多载波CDMA系统----张届新

多载波CDMA系统----张届新

摘要 介绍了一种基于CDMA技术和OFDM的多载波CDMA系统，并对其三种类型进行了比较。
关键词  扩频  通信  多载波  CDMA  OFDM系统
    近来，由于CDMA技术可以处理多体数据业务的异步特性，可以提供比传统多址技术
（如 TDMA、FDMA）更高的容量，并且可以抗信道的频率选择性衰落，所以公认它是支持
无线移动通信多媒体业务的候选者。为了在前向链路中获得较高的数据比特速率，已对
基于码字复用技术的方案进行了研究。另一方面，多载波调制（即通常称之为正交频分
复用OFDM）方案已在无线通信领域引起注意。这主要是由于OFDM解决了在移动通信中传
输高速数据时所引起的无线信道性能变差的问题。
    目前已提出了三种基于CDMA和OFDM结合的技术，即多载波（MC）／ CD－MA、多载波
  DS／CDMA及多音（MT）／CD－MA，它们可抑制由多径衰落信道所引起的码元间干扰（
ICI）。这些信号利用快速傅立叶变换（FFT来发送和接收，不会增加发送和接收设备的
复杂度。它们仅占用密度极小的载频区间，频谱效率较佳。然而，多载波调制会降低每
一载频上的数据速率。因此，多载波调制与预去相关技术相结合，可在接收设备复杂度
不变及消除ICI的情况下，实现正交信号的高速率传输。[2]
    多载波CDMA系统与OFDM系统的结构极为相似，不同之处在于多载波CDMA中的各路载
波携带相同的信息，而OFDM的各路载波则携带不同的信息。多载波CDMA可看作是一类特
殊的OFDM系统，具有接近矩形的频谱，带外辐射小，可用快速傅立叶变换实现信号的调
制和解调。多载波CDMA系统与  DS／ SS  CDMA系统具有时间—频率域的对偶关系。因此
多载波CDMA系统也具有低功率谱密度接收、频谱扩展、多址、抗干扰和抗多径的能力。
1  多载CDMA方案
1.1  频域扩展与多载调制的组合
    在频域内，MC／CDMA用给定扩频码在不同载频上扩展初始数据流。换言之，与扩
频码的一个码片(chip）相应的系统部分是通过不同载频发送的。由于在移动通信的下行
链路中不必顾及扩频的自相关特性，所以可采用 Hadamard Wash码作为最优正交组。
    如果GMC表示处理增益，NC为载频数，Cj(t)＝［Cj1Cj2……  CjGMc］为第j个用户
的扩频码。我们假定其载频数和处理增益都相同，此时NC＝GMC。
    因为必须保证多载传送在每一载频上都无频率选择性衰落，所以如果初始标识速率
足够高，信号在频域内扩展前需先进行S／P转换，此时实际上无需令 NC＝ GMC。图1展
示了为保证无颜选性衰落的调制方式，其中Ts代表初始标识时序，初始数据序列首先被
转化成P（并行）序列，然后每一序列映射到GMC载频上（NC=P X GMC）。同时为了增加
抗频选性衰落能力，需要仔细选择载频及防护间隔的数目。对于给定的频选性衰落多址
信道，为减少其BER，可选择载频数及防护间隔长度的最佳值。
1.2  时域扩展与多载调制的组合
    这种方案有两种形式。当把载频数设为1时，相当于一般的DS／CDMA。
    （1） 多载DS／CDMA发送设备利用给定扩频码，在时域内扩展经S／P转换后的数据
流，这样每个载频所得的频谱便能使正交条件满足最小频率分割。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链路。
    一种基于DS／CDMA的有最大载频分割的多载方案，可以改善频率配置，并更好地抑
制窄带干扰。另外在多载DS／CDMA中，还可以利用多个载频发送相同的数据。
    （2）MT／CDMA发送设备也利用给定扩频码在时域内扩展经S／P转换后的数据流。
与一般的 DS／CDMA相比,MT／CDMA采用与载频数成比例的长扩频码，使系统可容纳更多
的用户。
2   接收机设备
    单用户DS／CDMA的Rake接收设备包括复合相关器，其中每个部分都与接收复合信号
的不同可变路径同步。该系统的误码率性能依赖于Rake接收机的搜寻指数目。通常由于
硬件的限制，只采用搜寻指数目为1、2、3或4的Rake接收机。同样，为了在发送端和接
收瑞形成基带脉冲而引人Nyquist滤波器时，往往导致自相关特性失真，所以Rake接收
机可能会错误地组合路径。在基于Rake结构的DS／CDMA系统中，系统容量受自扰和多址
干扰限制，而这两种干扰分别是由扩频码不完善的自相关和互相关特性所引起的。
    单用户接收机把接收到其他工作用户引起的信号机为静态干扰。在多用户检测中，
为了减弱接收信号的非正交特性，接收机联合检测这些信号，使系统性能得以改善。然
而，要使DS／CDMA接收机在时域范围内充分利用分散的接收信号是很困难的。在MC／CD-
MA接收端，接收信号在频域内进行组合，使接收端在频域内可利用所有分散的信号能量。
此即MC／CDMA的独特优点。然而在频率选择性衰落信道中，所有载频具有不同的幅度和
相移，这便引起用户间的正交性失真。合并各路径信号的方法一般有正交存储组合（OR-
C）、等增益组合（EGC）、最大比合并（MRC）、最小均方值误差组合（MMSEC）和最大
似然多用户检测（SM）等。
    据有关文献所叙，对于改善系统性能，MRC、EGC、SM三种分集算法中 MRC最优，EG-
C次之，SM最差。然而，MRC只优于EGC ldB左右，而 EGC优于 SM许多。因此当信道衰落
速率较快而无法准确估计其参数时，从计算量和复杂度出发，宜采用EGC算法。
    总之，MC／CDMA上行链路即使没有远近效应，但由于用户正交性失真，也必须采用
上述多用户检测技术。
    MT／CDMA接收设备由Nc个Rake组合器组成，其中每个都与DS／CDMA的Rake接收机构
造相同。这就是加性高斯白噪声信道的最佳接收机。
    MT／CDMA方案存在载频干扰。与一般的DS／CDMA方案相比，该系统使用较长的扩频
码可以减小SI和MAI。
3   系统性能比较
    当采用同一矩形脉冲时，DS／CDMA所需带宽几乎为MC／CDMA所需带宽的两倍，而与
MT／CDMA所需带宽几乎相同。然而，当DS／CDMA方案中采用一个滚降系数较小的yqUISt
滤波器时，MC／CDMA所需带宽则与DS／CDMA相当。
    误码率（BER）取决于信道对应的协方差矩阵，即BER完全由特征值决定。因此ds／
CDMA方案的误码率由时域协方差矩阵的特征值决定，而MS／CDMA的BER则由频域协方差矩
阵的特征决定。因为频域协方差矩阵的特征值与时域的相同，所以给走一个信道时，DS
／CDMA方案的最佳性能（单用户的扩频码具有良好的自相关特性）与MC／CDMA（单用户）
完全相同。
4   结论
    本文讨论了三种基于多载波的CDMA方案优缺点及应用预去相关技术提高数据传输速
率的考虑。它们较好地保证了信息传输的可靠性，不仅具有很高的频谱利用率，而且接
收和发送设备的复杂度也并未增加。因此多载波CDMA具有很广的应用前景，但其接收方
案仍有待进一步选择、完善。