1、多载波 CDMA 的三种方案及其特性比较第 28 卷第 7 期2004 年 7 月信息技术F0RMA1f1ONTECHNOL()GYVOL.28NO.7Ju1.2OO4多载波 CDMA 的三种方案及其特性比较夏晓南(扬州大学信息工程学院,扬州 225009)摘要:多载波扩频码分多址系统是一种消除符号间干扰的有效技术 .它结合了OFDM 和 CDMA的优点,在高速数据传输时,其抗符号间干扰的性能明显优于传统的单载波CDMA 系统.本文首先分析了三种多载波 CDMA 方案的基本原理,然后对它们的系统特性进行了比较.关键词:多载波 CDMA;正交频分复用 ;符号间干扰;信号功率谱; 多径时延扩展中图
2、分类号:TN929.533 文献标识码:A 文章编号:10092552【2004)o7003903Threeschemesandtheirfeaturecomparisonofmulti.carrierCDMAXIAXiaoIlanIInstituteofInformationTedmology,YangzhouUniversity.Yangzhou225009.China)Abstract:Multi-carrierCDMAisatheeffectivetechniquetomitigatetheISI.ItcombinestheadvantagesofOFDMandCDMA,anditsc
3、apabilityofcombatingISIisobviouslybetterthanthatofasingle-carrierCDMAforthehighdataratetransmission.Thispaperanalyzesthebasicprinciplesofthreekindsofmulti-carrierCDMAscheinesandthencomparestheirsystemfeatures,Keywords:multi-carrierCDMA;OFDM;LSI;signalpowerspectrum;muhipathtimedelayl 概述.由于扩频码分多址(CDMA
4、)技术具有多址能力,抗衰落的稳健性,抗干扰能力强以及可实现软切换等特点,因而受到广泛的重视,已成功地应用于第二代移动通信中,如 IS 一 95,而且第三代移动通信的主要方案也都是基于码分多址 CDMA 技术的,因此CDMA 技术具有无可争辩的竞争力.但是,由于存在多址干扰和符号间干扰(ISI),CDMA 难以实现高速数据传输.随着移动通信的发展,人们对业务种类的需求已从单一的话音向多媒体业务发展,而传统的 CDMA 技术无法胜任.另一方面,多载波调制,又称为正交频分复用(OFDM)J,对于多径干扰和符号间干扰具有很强的抵抗力,在经过多年的发展以后,OFDM 目前已广泛应用于较高速率的无线通信中
5、.从 1993 年开始,很多学者提出了将 OFDM 和CDMA 相结合的技术方案【4 刮,它结合了 OFDM 和CDMA 的优点,在高速数据传输时,其抗符号间干扰的性能明显优于传统的单载波 CDMA.在发送端和接收端,利用快速傅立叶变换()很容易产生和恢复这些多载波信号,而无须增加发射机和接收机的复杂性.并且由于各子载波频谱相互交叠,因此,多载波 CDMA 系统具有很高的频谱利用率.这些多载波 CDMA 方案可分为两类:频域扩频和时域扩频.频域扩频通常称为多载波 COMA(MCCDMA).时域扩频有两种不同的构成方法:多载波DSCDMA(MCDSCDMA)和多音调 coMA(MTCDMA).本
6、文首先分析了这三种多载波 CDMA 方案的基本原理,然后对它们的系统挣 I 生进行了比较.2OFDM 与 CDMA 结合的三种方案 JOH)M 与 DSCDMA 组合可以得到三种多载波 CD.MA 方案:MC CDMA,MCDSCDMA 和 MTCDMA.收稿日期:20031226作者简介:夏晓南(1970 一),女,江苏镇江人,硕士,扬州大学信息工程学院讲师,研究方向为电子与信息系统.一392.1MCCDMA 方案这类 MCCDMA 的发送框图和信号功率谱如图 1 所示.每个信息符号先经过扩频,扩频后的每个码片(chip)调制到一个子载波上 ,若伪码 PN 的长度为,则调制到个子载波上,显然
7、它是在频域进行扩频.图中调制方式采用 BPSK,G 为处理增益,J7v为子载波数,(t)=c,们表示第个用户的扩频码.这里,假设子载波数和处理增益相等,即c=G.数:.,.1J图 lMCCDMA 的发送框图和信号功翠谱实际上,如果原先的符号速率很高,以至于受到频率选择性衰落,则需要首先将它经过串/并变换再进行频域扩频.因为对于多载波传输,保证每个子载波满足频率非选择性衰落是至关重要的.图 2 所示为 MCCDMA 的改进方案,以保证频率非选择性衰落.图中,代表原先的符号周期,原先的数据序列首先被转换成 P 个并行序列 ,然后每个序列被影射到个子载波上.为了增加系统抗频率选择性衰落的稳健性,必须
8、选择合适的子载波数和保护间隔.Cfcos(2t)I数据流广L 能 _JI卜 ffUIP(:cos(2(y,+一 I)/Ts)t)(a)发送框图 2MCCDMA 修改方案的发送框图和信号功率谱?-40?-2.2MCDSCDMA 方案图 3 所示为 MCDSCDMA 的发送框图和信号功率谱.输入信息数据比特,先经过串,并变换,并行的每路经过相同的短码扩频,再调制到不同的子载波上,相邻的子带有 1/2 的重叠,且保持正交关系.图中调制方式采用 BPSK,G 加为处理增益,c为子载波数,ci(t=, 们)表示第个用户的扩频码.由于扩频后的带宽限制在一个子带内,因此一般选择较短的扩频码.MCDSCDMA
9、 是在时域进行信号的迭加 ,频谱分布形状和 MCCDMA 相同.由于进行了串,并变换,降低了码速率,所以不仅抑制了 ICI,而且还解决了 ISI 问题.(b)信号功率谱图 3MCDsCDMA 的发送框图和信号功率谱2.3MTCDMA 方案MTCDMA 的发送框图和信号功率谱如图 4 所示.输入数据流先经过串/并变换,调制到不同的子载波上,以形成 Of1lM 信号,此时子载波之间有 1/2 重fc0s2q,f),f=一变st2L)换 M一)_一(a)发送框图(b)信号功率谱图 4biTCDMA 的发送框图和信号功率谱叠,且满足正交性,OFDM 的符号周期为.然后再经过长 G 胛的扩频码扩频,则扩
10、频后每个子载波的带宽扩展为/.而相邻子载波间隔仍保持以前的1/,因此子载波间有更多的重叠,这时子载波之间已不再保持正交.MTCDMA 方案使用与子载波数目成正比的更长的扩频码,因此与通常的单载波 DsCDMATY 案相比,该系统可以容纳更多的用户.与 MCCDMA 和 MCDSCDMA 相比,MTCDMA 的频谱分布不均匀,各个子载波在同一个物理信道中心部分的频谱迭加的成分最多,频谱分布不均匀,导致了部分的抗干扰性能下降.3 系统特性比较表 1 所示为 CDMA 系统特性比较.与单载波 DSCDMA 相比,多载波 CDMA 具有较长的码长,更容易得到序列同步,并减小了多址接人干扰(MAI),在
11、抗MAI 方面具有明显优于单载波 DSCDMA 的性能 .当在 DSCDMA 系统中使用矩形脉冲时 ,MCCDMA 和 MCDSCDMA 方案需要的带宽是 DSCDMA 方案的一半,而 MTCDMA 方案的带宽和 DSCDMA 的相同.如果使用具有小的滚降因子的奈奎斯特滤波器时,MC CDMA 和 MCDSCDMA 方案需要的带宽与 DSCDMA 的类似.当然,多载波 CDMA 也有缺点.多载波系统频率和同步的要求更加严格,同步的误差会导致系统性能的快速恶化.由于 OFDM 符号是许多独立信号的叠加,其包络服从高斯分布,因此其峰值功率比平均值功率大,导致对系统前端放大器的线性动态范围要求较高.
12、在 MCCDMA 系统中可以通过设计扩频序列来减小信号的动态范围.4 结束语在移动信道中,多径时延功率谱扩散值的大小完全决定于信道,但是它对数据传输的影响却不决定于其绝对值,而是决定于它在信息码元中所占比例即相对值的大小.速率越高相对比例就越大,影响就越严重.多载波技术就是一类设法在高速数据通信中降低多径时延扩散值在信息码元所占比例(即相对值大小) 的一项有利措施.多载波扩频将多载波传输技术和扩频多址技术结合起来,兼有两者的优点,对多径效应引起的符号间干扰(ISI)有很强的抵抗力,同时继承了 CDMA 的高用户容量的优点 .因此,多载波 CDMA 作为今后高速移动数据通信中的一项核心技术,将会
13、得到越来越广泛的应用.表 1 系统特性比较参考文献:1胡扞英,杨峰义 .第三代移动通信系统M.北京:人民邮电出版社,2001.2WuYiyah.ZouWY.OnhogoFrequencyDivisienMultiplexing:AMulticerModulationSehemeJ.IEEETrans.1311ColltunerElectroc8.1995,41(3):392399.【3“SailH,KaramG,JeanclaudeI.TransmissienTechniquesforDitalTerrestrialIVBroadcastingJ.IEEECorramn.Magazine.19
14、95.33(2):100109.4JYeeN,LinawlzJP.FettweisG.MultiC,anel“CDMAinIndoorWndeesPrimo t 啪 d【sJ.丑 Tmas.C 咖 m.,1994,77(7):9130904.OaatlyA,BrajalA,JamhnS.0r._IalMulticarrierTechniquesAp.pliedtoDirectSequcespSPecmlIIlCDblASystemsA.InProc.IEEEcIDBECoM93c.Housten.USA,1993,(11):17231728.DaSilvaVM,SousaES.Performa
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