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MC-CDMA功率控制研究

摘要

移动通信系统需要满足用户对语音、视频、数据等多种无线服务的需求。因此，为了在有限的无线带宽资源下为CDMA系统提供高速多媒体通信服务，有必要设计一种提高带宽效率的方法。在不增加发射机和接收机复杂性的情况下将CDMA技术与MC调制技术相结合，很容易实现高速的数据传输。针对IMT-2000/UMTS的无线传输技术，提出了“CDMA 2000”方案，选择MC-CDMA(多载波CDMA)系统。多载波方法由现有is -95载波的频谱覆盖驱动，由于发射机和接收机的复杂性较低，因此它是RTT的一个强有力的候选方案。本文着重提出了ECPC(每个载波功率控制)概念的局限性（最初是为OFDM和DS-CDMA提出的）：当扩展到MC-CDMA(多载波码分多址)系统时，它不切实际的信令开销高达80%，并且它不能用作上行功率控制机制。在此基础上，我们提出了宽带功率控制(BBPC)作为MC-CDMA系统中ECPC的替代方案。与ECPC控制每个载波上的功率不同，BBPC将相同的功率级别分配给一个载波带(位于通道的相干带宽内)。结果明显表明，在名义性能损失的情况下，BBPC将信令开销降低到2.5%，并在去扩后使用控制指标估计器;它可以作为MC-CDMA的上行功率控制机制。我们采用SIR(信噪比)作为功率控制指标，BER和功率控制误差标准差作为性能指标。并且我们提出了一种新方法用于提升BBPC的性能。

关键字：带基功率控制(BBPC)；低功率自适应(LPA)；各载波功率控制(ECPC)；正交频分复用(OFDM)

1. 介绍

多载波码分多址(MC-CDMA)是一个新的概念。它的开发旨在提高多径链路的性能。CDMA是一种多载波传输的调制方法。

这个方案最初是由Linnartz, Yee(加州大学伯克利分校)和Fettweis(加州大学伯克利分校Teknekron分校，目前德国德累斯顿大学)于1993年在横滨的PIMRC #39;93提出的。Fazal和Papke分别提出了类似的系统。Linnartz和Yee表明，通过使用FFT和可变增益分集合成器，可以用相当简单的接收机结构检测到MC-CDMA信号，其中每个支路的增益仅由该子载波的信道衰减控制。在PIMRC #39;94中，海牙提出了最佳增益控制函数。研究结果表明，一个完全加载的MC-CDMA系统，即其中用户数量等于传播因子的系统，可以在良好误码率条件下在高时间分散信道中工作。这些结果与完全加载的DS-CDMA链路的性能形成了对比，DS-CDMA链路通常在大时间分散性下不能令人满意地工作。自1993年以来，MC-CDMA技术迅速成为研究的热点。Hamid Aghvami教授在1996年ISSSTA会议的主题演讲中预测，扩频领域最热门的话题即多载波CDMA，直到1997年将吸引80%的研究。在2000年，我们看到MC-CDMA引起了极大的关注，整个领域都致力于此。Mc-CDMA被誉为一种调制解决方案，它将香农(尤其是CDMA相关的)的见解与傅里叶(尤其是解释OFDM为何在色散信道中具有优势的见解)的见解融合在一起。

• 1. MC-CDMA的介绍

有多种方法可描述MC-CDMA：

1.MC-CDMA是CDMA或扩频的一种形式，但我们将扩频应用于频域(而不是直接序列CDMA的时域)。

2.MC-CDMA是一种直接序列码分多址(Direct Sequence CDMA)，但在扩频后它进行傅里叶变换(FFT)。

3.CDMA是正交频分复用(OFDM)的一种形式，但我们首先将正交矩阵运算应用于用户位。因此，MC-CDMA有时也被称为“CDMA-OFDM”。

4.MC-CDMA是一种直接序列CDMA，但我们的码序列是沃尔什哈达玛序列的傅里叶变换。

5.CDMA是一种频率分集技术。每个比特在许多不同的子载波上同时(并行)传输。每个子载波都有一个(恒定的)相位偏移。频率偏移量的集合形成一个代码来区分不同的用户。

和CDMA相比较：

从我们的比较中可以看出MC-CDMA使用标准的接收技术能够同时处理N个具有良好误码率的用户。此外，它使用RAKE接收机可以利用频率分集。然而，在离散多径信道中，只有采用高度复杂的干扰抵消技术，扩频因子N的CDMA才能同时容纳N个用户。

和OFDM相比较：

CDMA用一个矩阵运算来代替这个编码器。我们的初步结果显示一个改进的误码率。为了避免在深度衰落的子载波上出现过多的比特错误，OFDM通常采用编码。因此，需要的子载波数大于同时传输的比特或符号数。

• 1. 功率控制

多载波方法由现有is -95载波的频谱覆盖驱动，由于发射机和接收机的复杂性较低，所以它是RTT的一个强有力的候选方案。MC-CDMA系统是基于CDMA的系统，移动基站在一个小区内共享同一个频段，功率控制方案需要对抗远近效应和衰落，在保证可靠的QoS的同时提高系统容量。

• 1. 贡献

本文的主要贡献如下：

研究了解决MC-CDMA干扰问题的几种方法的性能，并为此选择了两种方案。一是低功耗自适应MC-CDMA接收机和发射机结构，二是带基功率控制。通过对MC-CDMA系统的描述和仿真，我们可以看出在MC-CDMA系统中，哪种方法可以减少更多的干扰，并对其进行一定的抑制，从而提高系统的效率。

• 1. 论文大纲

第二章介绍了MC-CDMA系统，它是现有系统CDMA和OFDM的融合，并将其与前两种系统进行了比较，说明了OFDM和CDMA系统的局限性以及MC-CDMA系统的优点。这种技术结合了OFDM和CDMA两种技术的优点，可以保证在恶劣的多径条件下具有良好的性能，因此被认为是未来无线系统的一个非常有可能的候选技术。我们已经研究了这些不同的MC-CDMA系统的性能和其他方面。针对这些不同的系统，在接收机上采用了组合方案，并通过仿真对其性能进行了研究。第三章我们将重点讨论该方案的主要难点之一:功率控制。

为了有效地控制多载波系统中的功率，采在我们所钟爱的系统中，有许多结构或模型试图控制功率，如低功耗自适应接收机和发射机结构、解扩模块。用了开环、闭环、低功耗pc、大功率pc、自适应控制、带式功率控制等多种控制机制。在MC-CDMA系统中，每个子载波的衰落程度不同，可以考虑采用两种功率控制方案进行反向链路功率控制。一种是基于带宽的功率控制，只适用于MC-CDMA系统;另一种是基于用户的功率控制，与CDMA系统基本相同。在基于带宽的功率控制中，基站会对每个子载波接收到的信噪比进行估计，并与参考信噪比进行比较，再根据本文给出的数学方程确定功率控制命令。在MC-CDMA系统中，每个用户使用多个子载波进行高速数据传输，每个数据由不同的子载波调制，通过不同的频段进行传输。由于每个数据所处的信道条件不同，为了提高误码率性能和系统容量，需要通过基于带宽的功率控制将不同的传输功率分配给不同的子载波。

我们的仿真和研究都表明，在MC-CDMA系统中，每个用户使用多个子载波进行高速数据传输时，每个数据由不同的子载波调制并且通过不同的频段传输。由于每个数据所处的信道条件不同，为了提高误码率性能和系统容量，需要通过基于带宽的功率控制将不同的传输功率分配给不同的子载波。

最后一章(第四章)提出了自适应带式功率控制的概念。我们描述了本研究中使用的系统概念模型，然后阐述了BBPC的概念。最后利用仿真结果比较了BBPC与ECPC和ACPC的性能。本节还使用不同相干带宽的信道，并通过改变一个频段的子载波所占用的带宽来验证了BBPC的概念。我们将通过仿真证明，即使在固定步长模式下，与ECPC相比，BBPC在没有较大的误码率性能损失和功率控制误差方面的名义性能损失的情况下，也可以降低信令开销。其次，其次，采用功率控制指数(SIR)估计器进行解扩和组合，BBPC成功地克服了ECPC不能作为MC-CDMA无线接口上行功率控制的缺点。因此，对于4G技术来说，MC-CDMA系统是最好的选择，其中好的功率控制机制就是运用了BBPC的概念。

2.MC-CDMA

2.1 介绍

CDMA方案增强了频率选择性衰落，并且它已成功地应用于is -95和3G等商用蜂窝移动通信系统。因此，没有人期望OFDM和CDMA方案的结合会产生协同效应。1993年，三个不同的小组分别提出了MC-CDMA系统，它实际上是这两种方案的组合。自2002年以来，MC-CDMA系统被认为是4G移动通信物理层协议的候选之一，因为4G系统在可能的传输速率上要求高可扩展性和适应性，而MC-CDMA最具有潜力。码分多址(CDMA)被认为是对抗无线移动信道频率选择性的一种解决方案。在CDMA中，数据是随时间分布的，RAKE接收机在捕获包含原始传输信号能量的所有多路径时效率不高。正交频分复用(OFDM)是一种对抗符号间干扰(ISI)影响的多载波技术。将OFDM和CDMA相结合的混合系统可以完全恢复频域内的能量分布，因此具有较高的能量效率。

2.2 CDMA VS MC-CDMA

码分多址(CDMA)是目前世界上针对3G无线通信系统提出的一种主要的多址接入技术。从概念到商业交付系统，3G移动通信技术的成熟促使人们思考未来几代无线手机可能的架构。哪种类型的MC-CDMA架构对未来的移动通信将是伟大的，这一问题得到了全面的解决。

1. 基本码分多址(CDMA)系统：

CDMA是一种支持同时数字传输的扩频通信技术。CDMA类似于FDMA(频分多址)和TDMA(时分多址)。CDMA具有在同一无线信道CDMA作为一种宽带系统，能够与其它窄带微波系统共存，其最大的优点是具有抗多径衰落的能力。中支持多个用户的独特特性。CDMA由于多用户界面的频率复用因素，性能有明显的下降。

CDMA系统允许单个用户使用唯一的伪噪声码，任何用户都可以随时访问空气。因此，传统CDMA的扩频效率(SE)均为1/N，小于1。低速率的数据符号被CDMA编码多路复用，产生宽带波形，“这一过程称为扩频”。多代码方法将一个或多个具有固定扩展因子的代码分配给任何用户，如图2.1所示。这就产生了具有高峰值功率的波形。要求高吞吐量的用户被分配一个低扩展因子的CDMA码。

图2.1 CDMA在码分多址和时域

1. 扩频原理

Qualcom Inc.最初是为军事应用提供抗干扰能力而开发的，在20世纪80年代末和90年代初开发了它，并最终形成了IS-95蜂窝标准。扩频特性:使用的带宽远远大于消息带宽。带宽扩展是通过使用扩展码或(伪噪声)p-n序列来实现的，而扩展码是独立于消息信号的。扩频的两种类型是:直接序列(DS)，利用p-n序列将快速相变引入包含数据的载体；跳频(FH)扩频是利用p-n序列对载波频率吞吐量进行伪随机跳频的一种扩频方法。

原始的信息信号占用B赫兹的带宽，经过频谱扩频后传输到带宽N倍以上。N为处理增益，一般在10-30 dB范围内。发射扩频的功率是原始带宽的N倍，而它的密度相应地降低了相同的量。因此，处理增益由N = Bs/B给出，其中Bs为光谱信号的带宽，B为原始信息信号。这种独特的传播技术是提高其在移动无线电环境中探测能力的关键。这使得具有更高频谱密度的窄带信号可以共享相同的频段。

1. 完全互补码

利用直接序列正交完全互补码

bull;正交完全互补码是基于一组联合元素码，而不是传统CDMA中的单一码。

bull;MC-CDMA系统中的每个用户将被分配一组元素代码作为其签名代码。

bull;每个比特由一个由N个相邻芯片组成的连续代码进行扩展，以获得一定的处理增益或扩展因子。对吞吐量要求较高的用户分配的代码越多，扩展因子越低。

bull;代码可能通过不同的频率信道传输后同时到达接收机。

bull;信息位相关器通过“偏移叠加”的单元码进行传播调制，每个单元码由一个芯片相对移动。

bull;每个签名代码被分散到几个段(或元素代码)中，新比特将在一个芯片相对于前一个比特延迟后立即启动。

bull;位由元素代码长度L来扩展。

1. 多址干扰下的性能分析：

与传统CDMA系统中的扩频调制相比，新系统具有以下显著特点:

bull;新系统不再按时间顺序逐位对齐。

bull;相反，在一个芯片相对于前一个元素L延迟之后，一个新的位将立即启动。

bull;独特的偏移叠加扩展方法，只需在相邻的偏移叠加位之间移动多个芯片(最多L个芯片)，就可以轻松降低数据传输速度。

bull;因此，在相同的处理增益下，MC-CDMA体系结构能够比传统CDMA体系结构提供更高的带宽效率。

bull;MC-CDMA系统促进多速率传输的“固有”能力是基于其创新的偏移叠加传播技术，而这一技术不能应用于传统的传播码。

bull;独立于MAI的特性对于增强MC-CDMA多径信道的系统容量具有重要意义。

1. 多路径自干扰

CDMA rake接收机如果能很好地解耦不同的路径，就能从多路径接收中获得理想的分集增益。

bull;然而，在实践中，每条路径都充当其他路径的干扰。

bull;当CDMA信号在多个编码信道上传输或扩频因子较小时，干扰尤为显著。

bull;传统CDMA接收机通常使用Rake接收机在不同的反射路径间收集分散的能量，实现接收机的多路径分集。

bull;因此，Rake接收机对于所有传统的CDMA系统都是必须的，包括当前运行的2G和3G系统。

在MC-CDMA体系结构中，由于采用了独特的扩频调制技术，Rake

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资料编号：[2784]