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精品论文一种基于自适应子载波分配的MC-DS-CDMA 系统的仿真与分析 刘佳，景晓军，孙松林 北京邮电大学电信工程学院，北京 (100876)E-mail：liujia822摘要：近年来，将多载波传输方案与码分多址接入（CDMA）技术结合，已成为研究的一 大热点，其中一种结合方式就是多载波直扩码分多址（MC-DS-CDMA）。本文针对传统的 MC-DS-CDMA 系统，提出了一种自适应的子载波分配方案。在该方案中，扩频后的信号不 是通过所有的子载波进行传输，而是动态的利用信道估计选择出信道质量较好的子载波进行 传输，抛弃处于深度衰落的子信道。理论分析和仿真结果表明，相对于传统的 MC-DS-CDMA 系统，本文提出的方案在系统性能上得到了较大程度的改善。 关键词：多载波直扩码分多址自适应子载波分配信道估计中图分类号：TN921引言目前，由于CDMA技术具有容量高、软切换、抗干扰能力强、发射功率低、保密性好等 优点，在无线通信领域中占有重要地位，已成为国际电信联盟（ITU）制定的第三代无线通 信系统的主流空中接口技术1-3。但是，CDMA系统对多址干扰（MAI）很敏感，并且在传 送高速数据流时易受码间干扰（ISI）的影响，尤其是在多径衰落比较严重的无线信道中传 输时，ISI更明显，这使得CDMA系统难以充分利用频谱资源，发展受到一定的限制。而多 载波技术对于由频率选择性衰落导致的多径干扰和码间干扰有很强的抵抗力，并能提供很高 的数据传输速率。因此，将多载波传输与CDMA技术结合在一起，已成为目前的一大研究热 点4-11。多载波 调制 与 CDMA 技术结 合的 方式主 要有 三种： Multicarrier CDMA （简称 MC-CDMA）、Multicarrier DS CDMA（简称 MC-DS-CDMA）以及 Multitone CDMA （简称 MT-CDMA），统称为多载波 CDMA。本文主要研究的是第二种方案，即 MC-DS-CDMA。传统的 MC-DS-CDMA 系统模型已在文献5中给出。在该系统中，发射端首先用给定 的扩频序列对数据流进行时域扩频，再将扩频后的信号调制到 M 个子载波上，接收端采用 相关接收和最大比合并（MRC）方式得到发送的数据流。实验表明，该系统具有很强的抗 多径干扰能力和窄带干扰抑制能力。而文献10中，提出了一种采用最佳子载波传输方案的 改进多载波 CDMA 系统，即每个用户只选用一个最佳的子载波传输数据。虽然系统性能得 到了很大改善，但是子载波利用率太低。而文献11中，针对 MC-CDMA 的系统结构，提出 了一种选择多个子载波传输的方法。本文在此基础上，针对传统的MC-DS-CDMA，提出了一种基于自适应子载波分配的 MC-DS-CDMA系统方案。与传统的系统方案不同点在于，信号不是通过所有的子载波进行 传输，而是动态的利用信道估计选择出信道质量较好的一些子载波进行传输，抛弃处于深度 衰落的子信道。本文分析了采用正交序列作为扩频序列时系统的性能。理论分析和仿真结果表明，相对 于传统的MC-DS-CDMA系统，本文提出的方案在系统性能上得到了较大程度的改善。-5-2系统模型本文的系统模型是在传统的 MC-DS-CDMA 系统模型的基础上建立的：系统总体带宽WT 被分成 M 个等带宽的子信道，这样每个子信道的带宽Ws = WT / M 。下面首先给出本文提出的子载波分配方案，接着给出改进后系统的发送框图，信道模型，以及接收框图。2.1 子载波分配方案这里假定系统的总用户数为 K，有 M 个子载波，从中选出 L 个子载波来发送信息。首 先基站定期通过天线向移动台发送导频信号，导频信号通过所有的子载波进行传输。移动台 收到导频信号后对每个子信道的衰落幅度进行估计并根据其大小进行排序，再将标识信息反 馈给基站。标识信息由各子信道衰落幅度大小的排序组成。例如：假定第 k 个用户的各个子信道的衰减幅度为 k ,1 , k ,2 , ., k , M 。其中 k ,1 为第二大的，k ,2 是为第 M 大的（即最小的），k ,M 为最大的，则返回的标识信息为2, M ,.,1 。则基站通过接收到反馈回来的信息对子载波进行自动选择，在进行选择时，优先选择信道质量较好的 L 个子信道进行数据传输。 通常为了保证信道估计的可靠性，一般导频信号的功率要大于用户信号的功率。2.2 发送端系统中第 k 个用户的发射机结构如下图所示。图 2.1 系统中第 k 个用户的发射机框图由图可得，从基站发出的总的信号 x(t ) 的表达式为KKLx(t ) =x (t ) =2Ecb( k ) a( k ) (t lT )cos( ( k )t )N 1 k( k ) Lk =1 lk =1 l = ii =1其中 a( k ) (t ) =n = 0an p(t nTc )上式中， Ec 为每码片的能量， L 为选取的子载波数且1 L M ， K 为系统中总用户数，b( k ) 为第 k 个用户发送的符号序列，a ( k ) 为该用户特有的扩频码序列（码长为 N）， ( k ) l n i2为第 k 个用户选取的第 i 个子载波的角频率，Tc 为码片周期，T = NTc 为符号周期，p(t ) 为 成形滤波器，P( f ) 为 p(t ) 的频率响应，且带宽为Ws ，H ( f ) =| P( f ) | 满足奈奎斯特准则和以下条件Ws /2 H ( f )df = 12.3 信道模型 (Ws / 2 )本文假定整个系统的信道是频率选择性信道，而通过适当的选取M，可以使各个子信道呈非频率选择性特性，且各子信道间相互独立5。另外，假定信道特性随时间的变化是慢变 化，即在反馈信息的更新周期内是不变的。由此，从基站到第 k 个用户的信道复低通脉冲响应函数为jk ,m hk ,m (t) = k ,m e (t) 其中 k ,m 为第 k 个用户在第 m 个子信道的衰落幅度，是相互独立的随机变量，且服从 瑞利分布。k ,m 为第 k 个用户在第 m 个子信道的随机相位，且服从0,2 区间上的均匀分布。2.4 接收端根据上述发送模型和信道模型，第 k 个用户接收到的信号为r (t ) =L2EcLb( k ) a( k ) (t lT )cos( ( k )t + ) + n(t) K lk =1 l = i =1k ,iik ,i其中 n(t ) 为加性高斯白噪声。第 k 个用户的接收机结构如下图所示。3性能分析图 2.2 系统中第 k 个用户的接收机框图假设接收机的频率和相位均准确同步，则由接收机框图可得到，第 k 个用户第 i 个子载波的低通滤波输出为EN 1ik ,i l ncy (t ) =c LjUi l = b( j ) n=0a( j ) h(t (lN + n)T ) + n%(t ) 其中，U i 表示 K 个用户中选择第 i 个子载波的用户；h(t ) = F1 H ( f ) ；n%(t ) 为滤波后的高斯白噪声。而第 l 个比特的相关输出为N 1i n 'c i i iY =a( k ) y(n '+ lN )T ) = S + I + Nn '= 0 这里 Si = NEc Lb；( k ) k ,i lNN 1 ( j ) 1( k ) ( j )Ii = NEc k ,i Ck , j (0)bljUi ，其中 Ck , j (0) = an 'n '= 0 an '代表第 k 个用户和第 jj k 个用户的扩频码的相关系数；N 1i n ' cN =a( k ) n%(n '+ lN )T ) 。n '= 0 其中， Si 代表有用信号， Ii 代表其他用户的干扰， Ni 代表高斯白噪声的干扰。则最大比合并后的判决输出为LZ = k ,iYii =12当采用正交码作为扩频码时，有 Ck , j (0) = 0 ( j k ) ，即 Ii = 0 。所以，可得判决输出的条件均值和方差分别为EZ = ± NLEc LL i =1N k ,i k ,i L k ,i VarZ =Ni =10 22E令 z =bN0 2i =1，且 z 的概率密度为12L1fZ ( z) =z(L 1)! Le ( z / )当z 0时k ,i 其中E 2NbEb ， E0= NEc 为每比特能量。由此可得，系统的误码率为Pbe,o= 0 Q(2z ) fLZ( z)dzu 2其中 Q( x) =1e 2 du 。2 x从上式可以看出，当采用正交码作为扩频码时，由于 Ck , j (0) = 0 ( j k ) ，即其他用户的干扰为 0，则系统的误码率与系统中的用户 K 的个数无关。4仿真结果与分析下面对本文提出的系统方案和传统的 MC-DS-CDMA 系统的性能进行仿真比较。这里假定两个系统均采用相同的带宽，且 NM=512。下图给出了本文提出的方案与传统的 MC-DS-CDMA 系统的误比特率性能曲线。图 4.1 系统的误比特率性能（子载波数 M=4）图 4.2 系统的误比特率性能（子载波数 M=8）其中，图 4.1 和图 4.2 分别对应于子载波数目 M=4、8 的情况，且每个图中的四条曲线 分别代表传统的系统性能以及改进后选择不同数目的子载波（L=1，2，3）的系统性能曲线。由图可以看出，相对于传统的 MC-DS-CDMA 系统，本文提出的方案在系统性能上得到-7-了较大程度的改善。因为将信号能量分配给信道质量较好的子载波进行传输时，信号所受到的衰减将会减小，所以系统性能会明显优于将能量平均分配给所有子载波的传输方式。 同时还可以看出，随着选择的子载波数的减少，系统的性能会更好。因为在进行子载波选择时，是按照最好的优先选择，所以子载波选择越少，平均衰减就越小。但是随着所选载 波数的减少，平均衰减的减小将明显趋缓。继续减少子载波的数量，还将影响数据传输的速 度，同时也有可能增加误码率。所以在进行子载波选择时，还应考虑到系统的实际性能要求 来进行适当的选择。另外还可以看出，随着总的子载波数目的增加，系统性能也随之改善。因为随着总的子 载波数目的增加，用户可以从更多的子载波中选择出信道质量更好的子载波来进行传输，所 以系统性能会更好。5结论本文提出了一种基于自适应子载波分配的MC-DS-CDMA系统方案。在该方案中，信号不是 通过所有的子载波进行传输，而是动态的利用信道估计选择出信道质量较好的子载波进行传 输，抛弃处于深度衰落的子信道。理论分析和仿真结果表明，在多径衰落信道下，相对于传 统的MC-DS-CDMA系统，本文提出的方案在系统性能上得到了较大程度的改善。参考文献1 R. 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Canada: Wiley, 1957.A Multicarrier DS CDMA SystemBased on Adaptive Subcarrier AllocationLiu Jia，Jing Xiaojun，Sun SonglinSchool of Telecommunication Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing, PRC, (100876)AbstractRecently, multicarrier transmission schemes have been introduced into code-division multiple access (CDMA) systems. One of the methods is multicarrier DS CDMA system. In this paper, we propose a multicarrier DS CDMA system with an adaptive subcarrier allocation method. In the proposed system, instead of identical DS waveforms being transmitted over all of the subcarriers in parallel, each users DS waveform is transmitted over a number of the subcarriers which have the larger fading amplitude among all the subcarriers.We analyze the performance of the system when orthogonal signature sequences are used. The proposed system is shown to have a better performance than the conventional multicarrier DS CDMA system.Keywords: Multicarrier DS CDMA , adaptive subcarrier allocation, channel estimation.