專利名稱：一種mc－cdma系統(tǒng)發(fā)射與接收方法
技術領域：
本發(fā)明屬于移動通信系統(tǒng)采用多載波(MC)技術和碼分多址(CDMA)技術領域。
背景技術：
在3G中CDMA是一種最主要的技術，而多載波調制將是未來廣帶無線傳輸體制的關鍵技術。以多載波技術融合CDMA技術，構成多載波CDMA系統(tǒng)是未來移動通信發(fā)展的重要方向之一。多載波技術與CDMA技術相結合的方案主要有多載波CDMA(MC-CDMA)、多載波直接序列擴頻CDMA(MC-DS-CDMA)和多音調制CDMA(MT-CDMA)三種主要形式[R.Prasad，S.HARA.An Overview ofMulti-carrier CDMA.IEEE Commun.Magazine，1997，35(12)126-133]。MC-CDMA方案采用頻域擴頻技術，MC-DS-CDMA和MT-CDMA方案采用時域擴頻技術。其中，MC-CDMA方案由于可以獲得頻域分集增益和優(yōu)良的性能被認為是三種方案中最具前景的方案，未來移動通信系統(tǒng)許多具體的形式將基于MC-CDMA方案構建。
傳統(tǒng)的MC-CDMA方案要求各子載波經(jīng)歷頻率非選擇性衰落信道，為保證這一條件傳輸信號的符號周期和擴頻序列的切普周期都要受到一定的限制，否則各子載波經(jīng)歷頻率非選擇性衰落的條件將可能被破壞，將導致系統(tǒng)的性能惡化。當傳輸?shù)姆栔芷跐M足不了頻率非選擇性衰落信道這一條件時，為保證各子載波仍經(jīng)歷頻率非選擇性衰落，傳統(tǒng)的MC-CDMA方案采用將調制后的數(shù)據(jù)流進行1P串并變換的方法，使傳輸?shù)姆栔芷谠黾覲倍來保證各子載波仍經(jīng)歷頻率非選擇性衰落。但增加串并變換環(huán)節(jié)將使系統(tǒng)的子載波數(shù)增加P倍，這將大大增加系統(tǒng)的頻率資源開銷，同時由于子載波數(shù)增加了P倍，還將大大增加收發(fā)信機本身的復雜性和處理的復雜度，而且在實際中由于信道是動態(tài)變化的，這就需要動態(tài)調節(jié)P以適應信道的變化，實現(xiàn)起來十分困難，不利于數(shù)據(jù)的高速無線傳輸。

發(fā)明內容
本發(fā)明為克服傳統(tǒng)MC-CDMA方案的局限性，提出了一種改進的MC-CDMA系統(tǒng)發(fā)射與接收方法。
該發(fā)射方法無需改變傳統(tǒng)MC-CDMA方案發(fā)射的基本結構，但需要取發(fā)射的符號周期為切普周期的整數(shù)倍，這是本發(fā)明的關鍵所在。傳統(tǒng)的MC-CDMA方案由于發(fā)射的符號周期和切普周期相同，即使存在多徑傳輸，也無法對多徑信號進行分離，因此需要對切普周期和符號周期進行限制。本發(fā)明由于取發(fā)射的符號周期為切普周期的整數(shù)倍，這樣，當子載波經(jīng)歷頻率選擇性衰落信道時，在接收端可保證對子載波多徑信號的有效分離，從根本上消除了傳統(tǒng)MC-CDMA方案對切普周期和符號周期的限制，十分有利于數(shù)據(jù)的高速無線傳輸。同時，本發(fā)明由于無需改變傳統(tǒng)MC-CDMA方案發(fā)射的基本結構，不需要增加串并變換環(huán)節(jié)，節(jié)約了寶貴的頻率資源，降低了收發(fā)信機本身的復雜性和處理的復雜度。
該接收方法對各子載波的多徑信號采用RAKE接收技術進行合并，使傳統(tǒng)的MC-CDMA方案在頻域分集增益的基礎上又獲得了時域分集增益，顯著地改善了傳統(tǒng)MC-CDMA方案的總體性能。
本發(fā)明所采用的一種MC-CDMA系統(tǒng)發(fā)射與接收技術方案，包括以下步驟A.發(fā)射步驟(1)每個用戶經(jīng)過BPSK調制的數(shù)據(jù)流經(jīng)過1P的復制，形成P路相同的并行數(shù)據(jù)流；(2)對復制后的P路并行數(shù)據(jù)流用長度為P的擴頻碼進行頻域擴頻，頻域擴頻的切普周期取用戶調制信號周期的整數(shù)倍分之一，即發(fā)射的符號周期為切普周期的整數(shù)倍，不同的用戶采用不同的擴頻碼；(3)對頻域擴頻后的P路并行信號進行快速付里葉逆變換(IFFT)，將各路信號調制到相應的子載波上；(4)將調制后的P路子載波信號相加后發(fā)射。
B.接收步驟(1)天線接收到的信號包括各用戶的信號以及噪聲的疊加，對天線接收到的信號進行與發(fā)射端快速付里葉逆變換(IFFT)對應的快速付里葉變換(FFT)，恢復出各子載波的信號；(2)各子載波經(jīng)歷了頻率選擇性多徑衰落信道后，每一子載波又都包含L徑信號，對每一用戶每一子載波每一徑的信號都進行與發(fā)射端對應的解擴與匹配濾波處理，得到每一用戶每一子載波每一徑解擴后的信號；(3)對每一用戶每一子載波每一徑解擴后的信號進行多徑信號的時域合并，得到每一用戶每一子載波多徑合并后的信號；(4)對同一用戶每一子載波多徑時域合并后的信號再進行頻域合并，得到用戶信號的最終判決變量；(5)對最終判決變量進行BPSK解調，恢復出用戶的數(shù)據(jù)流。
以下對本發(fā)明方法所涉及的內容加以論述。
1.發(fā)射信號考慮有K個用戶的MC-CDMA系統(tǒng)的發(fā)射過程。每一用戶都采用BPSK調制，具有相同的發(fā)射功率S和數(shù)據(jù)速率1/Ts，發(fā)射的符號周期為Ts。對傳統(tǒng)的MC-CDMA系統(tǒng)，發(fā)射的符號周期等于擴頻碼的切普周期Tc。但對本發(fā)明的方法，取發(fā)射的符號周期為切普周期的整數(shù)倍，即Ts＝NTc，N為一大于1的整數(shù)。
則用戶k的發(fā)射信號可表示為sk(t)=SΣp=1Pak(t)ck,p(t)exp(j2πfpt)]]>[公式1]式中，ak(t)=Σn=-∞∞ak(n)gTs(t-nTs)]]>表示用戶k及復制后任一路信號，其中，ak(n)表示用戶k及復制后任一路第n個數(shù)據(jù)比特。ck(t)＝[ck，1(t)…ck，P(t)]是第k個用戶的擴頻序列波形，ck，p和ck,p(t)=ck,pgTc(t-pTc)]]>分別表示相應的擴頻碼和切普波形，Tc為切普周期。gTs(t)和gTc(t)分別是定義在[O，Ts)和[O，Tc)上的矩形脈沖成形函數(shù)。fp為第p個子載波的載波頻率。
2.信道本發(fā)明允許每一個子載波都經(jīng)歷頻率選擇性多徑衰落信道。第七個用戶第p個子載波信道的低通脈沖響應可以表示為hk,p(t)=Σl=1Lαk,lejβk,lδ(t-tk,l)]]>[公式2]其中，L為信道可分辨的多徑數(shù)αk，lejβk，l為復信道系數(shù)，αk，l是路徑的幅度增益，βk，l是路徑的相位增益，tk，l是多徑時延，對不同的k，l，假設其為獨立同分布的隨機變量。
3.接收信號經(jīng)歷了公式(2)所描述的信道后，接收端接收的信號表示為r(t)=SΣk=1KΣp=1PΣl=1Lak(t-tk,l-τk)ck,p(t-tk,l-τk)]]>·αk,lexp[j(2πfpt+θk,p,l)]+η(t)]]>[公式3]其中，τk為用戶七的傳播時延，對不同的k，假設τk是獨立的。θk，p，l＝(βk，l-2πfptk，l-2πfpτk)mod2π為用戶k第p個子載波第l徑上信號的相移，η(f)表示加性高斯白噪聲。
4.信號的解調不失一般性，假設用戶七為期望用戶，令τk=O。對上述接收過程，期望用戶k的第p個子載波第l徑信號第n個符號的解擴與匹配濾波輸出為yk,p,l(n)=1Ts∫nTs+tk,l(n+1)Ts+tk,lr(t)exp(-j2πfpt)ck,p(t-tk,l)dt]]>[公式4]用γk，p，l(n)表示用戶k第p個子載波第，徑信號的多徑合并系數(shù)，對本發(fā)明所采用的合并方案，αk(n)的最終判決變量為Yk(n)=Re(Σp=1PΣl=1Lyk,p,l(n)γk,p,l(n))]]>[公式5]對多徑信號的最大比合并，用戶腳個子載波第l徑信號的多徑合并系數(shù)γk，p，l(n)為γk,p,l(n)=αk,lexp(-jθk,p,l)]]>[公式6]對所得到的最終判決變量進行BPSK解調后即得到期望用戶k的信息數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明所提出的MC-CDMA方案與傳統(tǒng)的MC-CDMA方案相比，由于取發(fā)射的符號周期為切普周期的整數(shù)倍，這樣就允許各子載波經(jīng)歷頻率選擇性多徑衰落信道，從而從根本上消除了傳統(tǒng)的MC-CDMA系統(tǒng)對切普周期和符號周期的內在限制，十分有利于高速無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)；同時，由于取發(fā)射的符號周期為切普周期的整數(shù)倍，在接收端可保證對多徑信號的有效分離，實現(xiàn)對子載波多徑信號的時域合并，與傳統(tǒng)的方案相比，還獲得了多徑分集增益，顯著地提高了系統(tǒng)的性能；其次，由于不需要串并變換環(huán)節(jié)，與傳統(tǒng)的方案為保證各子載波仍經(jīng)歷頻率非選擇性衰落，將調制后的數(shù)據(jù)流進行1P串并變換的方法相比，系統(tǒng)的子載波數(shù)降低了P倍，十分有利于節(jié)約寶貴的頻率資源，同時也有利于降低收發(fā)信機本身的復雜性和處理的復雜度。因此，未來移動通信系統(tǒng)許多具體的形式基于本發(fā)明的方案構建將比基于傳統(tǒng)的MC-CDMA方案構建更為有利。


圖1為MC-CDMA系統(tǒng)任一用戶k的發(fā)射過程圖；圖2為MC-CDMA系統(tǒng)任一用戶k的接收過程圖；圖3為誤碼率BER對Es/N0關系曲線(P＝32，N＝16，K＝8)；圖4為誤碼率BER對用戶數(shù)的關系曲線(P＝32，N＝16，Es/N0＝10dB)；圖5為系統(tǒng)的帶寬效率對Es/N0關系曲線(P＝32，N＝16，K＝8)。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的方法加以詳細說明。
參照圖1的一種MC-CDMA系統(tǒng)任一用戶k的發(fā)射過程，具體步驟包括(1)任一用戶k的信源11產(chǎn)生的二進制信號，經(jīng)過BPSK調制12，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流經(jīng)過1P的復制13，形成P路相同的并行數(shù)據(jù)流，ak(t)=Σn=-∞∞ak(n)gTs(t-nTs)]]>表示用戶k及復制后任一路信號，其中，ak(n)表示用戶k及復制后任一路第n個數(shù)據(jù)比特，符號周期為Ts；(2)P路并行數(shù)據(jù)流經(jīng)過長度為P的擴頻碼的頻域擴頻14，得到用戶k對應在任一路p擴頻后的信號為ak(t)ck，p(t)其中，ck，p(t)表示擴頻碼ck，p的切普波形，切普周期為Tc，取發(fā)射的符號周期為切普周期的整數(shù)倍，即Ts＝NTc，N為一大于1的整數(shù)；(3)頻域擴頻后的P路并行信號經(jīng)過快速付里葉逆變換(IFFT)15，將各路信號調制到相應的子載波上，得到用戶k調制后任一子載波p上的信號為
Sak(t)ck,p(t)exp(j2πfpt)]]>其中，S為用戶發(fā)射功率，fp為第p個子載波的載波頻率；(4)調制后P路子載波的信號經(jīng)過相加16后發(fā)射，用戶k發(fā)射的信號表示為sk(t)=SΣp=1Pak(t)ck,p(t)exp(j2πfpt)]]>參照圖2的MC-CDMA系統(tǒng)任一用戶k的接收過程，具體步驟包括(1)天線接收到的信號包括各用戶的信號及噪聲的疊加，天線接收到的信號經(jīng)過與發(fā)射端快速付里葉逆變換(IFFT)相對應的快速付里葉變換(FFF)21，恢復出各子載波上的信號，所恢復出的任一子載波p上的信號為r(t)exp(-j2πfpt)其中，r(t)為天線上的接收信號；(2)各子載波經(jīng)歷了頻率選擇性多徑衰落信道后，每一子載波又都包含L徑信號，每一用戶每一子載波的每一徑信號都經(jīng)過與發(fā)射端對應的解擴與匹配濾波處理22，得到每一用戶每一子載波每一徑解擴后的信號，用戶k任一子載波p任一徑l上的解擴與匹配濾波處理后第n比特的信號為yk,p,l(n)=1Ts∫nTs+tk,l(n+1)Ts+tk,lr(t)exp(-j2πfpt)ck,p(t-tk,l)dt]]>其中，tk，l是用戶k任一徑l的時延；(3)對每一用戶每一子載波每一徑解擴后的信號進行多徑信號時域合并23，得到每一用戶每一子載波多徑合并后的信號，時域合并后用戶k任一子載波p第n比特的信號為Σl=1Lyk,p,l(n)γk,p,l(n)]]>其中，L為信道可分辨的多徑數(shù)，γk，p，l(n)表示用戶k第p個子載波第l徑信號的多徑合并系數(shù)；(4)對同一用戶每一子載波多徑時域合并后的信號再進行頻域合并24，得到用戶信號的最終判決變量，用戶k第n比特的最終判決變量為Re(Σp=1PΣl=1Lyk,p,l(n)γk,p,l(n))]]>(5)對用戶信號的最終判決變量進行BPSK解調25，恢復出用戶的數(shù)據(jù)信號，即得到用戶的信宿26。
為評價本發(fā)明所提出的MC-CDMA方案，對其BER性能和帶寬效率進行了計算機仿真，還將結果與傳統(tǒng)的MC-CDMA方案載波合并分別采用最大比合并(MRC)和等增益合并(EGC)時的性能進行了比較。為了進行比較，采用了BPSK調制，系統(tǒng)具有相同的帶寬和數(shù)據(jù)速率，多徑功率假設為均勻分布。擴頻碼采用了Walsh-Hadamard碼，定義符號能量為Es＝PSTs，誤碼率門限為10-3。
圖3給出了多徑信號的時域合并分別采用最大比合并(MRC)和等增益合并(EGC)時，本發(fā)明的MC-CDMA方案與傳統(tǒng)的MC-CDMA方案的BER性能對Es/N0的計算機仿真結果。從圖3可以看出，本發(fā)明的方案由于獲得了多徑分集增益，與原方案相比系統(tǒng)的BER性能得到了顯著的改善，而且隨著多徑數(shù)目的增加，BER性能的改善也越加顯著。
圖4給出了多徑信號的時域合并分別采用最大比合并和等增益合并時，本發(fā)明的MC-CDMA方案與傳統(tǒng)的MC-CDMA方案的BER性能對用戶數(shù)的計算機仿真結果。從圖4可以看出隨著多徑合并數(shù)目的增加，系統(tǒng)的BER性能得到顯著改善，使在同一誤碼率的條件下，系統(tǒng)容納的用戶數(shù)得到顯著的提高。
圖5為當多徑數(shù)不同時，系統(tǒng)的帶寬效率對Es/N0的計算機仿真關系曲線。從圖5可以看出多徑數(shù)對系統(tǒng)的帶寬效率有顯著的影響，即由于多徑分集增益，本發(fā)明方案的帶寬效率或系統(tǒng)容量與傳統(tǒng)方案相比得到了顯著的提高。
從圖3、4和5中還可以看出，多徑信號的時域合并采用最大比合并時系統(tǒng)的BER性能和帶寬效率要明顯優(yōu)于采用等增益合并時系統(tǒng)的BER性能和帶寬效率。因此，多徑信號時域合并采用最大比合并的方式更為合適。
權利要求
1.一種MC-CDMA系統(tǒng)發(fā)射與接收方法，其特征在于任一用戶(k)的發(fā)射與接收過程，包括以下步驟A.發(fā)射步驟(1)任一用戶k的信源(11)產(chǎn)生的二進制信號，經(jīng)過BPSK調制(12)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流經(jīng)過1P的復制(13)，形成P路相同的并行數(shù)據(jù)流，ak(t)=Σn=-∞∞ak(n)gTs(t-nTs)]]>表示用戶k及復制后任一路信號，其中，ak(n)表示用戶k及復制后任一路第n個數(shù)據(jù)比特，符號周期為Ts；(2)P路并行數(shù)據(jù)流經(jīng)過長度為P的擴頻碼的頻域擴頻(14)，得到用戶k對應在任一路p擴頻后的信號為ak(t)ck，p(t)其中，ck，p(t)表示擴頻碼ck，p的切普波形，切普周期為Tc，取發(fā)射的符號周期為切普周期的整數(shù)倍，即Ts＝NTc，N為一大于1的整數(shù)；(3)頻域擴頻后的P路并行信號經(jīng)過快速付里葉逆變換(15)，將各路信號調制到相應的子載波上，得到用戶k調制后任一子載波p上的信號為Sak(t)ck,p(t)exp(j2πfpt)]]>其中，S為用戶發(fā)射功率，fp為第p個子載波的載波頻率；(4)調制后P路子載波的信號經(jīng)過相加(16)后發(fā)射，用戶k發(fā)射的信號表示為sk(t)=SΣp=1Pak(t)ck,p(t)exp(j2πfpt)]]>B.接收步驟(1)天線接收到的信號包括各用戶的信號及噪聲的疊加，天線接收到的信號經(jīng)過與發(fā)射端快速付里葉逆變換相對應的快速付里葉變換(21)，恢復出各子載波上的信號，所恢復出的任一子載波p上的信號為r(t)exp(-j2πfpt)其中，r(t)為天線上的接收信號；(2)各子載波經(jīng)歷了頻率選擇性多徑衰落信道后，每一子載波又都包含L徑信號，每一用戶每一子載波的每一徑信號都經(jīng)過與發(fā)射端對應的解擴與匹配濾波處理(22)，得到每一用戶每一子載波每一徑解擴后的信號，用戶k任一子載波p任一徑l上的解擴與匹配濾波處理后第n比特的信號為yk,p,l(n)=1Ts∫nTs+tk,l(n+1)Ts+tk,lr(t)exp(-j2πfpt)ck,p(t-tk,l)dt]]>其中，tk，l是用戶k任一徑l的時延；(3)對每一用戶每一子載波每一徑解擴后的信號進行多徑信號時域合并(23)，得到每一用戶每一子載波多徑合并后的信號，時域合并后用戶k任一子載波p第n比特的信號為Σl=1Lyk,p,l(n)γk,p,l(n)]]>其中，L為信道可分辨的多徑數(shù)，γk，p，l(n)表示用戶k第p個子載波第l徑信號的多徑合并系數(shù)；(4)對同一用戶每一子載波多徑時域合并后的信號再進行頻域合并(24)，得到用戶信號的最終判決變量，用戶k第n比特的最終判決變量為Re(Σp=1PΣl=1Lyk,p,l(n)γk,p,l(n))]]>(5)對用戶信號的最終判決變量進行BPSK解調(25)，恢復出用戶的數(shù)據(jù)信號，即得到用戶的信宿(26)。
2.根據(jù)權利要求1所述一種MC-CDMA系統(tǒng)發(fā)射與接收方法，其特征在于權利要求1接收步驟(3)對用戶k任一子載波p多徑信號的時域合并采用最大比合并，用戶k第p個子載波第l徑信號的合并系數(shù)γk，p，l(n)為γk,p,l(n)=αk,lexp(-jθk,p,l).]]>
全文摘要
一種MC－CDMA系統(tǒng)發(fā)射與接收方法包括以下步驟發(fā)射步驟，對用戶經(jīng)過BPSK調制的數(shù)據(jù)流進行復制，形成P路相同的并行數(shù)據(jù)流；對復制后的P路并行數(shù)據(jù)流進行頻域擴頻，取發(fā)射的符號周期為切普周期的整數(shù)倍；對頻域擴頻后的P路并行信號進行快速付里葉逆變換；將調制后的P路子載波信號相加后發(fā)射；接收步驟，對天線接收到的信號進行快速付里葉變換，恢復出各子載波的信號；對每一用戶每一子載波每一徑的信號都進行解擴與匹配濾波處理，得到解擴后的信號；對多徑信號進行時域合并，得到每一子載波多徑合并后的信號；對多徑合并后的信號再進行頻域合并，得到用戶信號的最終判決變量；對最終判決變量進行BPSK解調，恢復出用戶的數(shù)據(jù)流。
文檔編號H04L5/02GK1777087SQ20051008692
公開日2006年5月24日 申請日期2005年11月18日 優(yōu)先權日2005年11月18日
發(fā)明者楊維, 李航, 顏永慶, 尤肖虎 申請人:北京交通大學