多載波CDMA系統(tǒng)----張屆新

多載波CDMA系統(tǒng)----張屆新

摘要 介紹了一種基于CDMA技術(shù)和OFDM的多載波CDMA系統(tǒng)，并對(duì)其三種類(lèi)型進(jìn)行了比較。
關(guān)鍵詞  擴(kuò)頻  通信  多載波  CDMA  OFDM系統(tǒng)
    近來(lái)，由于CDMA技術(shù)可以處理多體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的異步特性，可以提供比傳統(tǒng)多址技術(shù)
（如 TDMA、FDMA）更高的容量，并且可以抗信道的頻率選擇性衰落，所以公認(rèn)它是支持
無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信多媒體業(yè)務(wù)的候選者。為了在前向鏈路中獲得較高的數(shù)據(jù)比特速率，已對(duì)
基于碼字復(fù)用技術(shù)的方案進(jìn)行了研究。另一方面，多載波調(diào)制（即通常稱(chēng)之為正交頻分
復(fù)用OFDM）方案已在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域引起注意。這主要是由于OFDM解決了在移動(dòng)通信中傳
輸高速數(shù)據(jù)時(shí)所引起的無(wú)線(xiàn)信道性能變差的問(wèn)題。
    目前已提出了三種基于CDMA和OFDM結(jié)合的技術(shù)，即多載波（MC）／ CD－MA、多載波
  DS／CDMA及多音（MT）／CD－MA，它們可抑制由多徑衰落信道所引起的碼元間干擾（
ICI）。這些信號(hào)利用快速傅立葉變換（FFT來(lái)發(fā)送和接收，不會(huì)增加發(fā)送和接收設(shè)備的
復(fù)雜度。它們僅占用密度極小的載頻區(qū)間，頻譜效率較佳。然而，多載波調(diào)制會(huì)降低每
一載頻上的數(shù)據(jù)速率。因此，多載波調(diào)制與預(yù)去相關(guān)技術(shù)相結(jié)合，可在接收設(shè)備復(fù)雜度
不變及消除ICI的情況下，實(shí)現(xiàn)正交信號(hào)的高速率傳輸。[2]
    多載波CDMA系統(tǒng)與OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)極為相似，不同之處在于多載波CDMA中的各路載
波攜帶相同的信息，而OFDM的各路載波則攜帶不同的信息。多載波CDMA可看作是一類(lèi)特
殊的OFDM系統(tǒng)，具有接近矩形的頻譜，帶外輻射小，可用快速傅立葉變換實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)
制和解調(diào)。多載波CDMA系統(tǒng)與  DS／ SS  CDMA系統(tǒng)具有時(shí)間—頻率域的對(duì)偶關(guān)系。因此
多載波CDMA系統(tǒng)也具有低功率譜密度接收、頻譜擴(kuò)展、多址、抗干擾和抗多徑的能力。
1  多載CDMA方案
1.1  頻域擴(kuò)展與多載調(diào)制的組合
    在頻域內(nèi)，MC／CDMA用給定擴(kuò)頻碼在不同載頻上擴(kuò)展初始數(shù)據(jù)流。換言之，與擴(kuò)
頻碼的一個(gè)碼片(chip）相應(yīng)的系統(tǒng)部分是通過(guò)不同載頻發(fā)送的。由于在移動(dòng)通信的下行
鏈路中不必顧及擴(kuò)頻的自相關(guān)特性，所以可采用 Hadamard Wash碼作為最優(yōu)正交組。
    如果GMC表示處理增益，NC為載頻數(shù)，Cj(t)＝［Cj1Cj2……  CjGMc］為第j個(gè)用戶(hù)
的擴(kuò)頻碼。我們假定其載頻數(shù)和處理增益都相同，此時(shí)NC＝GMC。
    因?yàn)楸仨毐ＷC多載傳送在每一載頻上都無(wú)頻率選擇性衰落，所以如果初始標(biāo)識(shí)速率
足夠高，信號(hào)在頻域內(nèi)擴(kuò)展前需先進(jìn)行S／P轉(zhuǎn)換，此時(shí)實(shí)際上無(wú)需令 NC＝ GMC。圖1展
示了為保證無(wú)顏選性衰落的調(diào)制方式，其中Ts代表初始標(biāo)識(shí)時(shí)序，初始數(shù)據(jù)序列首先被
轉(zhuǎn)化成P（并行）序列，然后每一序列映射到GMC載頻上（NC=P X GMC）。同時(shí)為了增加
抗頻選性衰落能力，需要仔細(xì)選擇載頻及防護(hù)間隔的數(shù)目。對(duì)于給定的頻選性衰落多址
信道，為減少其BER，可選擇載頻數(shù)及防護(hù)間隔長(zhǎng)度的最佳值。
1.2  時(shí)域擴(kuò)展與多載調(diào)制的組合
    這種方案有兩種形式。當(dāng)把載頻數(shù)設(shè)為1時(shí)，相當(dāng)于一般的DS／CDMA。
    （1） 多載DS／CDMA發(fā)送設(shè)備利用給定擴(kuò)頻碼，在時(shí)域內(nèi)擴(kuò)展經(jīng)S／P轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)
流，這樣每個(gè)載頻所得的頻譜便能使正交條件滿(mǎn)足最小頻率分割。由于把OFDM信令引入
DS／CDMA方案有助于建立同步信道，所以方案最初是用于上行通信鏈路。
    一種基于DS／CDMA的有最大載頻分割的多載方案，可以改善頻率配置，并更好地抑
制窄帶干擾。另外在多載DS／CDMA中，還可以利用多個(gè)載頻發(fā)送相同的數(shù)據(jù)。
    （2）MT／CDMA發(fā)送設(shè)備也利用給定擴(kuò)頻碼在時(shí)域內(nèi)擴(kuò)展經(jīng)S／P轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)流。
與一般的 DS／CDMA相比,MT／CDMA采用與載頻數(shù)成比例的長(zhǎng)擴(kuò)頻碼，使系統(tǒng)可容納更多
的用戶(hù)。
2   接收機(jī)設(shè)備
    單用戶(hù)DS／CDMA的Rake接收設(shè)備包括復(fù)合相關(guān)器，其中每個(gè)部分都與接收復(fù)合信號(hào)
的不同可變路徑同步。該系統(tǒng)的誤碼率性能依賴(lài)于Rake接收機(jī)的搜尋指數(shù)目。通常由于
硬件的限制，只采用搜尋指數(shù)目為1、2、3或4的Rake接收機(jī)。同樣，為了在發(fā)送端和接
收瑞形成基帶脈沖而引人Nyquist濾波器時(shí)，往往導(dǎo)致自相關(guān)特性失真，所以Rake接收
機(jī)可能會(huì)錯(cuò)誤地組合路徑。在基于Rake結(jié)構(gòu)的DS／CDMA系統(tǒng)中，系統(tǒng)容量受自擾和多址
干擾限制，而這兩種干擾分別是由擴(kuò)頻碼不完善的自相關(guān)和互相關(guān)特性所引起的。
    單用戶(hù)接收機(jī)把接收到其他工作用戶(hù)引起的信號(hào)機(jī)為靜態(tài)干擾。在多用戶(hù)檢測(cè)中，
為了減弱接收信號(hào)的非正交特性，接收機(jī)聯(lián)合檢測(cè)這些信號(hào)，使系統(tǒng)性能得以改善。然
而，要使DS／CDMA接收機(jī)在時(shí)域范圍內(nèi)充分利用分散的接收信號(hào)是很困難的。在MC／CD-
MA接收端，接收信號(hào)在頻域內(nèi)進(jìn)行組合，使接收端在頻域內(nèi)可利用所有分散的信號(hào)能量。
此即MC／CDMA的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。然而在頻率選擇性衰落信道中，所有載頻具有不同的幅度和
相移，這便引起用戶(hù)間的正交性失真。合并各路徑信號(hào)的方法一般有正交存儲(chǔ)組合（OR-
C）、等增益組合（EGC）、最大比合并（MRC）、最小均方值誤差組合（MMSEC）和最大
似然多用戶(hù)檢測(cè)（SM）等。
    據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)所敘，對(duì)于改善系統(tǒng)性能，MRC、EGC、SM三種分集算法中 MRC最優(yōu)，EG-
C次之，SM最差。然而，MRC只優(yōu)于EGC ldB左右，而 EGC優(yōu)于 SM許多。因此當(dāng)信道衰落
速率較快而無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)其參數(shù)時(shí)，從計(jì)算量和復(fù)雜度出發(fā)，宜采用EGC算法。
    總之，MC／CDMA上行鏈路即使沒(méi)有遠(yuǎn)近效應(yīng)，但由于用戶(hù)正交性失真，也必須采用
上述多用戶(hù)檢測(cè)技術(shù)。
    MT／CDMA接收設(shè)備由Nc個(gè)Rake組合器組成，其中每個(gè)都與DS／CDMA的Rake接收機(jī)構(gòu)
造相同。這就是加性高斯白噪聲信道的最佳接收機(jī)。
    MT／CDMA方案存在載頻干擾。與一般的DS／CDMA方案相比，該系統(tǒng)使用較長(zhǎng)的擴(kuò)頻
碼可以減小SI和MAI。
3   系統(tǒng)性能比較
    當(dāng)采用同一矩形脈沖時(shí)，DS／CDMA所需帶寬幾乎為MC／CDMA所需帶寬的兩倍，而與
MT／CDMA所需帶寬幾乎相同。然而，當(dāng)DS／CDMA方案中采用一個(gè)滾降系數(shù)較小的yqUISt
濾波器時(shí)，MC／CDMA所需帶寬則與DS／CDMA相當(dāng)。
    誤碼率（BER）取決于信道對(duì)應(yīng)的協(xié)方差矩陣，即BER完全由特征值決定。因此ds／
CDMA方案的誤碼率由時(shí)域協(xié)方差矩陣的特征值決定，而MS／CDMA的BER則由頻域協(xié)方差矩
陣的特征決定。因?yàn)轭l域協(xié)方差矩陣的特征值與時(shí)域的相同，所以給走一個(gè)信道時(shí)，DS
／CDMA方案的最佳性能（單用戶(hù)的擴(kuò)頻碼具有良好的自相關(guān)特性）與MC／CDMA（單用戶(hù)）
完全相同。
4   結(jié)論
    本文討論了三種基于多載波的CDMA方案優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用預(yù)去相關(guān)技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸速
率的考慮。它們較好地保證了信息傳輸?shù)目煽啃�，不僅具有很高的頻譜利用率，而且接
收和發(fā)送設(shè)備的復(fù)雜度也并未增加。因此多載波CDMA具有很廣的應(yīng)用前景，但其接收方
案仍有待進(jìn)一步選擇、完善。