摘 要:為有效克服正交頻分復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)存在的不足，提高系統(tǒng)性能，將OFDM技術(shù)及單載波頻域均衡(SC-FDE)技術(shù)分別與碼分多址接入(CDMA)技術(shù)相結(jié)合，并在多輸入多輸出(MIMO)空間復(fù)用技術(shù)的高速率通信基礎(chǔ)上，研究了相應(yīng)的兩種基帶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，討論了系統(tǒng)所用的頻域均衡算法及系數(shù)，最后給出性能仿真結(jié)果。結(jié)果表明，MIMO-SC-FDE-CDMA技術(shù)相結(jié)合能夠更有效地提高系統(tǒng)性能，降低用戶間干擾，有著良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:多輸入多輸出;正交頻分復(fù)用;單載波頻域均衡;碼分多址接入

中圖分類號:TN914 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-005-04

Research on OFDM and SC-FDE Systems with MIMO and CDMA

CUI Ling，CAO Yan

(School of Electronic and Information Engineering，South China University of Technology，Guangzhou，510640，China)

Abstract:Aimming at disadvantages of Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM)，combining OFDM technology and Single Carrier-Frequency Domain Equalization (SC-FDE) technology with Code Division Multiple Access (CDMA) technology，and based on high frequency communication of Multiple Input Multiple Output (MIMO) architecture，architectures of the two baseband systems are studied.The frequency domain channel equalization and its coefficients are analyzed.The simulation results show that the MIMO-SC-FDE-CDMA systems have better performance.

Keywords:multiple input multiple output;orthogonal frequency division multiplexing;single carrier-frequency domain equalization;SC-FDE;code division multiple access

0 引 言

在新一代移動通信的核心技術(shù)中，MIMO技術(shù)已成為當前的研究熱點，該技術(shù)正在滲透到每一種無線技術(shù)標準，包括3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)、WLAN，WiBro，WIMAX，802.20和4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)。MIMO技術(shù)是利用多個接收和發(fā)送天線構(gòu)成的多輸入多輸出信道多樣性來提升信道容量，提高傳輸效率的一種技術(shù)。OFDM被認為是第四代移動通信中的核心技術(shù)，它通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)換為多個平坦信道，能夠在提高頻譜效率的同時，降低系統(tǒng)在多徑環(huán)境下的接收機復(fù)雜度。在多用戶系統(tǒng)中，OFDM技術(shù)需要和其他多址技術(shù)結(jié)合，以實現(xiàn)多用戶復(fù)用;多載波技術(shù)和CDMA的結(jié)合，融合了兩者的優(yōu)勢，具有高頻譜效率，抗干擾能力強，適合高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點，被認為是一種極具競爭力的多用戶系統(tǒng)技術(shù)框架，多載波CDMA技術(shù)將成為新一代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。最引人矚目的是將MIMO技術(shù)與OFDM，CDMA技術(shù)的結(jié)合。因為4G需要高的頻譜利用技術(shù)和高速傳輸系統(tǒng)，為了更進一步提高系統(tǒng)傳輸速率，使用OFDM技術(shù)的無線通信網(wǎng)就必須增加載波的數(shù)量，而這種方法會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，并增大系統(tǒng)的占用帶寬。MIMO多天線技術(shù)能在不增加帶寬的情況下，在每一個窄帶平坦子信道上獲得更大的信道容量，可以成倍提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜效率，是一種利用空間資源換取頻譜資源的技術(shù)。所以，有必要將MIMO技術(shù)與OFDM，CDMA技術(shù)結(jié)合起來進行傳輸利用。SC-FDE和OFDM均是IEEE 802.16標準制定的2~11 GHz頻帶的空中接口標準物理層關(guān)鍵技術(shù)。SC-FDE和OFDM相比，兩者在原理和實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上都有很多相似之處，具有相同的復(fù)雜度和近似的性能，但SC-FDE克服了OFDM系統(tǒng)存在對定時誤差、頻偏敏感以及高峰均功率比等的不足，目前，MIMO技術(shù)與SC-FDE，CDMA技術(shù)結(jié)合的研究還不多，大多集中在其中兩種技術(shù)相結(jié)合方面，使CDMA技術(shù)沒有得到充分的利用。Myung H G等研究了SC-FDE與FDMA相結(jié)合的SC-FDMA技術(shù)[5]。Sonu Punnoose研究了MIMO上行鏈路SC-CDMA的信道盲檢測算法，但未和MIMO技術(shù)與OFDM、CDMA技術(shù)結(jié)合的系統(tǒng)性能進行比較。

針對這一不足，本文對基于MIMO通信的OFDM/SC-FDE碼分多址接入技術(shù)進行了研究。其中，MIMO采用貝爾實驗室的垂直空時分層結(jié)構(gòu)(V-BLAST)，以實現(xiàn)空間復(fù)用，提高傳輸速率。文中首先對MIMO-OFDM-CDMA技術(shù)相結(jié)合與MIMO-SC-FDE-CDMA技術(shù)相結(jié)合的基帶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了討論，分析其各自優(yōu)缺點，然后對兩種系統(tǒng)進行仿真，并得出性能比較結(jié)果。

1 基于MIMO的MC-CDMA基帶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 發(fā)送端模型

發(fā)送端的OFDM與CDMA技術(shù)結(jié)合，采用頻域擴頻的多載波CDMA(MC-CDMA)。一個具有Nt根發(fā)射天線，Nr根接收天線，擴頻增益為N的沃爾什碼擴頻，任一用戶K(設(shè)用戶總數(shù)為U)的發(fā)送端模型如圖1所示。各天線之間相互獨立，用戶K的數(shù)據(jù)經(jīng)過V-BLAST編碼后被分為Nt組數(shù)據(jù)流，每組數(shù)據(jù)中的s個符號經(jīng)過串并變換后，用擴頻增益為G的沃爾什碼擴頻，映射到s#8226;N=Nc個正交的子載波上，通過IFFT處理后變換到時域，添加循環(huán)前綴(CP)，并串變換后通過Nt根天線同時發(fā)送出去。不同的用戶采用不同的擴頻碼和相同的Nc個子載波。

圖1 MIMO-MC-CDMA發(fā)射端模型

1.2 接收端模型

接收端模型如圖2所示，對Nr根接收天線接收到的信號首先進行串并變換，移除CP，F(xiàn)FT處理后變換到頻域，進行信道均衡，再經(jīng)過解擴處理和V-BLAST譯碼后，得到用戶K數(shù)據(jù)。

雖然MC-CDMA技術(shù)具有高頻譜效率、抗干擾能力強，適合高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點，但MC-CDMA系統(tǒng)在經(jīng)過頻域選擇性衰落信道的過程中，子載波可能有不同的幅度和不同的相移，因而可能導(dǎo)致用戶間正交性的破壞，用戶之間不能嚴格同步，存在碼間干擾，系統(tǒng)峰均功率比較大，對發(fā)射機射頻功放的線性度提出了很高的要求，同時也導(dǎo)致了發(fā)射機的功率效率降低。針對這些缺點，采用與OFDM技術(shù)有近似性能的SC-FDE技術(shù)，以取代OFDM在上述系統(tǒng)中的相應(yīng)位置，即組成基于MIMO的SC-FDE-CDMA基帶系統(tǒng)。

圖2 MIMO-MC-CDMA接收端模型

2 基于MIMO的SC-FDE-CDMA基帶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 發(fā)射端模型

一個具有Nt根發(fā)射天線，Nr根接收天線，擴頻增益為N的沃爾什碼擴頻，任一用戶K(設(shè)用戶總數(shù)為U)的發(fā)送端模型如圖3所示。用戶K的數(shù)據(jù)經(jīng)過V-BLAST編碼后被分為Nt組數(shù)據(jù)流，每組數(shù)據(jù)中的s個符號經(jīng)過串并變換后用擴頻增益為N的沃爾什碼擴頻，映射到s#8226;N=Nc個符號上，通過添加循環(huán)前綴(CP)，并串變換后，再通過Nt根天線同時發(fā)送出去。不同的用戶采用不同的擴頻碼和相同的Nc個符號。

圖3 MIMO-SC-FDE-CDMA發(fā)射端模型

2.2 接收端模型

接收端模型如圖4所示。對Nr根接收天線接收到的信號，首先進行串并變換，移除CP，F(xiàn)FT處理后變換到頻域，進行信道均衡，再經(jīng)過IFFT變換到時域，解擴處理和V-BLAST譯碼后，得到用戶K數(shù)據(jù)。

可以看出，SC-FDE和OFDM具有相同的復(fù)雜度，通過頻域信道均衡，也具有抗頻率選擇性多徑衰落的能力，不但克服了OFDM系統(tǒng)存在對定時誤差、頻偏敏感以及高峰均功率比等的不足，而且SC-FDE-CDMA系統(tǒng)同樣可以提高頻譜利用率，改善系統(tǒng)性能。

圖4 MIMO-SC-FDE-CDMA接收端模型

3 頻域信道均衡算法

頻域均衡可以采用多種均衡設(shè)計方案，這里采用迫零(ZF)均衡及最小均方誤差(MMSE)均衡兩種線性均衡方法進行比較。在上述兩種系統(tǒng)的多天線發(fā)射端:

第i根發(fā)射天線發(fā)送的時域數(shù)據(jù)塊(已經(jīng)去除循環(huán)前綴) 可表示為:

si=T，

i=1，2，…，Nt

式中:Nc為每次處理數(shù)據(jù)塊的大小，也即進行快速傅里葉變換的階數(shù)。si所對應(yīng)的頻域數(shù)據(jù)塊為:

Si=T，

i=1，2，…，Nt

(2)

在接收端，第k根接收天線接收的時域數(shù)據(jù)塊可表示為:

rk=T，

k=1，2，…，Nr

(3)

rk所對應(yīng)的頻域數(shù)據(jù)塊為:

Rk=T，

k=1，2，…，Nr

(4)

上述兩種系統(tǒng)中，每個頻點對應(yīng)的數(shù)值都有如下關(guān)系:

Rk(m)=∑Nti=1Hk，i(m)Si(m)+Nk(m)，

m=1，2，…，Nc

(5)

式中:Hk，i(m)表示從第i根發(fā)射天線到第k根接收天線的信道在第m個頻點的頻域響應(yīng);Nk(m)為第k根接收天線的噪聲在第m個頻點的頻率響應(yīng)。將式(5)寫成矩陣形式:

R(m)=H(m)S(m)+N(m)

(6)

R1(m)R2(m)RNr(m)〗=

H1，1(m)H1，2(m)…H1，Nt(m)

H2，1(m)H2，2(m)…H2，Nt(m)



HNr，1(m)HNr，2(m)…HNr，Nt(m)

〗#8226;

S1(m)S2(m)SNt(m)〗+

N1(m)N2(m)NNt(m)〗

m=1，2，…，Nc

(7)

設(shè)通過信道頻域均衡后的數(shù)據(jù)矢量為:

Z(m)=W(m)R(m)=W(m)H(m)S(m)+Θ(m)

(8)

式中:W(m)為第m個頻點上的均衡因子;W(m)的第i行對應(yīng)的是第i根發(fā)射天線在第m個頻點的頻域均衡系數(shù)，Θ(m)=W(m)N(m)為噪聲項，則根據(jù)迫零(ZF)準則有:

WZF(m)=H(m)-1

(9)

根據(jù)最小均方誤差(MMSE)準則有:

WMMSE(m)=H(m)HH(m)+1SNR(m)-1H(m)H

(10)

式中:SNR(m)為信噪比。

如果使用ZF均衡，信道深衰點帶來子信道的噪聲放大都會給系統(tǒng)帶來很大的損失。利用MMSE均衡可以保證深衰點不會放大噪聲，保證子信道上符號的檢測不受放大噪聲的影響，采用MMSE均衡優(yōu)于ZF均衡。這種優(yōu)勢在信道存在深衰點的情況下十分明顯。

4 性能仿真

IEEE 802.16建議6種SUI多徑信道，在這里選取中等路徑衰落的SUI-3信道，設(shè)最短路徑延遲時間為0 s，各條路徑的相對延遲時間為0 μs，0.4 μs，0.9 μs，歸一化幅度衰減分別為0 dB，-5 dB，-10 dB，MIMO天線采用2發(fā)2收結(jié)構(gòu)，信源采用QPSK調(diào)制，F(xiàn)FT運算長度為256，CP的長度為32，擴頻碼長為16，假設(shè)接收端可以理想地知道收發(fā)天線間的信道響應(yīng)。圖5給出單用戶情況下，MIMO-MC-CDMA基帶系統(tǒng)及MIMO-SC-FDE-CDMA基帶系統(tǒng)分別采用ZF和MMSE兩種均衡方法的性能比較。從圖中可以看出，MIMO-SC-FDE-CDMA系統(tǒng)性能比MIMO-MC-CDMA系統(tǒng)性能優(yōu)越，隨著信噪比(SNR)的增大，這種差距越來越大，說明此時MIMO-MC-CDMA系統(tǒng)的誤碼率(BER)較大地由各子載波頻偏引起，同時與采用ZF均衡相比，采用MMSE均衡對系統(tǒng)性能有更大的改善，驗證了之前的結(jié)論。圖6給出兩種系統(tǒng)均采用MMSE均衡的條件下，用戶總數(shù)U分別為1，2，4時對系統(tǒng)性能的影響。可以看出，即隨著用戶的增多，用戶之間的干擾對BER的影響在增大，但MIMO-SC-FDE-CDMA系統(tǒng)性能仍然較MIMO-MC-CDMA系統(tǒng)性能優(yōu)越。

圖5 單用戶性能仿真

圖6 多用戶性能仿真

5 結(jié) 語

綜上所述，與MC-CDMA相比，SC-FDE-CDMA系統(tǒng)能夠更有效地降低用戶間干擾，提高系統(tǒng)性能，同時結(jié)合MIMO技術(shù)增大信道容量，提高傳輸效率，在未來高速無線通信中，基于MIMO通信的SC-FDE碼分多址技術(shù)有著良好的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻

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