CN109194438A - 一种用于扩频通信的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于扩频通信的方法，包括：将K个用户中的用户k的发送信息b^(k)复制成M份，其中M为分支数目，k＝1,2,…,K；使用分配给用户k的互补码C^(k)的M个子码对所述M个发送信息进行扩频，其中所述互补码具有互补相关特性，并且所述互补码的子码的相关值为零；使用M个子载波分别对每个用户的M个扩频后的发送信息进行调制；由K个用户中的用户g接收经调制的M个发送信息并对所述发送信息进行解调，其中g＝1,2,…,K；使用分配给用户g的互补码C^(g)的M个子码对经解调的M个发送信息进行解扩；以及对经解扩的M个发送信息分别用加权系数进行加权合并，使得加权合并后的发送信息具有与分支数目相同的分集增益。通过该方法，可完全消除多址干扰并获得全分集增益。

Description

一种用于扩频通信的方法

技术领域

本发明总体而言涉及扩频通信领域，具体而言涉及一种用于扩频通信的方法。

背景技术

多址接入技术是无线通信相关技术中最为核心的物理层关键技术之一，其从根本上决定了通信系统中多用户、多信道共享无线资源的方式，因此该项技术的发展也标志了移动通信系统的逐代更替、演进。相比于其他多址方案，基于扩频技术的码分多址(CodeDivision Multiple Access，CDMA)具有独特的选择性寻址能力强、保密安全性高、抗窄带干扰及多径衰落等诸多优势。然而，由于传统扩频码的非理想的相关特性而导致干扰受限、远近效应及复杂的功率控制等问题，传统的CDMA技术没有成为当前移动通信的主流多址技术。

CDMA系统干扰受限的直接原因在于其所采用的扩频码的相关特性是非理想的，即：1)扩频序列的自相关函数在零位移以外存在非零相关值。在多径衰落信道中，这些非零旁峰将导致系统中的多径干扰难以通过接收端的解相关操作去除；2)两个扩频序列的互相关函数存在非零值。在多径或用户间异步传输环境下，这些非零相关值将被接收端的相关器收集起来，从而造成多址干扰及远近效应(Near-Far Effect)。产生这一后果的根本原因在于在扩频码的设计环节中并没有将这些系统及通信环境因素考虑在内，而是由数学领域或信息论领域研究者设计出码资源，再由系统工程师从众多码资源中选取相关特性可以接受的码来使用。就是这种解耦和的码及系统设计才造成了CDMA系统存在的诸多问题，最终导致即使采用一系列辅助子系统或技术来解决这些问题，如复杂的功率控制、多用户检测技术等等，CDMA系统依然无法提供具有竞争力的系统性能。

为了加速码分技术的革新，基于一类新颖的扩频码――互补码(ComplementaryCodes，CCs)的下一代CDMA全新解决方案被提了出来。互补码采用了结合真实通信环境的码设计理念，能够真正意义上实现理想的自相关及互相关特性，从而赋予了CC-CDMA(Complementary Coded CDMA，CC-CDMA)系统摆脱干扰受限的能力，为未来无线通信系统中码分技术的革新及应用开辟了一条新的道路。近十几年来，基于互补码及相应通信技术的研究主要围绕码理论完善、码构造方法及相应系统设计展开。总的来说，前人的这些研究验证了基于互补码的扩频技术的可行性，并重点证明了依赖于互补码的理想正交性，这一类CDMA系统具有非常好的抗多址及多径干扰的能力。然而，这些结论都是在理想化的系统假设及简单的信道条件下获得的。实际上，互补码结构的特殊性给实际CC-CDMA系统的设计带来了压力。当这些系统假设不再成立时，独立的基于互补码的扩频技术是否依然可以达到理论上的抗干扰性能仍有待验证。

与传统的扩频序列相比，互补码的最大优势在于其所具有的理想相关特性。然而，互补码能够实现理想相关特性的根本原因在于其多个子码的结构，即每个用户需要采用一个互补码所包含的多个子码进行扩频才可以实现期望的理想相关特性。互补码结构的特殊性给实际通信系统设计带来了压力。在平坦衰落信道下，CC-CDMA系统能够实现无多址干扰的多用户同步、异步通信。但在频率选择性衰落信道下，其性能将同时受到自干扰和多址干扰的影响。这是由于一直以来，人们普遍关注的是互补码这类能够实现理想相关特性的扩频码的设计，而忽略了实际系统中互补码所要求的互补相关过程实现的约束，即在CC-CDMA系统中各子码解扩后结果应进行等增益的合并，才能够消除多用户干扰。而频率选择性衰落将导致采用不同子码扩频后的信号经历各异的衰落系数，进而无法实现等增益合并，最终导致互补码带来的无干扰特性遭到破坏。

另外，实际上，由于CC-CDMA系统中存在着发送信号的M份复制，因此该系统可以看成是一个M分支的分集系统。分集技术已经广泛的应用于选择性衰落信道中，其通过提供独立衰落支路的冗余从而极大地提高系统的误码率性能。分集技术可以在时间、频率或空间上实施，但其基本思想是一致的。通过不同的路径发送载有相同信息的信号，在接收端就可以得到数据码元的多个相互独立的副本，从而实现更为可靠的检测。上述CC-CDMA系统在频率选择性衰落信道中可以通过分集进一步提升系统的误码率性能。

近年来，针对上述CC-CDMA系统在频率选择性衰落信道中存在的问题提出了多种非等增益合并检测算法，实现频选衰落信道下CC-CDMA系统多址干扰的消除以及分集增益获得之间的最优折中，然而，以往的研究无法同时实现多址干扰的完全消除及全分集增益的获得。

发明内容

本发明的任务是提供一种用于扩频通信的方法，通过该方法，可以以在完全消除多址干扰的同时获得频率选择性衰落信道所带来的全分集增益，进而可以获得比现有CC-CDMA系统更低的多用户误码率性能。

根据本发明，该任务通过一种用于扩频通信的方法来解决，该方法包括：

将K个用户中的用户k的发送信息b^(k)复制成M份，其中M为分支数目，k＝1,2,…,K；

使用分配给用户k的互补码C^(k)的M个子码对所述M个发送信息进行扩频，其中所述互补码具有理想互补相关特性，并且所述互补码的子码的相关值为零；

使用M个子载波分别对每个用户的M个扩频后的发送信息进行调制；

由K个用户中的用户g接收经调制的M个发送信息并对所述发送信息进行解调，其中g＝1,2,…,K；

使用分配给用户g的互补码C^(g)的M个子码对经解调的M个发送信息进行解扩；以及

对经解扩的M个发送信息分别用加权系数进行加权合并，使得加权合并后的发送信息具有与分支数目相同的分集增益。

在本发明的一个优选方案中规定，所述互补码C^(k)为二维扩频码并且包含M个子码其中m＝1,2,…,M，并且并且其中

A＝[a_i,j]、B＝[b_i,j]及D＝[d_i,j]为三个N×N的正交矩阵，

其中k,m∈{1,2,K,N}，n∈{1,2,K,N²}，y＝＜n＞_N+Nδ(＜n＞_N)，表示向上取整，＜·＞_t表示对t取余数，δ(·)表示冲激函数。

通过该优选方案，可以实现具有理想的互补相关特性的互补码，同时该互补码的子码的相关值为零，这保证了该互补码的子码采用非等增益合并，依然可以获得零相关特性。应当指出，在本发明的教导下，还可以设想具有类似性质的其它互补码。

在本发明的另一优选方案中规定，所述加权系数对于用户g为：

其中为发射机到用户g接收机的第m个子载波的信道衰落系数。通过该优选方案，可以在加权合并后获得与分支数目相同的分集增益。

在本发明的一个扩展方案中规定，该方法被用于互补码码分多址CC-CDMA通信。

本发明至少具有下列有益效果：(1)通过本发明，可以实现具有理想互补相关特性、且子码相关值为零的互补码，可以在完全消除多址干扰；(2)通过本发明的加权合并，可以获得频率选择性衰落信道所带来的全分集增益，进而可以获得比现有CC-CDMA系统更低的多用户误码率性能。

附图说明

下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的扩频通信系统的框图；以及

图2示出了根据本发明的方法与传统方法的误码率仿真对比曲线。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

本发明提出了一种用于扩频通信的方法，该方法在频选信道下可以获得全分集增益的互补码CDMA系统。该方法采用本发明提出的一种新型互补码进行扩频并结合加权合并检测接收方法，可以在完全消除多址干扰的同时获得频率选择性衰落信道所带来的全分集增益，进而可以获得比现有CC-CDMA系统更低的多用户误码率性能。

下面结合附图进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的扩频通信系统100的框图。

如图1所示，系统中存在K个用户，并且采用互补码C(K,M,N)实现多用户码分多址通信。C(K,M,N)包含K个互补码C^(k)，k＝1,2,…,K。C^(k)为二维扩频码，包含M个子序列其中

本发明提出的新型互补码C(K,M,N)的构造过程如下：

假设A＝[a_i,j]、B＝[b_i,j]及D＝[d_i,j]为三个N×N的正交矩阵，

C(K,M,N)的任意一个码片由下式构造：

其中，k,m∈{1,2,K,N}，n∈{1,2,K,N²}；y＝＜n＞_N+Nδ(＜n＞_N)，表示向上取整，＜·＞_t表示对t取余数，δ(·)表示冲激函数。

可以证明上述互补码具有如下相关特性：

从上面可以得知，本发明的互补码具有理想的互补相关特性，这与现有互补码特性相同，同时，该互补码具有子码相关值为零的特性。子码相关值为零的特性保证了该互补码的子码采用非等增益合并，依然可以获得零相关特性，该特性是获得本发明CC-CDMA系统在频选衰落信道低误码率特性的关键。

基于上述互补码，本发明中的扩频通信系统100的工作过程如下：

每个用户信息扩频发射过程如下：用户k的发送信息表示为b^(k)，该信息复制M份后，分别采用分配给其的互补码C^(k)的M个子码进行扩频，即：

其中，p_t为发射功率，T_b为一个bit数据的持续时间，为扩频码对应的扩频波形，即：

其中，T_c为一个码片的持续时间。

扩频后，每个用户的M个扩频后数据流被调制到M个子载波上，最终完成数据发送。假设系统中的信道为频率选择性衰落，即每个子载波经历各异的信道衰落，同时，假设每个子载波频段内信道衰落为平坦的。在上述信道假设下，在用户g的接收机端，经过载波m解调后获得的信号可以表示为：

其中，为发射机到用户g接收机的第m个子载波的信道衰落系数，n_m(t)为响应的噪声，噪声方差为假设M个子信道的信道衰落系数及噪声为独立随机分布的。

用户g信息解扩接收机过程如下：采用分配给用户g的互补码C^(g)的M个子码分别对M个子载波解调后获得的信号进行解扩，解扩后的信号分别以权重系数加权合并，即

其中，可证明为方差的加性高斯白噪声。I_μ为多址干扰，展开为：

代入式(3)中本发明提出的新互补码的相关特性可知上述多址干扰为零，代入式(7)，可得

将发射功率代入为假设可以获得系统误码率为：

进而可以推导获得该系统分集增益为：

综上，本发明提出的采用新型互补码的扩频通信系统可以实现多址干扰的完全消除同时获得与分支数目相同的分集增益。

图2示出了根据本发明的方法与传统方法的误码率仿真对比曲线。

在图2中，选取本发明产生的互补码C(8,8,64)进行系统误码率的仿真(系统1)，并将其分别与采用传统互补码结合本发明的加权合并接收方法(系统2)、采用传统互补码结合等增益隔合并接收方法(系统3)的误码率进行对比。可见，系统2种多址干扰无法完全消除进而影响了多用户条件下的误码率性能，系统3可以完全消除多用户干扰，但没有分集增益，进而整体误码率性能差。而本发明的系统可以同时实现零多址干扰及满分集增益(即分集增益与分支数目相同)，在多用户条件下误码率性能最佳。

本发明至少具有下列有益效果：(1)通过本发明，可以实现具有理想互补相关特性、且子码相关值为零的互补码，可以在完全消除多址干扰；(2)通过本发明的加权合并，可以获得频率选择性衰落信道所带来的全分集增益，进而可以获得比现有CC-CDMA系统更低的多用户误码率性能。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (5)

1.一种用于扩频通信的方法，包括：

将K个用户中的用户k的发送信息b^(k)复制成M份，其中M为分支数目，k＝1,2,…,K；

使用分配给用户k的互补码C^(k)的M个子码对所述M个发送信息进行扩频，其中所述互补码具有互补相关特性，并且所述互补码的子码的相关值为零；

使用M个子载波分别对每个用户的M个扩频后的发送信息进行调制；

由K个用户中的用户g接收经调制的M个发送信息并对所述发送信息进行解调，其中g＝1,2,…,K；

使用分配给用户g的互补码C^(g)的M个子码对经解调的M个发送信息进行解扩；以及

对经解扩的M个发送信息分别用加权系数进行加权合并，使得加权合并后的发送信息具有与分支数目相同的分集增益。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述互补码C^(k)为二维扩频码并且包含M个子码其中m＝1,2,…,M，并且并且其中

A＝[a_i,j]、B＝[b_i,j]及D＝[d_i,j]为三个N×N的正交矩阵，

其中k,m∈{1,2,K,N}，n∈{1,2,K,N²}，y＝＜n＞_N+Nδ(＜n＞_N)，表示向上取整，＜·＞_t表示对t取余数，δ(·)表示冲激函数。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述加权系数对于用户g为：

其中为发射机到用户g接收机的第m个子载波的信道衰落系数。

4.根据权利要求1所述的方法，其中该方法被用于互补码码分多址CC-CDMA通信。

5.根据权利要求3所述的方法，其中K＝8，M＝8，N＝64。