MC-CDMA在瑞利衰落信道下性能分析

2019-11-03 09:17:57

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廖明，譚曉衡，張志華

重慶大學通信工程學院，重慶400044

　　摘　要：分析多載波碼分多址系統的基帶發射、接收信號模型以及多徑Rayleigh衰落信道模型，進而提出一種系統的通用矩陣分析模型。對多載波碼分多址系統的單用戶理論誤碼性能進行了深入探討，給出了一種新穎的單用戶誤碼率分析方法。數值仿真結果表明：多載波頻率分集CDMA系統在無線寬帶數據傳輸中性能大大優于CDMA，具有良好的應用前景。

　　關鍵詞：多載波碼分多址；OFDM；Rayleigh衰落信道；誤碼率

　　0　引　言

　　1993年，幾種將擴展頻譜碼分多址（CDMA）技術和具有很強抗多徑干擾能力的高速并行傳輸技術正交頻分復用（OFDM）［1］相融合的多址接入系統被研究人員提出［2］：N．Yee和A．Chouly等提出多載波碼分多址（MC－CDMA），V．Dasilva和E．S．Sousa等提出了MC－DS－CDMA，L．Vandendorpe提出了MT－CDMA。文獻［2］按照擴頻操作的差異將OFDM－CDMA混合技術分為頻域擴頻和時域擴頻兩類，其中MC－CDMA屬于頻域擴頻。MC－CDMA在具有傳統CDMA抗干擾能力強、容量大等優點的同時又繼承了OFDM技術優秀的抗多徑干擾能力，非常適宜于無線高速數據傳輸。而和傳統OFDM系統所不同的是在所有子載波上傳送相同的信息符號，因此還具有頻率分集的效果。

　　文獻［3］對比分析了MC－CDMA和傳統CDMA系統的信號模型和誤碼性能，理論上證明了MC－CDMA比CDMA在Rayleigh衰落信道中誤碼性能更佳。文獻［4］也分析了MC－CDMA在Rayleigh衰落信道下的性能，但是其誤碼分析過于復雜。文獻［5］給出了一種OFDM系統的矩陣分析模型。

　　作者首先分析了MC－CDMA系統的基帶發射、接收信號模型以及Rayleigh信道模型，提出了一種MC－CDMA系統的通用矩陣分析模型，并給出了系統的誤碼率分析，數值分析驗證了MC－CDMA系統優異的性能。

　　1　MC-CDMA系統通用矩陣模型

　　MC－CDMA系統的基帶發射、接收以及多徑信道模型如圖1所示。

　　1．1　發送系統模型

　　考慮一個用戶數為M的MC－CDMA傳輸系統，第m個用戶傳輸的第k個比特為標量bm［k］，擴頻碼用向量cm＝［cm（0），…，cm（i），…，cm（N－1）］T，i∈［0，N－1］表示，向量cmbm［k］進行離散傅立葉逆變換IFFT。定義（N×N）傅立葉變換矩陣和傅立葉逆變換矩陣分別為FN和

，H表示共軛轉置。FN的矩陣元素為

　　1．2　信道模型

　　信道為瑞利（Rayleigh）信道，在時域采用復低通等效沖激響應特性的線性濾波器模型來描述。

　　式（2）中，NL為電波傳播最大多徑數；αl、τl分別為第l條路徑的隨機幅度、傳播時延。其物理模型相當于由NL個延時為τl的抽頭而構成的信道模型。

　　在頻域上，每個子載波所占帶寬非常窄，通常遠小于相干帶寬，因此可以認為每個子載波上為平坦衰落，沒有幅度和相位失真。每個子帶上對應用戶m的信道頻率特性為

　　式（3）中，ρm，i為獨立Rayleigh分布隨機變量，表示信號幅度衰落系數；θm，i為獨立均勻分布隨機變量，表示相位失真。

　　1．3　接收系統模型

　　發送向量通過式（2）、式（3）所描述的多徑衰落信道和附加的AWGN噪聲信道后，在接收端以切普（CHip）速率進行采樣。

　　假定CP長度大于信道沖擊響應長度NL并且認為信道沖擊響應在一個MC－CDMA符號內是不變的，因此可以用向量hl＝［hl（0），…，hl（NL－1）］T來表示在第k個MC－CDMA碼元內的整個信道的沖擊響應序列。

　　同樣，定義（N＋NL）×1階接收向量Rm，利用信道沖擊響應為有限長度的特性，可以得到

　　式（5）中，第二項表示符號間干擾（ISI），第三項表示噪聲向量。

　　用CPH＝［ON×NL，IN］表示去掉循環前綴操作，然后再進行傅立葉變換和解擴。如果循環前綴長度大于信道多徑長度就可以消除ISI，即去掉式（5）中第二項。

　　是N階二進制向量，取值為±1，如果系統可靠同步，則得到系統判決前輸出為標量信號：

　　從以上分析可見，多載波CDMA系統除了具有頻率分集、抗干擾的優點以外，還充分利用了OFDM這種高效并行調制技術的優點，使信號和信道之間的卷積關系變成了線性加權，有效抑制了符號間干擾（ISI）和碼間干擾（ICI）。［6－8］

　　2　誤碼率分析

　　假設系統采用BPSK調制，即bm［k］取值為±1。并且接收端具有很好的同步性能，頻率、相位能夠完全同步。

　　假設第m個用戶在［kTb，（k＋1）Tb］時間內傳送的

　　因此，由以上分析可知dm（k）同樣服從高斯分布。其均值和方差為

　　由于第m個用戶在［KTb，（k＋1）Tb］時間內傳送的數據為“1”，那么對于在接收端譯碼輸出的比特差錯概率為

　　式（13）中，erfc（）為余誤差函數。

　　第m個用戶在［kTb，（k＋1）Tb］時間內傳送的數據為“－1”，有同樣的誤碼率結果。

　　3　數值分析

　　一般來說，式（13）給出的MC－CDMA系統的理論誤碼性能估計往往比較樂觀。實際中，常用Monte－Carlo方法來對系統的誤碼性能進行數值分析。

　　仿真基于數值分析軟件Matlab6．5，作者利用Simulink構造了可視化分析平臺進行MC－CDMA和CDMA無編碼系統的基帶仿真對比。系統映射采用BPSK，擴頻碼采用Walsh碼，地址長度為64，進行64點IFFT，CP長度為8，即保護間隔長度為符號長度的1／8。多徑信道的幅度、時延和相位可調，加入高斯白噪聲。接收端采用Viterbi譯碼。

　　從圖2可以看出，未編碼MC－CDMA在多徑數為12大于保護間隔時，其誤碼性能大大優于CDMA，表現了多載波CDMA優異的抗多徑干擾和抗碼間干擾的能力。這種性能對于無線寬帶數據傳輸來說非常重要。圖3是未編碼MC－CDMA系統在信道具有不同多徑數（3、5、7、9）時的誤碼性能，如果多徑增加，系統誤碼率增加，9條多徑比3條多徑的系統性能惡化1 dB。由于時延越長的路徑其傳播的距離也越長，信號的衰落也越大，因此實際系統中路徑數大于12的多徑是可以忽略的。

　　4　結　論

　　MC－CDMA技術是并行傳輸的OFDM技術和CDMA技術的有效融合，克服了CDMA系統面對無線寬帶數據傳輸時由于擴展頻譜而引起的碼元周期縮短導致碼間干擾嚴重的問題。作者分析了MC－CDMA系統的模型，提出了一種通用的系統矩陣分析模型并給出了誤碼率分析。數值分析驗證了MC－CDMA系統的良好性能。

　　參考文獻

　　［1］　BINGHAM JA C．Multicarrier modulationfor data transmission：An idea whose timehas come［J］．IEEE Communications Magazine，1990，28（5）：5－14．

　　［2］　PRASSADR，HARA S．Overview of multi－carrier CDMA［J］．IEEE Commun．Magazine，1997，35（12）：126－133．

　　［3］　ZHOU Shengli，GIANNAKISGeorgios B．Comparison of digital multi－carrier withdirect sequence spread spectrum in thepresence of multipath［C］．Proc．　　ICASSP2001，2225－2228．

　　［4］　吳俊，吳偉陵．編碼多載波CDMA在瑞利衰落信道下的性能分析［J］．北京郵電大學學　　報，1998．21（5）：23－29．

　　［5］　宮劍，賈懷義．OFDM技術及其仿真性能分析［J］．鐵道學報，2002，（6）：45－48．

　　［6］　李向寧，談振輝．OFDM基本原理及其在移動通信中的應用［J］．重慶郵電學院學報（自然科學版），2003，15（2）：25－30．

　　［7］　DERSH U，RUEGGR J．Simulation of timeand frequency selective outdoor mobile radiochannel［J］，IEEETrans，on veh．technol．，993，42（3）：338－344．

　　［8］　廖明，楊士中，吳玉成，等．基于OFDM的寬帶蜂窩移動通信系統［J］．重慶大學學報（自然科學版），2003，26（6）：10－14．

　　
摘自《重慶郵電學院學報》

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