MC-CDMA和DS-CDMA系统的性能比较与研究

MC-CDMA和DS-CDMA系统的性能比较与研究
闫洁
河海大学计算机及信息工程学院，江苏常州（213022）
E-mail：kathy_sqyj@
摘要：文中介绍了MC-CDMA系统的结构和特性，并将其与DS-CDMA系统进行了性能比较与分析，总结归纳了MC-CDMA的优缺点。

二者的误码率曲线仿真结果显示，由于其内在的频率分集性能和克服多径时延的能力，MC-CDMA表现出比DS-CDMA更好的误码率性能。

关键字：MC-CDMA，DS-CDMA，OFDM，多径时延扩展
1. 引言
直接序列码分多址（DS-CDMA，Direct Sequence Code Division Multiple Access）是一种应用广泛的扩频多址技术。

它采用伪随机序列调制数据符号，再利用序列的相关性，按适当的算法将多径信号合并以恢复原始信号。

这样能有效地对抗频率选择性衰落，获得时间分集的效果。

但是由于扩频序列设计的不理想如互相关性为零等会引入多址干扰（MAI），这样在高速数据传送时会增加可识别的路径数量，增加RAKE接收机的复杂度。

OFDM利用了多径效应在频域上的特性，使信道的频域均衡更易实现。

其基本思想就是通过串并变换把一个高速的数据流分割成许多低速子数据流，然后再把这些子数据流分别调制到若干正交的子载波上。

由于每个子载波的调制信号速率较低，这样码元的周期相对较长。

只要保证时延扩展小于码元周期，就不会造成码间干扰。

另外，每个码元又采用了循环前缀（CP，Cyclic Prefix）作为保护间隔，所以符号间干扰就可以更加明显的减少，从而达到克服信道时延扩展所带来的符号间干扰的目的。

但是，如果子载波处于深衰落时不采用纠错编码，系统便会产生很高的误比特率。

OFDM 相对于一般的多载波传输的不同之处是它允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间互相正交就可以从混叠的子载波上分离出数据信息，因而频谱效率大大提高。

图1 频分复用信号的信道分配
(a) 传统的频分复用（FDM）技术（b）正交频分复用（OFDM）技术
Fig.1 Channel distribution of frequency division multiplexing signal
(a) Traditional frequency division multiplexing (FDM) technique
(b) Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technique
CDMA技术和OFDM技术各有利弊，人们便自然地想到将二者结合起来，取长补短，以达到更好的通信传输效果。

目前提出的以OFDM和CDMA为基础的多载波CDMA
（MC-CDMA）技术共有两种方案：一种是用给定的扩频序列对经过串并变换后的数据流进行扩频，也就是在对应的每路载波上进行类似于DS-CDMA的操作，即对时域上进行数据扩频，这种方案的主要形式为MC-DS-CDMA和MT-CDMA；另一种是用给定的扩频序列对原始数据流扩频，用扩频序列中对应的每个码片将数据调制到不同的子载波上，即在频域上进行扩频；这种方案的主要形式为MC-CDMA。

本文重点介绍MC-CDMA。

2. MC-CDMA的基本思想和结构方案
2. 1 基本思想
MC-CDMA可以被看作是一种OFDM技术，只是在形成OFDM信号前，先将用户的信息和扩频码矩阵相乘。

这样在下行链路中，使用反快速傅立叶变换模块IFFT和扩频序列矩阵模块就能方便实现其发射，发射方式如图1所示：
图2 MC-CDMA发射方式（一）
Fig.2 Transmission mode of MC-CDMA (one)
MC-CDMA也可以被看作是一种DS-CDMA技术。

这样，对于一个用户的发送，可以采用如下的方式。

用户的数据与一个全新的码序列相乘，这个码序列是由原始扩频序列经过离散傅立叶变换得到，因此这时的码序列不再是+1和-1的组合，而是一系列的复数值。

这种方式同样也可以实现MC-CDMA的发射，其发射方式如图2所示：
图3 MC-CDMA发射方式（二）
Fig.3 Transmission mode of MC-CDMA (two)
以上两种发射方式是等价的，这也表明MC-CDMA方案充分保留了OFDM和CDMA 各自的特点。

接收端只需采用简单易行的信道均衡技术和合适的增益合并方式就可以获得满意的误码性能。

2. 2 结构方案
在多载波系统中，速率很高的原始输入数据首先经过串并变换后使每个数据符号的周期变长，这样系统不易受到频率选择性衰落的影响，也比较容易实现同步，因此每个子载波可以被认为是频率非选择性衰落信道。

图4为MC-CDMA的发射框图。

对于第u个用户，输
N N路，每路的输出进入对应的复制模块复制为N路相同入的数据序列首先串并变换成/
c
×
的数据，然后每N路相同的数据与长为N的扩频码相乘以完成频域扩频。

扩频后的N N
T。

为了消除因多径传输而导致的码路数据再进行IFFT变换和串并变换，并插入保护间隔
g
N为子载波个数，N为扩频码间干扰（ISI），保护间隔的长度要大于信道最大时延扩展。

c
长度。

在下行链路中，发送时所有用户的发送信号先线性叠加后形成发射信号，然后经过成形滤波器由射频单元发射出去。

BPSK 调制
图 4 MC-CDMA 的发射框图
Fig.4 Transmission structure of MC-CDMA
第u 个用户的发送信号的等效低通形式为：
0(/)112((/)))()00()()()()c c s N N N j f N N n m f t iT u u MC n u
s S i n m s t a i C m e p t iT π−+∞−′++∆−=−∞==′=
−∑∑∑ （1） (/)S c s T N N T ′= （2） 1/()S g
f T T ′′∆=−
（3） [(0),,(1)]T
u u u c c c N =−L 为第u 个用户的扩频序列，s T 为每个子载波上的符号周期，f ′∆为最小的子载波间隔。

()s P t 是矩形脉冲波形，在g T 到s T ′的时间间隔内为1，其他时间为零。

式（2）表示每个子载波上的符号速率是原始符号速率的/c N N 倍。

图5给出了MC-CDMA 的信号频谱[1]。

C MC
×312
图 5 MC-CDMA 的信号频谱
Fig.5 Signal spectrum of MC-CDMA
3. 仿真结果与其分析
3. 1 性能分析
从图4可以看出，MC-CDMA 采用了OFDM 的结构，并存在两个层次上的正交性，即所有子载波之间的正交和不同用户扩频码之间的正交。

MC-CDMA 的优点在于对抗多径干
扰，通过频率分集可以将分散在频域的信号能量合并，降低每个子载波上的速率，实现在多个小区系统中频率复用系数为1。

但MC-CDMA由于采用了OFDM结构，也难免有一些缺点，如用户之间要求严格同步、峰均比较大等。

DS-CDMA和MC-CDMA都可以在一定程度上对抗多径干扰，二者之间有“时间-频率”的对应关系。

在DS-CDMA中，信息是在许多时间片上用同一载波频率进行发送的；在MC-CDMA中，信息是在许多载波频率片上同时进行发送的。

在接收端，DS-CDMA通过Rake接收机来解析和合并多个路径分量；MC-CDMA利用频域分集来得到所有分散在频域的信号能量。

对于宽带高速率传输，DS-CDMA可能会解析到20条路径，这样Rake接收机的实现就非常复杂，而MC-CDMA 接收机就容易实现。

但是在多普勒频移环境中，MC-CDMA需要用频域Rake来合并信号，而DS-CDMA则可以简单实现。

因此，MC-CDMA 适用于频率弥散信道，而DS-CDMA适用于时间弥散信道。

但在实际应用中应根据信道情况、系统要求等做综合考虑[2]。

3. 2 误码率性能分析
在分析系统性能的基础上，笔者作出了二者误码率的计算机仿真曲线。

仿真时用户数为10，调制方式为BPSK。

子载波数为32，信道采用高斯白噪声信道(AWGN)。

图6是MC-CDMA 和DS-CDMA在相同条件下误码性能的仿真结果。

图 6 MC-CDMA和DS-CDMA系统的误码率曲线
Fig. 6 BER curve of the MC-CDMA and DS-CDMA system
图6表明随着信噪比的增加，MC-CDMA由于其内在的频率分集性能和克服多径时延的能力，表现出比DS-CDMA更好的误码性能。

4. 结束语
文中介绍和分析了MC-CDMA，指出了MC-CDMA相对于传统的DS-CDMA的优缺点。

由于较好地保证了信息传输的可靠性，不仅具有很高的频谱利用率，而且接收和发送设备的复杂度也并未增加，并对于给定的频率选择性和给定的处理增益，MC-CDMA能更有效地合并散布在频域中的能量，因而更具有吸引力。

现在，MC-CDMA 已逐步在数字语音广播（DAB）、高性能局域网（HIPERLAN）、ADSL、HDSL 等领域得到越来越广泛的应用。

可以预料，为了适应高速数据业务的需要，MC-CDMA必将成为未来移动通信多址技术的有力竞争者[3]。

参考文献
[1] 王文博,郑侃.宽带无线通信OFDM技术[M].北京:人民邮电出版社,2003
[2] 尹长川,罗涛,乐光新.多载波宽带无线通信技术[M].北京:邮电大学出版社，2004
[3] 韩芳明.MC-CDMA与DS-CDMA的性能比较研究[J].通信技术,2003(2):59-62.
Comparison and Study of Features Between MC-CDMA and
DS-CDMA Systems
Yan Jie
College of Computer & Information Engineering，Hohai Univ.，Jiangsu，Changzhou (213022)
Abstract
This paper introduces the framework and characteristics of MC-CDMA system, and
then compares and analyzes the features with DS-CDMA system, a summary of its advantages and disadvantages are expounds in succession. Their BER simulation curve indicates that MC-CDMA outperforms DS-CDMA because of its inherent capacity of frequency diversity and combating the multi-path propagation effect.
Keywords：MC-CDMA，DS-CDMA，OFDM，multi-path time delay。