CN1264964A - 无干扰准同步码分多址通信系统扩频序列码组设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种无干扰准同步码分多址通信系统的信号设计技术。扩频序列码组是由非周期互补序列集构造而成的具有零相关区特性的序列,扩频调制信号含有附加保护码片。系统最大同步误差和信道最大多径时延扩展在所规定的范围之内时,可实现无干扰传输。扩频序列码组的参数和系统效率可根据实际因素实时调整,灵活选取。减小了码分多址通信系统对功率控制和同步的要求,降低了系统实现复杂性。

Description

无干扰准同步码分多址通信系统扩频序列码组设计方法

本发明涉及一种直接序列扩频无线通信技术，特别是工作于准同步方式下的一种无干扰码分多址通信扩频序列码设计及其相关技术。

信息时代的到来使人们对通信系统提出了新的需求。未来无线通信系统应该具有高速率、高质量和高灵活性等特点。与传统频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)等无线多址技术相比，码分多址(CDMA)技术具有显著的优势，如软性容量、抗多径和抗干扰能力等。码分多址通信已经成为下一代移动通信系统的首选技术。

蜂窝无线移动通信系统通常具有本地噪声(LN)、符号间干扰(ISI)、多址干扰(MAI)和邻小区干扰(ACI)等四种干扰。对码分多址通信系统而言，除了本地噪声不可消除外，其它三种干扰都可通过使用好的扩频码组来减小或消除，因而提高系统的容量或性能。

为了减小码分多址通信系统中的干扰，人们提出了同步码分多址通信系统，采用正交的沃尔什(Walsh)或阿达其(Adachi)码作为扩频序列码组。对于移动通信系统，上行链路的准确同步不太容易保证，而且无线信道的多径传播使系统同步变得更加困难。沃尔什或阿达其码的码间互相关特性只在同步时为零，当码组间不同步时互相关值不为零，就存在多址干扰。由于远近效应的存在，将进一步降低同步码分多址通信系统的性能，使系统容量受到限制。为了尽量减轻远近效应的影响，在IS-95等实用系统中，采用了复杂的功率控制技术。

为了减小系统对同步精度的要求，近年来有人提出准同步或近似同步码分多址通信系统，使得系统的同步误差控制在一定范围(如一个或几个码片周期)之内，并在扩频码设计上展开了研究工作。目前已有一些相关的专利。如中国专利CN98100151(CN1175828A)，采用一种具有零相关区的三元扩频序列码组；日本专利TY99002(11-023252)，采用一种具有零相关区的二元扩频序列码组；日本专利JP97/03272(JP271858/96)，采用一种具有梳状频谱的扩频序列码组，等等。

在理想情况下，码分多址通信系统中使用的扩频序列码组应具有如下相关特性：每个扩频序列码的自相关函数应该是一个冲激函数，即除零时延外，其值应处处为零；每对扩频序列码的互相关函数值应该处处为零。遗憾地是，无论是二元、多元还是复数序列，已经证明具有这种理想相关特性的扩频序列码组是不存在的，即对给定的序列长度N与数目M，最大自相关函数边峰值和最大互相关函数值不可能同时为零，它们受到一些理论限的限制，要求一个变小时，另一个必然增大，如威尔奇(Welch)限，斯德尼科夫(Sidelnikov)限等。

虽然不可能设计出具有理想自相关和互相关特性的扩频序列码组，但是可以设计出在零时延附近具有一定长度的零相关区或低相关区的扩频序列码组。这方面已经有一些论文发表。例如，″A generalizedQS-CDMA system and the design of new spreading codes，IEEE Trans.on Vehicular Technology，vol.47，no.4，pp.1268-1275，November1998(一种推广QS-CDMA系统及新型扩频码设计，IEEE车辆技术汇刊，第47卷，第4期，第1268-1275页，1998年11月)″，提出了一种设计具有低相关区的扩频序列码组的方法；″A class of binarysequences with zero correlation zone，IEE Electronics Letters，vol.35，no.10，pp.777-779，May 1999(一类具有零相关区的二进制序列，IEE电子快报，第35卷，第10期，第777-779页，1999年5月)″，给出了一种利用二元互补序列对来设计具有零相关区的扩频序列码组的方法；″Lower bounds on the correlation of sequence setwith low or zero correlation zone，Proceedings of WPMC′99，pp.343-345，Amsterdam，The Netherland s，September 1999(低/零相关区序列的相关性下限，WPMC′99国际会议文集，第343-345页，阿姆斯特丹，荷兰，1999年9月)″，给出了关于具有零相关区或低相关区的扩频序列码组的理论限。

对于具有M个长为N的扩频序列码组{S_i，i＝1，2，…，M}，如果它的零相关区长度为Z_CZ，那么该扩频序列码组就称为一个ZCZ-(N，M，Z_CZ)序列码组。其中Z_CZ＝min{Z_ACZ，Z_CCZ}，Z_ACZ与Z_CCZ分别为该序列码组的零自相关区与零互相关区长度，其定义为

Z_ACZ＝max{T：θ_rr(τ)＝0，r，τ≠0，|τ|≤T}

Z_CCZ＝max{T：θ_rs(τ)＝0，r≠s，τ，|τ|≤T}

其中θ_rs(τ)为序列S_r与S_s在时延τ的周期互相关函数值。

本发明的目的在于提出一种灵活、简单的无干扰准同步码分多址通信系统扩频系列码组设计方法，使码分多址通信系统在一定条件下实现无干扰传输，从而减小系统对功率控制和同步的要求，降低系统实现复杂性。

本发明是按照以下技术方案完成的：

在准同步码分多址通信系统中，系统基站与各移动用户之间不需要非常严格的同步。因而实现简单，这种系统对所采用扩频序列码组相关特性的要求是在同步误差范围内(零时延附近)的互相关函数值尽量小。另外，由于移动环境存在的无线多径传输，系统也要求扩频序列码零时延附近的自相关函数值尽量小。本发明给出了一种具有零相关区的扩频序列码组的设计方法，为在准同步码分多址通信系统中实现无干扰传输提供了一种有效的手段。

本发明系统中采用的扩频序列码组分二步构造，首先通过计算机搜索或递归方法生成一组正交非周期互补序列集CS(2ⁿM，2ⁿL)，M＞2，再由该非周期互补序列集通过同一行序列顺序连接(n≥0)或连接后对半切分(n≥1)的方法构造而成。

本发明所提出的扩频码基于一组正交非周期互补序列集。该正交非周期互补序列集是由子序列长度为L，互补序列数目为M的非周期互补序列集CS(L，M)按下述方法递归构造而成：

1.得到M个正交的非周期互补序列集CS(M，L)：{A1i，i＝1，2，…，M}，{A2i，i＝1，2，…，M}，…，{AMi，i＝1，2，…，M}，每个序列长度为L，并以矩阵形式排列为： ${\mathrm{\Δ}}^{\left(0\right)}=\left[\begin{array}{cccc}{A}_{11}& A_{12}& \mathrm{\Λ}& A_{1M}\\ A_{21}& A_{22}& \mathrm{\Λ}& A_{2M}\\ M& M& M& M\\ A_{M1}& A_{M2}& \mathrm{\Λ}& A_{\mathrm{MM}}\end{array}\right]$

其中第i行第j列个元素Aij表示第i个非周期互补序列集中的第j个序列。矩阵Δ(0)的维数为M×M(即M行M列)。因此该矩阵包含M个序列集，每个序列集中有M个长度为L的序列。初始矩阵Δ(0)可以通过计算机搜索得到或通过递归方法构造得到。

2.通过递归方法在第n步(n≥1)生成一组正交非周期互补序列集CS(2nM，2nL)，递归式Δ(n)定义为： ${\mathrm{\Δ}}^{\left(n\right)}=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δ}}^{(n-1)}{\mathrm{\Δ}}^{(n-1)}& (-{\mathrm{\Δ}}^{(n-1)}{\mathrm{\Δ}}^{(n-1)})\\ (-{\mathrm{\Δ}}^{(n-1)}){\mathrm{\Δ}}^{(n-1)}& {\mathrm{\Δ}}^{(n-1)}{\mathrm{\Δ}}^{(n-1)}\end{array}\right]$

其中，-Δ表示矩阵Δ中各元素取反后形成的矩阵。设Δ1与Δ2为两个维数相等的矩阵，并且各元素对应序列长度相同，用Δ1Δ2表示Δ1中各元素与Δ2中各元素顺序连接后形成的矩阵。上述递归过程可重复无限次。所得到的矩阵Δ(n)包含2nM个正交的非周期互补序列集，每个序列集中有2nM个长度为2nL的序列。

根据上述过程得到的Δ(n)，可以通过将同一行序列顺序连接(n≥0)或连接后对半切分(n≥1)的方法构造得到具有零相关区的扩频序列码组。即：

方法1：将上述过程得到的Δ(n)的每一行各序列顺序连接组成一个序列，则Δ(n)的所有Mn＝2nM行构成一个ZCZ-(4nLM，2nM，2n-1L)序列码组。

方法2：当n＞1时，将上述过程得到的Δ(n)的分为两个相等的部分，即Δ(n)＝[ΔL|ΔR]，其中ΔL与ΔR分别为Δ(n)的左右半部分，则ΔL(ΔR)的所有行构成一个ZCZ-(22n-1LM，2nM，2n-2L)序列码组。

例如，给定M＝4，L＝3，可以将对应的正交的非周期互补序列集CS(4，3)以矩阵形式排列为： ${\mathrm{\Δ}}^{\left(0\right)}=\left[\begin{array}{cccc}---& -+-& +--& +--\\ --+& --+& +++& +-+\\ +-+& ---& +--& -++\\ --+& ++-& -+-& +++\end{array}\right]$

那么，由方法1可以得到Δ(1)，而Δ(1)的所有行构成一个ZCZ-(48，8，3)序列码组，即：

S1＝{-------+--+-+--+--+--+--+++---+-+-+--+++---+++--}

S2＝{--+--+--+--++++++++-++-+++---+++---+---+++-+-+-+}

S3＝{+-++-+------+--+---++-++-+-+-++++----+++--+---++}

S4＝{--+--+++-++--+--+-++++++++---+--+++-+-+-+----+++}

S5＝{+++---+-+-+--+++---+++---------+--+-+--+--+--+--}

S6＝{++---+++---+---+++-+-+-+--+--+--+--++++++++-++-+}

S7＝{-+-+-++++----+++--+---+++-++-+------+--+---++-++}

S8＝{++---+--+++-+-+-+----+++--+--+++-++--+--+-++++++}

同样，由方法2，Δ(2)的左(右)半部分的所有行则构成一个ZCZ-(96，16，3)序列码组，如图1所示。

对于本发明所述准同步码分多址通信系统，为了充分利用上述扩频码的优异特性，扩频调制信号由每个信号码元与对应扩频序列码的乘积及首尾两端的附加保护码片组成。该扩频调制信号首尾两端的附加保护码片数目(G)可取不大于扩频序列码组中零相关区长度(ZCZ)的任意值。由于采用了这种特殊扩频调制信号格式，只要信号间相对时延在附加保护码片长度之内，各扩频序列码之间仍然是正交的，从而可以消除由于多径效应或多址接入所带来的干扰。

本发明有益效果：

系统最大同步误差和信道最大多径时延扩展在所规定的范围之内时，可实现无干扰传输。扩频序列码组的参数和系统效率可根据实际因素实时调整，灵活选取。减小了码分多址通信系统对功率控制和同步的要求，降低了系统实现复杂性。

附图简要说明：

图1是本发明的具有零相关区的扩频序列码组实例ZCZ-(96，16，3)。

图2是本发明的周期自相关函数图(以图1中序列1为例)。

图3是本发明的周期自相关函数图(以图1中序列2为例)。

图4是本发明的周期互相关函数图(以图1中序列1与序列2为例)。

图5是直接序列码分多址通信系统的扩频调制信号的信号格式图。

图6是本发明中每个码元对应的扩频调制信号格式图。

图7是蜂窝码分多址通信系统下行链路的信号传输示意图。

图8是蜂窝码分多址通信系统上行链路的信号传输示意图。

表1描述了具有零相关区的扩频序列码组参数之间的约束关系。

下面结合附图对本发明实施例进行详细阐述：

参看图1，它是一个以16个扩频序列为例的ZCZ-(96，16，3)序列码组，可供16个用户使用。每个序列由96个+1或-1组成。

参看图2与图3，它们分别是图1中序列1与序列2的周期自相关函数图。其它序列具有完全类似的周期自相关函数，即时延为±1，±2，±3时，其周期自相关函数值为零。

参看图4，它是图1中序列1与序列2的周期互相关函数图。其它任意序列对具有完全类似的周期互相关函数，即时延为0，±1，±2，±3时，其周期互相关函数值为零。

本发明所述的任何其它具有零相关区的扩频序列码组都具有完全类似的周期自相关函数与周期互相关函数。其特点是：

任一序列的周期自相关函数在零移位两旁有零相关区，扩频序列码组中任一对序列的周期互相关函数在零移位两旁(包括零移位)有零相关区。

扩频序列码组中序列长度N、序列数目M、零相关区长度ZCZ满足关系2MZCZ＝N。

扩频序列码组中零自相关区长度与零互相关区长度和零相关区长度三者均相等，即有ZACZ＝ZCCZ＝ZCZ。

参看图5，它是常规直接序列码分多址通信系统的扩频调制信号格式图。其中接收信号R(t)由有用信号VS(t)和干扰信号VX(t)组成，它们是分别由序列A和B对应的扩频信号调制相应的二元信息比特得到的A，-A，B，-B。由于系统的不完全同步或多径效应，VS(t)和VX(t)之间具有相对时延τ。假定接收端可通过传统方法使解扩信号VD(t)与所要求的发送端信号VS(t)同步，但VD(t)与VX(t)在本质上是异步的，因而解调过程中非周期相关函数非零值将带来不可避免的干扰。

为克服由相对时延引起的干扰，系统工作在准同步方式，即由基站发送导频信号，使小区中的各移动台的传输尽量同步，将各移动台的传输相对时延控制在一定的范围内。为了消除非周期相关函数的影响，可以在扩频调制信号中加入保护码片。

参看图6，它是每个码元对应的扩频调制信号格式图。其中AC的长度为NTC(TC为码片周期)，由一个取自ZCZ-(N，M，ZCZ)序列码组的序列对应的扩频信号组成，作为该用户的签名信号。AH与AT的长度为GTC，分别是AC中首尾两端的G个码片，作为保护码片。

所述扩频调制信号中首尾两端的附加保护码片数目(G)可取不大于扩频序列码组中零相关区长度(ZCZ)的任意值，当信号间相对时延在附加保护码片长度之内时，所述的扩频序列码是正交的。

参看图7，它是蜂窝码分多址通信系统下行链路的信号传输示意图，所有的信号从基站向移动台同步传输，因此有用信号VS(t)和干扰信号VX(t)同时到达接收端。但是，由于多径效应的存在，VS(t)和VX(t)经延时τ′后的信号VS′(t)和VX′(t)就成为系统中的干扰。只要τ′不超过GTC，系统干扰只与周期相关函数有关。如果采用ZCZ-(N，M，ZCZ)序列码组作为各用户的签名地址序列，并且满足G≤ZCZ，系统实现无干扰传输。

参看图8，它是蜂窝码分多址通信系统上行链路的信号传输示意图，由于移动台向基站传输的信号不能做到完全同步，干扰信号VX(t)与有用信号VS(t)之间不为零的互相关特性就导致了系统中的干扰。但是由于系统工作在准同步方式，小区中的各移动台的传输相对时延τ″被控制在一定的范围内。只要τ″不超过GTC，系统干扰只与周期相关函数有关。如果采用ZCZ-(N，M，ZCZ)序列码组作为各用户的签名地址序列，并且满足G≤ZCZ，系统实现无干扰传输。

因此，通过使用具有零相关区的扩频序列码组作为各用户的签名地址序列，并在扩频调制信号加入适当的保护码片，就可实现准同步码分多址通信系统上行链路和下行链路的无干扰传输。

参看表1，具有零相关区的扩频序列码组的参数之间具有某种折衷关系，即2MZCZ＝N。可以看出，在固定序列长度时，如果系统信道条件好，对零相关区长度要求小，就可以设计出大数目的扩频序列码组以供大量用户同时使用；如果系统信道条件变差，就可以适当减小系统能同时容纳的用户数目，设计出零相关区长度大的扩频序列码组，同时相应地增加扩频调制信号的保护码片，以应付恶化的信道状况。

表1

Claims (5)

1.一种无干扰准同步码分多址通信系统扩频系列码组设计方法，其特征在于：该系统中采用的扩频序列码组分二步构造，首先通过计算机搜索或递归方法生成一组正交非周期互补序列集CS(2ⁿM，2ⁿL，M＞2)再由该非周期互补序列集通过同一行序列顺序连接(n≥0)或连接后对半切分(n≥1)的方法构造而成；该系统的扩频调制信号由每个码元与对应的扩频序列码的乘积及首尾两端的附加保护码片组成。

2.根据权利要求1所述的一种无干扰准同步码分多址通信系统扩频系列码组设计方法，其特征在于：所述的扩频序列码组中任一序列的周期自相关函数在零移位两旁有零相关区，扩频序列码组中任一对序列的周期互相关函数在零移位两旁(包括零移位)有零相关区。

3.根据权利要求1所述的一种无干扰准同步码分多址通信系统扩频系列码组设计方法，其特征在于：所述的扩频序列码组中序列长度N、序列数目M(M大于2)、零相关区长度Z_CZ等参数满足关系2MZ_CZ＝N。

4.根据权利要求1所述的一种无干扰准同步码分多址通信系统扩频系列码组设计方法，其特征在于：所述的扩频序列码组中零自相关区长度Z_ACZ、零互相关区长度Z_CCZ、零相关区长度Z_CZ等参数满足关系Z_ACZ＝Z_CCZ＝Z_CZ。

5.根据权利要求1所述的一种无干扰准同步码分多址通信系统扩频系列码组设计方法，其特征在于：所述扩频调制信号中首尾两端的附加保护码片数目(G)可取不大于扩频序列码组中零相关区长度(Z_CZ)的任意值，当信号间相对时延在附加保护码片长度之内时，所述的扩频序列码是正交的。

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