（信号与信息处理专业论文）基于重叠复用编码的广义正交互补码系统.pdf

瓣 一 j ，、 1 幽p r l i f l ip f r l l l l li p p l l f l l l fr l f f l i f l f l j ipli y 17 5 8 7 0 9 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 。本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：2 受! 垒三：垒 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文 本人签名： 导师签名： 本授权书。 日期：趟l 竺! ：竺 日期：手中-，、。j 1 焉0 a j l 产 基于重叠复用编码的广义正交互补码系统 摘要 c d m a 扩频序列的相关特性是影响其性能的关键因素，其自相关与 互相关特性可以有效消除多径干扰与多址干扰。根据w e l c h 界，同时具 有理想自相关与互相关特性的扩频序列是不存在的。但是通过不同分量 码扩频之后进行互补相加则可以实现理想的相关特性，这种扩频序列称 为正交互补码。基于传统互补码，广义正交互补码使满足理想相关特性 的互补扩频序列个数大大增加，具有多个分量码的扩频序列称为广义正 交互补码。 接下来本文对重叠码分复用( o v c d m ) 编码矩阵作为广义正交互补码 的扩展矩阵进行了分析。对扩展矩阵进行码片级移位重叠复用称为 o v c d m 编码，使用o v c d m 编码的广义正交互补码同频组网系统则称为 重叠码分复用多址( o v c d m a ) 。通过构造适合的o v c d m 编码矩阵， o v c d m a 系统可以在完全消除小区间干扰的情况下实现高码率数据传 输，同时获得由于重叠移位而产生的编码增益。 单独通过o v c d m 的约束长度来获得编码增益会产生很大的复杂度， 因此应考虑将o v c d m 编码应用于目前3 g 及b 3 g 技术中广泛采用的级 联迭代译码系统。本文以o v c d m 作为串行级联内码编码器，通过对影 响迭代译码系统性能各个因素进行分析，设计了具有较低复杂度和优良 性能的比特级交织o v c d m 迭代译码系统。同时，作为内码编码器的 o v c d m 可以与广义互补码组的分量码相结合，因此本文也分析了使用比 特级交织迭代译码的o v c d m a 系统。 关键词：重叠码分复用串行级联迭代译码正交互补码 謦： 摹， a 厂、 l ， 、 g e n e r a l i z e do 舢0 g o n a lc o m p l e m e n t a r yc o d e s y s t e mb a s e d0 n0 v e r i a pm u l n p l ec o d i n g a b s t r a c t t h ec o r r e l a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fc d m a s p r e a d s p e c t r u ms e q u e n c ei st h e k e yf a c t o rt oi n f l u e n c et h e i rp e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h e i ra u t oc o r r e l a t i o n a n dm u l t ic o r r e l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，s p r e a ds p e c t r u ms y s t e mc a ne l i m i n a t e m u l t i 。p a t hi n t e r f e r e n c ea n dm u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e d u et ow r e l c hl i m i t t h e s p r e a ds p e c t r u ms e q u e n c ew i t hi d e a lc o r r e l a t i o nc h a r a c t e r i s t i ci sn o te x i t e d t h r o u g ht h ec o m p l e m e n to p e r a t i o nw i t he a c hs p r e a ds p e c t r u md i v i s i o nc o d e ， t h i s o r t h o g o n a lc o m p l e m e n t a r yc o d ec a na r c h i v et h e i d e a lc o r r e l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c b a s e do nt r a d i t i o n a lc o m p l e m e n tc o d e ，t h ep a p e ra n 亩y z e st h e g e n e r a l i z e do r t h o g o n a lc o m p l e m e n t a r yc o d ew i t hm o r ed i v i s i o nc o d e t h e n u m b e ro fs p r e a ds p e c t r u ms e q u e n c ew i t hi d e a lc o r r e l a t i o ni sa l s oi n c r e a s e d i nt h en e x t ，t h ep a p e r a n a l y z e s t h e s y s t e m t h a tu s e s o v e r l a pc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e ( o v c d m ) a st h es p r e a dm a t r i xo fg e n e r a l i z e do r t h o g o n a l c o m p l e m e n t a r yc o d e o v c d mi s t h ec h i p - l e v e ls h i f t o v e r l a pm u l t i p l eo f s p r e a dm a t r i x ，a n dt h eg e n e r a l i z e do r t h o g o n a lc o m p l e m e n t a r yc o d eu s e d w i t h0 v c d mf o rc o f r e q u e n c yn e t w o r kd e p l o y m e n ti sc a l l e do v e r l a pc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( o v c d m a ) t h r o u g ht h ed e s i g no fo v c d m m a t r i x ， o v c d m ac a ne l i m i n a t et h ei n t r a c e l li n t e r f e r e n c ei nah i g hc o d er a t ea n d a r c h i v es t r o n gc o d i n gg a i n a c c o r d i n gt ot h ec o m p l e x i t yi s s u e ，t oa r c h i v em o r ec o d i n gg a i no n l y t h r o u g ht h ei n c r e m e n to fc o n s t r a i n tl e n g t hi sn o tag o o dm e t h o d t h e r e f o r e t h es y s t e mt h a tu s e sc o n c a t e n a t ei t e r a t i v ed e c o d i n gs y s t e mw i t h0 v c d m s h o u l db ec o n c e r n e d t h ep a p e ru s e so v c d mc o d e ra st h ei n n e rc o d e ro f s e r i a lc o n c a t e n a t e a n a l y z e st h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h i s c o n c a t e n a t es y s t e m a n dd e s i g nab i t 1 e v e li n t e r l e a v e ds e r i a lc o n c a t e n a t e i t e r a t i v ed e c o d i n go v c d ms y s t e m w i t h h i g hp e r f o r m a n c e i nal o w c o m p l e x i t y f u r t h e rm o r e ，a c c o r d i n gt oo v c d m c a nb eu s e da st h es p r e a d m a t r i xo fo r t h o g o n a lc o m p l e m e n t a r yc o d e ，t h ep a p e ro f f e r s t h eo v c d m a s y s t e mu s e dw i t hb i t l e v e li n t e r l e a v e di t e r a t i v ed e c o d i n g k e yw o r d s ：o v e r l a p p e dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o v c d m ) ， s e r i a lc o n c a t e n a t e ，i t e r a t i v ed e c o d i n g ，o r t h o g o n a lc o m p l e m e n t r a r yc o d ， 目录 基于重叠复用编码的广义正交互补码系统v g e n e r a u z e do r r h o g o n a lc o m p l e m e n ，i a r yc o d es y s t e mb a s e do no v e r l a p m u e m l ec o d l n g 符号说明 v 第一章绪论 i l 1 1 背景1 1 2c d m a 2 1 3 传统信道编码3 1 4 正交多载波复用技术4 1 5 论文内容及安排5 第二章c d m a 序列设计与广义正交互补码 2 1c d m a 中的扰码与扩频序列6 2 2 扩频序列的自相关性与互相关性6 2 3 扩频序列在2 g ，3 g 标准中的应用1 0 2 4 正交互补码1 2 第三章使用扩展矩阵与重叠码分复用的广义正交互补码 3 1 扩展广义正交互补码组1 4 3 2 检测方式1 4 3 3 重叠码分复用矩阵的构造1 7 第四章高码率重叠码分复用编码系统及星座图复用 2 1 4 1 比特级交织迭代译码2 1 4 2 译码算法2 2 4 3 影响比特级交织星座图复用性能的因素2 5 4 3 j 嬲码彩噬箜帮2 5 4 3 2 内编码器星窿图复禹参数的影响2 8 4 3 4 殄编码器的影晌3 5 4 3 5 煮乞筑纺码崩t 影聘3 6 4 4 对于内码有约束长度的比特级交织迭代详码方案的分析3 8 4 5 码率为4 的双环8 p s k 系统在重叠码分复用多址系统中的应用4 0 第五章使用迭代译码的重叠码分复用多址 5 1 系统结构及编码模型4 4 5 2 信道参数4 6 符号说明 5 3 译码过程4 7 5 4 仿真参数与结果4 8 第六章总结与展望 参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文 l i 5 2 5 7 专 i 烈 符号说明 口 口 彳 彳 彳一1 i 彳b 彳o b 爿f + 1 曰 lj o l i ( x ；y ) o e b z ， p 似) e 0 ) 叩 e i n ( a ) l g ( a ) a 毒 p ( x l y ) p o ，y ) 符号说明 变量 向量 矩阵 彳的转置 彳的共轭转置 彳的逆 单位矩阵 矩阵乘法 彳与日进行k r o n e c k 积 彳与曰进行互补相加 对数似然比 x 与y 的互信息 模- o h ( 异或) 每比特能量 序数单位 随机事件4 的概率 随机变量a 的数学期望 码字利用率 自然常数 a 的自然对数 a 的以1 0 为底对数 定义 卷积 条件概率密度 联合概率密度 1 1 1 符号说明 i v 芦 北京邮电大学硕士研究生论文 1 1 背景 第一章绪论 从马可尼进行首次横跨布里斯托尔海峡的无线电通信以来，无线通信技术已 经经历了1 0 0 多年的发展。在这1 0 0 多年的时间罩，无线通信技术经历了从简单 的点对点式通信到复杂的蜂窝网移动通信系统；从单一的莫尔斯码到今天基于数 据通信的集合了视频、图像、文字、语音的多媒体信息；从早期只能应用与军事 等特殊领域，到今天世界高达6 0 的手机普及率。可以说，无线通信技术极大了 满足了人们对随时随地进行信息交流的需求，在社会的各个方面发挥了越来越多 的作用。在改革开放后的中国，随着国家在通信技术上的投入和人们生活水平的 提高，无线通信在中国也从“贵族化 迅速转变成“平民化 。到今天，中国手 机用户数已接近七亿，中国成为移动通信网络规模和客户规模最大的国家。而在 2 0 0 9 年，中国同时发放t d s c d m a ，w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 三张3 g 牌照， 正式进入第三代移动通信领域，这将进一步促进无线移动通信技术在中国的发 展。 早在上世纪7 0 8 0 年代，基于模拟语音信号和频率复用技术的先进移动电话 业务( a m p s ) 系统作为第一代移动通信技术( 1 g ) 首先由美国贝尔实验室开发。这 是第一种真正意义上具有随时随地通信能力的大容量的蜂窝移动通信系统。在 9 0 年初，以g s m 和i s 9 5 为代表的第二代移动通信系统( 2 g ) 逐渐得到广泛应用。 相比1 g ，第二代移动通信系统用数字技术替代了模拟技术，增加了数据业务， 并改善了话音质量和保密性，为用户提供无缝的国际漫游。在2 0 0 0 年5 月，国 际电信联盟正式公布了能够支持更高速数据传输的第三代移动通信( 3 g ) 标准。 3 g 能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种 媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务；同时与现 有的第二代通信系统具有良好的兼容性。目前在国内支持国际电联确定的三个无 线接口标准，分别是中国电信的c d m a 2 0 0 0 ，中国联通的w c d m a 和中国移动 的t d s c d m a 。随着各大运营商的宣传和推广，越来越多的人开始享受3 g 移 动通信给人们日常生活带来的便捷和高效。 但无线通信物理层的技术并没有局限于3 g ，以l t e 1 l 和、m m a x l 2 】为代表的 北京邮电大学硕士研究生论文 b 3 g 4 g 技术已经逐渐成为了人们研究的热点。根据3 g p p 的i m t - a d v a c e d 要 求，4 g 应该具有更高的数据率和更大的系统容量。其峰值目标规定在低速移动 和热点地区可以达到1 g b i f f s 的传输速率；在高速移动和广域覆盖下也应达到 1 0 0 m b i t s 。这就更为无线通信技术的进一步发展提出了挑战。 传统无线通信技术主要解决两个问题，即有效性与可靠性。两者在数字通信 系统中可靠与快速往往是一对矛盾。若要求有效与快速，则必然使得每个数据码 元所占的时间缩短、波形变窄、能量减少，从而在受到干扰后产生错误的可能性 增加，传送消息的可靠性减低。若要求可靠性，则使得传送消息的速率变慢。因 此，如何较合理地解决可靠性与速度这一对矛盾，是正确设计一个通信系统关键 问题之一。无线通信理论本身也正是在解决这对矛盾中不断发展起来的。有效性 即为传输效率，包括传输带宽、传输速率等，主要可通过信源编码、更宽的传输 带宽、更高效率的复用方式和更高阶的调制来获得。而可靠性则指信号对抗噪声 和干扰的能力。信号在无线通信过程中会受到加性的高斯噪音，乘性的衰落以及 来自自身的码间干扰、载波间干扰，和来自其他小区或其他用户的多址干扰【引。 为了使接收端能更好的对抗噪音，衰落与干扰，无线通信物理层的工程师们在从 1 g 到b 3 g 的发展中不断提出新的理论与方法来提高通信的可靠性。例如通过 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ! 训，即正交频分复用技术来解 决使用较高带宽传输时的码间干扰问题；使用多址技术( m u l t i p l ea c c e s s ) 与多用 户检测技术( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ) 解决多址干扰1 5 j ；通过具有软信息交换的迭代译 码( i t e r a t i v ed e c o d i n g ) 峥j 来得到接近仙农界的信道编码以克服加性的高斯噪音；通 过各种分集与均衡( d i v e r s i t ya n de q u l i z a t i o n ) 技术来克服信道的衰落特征；通过更 小开销和更准确的信道估计( c h a n n e le s i t m a t i o n ) 来获得信道特征等。如何合适设 计和安排现有的技术，同时解决无线通信过程中的有效性和可靠性问题，是b 3 g 移动通信物理层无线接入系统设计工作者们的重要任务。 1 2c d m a c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) pj 即码分多址技术是通过扩频通信来 实现的。最初c d m a 是在由于军事上需要防止敌方干扰己方的通讯系统而研究 开发出来。第二次世界大战后在军事领域上广泛应用于抗干扰通信，后来由美国 高通公司应用到民用的第二代移动通信技术中。随着第一个c d m a 商用标准( 即 i s 9 5 ) 在1 9 9 5 年首次运营于北美，c d m a 技术理论上的诸多优势在实践中得到 了检验，因而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。在全球许多国家 和地区，包括中国大陆、中国香港、韩国、日本、美国都已建有c d m a 商用网 2 北京邮电大学硕十研究生论文 络。 c d m a 扩频技术与传统的窄带不同，其扩频前的信源提供的消息码元带宽 远小于扩频后的进入信道的扩频序列。c d m a 通过最基本的具有不同自相关和 互相关特性的一组序列为原始的信息序列进行扩频。在无线信号的发送过程中， 通过扩频序列的自相关或互相关特性在多径时延干扰或多址干扰中形成正交分 量，并通过设计r a k e 接收机进行相关接受和合并来获得增益克服信道的干扰。 可以说c d m a 技术体现了分集与多址技术。而c d m a 技术的关键问题就是对于 扩频序列的构造和设计，使得序列拥有足够多的正交分量，理想的自相关特性与 互相关特性。由于c d m a 是一个干扰受限系统，一旦通过扩频序列构造的正交 特性遭到破坏，将严重影响系统性能。本文对基于同时具有理想自相关特性与互 相关特性的j 下交互补码组进行分析，介绍了广义正交互补码组。 1 3 传统信道编码 在所有对抗信道干扰与噪音的方法中，主要通过信道编码( c h a n n e lc o d i n g ) 克服加性高斯噪音( a d d a t i v ew h i t eg a u s sn i o s e ) 。信道编码又称为前向纠错编码 ( f o r w a r de r r o rc o r r e l a t i o n ) ，其理论与实践的分析起源于克劳德仙农1 9 4 8 年的论 文中【8 】。仙农在论文中提出了计算信道容量c 的方法，指出在信源传输速率r 低 于信道容量c 的情况下，当码长n 充分大时，必然有一种编码方法，使得在进行 最优的最大后验概率译码时误码率可以任意低。根据此结论，可以计算任何码率 传输的条件下所需要的最小信噪比，这一信噪比被称为仙农界( s h a n n o nl i m i t ) s l 。 仙农关于通过前向纠错编码对抗加性高斯噪音的理论就是著名的有噪信道编码 理论。但仙农只是从数学分析上给出了前向纠错编码的理论极限，并没有给出实 际具体的编码方案。在之后的半个多世纪的时间里，大量研究无线通信理论的工 程师在信道编码方面进行了长期的研究。 传统的信道编码分为分组码，卷积码和级联码。其中分组码是按照代数规律 构造的，所以一般又称为代数编码。其编码方法是按信息分组来进行的，并且监 督位与信息位的关系服从线性规律。分组码一般可表示为，七) ，表示通过对k 个 比特的信息进行编码得到长度为，l 的码组。在分组码中应用最为广泛的是具有循 环移位特性的循环码，例如应用于w c d m a ，w i m a x 以及广播标准d v b 的r s 和b c h 码都属于循环码。卷积码属于有记忆编码，通过每个时刻比特信息与寄 存器中的过往时刻比特信息进行二元有限域运算得到编码比特。卷积码一般可通 过似，k ，z ) 表示，与分组码相同，其中n 与k 分别表示编码比特与信息比特，而z 表 示寄存器个数，+ 1 即为约束长度。卷积码在实际中的应用也非常广泛，例如 3 北京邮电人学硕二l 研究生论文 ( 2 ，1 ，8 ) 和( 3 ，1 8 ) 两类卷积码应用于w c d m a 与c d m a 2 0 0 0 t 9 1 中。但目前传统的 编码方式都局限于有限域，本文介绍的重叠码分复用( o v e r l a pc o d ed i v i s i o n m u l t i p l e ，o v c d m ) 在复数域的范围内进行编码，比格状编码调制( t c m ) 具有更多 的自由欧式距离，同时在增加复杂度的前提下，增加约束长度和并行输入的信息 比特个数来获得编码增益以及更高的码字利用率。在目前的3 g 标准的前向纠错 编码中，主要使用距离仙农界更近的t u r b o t l 0 】码，其关键是在通过软译码器和交 织器在两个或多个迭代分量码中引入了概率信息的交换。基于此思想，本文同样 给出了重叠码分复用作为迭代译码分量码时系统性能的分析。 1 4 正交多载波复用技术 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) p j 技术将串行高速信息 数据流变换成为若干路并行低速数据流，每路低速数据调制在彼此正交的子载波 上，然后所有的子载波叠加在一起构成发送信号。这样每个子信道是相对平坦的， 并且在每个子信道上进行的是窄带传输。此时信号带宽小于信道的相应带宽，因 此就可以大大消除码间的干扰。若在每个o f d m 符号插入一定的保护间隔，则 码问干扰几乎可以忽略。o f d m 系统既能够使发送符号周期远大于多径时延， 又能够支持高速数据业务，并且不需要复杂的均衡。 o f d m 采用f f r 实现多载波调制，但在实际应用中，实时傅立叶变换设备 的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因 素部成为o f d m 技术实现的制约条件。在二十世纪8 0 年代，多载波调制技术获 得了突破性进展，大规模集成电路让f f t 技术的实现不再是难以逾越的障碍， 一些其它难以实现的困难也部得到了解决。自此o f d m 走上了通信的舞台，逐 步迈向高速数字移动通信的领域。o f d m 在无线系统中的应用包括无线局域网 标准w l a n 的i e e e 8 0 2 1 1 ，以及无线广域网标准如8 0 2 2 0 掣9 j ；o f d m 也是 b 3 g 4 g 标准l t e 以及8 0 2 1 6 中的关键技术。 o f d m 最大的缺点在于功率峰值与均值比( p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ， p a p r ) 过大，导致射频放大器的功率效率较低。与传统单载波系统相比，由于 o f d m 信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信 号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，简称峰 均值比。对于包含n 个子信道的o f d m 系统来说，当n 个子信道都以相同的相 位求和时，所得到的峰值功率在极限情况下就是均值功率的n 倍。高峰均值比 会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。在l t e 标 准中的上行链路就放弃了o f d m 技术而采用单载波的s c f d m a 1 1 。其次，o f d m 4 ， 北京邮电大学硕上研究生论文 技术无法解决多小区的组网问题，因为o f d m 只能通过频率复用来实现组网， 而根据四色原理，频率重用系统数最小为4 ，因此多小区o f d m 系统的频谱效 率最多是单小区的1 4 。这样一来，o f d m 的实际频谱效率将大打折扣。 1 5 论文内容及安排 本论文旨在通过将迭代译码的重叠复用编码调制系统与使用广义正交互补 码组的重叠码分复用多址系统结合，在高码率条件下实现消除临小区干扰的同频 组网。本文内容安排如下： 第二章首先介绍广泛应用于3 g 技术的c d m a 扩频序列的序列设计。接下 来分析了了具有理想相关特性的互补码以及具有多个互补分量码的广义正交互 补码。 第三章介绍了使用重叠码分复用矩阵作为扩展矩阵的广义互补码系统。重点 分析了系统基本模型，译码算法并给出了仿真结果。本章还对影响系统性能关键 因素即重叠码分复用矩阵的构造进行了分析，并给出了在不同调制下重叠码分复 用编码的性能。 第四章将迭代译码应用在重叠码分复用系统当中，对影响系统性能的因素逐 一分析，并根据结论设计满足性能要求的迭代译码编码调制系统。 第五章在考虑了多径信道的影响下，将使用了迭代译码的重叠码分复用编码 应用于广义互补码同频组网系统中；给出了使用了成型滤波器以及多天线发送的 基本编译码算法；最后对使用不同天线个数发送，不同调制和星座图复用矩阵参 数的系统进行了仿真比较。 5 北京邮电人学硕士研究生论文 第二章c d m a 序列设计与广义正交互补码 2 1c d m a 中的扰码与扩频序列 从序列特性来说，c d m a 序列主要分为扰码和扩频序列，两者在目前主流 的蜂窝移动通信网中都有广泛的应用。对于扰码来说，主要是通过移位寄存器生 成一组伪随机码( p n 码1 ，通过对信息比特加扰来将无线通信中的多址干扰转变 为主要呈高斯分布的加性噪音。在加扰之后的信号大量叠加在一起可看作多个独 立随机变量的积累，只要用户数足够多，根据中心极限定理，此时的多址干扰就 会接近高斯分布。在蜂窝移动通信中，扰码主要用于区分不同的信源。不同的信 源采用同向和正交分量的扰码的不同偏置进行区分。对于上行链路来说，扰码用 于区分终端；对下行链路扰码主要用于区分基站扇区。扰码通常在扩频之后使用， 所以不会增加信道的带宽，因而对系统的频带利用率不会产生影响。在3 g 标准 的w c d m a 中，使用1 0 m s 码片长度为3 8 4 0 0 的g o l d 序列产生扰码【l l j ；在 c d m a 2 0 0 0 标准中使用m 序列1 1 2 1 。然而通过扰码来解决多址干扰的方法的局限 性在于：其本质上是将其他信源的信息当做无用的噪音来处理，由于多址干扰而 对系统性能造成的损失仍然存在；同时为了克服由于终端位置不同而产生的远近 效应，需要进行较为复杂的功率控制。 本文所讨论的正交互补码属于扩频码的范畴。与扰码不同，扩频码将系统的 带宽成倍的增加。使用不同扩频码序列在原本彼此独立的信源间引入相关性，通 过利用这些相关性来进一步消除干扰带来的负面影响。对于引入互相关性的系 统，扩频码能有效消除多址干扰；对于引入自相关性的系统，扩频码能够有效消 除由于不同多径时延而产生的多径干扰。同时扩频还能解决用户位置不同而产生 的远近效应的影响，大大降低功率控制的复杂度要求并扩大小区覆盖范围。 2 2 扩频序n i s e i 自相关性与互相关性 对于有多个信源的多址干扰系统来说，考虑如下具有k 个用户，只受a w g n 信道影响的同步c d m a 系统： 置 y ( t ) ； i o ) + _ r i o ) ，f 【o ，r 】 (21),a,bks 】f = i 其中丁表示一个数据符号的周期；s k ( f ) 表示第七个用户的扩频序列波形，设 6 北京邮电人学硕士研究生论文 该序列具有归一化能量；4 表示第k 个用户的接受信号的幅度；瓯 一】，+ 1 】， 表示第k 个用户发送的b p s k 调制信息；咒o ) 是均值为o ，方差为o r 2 的白高斯分 布的随机过程。设两个不同用户所使用的扩频序列波形的互相关系数为 岛2 j ：s , ( t ) s j ( t ) a t ( 2 - 2 ) 若互相关性理想，则丹； 1 ，扣7 。基于正交扩频序列的多用户检测器包 【0 ，i 一 括k 个匹配滤波器构成的滤波器组及联合检测算法。接收端每个匹配滤波器的输 出信号为 y 。= f y o ) s 。( t ) d t ( 2 - 3 ) y 置= y ( t ) s k ( t ) d t 将( 2 3 ) 代a ( 2 1 ) 式可得第k 个滤波器的输出的信号为 y i = 4 + 彳，b ，以+ ( 2 4 ) j ，k 其中仇= = n ( t ) s , ( t ) d t ，为高斯随机变量。若不同序列间的扩频序列满足理 想的正交特性即，k 时肛，= 0 ，则第k 个用户接收端的输出信号只有受到加性高 斯噪音的影响而没有多址干扰。 对于受到多径时延影响的无线通信系统来说，j 下交扩频码还可以通过利用其 序列的自相关特性来消除因频率选择性衰落而产生的码间干扰。在无线信道中出 现的时延扩展可以被看作只是被传信号的再次传送。如果这些多径信号相互问的 延时超过了一个扩频码片的长度，则其在接收端将被看作是非相关的噪卢而不再 需要均衡。由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以c d m a 接收机可以通 过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。实际上，r a k e 接收机【1 3 】的作用的就 是通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并将其合在一起。图2 1 所 示为一个r a k e 接收机，它是专为c d m a 系统设计的经典的分集接收器。 7 北京邮电人学硕士研究生论文 i 图2 1r a k e 接收机基本结构 考虑如下最大时延为k 个扩频序列码片的时延系统，其在白噪音信道可以表 示为如下模型 k 一1 y ( t ) = 罗4 仇s ( f k t ) + ，l o ) ，f 【o ，t + ( k 一1 ) 丁。】 ( 2 5 ) 蠲 与多址干扰模型不同，k 表示时延为k 个扩频码片时对应的信号幅度，发送 比特以及扩频波形；丁为扩频序列码片周期。由于接收端不知道具体某一路径的 时延大小，所以需要进行时延估计，即在接收端再加一级匹配滤波器获取不同时 间延迟位置上的信号能量分布，并识别具有较大能量的多径位置并将它们的时间 量分配到r a k e 接收机的不同接收路径上以检测时延路径个数k ，以及具体每 一路的时延。 延迟估计的主要部件是匹配滤波器，匹配滤波器的功能是用输入的数据与不 同相位的本地码字进行相关，取得不同码字相位的相关能量。当串行输入的采样 数据和本地的扩频码和扰码的相位一致时，其相关能力最大，在滤波器输出端有 一个最大值。根据相关能量，延迟估计器就可以得到多径的到达时间量。图2 2 为时延估计器结构图： 8 北京邮电大学硕士研究生论文 书 j ，输入的 莱榉数捌 本地的枣频码和扰码 厂l 、 图2 2 用于时延估计的匹配滤波器结构 定义扩频序列波形的自相关系数如下 6 ) = f s o ) s o k t ) a t ( 2 - 6 ) 若自相关特性理想，则6 ，。 三：二三。同样，通过匹配滤波器时延估计 并进行联合检测后每一径的检测输出信号为 y 。= f f oy ( t ) s 。( o a t ( 2 7 ) y k = f r oy ( t ) s o 一( k 一1 ) t ) d 同样，第k 个时延的路径的检测接收机输出的结果为 y t = 4 吃+ j 6 ( j 一尼) + ( 2 - 8 ) ，,善rn a s b 当扩频序列的自相关特性理想时，即只有在b f 时6 ；0 ，可完全检测出各 个时延时刻的发送数据。 由于每一径发送的都是相同的数据，所以可以通过分集合并的方式来获取更 大增益。所谓分集就是指利用接受信号在结构上和统计特性上的不同特点来加以 区分，并按一定规律和原则进行集合与合并处理来实现抗衰落的技术。对于分集 9 北京邮电大学硕十研究生论文 合并技术【1 4 】，最常用的有选择式合并( s c ) ，等增益合并( e g c ) 和最大比值合并 ( m r c ) 等。其中性能最优的为最大比值合并。最大比合并控制在接收端由n 个 经过通过r a k e 接收机检测后的时延路径的增益，使它们分别于本之路的信噪 比成正比，然后再相加获得接受信号。 2 3 扩频序列在2 g ，3 g 标准中的应用 扩频码在2 g ，3 g 标准中一般作为信道化码。信道化码用于区分来自与同一 信源的传输，即一个扇区内的下行链路链接，以及来自于某一终端的所有上行链 路专业物理信道。在i s 9 5 标准中，采用码长为咒= 2 6 = 6 4 的正交w a l s h 函数作 为系统的信道地址码。即采用6 4 个长度为6 4 位的等长的w a l s h 码作为信道地址 码。w a l s h 码有很多种等价的构造方法，而最常用的是采用h a d a m a r d 编号法， 在l s 9 5 标准中给出的“6 4 阶w a l s h 函数”表实际上是按照h a d a m a r d 函数序列 编号所列出的表。在i s 9 5 的延续和发展c d m a 2 0 0 0 技术中采用了两种扩频速 率，分别为1 x 和3 x 1 5 j 。在1 x 的上行和下行c d m a 信道在单载波上都采用码片 速率为1 2 2 8 8 m 的直列扩频。实际上1 x 的作用是为了兼容i s 9 5 并满足向3 g 平 滑过度的需要。对于3 x 来说，c d m a 下行信道使用了3 个载波，每个载波上都 采用了码片速率为1 2 2 8 8 的直列扩频，其上行信道在单载波上采用码片速率为 3 6 8 6 4 的直列扩频。 在w c d m a 标准中，u t r a 的扩频信道化码基于正交可变扩频因子技术【l6 。 为了支持多速率，多业务的无线通信系统，必须要通过可变扩频比彳能达到同一 要求的信道速率。在同一小区中，多个移动用户需要在相同频段同时发送不同速 率的多媒体业务。为了防止不同用户之间的业务信道的干扰，需要设计适合于多 速率业务和不同扩频比的正交信道化码。w c d m a 所用的正交信道化码为o v s f 码( o a h o g o n a lv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r ) 。o v s f 码是一组长短不一样的码，其低 速率的扩频比大，码组长，而高速率的扩频比小码组短，在w c d m a 中，最短 的o v s f 码组为4 位，最长的为2 5 6 位。根据多业务信道化码的需要，无论码组 长短是否一致，各个长短码之间仍然要保持正交性，以避免不同速率业务信道之 间产生相互干扰。o v s f 码构造特点类似h u f f m a n 码的树形结构与生成规律。其 具体产生结构如下图： 1 0 北京邮电大学硕十研究生论文 s f = is f = 2s f = 4s f = 8 c 8l ：( 1 ，1 1 ，1 1 ，1 ，i 1 ) c 4 1 = ( 1 。1 。1 。1 ) c s 2 = 1 1 。1 ，1 ，一1 ，一1 ，一1 一1 ) c 2 ，1 _ ( 1 ，1 ) c b 3 = ( 1 ，1 ，- 1 ，- 1 ，1 ，1 。一1 ，一1 ) c 42 = ( 1 ，1 ，一1 ，一1 ) l lc 84 = f 1 ，1 ；一1 ，1 。- 1 ，一1 ，1 。1 ) c = ( 1 ) c s5 = ( 1 - 1 。1 - ，1 - 1 1 一1 ) c 4 3 = ( 1 。- 1 ，1 ，一1 ) c 8 6 = ( 1 。一1 。1 。一1 。一1 ， 。一1 。1 ) c 2 ，2 ：( 1 ，- 1 ) c 8 7 = 1 ，一1 ，一1 ，1 ，1 ，一1 ，一1 ，1 ) c 4 毒竺( 1 ，- 1 ，一1 1 ) c a8 = ( 1 ，一1 ，一1 ，1 ，- 1 ，1 ，1 ，一1 ) 图2 3o v s f 码生成码树 在上述码树中，当选定某一组码为扩频码后，则以其为根点的码就不能再选 用做为扩频码。这一特点与h u f f m a n 的非延长特性是完全一样的。o v s f 码的编 码规则如下：树图中的根节点是按2 规律增长，其中，= 0 ，1 ，2 ，即按2 0 = 1 ， 2 1 = 2 ，2 2 = 4 ，增长。上述树图为二叉树，即从每一个根节点一分为二，下一 节点编码规律根据如下方式确定。规定起始的第一个根节点为2 0 = 1 ，即码长为 一位，并且规定钟= l ，第二个根节点为2 1 = 2 ，码长为两位，其构造规律为 ( 篆) = 。c q ；) = ( ：二) c 2 柳 第三个根节点为2 2 = 4 ，码长为4 位，其构造规律为 a a a a 四c ? c 芝c ! q q c ：a 11 l1 ll l一1 11 11 11 11 ( 2 - z o ) 如此依次往下类推。同一信源使用的信道化编码有一定的限制。物理信道要 采用某个信道化编码必须满足：其码树的下层分支的所有码都没有被使用，也就 是说此码之后的所有高阶扩频码都不能被使用。同样，从该分支到树根之间的低 阶扩频码也不能被使用。以上图为例，如果选中掣为短扩频码，则以掣为根节 北京邮电大学硕士研究生论文 点的所有展开的扩频码a ，a 及后续码组均不能再选作为扩频码；若选口为扩 频码，则依次往后展开生成的四，q 同样不能再选为扩频码。可以验证，凹， a 及通过旁支展开生成的彼此之间满足j 下交性