍正交频分复用 ( o f d m ) 、扩频通信和码分多址( c d m a ) 的基本原理，然后介绍了o f d m 技 术与c d m a 技术相结合的多载波c d m a 技术。 2 1 正交频分复用技术 o f d m 的英文全称为o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，中文含义 为正交频分复用技术。正交频分复用技术最早起源于二十世纪五十年代中期【1 引。 早在二十世纪六十年代，o f d m 技术就已经被应用到多种高频军事系统中【1 9 】，【2 0 】。 直到二十世纪八十年代中期，随着欧洲在数字音频广播( d a b ) 【8 1 方案中采用 o f d m ，该方法才开始受到关注并且得到了广泛应用。 2 1 1 正交频分复用原理 数据传输是串行数据流时，每个数据符号可占据整个可利用带宽，所以单载 波系统中，单个衰落或干扰可能导致整个链路不可用。在多载波并行数据传输时 则减少了串行系统中的问题。但在传统的并行通信中，整个系统被划分为n 个 互不重叠的子信道，载波之间有一定的保护间隔，每个子信道被一个独立的信源 符号调制，接收端通过滤波器把各个子信道分离之后接收所需信息。这样，虽然 可以避免信道互相干扰，却以牺牲频带利用率为代价。而且，当子信道数量很大 时，大量分离子信道的滤波器的设置又成了新的解决不了的问题。 o f d m 技术是一种多载波调制技术( m u l t i - - c a r d e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 技术， 5 第2 章多载波c d m a 系统基本原理 它的特点是把窄带信号分割成频率较低的多个正交载波在信道上并行传送。它的 正交性使o f d m 信号可经由多个子载波信号重叠并行传送而不互相干扰。在 o f d m 系统中，采用基于载波频率正交的f f t 调制，由于各个载波的中心频点 没有其它载波的频谱分量，所以可以实现载波的正交，这样就允许各载波频率互 相混叠，大大提高频谱利用率。；图2 1 是o f d m 技术与传统并行通信f d m 技术 在频谱利用率上的比较，可以者出，o f d m 技术节省了超过1 2 的带宽资源【2 1 1 。 图2 1o f d m 和f d m 带宽利用比较 图2 2o f d m 通信系统框图 如图2 2 给出了o f d m 系统框图。在发送端，把高速数据流通过串并转换， 将高速数据流分割成多路低速数据流，然后把每路低速数据流调制到各个子载波 并叠加在一起构成多载波信号进行传输，其中子载波经过特殊选择，允许相邻子 载波频谱有二分之一的交叠，此时各子载波之间满足相互正交的条件，如图2 3 所示。 6 第2 章多载波c d m a 系统基本原理 么遂x xxl 、 。髟 闷v渺v 髟旷孑 名- b 毛 。f |12 图2 3o f d m 信号中各子载波的频谱 在接收端，利用子载波之间的正交性，用与发送端相对应的多个子载波对接 收信号进行相关解调，可以得到各个子载波携带的数据，然后通过并串变换恢复 出原始的高速数据。 o f d m 系统中采用的调制解调器如图2 - 4 所示，与传统的单载波调n 解调 不同，这里采用多个正交子载波对发送端发送数据进行调制，对接收数据进行相 干解调。 蛆 串 叫妒 并 岖曰 串 转 并 土 卫 e - h u 4 r 换 转_ 这h 换 e 扣n 一l 茜母 _ j 图2 - 4o f d m 系统的调制和解调 每个o f d m 符号是多个经过调制的子载波信号之和，其中每个子载波的调 制方式可以选择相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 。如果用n 表示子信 道的个数，t 表示o f d m 符号的宽度，谚( f = 0 ，l ，n 一1 ) 是分配给每个子信道的 数据符号，z 是载波频率，则从f = 开始的o f d m 符号可以表示为1 1 1 ： 即肚 j 乱一n 1 2m 唧b z 一半删肛+ z 协t ， l 上 j j 7 第2 章多载波c d m a 系统基本原理 也可以使用等效基带信号来描述o f d m 的输出信号： m ) = 三n 2 - 1 ：e 冲 廊；) 俾+ 丁 c 2 彩 具甲，瓦l 2 - 2 j 阴头鄙利j | 显鄙分别盯比- - j - o f d m 付亏阴l 司相利止父分m - o 在接收端进行的解调过程为：将接收信号与第七路的解调载波 e x p ( 一j 2 万r c k _ - f n 一2 f ) 相乘，然后将得到的结果在o f d m 符号的持续时间t 内 进行积分，即可获得相应的发送信号之，即 反= 亭r 唧 一2 万生笋一， j 笺i m 唧 ，2 万；o 一) 衍 = 亍1 。与n 2 - 1 ：r e x p j 2 石鼍半巾 = 畋 k - - o 1 , n - 1 ( 2 3 ) 实际上，式( 2 2 ) 中定义的o f d m 复等效基带信号可以采用离散逆傅立叶 变换( i d f t ) 来实现。另式( 2 - 2 ) 中的= 0 ，t = k t n ( 七= 0 ，1 ，n - 1 ) ，可 以得到： m 阳( 删) - 丢n - 1 4e x p ( _ 等) - l( 2 - 4 ) 式( 2 - 4 ) 中，s ( 七) 即为z 的i d f t 运算。在接收端，为了恢复出原始的数据 符号z ，可以对s ( 七) 进行d f t 变换，得到： 谚：爹s(七)exp(-，一2,dd,)ofn,v-1 1 4 2 荟嗽可) 一1七= 0 ( 2 - 5 ) 根据上述分析可以得到，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 来 代替。通过n 点i d f t 运算，把频域数据符号谚变换为时域数据符号s ( 七) ，经过 载波调制后，发送到信道中。在接收端，将接收信号进行相关解调，然后将基带 信号进行n 点d f t 运算，即可获得发送的数据符号谚。 在信号传输过程中，由于无线信道的多径效应，接收信号的正交性会受到破 坏，使得每个子载波上的前后传输符号之间互相干扰( 产生i s i ) 以及各个子载 8 第2 章多载波c d m a 系统基本原理 波之间相互干扰( 产生i c i ) 。为了消除这种信道多径效应带来的i s i 和i c i ，一 般在每个o f d m 符号之间插入保护间隔( g u a r di n t e r v a l ) ，保护间隔长度l 一般 要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号 造成干扰。其中的数据为o f d m 符号的循环扩展，简称为循环前缀( c p ：c y c l i c p r e a m b l e ) 。假设c p 的长度为疋，则一个实际的o f d m 符号长度为+ l 只要 最大多径时延不超过，子载波之间的正交性就不会被破坏，从而使得o f d m 具有良好的抗多径效果。加入循环前缀的o f d m 符号如图2 5 所示，相应的发 送机和接收机如图2 - 6 和2 7 所示。 图2 5 加入循环前缀的o f d m 符号 一 宰 卜 并 加 霎 并 一i 阱 c p 换 变 换r i 1 卜 - l i d - i 图2 - 6 加入循环前缀的o f d m 发射机 9 第2 章多载波c d m a 系统基本原理 - 。 串 - 去 并 萋 i f f t - c p 串 1 1 , 6 变 换 换- o 图2 - 7 加入循环前缀的o f d m 接收机 2 1 2 正交频分复用特点 近年来，o f d m 技术受到广泛关注，其原因在于o f d m 系统存在以下优点 【1 】【2 】，【3 】： 1 ) 频谱利用率高 频谱利用率在频谱资源有限的无线移动通信中尤为重要。在o f d m 系统中， 允许相邻子载波的频谱存在二分之一的交叠，其频谱效率较f d m 提高了将近一 倍。 2 ) 抗频率选择性衰落能力强 o f d m 将高速率数据通过串并转换转换成多路速率较低的子信号，大大扩 展了码元周期，只要通过在时域增加循环前缀就可以克服多径干扰问题，非常适 合多径环境和衰落信道中的高速率数据传输。 3 ) 系统结构简单，成本低 各个子信道中的正交调制和解调可以采用i d f t 和d f t 方法来实现。对于n 很大的系统，可以通过快速傅立叶变换( f f t ) 实现，这极大降低了系统复杂度。 4 ) 易于与其它技术相结合，提高系统容量 o f d m 易于与其他多种接入方式结合使用，构成o f d m a 系统，其中包括多 载波码分多址m c c d m a 、跳频o f d m 以及o f d m t d m a 等等。 但是o f d m 系统由于存在多个正交子载波，而且其输出信号是多个子信道 叠加，因此与单载波系统相比，存在如下缺点： 第2 章多载波c d m a 系统基本原理 1 ) 对载波频偏和相位噪声十分敏感【1 1 ，1 2 】； 2 ) 存在较高的峰值平均功率比【1 3 】； 3 ) 保护间隔的插入带来功率和信息速率的损失【2 2 】。 2 2 扩频通信技术 扩频通信的思想早在二十世纪四十年代就已经被提出，但当时没有得到重视 和发展，直到二十世纪五十年代，这种技术的研究才真正在美国开始。二十世纪 六十年代以来，随着民用通信事业的发展，频带拥挤问题日益突出，与此同时， 信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术、编码和相关处理技术的发展推动 了扩频通信理论、方法和技术等各方面的研究和应用【2 3 1 ，目前已应用于第二代 及第三代移动通信系统。 扩频通信采用伪随机码作为扩频序列，与待发送信息相乘实现频谱扩展，然 后再进行传输，接收端采用同样的伪随机码进行相关解扩频，恢复原始信息数据。 由于采用伪随机码对原始数据进行扩频，使得这种通信方式具备许多优点，如抗 干扰能力强、能在低功率谱密度下工作、保密性强、可实现码分多址等。 2 2 1 扩频通信原理 简单说来，扩频就是这样一种通信技术：被发射的调制信号在发射到信道之 前，其频带被扩大若干倍；而在接收端，接收信号的频带则被缩小相同倍数。如 果通信信道不存在某种窄带干扰，并且扩频和解扩的带宽相同，那么解扩后，接 收信号将完全等同于扩频之前的被发射信号。然而，当存在窄带干扰时，扩频的 必要性便突显出来：由于干扰是在发射信号被扩频之后才加入的，所以接收端的 解扩操作在将期望信号缩回原带宽的同时，还会将非期望信号( 即干扰) 的带宽 扩频同一倍数，从而使窄带干扰变成了宽带干扰，减小了其功率普密度。因此， 扩频可以用来减小干扰对接收性能的影响，实现抑制窄带干扰的目的，并且扩频 越宽，窄带干扰的抑制能力越耐2 4 1 。 扩频通信的原理框图如图2 8 所示，原始数据d 经通常的数据调制后变成带 1 1 第2 章多载波c d m a 系统基本原理 宽为尽的信号( 墨为基带信号带宽) ，用扩频序列发生器产生的伪随机码对基带 信号作扩频调制，形成带宽为岛( 垦远远大于墨) 、功率谱密度比较低的扩频信 号，最后进行发射。对于多个通信用户，各用户使用不同的扩频码可以同时使用 带宽为岛的同一频带。在接收端，首先使用与发送端相同的伪随机码对接收信 号进行相关解扩频，把宽带信号恢复为窄带信号，再经过数据解调恢复原始信息 数据6 。 图2 8 扩频通信原理框图 码分多址( c d m a ) 基于扩频通信，1 9 9 7 年由c o o p e r 和n e t t e t o n 首次提出 【2 5 】：c d m a 给每个用户分配不同的地址码，这种地址码是一组码片速率远远高 于信息符号速率的伪随机码，在发送端，采用扩频技术，用各用户地址码对其信 号频谱进行扩展，形成宽带信号，并允许所有用户在同一时间占用同一信道，实 现多址功能，而在接收端，利用地址码的相关特性，对接收信号进行相关处理， 实现各用户信号的解扩频，恢复出各用户的原始发送数据。 2 2 2 扩频通信特点 由于采用了扩频技术，大大扩展了信号的频谱，扩频通信是一种宽带通信， 具有许多与窄带通信不同的特点： 1 抗干扰能力强，误码率低 扩频通信系统由于在发送端扩展信号频谱，在接收端解扩还原信息，产生了 扩频增益，从而大大地提高了抗干扰容限。根据扩频增益不同，甚至在负的信噪 第2 章多载波c d m a 系统基本原理 比条件下，也可以将信号从噪声的淹没中提取出来，在目前商用的通信系统中， 扩频通信是唯一能够工作于负信噪比条件下的通信方式。 2 易于同频使用，提高了无线频谱利用率 无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波都已得到开发利用，仍然满足不了社 会的需求。而对于扩频通信，其发送信号功率谱极低，可工作在信道噪声和热噪 声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率，也可以与现今各种窄带通信共享 同一频带资源。 3 可以利用多径效应提高系统性能 在无线通信中，多径干扰一直是很难解决的问题。但在扩频通信中，利用扩 频码之间的相关特性，在接收端对接收信号进行相关处理可以从多径信号中提取 分离出最强的有用信号，或者通过r a k e 接收机把多条路径携带的信息提取出来 进行加权合并，从而变害为利，利用多径效应提高系统性能。 4 可实现码分多址，提高系统容量 扩频通信中，利用扩频码之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端采 用相关检测技术可以分离不同用户的信号，恢复各用户原始发送信息，从而实现 码分多址( c d m a ) ，大大提供系统容量。具体来讲，c d m a 系统的容量是相同 条件下t d m a 的4 倍，f d m a 的2 0 倍【2 6 1 。 5 隐蔽性好 扩频信号在相对较宽的频带上被扩展后，单位频带内的功率很小，即信号功 率谱密度很低，信号被淹没在噪声里，不容易被发现，而截获扩频信号更加困难。 2 3 多载波c d m a 技术 c d m a 技术是扩频通信技术的一种，由于c d m a 技术具有抗干扰能力强、 保密性好、系统容量高等特点，受到了广泛的重视，已成功应用于第二代移动通 信中( 如i s 9 5 ) ，且第三代移动通信的主要方案也都是基于c d m a 技术，因此， c d m a 技术具有无可争辩的竞争力。 但是，对于未来更高速率的数据传输要求，频率选择性衰落会引起严重的符 号间干扰( i s i ) ，c d m a 系统的性能将因此大幅度下掣2 7 1 ，这是c d m a 技术 第2 章多载波c d m a 系统基本原理 面临的最难以解决的问题。 而多载波技术对于由频率选择性衰落导致的多径干扰和符号间串扰有很强 抵抗力，因此可以将o f d m 和c d m a 结合在一起1 2 8 】，【2 9 】 【3 0 1 ，兼具两者的优点， 对多径效应引起的符号间干扰( i s i ) 有很强的抵抗力，同时继承了c d m a 的高 用户容量的优点。 多载波调制与扩频技术结合的方法可以分为两类：频域扩频和时域扩频。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 u l t i t o n e c d m a ( 简称m t - c d m a ) 1 3 1 1 ，【3 2 】。 2 3 1m c c d m a 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 、y e e 、f e t t w e i s l 3 3 】和德国的f a z e l 、p a p k e 【蚓独立提出，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。 1 发射机模型 图2 - 9 为m c - c d m a 系统第j 个用户发射机模型。 卑f 并 i f f t 并串 c o s ( 2 ，r f j ) 图2 - 9m c c d m a 发射机模型 其中： n ： 子载波个数 纠：第，个用户的第f 个信息符号 ：第七个扩频序列码片，其中k = o ”，一1 石：最低子载波频率 1 4 第2 章多载波c d m a 系统基本原理 力：子载波间隔 z ：载波中心频率 p ( f ) 为矩形脉冲函数，时域表达式为： 删= 3 f 。o 枷r o g g ( 2 6 ) m c c d m a 是频域扩频与多载波调制的结合。每个信息符号先与扩频序列 各位相乘，相乘后的每路信号调制每个子载波上，若扩频码长为n ，则调制到n 个子载波上。这样一个符号的信息就在多个子载波中并行传输。第_ ，个用户的第 f 个数据的发射机模型如图2 - 9 所示。发送数据p ) 可以写成【2 】： 一l ( f ) = 髟p 2 烈兀+ 协p ( t - i t ) ， ( 2 - 7 ) k = o 当1 t = 厶时，发射机相当于o f d m 系统，发送信号能用i f f t 得到。在 m c c d m a 系统，每个比特的信息彰都在时域乘与j 用户的扩频序列， k = o ，n l 。在图2 - 9 中，w f t 变换后的数据为时域信号的并行形式。经过 并串变换后，这些时域信号经过低通滤波，滤除高频噪音后得到连续时域信号。 这些连续时域信号经过载波调制后发送到接收端。 由上可见，m c c d m a 基于o f d m ，但在使用子载波上与o f d m 是不同：在 o f d m 系统中，不同的子载波携带不同的信息符号，为了在某个子载波处于深 衰落区的情况下恢复出信号，必须在0 f d m 符号的一帧内采用纠错码保护，这 就要求子载波的个数能提供编码所需的冗余量；而在m c c d m a 系统中，多个 子载波携带相同的信息符号，具有频率分集的作用，接收端通过将分散在频域的 信号能量合并，具有很好的抗频率选择性衰落性能。 但是，m c c d m a 同样存在o f d m 固有的缺点，对频率偏移和相位噪声敏 感，并且具有很高的峰均功率比，要在实际中应用m c c d m a 技术，必须有效 解决以上两个问题。 2 无线信道模型 对于无线宽带通信，从发送端到接收端通常存在多条路径，常用多径信道模 第2 章多载波c d m a 系统基本原理 型来描述： 办( f ，f ) = e f l ，( t ) 8 ( t - r 1 ) ( 2 8 ) 其中，局( f ) 为第，条路径的增益，乃为第，条路径的传播时延，l 为路径总 数目。 在m c c d m a 系统中，通过合理设计，总可以保证各子载波经历平坦衰落， 每个子载波信道的特性可以由一个复数参数来描述： 口( 刀) = 岛p 以 ( 2 9 ) 其中，成和o n 分别表示子信道n 上的随机幅度衰落和相位旋转。 在m c c d m a 系统上行链路中，假设存在j 个用户，各自发射的信号经过不 同的多径信道，如图2 1 0 所示： 图2 1 0m c c d m a 上行链路接收信号的形成 其中： s 7 0 ) ：用户的发送信号 j i z 7 ( f ，f ) ：用户信号经过的多径信道 ，7 ( f ) ：接收端用户歹信号 ，2 ( f ) ：高斯白噪声 ，( f ) ：接收端接收到的j 个用户的叠加信号 在基站端，接收到的信号为： j ，( f ) = ，( f ) 相( f ) ( 2 1 0 ) 第2 章多载波c d m a 系统基本原理 ，砸) = 丁s ，( t - 彳沙协，f ) t ( 2 1 1 ) 3 接收机模型 m c c d m a 的接收器如图2 1 0 所示。通过对接收信号r ( t ) 以n t 速率抽样， f f t 变换后，再乘以期望用户的扩频序列，相应用户j 的传输数据彰就能恢复来 【2 1 】 矗爵 “ r 卜 _串 f并 吒卜 f变 l 1 - - t 换 c j 1 5 t j 吒沁 d - - 。g “ 图2 1 1m c c d m a 接收机模型 其中，是用脯第价子载波的接收信号进行求和时的合并因子，它由信 道信息确定，主要有四种合并技术：恢复正交合并( o r c ，o r t h o g o n a l i t yr e s t o r i n g c o m b i n i n g ) 、最大比合并( m r c ，m a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g ) 、等增益合并( e g c ，