多載波CDMA系統(tǒng)介紹 及其檢測(cè)初探

,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,*,多載波,CDMA,系統(tǒng)介紹,報(bào)告人 張媛媛,2004.1.2,內(nèi)容介紹,背景介紹,幾種常見的多載波,CDMA,系統(tǒng),各種多載波,CDMA,適用的接收檢測(cè)技術(shù),目前研究方向與今后工作,參考文獻(xiàn),2,背景介紹（1）,OFDM,技術(shù)的基本思想是將高速數(shù)據(jù)流分解成多個(gè)低速數(shù)據(jù)流，各個(gè)低速數(shù)據(jù)流在不同的子載波上并行傳輸。子載波上較低的數(shù)據(jù)速率實(shí)際上意味著每個(gè)子載波信道具有平衰落特性，可有效地克服信道頻率選擇性的影響，從而減少由于,ISI,所帶來(lái)的系統(tǒng)性能損失；子載波的正交性使得信道干擾的影響被減小為每個(gè)子載波上乘一個(gè)復(fù)傳輸因子，這樣信號(hào)均衡就變得非常簡(jiǎn)單 1。另外，,OFDM,技術(shù)允許相鄰子載波的頻譜有很大程度的重疊，從而能更加有效的利用可用頻段，使頻譜利用率很高。另外，,OFDM,技術(shù)也很容易使用,FFT,器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而并不增加發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的復(fù)雜度。,3,背景介紹（2）,由于,OFDM,的以上優(yōu)點(diǎn)，使得在下一代無(wú)線移動(dòng)通信中倍受青睞。,OFDM,較之直接序列擴(kuò)頻技術(shù)具有更靈活的頻率分集能力和更高效的頻譜利用能力，但是，如果子載波處于深衰落時(shí)，如不采用糾錯(cuò)編碼，會(huì)產(chǎn)生很高的誤碼率。而,CDMA,技術(shù)是一項(xiàng)發(fā)展成熟的技術(shù)，因此,OFDM,與,CDMA,技術(shù)的結(jié)合可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，達(dá)到更好的通信傳輸效果，必然在下一代無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)中扮演越來(lái)越重要的角色。1993年出現(xiàn)了3種將二者結(jié)合的技術(shù)。,N.Yee,J-P.Linnartz,G.Fettweis,提出了,MC-CDMA,系統(tǒng)；,K.,Fazel,L.,papke,等人提出,了,MC-DS-CDMA,系統(tǒng)；,L.,Vandendorpe,提出,了,MT-CDMA,系統(tǒng),2,。這三種也是現(xiàn)在研究最多的多載波,CDMA,系統(tǒng)。,4,DS-CDMA,系統(tǒng),f,0,cos(,w,0,t,),a(i),5,MC-CDMA,系統(tǒng)（1）,C1,C2,C3,C4,復(fù) 制 器,C1,C2,C3,C4,cosw,1,t,cosw,2,t,cosw,3,t,cosw,4,t,a(i),b(i),f,1,f,2,f,3,f,4,IDFT,并串轉(zhuǎn)換,加CP,6,MC-CDMA,系統(tǒng)（2）,所謂頻域擴(kuò)頻，即原始數(shù)據(jù)流的每個(gè)符號(hào)與擴(kuò)頻碼各個(gè)碼片相對(duì)應(yīng)的各小部分相乘后沿不同的子載波進(jìn)行傳輸。時(shí)域擴(kuò)頻，即與,DS-CDMA,的直接序列擴(kuò)頻操作幾乎完全一致。,在,MC-CDMA,中，一般采用,Hadamard,Walsh,碼來(lái)作為其頻域擴(kuò)頻碼，不過(guò)也有采用其他碼的，在,1,中，它采用了傅里葉編碼矩陣作為擴(kuò)頻碼矩陣，這樣發(fā)射的擴(kuò)頻與,IFFT,兩者相互抵消，產(chǎn)生了一個(gè)進(jìn)行分組處理的純單載波系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)也有很多優(yōu)點(diǎn)。,7,MC-DS-CDMA,系統(tǒng),串并轉(zhuǎn)換,C(t),C(t),C(t),C(t),C1,C2,C3,C4,cosw,1,t,cosw,2,t,cosw,3,t,cosw,4,t,a(i),b(i),f,1,f,2,f,3,f,4,8,MT-CDMA（1）,串并轉(zhuǎn)換,C(t),C(t),C(t),C(t),cosw,1,t,cosw,2,t,cosw,3,t,cosw,4,t,a(i),C(t),b(i),f1 f2 f3 f4,9,MT-CDMA（2）,在該方法中，各子載波在進(jìn)行擴(kuò)頻操作之前具有滿足正交性條件的最小頻率間隔，也就是說(shuō)各路子數(shù)據(jù)流在未擴(kuò)頻前調(diào)制到不同的子載波所得到的已調(diào)子載波彼此正交，但是經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻后它們的頻譜不再滿足正交條件。它與,MC-DS-CDMA,的發(fā)射機(jī)方法基本類似。不同之處在于，擴(kuò)頻序列的碼片持續(xù)期與子載波的頻率間隔不再滿足互為倒數(shù)的關(guān)系。接收機(jī)的處理方法也不同。,MT-CDMA,的擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于常規(guī)的,DS-CDMA,方法，這樣它具有更大的擴(kuò)頻處理增益，能夠容納更多的用戶。,10,幾種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)參數(shù)比較,2,子載波符號(hào)持續(xù)期,子載波數(shù),處理增益,碼片,持續(xù)期,子載波,頻率間隔,所需帶寬,DS-CDMA,T,s,1,G,DS,T,s,/,G,DS,G,DS,/,T,s,MC-CDMA,T,s,N,c,=,G,MC,G,MC,=G,DS,1/,T,s,(,G,DS,+1)/,T,s,MC-DS-CDMA,N,c,T,s,N,c,G,MD,=,G,DS,N,c,T,s,/,G,DS,G,DS,/,(,N,c,T,s,),(,N,c+,1)/,N,c,G,DS,/,T,s,MT-CDMA,N,c,T,s,N,c,G,MT,=,N,c,G,DS,T,s,/,G,DS,1/,(,N,c,T,s,),(,N,c+-,1)/(,N,c,T,s,)+2*,G,DS,/,T,s,當(dāng)使用規(guī)則脈沖時(shí)，,MC-CDMA,MC-DS-CDMA,所需的頻帶寬度約為,DS-CDMA,的一半，,MT-CDMA,與,之相同，在,DS-CDMA,中使用一定滾降系數(shù)的乃奎斯特濾波器時(shí)，它們所需的帶寬相近。,11,改進(jìn)的,MC-CDMA,12,改進(jìn),的,MC-DS-CDMA,13,接收與檢測(cè)技術(shù)（1）,在,DS-CDMA,中，使用,Rake,接收機(jī)，并用,MUD,技術(shù)消除多址干擾。但是，,DS-CDMA,接收機(jī)很難全部利用分散在時(shí)域的接收信號(hào)能量,2,。,在,MC-CDMA,中，接收信號(hào)相當(dāng)于在頻域進(jìn)行合并，這樣頻率分集性能就很好。這也是,MC-CDMA,的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。,14,接收與檢測(cè)技術(shù)（2）,LPF,LPF,LPF,LPF,D,cosw,1,t,cosw,2,t,cosw,3,t,cosw,4,t,q1,q2,q3,q4,15,接收與檢測(cè)技術(shù)（3）,*,ORC,(,Orthogonality,Restoring Combining）,*,CE,(Controlled Equalization）,上式中，傳輸性能差的子載波上可能乘上大的增益因子。這樣噪聲變被放大了，降低了誤碼率性能。,u,(),是單位階躍函數(shù)，,是判決門限，對(duì)一個(gè)給定的信噪比，便存在一個(gè)最優(yōu)的門限來(lái)使誤碼率最小。這種方法改進(jìn)了,ORC,中噪聲的放大影響。它的判決是基于幅度大于檢測(cè)門限的子載波基帶信號(hào)之和。,16,接收與檢測(cè)技術(shù)（4）,*EGC（Equal Gain Combining)、,MRC（Maximum Ratio Combining）,*,MMSEC,17,接收與檢測(cè)技術(shù)（5）,由于引入了,CDMA,技術(shù)，,MC-CDMA,也是一種干擾受限系統(tǒng)。特別是在多用戶的情況下，由于擴(kuò)頻碼引入的多址干擾對(duì)誤碼率的影響遠(yuǎn)大于高斯噪聲的影響。所以在遭受到嚴(yán)重的多址干擾時(shí)候，同樣要考慮多用戶檢測(cè)技術(shù)。常用的多用戶檢測(cè)技術(shù)有：,*,最大似然檢測(cè)技術(shù)（,ML MUD）,它的基本思想是計(jì)算接收到的序列與所有可能的傳輸序列之間的歐式距離，從而選擇最可能的傳輸序列，這種算法精度高，適用于上、下行鏈路，但其復(fù)雜度隨用戶數(shù)而成指數(shù)增長(zhǎng)。,18,接收與檢測(cè)技術(shù)（6）,*,迭代檢測(cè)算法,每次檢測(cè)出當(dāng)前所有激活用戶的信息，然后從總的信息中減去不需要的其他用戶成分，再進(jìn)行下次迭帶。在,MC-CDMA,中引入這種迭帶算法，干擾信號(hào)的獲取則利用了單用戶檢測(cè)技術(shù)。一般采用兩級(jí)迭帶。常用的迭帶算法有：,EGC-EGC MUD,這種方法需要知道分配給各用戶的擴(kuò)頻碼。,ORC-MRC MUD,當(dāng)對(duì)其他用戶的判決是正確的，這種方法可以進(jìn)一步降低誤碼率。這種方法需要知道分配給各用戶的擴(kuò)頻碼。,CE-ML MUD,這種方法需要知道分配給各用戶的擴(kuò)頻碼以及對(duì),z,m,的估計(jì)。,*DIC MMSEIC,基于解相關(guān)和,MMSE,的自適應(yīng)干擾估計(jì)和消除。,19,接收與檢測(cè)技術(shù)（7）,MC-DS-CDMA,LPF,并串轉(zhuǎn)換,LPF,LPF,LPF,D,cosw,1,t,cosw,2,t,cosw,3,t,cosw,4,t,q2,q3,q4,q1,MC-DS-CDMA,不能獲得頻率分集增益，故接收端使用常規(guī)的相干接收機(jī)即可。,20,接收與檢測(cè)技術(shù)（8）,MT-CDMA,cosw,1,t,Rake Combiner1,串并轉(zhuǎn)換,D,Rake Combiner2,cosw,2,t,Rake Combiner3,cos,3,t,Rake Combiner4,cosw,4,t,該方法中，子載波的頻譜重疊程度非常高，從而不可避免的存在較嚴(yán)重的子載波間干擾。當(dāng)大的擴(kuò)頻處理增益所帶來(lái)的多址干擾和自干擾的減小不能抵消子載波間干擾時(shí)，系統(tǒng)性能將急劇變壞。,21,檢測(cè)方法比較（1）,方法,上行鏈路,下行鏈路,DS-CDMA,RAKE,O,O,MUD,O,MC-DS-CDMA,Non-Rake,O,MT-CDMA,RAKE,O,DFE,O,LE,O,JEIC,O,22,檢測(cè)方法比較（2）,MC-CDMA,方法,ORC,CE,EGC,MRC,MMSEC,ML MUD,E-E MUD,O-M MUD,C-M MUD,DIC,MMSEIC,上行,O,O,O,下行,O,O,O,O,O,O,O,23,誤碼率性能（1）,2,該仿真是在瑞利平坦衰落信道條件下進(jìn)行的。采用周期32的,Walsh,碼。由圖可以看出，,ORC,檢測(cè)的性能最差，因此在不能正確估計(jì)子載波狀態(tài)的情況下一般不使用之。一般常用,EGC,和,MMSE,來(lái)檢測(cè)。該圖是,MMSE,檢測(cè)的誤碼率圖，它的效果優(yōu)于,EGC。,24,誤碼率性能（2）,這是,MC-DS-CDMA,的一張誤碼率圖，仿真條件與前相同。子載波數(shù)為1024，1%的保護(hù)間隔。采用周期為31的,Gold,序列擴(kuò)頻。在不考慮,FEC,和交織的時(shí)候，其誤碼率性能較差，因?yàn)槠洳荒芴峁╊l率分集。,25,誤碼率性能（3）,這是,MT-CDMA,的一張誤碼率仿真曲線圖。采用周期為127的,Gold,序列擴(kuò)頻。在使用的信道中，比起因?yàn)槭褂瞄L(zhǎng)擴(kuò)頻碼而得到的性能提高，子載波間干擾的影響較小，所以整張圖來(lái)看，性能還比較好。,26,誤碼率性能（4）,這是對(duì)三種技術(shù)的性能進(jìn)行總體比較。,MC-CDMA（,采用,MMSE,檢測(cè)），,MC-DS-CDMA，MT-CDMA。,由圖可以看出，采用,MMSE,檢測(cè)的,MC-CDMA,的性能最好。不過(guò)，它需要對(duì)子載波狀態(tài)信息和噪聲功率進(jìn)行估計(jì)。,27,OFDM-CDMA,的綜合分析,將,OFDM,的概念擴(kuò)展到,OFDM-CDMA（,也即，多載波,CDMA）,這樣能夠避免窄帶衰落，可以看成是頻率分集的效果。這樣，在高碼率情況下，,OFDM-CDMA,系統(tǒng)比單純的,OFDM,系統(tǒng)的性能要好。然而，接收端的均衡和解擴(kuò)導(dǎo)致了噪聲放大。基于這種原因，單純的,OFDM,系統(tǒng)在低碼速率是性能要好，因?yàn)檫@時(shí)的編碼提供了充分的頻率分集。然而，通過(guò)采用更復(fù)雜的檢測(cè)方法，如迭帶解擴(kuò)和譯碼，,OFDM-CDMA,系統(tǒng)的性能可以得到更好的改善。,OFDM-CDMA,系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是它要求相干檢測(cè)，所以信道估計(jì)和均衡是不可少的。,28,研究方向,自適應(yīng)檢測(cè)器,5,多載波,CDMA,系統(tǒng)的多用戶檢測(cè)問(wèn)題,6,新的多載波,CDMA,結(jié)合方式,1,、,7,針對(duì)多載波,CDMA,的特點(diǎn)進(jìn)行信道編碼研究,8,將多載波,CDMA,與,MIMO,技術(shù)相結(jié)合,多載波,CDMA,的信道估計(jì)和均衡,29,今后工作,建立多載波,CDMA,系統(tǒng)的仿真模型,深入學(xué)習(xí)和掌握檢測(cè)技術(shù)，特別是多用戶檢測(cè)技術(shù)與自適應(yīng)檢測(cè)方面的知識(shí),針對(duì)多載波,CDMA,的特點(diǎn)，研究和改進(jìn)現(xiàn)有的檢測(cè)算法,30,參考文獻(xiàn)（1）,1,Andreas F.,Molisch,:Wideband Wireless Digital,Communications,Prentice Hall,2001,2 S.Hara and R.,Prasad,：An Overview of Multi-Carrier CDMA,Spread Spectrum Techniques and Applications Proceedings,1996.,IEEE 4th International Symp