多载波CDMA系统介绍 及其检测初探

多载波CDMA系统介绍报告人张媛媛2004.1.22内容介绍•背景介绍•几种常见的多载波CDMA系统•各种多载波CDMA适用的接收检测技术•目前研究方向与今后工作•参考文献3背景介绍（1）OFDM技术的基本思想是将高速数据流分解成多个低速数据流，各个低速数据流在不同的子载波上并行传输。子载波上较低的数据速率实际上意味着每个子载波信道具有平衰落特性，可有效地克服信道频率选择性的影响，从而减少由于ISI所带来的系统性能损失；子载波的正交性使得信道干扰的影响被减小为每个子载波上乘一个复传输因子，这样信号均衡就变得非常简单[1]。另外，OFDM技术允许相邻子载波的频谱有很大程度的重叠，从而能更加有效的利用可用频段，使频谱利用率很高。另外，OFDM技术也很容易使用FFT器件来实现，而并不增加发射机和接收机的复杂度。4背景介绍（2）由于OFDM的以上优点，使得在下一代无线移动通信中倍受青睐。OFDM较之直接序列扩频技术具有更灵活的频率分集能力和更高效的频谱利用能力，但是，如果子载波处于深衰落时，如不采用纠错编码，会产生很高的误码率。而CDMA技术是一项发展成熟的技术，因此OFDM与CDMA技术的结合可以取长补短，达到更好的通信传输效果，必然在下一代无线移动通信系统中扮演越来越重要的角色。1993年出现了3种将二者结合的技术。N.Yee,J-P.Linnartz,G.Fettweis提出了MC-CDMA系统；K.Fazel,L.papke等人提出了MC-DS-CDMA系统；L.Vandendorpe提出了MT-CDMA系统[2]。这三种也是现在研究最多的多载波CDMA系统。5DS-CDMA系统f0cos(w0t)a(i)6MC-CDMA系统（1）C1C2C3C4复制器C1C2C3C4cosw1tcosw2tcosw3tcosw4ta(i)b(i)f1f2f3f4IDFT并串转换加CP7MC-CDMA系统（2）所谓频域扩频，即原始数据流的每个符号与扩频码各个码片相对应的各小部分相乘后沿不同的子载波进行传输。时域扩频，即与DS-CDMA的直接序列扩频操作几乎完全一致。在MC-CDMA中，一般采用HadamardWalsh码来作为其频域扩频码，不过也有采用其他码的，在[1]中，它采用了傅里叶编码矩阵作为扩频码矩阵，这样发射的扩频与IFFT两者相互抵消，产生了一个进行分组处理的纯单载波系统。这个系统也有很多优点。8MC-DS-CDMA系统串并转换C(t)C(t)C(t)C(t)C1C2C3C4cosw1tcosw2tcosw3tcosw4ta(i)b(i)f1f2f3f49MT-CDMA（1）串并转换C(t)C(t)C(t)C(t)cosw1tcosw2tcosw3tcosw4ta(i)C(t)b(i)f1f2f3f410MT-CDMA（2）在该方法中，各子载波在进行扩频操作之前具有满足正交性条件的最小频率间隔，也就是说各路子数据流在未扩频前调制到不同的子载波所得到的已调子载波彼此正交，但是经过扩频后它们的频谱不再满足正交条件。它与MC-DS-CDMA的发射机方法基本类似。不同之处在于，扩频序列的码片持续期与子载波的频率间隔不再满足互为倒数的关系。接收机的处理方法也不同。MT-CDMA的扩频码长度远大于常规的DS-CDMA方法，这样它具有更大的扩频处理增益，能够容纳更多的用户。11几种结构的系统参数比较[2]子载波符号持续期子载波数处理增益码片持续期子载波频率间隔所需带宽DS-CDMATs1GDSTs/GDSGDS/TsMC-CDMATsNc=GMCGMC=GDS1/Ts(GDS+1)/TsMC-DS-CDMANcTsNcGMD=GDSNcTs/GDSGDS/(NcTs)(Nc+1)/NcGDS/TsMT-CDMANcTsNcGMT=NcGDSTs/GDS1/(NcTs)(Nc+-1)/(NcTs)+2*GDS/Ts当使用规则脉冲时，MC-CDMA,MC-DS-CDMA所需的频带宽度约为DS-CDMA的一半，MT-CDMA与之相同，在DS-CDMA中使用一定滚降系数的乃奎斯特滤波器时，它们所需的带宽相近。12改进的MC-CDMA13改进的MC-DS-CDMA14接收与检测技术（1）在DS-CDMA中，使用Rake接收机，并用MUD技术消除多址干扰。但是，DS-CDMA接收机很难全部利用分散在时域的接收信号能量[2]。在MC-CDMA中，接收信号相当于在频域进行合并，这样频率分集性能就很好。这也是MC-CDMA的一个主要优点。15接收与检测技术（2）LPFLPFLPFLPFDcosw1tcosw2tcosw3tcosw4tq1q2q3q4mnjmcjaJjjmzmyMCGmmyj'mqj'D1116接收与检测技术（3）mmGmmjmjjmmjmjmnzzcaDzzcqMC21*'''2*''||/||/*ORC(OrthogonalityRestoringCombining）*CE(ControlledEqualization）MCGmJjmjmjjmmmmjmjncazzuzzcD112*''))(|(|||/上式中，传输性能差的子载波上可能乘上大的增益因子。这样噪声变被放大了，降低了误码率性能。u()是单位阶跃函数，γ是判决门限，对一个给定的信噪比，便存在一个最优的门限来使误码率最小。这种方法改进了ORC中噪声的放大影响。它的判决是基于幅度大于检测门限的子载波基带信号之和。17接收与检测技术（4）*EGC（EqualGainCombining)、MRC（MaximumRatioCombining）(MRC)(EGC)||/'*''''*''jmjmjmjmjmjmjmzcqzzcq*MMSEC)||/(02*''NzJzcqmmjmjm18接收与检测技术（5）由于引入了CDMA技术，MC-CDMA也是一种干扰受限系统。特别是在多用户的情况下，由于扩频码引入的多址干扰对误码率的影响远大于高斯噪声的影响。所以在遭受到严重的多址干扰时候，同样要考虑多用户检测技术。常用的多用户检测技术有：*最大似然检测技术（MLMUD）它的基本思想是计算接收到的序列与所有可能的传输序列之间的欧式距离，从而选择最可能的传输序列，这种算法精度高，适用于上、下行链路，但其复杂度随用户数而成指数增长。19接收与检测技术（6）*迭代检测算法每次检测出当前所有激活用户的信息，然后从总的信息中减去不需要的其他用户成分，再进行下次迭带。在MC-CDMA中引入这种迭带算法，干扰信号的获取则利用了单用户检测技术。一般采用两级迭带。常用的迭带算法有：EGC-EGCMUD这种方法需要知道分配给各用户的扩频码。ORC-MRCMUD当对其他用户的判决是正确的，这种方法可以进一步降低误码率。这种方法需要知道分配给各用户的扩频码。CE-MLMUD这种方法需要知道分配给各用户的扩频码以及对zm的估计。*DICMMSEIC基于解相关和MMSE的自适应干扰估计和消除。20接收与检测技术（7）MC-DS-CDMALPF并串转换LPFLPFLPFDcosw1tcosw2tcosw3tcosw4tq2q3q4q1MC-DS-CDMA不能获得频率分集增益，故接收端使用常规的相干接收机即可。21接收与检测技术（8）MT-CDMAcosw1tRakeCombiner1串并转换DRakeCombiner2cosw2tRakeCombiner3cos3tRakeCombiner4cosw4t该方法中，子载波的频谱重叠程度非常高，从而不可避免的存在较严重的子载波间干扰。当大的扩频处理增益所带来的多址干扰和自干扰的减小不能抵消子载波间干扰时，系统性能将急剧变坏。22检测方法比较（1）方法上行链路下行链路DS-CDMARAKEOOMUDOMC-DS-CDMANon-RakeOMT-CDMARAKEODFEOLEOJEICO23检测方法比较（2）MC-CDMA方法ORCCEEGCMRCMMSECMLMUDE-EMUDO-MMUDC-MMUDDICMMSEIC上行OOO下行OOOOOOO24误码率性能（1）[2]该仿真是在瑞利平坦衰落信道条件下进行的。采用周期32的Walsh码。由图可以看出，ORC检测的性能最差，因此在不能正确估计子载波状态的情况下一般不使用之。一般常用EGC和MMSE来检测。该图是MMSE检测的误码率图，它的效果优于EGC。25误码率性能（2）这是MC-DS-CDMA的一张误码率图，仿真条件与前相同。子载波数为1024，1%的保护间隔。采用周期为31的Gold序列扩频。在不考虑FEC和交织的时候，其误码率性能较差，因为其不能提供频率分集。26误码率性能（3）这是MT-CDMA的一张误码率仿真曲线图。采用周期为127的Gold序列扩频。在使用的信道中，比起因为使用长扩频码而得到的性能提高，子载波间干扰的影响较小，所以整张图来看，性能还比较好。27误码率性能（4）这是对三种技术的性能进行总体比较。MC-CDMA（采用MMSE检测），MC-DS-CDMA，MT-CDMA。由图可以看出，采用MMSE检测的MC-CDMA的性能最好。不过，它需要对子载波状态信息和噪声功率进行估计。28OFDM-CDMA的综合分析将OFDM的概念扩展到OFDM-CDMA（也即，多载波CDMA）这样能够避免窄带衰落，可以看成是频率分集的效果。这样，在高码率情况下，OFDM-CDMA系统比单纯的OFDM系统的性能要好。然而，接收端的均衡和解扩导致了噪声放大。基于这种原因，单纯的OFDM系统在低码速率是性能要好，因为这时的编码提供了充分的频率分集。然而，通过采用更复杂的检测方法，如迭带解扩和译码，OFDM-CDMA系统的性能可以得到更好的改善。OFDM-CDMA系统的主要缺点是它要求相干检测，所以信道估计和均衡是不可少的。29研究方向•自适应检测器[5]•多载波CDMA系统的多用户检测问题[6]•新的多载波CDMA结合方式[1]、[7]•针对多载波CDMA的特点进行信道编码研究[8]•将多载波CDMA与MIMO技术相结合•多载波CDMA的信道估计和均衡30今后工作•建立多载波CDMA系统的仿真模型•深入学习和掌握检测技术，特别是多用户检测技术与自适应检测方面的知识•针对多载波CDMA的特点，研究和改进现有的检测算法31参考文献（1）[1]AndreasF.Molisch:WidebandWirelessDigitalCommunications,PrenticeHall,2001[2]S.HaraandR.Prasad：AnOverviewofMulti-CarrierCDMA,SpreadSpectrumTechniquesandApplicationsProceedings,1996.,IEEE4thInternationalSymposiumon,Volume:1,22-25Sept.1996，Page(s):107-114vol.1[3]S.HaraandR.Prasad：OverviewofmulticarrierCDMA”.CommunicationsMagazine,IEEE,Volume:35Issue:12,Dec.1997，Page(s):126-133[4]Kaiser,S.:OFDM-CDMAversusDS-CDMA:performanceevaluationforfadingchannels，Communications,1995.ICC95Seattle,GatewaytoGlobalization,1995IEEEInternationalConferenceon,Volume:3,18-22June1995，Page(s):1722-1726vol.332参考文献（2）[5]Kalofonos,D.N.;Stojanovic,M.;Proakis,J.