CN103312405B - 一种时频编码分集mt-cdma系统发射与接收方法 - Google Patents

Abstract

一种时频编码分集MT-CDMA系统发射与接收方法，属于宽带多载波无线通信发射与接收方法。二维解扩和多径分离模块利用时频二维扩频码组矩阵，实现用户的二维解扩和多径分离，得到互不相关的多条路径的衰落信号，相位校正和合并技术将各路信号进行合并，判决得出最后的输出结果；扩频码长度可以是子载波数的任意整数倍，每个用户按照时频编码网格图进行二维编码，确保一个基本帧的持续时间恒定不变，不降低系统单个用户的数据速率；系统处理时将多个多载波符号作为一个基本帧，在发射机和接收机端都以这个基本帧作为处理时间的基本单元。优点：该方法基于RAKE接收机的时频编码分集MT-CDMA无线通信系统保持了与现有的MT-CDMA系统的兼容性，能够方便地完成系统的改造。

Description

一种时频编码分集MT-CDMA系统发射与接收方法

技术领域

本发明涉及一种宽带多载波无线通信发射与接收方法，具体的是一种时频编码分集MT-CDMA系统发射与接收方法。

背景技术

CDMA技术已无可争辩的竞争力成功应用于第二代和第三代移动通信系统中，但是，CDMA容量受限于多址干扰和多径干扰，而多载波技术对于多径干扰和符号间串扰有很强的抵抗力，因此多载波CDMA成为未来宽带移动通信系统最有希望的一种系统方案。从1993年开始陆续出现讨论将多载波调制和扩频技术结合的文章，主要分为两类：频率分集（抗多径衰落）的MC-CDMA和时间分集（抗时间选择性衰落）的MC-DS-CDMA，而无线电波传播既要抗多径衰落，又要抗时间选择性衰落，因此一种基于二维扩展的OFDM-CDMA系统应运而生，其能够同时有效地利用时间分集和频率分集的效果，一定程度地提高了接收机的性能，但是这种二维扩频方式在增加扩频码长度使用户容量变大的同时，其代价是单个用户传输速率的下降，这很明显不适应对通信需求越来越高的今天。

发明内容

为克服以上系统的不足，本发明提供一种时频编码分集MT-CDMA系统发射与接收方法，不但能够利用时频编码分集，而且在不降低系统单个用户数据速率的同时，可以容纳更多的用户数。

本发明的目的是这样实现的：该方法包括发射方法和接收方法；

所述的发射方法：首先在发射机端对数据进行数字调制，已调数据符号经过串并转换；然后在一个基本处理时间单元即一个基本帧中，按照时频二维编码网格图完成对已调符号在时域和频域上的联合编码处理，扩频码长度L是子载波数目N的任意整数倍，使某个用户的同一调制符号的信息编码到各个时间符号的各个子载波上，达到最大限度的时频分集和用户容量；最后对一个基本帧中的数据进行IFFT变换，串并转换生成发送信号。其中，时频二维编码以前子载波之间有1/2的重叠，且满足正交性，符号周期为T_s＝NT_b，T_b为原始数据符号宽度；编码后的每个子载波的带宽编码为L/T_s，而相邻子载波的间隔仍然保持以前的Δf＝1/T_s，因此子载波之间不再保持正交性。

所述的接收方法：采用RAKE接收机，接收机端与发射机端一致，基本处理时间单元是一个基本帧；接收信号首先进行串并转换、FFT变换，然后进入RAKE多径分集接收模块，得到每个用户的多径分集接收结果；RAKE多径分集接收模块包括二维解扩、多径分离、相位校正、合并相加和判决。使用滑动相关算法得到信道的多径时延估计结果，二维解扩和多径分离这两个过程是同时进行的：RAKE接收机采用和发射机端一致的时频二维编码网格图来对每个用户进行二维解扩，同时得到互不相关的多条路径的衰落信号；通过相位校正和合并技术将各路信号进行合并，判决得出最后的输出结果；经过数字解调，最后各个用户输出相应的数据符号。

所述的时频二维编码方法：基于时频二维编码网格图，利用时频二维编码，实现时频分集；采用N×L的正交沃尔什码（Walsh）作为扩频码矩阵，N表示子载波数目，L表示扩频码长度，其中L＝KN，K为正整数，将L个OFDM符号作为一个基本帧，将某个调制符号扩展为L个子段信息，再将这L个子段信息平均分为N份，每份K个子段信息，再将这第n(0≤n≤N-1)份子段信息依次分布到第l(nK≤l≤(n+1)K-1)个OFDM符号的第n个子载波上；在使用较长扩频码时，码片持续时间降低，即增加扩频码长度L的同时，成正比的缩小每个码片的持续时间T_c，确保T_c和L的乘积恒定不变，所述的T_c和L的乘积是一个基本帧的持续时间，不降低系统单个用户数据速率的同时，使系统容纳更多用户数，最终提高所有用户的总数据速率。

有益效果，由于采用了上述方案，系统中每个用户占用N个子载波，使用的扩频码组矩阵尺寸为N×L，其中L可以是与子载波数目N成正比的更长的扩频码长度，不同用户的扩频码组矩阵可以通过循环移位获得；系统处理时需要将L个多载波符号作为一个基本帧，在发射机和接收机端都是以这个基本帧作为处理时间的基本单元；为了使一个基本帧的持续时间与移动信道的相关时间相比拟，实现了本发明的目的。

优点：该方法基于RAKE接收机的时频编码分集MT-CDMA无线通信系统很好地保持了与现有的MT-CDMA系统的兼容性，只需通过更新发射机端和接收机端的编码/解编码模块中的网格图和RAKE接收机参数，能够方便地完成系统的改造。

附图说明

图1为本发明的时频编码分集MT-CDMA系统收发机框图。

图2为本发明的用户1的RAKE多径接收框图。

图3为本发明的时频编码分集MT-CDMA系统的频谱分布图。

图4-a为本发明的单用户多载波CDMA系统的时频二维编码扩频后的数据网格图。

图4-b为本发明的单用户多载波CDMA系统的时频二维编码扩频码网格图。

图5为本发明中多个用户情况下的时频编码网格图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1：该方法包括发射方法和接收方法，所述的发射方法：首先在发射机端对数据进行数字调制，已调数据符号经过串并转换；然后在一个基本处理时间单元即一个基本帧中，按照时频二维编码网格图完成对已调符号在时域和频域上的联合编码处理，扩频码长度L是子载波数目N的任意整数倍，使某个用户的同一调制符号的信息编码到各个时间符号的各个子载波上，达到最大限度的时频编码分集和用户容量；最后对一个基本帧中的数据进行IFFT变换实现载波调制，串并转换生成发送信号；时频二维编码以前子载波之间有1/2的重叠，且满足正交性，符号周期为T_s＝NT_b，T_b为原始数据符号宽度；编码后的每个子载波的带宽编码为L/T_s，而相邻子载波的间隔仍然保持以前的Δf＝1/T_s，因此子载波之间不再保持正交性；

所述的接收方法：采用一种能分离多径信号并有效合并多径信号能量的瑞克接收机，即RAKE接收机，与发射机端一致，基本处理时间单元是一个基本帧；接收信号首先进行串并转换、FFT变换，然后进入RAKE多径分集接收模块，得到每个用户的多径分集接收结果；RAKE多径分集接收模块包括二维解扩、多径分离、相位校正、合并相加和判决。使用现有的滑动相关算法得到信道的多径时延估计结果，二维解扩和多径分离这两个过程是同时进行的：RAKE接收机采用和发射机端一致的时频二维编码网格图来对每个用户进行二维解扩，同时得到互不相关的多条路径的衰落信号。通过相位校正和合并技术将各路信号进行合并，判决得出最后的输出结果；经过数字解调，最后各个用户输出相应的数据符号。

所述的时频二维编码方法：基于时频二维编码网格图，利用时频二维编码，实现时频分集；采用N×L的正交沃尔什码（Walsh）作为扩频码矩阵，N表示子载波数目，L表示扩频码长度，其中L＝KN，K为正整数，将L个OFDM符号作为一个基本帧，将某个调制符号扩展为L个子段信息，再将这L个子段信息平均分为N份，每份K个子段信息，再将这第n(0≤n≤N-1)份子段信息依次分布到l(nK≤l≤(n+1)K-1)个OFDM符号的第n(0≤n≤N-1)个子载波上；在使用较长扩频码时，码片持续时间降低，即增加扩频码长度L的同时，成正比的缩小每个码片的持续时间T_c，确保T_c和L的乘积恒定不变，所述的T_c和L的乘积是一个基本帧的持续时间，不降低系统单个用户数据速率的同时，使系统容纳更多用户数，最终提高所有用户的总数据速率。

发射方法中使用的系统发射机包括：数字调制模块，串并转换模块，时频二维编码模块，IFFT模块，并串转换模块；接收方法中使用的系统接收机包括：串并转换模块，FFT模块，RAKE多径接收机模块，数字解调模块。

RAKE多径分集接收模块包括二维解扩模块、多径分离模块、相位校正模块、合并相加模块和判决模块。二维解扩和多径分离模块利用时频二维扩频码组矩阵，实现用户的二维解扩和多径分离，得到互不相关的多条路径的衰落信号，最后通过相位校正和合并技术将各路信号进行合并，判决得出最后的输出结果。

扩频码长度可以是子载波数的任意整数倍，每个用户按照时频编码网格图进行二维编码，重点是在增加扩频码长度的同时，成正比的缩小每个码片的持续时间，确保一个基本帧的持续时间恒定不变，在容纳多用户数容量的同时，不降低系统单个用户的数据速率。系统处理时需要将多个多载波符号作为一个基本帧，在发射机和接收机端都以这个基本帧作为处理时间的基本单元。

不同用户的扩频码组矩阵可以通过扩频码组矩阵循环移位获得。

图1为时频编码分集MT-CDMA系统的收发机框图。原始发送数据经过数字调制模块进行调制，之后经过串并转换模块转换成并行传输数据，并行数据经二维时频编码模块，利用尺寸为N×L的扩频码组进行二维编码，实现时频编码分集，扩频后的数据经过IFFT模块进行子载波调制，最后数据经过并串转换模块生成发送信号发送出去。

接收机端接收到的数据经过串并转换模块得到并行传输信号，信号经过FFT模块处理，然后数据进入RAKE多径分集接收模块，得到每个用户的多径分集接收结果。RAKE多径分集接收模块包括二维解扩模块、多径分离模块、相位校正模块、合并相加模块和判决模块，二维解扩和多径分离模块利用尺寸为N×L的时频二维扩频码组矩阵，实现每个用户的二维解扩和多径分离，得到互不相关的多条路径的衰落信号，最后通过相位校正和合并技术将各路信号进行合并，判决得出最后的输出结果，从而获得分集增益。最后信号经过数字解调模块，各个用户输出相应的数据符号。

图2为用户1的RAKE多径接收框图。设系统中同时工作的用户有U（U＜L）个，每个用户占用N个子载波，系统要求满足L/N是整数，第u个用户使用N×L的扩频码组矩阵w_u表示为

经过多径传播到达接收机，设第u个用户包含直达路径的多径有K_u条，设要接收第一个用户的信号，设在接收门限以上的路径有K₁条，RAKE接收机用K₁个并行相关器一起进行接收。接收机同步以后，K₁个并行相关器通过本地扩频码组对接收信号进行二维解扩，本地扩频码组分别为w₁(t-τ₁₁)、w₁(t-τ₁₂)、…同步二维解扩后，加入积分器，每次积分时间为T_s，然后进入电平保持电路，直到最后一个相关器在时产生输出，然后在时刻，合并K₁个单径输出，判决后输出用户1的接收数据。这样，通过K₁个并行相关器，用户1获得K₁个多径信号的能量，降低了误码率，提高了通信质量。

图3为系统的频谱分布图。与现有技术所述的多载波CDMA技术相比，虽然相邻子载波的间隔仍然保持为符号周期的倒数，但该系统的频谱分布不再满足正交性，各自子载波在同一个物理信道中心部分的频谱叠加的成分最多，频谱分布不均匀，因此若要在接收端实现正确解调，必须采用RAKE接收机。

图4为单用户时频编码分集MT-CDMA系统的时频编码网格图，其中：图4-a为单用户扩频后的数据网格图，图4-b为单用户扩频码网格图。图中横轴表示时间，即某一子载波上的不同时间符号的序号，纵轴表示频率，即同一时间不同子载波的序号。子载波数目为N，扩频序列长度为L，L＝KN，K为任意正整数。某一用户输入的调制符号序列为{d₁,d₂…,d_L}，调制符号d₁将通过1号扩频码序列映射到网格图中的L个位置，其中d₁（1）～d₁(K)映射到第0～K-1个时间符号中的第0个载波上，d₁（K+1）～d₁(2K)映射到第K～2K-1个时间符号中的第1个载波上，…，d₁((N-1)K+1)～d₁(L)映射到第(N-1)K～L-1个时间符号中的第N-1个载波上；调制符号d₂将通过2号扩频码序列映射到网格图的另外L个位置，其中d₂(1)～d₂(K)映射到第0～K-1个时间符号中的第1个载波上，d₂（K+1）～d₂(2K)映射到第K～2K-1个时间符号中的第2个载波上…d₂((N-1)K+1)～d₂(L)映射到第(N-1)K～L-1个时间符号中的第0个载波上；依此类推，一组调制符号{d₁,d₂…,d_L}通过N×L的一组扩频码矩阵同时扩展到L个时间符号的N个子载波上，实现时间和频率上的二维编码，二维编码映射后这N×L个映射符号组成一个基本帧，在接收机端，必须在接收到一帧后才能根据发射机端的扩频码组合方式来进行相应的解扩和合并。到此，共L个时间符号周期，完成时频二维编码。对于其它用户而言，时频编码方法相同，只是需要使用这组正交扩频码组的其它排列组合。

图5为多个用户情况下的时频编码网格图，用户最多等于扩频码长度L。假设图4为用户1的时频二维编码网格图，将此图往右循环移位一次得到用户2的时频二维编码网格图，以此类推，继续往右循环，可以得到第L个用户的时频二维编码网格图。

Claims (1)

1.一种时频编码分集MT-CDMA系统发射与接收方法，其特征是：该方法包括发射方法和接收方法；

所述的发射方法：首先在发射机端对数据进行数字调制，已调数据符号经过串并转换；然后在一个基本处理时间单元即一个基本帧中，按照时频二维编码网格图完成对已调符号在时域和频域上的联合编码处理，扩频码长度                                                是子载波数目的任意整数倍，使某个用户的同一调制符号的信息编码到各个时间符号的各个子载波上，达到最大限度的时频分集和用户容量；最后对一个基本帧中的数据进行IFFT变换，IFFT变换后的数据经过并串转换后发送；时频二维编码以前子载波之间有的重叠，且满足正交性，符号周期为，为原始数据符号宽度；编码后的每个子载波的带宽编码为，而相邻子载波的间隔仍然保持以前的，因此子载波之间不再保持正交性；

所述的接收方法：采用RAKE接收机，接收机端与发射机端一致，基本处理时间单元是一个基本帧；接收信号首先进行串并转换、FFT变换，然后进入RAKE多径分集接收模块，得到每个用户的多径分集接收结果；RAKE多径分集接收模块包括二维解扩、多径分离、相位校正、合并相加和判决；使用现有的滑动相关算法得到信道的多径时延估计结果，二维解扩和多径分离这两个过程是同时进行的，即RAKE接收机采用和发射机端一致的时频二维编码网格图来对每个用户进行二维解扩，同时得到互不相关的多条路径的衰落信号；通过相位校正和合并技术将各路信号进行合并，判决得出最后的输出结果；经过数字解调，最后各个用户输出相应的数据符号；

在所述发射中，利用时频二维编码，实现时频分集；采用的正交沃尔什码（Walsh）作为扩频码矩阵，表示子载波数目，表示扩频码长度，其中，为正整数，将个OFDM符号作为一个基本帧，将某个调制符号扩展为个子段信息，再将这个子段信息平均分为份，每份个子段信息，再将这第n份子段信息依次分布到第l个OFDM符号的第n个子载波上；其中，，；在使用较长扩频码时，码片持续时间降低，即增加扩频码长度的同时，成正比的缩小每个码片的持续时间，确保和的乘积恒定不变，所述的和的乘积是一个基本帧的持续时间，不降低系统单个用户数据速率的同时，使系统容纳更多用户数，最终提高所有用户的总数据速率。