基于OFDM的码分多址技术及其性能仿真

基于OFDM的码分多址技术及其性能仿真
张凯;梁钊
【摘要】给出了多载波CDMA系统构架.目前提出有3种方案,分别是:频域扩频(MC-CDMA)、时域扩频(MC-DSCDMA)和多音CDMA(MT-CDMA).以MC-CDMA,MC-DS-CDMA为例,对两种模型在AWGN和Rayleigh信道的性能进行了仿真.仿真数据表明:多载波频率分集CDMA系统(MC-CDMA)在无线宽带数据传输中性能大大优于时域扩频CDMA系统,具有良好的应用前景.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2006(029)021
【总页数】3页(P8-10)
【关键词】3G;OFDM;多载波调制;CDMA;多载波CDMA
【作者】张凯;梁钊
【作者单位】五邑大学信息学院,广东,江门,529020;五邑大学信息学院,广东,江门,529020
【正文语种】中文
【中图分类】TN92
1 引言
在无线通信系统中，无论前向链路还是反向链路都需要使用一种技术来区分不同的用户，即多址技术。

多址方式允许多个移动用户同时共享有限的频谱资源。

频分多
址(FDMA),时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)是无线通信系统中共享有效带宽的3种主要接入技术。

由于CDMA技术可以提供比传统多址技术(例如：TDMA,FDMA)更大的系统容量，并且具有抗信道频率选择性衰落的良好特性，该技术就成为第三代移动通信(3G)和未来无线移动通信中高速数据多媒体业务的有力竞争者。

OFDM是一种高速数据传输技术，该技术的基本原理是将高速串行数据变成多路相对低速的并行数据,并对不同的载波进行调制，再将调制后的信号加入循环前缀(Cyclic Prefix,CP)，这样可以有效地对抗多径时延扩展。

每个子载波的频谱的主瓣相互重叠，但各子载波的频谱载频域上是相互正交的(见图1),从而提高了频谱利用率。

因此该技术已在移动通信领域引起了广泛的关注。

实际中的CDMA容量受限于多址干扰和频率选择性衰落引入的干扰。

而OFDM技术对于有频率选择性衰落导致的多径干扰和符号间串扰有很强的抵抗力，因此如何将OFDM技术和扩频码分多址技术相结合成为目前的焦点。

图1 OFDM信号频谱
2 多载波CDMA
多载波CDMA(Multi-Carrier CDMA)是将扩频码分多址(CDMA)技术和正交频分复用(OFDM)技术互相融合的一种新型多址接入技术。

多载波CDMA系统与OFDM系统的结构极为相似，不同之处在于多载波CDMA中每路载波都携带相同的信息，而OFDM的每路载波则携带不同的信息。

多载波CDMA实际可以被看作是一种特殊的OFDM系统，具有接近矩形的频谱，带外辐射小，可用快速傅里叶变换实现信号的调制和解调的特点。

因此多载波CDMA系统也具有低功率谱密度接收、抗干扰和抗多径的能力。

3 多载波CDMA方案
多载波调制与扩频技术结合的方法可分为两类：一类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DS-CDMA的
操作，即在时域上进行数据扩频。

另一类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载波上，即在频域上进行扩展。

3.1 频域扩频
MC-CDMA是频域扩频与多载波调制的结合,每个信息符号先与扩频序列各位相乘,相乘后的每路信号调制到每个子载波上。

即与扩频码的一个频率码片(chip)相应的系统部分是通过不同频率的载波同时进行发送的。

这样一个符号的信息就在多个子载波中并行传输。

显然,当扩频增益为1时,MC-CDMA就成为了OFDM，其原理
见图2。

图2 MC_CDMA原理框图
图2中给出的是在载波数和扩频增益相同的情况，在实际系统中，子载波数为扩
频增益的整数倍。

设子载波总数为Nc，扩频增益为Gmc，每帧数据有Nd个数据符号。

发射时先将数据流串并变换为I=Nc/Gmc个并行数据流，然后每个子数据
流中的比特进行频域扩频。

最后将所有的Nc=I×Gmc 个子载波通过IFFT进行基
带调制，并进行并串变换，然后进行发射。

其发射信号的表达式为：
(1)
其中，M为用户数目，是第m个用户的第i组数据扩频后的符号表达式，表示为:
(2)
在式(2)中，是第m个用户在第i组子载波上的第k个输入数据信息；是第m个用户使用的扩频码中的第l个码片；f(i*Gmc+l)是第i*Gmc+l路子载波的载波频率。

在第m个用户所有的数据组都使用相同的扩频序列
MC-CDMA的优点是他实际采用了OFDM技术，融合了OFDM的众多优点；由
于每个符号可以在多个载波上传输使得接收分集得以应用。

但他的应用复杂度高于MC-DS-CDMA和MT-CDMA。

3.2 MC-DS-CDMA
这种方案有两种形式。

当设计方案中子载波数为1时，相当于一般的DS-CDMA 方案。

(1) MC-DS-CDMA
多载波DS-CDMA(MC-DS-CDMA)发送端利用给定扩频码，数据流在时域内扩展先经过S/P转换(串/并变换)后，并行的各路经过相同的扩频序列扩频，再调制到不同的子载波上，相邻的子载波频带之间有1/2的重叠，且保持正交关系，方案框图见图3。

由于把OFDM信令引入DS-CDMA方案有助于建立同步信道，所以该方案适用于上行通信链路。

图3 MC-DS-CDMA原理框图
在发射端，设每帧数据有Nd个数据符号和Np个导频符号,相邻符号的时间间隔为Td,经过串并转换后,在每个子载波上的相邻符号的时间间隔变为Ts=NcTd。

若扩频序列的长度等于扩频因子的值，则该发射信号的表达式为：
(3)
其中，M为用户数目，是第m个用户的第i路扩频后的符号表达式，表示为:
(4)
在式(4)中，是第m个用户在第k路子载波上的第i个输入数据信息；是第m个用户使用的扩频码中的第l个码片；fk是第k路子载波的载波频率。

在第m个用户所有的子载波上都使用相同的扩频序列
(2) MT-CDMA
多音CDMA(MT-CDMA)发送端也利用给定的扩频码，数据流在时域内扩展先经
过串并转换后，调制到不同的子载波上，以形成OFDM信号。

相邻的子载波频带之间有1/2的重叠，且保持正交关系，与一般的 DS-CDMA相比,MT-CDMA采
用与子载波数目成比例的较长扩频码，能使CDMA系统容纳更多的用户。

4 OFDM多载波技术的计算机仿真
这里采用Matlab软件，构建出MC-CDMA和MC-DS-CDMA两种通信系统的
模型，并进行仿真。

这里给出两种系统在高斯信道和瑞利信道中的仿真结果，系统带宽被设为2 MHz,OFDM有200个子载波，这样每个子载波的带宽为10 kHz,对应的OFDM符号长度为100 μs，保护间隔为20 μs，整个OFDM符号长度为
Ts=120 μs。

调制方式采用16QAM,假设在瑞利信道中存在4条路径,其值为[1,0.7,0.7,0.7],每条路径间隔为5 μs。

图4是多载波CDMA系统在高斯信道与瑞利信道中的性能，从以上分析可知在扩频增益为1时两种系统的性能是相同的。

所以这里只给出了MC-CDMA在扩频增益为1时的误比特率。

图4 扩频增益为1时误比特率比较
图5是两种通信系统扩频增益为8时，在瑞利信道中的仿真结果，从图中可以看
出在信噪比小于10 dB时，时域扩频的性能好于频域扩频，但大于10 dB时，频
域扩频的性能渐渐优于时域扩频，在保障通信质量的前提下，即误比特率小于10-5，此时采用频域扩频可以获得大约4 dB的增益。

其原因是由于MC-CDMA的扩频是在频率域上进行的，接收端也是在频率域上进行解扩，这样就相当于频率分集，从而更有效地克服了由于信号经过瑞利信道所产生的频率选择性衰落。

5 结语
MC-CDMA技术是并行传输的OFDM技术和CDMA技术的有效融合，克服了CDMA系统面对无线宽带数据传输时由于扩展频谱而引起的码元周期缩短导致码
间干扰严重的问题。

多载波CDMA结合CDMA技术和OFDM技术的众多优点，是一种全新的技术。

未来无线个人通信的发展趋势是在通信中传输高速多媒体数据流及实现流媒体高速业务,在这种背景下,多载波CDMA方案将真正为用户提供了可靠的实时通信。

具有极强应用潜力的多载波CDMA必将在未来移动通信领域得到广泛运用。

图5 扩频增益为8时误比特率比较
参考文献
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