CN101540662A - 下行链路分组对角空频扩频码分多址(cdma)方案 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多天线多载波的可获得全分集性能的下行链路分组对角空频扩频码分多址(CDMA)方案，其主要特点为：此方案将全部子载波均分为若干互不交叠的组，每个用户在每个组内均发送信息，但在不同组内所发送的信息不同；不同组的信息依靠不同的载频去区分，组内不同用户的信息依靠扩频码去区分；不同组内的相同用户采用相同的扩频码；扩频码采用一种新的充零旋转离散傅立叶(ZPRDF)扩频码；ZPRDF扩频码的特点是：在每一个子载波上，只有一根天线上的ZPRDF码片为非零码片，其他天线上的ZPRDF码片为零码片。与其他的空频扩频CDMA方案相比，本发明提供的方案获得了全部的空间分集和频率分集，显著提高了系统的性能。

Description

下行链路分组对角空频扩频码分多址(CDMA)方案

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于多天线多载波的下行链路码分多址方案。

背景技术

码分多址(CDMA)技术是一种以码字作为区分不同用户信号的多址接入方式。由于其频谱利用率高，系统容量大，抗衰落、干扰能力强，并能够实现高效、灵活的用户接入，CDMA技术已经被广泛应用于第三代移动通信系统中。同时，CDMA发射信号带宽远大于信道的相干带宽，通过在接收端使用Rake接收机，CDMA系统可以利用多径信道提供的频率分集来提高系统的性能。但是CDMA信号容易引起符号间干扰(ISI)，这导致其接收端的复杂度较高。

正交频分复用(OFDM)技术可以有效对抗多径信道引起的ISI，但是其却不能有效利用多径信道提供的频率分集。因此，如何使CDMA技术和OFDM技术有效的结合起来以使系统即可提供频率分集又可对抗ISI引起了众多学者的关注，并涌现出了若干种结合方案，包括：多载波CDMA(MC-CDMA)、多载波直扩CDMA(MC-DS-CDMA)等。

近些年来，多天线(MIMO)技术取得了极大的发展。MIMO技术的一个显著优点是：其可以通过提供空间分集来显著改善系统的性能。如何将MIMO技术和OFDM技术以及CDMA技术有效的结合起来是最近无线通信领域的一个研究热点。但是，目前所提出的大部分结合方案都是将MC-CDMA技术或MC-DS-CDMA技术与空时编码技术简单的结合起来，并没有考虑结合方案的优化问题。2006年，Luo在IEEE Journal on Selected Areas in Communications第24卷6号1244-1255页中提出了一种双正交空时频扩频CDMA方案。此方案通过使用最小均方误差准则来优化设计扩频码片，因而获得了比传统沃什-哈达码扩频更好的性能。然而，通过分析我们发现：此方案虽然可以以较高的概率来获得全部的空间分集和频率分集，但是其仍然不能完全地获得全部的空间分集和频率分集。

因此，如何设计一种可完全获取空间分集和频率分集的CDMA方案是目前无线通信领域的研究热点之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多天线多载波的下行链路空频扩频CDMA方案，它可以完全获得全部的空间分集和频率分集。

本发明提供的分组对角空频扩频CDMA方案为：将全部子载波均分为若干互不交叠的组，每个用户在每个组内均发送信息，但在不同组内所发送的信息不同；不同组的信息依靠不同的载频去区分，组内不同用户的信息依靠扩频码去区分；不同组内的相同用户采用相同的扩频码；扩频码采用一种新的充零旋转离散傅立叶(ZPRDF)扩频码；ZPRDF扩频码的特点是：在每一个子载波上，只有一根天线上的ZPRDF码片为非零码片，其他天线上的ZPRDF码片为零码片，同时由ZPRDF非零码组构成的矩阵是由离散傅立叶变换矩阵与某一特定相位旋转矩阵相乘而得；

本发明提供的ZPRDF扩频码的构造方法如下：

首先构造一个K×K维的矩阵离散傅立叶变换矩阵F，其第p行，第q列的元素是e^{-j2π(p-1)(q-1)/K}。这里，p＝1，2，...，K，q＝1，2，...，K，K表示每组内子载波数；

然后构造一个K×K维的相位旋转矩阵A，其第p个对角线元素是e^jπ(p-1)/K。这里，p＝1，2，...，K；

再计算矩阵Ξ＝FΛ；

令θ_p＝[θ_p，1，θ_p，2，...，θ_p，K]^T表示矩阵Ξ的第p列，根据向量θ_p，构造Q×M维的矩阵

这里，p＝1，2，...，K，M表示发射天线数，Q＝K/M；

再根据矩阵Θ_p构造KM个Q×M维的矩阵Ψ_p，m＝[0_Q×(m-1)，β_p，m，0_Q×(M-m)]。这里，β_p，m为矩阵Θ_p的第m列，p＝1，2，...，K，m＝1，2，...，M；

则第p个用户的ZPRDF扩频码为：

$s_p={[\mathrm{vec}{\left({\mathrm{\Ψ}}_{p,1}^T\right)}^T,\mathrm{vec}{\left({\mathrm{\Ψ}}_{p,2}^T\right)}^T,...,\mathrm{vec}{\left({\mathrm{\Ψ}}_{p,M}^T\right)}^T]}^T$

这里，p＝1，2，...，K，(·)^T表示矩阵或向量的转置，vec(·)的运算规则如下：

$\mathrm{vec}\left(A\right)=\mathrm{vec}\left(\right[a_1,a_2,...,a_N\left]\right)={[a_1^T,a_2^T,...,a_N^T]}^T$

其中，A是由列向量a₁，a₂，...，a_N构成的矩阵。

实施本发明的有益效果在于：与其他的空频扩频CDMA方案相比，本发明提供的方案获得了全部的空间分集和频率分集，显著提高了系统的性能。

附图说明

图1示出了本发明提供的下行链路分组对角空频扩频CDMA方案的系统框图。

图2示出了本发明提供的下行链路分组对角空频扩频CDMA方案的扩频码片和发送序列的空频映射图。

图3示出了本发明提供的ZPRDF扩频码的构造过程。

图4示出了本发明提供的ZPRDF扩频码的空频映射图。

图5示出了本发明提供的方案和Luo提供的方案在用户数为32情况下的性能比较图。

图6示出了本发明提供的方案和Luo提供的方案在用户数为64情况下的性能比较图。

图7示出了本发明提供的方案和Luo提供的方案的运算复杂度比较图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进行详细阐述。

图1示出了本发明提供的分组对角空频扩频CDMA方案的系统框图。假设此系统有U个用户，个载波，M根发射天线，N≥M根接收天线。在发射端，所有载波分成G个组，每组包含的载波数为 $K=\mathrm{\κ}/G.$ ρ[k，g]＝g+(k-1)G表示第k个载波在第g个组中的索引，其中k＝1，2，...，K，g＝1，2，...，G。在每组中，每个用户发送的数据x_u，g首先经过ZPRDF扩频码 $s_u={[s_{u,1}^T,s_{u,2}^T,...,s_{u,K}^T]}^T$ 扩频，扩频码的空频映射方法见图2(a)。这里，s_u，k＝[s_u，k，1，s_u，k，2，，...，s_u，k，M]^T，u＝1，2，...，U，(·)^T表示矩阵或向量的转置。在每一组中，所有用户扩频后的扩频序列z_u，g＝x_u，gs_u将按以下方式混合起来：

$z_g=\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{z}_{u,g}=\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{u,g}{s}_u={\mathrm{Sx}}_g$

其中， $z_g={[z_{g,1}^T,z_{g,2}^T,...,z_{g,K}^T]}^T,$ z_g，k＝[z_g，k，1，z_g，k，2，...，z_g，k，M]^T，S＝[s₁，s₂，...，s_U]，x_g＝[x_1，g，x_2，g，...，x_U，g]^T。合并后的序列被映射到对应的天线和载波上去，映射方法见图2(b)，z_g，k，m表示被分配到第m根天线第ρ[k，g]个载波上的发送数据。最后，所有组的扩频序列经OFDM调制后发射出去。

发射信号经过无线衰落信道后，在第u个用户终端被接收到。接收信号在接收端经OFDM解调、天线载波解映射后得到

这里，y_{u，ρ[k，g]}＝[y_{u，ρ[k，g]，1}，y_{u，ρ[k，g]，2}，...，y_{u，ρ[k，g]，N}]^T，y_{u，ρ[k，g]，n}表示第u个用户在第n根接收天线的第ρ[k，g]个载波上接收到的信号，n＝1，2，...，N。y_u，g可以表示为：

y_u，g＝H_u，gSx_g+n_u，g

其中，

表示频域信道矩阵，diag(·)表示矩阵或向量的对角化，H_{u，ρ[k，g]}是N×M维矩阵，它的第(n，m)个元素H_{u，ρ[k，g]} ^n，m表示第u个用户的第n根接收天线接收到的来自第m根发送天线在第k个载波上的信号，

n_{u，ρ[k，g]}＝[n_{u，ρ[k，g]，1}，n_{u，ρ[k，g]，2}，...，n_{u，ρ[k，g]，N}]^T表示第u个用户在第ρ[k，g]个载波上的接收噪声。

图3示出了本发明提供的ZPRDF扩频码的构造过程，具体步骤如下：

步骤1：构造K×K维的离散傅立叶变换矩阵F，其第p行，第q列的元素是e^{-j2π(p-1)(q-1)/K}。这里，p＝1，2，...，K，q＝1，2，...，K。

步骤2：构造K×K维的相位旋转矩阵Λ，其第p个对角线元素是e^jπ(p-1)/K。这里，p＝1，2，...，K；

步骤3：计算矩阵Ξ＝FΛ；

步骤4：构造K个Q×M维的矩阵Θ_p，p＝1，2，...，K；令θ_p＝[θ_p，1，θ_p，2，...，θ_p，K]^T表示矩阵Ξ的第p列，则Θ_p可由θ_p按如下方式构造而成：

步骤5：构造KM个Q×M维的矩阵Ψ_p，m＝[0_Q×(m-1)，β_p，m，0_Q×(M-m)]，其中，β_p，m为矩阵Θ_p的第m列，p＝1，2，...，K，m＝1，2，...，M；

步骤6：按如下方式生成第p个用户的扩频码s_p：

$s_p={[\mathrm{vec}{\left({\mathrm{\Ψ}}_{p,1}^T\right)}^T,\mathrm{vec}{\left({\mathrm{\Ψ}}_{p,2}^T\right)}^T,...,\mathrm{vec}{\left({\mathrm{\Ψ}}_{p,M}^T\right)}^T]}^T$

这里，p＝1，2，...，K，vec(·)的运算规则如下：

$\mathrm{vec}\left(A\right)=\mathrm{vec}\left(\right[a_1,a_2,...,a_N\left]\right)={[a_1^T,a_2^T,...,a_N^T]}^T$

其中，A是由列向量a₁，a₂，...，a_N构成的矩阵。

由以上构造方法可知，ZPRDF扩频码支持的最大用户数为K。

图4示出了本发明提供的ZPRDF扩频码的空频映射图。每个用户的ZPRDF扩频码由K个非零码片和(M-1)K个零码片构成。当载波索引k满足k＝q+Q(m-1)，q＝1，2，...，Q时，则s_u，k，m≠0。每个载波上仅有一根天线被分配到非零码片，其余天线上均被分配到零码片。

图5和图6分别给出了本发明提供的方案和Luo提供的方案在用户数为32和64的情况下的性能比较结果。图中横坐标表示的是发射数据的每比特能量与噪声功率谱密度的比值(Eb/N0)，纵坐标表示的是误比特率。系统仿真的载波频率为5GHz，带宽为10MHz，512个载波被分成8组，每组64个载波，循环前缀个数为64，循环前缀和数据流的时隙长度分别是6.4μs和51.2μs，收发天线数目均为4，采用QPSK调制方案，信道模型采用的是COST207 Typical Urban12-径信道模型。移动速度是10km/h，最大多普勒频移是46Hz。图5所仿真的系统用户数是32；图6所仿真的系统用户数是64。从图中看出，本发明提供的方案的性能优于Luo提供的方案。

图7示出了本发明提供的方案与Luo提供的方案在接收天线数是8、用户数和每组子载波数均是32的情况下的运算复杂度比较图。这里，主要计算乘除法和加减法运算的复杂度，而忽略其他一些简单运算(如转置运算)。运算复杂度以浮点运算数为单位来衡量。由图中可看出，本发明提供的方案的运算复杂度远低于Luo提供的方案。

Claims (6)

1、一种基于多天线多载波的可获得全分集性能的下行链路分组对角空频扩频码分多址(CDMA)方案，其特征在于，此方案将全部子载波均分为若干互不交叠的组，每个用户在每个组内均发送信息，但在不同组内所发送的信息不同；不同组的信息依靠不同的载频去区分，组内不同用户的信息依靠扩频码去区分；不同组内的相同用户采用相同的扩频码；扩频码采用一种新的充零旋转离散傅立叶(ZPRDF)扩频码；ZPRDF扩频码的特点是：在每一个子载波上，只有一根天线上的ZPRDF码片为非零码片，其他天线上的ZPRDF码片为零码片，同时由ZPRDF非零码组构成的矩阵是由离散傅立叶变换矩阵与某一特定相位旋转矩阵相乘而得；与其他的空频扩频CDMA方案相比，本发明提供的方案获得了全部的空间分集和频率分集，显著提高了系统的性能。

2、根据权利要求1所述的下行链路分组对角空频扩频CDMA方案，其特征在于，每组中的子载波数必须要等于发射天线数的整数倍。

3、根据权利要求1所述的下行链路分组对角空频扩频CDMA方案，其特征在于，每组中的子载波数必须大于信道的最大多径时延与接收机抽样间隔的比值。

4、根据权利要求1所述的下行链路分组对角空频扩频CDMA方案，其特征在于，ZPRDF扩频码的码长等于每组所含的子载波数与发射天线数之积。

5、根据权利要求1所述的下行链路分组对角空频扩频CDMA方案，其特征在于，组与组之间不存在多用户干扰，接收机只需在每组内应用多用户检测器即可恢复每个用户的信号。

6、根据权利要求1所述的下行链路分组对角空频扩频CDMA方案，其特征在于，ZPRDF扩频码的构造方法如下：

权利要求1所述的离散傅立叶变换矩阵F是一个K×K维的矩阵，其第p行，第q列的元素是e^{-j2π(p-1)(q-1)/K}。这里，p＝1，2，...，K，q＝1，2，...，K，K表示每组内子载波数；

权利要求1所述的某一特定相位旋转矩阵Λ是一个K×K维的对角矩阵，其第p个对角线元素是e^jπ(p-1)/K。这里，p＝1，2，...，K；

权利要求1所述的由ZPRDF非零码组构成的矩阵Ξ满足：Ξ＝FΛ；

令θ_p＝[θ_p，1，θ_p，2，…，θ_p，K]^T表示Ξ矩阵的第p列，根据向量θ_p，构造Q×M维的矩阵

这里，p＝1，2，...，K，M表示发射天线数，Q＝K/M；

再根据矩阵Θ_p构造KM个Q×M维的矩阵Ψ_p，m＝[0_Q×(m-1)，β_p，m，0_Q×(M-m)]。这里，β_p，m为矩阵Θ_p的第m列，p＝1，2，...，K，m＝1，2，...，M；

第p个用户的ZPRDF扩频码为：

$s_p={[\mathrm{vec}{\left({\mathrm{\Ψ}}_{p,1}^T\right)}^T,\mathrm{vec}{\left({\mathrm{\Ψ}}_{p,2}^T\right)}^T,...,\mathrm{vec}{\left({\mathrm{\Ψ}}_{p,M}^T\right)}^T]}^T$

这里，p＝1，2，...，K，(·)^T表示矩阵或向量的转置，vec(·)的运算规则如下：

$\mathrm{vec}\left(A\right)=\mathrm{vec}\left(\right[a_{1,}{a}_2,...,a_N\left]\right)={[a_1^T,a_2^T,...,a_N^T]}^T$

其中，A是由列向量a₁，a₂，...，a_N构成的矩阵。

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