CN110048796B - 一种使用加权互补码的通信方法和通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用加权互补码的通信方法，包括下列步骤：将K个用户中的用户k的信号复制成M份，其中M为分支数目，k＝1,2,…,K；针对K个用户提供互补码

其中

具有K个二维扩频码C^(k)，k∈{1,2,…,K}，并且每个二维扩频码C^(k)具有M个子序列

并且其中二维扩频码C^(k)的互相关值为零且其自相关值为MN，并且子序列

的互相关值为零；使用分配给用户k的二维扩频码C^(k)的M个子序列对所述M个信号进行扩频以为每个用户生成M个扩频信号；对每个用户的M个扩频信号进行调制以产生M个调制信号；以及在M个信道上分别以发射功率P_m发射所述M个调制信号，使得降低误码率。通过该方法和/或系统，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。

Description

一种使用加权互补码的通信方法和通信系统

技术领域

本发明总体上涉及无线通信领域，具体而言涉及一种使用加权互补码的通信方法。

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。相比于其它多址方案，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，由于传统扩频码非理想的相关特性而导致的干扰受限、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。就是这种彼此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，提出了基于一类新颖的扩频码――互补码(Complementary Codes，CCs)的下一代CDMA全新解决方案。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。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，由于CC-CDMA系统中存在着发送信号的M份复制，因此该系统可以看做是一个M分支的分集系统。其中，各分支的分集增益均需相等，才能消除多用户干扰。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，提供一种使用加权互补码的通信方法及通信系统，通过该方法和/或系统，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。

在本发明的第一方面，该任务通过一种使用加权互补码的通信方法的来解决，该方法包括下列步骤：

将K个用户中的用户k的信号复制成M份，其中M为分支数目， k＝1,2,…,K；

针对K个用户提供互补码

其中

具有K个二维扩频码C^(k)，k∈{1,2,…,K}，并且每个二维扩频码C^(k)具有M个子序列

其中

并且其中二维扩频码C^(k)的互相关值为零且其自相关值为MN，并且子序列

的互相关值为零；

使用分配给用户k的二维扩频码C^(k)的M个子序列对所述M个信号进行扩频以为每个用户生成M个扩频信号；

对每个用户的M个扩频信号进行调制以产生M个调制信号；以及

在M个信道上分别以发射功率P_m发射所述M个调制信号，使得降低误码率。

在本发明的一个优选方案中规定，互补码

为：

其中m∈{1,2,…,M}，n∈{1,2,…,N}，k∈{1,2,…,K}，K＝M＝N＝2^L(L≥1)。

在本发明的另一优选方案中规定，各信道的发射功率为：

其中

为一可变量，

在本发明的又一优选方案中规定，所述通信方法被用于码分多址 (CDMA)通信。

在本发明的另一优选方案中规定，所述调制为QPSK或更高阶调制。通过该优选方案，可以避免奇位移。

在本发明的第二方面，前述任务通过一种使用加权互补码的通信系统来解决，该系统包括：

信号复制器，其被配置为将K个用户中的用户k的信号复制成M份，其中M为分支数目，k＝1,2,…,K；

扩频器，其被配置为使用互补码

的分配给用户k的二维扩频码C^(k)的M个子序列对所述M个信号进行扩频以为每个用户生成M个扩频信号，其中

具有K个二维扩频码C^(k)，k∈{1,2,…,K}，并且每个二维扩频码C^(k)具有M个子序列

其中

并且其中二维扩频码C^(k)的互相关值为零且其自相关值为MN，并且子序列

的互相关值为零；

调制器，其被配置为对每个用户的M个扩频信号进行调制以产生M 个调制信号；以及

发射机，其被配置为在M个信道上分别以发射功率P_m发射所述M个调制信号，使得降低误码率。

本发明至少具有下列有益效果：(1)提供了新互补码的构建方法，该码可以实现零子码相关特性以及加权理想相关特性；(2)将功率分配优化算法与新互补码相结合，由此实现了单用户系统误码率性能优于原系统理想相关特性，多用户系统误码率性能优于原多用户系统误码率，其具体实现方式是，在M个信道上分别以功率Pm发射调制信号，使得与等增益发射的系统相比，可以降低误码率并且可以根据信道情况的好坏合理分配功率。

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通信系统；

图2示出了根据本发明的通信系统的单用户误码率仿真对比曲线；以及

图3示出了根据本发明的通信系统的多用户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。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。

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。

本发明提出了一种可加权的新型互补码CDMA系统，该系统采用本发明提出的一种通信方法，其中使用各信道功率可分配的互补码进行扩频并结合加权合并检测接收，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，进而可以获得比例如现有 CC-CDMA系统更低的多用户误码率性能。

下面参考附图结合具体实施例进一步阐述本发明。

基于新型互补码的CC-CDMA系统如图1所示，系统中存在K个用户，采用C(K,M,N)互补码实现多用户码分多址通信。

包含K个互补码C^(k)，k∈{1,2,…,K}，C^(k)为一个二维扩频码，包含M个子序列

其中

本发明提出的新型互补码

的构造过程如下：

其中，m∈{1,2,…,M}，n∈{1,2,…,N}，k∈{1,2,…,K}，K＝M＝N＝2^L(L≥1)，且m可被表示为二进制数形式，如(2)所示：

可以证明上述互补码具有如下相关特性：

即该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。另外，定义其加权相关系数为：

若想使其加权相关系数仍满足理想的互补相关特性，即

则需满足

w₁+w₂＝w₃+w₄＝…＝w_N-1+w_N (7)

根据此特性，系统在QPSK及更高阶调制下，可保证不会出现奇位移，此时对各信道功率分配可满足公式(7)。即

其中P_m为信道m的发射功率。假设总发射功率为M，即

由注水定理可知

其中C为系统总容量，B为系统带宽。假设系统总功率一定，则系统总容量C的最大值为

构造一个拉格朗日函数L

其中P_total＝M。让

得到

得到一种解为

其中，假设

为一可变量，

可得

其中P_m为加权互补码CDMA系统的优化功率分配解。

图2和图3分别示出了根据本发明的通信系统的单用户和多用户误码率仿真对比曲线，其中选取本发明产生的互补码

进行系统误码率的仿真，并将其分别采用传统互补码结合等增益合并接收方法(系统 1)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)的误码率进行对比。

本发明至少具有下列有益效果：(1)提供了新互补码的构建方法，该码可以实现零子码相关特性以及加权理想相关特性；(2)将功率分配优化算法与新互补码相结合，由此实现了单用户系统误码率性能优于原系统理想相关特性，多用户系统误码率性能优于原多用户系统误码率，其具体实现方式是，在M个信道上分别以功率P_m发射调制信号，使得与等增益发射的系统相比，可以降低误码率并且可以根据信道情况的好坏合理分配功率。

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 (4)

1.一种使用加权互补码的通信方法，包括下列步骤：

将K个用户中的用户k的信号复制成M份，其中M为分支数目，k＝1,2,…,K；

针对K个用户提供互补码

其中

具有K个二维扩频码C^(k)，k∈{1,2,…,K}，并且每个二维扩频码C^(k)具有M个子序列

m∈{1,2,…,M}，其中

n∈{1,2,…,N}并且其中二维扩频码C^(k)的互相关值为零且其自相关值为MN，并且子序列

的互相关值为零；

使用分配给用户k的二维扩频码C^(k)的M个子序列对所述M个信号进行扩频以为每个用户生成M个扩频信号；

对每个用户的M个扩频信号进行调制以产生M个调制信号；以及

在M个信道上分别以发射功率P’_m发射所述M个调制信号，使得降低误码率，其中互补码

为：

其中m∈{1,2,…,M}，n∈{1,2,…,N}，k∈{1,2,…,K}，K＝M＝N＝2^L,L≥2；

并且其中各信道的发射功率为：

其中

为一可变量，

2.根据权利要求1所述的通信方法，其中所述通信方法被用于码分多址(CDMA)通信。

3.根据权利要求1所述的通信方法，其中所述调制为QPSK或更高阶调制。

4.一种使用加权互补码的通信系统，包括：

信号复制器，其被配置为将K个用户中的用户k的信号复制成M份，其中M为分支数目，k＝1,2,…,K；

扩频器，其被配置为使用互补码

的分配给用户k的二维扩频码C^(k)的M个子序列对所述M个信号进行扩频以为每个用户生成M个扩频信号，其中

具有K个二维扩频码C^(k)，k∈{1,2,…,K}，并且每个二维扩频码C^(k)具有M个子序列

m∈{1,2,…,M}，其中

n∈{1,2,…,N}并且其中二维扩频码C^(k)的互相关值为零且其自相关值为MN，并且子序列

的互相关值为零；

调制器，其被配置为对每个用户的M个扩频信号进行调制以产生M个调制信号；以及

发射机，其被配置为在M个信道上分别以发射功率P’_m发射所述M个调制信号，使得降低误码率，其中互补码

为：

其中m∈{1,2,…,M}，n∈{1,2,…,N}，k∈{1,2,…,K}，K＝M＝N＝2^L,L≥2；

并且其中各信道的发射功率为：

其中

为一可变量，

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